KR101916359B1 - 자기 공명 시스템을 제어하기 위한 방법 및 제어 디바이스 - Google Patents

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Abstract

자기 공명 시스템(100)을 제어하기 위한 방법이 기술된다. 방법에서 다음의 펄스 시퀀스가 출력된다: 제 1 자기화로 제 1 슬라이스(41)를 여기시키는 제 1 슬라이스-선택성 여기 펄스(11, 21), 그 다음 제 1 자기화로 제 2 슬라이스(44)를 여기시키는 제 2 슬라이스-선택성 여기 펄스(12, 32). 제 1 자기화를 제거시키는 제 2 자기화로 제 1 슬라이스(41)를 여기시키는 제 3 슬라이스-선택성 여기 펄스(13, 23), 그리고 제 1 자기화를 제거시키는 자기화로 제 2 슬라이스(44)를 여기시키는 제 4 슬라이스-선택성 여기 펄스(14, 34)가 존재한다. 제 1 슬라이스(41)와 제 2 슬라이스(44)는 교차한다.
본 발명은 추가적으로 펄스 시퀀스가 출력될 수 있는 적어도 하나의 고-주파수 전송 채널(112a, 112b, 112c, 112d)과 펄스 시퀀스의 최적화를 위한 제어 시퀀스 결정 디바이스(111)로, 자기 공명 시스템(100)을 제어하기 위한 제어 디바이스(106)에 관한 것이다.

Description

자기 공명 시스템을 제어하기 위한 방법 및 제어 디바이스{METHOD AND CONTROL DEVICE FOR CONTROLLING A MAGNETIC RESONANCE SYSTEM}
본 발명은 펄스 시퀀스(pulse sequence)를 출력하기 위해 자기 공명 시스템(magnetic resonance system)을 제어하기 위한 방법 및 제어 디바이스(device)에 관한 것이다. 게다가 본 발명은 자기 공명 단층촬영(tomography) 시스템에 관한 것이며, 또한 이하 자기 공명 시스템, 그리고 제어 시퀀스 결정 디바이스로 약칭된다.
핵 스핀 단층촬영(nuclear spin tomography)으로서 또한 알려진, 자기 공명 단층촬영은 조사(investigation) 생물체(living object)의 몸체 내부로부터 영상들을 획득하기 위해 현재 널리 사용되는 기법이다. 이러한 절차를 이용해 영상을 획득하기 위해, 즉, 조사 객체의 자기 공명 영상(MRI; magnetic resonance image)을 발생하기 위해, 환자의 몸 또는 검사될 몸 일부가 가능한 한 균질적인(homogeneous) (통상적으로 B0으로 불리는) 정적 기본 자계(static basic magnetic field)에 우선적으로 노출될 필요가 있으며, 정적 기본 자계는 자기 공명 측정 디바이스의 기본 필드 자석(basic field magnet)에 의해 발생된다. 상대적으로 높은 기본 자계는 예를 들어 전형적인 값들로서 3 또는 7 테슬라(Tesla)의 자속(magnetic flux) 밀도를 갖는다.
소위 경사 코일(gradient coil)들에 의해 발생되는 빠르게 스위치된(switched) 경사 필드(gradient field)들은 공간 인코딩(spatial encoding)을 위해 자기 공명 영상들의 레코딩(recording)동안 이러한 기본 자계에 중첩(superimpose)된다.
게다가, 정의된 필드 세기를 갖는 HF 펄스(pulse)들이 고-주파수 안테나(antenna)에 의해 조사의 객체가 위치되는 스캐닝 볼륨(scanning volume) 안으로 빔(beam)된다. 이들 HF 펄스들의 자속 밀도는 통상적으로 B1로 지정된다. 따라서 펄스-모양(pulse-shaped) 고-주파수 필드의 이름은 일반적으로 B1 필드로 또한 약칭된다. 이들 HF 펄스들에 의해, 조사의 객체내 원자들의 핵 스핀(nuclear spin)들은 이들이 (이후 본 명세서에서 "플립 각(flip angle)"으로 또한 약칭되는) 소위 "여기(excitation) 플립 각" 정도 그들의 평형(equilibirum) 위치로부터 편향(deflect)되는 것과 같은 방식으로 여기되며, 이는 기본 자계 B0에 평행하게 진행한다. 그 다음 핵 스핀들은 기본 자계 B0의 방향 둘레를 세차운동(precess)한다. 즉, 이것은 공명적으로 여기된(resonantly excited) 원자들이 기본 자계의 자계 라인(magnetic field line)들에 관하여 정의된 플립 각만큼, 공간 분해능(spatial resolution)을 가지고, 틸팅(tilt)된다는 것을 의미한다. 임의의 여기, 즉, 틸팅은 B1 필드가 여기될 원자들, 일반적으로 수소 원자들과 공명인 경우에만 가능하다.
자기 고-주파수 펄스들 또는 결과적인 플립 각 분포에 의해 이러한 자기 공명 여기(MR 여기; magnetic resonance excitation)는 이후 또한 "핵 자기화"(nuclear magnetization)로서 지명되거나 "자기화"로 약칭된다. 여기 후 핵 스핀들은 다시 릴랙스(relax)되며; 상기 핵 스핀들은 B0 필드를 향해 지향된 그들의 시작 위치로 복귀한다. 핵 스핀들이 릴랙스될 때, 고-주파수 신호들, 소위 자기 공명 신호들이 방출되고, 이들은 적절한 수신 안테나들에 의해 수신된 다음에 추가적으로 처리된다.
수신 안테나들은 고-주파수 펄스들이 또한 방출되는 동일한 안테나들이거나, 또는 개별적인 수신 안테나들일 수 있다.
핵 스핀 자기화를 위한 고-주파수 신호들의 방출은 통상적으로 소위 "전체-몸체 코일(whold-body coil)" 또는 "몸체 코일"에 의해 실행된다. 전체-몸체 코일의 전형적인 구조는 버드케이지 안테나(birdcage antenna)이며, 이 안테나는 복수의 전송기 로드(transmitter rod)들로 구성되며, 상기 로드들 － 길이방향축에 평행하게 이어짐 － 은 단층촬영의 환자 챔버(patient chamber) 둘레에 배열되고, 이 곳에 환자가 검사동안 위치된다. 안테나 로드들은 각각의 경우에 있어서 정면에서 링(ring) 모양으로 서로에 용량적으로 연결된다. 그러나, 현재 몸에 매우 근접한 로컬(local) 코일들이 MR 여기 신호들의 방출을 위해 보다 빈번하게 사용되고 있다. 자기 공명 신호들은 통상적으로 로컬 코일들에 의해 수신되지만, 많은 경우들에 있어서 또한 몸체 코일에 의해 대안으로 또는 추가적으로 수신된다.
조사의 객체의 자기 공명 영상들은 수신된 자기 공명 신호들에 기초하여 최종적으로 만들어진다. 자기 공명 영상내 각각의 픽셀(pixel)은, 소위 "복셀"(voxel)인 작은 몸체 볼륨에 할당되고, 픽셀들의 각각의 밝기 또는 강도 값은 이러한 복셀로부터 수신된 자기 공명 신호의 자기 공명 신호 진폭에 연결(link)된다. 필드 세기 B1을 갖는 공명적으로 빔된 HF 펄스와 따라서 달성되는 플립 각(α) 사이의 관계는 방정식
Figure 112013029853319-pat00001
(1)
으로 표현되며, 여기서
Figure 112016047276546-pat00002
는 자기회전비(gyromagnetic ratio)이며, 상기 자기회전비는 대부분의 핵 스핀 조사들을 위해 고정된 재료 상수로서 간주될 수 있으며, τ는 고-주파수 펄스의 주기이다. 방정식(1)은 B1(t)의 일정한(constant) 위상, 즉, 실제(real) B1을 전제로 한다. 방출된 HF 펄스에 의해 달성된 플립 각 및 따라서 자기 공명 신호의 세기는 결론적으로 HF 펄스의 지속기간에 종속될 뿐만 아니라, 또한 빔된 B1 필드의 세기에 종속된다. 따라서 여기 B1 필드의 필드 세기에서 로컬 변동(fluctuation)들은 수신된 자기 공명 신호에 원하지 않는 변화들을 가져오며, 이는 측정 결과를 왜곡시킬 수 있다.
보다 새로운 자기 공명 시스템들은 개별적인 전송 채널(transmission channel)들을 갖는 개별적인 전송 안테나들을 갖는다. 예를 들어, 몸체 코일은 원주상으로(circumferentially), 결과적으로 4, 6 또는 8개의 서브안테나(subantenna)들로 분할될 수 있다. 물론 길이 방향으로 서브안테나들 또는 분할의 상이한 양이 또한 고려될 수 있다. 그 다음 개별적인 전송 채널들이 개별적인 HF 신호들에 의해 점유될 수 있다. 이를 위해 소위 멀티채널 펄스(multichannel pulse)가 방출되며, 이는 - 시작부에서 기술된 바와 같음 - 복수의 개별적인 고-주파수 펄스들로 구성되며, 이 펄스들은 다양한 독립적인 고-주파수 전송 채널들을 통해 병렬로 방출될 수 있다. ("pTx 펄스들"로서 또한 알려진) 개별적인 펄스들의 병렬 방출 때문에, 이와 같은 멀티채널 펄스 트레인(train)은 예를 들어 여기(excitation), 재포커싱(refocusing) 및/또는 인버젼 펄스(inversion pulse)들로서 또한 사용될 수 있다. 안테나 시스템이 전체-몸체 안테나인지 또는 몸체에 매우 근접한 안테나 어레인지먼트(arrangement)인지에 관계없이, 복수의 독립적으로 제어가능한 안테나 컴포넌트(component)들 또는 전송 채널들을 갖는 안테나 시스템은 또한 "전송 어레이(transmit array)"로서 알려져 있다.
이와 같은 pTx 펄스들 또는 이들에 기초한 펄스 트레인들은 통상적으로, 특정 계획된 측정을 위해 사전에 결정된다, 즉 펄스 모양 및 위상을 갖고 상기 펄스들이 개별적인 전송 채널들을 통해 방출될 것이다. 통상적으로 전송 k-공간-경사 궤적(k-space-gradient trajectory)은 이러한 목적, 즉 개시(start up)될 k-공간내 위치들을 위해 우선적으로 사전정의된다. k-공간은 공간 주파수 영역이다.
HF 펄스들의 계획을 위해, 사용자는 목표 자기화(target magnetization), 예를 들어 원하는 공간적으로 분해된(resolved) 플립 각 분포를 사전정의하며, 이는 목표 함수내에서 셋포인트(setpoint) 값으로서 사용된다. 그 다음 적절한 HF 펄스들이 개별적인 채널들을 위해 계산되어, 달성된 목표 자기화가 가능한 양호하도록 한다. 이를 위한 기초는 블로치 방정식(Bloch equation)이다.
Figure 112013029853319-pat00003
(2)
이 방정식은 자계 B내 자기화 벡터(magnetization vector) M에 의한 자기화 구조를 기술한다. γ는 다시 여기될 코어(core)의 자기회전비이다.
펄스 모양은 통상적으로 특정 길이를 갖는 펄스가 다수의 매우 짧은 시간 단계들로 분리(discretize)되도록 계산된다. 이들 시간 단계들은 전형적으로 1과 10㎲ 사이의 지속시간이며, 이는, 예를 들어, 10과 20ms 사이의 펄스가 1000개의 시간 단계들을 초과하여 포함한다는 것을 의미한다.
작은 플립 각들을 위해, 블로치 방정식은 선형 방정식 시스템
A·b = mdes (3)
을 산출하며, 여기서 mdes는 공간적으로 분리된 목표 자기화의 벡터 및 HF 펄스들의 시간 분리를 위한 벡터 b를 나타내고, A는 매트릭스(matrix)이며, 이 매트릭스는 벡터 mdes와 벡터 b 사이의 블로치 방정식들의 선형화된 솔루션(solution)의 분리로부터 생기는 선형 관계들을 포함한다. 이러한 방정식 시스템에 의해 제공된 솔루션은, 각각의 시간 단계들을 위해, 실수와 허수부를 갖는 복소수 펄스 값을 운반하며, 이는 자기 공명 시스템을 제어하기 위한 펄스의 전압 진폭과 위상을 나타낸다.
자기화는 코일의 전체 리치(reach) 내에서 공간에 관하여 비-선택적으로 여기될 수 있거나, 또는 코일의 리치로부터의 슬라이스(slice)는 선형 필드 경사와 조합으로 주파수-선택성 고-주파수 펄스들에 의해 여기될 수 있다. 이러한 필드 경사는 고-주파수 펄스의 제한된 스펙트럼(spectral) 대역폭을 단일, 공간적으로 1-차원, 선택성 여기로 변환한다. 이것은 여기가 고-주파수 펄스와 여기될 원자 사이에 공명이 존재하는 경우에만 발생하기 때문에 가능하다. 스핀이 세차운동하고 여기가 수행되어야 하게 하는 세차 주파수(precession frequency) 또는 라머 주파수(Larmor frequency)는 외부 자계에 종속된다. 필드 경사는 외부 자계를 변경하기 위해 따라서 위치에 종속되는 라머 주파수를 변경하기 위해 사용된다. 따라서, 고-주파수 펄스들이 공간 선택적으로 된다.
특히, 영상 처리를 가속하기 위해, 영상화될, 공간 영역이 선택적으로만 여기되는 것이 바람직하다. 2 또는 3차원 선택성 여기를 달성하기 위해, k-공간이 필드 경사에 의해 횡단(traverse)되는 것으로 알려져 있다. 이러한 선택성 여기는 영상을 레코딩하기 위한 절차와 유사하며 Pauly 등의 "k-space analyses of small-tip-angle excitation" NRN, 81: 43-56, 1989에서 찾아질 수 있다.
공간 선택성 여기를 위한 이러한 방법은 전형적으로 매우 긴 고-주파수 펄스들을 초래하여, 이는 여기된 구조내 아티팩트들(artifacts)을 초래할 수 있다. 이러한 방법의 다른 제한은 여기 또는 발생된 플립 각 당 전력 디포지션(power deposition), 즉 여기 효율(excitation efficiency)이다.
따라서 본 발명의 목적은, 보다 짧은 고-주파수 펄스들을 이용해, 자기화의 공간 선택성 여기를 촉진하는 펄스 시퀀스를 제공하는데 있다.
이러한 목적은 우선적으로 청구항 제 1 항에 청구된 바와 같은 방법에 의해 달성되며 2차적으로 청구항 제 9 항에 따른 제어 디바이스에 의해 달성된다. 게다가 목적은 청구항 제 11 항에 따른 제어 시퀀스 결정 디바이스에 의해 달성된다.
본 발명에 따르면, 펄스 시퀀스는 제 1 슬라이스-선택성(slice-selective) 여기 펄스를 포함하는 출력이고, 이 펄스는 제 1 자기화를 갖는 제 1 슬라이스를 여기시킨다. 이에 의해 제 1 슬라이스-선택성 여기 펄스가 출력된 후, 이러한 슬라이스내 원자들의 핵 스핀들은 전송 코일 또는 코일들의 리치내 이들의 평형 위치로부터 편향된다, 즉, 기본 자계와 관련하여 틸팅된다. 단어 "원자들"이 본 명세서에서 사용되며 후속적으로 자기 공명, 일반적으로 수소 원자들에 반응하는 원자들만을 의미한다는 것이 분명할 것이다. 또한 자기화는 통계적인 프로세스(process)이며; 통계적으로 볼 때, 슬라이스의 핵 스핀들은 틸팅된 위치의 중심에 존재하며, 기본 자계의 방향에 관련한 위치는 일반적으로 핵 스핀의 평균 플립 각에 의해 특정된다는 것이 당업자에게 자명하다. 제 1 자기화는 회전의 특정한 제 1 축 및 특정한 제 1 차원의 플립 각 정도 틸팅을 의미한다.
제 2 슬라이스-선택성 여기 펄스는 제 2 자기화로 제 2 슬라이스를 여기시키며, 상기 제 2 자기화는 본질적으로 제 2 자기화가 제 1 자기화에 영향을 끼치지 않도록 설계된다. 제 2 자기화는 회전의 특정한 제 2 축 및 특정한 제 2 크기(dimension)의 플립 각 정도 틸팅을 의미한다. 제 2 슬라이스는 제 1 슬라이스로부터 분리된다. 예를 들어, 제 1 자기화의 비-영향(non-influencing)은 회전의 제 2 축이, 틸팅 후 핵 스핀의 위치에 본질적으로 평행하도록 선택된다는 점에서 달성될 수 있다.
다음 제 3 슬라이스-선택성 여기 펄스가 이어지며, 이는 제 1 자기화를 본질적으로 제거하는 제 3 자기화로 제 1 슬라이스를 여기시킨다. 이에 의해 제 3 슬라이스-선택성 여기 펄스는, 제 1 슬라이스-선택성 여기 펄스에 의해 평형 위치로부터 플립되었던, 핵 스핀들을 다시 평형 위치로 플립시킨다. 이러한 플리핑 백(flipping back)은 릴랙세이션(relaxation)에 상당히 앞서 일어나며, 이는 핵 스핀들이 자신들의 평형 위치로 다시 틸팅되는 것을 허용한다.
펄스 시퀀스는 제 4 슬라이스-선택성 여기 펄스를 포함하며, 이 펄스는 제 2 자기화를 본질적으로 제거시키는 제 2 자기화로 제 2 슬라이스를 여기시킨다. 본 명세서에서, 제 3 슬라이스-선택성 여기 펄스의 경우에서와 같이, 편향된 핵 스핀들이 기본 자계(B0)에 평행하게 진행하는 그들의 평형 위치로 다시 틸팅되도록 고-주파수 컴포넌트가 선택된다. 평형 위치에서 핵 스핀들은 기본 자계의 필드 라인들에 평행하게 지향되며, 이때 제 4 슬라이스-선택성 여기 펄스는 제 2 슬라이스의 핵 스핀들에 영향을 준다.
본 발명에 따르면, 제 1 및 제 2 슬라이스가 교차(intersect)한다. 제 1 슬라이스와 제 2 슬라이스의 교차의 결과로서, 제 2 슬라이스-선택성 여기 펄스가 출력될 때 교차의 영역내 원자들의 핵 스핀들은 제 1 슬라이스-선택성 여기 펄스에 의해 이미 편향되며 제 2 슬라이스-선택성 여기 펄스는 이들 핵 스핀들에 영향을 끼치지 않는데, 이는 제 2 자기화, 또는 제 2 자기화를 발생시키는 고-주파수 펄스가 제 1 자기화, 즉 제 1 자기화의 영역내 핵 스핀들의 위치에 영향을 끼치지 않도록 설계되기 때문이다.
제 1 및 제 2 슬라이스-선택성 여기 펄스들이 출력된 후, 즉 제 1 및 제 2 슬라이스내 원자들의 모든 핵 스핀들이 균일하게(equally) 편향, 즉 동일한 양의 플립 각으로 틸팅된 후, 동일한 고-주파수 에너지가 디포짓(deposit)된다. 이것은 또한 교차의 영역내 핵 스핀들에 적용된다.
제 3 슬라이스-선택성 여기 펄스가 출력된 후, 제 1 슬라이스내 원자들의 모든 핵 스핀들은 레스트 상태(rest state) 또는 평형 위치로 다시 플립(flip)된다. 이것은 또한 제 1 슬라이스와 제 2 슬라이스 사이의 교차의 영역내에 위치되는 그들 원자들의 핵 스핀들에 적용된다.
이제 제 4 슬라이스-선택성 여기 펄스의 출력은, 제 2 슬라이스 내 핵 스핀들이 제 1 슬라이스와 교차하는 영역 내에 위치되지 않는 한, 상기 제 2 슬라이스 내 핵 스핀들이 평형 위치로 다시 플립되도록 한다. 그러나 교차의 영역내 스핀들은 이미 평형 위치에 존재하며 더 이상 제 2 자기화의 영역내에 존재하지 않는다. 제 4 슬라이스-선택성 여기 펄스의 고-주파수 펄스들은 이들이 평형 위치로부터 편향되는 것과 같은 방식으로 이들에 영향을 미친다.
따라서, 전체 펄스 시퀀스가 완전히 출력된 후, 자기화는 제 1 슬라이스와 제 2 슬라이스의 교차의 영역내에서만 나타난다. 교차의 영역은 여기의 필드(FOX; field of excitation)를 정의하며, 이는 완전한 펄스 시퀀스가 출력된 후 자기화된다. 제 1 슬라이스와 제 2 슬라이스의 모든 다른 영역들에서, 제 3 및 제 4 슬라이스-선택성 여기 펄스들은 평형 위치로 다시 각각의 스핀들을 틸팅하였다.
당업자는 모두 4개의 여기 펄스들이 스핀들의 릴랙세이션 시간보다 상당히 짧은 시간내에 출력되어야 한다는 것을 이해한다. 그런 다음에만 스핀들이 계속해서 여기, 즉 계속해서 틸팅되거나 편향되며, 따라서 평형 위치로 다시 능동적으로 틸팅될 수 있다는 것이 보장된다. 따라서 펄스 시퀀스는 정의된 영역, 즉 제 1 슬라이스와 제 2 슬라이스의 교차의 영역을 선택적으로 여기시킨다.
고-주파수 펄스에 의한 여기 후 개별적인 핵 스핀들이 동상들(in phases)로 서로 분리된다. 개별적인 핵 스핀들이 틸팅된 후 아직 분리되지 않았다는 것을 보장하기 위해, 4개의 여기 펄스들로 이루어진 펄스 시퀀스는 바람직하게 약 20 내지 30ms 보다 적은 전체 지속기간을 갖는다.
제 1 슬라이스와 제 2 슬라이스는 서로 직교적(orthogonal)일 수 있다. 그 다음 교차의 영역은 입방형(cuboid) 또는 무한 길이의 로드(rod)인데, 이는 선택이 2차원들로 일어나기 때문이다. 현실의 제한은 조사의 객체의 한정된 범위와 전송 코일 또는 코일들의 유효성의 한정된 영역에 의해 초래된다.
적어도 하나의 고-주파수 전송 채널을 갖는 자기 공명 시스템을 제어하기 위한 본 발명의 제어 디바이스는 제어 디바이스가 결합되는 적어도 하나의 고-주파수 전송 채널로 제어 신호를 방출하도록 설계된다. 제어 신호는 제 1 자기화로 제 1 슬라이스를 여기시키는 제 1 슬라이스-선택성 여기 펄스의 방출, 그리고 제 2 자기화로 제 2 슬라이스를 여기시키는 제 2 슬라이스-선택성 여기 펄스의 방출을 야기하며, 상기 제 2 자기화는 제 2 자기화가 제 1 자기화에 본질적으로 영향을 끼치지 않도록 설계된다. 그 다음 제어 디바이스는 제 3 슬라이스-선택성 여기 펄스가 방출되도록 － 상기 제 3 슬라이스-선택성 여기 펄스는 제 1 자기화를 본질적으로 제거시키는 제 3 자기화로 제 1 슬라이스를 여기시킴 － 그리고 그 다음 제 4 슬라이스-선택성 여기 펄스가 방출되도록 － 상기 제 4 슬라이스-선택성 여기 펄스는 제 2 자기화를 본질적으로 제거시키는 제 4 자기화로 제 2 슬라이스를 여기시킴 － 더 설계된다. 제 1 슬라이스와 제 2 슬라이스는 교차한다.
본 발명은 펄스 시퀀스를 포함하는 자기 공명 시스템 제어 시퀀스를 결정하기 위한 제어 시퀀스 결정 디바이스를 더 제공한다. 제어 시퀀스 결정 디바이스는 목표 자기화를 레코딩하기 위한 입력 인터페이스(interface)를 갖는다. 제어 시퀀스 결정 디바이스는 HF 펄스 최적화 유닛(HF pulse optimization unit)을 더 가지며, 상기 HF 펄스 최적화 유닛은 사전정의된 목표 자기화 및 펄스들의 양과 펄스들의 모양에 따라서 사전정의된 펄스 시퀀스에 기초하여, HF 펄스 최적화 유닛이 고-주파수 펄스 최적화 프로세스에서 펄스들의 진폭들과 위상들을 계산하도록 설계된다. 제어 시퀀스 결정 디바이스는 제어 시퀀스 출력 인터페이스를 더 포함한다. 제어 시퀀스 결정 디바이스는 HF 펄스 최적화 프로세스에서 블로치 방정식들에 기초한 모델을 사용하도록 설계되며, 요구된 여기 볼륨의 공간 모양은 목표 자기화로서 사전정의된다. 원하는 여기 볼륨은 선택적으로 여기된 슬라이스들의 교차의 영역에 의해 정의된다. 이러한 공간 영역은 원하는 자기화, 즉 원하는 플립 각과 함께 목표 자기화로서 최적화 알고리즘(optimization algorithm)으로 전달된다. 최적화 프로세스는 릴랙세이션 효과들을 제외하고 전술한 블로치 방정식을 정확히 모델링(model)하는 알고리즘과 함께 작업한다. 따라서 방법은 k-공간을 횡단하는 푸리에(Fourier) 개념에 기초한 방법들과 대조적으로 비-선형 블로치 방정식을 이용한다. 슬라이스 선택성을 위한 고-주파수 펄스들과 경사(gradient)들에 기초하여, 자기화는 블로치 방정식으로 기술되는 역학(dynamic)을 따른다. 따라서 자기화는 소위 블로치 구(Bloch sphere)상에서 움직인다.
고-주파수 펄스 최적화 프로세스에서, 다음 최소화 문제는 비-선형 방정식 시스템들을 최소화하기 위한 방법에 의해 해결된다:
Figure 112013029853319-pat00004
(4)
제어 디바이스 및 또한 제어 시퀀스 결정 디바이스의 대다수의 전술한 컴포넌트들은 소프트웨어 모듈(software module)들의 형태로 전체로 또는 부분적으로 제어 디바이스의 프로세서(processor) 내에 구현될 수 있다. 이것은 어느정도까지 유리한데, 이는 심지어 기존의 제어 디바이스들과 제어 시퀀스 결정 디바이스들이 소프트웨어 설치에 의해 본 발명 방법의 구현을 위해 레트로피트(retrofit)될 수 있기 때문이다. 따라서 본 발명은 컴퓨터 프로그램 물건(computer program product)을 또한 포함하며, 상기 컴퓨터 프로그램 물건은 프로그램이 제어 디바이스에서 실행되는 경우 본 발명 방법의 모든 단계들을 실행하기 위해, 프로그램 코드(code) 수단을 이용하여 의학 영상 시스템, 예를 들어 자기 공명 시스템의 프로그래머블(programmable) 제어 디바이스의 프로세서내에 직접적으로 로드(load)될 수 있다.
게다가 본 발명의 특히 유리한 실시예들과 개발들은 종속항들과 이하 상세한 설명으로부터 명백해질 것이며, 여기서 청구항 카테고리(category)의 독립항들은 또한 다른 청구항 카테고리의 종속항들과 유사하게 개발될 수 있다.
슬라이스-선택성 여기 펄스는 고-주파수 펄스 － 상기 고주파수 펄스의 모양은 여기된 슬라이스의 슬라이스 두께 및 여기된 슬라이스 영역과 여기되지 않은 슬라이스 영역 간의 경계 정확성 또는 에지 선명도(edge definition)를 사전정의함 －, 그리고 슬라이스 평면을 사전정의하는 경사 신호(gradient signal)를 유리하게 포함한다. 고-주파수 펄스의 모양을 선택함으로써, 슬라이스의 양호한 선명도가 달성될 수 있다. 경사 신호, 특히 경사 신호의 기울기(incline)는 고-주파수 펄스와 조합으로 슬라이스 평면을 사전정의한다.
자기 공명 시스템들은 x, y 그리고 z 방향으로 경사 코일들을 갖는다. 상이한 경사 코일들을 상호 연결함으로써, 경사 신호는 임의의 공간 방향으로 가능하다. 고-주파수 펄스와 조합으로, 따라서 공간내에 랜덤하게(randomly) 위치되고 선택가능한 슬라이스 두께를 갖는 슬라이스가 선택적으로 여기되는 것이 가능하다.
바람직한 실시예에서 고-주파수 펄스는 싱크 펄스(sinc pulse)이다. 싱크-펄스들은 양호한 에지 선명도, 즉 높은 선택성의 장점을 갖는다.
방법의 바람직한 개발에서, 제 4 슬라이스-선택성 여기 펄스에 이어 재포커싱(refocusing) 펄스가 제 3 슬라이스를 위해 출력되며, 제 3 슬라이스는 제 1 슬라이스 및 제 2 슬라이스와 교차한다. 단지 여기된 스핀만이 재포커스(refocus)될 수 있다는 것이 사실인 바와 같이, 게다가 재포커싱 펄스들은 알려져 있다. 따라서 제 3 슬라이스내 재포커싱 펄스는 잔여 자기화된 영역에만 영향을 끼치고 차례로 이로부터 제 3 방향으로 영역을 컷아웃(cut out)한다. 이것은 3개의 공간 방향들로 선택적으로 여기에 영향을 끼친다. 3D 자기화가 가능하다.
슬라이스-선택성 여기 펄스들은 바람직하게는 고-주파수 펄스들을 포함하며, 상기 고-주파수 펄스들의 각각은 진폭 및 위상을 갖는다. 이러한 진폭과 위상은, 펄스 시퀀스가 출력된 후, 전체 여기된 자기화와 제 1 및 제 2의 교차의 영역내 자기화간의 임의의 차이 또는 제 1, 제 2 그리고 제 3 슬라이스가 최소화되도록 최적화된다. 전체 여기된 자기화와 교차의 영역내 자기화간의 차이가 0으로 감소되면, 이것은 여기된 목표 영역만이 자기화된다는 것을 의미한다. 그 다음 제 3 슬라이스-선택성 여기 펄스와 제 4 슬라이스-선택성 여기 펄스는 제 1 자기화를 완전히 제거시켰다, 즉 교차의 영역 바깥의 스핀들이 평형의 상태로 되돌아간다. 이러한 중립화(neutralization)를 어렵게 만드는 것은 자기화가 로컬 자계내 변동들에 종속적이라는 것이다, 즉 기본 자계(B0)내 변동들과 고-주파수 자계(B1)내 변동들 둘 다에 종속된다는 것이다.
방법의 유리한 개발에서 B1 필드의 실제 분포가 최적화에 앞서 결정되거나, 또는 B1 필드의 실제 분포가 미리 알려지며, 그리고 최적화는 B1 분포를 고려한다. 소위 B1 맵(map)들은 고-주파수 안테나 또는 안테나들의 선택성에 관해 설명한다. 안테나들은 이상적인 에미터들(emitters)이 아니다. 이들은 B1 필드 분포를 결정하는 특정한 방향성 또는 방사(radiation) 특성을 가진다.
개발에서, B0 필드의 실제 분포는 또한 최적화에 앞서 결정되거나, 또는 B0 필드의 이러한 분포는 이전 측정들로부터 이미 알려져 있다. 그 다음 최적화는 B0 분포를 고려한다.
방정식(4)에 따른 최소화 문제는 진폭과 위상 M(A, phi)에 종속하는 자기화의 사양(specification)을 필요로 한다. 블로치 방정식(2)에 따르면 M은 자기회전비와 자계 B에 기인한다. 자계 B는 여기서 방정식을 통해 얻어진다:
Figure 112013029853319-pat00005
(5)
k는 여기서 다양한 전송 채널들을 위한 인덱스(index)이고, B1,k는 표시된 B1 필드, 즉 k-번째 안테나의 B1 필드이며, Ak 는 펄스 시퀀스의 k-번째 고-주파수 펄스를 통한 복소수 진폭이고, 그리고 △B0는 B0 맵들을 고려한다.
바람직한 실시예에서 방법은 자기 공명 시스템에 적용되며, 이 시스템은 복수의 독립적인 고-주파수 전송 채널들을 포함하는 전송 안테나 어레인지먼트를 갖는다. 고-주파수 전송 채널들 중 적어도 2개는 병렬로 독립적인 펄스 시퀀스들을 출력하며, 이들의 각각은 제 1, 제 2, 제 3 그리고 제 4 슬라이스-선택성 여기 펄스들을 포함한다. 본 발명의 방법은 또한 단일(single) 안테나를 갖는 것이 가능하다. 그러나, 안테나 어레이의 사용, 즉 복수의 개별적인 안테나들을 포함하는 전송 안테나 어레인지먼트는 뚜렷한 품질 개선, 즉 여기될 볼륨의 결정에 있어서 개선된 선택성을 가져온다.
본 발명의 제어 시퀀스 결정 디바이스는 바람직하게는, HF 펄스 최적화 프로세스에서, 펄스 시퀀스의 방출을 위해 사용될 고-주파수 전송 채널의 B1 맵 또는 복수의 고-주파수 전송 채널들의 B1 맵들을 고려한다. 따라서 각각의 개별적인 전송 안테나의 선택성과 특성이 고려되며 튜닝(tuning)이 보다 개선될 수 있다. 각각의 경우에 있어서 목적은, 제 3 및 제 4 슬라이스-선택성 여기 펄스와 함께, 가능한 한 완전히 여기된 스핀들의 평형 상태로의 복귀를 달성하는데 있다.
본 발명은 다시 예시적인 실시예들에 기초하여 그리고 첨부 도면들을 참조하여 이하 보다 더 상세히 기술될 것이며, 동일한 컴포넌트들은 다른 도면들에서 동일한 참조 번호들로 표기된다. 이들에서 :
도 1은 본 발명의 자기 공명 시스템의 개략적인 표현을 도시한다.
도 2는 본 발명의 펄스 시퀀스의 개략적인 표현을 도시한다.
도 3은 제 1 여기 펄스 후 자기화된 슬라이스를 갖는 조사의 객체를 관통하는 개략적인 단면을 도시한다.
도 4는 제 2 여기 펄스 후 자기화된 슬라이스를 갖는 조사의 객체를 관통하는 개략적인 단면을 도시한다.
도 5는 제 3 여기 펄스 후 자기화된 슬라이스를 갖는 조사의 객체를 관통하는 개략적인 단면을 도시한다.
도 6은 제 4 여기 펄스 후 자기화된 영역을 갖는 조사의 객체를 관통하는 개략적인 단면을 도시한다.
도 7은 제 4 여기 펄스 후 자기화된 영역, 상이한 슬라이스 방향을 갖는 조사의 객체를 관통하는 개략적인 단면을 도시한다.
도 8은 4개의 상이한 고-주파수 전송 코일들을 위한 B1 맵들의 개략적인 표현을 도시한다.
도 9는 고-주파수 전송 코일을 위한 가상 B1 맵들의 개략적인 표현을 도시한다.
도 10은 블로치 구의 개략적인 표현을 도시한다.
도 1은, 자기 공명 시스템으로 또한 약칭되는, 자기 공명 단층촬영 시스템(100)의 개략적인 블록도를 도시한다. 자기 공명 단층촬영 시스템(100)의 중앙 부분은 표준 스캐너(standard scanner, 101)이며, 여기서 도 1에 도시되지 않는 환자 또는 발단자(proband)는 (통상적으로 "환자 터널(patient tunnel)"로서 또한 알려진) 측정 챔버(measurement chamber, 102) 내 검사를 위한 침상(couch, 103) 위에 위치될 수 있다.
스캐너(101)는, 측정 챔버(102)내 기본 자계를 인가하기 위해, 기본 자계 시스템, 그리고 경사 코일 시스템(113)을 가지며, 상기 경사 코일 시스템(113)을 통해 자계 경사 펄스들의 펄스 시퀀스가 사전정의된 측정 프로토콜(protocol)을 따라서 방출될 수 있다. 유사하게, 고-주파수 펄스들이 조사되어야 할 조사의 객체의 영역내 핵 스핀들의 여기를 위해 고-주파수 전송 안테나 어레인지먼트(104a 내지 104d)를 통해 방출될 수 있다. 예를 들어 본 명세서에 도시된 바와 같이, 안테나 어레인지먼트(104a 내지 104d)는 몸체 코일 또는 로컬 전송 코일 어레인지먼트일 수 있다. 본 명세서에 도시된 실시예에서, 몸체 코일은 버드케이지 안테나로서 설계되고 4개의 개별적인 안테나들로 나누어진다. 병렬로 고-주파수 전송 펄스들을 방출할 수 있는 복수의 개별적인 안테나들(104a, 104b, 104c 및 104d)을 갖는 이와 같은 전송 안테나 어레인지먼트는 또한 안테나 어레이로 불리운다.
여기된 핵 스핀들의 릴랙세이션에 기인한 자기 공명 신호들은 안테나 어레인지먼트(104a 내지 104d)에 의해 또한 포획(capture)될 수 있다. 그러나, 분리된 안테나들이 또한 이러한 목적을 위해 또한 제공될 수 있다.
스캐너(101)는 자기 공명 시스템(100)의 제어 디바이스(106)에 의해 제어된다. 상기 제어 디바이스(106)는 고-주파수 전송 인터페이스(108)를 포함하는 상이한 인터페이스들을 가지며, 상기 고-주파수 전송 인터페이스(108)를 통해 원하는 고-주파수 펄스들이 적어도 하나의 고-주파수 전송 채널을 통해 안테나 어레인지먼트(104a 내지 104d)로 공급된다. 이러한 예시적인 실시예에서, 4개의 고-주파수 전송 채널들(112a 내지 112d)이 제공되며 이들은 전송 안테나들(104a 내지 104d)중 하나에 각각 결합된다.
제어 디바이스(106)의 경사 전송 인터페이스(114)는 스캐너(101)내 경사 코일 어레인지먼트(113)에 연결된다. 경사 신호들은 경사 전송 인터페이스(114)를 통해 경사 코일 어레인지먼트(113) 내로 공급된다. 경사 신호들은 기본 자계의 국부적으로 제한된 변경을 야기한다. 경사 코일 어레인지먼트(113)는 이러한 목적을 위해 x 방향으로 경사 필드를 위한 경사 코일, y 방향으로 경사 필드를 위한 경사 코일 및 z 방향으로 경사 필드를 위한 경사 코일을 포함하며, z 방향은 통상적으로 환자 터널(102)의 길이 방향을 가리킨다. 이와 같은 경사 코일 어레인지먼트들이 알려져 있으며 따라서 보다 더 상세히 기술될 필요가 없다. 이들은 임의의 요구되는 공간 방향으로 로컬 자계 변경을 가능하게 한다.
게다가 제어 디바이스(106)는 자기 공명 신호 수신 인터페이스(107)를 가지며, 상기 인터페이스(107)는 로우 데이터(raw data)로서 수신을 위해 사용된 안테나 어레인지먼트로부터 자기 공명 신호들을 취하고, 이들을 처리한 다음 이들을 재구성 유닛(109)으로 전달하며, 재구성 유닛(109)은 통상적인 방식으로 로우 데이터에 기초하여 영상 데이터를 재구성한다. 영상 재구성은 본 발명의 이해에 필수적이지 않으며 따라서 본 명세서에서 보다 더 상세히 설명되지 않는다.
터미널(terminal, 110)은 제어 디바이스(106)에 연결되며, 이를 통해 오퍼레이터(operator)는 제어 디바이스(106) 및 따라서 전체 자기 공명 단층촬영 시스템(100)을 동작할 수 있다.
기본 필드 자석 시스템, 침상(103) 등과 같은 스캐너(101)의 다른 컴포넌트들은 추가 인터페이스들을 통해 제어 디바이스(106)에 의해 제어될 수 있다. 그러나 모든 이들 컴포넌트들은 당업자에게 알려져 있으며 따라서 도 1에 보다 더 상세히 도시되지 않는다. 본 명세서에서 지적되어야 할 것은 자기 공명 단층촬영 시스템이 예를 들어 특정 네트워크(network)들에 대한 인터페이스들과 같은 다수의 추가 컴포넌트들을 또한 가질 수 있으며, 자기 공명 단층촬영 시스템의 기본적인 기능과 마찬가지로, 당업자에게 잘 알려질 것이며, 따라서 본 명세서에서 보다 더 상세히 설명될 필요가 없다.
제어 디바이스(106)는 HF 펄스 최적화 유닛(115)을 갖는 제어 시퀀스 결정 디바이스(111)를 더 갖는다. 예시적인 실시예에서 제어 시퀀스 결정 디바이스(111)는 제어 디바이스(106)의 일부이지만, 제어 디바이스로부터 개별적으로 그리고 또한 자기 공명 시스템(100)으로부터 개별적으로 구현될 수 있다.
제어 시퀀스 결정 디바이스(111)는 입력 인터페이스(116)를 가지며, 인터페이스(116)내로 목표 자기화와 같은 세팅(setting)들이, 예를 들어 터미널(110)을 통해 입력될 수 있다. 제어 시퀀스 결정 디바이스(111)는 제어 시퀀스 출력 인터페이스(117)를 더 가지며, 인터페이스(117)에서 출력될 HF 펄스들의 진폭 및 위상에 관련한 데이터가 고-주파수 전송 인터페이스(108)로 출력될 수 있다.
도 2는, 자기 공명 시스템(100)을 제어하기 위한 본 발명에 따라서 사용된 바와 같은, 예시적인 펄스 시퀀스의 개략적인 표현이다. 전송 안테나들(104a 내지 104d)에 대한 출력으로서 랜덤(random) 단위들에서 시간에 따른 전압 스프레드(voltage spread), 그리고 고-주파수 펄스들의 엔벨로프 커브들(envelope curves)이 그래프(graph) (1)에 도시된다. 펄스 시퀀스는 제 1 고-주파수 펄스(11), 제 2 고-주파수 펄스(12), 제 3 고-주파수 펄스(13) 및 제 4 고-주파수 펄스(14)를 포함한다. 시퀀스의 펄스들(11, 12, 13 및 14)은 차례 차례로 안테나를 통해 출력된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 고-주파수 전송 코일 어레인지먼트(104a 내지 104d)에서, 4개의 고-주파수 펄스들을 포함하는 펄스 시퀀스가 각각의 코일 상에서 출력된다.
고-주파수 펄스들은 경사 신호들과 함께 동시에 출력되며, 경사 신호들은 후속적인 그래프들(2 및 3)에 도시된다. 랜덤 단위들에서 시간에 따른 전압은 그래프(2)로 다시 도시된다. 예시적인 실시예에서 경사 신호들(21 및 23)은 경사 코일들을 통해 출력되며, 경사 코일들은 x 방향으로 경사 필드를 발생시킨다. 경사 신호(21)는 고-주파수 펄스(11) 동안 x-경사 코일 어레인지먼트에 인가된다. 어떠한 경사 신호도 고-주파수 펄스(12) 동안 x 방향으로 인가되지 않는다. 경사 신호(23)는 고-주파수 펄스(13)동안 x-경사 코일들에 인가된다. 고-주파수 펄스(14)의 출력동안 x-방향으로 경사 신호가 존재하지 않는다.
랜덤 단위들에서 시간에 따른 전압 스프레드가 그래프 (3)에 도시된다. y 방향으로 경사 신호들은 그래프 (3)에 표시된다. 경사 신호(32)는 고-주파수 펄스(12)의 출력동안 y 방향으로 인가되며 경사 신호(34)는 고-주파수 펄스(14)의 출력동안 인가된다. 고-주파수 펄스들(12 및 14)의 출력동안 y 방향으로 경사 신호들이 존재하지 않는다.
개별적인 고-주파수 펄스들간의 시간 인터벌(time interval)들에서 짧은 경사 펄스들(20 및 30)은 k-공간 센터(center)로 복귀하기 위한 리와인더 펄스들(rewinder pulses)로서 알려져 있다.
리와인더-펄스들은 후속적인 HF 펄스들 또는 신호 판독 체인(signal readout chain)을 정의된 상태로 시작하도록 요구받는다. 리와인더 펄스는 슬라이스 선택 경사에 의해 앞서 탈위상된(dephase) 신호를 재위상화(rephase) 한다.
전반적으로, 경사 신호(21)와 함께 고-주파수 펄스(11)는 타임 스팬(time span)(△t1)동안 x 방향으로 제 1 슬라이스-선택성 여기 펄스를 형성한다. 경사 신호(32)와 함께 고-주파수 펄스(12)는 타임 스팬(time span)(△t2)동안 y 방향으로 제 2 슬라이스-선택성 여기 펄스를 형성한다. 경사 신호(23)와 함께 고-주파수 펄스(13)는 타임 스팬(time span)(△t3)동안 x 방향으로 제 3 슬라이스-선택성 여기 펄스를 형성한다. 경사 신호(34)와 함께 고-주파수 펄스(14)는 타임 스팬(time span)(△t4)동안 y 방향으로 제 4 슬라이스-선택성 여기 펄스를 형성한다.
슬라이스-선택성 여기 펄스들의 길이는 전형적으로 1과 3ms 사이지만, 특별한 경우들에 보다 크거나 작을 수 있다.
도 2에 따른 출력 펄스 시퀀스의 효과들은 도 3 내지 도 6에 기초하여 보다 더 상세히 관측될 것이다. 도 3 내지 도 6은 각각 조사중인 몸체(40)를 관통하는 단면을 도시한다. 동작의 모드(mode)를 설명하기 위해, 조사의 객체는 둥근 모형(spherical phantom)일 수 있지만, 물론 이러한 단면은 또한 인간 몸체를 관통하는 단면을 표현할 수 있다. 조사중인 몸체(40)는 스캐너(101)의 환자 터널(102)내에 위치될 것이다. 존재하는 기본 자계에 기초하여, 조사중인 몸체(40)내 핵 스핀들은 z 방향으로 지향된다. 도 3 내지 도 6에서 z 방향은 도면의 평면에 수직이다. z 방향으로 지향된 핵 스핀들(42)은 순수하게 점들로서 개략적으로 표시된다.
도 3은 경사 신호(21)와 함께 제 1 고-주파수 펄스(11)가 출력된 후, 조사중인 몸체(40)의 자기화 상태를 도시한다. 경사 신호(21)는 x 방향으로 선택을 야기한다. 고-주파수 펄스(11)는 90°의 플립 각이 달성되도록 선택된다. 경사 신호(21)와 고-주파수 펄스(11)의 상호작용은 슬라이스 두께(d)를 가져온다. 고-주파수 펄스의 모양은 소위 에지 선명도, 즉 자기화된 영역과 비-자기화된 영역간의 전이(transition)의 영역을 결정한다. 양호한 에지 선명도를 위해, 고-주파수 펄스(11)는 싱크 펄스일 수 있다. 여기서 교차-해칭된(cross-hatched) 영역으로서 도 3에 도시되는 슬라이스(41)가 자기화된다.
따라서 고-주파수 펄스(11)와 경사 신호(21)에 의해 형성된 x 방향으로의 슬라이스-선택성 여기 펄스는 레스트(rest) 위치로부터 90°만큼 슬라이스(41)내에서 핵 스핀들을 편향시켰다. 고-주파수 펄스(11)는 0°의 위상을 갖는다. 여기서 이러한 위상은 회전의 축 방향을 정의하고 따라서 B1 필드 벡터들의 방향을 정의한다. y 방향으로 회전의 축을 갖는 0° 위상은 본 명세서에서 랜덤하게 식별된다. 따라서, 그 다음 90° 위상을 갖는 회전의 축은 x 방향을 가리키며, 180° 위상을 갖는 회전의 축은 y 방향을 가리킨다.
따라서, B1 필드 벡터는 y 방향을 가리킨다. y-축에 관한 이러한 회전의 결과로서, 자기화는 x-방향으로 일어난다. 핵 스핀들(43)은 화살표들로서 표시된 바와 같이, 자기화된 슬라이스(41)에서 x 방향으로 지향(orient)된다.
핵 스핀들의 틸팅 또는 회전은 도 10에 도시된 블로치 구에 기초하여 다시 설명될 것이며, 도 10은 블로치 방정식이 예시될 수 있도록 한다. 블로치 구(60)는 원으로서 도 10에 도시된다; 틸팅동안 핵 스핀들의 움직임들은 블로치 구 위에서 일어난다. z-축은 도 10에서 x-축 위에 도시되며, 이는 도 3 내지 도 7에서 선택된 것과 다른 표현이라는 것을 주목하는 것이 중요하다. 핵 스핀(61)은 레스트(rest) 위치내, 즉 평형 위치내에 존재한다. 이것은 핵 스핀(61)이 외부 기본 자계(B0)에 기초하여 z 방향으로 지향된다는 것을 의미한다. 제 1 슬라이스-선택성 여기 펄스(11, 21)의 인가는 y-축을 중심으로 회전을 야기하고, 이는 도 10에서 도면 평면에 수직이다. 그 다음 90°플립 각은 x 축 방향으로 핵 스핀 위치(62)내로 회전을 야기한다.
도 4는 제 2 고-주파수 펄스(12)가 경사 신호(32)와 동시에 출력된 후 조사중인 몸체(40)의 상태를 도시한다. 따라서 y 방향으로 형성된 제 2 슬라이스-선택성 여기 펄스는 슬라이스(44)를 자기화하였으며, 이는 교차-해칭된 영역으로서 도시된다. 도 3을 참조하여 전술한 것은 경사 신호(32)와 고-주파수 펄스(12)의 상호작용을 위해 적용된다.
마찬가지로 제 2 슬라이스-선택성 여기 펄스(12, 32)는 90°의 플립 각을 위해 설계된다. 제 1 슬라이스-선택성 여기 펄스와 대조적으로, 제 2 슬라이스-선택성 여기 펄스(12, 32)는 90°의 위상을 가지며 이에 의해 x 방향으로 회전의 축을 중심으로 핵 스핀들의 회전을 야기한다. 따라서 도 3에 따라서 z 방향으로 여전히 지향된 슬라이스(44)내 핵 스핀들(46)은 화살표들로서 표시된 바와 같이 y 방향으로 회전된다. 슬라이스(41)와 슬라이스(44)로부터 교차의 영역을 나타내는 영역(45)에서, 여기 펄스(12, 32)로부터 핵 스핀들은 이들이 x 방향으로 지향되기 때문에 영향을 받지 않는다. 이것은 차례로 도 10에 기초하여 명백해질 수 있다. x 방향으로 지향된 핵 스핀(62)은 x-축을 중심으로 회전하는 동안 자신의 위치와 방향을 변경하지 않는다.
도 4에서, 따라서, 교차-해칭된 영역내 모든 핵 스핀들은 레스트 위치로부터 약 90°편향된다. 비록 교차의 영역(45)을 포함하는 슬라이스(41)내 핵 스핀들(43)이 x 방향을 가리킨다고 하더라도, 슬라이스(44)내 핵 스핀들(46)은 교차의 영역(45)을 제외하고 y 방향을 가리킨다. 교차-해칭된 영역들 외부, 즉 슬라이스들(41 및 44) 외부에, 스핀들(42)은 점들로서 표시된 바와 같이 z-축을 따라서 레스트 위치 내에 존재한다. 90°의 편향의 각은 모든 교차-해칭된 영역들에서 동일하다.
슬라이스들(41 및 44)내 핵 스핀들(43, 46)은 그들의 평형 위치로부터 편향된다; 이들은 틸팅된다. x 방향으로 슬라이스-선택성 여기 펄스(11, 21)와 y 방향으로 슬라이스-선택성 여기 펄스(12, 32) 둘 다에 의해 포획되는 교차의 영역(45)은 본 발명의 이해를 위해 필수적이다. 핵 스핀들(43)이 제 1 슬라이스-선택성 여기 펄스의 출력 후, 즉 제 2 슬라이스-선택성 여기 펄스에 대한 회전 축을 형성하는 x-축의 방향으로 미리 편향되기 때문에, 제 2 슬라이스-선택성 여기 펄스는 이들 핵 스핀들에 영향을 끼치지 않는다. 따라서 교차의 영역(45)은 말하자면, "이중으로(doubly) 자기화"되지 않는다, 그러나 이러한 영역내 핵 스핀들은 영역들(41 및 44)내 핵 스핀들과 동일한 약 90 °틸팅을 갖는다. 따라서 이들은 동일한 고-주파수 에너지를 갖는 것으로 가정되었다.
이 시점에서 도 2로부터 펄스 시퀀스는 단지 2개의 공간 방향들만으로 선택적이라는 것을 지적할 필요가 있다. 도 3 내지 6에서 예시는 단면을 도시한다. 각각의 경우에 자기화된 영역들은 도면 평면으로부터 상방으로 돌출되는 방향인 z 방향으로 연장된다.
도 5는 제 3 슬라이스-선택성 여기 펄스가 출력된 후 조사의 객체(40)의 자기화 상태를 도시하며, 상기 제 3 슬라이스-선택성 여기 펄스는 고-주파수 펄스(13)와 경사 신호(23)로 구성된다. 경사 신호(23)는 제 1 슬라이스-선택성 여기 펄스가 출력되었을 때와 동일한 슬라이스가 선택되도록 선택된다. 세기, 즉 고-주파수 펄스들(11, 12, 13 및 14)의 진폭은 동일한 플립 각, 예시적인 실시예에서 90° 플립 각이 달성되도록 각각의 경우에 선택된다. 그러나, 고-주파수 펄스들은 그들의 위상들과 다르다.
고-주파수 펄스(13)는 180°의 위상을 갖는다. 이러한 위상은 회전의 축이 네거티브(negative) y 방향을 가리키도록 야기한다. 제 2 슬라이스-선택성 여기 펄스가 출력된 후 x 방향을 가리키는 핵 스핀들이 약 90° 뒤로 회전되는데, 이는 회전의 축이 네거티브 y 방향을 가리키기 때문이다. 제 3 여기 펄스가 x 방향으로 슬라이스-선택성 여기 펄스이기 때문에, 교차의 영역(45)을 포함하는 슬라이스(41)의 핵 스핀들(43)은 점들로 표시된 바와 같이 z 방향으로 뒤로 회전된다. 따라서 이들은 시작 위치에 위치되며, 슬라이스(41)는 더 이상 임의의 자기화를 갖지 않는다.
도 6은 제 4 슬라이스-선택성 여기 펄스가 출력된 후 조사의 객체(40)내 자기화를 도시한다. 고-주파수 펄스(14)는 플립 각 90°이 달성되도록 선택된다. 고-주파수 펄스(14)의 위상은 -90°이다. 이것은 네거티브 x 방향으로 회전의 축을 나타낸다. 교차의 영역(45)을 제외하고 제 3 슬라이스-선택성 여기 펄스가 출력 된 후 슬라이스(44)에서 y 방향을 가리키는 핵 스핀들(46)은 90°만큼 x-축을 중심으로, 즉 레스트 위치로 회전된다. 그러나 교차의 영역(45) 내 레스트 위치에 이미 존재하는 핵 스핀들은 회전에 의해 90°턴(turn)된다.
결과로서, 모든 4개의 펄스들이 출력된 후 슬라이스들(41 및 44)내 핵 스핀들은 교차의 영역(45)을 제외하고 레스트 위치 내에 존재한다. 선택성 자기화는 2개의 슬라이스들(41 및 44)의 교차의 영역(45)에서 달성된다.
따라서, 본 발명의 펄스 시퀀스가 출력된 후, 자기화는 여기의 원하는 필드에만 존재한다.
마찬가지로, 도 7은 조사의 객체(40)를 관통하는 단면을 도시한다. 완전한 펄스 시퀀스가 출력된 후 교차의 여기된 영역(45)이 도시된다. 상이한 슬라이스들이 도 3 내지 도 6과 대조적으로 선택된다. 특히, 슬라이스들(41 및 44)은 서로에 대해 수직이 아니다. 따라서 교차의 영역은 직사각형 단면을 갖지 않는다.
슬라이스들의 선택은 조사의 객체, 즉 원하는 FOX에 자유롭게 적응될 수 있다. 도 7에 도시된 예시적인 실시예에서, 슬라이스들(41 및 44)은 각 α를 둘러싼다. 문제들은 교차의 영역이 2개의 슬라이스들에 의해 제공된다는 것이다.
본 발명의 방법에 의해 달성된 선택성은 1차적으로 슬라이스-선택성 여기 펄스의 선택, 특히 고-주파수 펄스의 모양에 종속된다. 싱크 펄스들이 이러한 목적을 위해 특히 적합하다는 것이 알려져 있다. 그러나 달성가능한 선택성은 B0 및 B1 필드에서 불균질성(inhomogeneity)들로 인해 또한 심하게 영향을 받는다. 핵 스핀들이 제 3 및 제 4 슬라이스-선택성 여기 펄스에 의해 시작 위치로 다시 보다 완전히 틸팅될 수록 더욱 좋다. 이러한 목적을 위해 HF 펄스 최적화 유닛이 제공되며, 이에 의해 최소화 문제가 해결된다. 요구된 자기화는 원하는 FOX(45)내 목표 자기화로서 사전정의된다. 도 3 내지 도 6에 기초하여 설명된 바와 같이, 기본 펄스 시퀀스는 펄스 시퀀스내에 사전정의된다. 고-주파수 펄스들의 진폭 및 위상의 최적화된 선명도는 B1 및 B0 필드에서 불균질성들을 고려할 수 있다. 이러한 목적을 위해 B1 필드가 B1 맵들에 기초하여 HF 펄스 최적화 유닛에서 고려될 수 있다.
도 8은 이와 같은 B1 맵들(51, 52, 53 및 54)을 도시한다. 원(50)은 조사의 객체(40)의 한계를 도시한다. 맵(51)은 안테나(104d)에 의해 발생되는 B1 필드를 도시하며, 맵(52)은 안테나(104c)에 의해 발생되는 B1 필드를 도시하고, 맵(53)은 전송 안테나(104b)에 의해 발생되는 B1 필드를 도시하며, 그리고 맵(54)은 안테나(104a)에 의해 발생되는 B1 필드를 도시한다. 라인들(55)은 필드 라인들의 코스(course)를 표시한다. 이런 B1 맵들은 알려져 있으며; 이들은 전송 안테나들의 방향성과 빔 특성(beam property)들과 관련하여 설명이 이루어질 수 있도록 한다.
목표 영역, 즉, FOX가 특정되면, 소위 가상 B1 맵들이 B1 맵들(51 내지 54)로부터 발생된다. 도 9에서, 예를 들어, 안테나(104c)를 위한 B1 맵(52)으로부터 발생된 가상 B1 맵(56)이 도시된다. 이러한 가상 B1 맵은 x 방향으로의 슬라이스-선택성 펄스를 위해 사용된다, 즉 선택된 슬라이스에 속하는, 필드의 일부만이 도시된다. 따라서, 마찬가지로 가상 B1 맵(57)은 안테나(104c)를 위해 적용되고 게다가 B1 맵(52)로부터 발생된다. 가상 B1 맵(56)과 대조적으로, 가상 B1 맵(57)은 슬라이스-선택성 여기의 경우를 위해 y 방향으로 존재한다.
비-선형 최적화 프로세스는 방정식(4)에 따라서 각각의 개별적인 채널을 위해 각각의 펄스의 진폭과 위상을 계산한다. 방정식 시스템은 여기될 영역의 선명도 및 원하는 에지 선명도 또는 전체 펄스 시퀀스 지속기간을 고려하는 펄스들의 양 및 선택성에 의해 완전히 정의된다. 달성되는 단순하고 짧은 펄스들(11 내지 14)은 아티팩트들에 덜 민감할 수 있다. 에지 선명도는 고-주파수 펄스 모양에 의해 정의되며 전자파 흡수율(SAR; specific absorption rate)을 희생하여 쉽게 개선될 수 있거나, 또는 SAR을 위해 완화될 수 있다.
Levenberg-Marquardt 솔버(solver)가 비-선형 방정식 시스템들을 위한 최적화 프로그램을 위해 사용될 수 있다.
경사 방향들의 시퀀스가 변경될 수 있다. 특히, 최적화 유닛에서, 목표로부터 최소 편차를 전달하는 시퀀스를 계산하는 것이 가능하다.
비록 예시적인 실시예가 4개의 펄스들을 갖는 펄스 시퀀스에 기초하여 설명되었지만, 이것은 제한적인 것으로서 간주되지 않는다. 보다 큰 양의 펄스들이 선택성을 증가시키는데, 이는 보다 많은 세팅 옵션(setting option)들, 즉 보다 많은 자유도(degree of freedom)들이 제공되기 때문이다. 단점은 이것이 펄스 시퀀스의 전체 지속기간을 증가시킨다는 것일 수 있으며, 이는, 예를 들어 환자 움직임의 결과로서, B0 필드와 B1 필드의 시간의 불균질성들로부터 보다 큰 영향이 존재한다는 것을 의미한다.
마찬가지로 90°의 플립 각의 사양은 제한적인 것으로서 간주되지 않을 것이다. 다른 플립 각들이 가능하다; 단지 제 3 및 제 4 여기 펄스, 그리고 가능한 한 추가의 여기 펄스들이 FOX 바깥의 핵 스핀들을 평형 위치로 뒤로 회전시키도록 회전의 축들과 플립 각들 사이에 조정이 존재할 필요가 있다.
최종적으로, 상기 상세히 기술된 여기된 슬라이스들과 펄스 시퀀스들은 단지 예시적인 실시예들이며, 이는 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 당업자에 의해 많은 다른 방식들로 변경될 수 있다는 것이 다시 지적되어야 한다. 더욱이, 부정 관사 "a" 또는 "an"의 사용은 관련된 특징들 중 하나를 초과하는 특징들이 또한 제공될 수 없다는 것을 암시하지 않는다. 마찬가지로 용어들 "유닛"과 "모듈"의 사용은 관련된 컴포넌트들이 복수의 상호작용 서브컴포넌트(subcomponent)들로 구성될 수 없다는 것을 암시하지 않으며, 마찬가지로 이는 또한 공간적으로 분포될 수 있다.
참조 문자들의 목록
1 그래프
2 그래프
3 그래프
11 고-주파수 펄스
12 고-주파수 펄스
13 고-주파수 펄스
14 고-주파수 펄스
20 경사 펄스
21 경사 신호
23 경사 신호
30 경사 펄스
32 경사 신호
34 경사 신호
40 조사중인 몸체
41 슬라이스
42 핵 스핀
43 핵 스핀
44 슬라이스
45 교차의 영역
46 핵 스핀
50 원
51 B1 맵
52 B1 맵
53 B1 맵
54 B1 맵
55 필드 라인들
56 가상 B1 맵
57 가상 B1 맵
60 블로치 구
61 핵 스핀
62 핵 스핀 위치
100 자기 공명 단층촬영 시스템
101 스캐너
102 측정 챔버
103 침상
104a 고-주파수 전송 안테나 어레인지먼트
104b 고-주파수 전송 안테나 어레인지먼트
104c 고-주파수 전송 안테나 어레인지먼트
104d 고-주파수 전송 안테나 어레인지먼트
106 제어 디바이스
107 자기 공명 신호 수신 인터페이스
108 고-주파수 전송 인터페이스
109 재구성 유닛
110 터미널
111 제어 시퀀스 결정 디바이스
112a 고-주파수 전송 채널들
112b 고-주파수 전송 채널들
112c 고-주파수 전송 채널들
112d 고-주파수 전송 채널들
113 경사 코일 시스템
114 경사 전송 인터페이스
115 HF 펄스 최적화 유닛
116 입력 인터페이스
117 제어 시퀀스 출력 인터페이스
△t1 시간 스팬
△t2 시간 스팬
△t3 시간 스팬
△t4 시간 스팬
d 슬라이스 두께
t 시간
U 전압
x x-축
y y-축
z z-축

Claims (13)

  1. 자기 공명 시스템(magnetic resonance system, 100)을 제어하기 위한 방법으로서,
    펄스 시퀀스(pulse sequence)가 출력되며, 상기 펄스 시퀀스는 적어도:
    제 1 자기화(magnetization)로 제 1 슬라이스(slice, 41)를 여기(excite)시키는 제 1 슬라이스-선택성 여기 펄스(slice-selective excitation pulse, 11, 21) ― 상기 제 1 슬라이스(41)는 타겟(target) 영역을 포함함 ―;
    상기 제 1 자기화에 본질적으로 영향을 끼치지 않도록 설계되는, 제 2 자기화로 제 2 슬라이스(44)를 여기시키는 제 2 슬라이스-선택성 여기 펄스(12, 32) ― 상기 제 2 슬라이스(44)는 상기 타겟 영역을 포함함 ―;
    상기 제 1 자기화를 본질적으로 제거시키는 제 3 자기화로 상기 제 1 슬라이스(41)를 여기시키는 제 3 슬라이스-선택성 여기 펄스(13, 23);
    상기 제 2 자기화를 본질적으로 제거시키는 제 4 자기화로 상기 제 2 슬라이스(44)를 여기시키는 제 4 슬라이스-선택성 여기 펄스(14, 34)
    를 포함하고,
    상기 제 1 슬라이스(41)와 상기 제 2 슬라이스(44)는 교차(intersect)하는,
    자기 공명 시스템(100)을 제어하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    슬라이스-선택성 여기 펄스는 고-주파수 펄스(11, 12, 13, 14) 및 경사 신호(gradient signal, 21, 23, 32, 34)로 이루어지고,
    상기 고-주파수 펄스(11, 12, 13, 14)의 모양은, 상기 여기된 슬라이스의 슬라이스 두께 및 상기 여기된 슬라이스와 여기되지 않은 영역 간의 경계 설정(delimitation) 정확성(에지 선명도(edge definition))를 사전정의(predefine)하고,
    상기 경사 신호(21, 23, 32, 34)는 슬라이스 평면을 사전정의하는,
    자기 공명 시스템(100)을 제어하기 위한 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 고-주파수 펄스(11, 12, 13, 14)는 싱크 펄스(sinc pulse)인,
    자기 공명 시스템(100)을 제어하기 위한 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 한 항에 있어서,
    상기 제 4 슬라이스-선택성 여기 펄스(14, 34)에 뒤이어, 재포커싱(refocusing) 펄스가 제 3 슬라이스를 위해 출력되며, 상기 제 3 슬라이스는 상기 제 1 슬라이스(41) 및 상기 제 2 슬라이스(44)와 교차하는,
    자기 공명 시스템(100)을 제어하기 위한 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 한 항에 있어서,
    상기 슬라이스-선택성 여기 펄스들은 각각 진폭과 위상을 갖는 고-주파수 펄스들(11, 12, 13, 14)을 포함하며, 그리고 진폭과 위상은, 상기 펄스 시퀀스가 출력된 후, 상기 제 1 슬라이스(41)와 제 2 슬라이스(44)의 교차의 영역(45), 또는 상기 제 1, 제 2 그리고 제 3 슬라이스의 교차의 영역(45) 내의 자기화와 전체 여기된 자기화 간의 임의의 차이가 최소화되도록 최적화되는,
    자기 공명 시스템(100)을 제어하기 위한 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    B1 필드(field)의 실제 분포는 상기 최적화에 앞서 결정되거나 결정될 것이며, 그리고 상기 최적화는 상기 B1 분포를 고려하는,
    자기 공명 시스템(100)을 제어하기 위한 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    B0 필드의 실제 분포는 최적화에 앞서 결정되거나 결정될 것이며, 그리고 상기 최적화는 상기 B0 분포를 고려하는,
    자기 공명 시스템(100)을 제어하기 위한 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 한 항에 있어서,
    상기 자기 공명 시스템(100)은 전송 안테나 어레인지먼트(transmitting antenna arrangement)를 가지며, 상기 어레인지먼트는 복수의 독립적인 고-주파수 전송 채널들(high-frequency transmission channels, 112a, 112b, 112c, 112d)을 포함하며, 그리고 상기 고-주파수 전송 채널들중 적어도 2개의 채널들은 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 슬라이스-선택성 여기 펄스들을 포함하는 독립적인 펄스 시퀀스들을 병렬로 출력하는,
    자기 공명 시스템(100)을 제어하기 위한 방법.
  9. 적어도 하나의 고-주파수 전송 채널(112a, 112b, 112c, 112d)을 갖는 자기 공명 시스템(100)을 제어하기 위한 제어 디바이스(control device, 106)로서,
    상기 제어 디바이스(106)는 적어도 하나의 고-주파수 전송 채널과 결합되며 상기 적어도 하나의 고-주파수 전송 채널(112a, 112b, 112c, 112d)로 제어 신호를 방출하도록 설계되며, 따라서 제 1 슬라이스-선택성 여기 펄스(11, 21)가 방출되며, 이러한 방출은 제 1 자기화로 제 1 슬라이스(41)를 여기시키며 ― 상기 제 1 슬라이스(41)는 타겟 영역을 포함함 ―; 그 다음 제 2 슬라이스-선택성 여기 펄스(12, 32)가 방출되며, 이러한 방출은 제 2 자기화로 제 2 슬라이스(44)를 여기시키고, 상기 제 2 자기화는 상기 제 1 자기화에 본질적으로 영향을 끼치지 않도록 설계되고 ― 상기 제 2 슬라이스(44)는 상기 타겟 영역을 포함함 ―; 그 다음 제 3 슬라이스-선택성 여기 펄스(13, 23)가 방출되며, 이러한 방출은 상기 제 1 자기화를 본질적으로 제거시키는 제 3 자기화로 상기 제 1 슬라이스(41)를 여기시키며; 그리고 그 다음 제 4 슬라이스-선택성 여기 펄스(14, 34)가 방출되며, 이러한 방출은 상기 제 1 자기화를 본질적으로 제거시키는 제 4 자기화로 상기 제 2 슬라이스(44)를 여기시키고, 여기서 상기 제 1 슬라이스(41)와 상기 제 2 슬라이스(44)가 교차하는,
    자기 공명 시스템(100)을 제어하기 위한 디바이스(106).
  10. 제 9 항에 따른 제어 디바이스(106)를 갖는,
    자기 공명 단층촬영(tomography) 시스템(100).
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 컴퓨터-판독가능 매체(computer-readable medium)로서,
    상기 컴퓨터-판독가능 매체는, 프로그램이 프로그래머블(programmable) 제어 디바이스(106)에서 실행될 때 제 1 항 내지 제 3 항 중 한 항에 따른 방법의 모든 단계들을 실행하기 위해, 자기 공명 시스템(100)의 상기 제어 디바이스(106)의 프로세서(processor) 내로, 프로그램 코드(program code) 수단을 이용해, 직접 로드(load)될 수 있는,
    컴퓨터-판독가능 매체.
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