KR101995904B1 - 자석의 공간 자기장 분포 측정방법 및 이를 이용한 자석의 공간 자기장 분포 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자석(superconduction magnet)의 공간 자기장 분포를 측정하기 위한 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 예를 들면, 자기공명 영상장치(MRI)나 핵자기공명 분광장치(NMR)와 같이, 자석을 이용한 장치의 자기장 균일도를 개선하기 위하여 자석의 공간 자기장 분포를 측정시 측정시간이 오래 걸리고, 자석 주위의 자기장 활용공간을 인체나 물체가 점유하고 있는 동안에는 측정이 불가능하며, 측정을 위해 인체에 직접 고출력 RF가 인가됨으로 인해 인체에 유해한 영향을 미칠 수 있는 문제점이 있었던 종래기술의 문제점을 해결하여, 자석의 공간 자기장 분포 측정시 고출력 RF가 인체에 인가되지 않도록 하는 것에 의해 안전성을 확보하는 동시에, 인체나 물체가 자기장 공간을 점유하고 있는 경우에도 신속하고 정확하게 자석의 공간 자기장 분포를 측정하고 자기장 균일도를 산출할 수 있는 데 더하여, 촬영중에 자기장 균일도가 변화하는 경우에도 중심부의 자기장 균일도 측정이 가능하여 자기장 균일도를 실시간으로 보정할 수 있도록 구성되는 자석의 공간 자기장 분포 측정방법 및 이를 이용한 자석의 공간 자기장 분포 측정장치가 제공된다.

Description

자석의 공간 자기장 분포 측정방법 및 이를 이용한 자석의 공간 자기장 분포 측정장치{Method for measuring spatial magnetic field distribution of magnet and apparatus for measuring spatial magnetic field distribution of magnet using it}

본 발명은 자석(magnet)의 공간 자기장 분포를 측정하기 위한 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 예를 들면, 자기공명영상(Magnetic Resonance Imaging) 장치(이하, "MRI"라고도 함)나 핵자기공명(Nuclear Magnetic Resonance) 분광장치(이하, "NMR"이라고도 함)와 같이, 자석을 이용한 각종 장비에 있어서 자기장 균일도를 개선하기 위해 자석 주위의 공간 자기장 분포를 측정시 측정시간이 오래 걸리고, 자석의 자기장 활용공간을 인체나 물체가 점유하고 있는 동안에는 자석의 공간 자기장 분포를 측정할 수 없는 단점이 있었던 종래기술의 자석의 공간 자기장 분포 측정방법 및 장치들의 문제점을 해결하기 위해, 자석의 공간 자기장 분포 및 공간 균일도를 신속하고 정확하게 측정할 수 있도록 구성되는 자석의 공간 자기장 분포 측정방법 및 이를 이용한 자석의 공간 자기장 분포 측정장치에 관한 것이다.

또한, 본 발명은, 종래, 예를 들면, MRI와 같이, 자석을 이용한 장비의 자기장 균일도를 개선하기 위해 행해지는 쉬밍(shimming) 작업에 있어서, RF 코일(coil)을 통해 인가된 RF에 대응하여 인체에서 발생하는 자기공명(magnetic resonance ; MR) 신호를 수신하여 공간 자기장 분포를 분석하도록 구성됨으로 인해, 안전에 유해할 수 있는 고출력 RF 환경에 인체가 더 오래 많이 노출되거나 또는 고자기장 장비일수록 이른바 SAR(Specific Absorption Rate) 핫스팟(hotspot)이라는 국부적인 발열이 발생하여 인체의 안전에 치명적인 데미지를 미칠 수 있는 문제점이 있었던 종래기술의 자석의 공간 자기장 분포 측정방법 및 장치들의 문제점을 해결하기 위해, 인체에 직접 고출력 RF를 인가하지 않고 해당 장비에 구비된 자석의 공간 자기장 분포를 정확하게 측정할 수 있도록 구성되는 자석의 공간 자기장 분포 측정방법 및 이를 이용한 자석의 공간 자기장 분포 측정장치에 관한 것이다.

아울러, 본 발명은, 상기한 바와 같이 자기장 균일도를 개선하기 위하여 자석의 공간 자기장 분포를 측정시 측정시간이 오래 걸리고, 자석 주위의 자기장 활용공간을 인체나 물체가 점유하고 있는 동안에는 점유부에 대한 직접 측정이 불가능하며, 따라서 공간 자기장 분포를 분석하기 위해서는 인체에 직접 고출력 RF를 인가해야 함으로 인해 인체에 유해한 영향을 미칠 수 있는 문제점이 있었던 종래기술의 자석의 공간 자기장 분포 측정방법 및 장치들의 문제점을 해결하기 위해, 자석의 자기장 분포를 분석하고자 하는 공간의 좌표가 알려진 위치에 복수의 통상적인 자력계를 배치하여 측정된 자기장값, 또는, 복수의 MR 샘플 및 RF 코일을 배치하여 각각의 샘플로부터 자기공명(MR) 신호를 수신하고, 수신된 신호에 대한 스펙트럼 분석을 통해 얻어진 자기장값 및 이 값들로 계산된 필드 그라디언트(Field Gradients)를 이용하여 실린더 중앙에 위치한 가상의 구 공간에서의 자기장 균일도를 계산하도록 구성됨으로써, 자석의 공간 자기장 분포 측정시 고출력 RF가 인체에 인가되지 않도록 하는 것에 의해 안전성을 확보하는 동시에, 인체나 물체가 자기장 공간을 점유하고 있는 경우에도 신속하고 정확하게 자석의 공간 자기장 분포를 측정하고 자기장 균일도를 산출할 수 있는 데 더하여, 촬영중에 자기장 균일도가 변화하는 경우에도 중심부의 자기장 균일도 측정이 가능하여 자기장 균일도를 실시간으로 보정할 수 있도록 구성되는 자석의 공간 자기장 분포 측정방법 및 이를 이용한 자석의 공간 자기장 분포 측정장치에 관한 것이다.

최근, 여러가지 질병 여부나 병변을 보다 명확하게 확인하고 판단하기 위해, 예를 들면, 핵자기공명 분광장치(NMR)나 자기공명 영상장치(MRI)와 같이, 자석 및 자기공명 현상을 이용하여 약, 병리 기작을 분석할 수 있는 연구장비와 인체 내부를 시각적으로 볼 수 있도록 구성되는 진단장비들이 널리 사용되고 있다.

즉, 상기한 MRI 장치는, X선을 이용하는 기존의 X-ray 검사나 컴퓨터 단층촬영(Computerized Tomography ; CT) 등과 달리, 자석을 이용하여 인체에 자기장을 인가하는 것에 반응하여 체내의 수소 원자핵이 공명하는 신호를 수신하여 영상을 얻는 것으로, 근육이나 연골 등 연부 조직 질환이나 암 진단을 위해 주로 사용되고 있다.

여기서, 상기한 바와 같이 자석을 이용한 영상진단장비에 대한 종래기술의 예로는, 예를 들면, 먼저, 한국 공개특허공보 제10-2016-0026567호에 따르면, 자기공명영상 시스템용 RF 코일부에 있어서, 원형 또는 타원 형상의 단면을 지닌 원통형상의 베이스 상에 형성된 적어도 하나의 RF 코일 요소 및 베이스 내부에 형성된 유전 구조체를 포함하여, RF 코일 요소 내부에 유전 구조체를 형성함으로써 자기공명영상 시스템의 체적형 RF 코일부에 의해 발생하는 자기장이 피검체에 전체적으로 균일한 자기장을 인가할 수 있으며, 피검체 전체적으로 균일한 자기장을 인가함으로써 위치에 따른 자기공명영상의 질 저하없이 고해상도의 자기공명영상을 획득할 수 있도록 구성되는 유전 구조체를 포함하는 RF 코일부 및 이를 포함하는 자기공명영상 시스템이 제시된 바 있다.

또한, 상기한 바와 같이 자석을 이용한 영상진단장비에 대한 종래기술의 다른 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1860228호에 따르면, 신체에 밀착되도록 위치하는 복수개의 수신코일; 및 신체와 이격되어 설치되며 수신코일과 RF 공진되는 복수개의 송신코일을 포함하고, 상기 수신코일은, 양단부 사이가 만곡된 스트립 형상의 제 1 코일부; 및 양단부 사이가 만곡된 스트립 형상이고 제 1 코일부와 이격되게 설치되는 제 2 코일부로 구성되며, 제 1, 2 코일부의 일단부가 상호 이격되어 제 1 캐패시터를 형성하고, 제 1, 2 코일부의 타단부가 상호 이격되어 제 2 캐패시터를 형성하며, 일단부와 타단부중 한곳에는 배선부가 연장형성되고, 제 1, 2 코일부는 각각 반원형으로 만곡되도록 구성됨으로써, 7T와 같은 초고자기장 MRI 분야에서 균질한 자기장과 고해상도의 영상을 얻을 수 있으며, 특히, 머리에 최대한 밀착하여 뇌를 보다 정확하고 상세하게 관찰할 수 있도록 구성되는 자기공명 영상시스템에서의 송수신 RF 공진기가 제시된 바 있다.

상기한 바와 같이, 종래, 자석을 이용한 영상진단장비에 대하여 여러 가지 기술내용들이 제시된 바 있으나, 상기한 바와 같은 종래기술의 장치들은 다음과 같은 문제점이 있는 것이었다.

즉, 일반적으로, 상기한 바와 같은 종래기술의 MRI와 같은 장치들은, 최초 사용시 자석의 공간 자기장 분포를 측정하여 자기장의 균일도를 보정하는 쉬밍(shimming) 작업이 필요하고, 이와 같이 MRI에서 영상이미지를 취득하거나 또는 자기장 균일도를 개선하기 위한 쉬밍작업을 수행하기 위하여는 인체를 감싸고 있는 RF 코일에 펄스를 인가하는 과정이 필수적이다.

여기서, 일반적으로, MRI의 자기장 세기가 강할수록 영상의 정확도가 개선되나 자기장이 강해질수록 RF 코일에 의한 전자기파 세기 분포도 불균일해짐으로 인해, 고자기장 MRI일수록 이른바 SAR(Specific Absorption Rate) 핫스팟(hotspot)이라는 국부적인 발열이 발생하여 인체의 안전에 유해한 영향을 미칠 수 있는 문제점이 있었다.

아울러, 최근에는, 초전도자석 기술 및 MRI 영상장치 기술의 발전으로 고자기장 MRI의 실현 가능성이 높아짐으로 인해 현재 7 테슬라(T) MRI의 병원 설치가 임박하였고, 이에 더하여 14T MRI의 필요성도 대두되고 있으나, 상기한 바와 같은 종래기술의 MRI 장치들은 고자기장 MRI로 갈수록 인체에 치명적인 대미지를 미칠 수 있는 위험성이 더욱 심각해진다는 문제점도 있다.

더욱이, 일반적으로, MRI는 영상촬영을 위해 인체가 자기장 공간으로 들어간 후에도 해상도 증가를 위하여 자기장 균일도를 측정하고 그에 따른 쉬밍작업을 통해 자기장 균일도를 보정하는 과정이 필요하나, 종래기술의 자기장 분포 측정장치들은 자석 주위의 자기장 활용공간을 인체나 프로브 등과 같은 물체가 점유하고 있는 동안에는 측정장치가 관심영역으로 접근할 수 없으므로 자기장 공간균일도를 산출할 수 없으며, 이에 더하여, 기존의 자기장 공간균일도 측정방식은 자기장 분포 측정장치를 기계적으로 회전시키면서 측정함으로 인해 측정시간이 오래 걸리는 단점도 있었다.

이에, 상기한 바와 같이, 인체에 직접 고출력 RF가 인가됨으로 인해 인체의 안전에 유해한 영향을 미칠 수 있는 문제점과, 자석의 자기장 활용공간에 물체가 위치되어 있는 동안에는 자기장 공간균일도를 산출할 수 없는 문제점 및 측정시간이 오래 걸리는 단점이 있었던 종래기술의 자석의 공간 자기장 분포 측정장치 및 방법들의 문제점을 해결하기 위해서는, 자석의 공간 자기장 분포 측정시 고출력 RF가 인체에 인가되지 않도록 하는 것에 의해 안전성을 확보하고, 인체나 물체가 자기장 공간을 점유하고 있는 경우에도 신속하고 정확하게 자석의 공간 자기장 분포를 측정하고 자기장 균일도를 산출할 수 있는 동시에, 진단영상 촬영중에 자기장 균일도가 변화하는 경우에도 중심부의 자기장 균일도를 측정 가능하여 자기장 균일도를 실시간으로 보정할 수 있도록 구성되는 새로운 구성의 자석의 공간 자기장 분포 측정방법 및 장치를 제시하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제시되지 못하고 있는 실정이다.

[선행기술문헌]

1. 한국 공개특허공보 제10-2016-0026567호 (2016.03.09.)

2. 한국 등록특허공보 제10-1860228호 (2018.05.15.)

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 예를 들면, NMR이나 MRI와 같이, 자석을 이용한 각종 장비에 있어서, 자기장 균일도를 개선하기 위해 자석의 공간 자기장 분포를 측정시 측정시간이 오래 걸리고, 자석 주위의 자기장 활용공간을 인체나 물체가 점유하고 있는 동안에는 자석의 공간 자기장 분포를 측정할 수 없는 단점이 있었던 종래기술의 자석의 공간 자기장 분포 측정방법 및 장치들의 문제점을 해결하기 위해, 자석의 공간 자기장 분포 및 공간 균일도를 신속하고 정확하게 측정할 수 있도록 구성되는 자석의 공간 자기장 분포 측정방법 및 이를 이용한 자석의 공간 자기장 분포 측정장치를 제공하고자 하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, MRI와 같이 자석을 이용한 장비의 자기장 균일도를 개선하기 위해 행해지는 쉬밍 작업에 있어서, RF 코일을 통해 인가된 RF에 대응하여 인체에서 발생하는 자기공명(MR) 신호를 수신하여 공간 자기장 분포를 분석하도록 구성됨으로 인해, 안전에 유해할 수 있는 고출력 RF 환경에 인체가 더 오래 많이 노출되거나 또는 고자기장 장비일수록 이른바 SAR 핫스팟이라는 국부적인 발열이 발생하여 인체의 안전에 치명적인 데미지를 미칠 수 있는 문제점이 있었던 종래기술의 자석의 공간 자기장 분포 측정방법 및 장치들의 문제점을 해결하기 위해, 인체에 직접 고출력 RF를 인가하지 않고 해당 장비에 구비된 자석의 공간 자기장 분포를 정확하게 측정할 수 있도록 구성되는 자석의 공간 자기장 분포 측정방법 및 이를 이용한 자석의 공간 자기장 분포 측정장치를 제공하고자 하는 것이다.

아울러, 본 발명의 또 다른 목적은, 상기한 바와 같이 자기장 균일도를 개선하기 위하여 자석의 공간 자기장 분포를 측정시 측정시간이 오래 걸리고, 자석 주위의 자기장 활용공간을 인체나 물체가 점유하고 있는 동안에는 점유부에 대한 직접 측정이 불가능하며, 따라서 공간 자기장 분포를 분석하기 위해서는 인체에 직접 고출력 RF를 인가해야 함으로 인해 인체에 유해한 영향을 미칠 수 있는 문제점이 있었던 종래기술의 자석의 공간 자기장 분포 측정방법 및 장치들의 문제점을 해결하기 위해, 자석의 자기장 분포를 분석하고자 하는 공간의 좌표가 알려진 위치에 복수의 통상적인 자력계를 배치하여 측정된 자기장값, 또는, 복수의 MR 샘플 및 RF 코일을 배치하여 각각의 샘플로부터 자기공명(MR) 신호를 수신하고, 수신된 신호에 대한 스펙트럼 분석을 통해 얻어진 자기장값 및 이 값들로 계산된 필드 그라디언트(Field Gradients)를 이용하여 실린더 중앙에 위치한 가상의 구 공간에서의 자기장 균일도를 계산하도록 구성됨으로써, 자석의 공간 자기장 분포 측정시 고출력 RF가 인체에 인가되지 않도록 하는 것에 의해 안전성을 확보하는 동시에, 인체나 물체가 자기장 공간을 점유하고 있는 경우에도 신속하고 정확하게 자석의 공간 자기장 분포를 측정하고 자기장 균일도를 산출할 수 있는 데 더하여, 촬영중에 자기장 균일도가 변화하는 경우에도 중심부의 자기장 균일도 측정이 가능하여 자기장 균일도를 실시간으로 보정할 수 있도록 구성되는 자석의 공간 자기장 분포 측정방법 및 이를 이용한 자석의 공간 자기장 분포 측정장치를 제공하고자 하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 자석의 공간 자기장 분포 측정방법에 있어서, 자석 주위의 자기장 공간에 복수의 MR(magnetic resonance) 샘플을 각각 배치하는 배치단계; 각각의 상기 MR 샘플에 미리 정해진 값의 전류(RF 펄스)를 인가하고, 인가된 전류값에 따라 각각의 상기 MR 샘플로부터 발생되는 MR 신호를 검출하는 검출단계; 상기 MR 신호 검출단계에서 각각의 상기 MR 샘플에 대하여 검출된 상기 MR 신호에 근거하여 각각의 상기 MR 샘플의 각 좌표값에 대응하는 자기장 값을 산출하는 자기장 산출단계; 및 상기 자기장 산출단계에서 각각의 상기 MR 샘플의 좌표별로 산출된 자기장 값에 근거하여 상기 자석의 자기장에 대한 공간균일도를 산출하는 자기장 균일도 산출단계를 포함하는 처리과정이 컴퓨터나 전용의 하드웨어에 의해 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 자석의 공간 자기장 분포 측정방법이 제공된다.

여기서, 상기 배치단계는, 스테인리스강(Stainless steel) 또는 알루미늄을 포함하는 비자성물질을 이용하여 속이 빈 통 형태의 구조물을 형성하고, 상기 구조물 상의 공간좌표가 알려진 복수의 위치에 RF 코일이 감겨진 복수의 MR 샘플을 각각의 공간좌표 위치에 배치하며, 비자성 접착제를 포함하는 부착수단을 이용하여 각각의 상기 MR 샘플을 상기 통 형태의 구조물의 공간좌표 위치에 각각 고정시킨 후, 상기 통 형태의 구조물을 상기 자석 주위의 자기장 공간에 위치시키는 것에 의해, 상기 자석 주위의 자기장 공간에 복수의 상기 MR 샘플을 각각 배치하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 검출단계는, 각각의 상기 MR 샘플들로부터 MR 스펙트럼 및 자기장 값을 포함하는 상기 MR 신호를 검출하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 자기장 산출단계는, 상기 MR 신호 검출단계에서 검출된 각각의 상기 MR 신호의 스펙트럼 분석을 행하여 스펙트럼상 최대값에 해당하는 X축상(주파수)의 값을 해당 MR 샘플에 대한 자기장 값으로 산출하며, 상기 통 형태의 구조물의 공간 중앙에 가상의 구 공간을 설정하고, 각각의 상기 MR 샘플들에 대한 좌표값(x, y, z)과 상기 MR 신호로부터 산출된 자기장 값을 이용하여 필드 그라디언트(Field gradients)를 계산하며, 산출된 각각의 필드 그라디언트를 이용하여 각각의 상기 MR 샘플의 좌표값에 대응하는 자기장 값을 계산하는 것에 의해 상기 가상의 구 공간에서의 자기장을 산출하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

더욱이, 상기 자기장 균일도 산출단계는, 이하의 수학식을 이용하여, 상기 자기장 산출단계에서 상기 가상의 구 공간에 대하여 각각의 좌표별로 산출된 자기장 값들의 최대치와 최소치를 이용하여 상기 가상의 구 공간에 대한 자기장 균일도를 산출하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

(여기서,B_max는 각각의 좌표별로 산출된 자기장의 최대값, B_min는 각각의 좌표별로 산출된 자기장의 최소값을 각각 나타냄)

또한, 상기 측정방법은, 사용자 인터페이스(User Interface ; UI)를 통하여 초기값을 포함하는 기초적인 설정을 입력하면 상기 MR 신호 검출단계, 상기 자기장 산출단계, 상기 자기장 균일도 산출단계의 처리과정이 자동으로 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 측정방법은, 상기 배치단계에서, 상기 MR 샘플 대신에 복수의자력계를 각각 배치하고, 상기 검출단계에서, 각각의 상기 자력계를 통하여 자기장값을 측정하며, 상기 자기장 산출단계 및 상기 자기장 균일도 산출단계에서, 각각의 상기 자력계의 좌표값 및 각각의 상기 자력계를 통하여 측정된 자기장값에 근거하여 상기 가상의 구 공간에서의 자기장 및 상기 가상의 구 공간에 대한 자기장 균일도를 각각 산출하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

더욱이, 상기 MR 샘플은, 수소나 중수소, 또는, 수소 및 중수소를 포함하지 않는 소재로 이루어진 용기에 미리 정해진 양의 물(H₂O)이나 중수(D₂O) 또는 수소나 중수소를 포함하는 분자의 액체를 담고 밀봉한 후, 상기 용기 외부에 미리 정해진 횟수로 RF 코일을 감아 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기에 기재된 자석의 공간 자기장 분포 측정방법을 이용하여 자석의 공간 자기장 분포 및 자기장 균일도를 산출하도록 구성되는 자석의 공간 자기장 분포 측정장치에 있어서, 자석의 자기장 내부에 미리 정해진 간격으로 각각 배치되는 복수의 자력계 또는 복수의 MR 샘플; 미리 정해진 값의 전류를 인가하기 위한 전류공급기; 상기 전류공급기를 통하여 인가된 전류에 의해 발생되는 MR 신호를 수신하기 위한 신호검출기; 및 상기 측정장치의 전체적인 동작을 제어하고, 상기 신호검출기를 통하여 검출된 상기 MR 신호를 분석하여 상기 자석의 공간 자기장 분포 및 자기장 균일도를 산출하는 처리가 수행되도록 이루어지는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자석의 공간 자기장 분포 측정장치가 제공된다.

아울러, 본 발명에 따르면, 자석의 자기장 균일도를 개선하기 위한 쉬밍시스템에 있어서, 상기에 기재된 자석의 공간 자기장 분포 측정장치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 쉬밍시스템이 제공된다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 자석의 자기장 분포를 분석하고자 하는 공간의 좌표가 알려진 위치에 복수의 통상적인 자력계를 배치하여 측정된 자기장값, 또는, 복수의 MR 샘플 및 RF 코일을 배치하여 각각의 샘플로부터 자기공명(MR) 신호를 수신하고, 수신된 신호에 대한 스펙트럼 분석을 통해 얻어진 자기장값 및 이 값들로 계산된 필드 그라디언트(Field Gradients)를 이용하여 실린더 중앙에 위치한 가상의 구 공간에서의 자기장 균일도를 계산하도록 구성되는 자석의 공간 자기장 분포 측정방법 및 이를 이용한 자석의 공간 자기장 분포 측정장치가 제공됨으로써, 자석의 공간 자기장 분포 측정시 고출력 RF가 인체에 인가되지 않도록 하는 것에 의해 안전성을 확보하는 동시에, 인체나 물체가 자기장 공간을 점유하고 있는 경우에도 신속하고 정확하게 자석의 공간 자기장 분포를 측정하고 자기장 균일도를 산출할 수 있는 데 더하여, 촬영중에 자기장 균일도가 변화하는 경우에도 중심부의 자기장 균일도 측정이 가능하여 자기장 균일도를 실시간으로 보정할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 구성되는 자석의 공간 자기장 분포 측정방법 및 이를 이용한 자석의 공간 자기장 분포 측정장치가 제공됨으로써, 예를 들면, NMR이나 MRI와 같이, 자석을 이용한 각종 장비에 있어서, 자기장 균일도를 개선하기 위해 자석의 공간 자기장 분포를 측정시 측정시간이 오래 걸리고, 자석 주위의 자기장 활용공간을 인체나 물체가 점유하고 있는 동안에는 자석의 공간 자기장 분포를 측정할 수 없는 단점이 있었던 종래기술의 자석의 공간 자기장 분포 측정방법 및 장치들의 문제점을 해결할 수 있다.

아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 구성되는 자석의 공간 자기장 분포 측정방법 및 이를 이용한 자석의 공간 자기장 분포 측정장치가 제공됨으로써, MRI와 같이 자석을 이용한 장비의 자기장 균일도를 개선하기 위해 행해지는 쉬밍 작업에 있어서, RF 코일을 통해 인가된 RF에 대응하여 인체에서 발생하는 자기공명(MR) 신호를 수신하여 공간 자기장 분포를 분석하도록 구성됨으로 인해, 안전에 유해할 수 있는 고출력 RF 환경에 인체가 더 오래 많이 노출되거나 또는 고자기장 장비일수록 이른바 SAR 핫스팟이라는 국부적인 발열이 발생하여 인체의 안전에 치명적인 데미지를 미칠 수 있는 문제점이 있었던 종래기술의 자석의 공간 자기장 분포 측정방법 및 장치들의 문제점을 해결할 수 있다.

도 1은 종래기술의 MRI 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자석의 공간 자기장 분포 측정방법에서 인체에 직접 고출력 RF를 인가하지 않고 MR 스펙트럼 신호를 취득하는 과정을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자석의 공간 자기장 분포 측정방법에서 각각의 MR 샘플들로부터 얻어진 값들에 근거하여 자기장 균일도를 산출하는 과정을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 자석의 공간 자기장 분포 측정방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 자석의 공간 자기장 분포 측정방법을 이용한 자석의 공간 자기장 분포 측정장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 자석의 공간 자기장 분포 측정방법 및 이를 이용한 자석의 공간 자기장 분포 측정장치의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.

여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.

또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.

즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 예를 들면, NMR이나 MRI와 같이, 자석을 이용한 각종 장비에 있어서, 자기장 균일도를 개선하기 위해 자석의 공간 자기장 분포를 측정시 측정시간이 오래 걸리고, 자석 주위의 자기장 활용공간을 인체나 물체가 점유하고 있는 동안에는 자석의 공간 자기장 분포를 측정할 수 없는 단점이 있었던 종래기술의 자석의 공간 자기장 분포 측정방법 및 장치들의 문제점을 해결하기 위해, 자석의 공간 자기장 분포 및 공간 균일도를 신속하고 정확하게 측정할 수 있도록 구성되는 자석의 공간 자기장 분포 측정방법 및 이를 이용한 자석의 공간 자기장 분포 측정장치에 관한 것이다.

아울러, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, MRI와 같이 자석을 이용한 장비의 자기장 균일도를 개선하기 위해 행해지는 쉬밍 작업에 있어서, RF 코일을 통해 인가된 RF에 대응하여 인체에서 발생하는 자기공명(MR) 신호를 수신하여 공간 자기장 분포를 분석하도록 구성됨으로 인해, 안전에 유해할 수 있는 고출력 RF 환경에 인체가 더 오래 많이 노출되거나 또는 고자기장 장비일수록 이른바 SAR 핫스팟이라는 국부적인 발열이 발생하여 인체의 안전에 치명적인 데미지를 미칠 수 있는 문제점이 있었던 종래기술의 자석의 공간 자기장 분포 측정방법 및 장치들의 문제점을 해결하기 위해, 인체에 직접 고출력 RF를 인가하지 않고 해당 장비에 구비된 자석의 공간 자기장 분포를 정확하게 측정할 수 있도록 구성되는 자석의 공간 자기장 분포 측정방법 및 이를 이용한 자석의 공간 자기장 분포 측정장치에 관한 것이다.

더욱이, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 자기장 균일도를 개선하기 위하여 자석의 공간 자기장 분포를 측정시 측정시간이 오래 걸리고, 자석 주위의 자기장 활용공간을 인체나 물체가 점유하고 있는 동안에는 점유부에 대한 직접 측정이 불가능하며, 따라서 공간 자기장 분포를 분석하기 위해서는 인체에 직접 고출력 RF를 인가해야 함으로 인해 인체에 유해한 영향을 미칠 수 있는 문제점이 있었던 종래기술의 자석의 공간 자기장 분포 측정방법 및 장치들의 문제점을 해결하기 위해, 자석의 자기장 분포를 분석하고자 하는 공간의 좌표가 알려진 위치에 복수의 통상적인 자력계를 배치하여 측정된 자기장값, 또는, 복수의 MR 샘플 및 RF 코일을 배치하여 각각의 샘플로부터 자기공명(MR) 신호를 수신하고, 수신된 신호에 대한 스펙트럼 분석을 통해 얻어진 자기장값 및 이 값들로 계산된 필드 그라디언트(Field Gradients)를 이용하여 실린더 중앙에 위치한 가상의 구 공간에서의 자기장 균일도를 계산하도록 구성됨으로써, 자석의 공간 자기장 분포 측정시 고출력 RF가 인체에 인가되지 않도록 하는 것에 의해 안전성을 확보하는 동시에, 인체나 물체가 자기장 공간을 점유하고 있는 경우에도 신속하고 정확하게 자석의 공간 자기장 분포를 측정하고 자기장 균일도를 산출할 수 있는 데 더하여, 촬영중에 자기장 균일도가 변화하는 경우에도 중심부의 자기장 균일도 측정이 가능하여 자기장 균일도를 실시간으로 보정할 수 있도록 구성되는 자석의 공간 자기장 분포 측정방법 및 이를 이용한 자석의 공간 자기장 분포 측정장치에 관한 것이다.

계속해서, 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 자석의 공간 자기장 분포 측정방법 및 이를 이용한 자석의 공간 자기장 분포 측정장치의 구체적인 내용에 대하여 설명한다.

여기서, 이하에 설명하는 본 발명의 실시예에서는, 본 발명에 따른 자석의 공간 자기장 분포 측정방법이 MRI에 적용되는 경우를 예로 하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 반드시 MRI의 경우로만 한정되는 것은 아니며, 즉, 본 발명은, 비단 MRI 뿐만 아니라, 자석이 구비되는 각종 장비에서 자기장의 균일도를 개선하기 위해 자석의 공간 자기장 분포를 측정하는 방법 및 장치에 대하여 필요에 따라 다양한 형태로 적용될 수 있는 것임에 유념해야 한다.

먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 종래기술의 MRI 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 기존의 MRI 장치는, 단일 및 소수의 RF 코일을 통하여 인체에 직접 RF 펄스를 인가하고, 인가된 RF 펄스에 대응하여 인체로부터 수신되는 자기공명(MR) 신호를 통해 공간 자기장 분포를 분석하여 자기장 분포를 균일화하도록 구성된다.

그러나 종래기술의 MRI 장치들은, 도 1에 나타낸 바와 같이, MR 신호를 얻기 위하여 인체를 감싸고 있는 RF 코일에 펄스를 인가해야 하므로, MRI의 자기장이 강해질수록 인체에 인가되는 RF 펄스도 강해지게 되며, 이는, 이른바 SAR(Specific Absorption Rate) 핫스팟(hotspot)과 같은 국부적인 발열을 발생시켜 인체의 안전에 치명적인 위협이 될 수 있다.

더욱이, MRI의 자기장 세기가 강해질수록 영상의 정확도가 급상승하는 이점이 있으므로 최근에는 7T MRI의 설치에 더하여 14T MRI의 도입에 대한 필요성도 대두되고 있는 실정이나, 상기한 바와 같이 MRI의 자기장이 강해질수록 인체에 인가되는 RF 펄스도 강해지게 되는 점을 감안하면, 고자기장 MRI일수록 영상이미지를 얻을 때나 쉬밍작업시 RF 펄스에 의한 영향을 최대한 배제하는 것이 요구된다.

또한, 일반적으로, MRI는 영상촬영을 위해 인체가 자기장 공간으로 들어간 후에도 해상도 증가를 위하여 자기장 균일도를 측정하고 그에 따른 쉬밍작업을 통해 자기장 균일도를 보정하는 과정이 필요하나, 종래기술의 자기장 분포 측정장치들은 자석 주위의 자기장 활용공간을 인체나 프로브 등과 같은 물체가 점유하고 있는 동안에는 측정장치가 관심영역으로 접근할 수 없으므로 자기장 공간균일도를 산출할 수 없는 문제가 있으며, 이에 더하여, 기존의 자기장 공간균일도 측정방식은 자기장 분포 측정장치를 기계적으로 회전시키면서 측정함으로 인해 측정시간이 오래 걸리는 단점도 있었다.

이에, 본 발명자들은, 후술하는 바와 같이 하여, 자석의 공간 자기장 분포 측정시 고출력 RF가 인체에 인가되지 않도록 하는 것에 의해 안전성을 확보하고, 인체나 물체가 자기장 공간을 점유하고 있는 경우에도 신속하고 정확하게 자석의 공간 자기장 분포를 측정하고 자기장 균일도를 산출할 수 있는 동시에, 진단영상 촬영중에 자기장 균일도가 변화하는 경우에도 중심부의 자기장 균일도 측정이 가능하여 자기장 균일도를 실시간으로 보정할 수 있도록 구성되는 새로운 구성의 자석의 공간 자기장 분포 측정방법 및 이를 이용한 자석의 공간 자기장 분포 측정장치를 제안하였다.

더 상세하게는, 도 2를 참조하면, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자석의 공간 자기장 분포 측정방법에서 인체에 직접 고출력 RF를 인가하지 않고 MR 스펙트럼 신호를 취득하는 과정을 개략적으로 나타내는 개념도이다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 자석의 공간 자기장 분포 측정방법은, 인체에 직접 고출력 RF를 인가하여 MR 신호를 수신하는 종래기술의 공간 자기장 분포 측정장치 및 방법들과 달리, 측정하고자 하는 부위에 실린더 형태의 공간을 가정하고, 이러한 실린더 공간 표면에 나선형 경로(helical path)를 상정하여, 해당 경로상에 일정 간격으로 RF 코일(21)이 감겨진 복수의 MR 샘플(22)을 각각 배치한 다음, 멀티플렉서(Multiplexer)를 이용하여, RF 코일(21)이 감겨진 각각의 MR 샘플(22)들에 RF 펄스를 공급하고 MR 스펙트럼 및 자기장 값(B1, B2, B3, B4, ...)을 각각 획득하여, 스펙트럼 분석을 통해 자기장 및 균일도를 계산하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 것이다.

즉, 도 2에 나타낸 바와 같이, 멀티플렉서(Multiplexer)를 이용하여 RF 코일(21)이 감겨진 각각의 MR 샘플(22)들에 RF 펄스를 공급하면, 마찬가지로 멀티플렉서를 통하여 각각의 MR 샘플(22)들로부터 발생되는 MR 스펙트럼 등과 같은 MR 신호가 거의 동시에 수신될 수 있으므로, 종래기술의 MRI 장치 및 방법들과 같이 인체에 직접 RF 코일을 위치시킬 필요 없이 각각의 RF 샘플(22)의 위치마다 MR 스펙트럼 및 자기장 값을 얻을 수 있게 된다.

여기서, 상기한 각각의 MR 샘플(22)들은 인체를 대신하여 MR 스펙트럼 신호를 생성하기 위한 것으로, 각각의 MR 샘플(22)이 배치되는 위치에 따라 인체의 각 부위를 대신할 수 있도록, 예를 들면, 물(H₂O)을 이용하여, 해당 부위와 동일 내지 유사한 MR 스펙트럼 특성을 나타내도록 적절히 구성될 수 있다.

더 상세하게는, 상기한 MR 샘플(22)은, 수소 및/또는 중수소를 포함하지 않는 소재로 만들어진 밀봉된 구형 또는 실린더형 용기에 물(H2O) 또는 중수(D2O) 또는 수소나 중수소를 포함하는 적당한 분자의 액체를 담은 후 용기 외부에 RF 코일을 감아 구성될 수 있으며, 이때, 물(H2O) 또는 중수(D2O) 또는 수소나 중수소를 포함하는 적당한 분자의 액체의 양 및 코일을 감는 수를 적절히 조절하여 구성될 수 있다.

상기한 바와 같이 하여 구성되는 MR 샘플(22)에 있어서, 물분자 내의 수소 또는 중수분자 내의 중수소, 또는 수소나 중수소를 포함하는 적당한 분자의 수소나 중수소가 가지는 핵스핀(nuclear spin)이 MR 자력계(자기장 센서)의 MR 신호의 근원이 되며, 이때, 반드시 MR 자력계를 이용해야만 하는 것은 아니고, 예를 들면, 요구되는 자기장 균일도의 정밀도 수준에 따라 홀(Hall) 자력계나 원자 자력계 등이 사용될 수도 있다.

따라서 상기한 바와 같이 하여 구성되는 MR 샘플(22)을 이용하여, 도 2에 나타낸 바와 같이, 예를 들면, 스테인리스강(Stainless steel) 또는 알루미늄 등과 같은 비자성물질을 이용하여 통 형태의 구조물을 형성하고, 이러한 통 형태의 구조물 표면에 나선형 경로(helical path)를 상정하여 일정한 간격으로 RF 코일(21)이 감겨진 MR 샘플(22)을 나선형 경로를 따라 각각 배치하고, 비자성 접착제를 이용하여 각각의 MR 샘플(22)을 비자성체로 이루어진 구조물에 부착시키도록 구성될 수 있다.

이때, 각각의 MR 샘플(22)들 사이의 거리는 동일해야 하며, 이와 같이 하여 복수의 MR 샘플(22)이 배치된 실린더를 MRI 내부에 위치시키는 것에 의해 인체의 각 부위에 RF 코일을 배치하는 기존의 방식을 대신할 수 있다.

이어서, 후술하는 바와 같은 처리과정을 통하여, 각각의 MR 샘플(22)들에 대한 x, y, z 좌표값과 각각의 MR 샘플(22)들로부터 수신된 자기장 값 및 MR 스펙트럼에 근거하여, 실린더 내부의 중앙에 가상의 구 형태의 공간을 상정하고 필드 그라디언트(Field Gradients)를 계산하여 자기장 균일도를 산출하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.

즉, 도 3을 참조하면, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자석의 공간 자기장 분포 측정방법에서 각각의 MR 샘플(22)들로부터 얻어진 값들에 근거하여 자기장 균일도를 산출하는 과정을 개략적으로 나타내는 개념도이다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 자석의 공간 자기장 분포 측정방법은, 실린더 내부의 중앙에 가상의 구 형태의 공간을 상정하고, 도 2에 나타낸 바와 같이 하여 얻어진 각각의 MR 샘플(22)들에 대한 x, y, z 좌표값과 이에 대응되는 자기장 값 및 MR 스펙트럼을 이용하여, 필드 그라디언트(Field Gradients)를 계산하는 것에 의해 가상의 구 공간에 대한 자기장 균일도를 산출하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.

더 상세하게는, 일반적으로, 특정 지점에서의 자기장은, 예를 들면, 이하의 [수학식 1]과 같이, 다양한 성분들의 합인 급수로 표시할 수 있고, 다양한 샘플로부터의 좌표 및 자기장 값의 집합(set)을 이용하면 각각의 계수(Field Gradients)를 계산할 수 있다.

[수학식 1]

여기서, 상기한 [수학식 1]에 있어서, B는 특정 좌표(x, y, z)에서의 자기장의 값이고, 네모칸으로 표시된 각각의 계수(A, B, X, Y, Z 등)가 필드 그라디언트(Field Gradients)에 해당한다.

즉, 상기한 [수학식 1]에 있어서, 복수의 샘플에 대하여 좌변측 B(청색)에 해당 지점에서의 자기장 값을 대입하고, 우변측에 좌표값(적색)을 각각 대입하면 연립방정식이 도출되고, 이러한 연립방정식의 해를 구하여 각각의 계수(Field Gradients)를 구할 수 있다.

또한, 상기한 바와 같이 하여 계수를 모두 계산하면 이를 이용하여 해당 좌표값에 대응되는 자기장 값을 바로 구할 수 있으므로 가상의 구 안의 모든 공간에 대한 자기장 값이 도출 가능하며, 이러한 과정을 통해 가상의 구 공간에 대한 자기장의 공간균일도를 산출할 수 있다.

즉, 예를 들면, 필드매핑(field mapping)과 같이, MRI의 자석 사이에 금속심(ferro shim)을 삽입하고 금속심의 둘레를 따라 나선형으로 이동하면서 일정 간격으로 자기장을 각각 측정하여 자석에 의해 형성되는 자기장의 각각의 위치에 대한 필드 그라디언트(field gradient)를 산출함으로써 각각의 좌표값(x, y, z)에 해당하는 자기장의 값을 대응시켜 자기장 매핑 데이터베이스를 구축할 수 있으며, 이와 같이 하여 구축된 자기장 매핑 데이터를 활용하여 가상의 구 공간의 자기장에 대한 필드 그라디언트를 계산하며, 구해진 필드 그라디언트를 이용하여 구 내의 각 좌표에 대한 자기장 값을 산출하고, 각각의 좌표별로 산출된 자기장 값들의 최대치와 최소치의 차이를 이용하여 상기 가상의 구 공간에 대한 자기장의 공간균일도를 산출하도록 구성될 수 있다.

더 상세하게는, 이하의 [수학식 2]를 이용하여, 각각의 좌표별로 산출된 자기장 값들의 최대치(B_max)와 최소치(B_max)를 이용하여 가상의 구 공간에 대한 자기장의 공간균일도를 산출하도록 구성될 수 있다.

[수학식 2]

여기서, 상기한 [수학식 2]에 있어서, B_max는 각각의 좌표별로 산출된 자기장의 최대값, B_min는 각각의 좌표별로 산출된 자기장의 최소값을 각각 나타낸다.

따라서 상기한 바와 같은 과정을 통하여 구 안에서의 자기장 균일도를 계산할 수 있으며, 이와 같이 하여 구해진 구에서의 공간균일도가 쉬밍작업 수행시 필요한 목적함수(object function)에 해당한다.

여기서, 상기한 [수학식 1]에 나타낸 바와 같이, 특정 지점에서의 자기장을 복수의 필드 그라디언트를 포함하는 급수로 표시하고 각각의 계수를 계산하여 해당 좌표값에 대응되는 자기장 값을 산출하여 공간균일도를 계산하는 방법에 대한 보다 구체적인 내용은 당업자에게 있어 종래기술의 문헌 등을 참조하여 자명한 내용이므로, 이에, 본 발명에서는, 설명을 간략히 하기 위해, 상기한 바와 같이 종래기술의 문헌 등을 참조하여 당업자가 용이하게 이해하고 실시할 수 있는 내용에 대하여는 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.

따라서 상기한 바와 같은 내용으로부터 본 발명의 실시예에 따른 자석의 공간 자기장 분포 측정방법을 구현할 수 있으며, 즉, 도 4를 참조하면, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 자석의 공간 자기장 분포 측정방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 자석의 공간 자기장 분포 측정방법은, 크게 나누어, 먼저, 자석 내부의 자기장 공간에 일정 간격으로 RF 코일이 감겨진 복수의 MR 샘플을 각각 배치하는 배치단계(S41)와, 각각의 MR 샘플에 미리 정해진 값의 전류(RF 펄스)를 인가하여 각각의 MR 샘플로부터 발생되는 MR 스펙트럼 및 자기장 값을 포함하는 MR 신호를 검출하는 검출단계(S42)와, 실린더 내부의 중앙에 가상의 구 형태의 공간을 상정하고, 각각의 MR 샘플에 대하여 검출된 MR 스펙트럼과 자기장 값 및 각각의 MR 샘플에 대한 x, y, z 좌표값을 이용하여 필드 그라디언트(Field Gradients)를 계산하는 것에 의해, 각각의 전류값 집합에 대하여 가상의 구 공간에서의 각 좌표값에 대응하는 자기장 값을 산출하는 자기장 산출단계(S43)와, 각각의 좌표별로 산출된 자기장 값에 근거하여 각각의 전류값 집합에 대하여 가상의 구 공간에서의 공간균일도를 산출하는 자기장 균일도 산출단계(S44)를 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 상기한 MR 샘플 배치단계(S41)는, 도 2를 참조하여 상기한 바와 같이, 예를 들면, MRI 내부의 촬영하고자 하는 부위에 실린더 형태의 공간을 형성하고, 실린더 공간 표면에 나선형 경로(helical path)를 상정하여, 해당 경로상에 일정 간격으로 RF 코일이 감겨진 복수의 MR 샘플을 각각 배치하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.

즉, 상기한 MR 샘플 배치단계(S41)는, 인체의 각 부위에 RF 코일을 배치하는 대신에, 예를 들면, 통 형태의 구조물 표면에 나선형 경로를 따라 일정 간격으로 RF 코일이 감겨진 MR 샘플을 각각 배치하고, 이와 같이 하여 복수의 MR 샘플이 배치된 실린더를 인체를 대신하여 MRI 내부에 위치시키도록 구성될 수 있다.

또한, 각각의 MR 샘플들은, 수소나 중수소, 또는, 수소 및 중수소를 포함하지 않는 소재로 이루어진 용기에 미리 정해진 적당량의 물(H₂O)이나 중수(D₂O) 또는 수소나 중수소를 포함하는 분자의 액체를 담고 밀봉한 후, 용기 외부에 미리 정해진 횟수로 RF 코일을 감아 구성될 수 있고, 이때, 액체의 양 및 코일을 감는 수를 적절히 조절하여 인체의 각 부위와 동일 내지 유사한 MR 스펙트럼 특성을 나타내도록 구성될 수 있다.

아울러, 상기한 MR 신호 검출단계(S42)는, 각각의 MR 샘플에 RF 코일을 통해 미리 설정된 일정한 값의 전류(즉, RF 펄스)를 인가하여, 인가된 전류값에 따라 MR 샘플로부터 발생되는 MR 스펙트럼 및 자기장 값을 포함하는 MR 신호를 각각 검출하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.

더욱이, 상기한 자기장 산출단계(S43)는, 검출된 MR 신호의 스펙트럼 분석을 행하여 스펙트럼상 최대값에 해당하는 X축상(주파수)의 값을 해당 MR 샘플에 대한 자기장 값으로 산출하고, 가상의 구 공간에 대한 자기장은, 도 3 및 [수학식 1]을 참조하여 상기한 바와 같이, 각각의 MR 샘플들을 통해 얻어진 자기장 값을 조화해석(Harmonic Analysis) 식에 대입하여 도출된 필드 그라디언트(Field gradients)와 좌표정보(x, y, z)의 조합을 통해 계산하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.

또한, 상기한 자기장 균일도 산출단계(S44)는, 도 3 및 [수학식 2]를 참조하여 상기한 바와 같이, 필드 그라디언트(Field gradients)와 좌표정보의 조합으로 도출된 자기장 값들의 최대치와 최소치를 이용하여 가상의 구 공간에 대한 자기장의 균일도를 계산하는 것에 의해, 가상의 구 공간에 대한 자기장의 공간균일도를 나타내는 목적함수를 도출하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.

아울러, 본 발명의 실시예에 따른 자석의 공간 자기장 분포 측정방법은, 도 4를 참조하여 상기에 설명한 바와 같이 구성되는 각 단계의 처리과정을 컴퓨터나 전용의 하드웨어에 의해 실행시키도록 구성되는 프로그램의 형태로 구현될 수 있다.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 자석의 공간 자기장 분포 측정방법은, 초기값 등의 기초적인 설정을 입력하는 간단한 조작만으로 도 4에 나타낸 바와 같은 처리과정이 자동으로 수행되도록 구성됨으로써, 숙련된 기술자가 필요 없이 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 안전하고 정확하게 자석의 공간 자기장 분포 측정이 수행될 수 있다.

더욱이, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 하여 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 자석의 공간 자기장 분포 측정방법을 이용하여, 자석의 공간 자기장 분포 측정시 RF 펄스가 인체에 인가되지 않도록 하는 것에 의해 안전성을 확보하는 동시에, 인체나 물체가 자기장 공간을 점유하고 있는 경우에도 신속하고 정확하게 자석의 공간 자기장 분포를 측정하고 자기장 균일도를 산출할 수 있는 데 더하여, 촬영중에 자기장 균일도가 변화하는 경우에도 중심부의 자기장 균일도를 측정 가능하여 자기장 균일도를 실시간으로 보정할 수 있도록 구성되는 자석의 공간 자기장 분포 측정장치를 용이하게 구현할 수 있다.

즉, 도 5를 참조하면, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 자석의 공간 자기장 분포 측정방법을 수행하도록 구성되는 자석의 공간 자기장 분포 측정장치(50)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 자석의 공간 자기장 분포 측정장치(50)는, 크게 나누어, 자석 내부의 자기장 공간에 형성되는 실린더 형태의 공간의 외부 표면에 나선형 경로를 따라 일정 간격으로 배치되는 복수의 MR 샘플(52) 및 공급되는 전류값에 따라 대응하는 값의 자기장을 발생하도록 각각의 MR 샘플(52)의 표면에 감겨져 있는 RF 코일(53)을 포함하여 구성되고, 이때, 상기한 실린더 형태의 공간은, 예를 들면, MRI의 내부와 같이, 공급되는 전류값에 따라 대응하는 값의 자기장을 발생하도록 형성되는 복수의 심(Shim)코일(51)에 의해 외부의 상하 및 둘레면이 둘러싸이도록 구성될 수 있다.

또한, 상기한 자석의 공간 자기장 분포 측정장치(50)는, 도시되지는 않았으나, 각각의 심코일(51)및 RF 코일(53)에 전류를 인가하기 위한 전류공급기(54)와, 각각의 MR 샘플(52)로부터 발생되는 MR 신호를 수신하기 위한 신호검출기(55) 및 각각의 심코일(51)및 RF 코일(53)에 인가되는 전류값을 제어하고, 각각의 MR 샘플(52)로부터 얻어진 값들을 분석하여 공간 자기장 분포 및 공간균일도를 산출하는 과정의 전체적인 동작을 제어하며, 측정장치(50)의 전체적인 동작을 제어하도록 이루어지는 제어부(56) 등을 더 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 상기한 전류공급기(54)는 제어부(56)의 제어에 따라 정해진 값의 전류를 심코일(51) 및 RF 코일(53)에 공급하고, 신호검출기(55)는 인가된 전류값에 따라 발생되는 자기장 신호를 측정하여 제어부(56)에 전달하도록 각각 구성되는 것으로, 기존의 자기장 분포 측정장치나 쉬밍장치의 구성을 이용하여 적절하게 구성될 수 있으므로, 본 발명에서는 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.

아울러, 상기한 제어부(56)는, 심코일(51) 및 RF 코일(53)에 인가되는 전류를 실시간으로 제어하는 프로세서로서 구성될 수 있으며, 도 2 내지 도 4를 참조하여 상기한 바와 같이 하여 자석의 공간 자기장 분포를 측정하고 자기장 균일도를 산출하는 일련의 처리과정이 소프트웨어적인 처리를 통해 자동으로 수행되도록 구성됨으로써, 자석의 공간 자기장 분포 측정시 RF 펄스가 인체에 인가되지 않도록 하는 것에 의해 안전성을 확보하는 동시에, 인체나 물체가 자기장 공간을 점유하고 있는 경우에도 신속하고 정확하게 자석의 공간 자기장 분포를 측정하고 자기장 균일도를 산출할 수 있는 데 더하여, 촬영중에 자기장 균일도가 변화하는 경우에도 중심부의 자기장 균일도를 측정 가능하여 자기장 균일도를 실시간으로 보정할 수 있도록 구성되는 자석의 공간 자기장 분포 측정장치(50)를 용이하게 구현할 수 있다.

더욱이, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 하여 구성되는 자석의 공간 자기장 분포 측정장치(50)를 포함하여 구성됨으로써, 자석의 공간 자기장 분포 측정시 RF 펄스가 인체에 인가되지 않도록 하는 것에 의해 안전성을 확보하는 동시에, 인체나 물체가 자기장 공간을 점유하고 있는 경우에도 신속하고 정확하게 자석의 공간 자기장 분포를 측정하고 자기장 균일도를 산출할 수 있는 데 더하여, 촬영중에 자기장 균일도가 변화하는 경우에도 중심부의 자기장 균일도를 측정 가능하여 자기장 균일도를 실시간으로 보정할 수 있도록 구성되는 MRI 장치 및 쉬밍시스템을 용이하게 구현할 수 있다.

여기서, 도 2 내지 도 5를 참조하여 상기한 본 발명의 실시예에서는, 자석의 자기장 공간에 복수의 MR 샘플을 배치하여 자기장 및 공간균일도를 산출하도록 구성되는 경우를 예로 하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 반드시 상기한 실시예의 경우로만 한정되는 것은 아니며, 즉, 본 발명은, 상기한 MR 샘플을 이용하는 대신에, 일반적인 자력계를 이용하여 구성될 수 있다.

더 상세하게는, 스테인리스강(Stainless steel) 또는 알루미늄을 포함하는 비자성물질을 이용하여 속이 빈 통 형태의 구조물을 형성하고, 구조물 상의 공간좌표가 알려진 복수의 위치에 비자성 접착제를 이용하여 자력계를 각각 배치한 후 통 형태의 구조물을 자석 주위의 자기장 공간에 위치시키고, 각각의 자력계를 통하여 측정된 자기장값 및 각각의 자력계의 좌표값을 이용하여 가상의 구 공간에서의 자기장 및 가상의 구 공간에 대한 자기장 균일도를 각각 산출하는 처리가 수행되도록 구성됨으로써, 복수의 MR 샘플을 별도로 제조하지 않고 일반적인 자력계를 이용하여 본 발명에 따른 자석의 공간 자기장 분포 측정방법 및 이를 이용한 자석의 공간 자기장 분포 측정장치를 구현 가능하다.

따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 자석의 공간 자기장 분포 측정방법 및 이를 이용한 자석의 공간 자기장 분포 측정장치를 구현할 수 있다.

또한, 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 자석의 공간 자기장 분포 측정방법 및 이를 이용한 자석의 공간 자기장 분포 측정장치를 구현하는 것에 의해, 본 발명에 따르면, 자석의 자기장 분포를 분석하고자 하는 공간의 좌표가 알려진 위치에 복수의 통상적인 자력계를 배치하여 측정된 자기장값, 또는, 복수의 MR 샘플 및 RF 코일을 배치하여 각각의 샘플로부터 자기공명(MR) 신호를 수신하고, 수신된 신호에 대한 스펙트럼 분석을 통해 얻어진 자기장값 및 이 값들로 계산된 필드 그라디언트(Field Gradients)를 이용하여 실린더 중앙에 위치한 가상의 구 공간에서의 자기장 균일도를 계산하도록 구성되는 자석의 공간 자기장 분포 측정방법 및 이를 이용한 자석의 공간 자기장 분포 측정장치가 제공됨으로써, 자석의 공간 자기장 분포 측정시 고출력 RF가 인체에 인가되지 않도록 하는 것에 의해 안전성을 확보하는 동시에, 인체나 물체가 자기장 공간을 점유하고 있는 경우에도 신속하고 정확하게 자석의 공간 자기장 분포를 측정하고 자기장 균일도를 산출할 수 있는 데 더하여, 촬영중에 자기장 균일도가 변화하는 경우에도 중심부의 자기장 균일도 측정이 가능하여 자기장 균일도를 실시간으로 보정할 수 있다.

아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 구성되는 자석의 공간 자기장 분포 측정방법 및 이를 이용한 자석의 공간 자기장 분포 측정장치가 제공됨으로써, 예를 들면, NMR이나 MRI와 같이, 자석을 이용한 각종 장비에 있어서, 자기장 균일도를 개선하기 위해 자석의 공간 자기장 분포를 측정시 측정시간이 오래 걸리고, 자석 주위의 자기장 활용공간을 인체나 물체가 점유하고 있는 동안에는 자석의 공간 자기장 분포를 측정할 수 없는 단점이 있었던 종래기술의 자석의 공간 자기장 분포 측정방법 및 장치들의 문제점을 해결할 수 있다.

더욱이, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 구성되는 자석의 공간 자기장 분포 측정방법 및 이를 이용한 자석의 공간 자기장 분포 측정장치가 제공됨으로써, MRI와 같이 자석을 이용한 장비의 자기장 균일도를 개선하기 위해 행해지는 쉬밍 작업에 있어서, RF 코일을 통해 인가된 RF에 대응하여 인체에서 발생하는 자기공명(MR) 신호를 수신하여 공간 자기장 분포를 분석하도록 구성됨으로 인해, 안전에 유해할 수 있는 고출력 RF 환경에 인체가 더 오래 많이 노출되거나 또는 고자기장 장비일수록 이른바 SAR 핫스팟이라는 국부적인 발열이 발생하여 인체의 안전에 치명적인 데미지를 미칠 수 있는 문제점이 있었던 종래기술의 자석의 공간 자기장 분포 측정방법 및 장치들의 문제점을 해결할 수 있다.

이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 자석의 공간 자기장 분포 측정방법 및 이를 이용한 자석의 공간 자기장 분포 측정장치의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.

21. RF 코일 22. MR 샘플
50. 자석의 공간 자기장 분포 측정장치
51. 심(Shim)코일 52. MR 샘플
53. RF 코일 54. 전류공급기
55. 신호검출기 56. 제어부

Claims (10)

1. 자석의 공간 자기장 분포 측정방법에 있어서,
   자석 주위의 자기장 공간에 복수의 MR(magnetic resonance) 샘플을 각각 배치하는 배치단계;
   각각의 상기 MR 샘플에 미리 정해진 값의 전류(RF 펄스)를 인가하고, 인가된 전류값에 따라 각각의 상기 MR 샘플로부터 발생되는 MR 신호를 검출하는 검출단계;
   상기 MR 신호 검출단계에서 각각의 상기 MR 샘플에 대하여 검출된 상기 MR 신호에 근거하여 각각의 상기 MR 샘플의 각 좌표값에 대응하는 자기장 값을 산출하는 자기장 산출단계; 및
   상기 자기장 산출단계에서 각각의 상기 MR 샘플의 좌표별로 산출된 자기장 값에 근거하여 상기 자석의 자기장에 대한 공간균일도를 산출하는 자기장 균일도 산출단계를 포함하는 처리과정이 컴퓨터나 전용의 하드웨어에 의해 수행되도록 구성되고,
   상기 MR 샘플은,
   수소나 중수소, 또는, 수소 및 중수소를 포함하지 않는 소재로 이루어진 용기에 미리 정해진 양의 물(H₂O)이나 중수(D₂O) 또는 수소나 중수소를 포함하는 분자의 액체를 담고 밀봉한 후, 상기 용기 외부에 미리 정해진 횟수로 RF 코일을 감아 구성되며,
   상기 배치단계는,
   스테인리스강(Stainless steel) 또는 알루미늄을 포함하는 비자성물질을 이용하여 속이 빈 통 형태의 구조물을 형성하고, 상기 구조물 상의 공간좌표가 알려진 복수의 위치에 복수의 상기 MR 샘플을 각각의 공간좌표 위치에 배치하며, 비자성 접착제를 포함하는 부착수단을 이용하여 각각의 상기 MR 샘플을 상기 통 형태의 구조물의 공간좌표 위치에 각각 고정시킨 후, 상기 통 형태의 구조물을 상기 자석 주위의 자기장 공간에 위치시키는 것에 의해 상기 자석 주위의 자기장 공간에 복수의 상기 MR 샘플을 각각 배치하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 초전도 자석의 공간 자기장 분포 측정방법.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 검출단계는,
   각각의 상기 MR 샘플들로부터 MR 스펙트럼 및 자기장 값을 포함하는 상기 MR 신호를 검출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 자석의 공간 자기장 분포 측정방법.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 자기장 산출단계는,
   상기 MR 신호 검출단계에서 검출된 각각의 상기 MR 신호의 스펙트럼 분석을 행하여 스펙트럼상 최대값에 해당하는 X축상(주파수)의 값을 해당 MR 샘플에 대한 자기장 값으로 산출하며,
   상기 통 형태의 구조물의 공간 중앙에 가상의 구 공간을 설정하고, 각각의 상기 MR 샘플들에 대한 좌표값(x, y, z)과 상기 MR 신호로부터 산출된 자기장 값을 이용하여 필드 그라디언트(Field gradients)를 계산하며,
   산출된 각각의 필드 그라디언트를 이용하여 각각의 상기 MR 샘플의 좌표값에 대응하는 자기장 값을 계산하는 것에 의해 상기 가상의 구 공간에서의 자기장을 산출하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 자석의 공간 자기장 분포 측정방법.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 자기장 균일도 산출단계는,
   이하의 수학식을 이용하여, 상기 자기장 산출단계에서 상기 가상의 구 공간에 대하여 각각의 좌표별로 산출된 자기장 값들의 최대치와 최소치를 이용하여 상기 가상의 구 공간에 대한 자기장 균일도를 산출하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 자석의 공간 자기장 분포 측정방법.
   
   

   

   
   
   (여기서,B_max는 각각의 좌표별로 산출된 자기장의 최대값, B_min는 각각의 좌표별로 산출된 자기장의 최소값을 각각 나타냄)
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 측정방법은,
   사용자 인터페이스(User Interface ; UI)를 통하여 초기값을 포함하는 기초적인 설정을 입력하면 상기 MR 신호 검출단계, 상기 자기장 산출단계, 상기 자기장 균일도 산출단계의 처리과정이 자동으로 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 자석의 공간 자기장 분포 측정방법.
   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 측정방법은,
   상기 배치단계에서, 상기 MR 샘플 대신에 복수의 자력계를 각각 배치하고,
   상기 검출단계에서, 각각의 상기 자력계를 통하여 자기장값을 측정하며,
   상기 자기장 산출단계 및 상기 자기장 균일도 산출단계에서, 각각의 상기 자력계의 좌표값 및 각각의 상기 자력계를 통하여 측정된 자기장값에 근거하여 상기 가상의 구 공간에서의 자기장 및 상기 가상의 구 공간에 대한 자기장 균일도를 각각 산출하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 자석의 공간 자기장 분포 측정방법.
   
8. 삭제
9. 청구항 1항, 청구항 3항 내지 청구항 7항 중 어느 한 항에 기재된 자석의 공간 자기장 분포 측정방법을 이용하여 자석의 공간 자기장 분포 및 자기장 균일도를 산출하도록 구성되는 자석의 공간 자기장 분포 측정장치에 있어서,
   자석의 자기장 내부에 각각 배치되는 복수의 자력계 또는 복수의 MR 샘플;
   미리 정해진 값의 전류를 인가하기 위한 전류공급기;
   상기 전류공급기를 통하여 인가된 전류에 의해 발생되는 MR 신호를 수신하기 위한 신호검출기; 및
   상기 측정장치의 전체적인 동작을 제어하고, 상기 신호검출기를 통하여 검출된 상기 MR 신호를 분석하여 상기 자석의 공간 자기장 분포 및 자기장 균일도를 산출하는 처리가 수행되도록 이루어지는 제어부를 포함하여 구성되고,
   상기 MR 샘플은,
   수소나 중수소, 또는, 수소 및 중수소를 포함하지 않는 소재로 이루어진 용기에 미리 정해진 양의 물(H₂O)이나 중수(D₂O) 또는 수소나 중수소를 포함하는 분자의 액체를 담고 밀봉한 후, 상기 용기 외부에 미리 정해진 횟수로 RF 코일을 감아 구성되며,
   상기 자력계 또는 상기 MR 샘플은,
   스테인리스강(Stainless steel) 또는 알루미늄을 포함하는 비자성물질을 이용하여 속이 빈 통 형태의 구조물을 형성하고, 상기 구조물 상의 공간좌표가 알려진 복수의 위치에 복수의 상기 자력계 또는 상기 MR 샘플을 각각의 공간좌표 위치에 배치하며, 비자성 접착제를 포함하는 부착수단을 이용하여 각각의 상기 자력계 또는 상기 MR 샘플을 상기 통 형태의 구조물의 공간좌표 위치에 각각 고정시킨 후, 상기 통 형태의 구조물을 상기 자석 주위의 자기장 공간에 위치시키는 것에 의해 상기 자석 주위의 자기장 공간에 각각 배치되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 자석의 공간 자기장 분포 측정장치.
   
10. 자석의 자기장 균일도를 개선하기 위한 쉬밍시스템에 있어서,
    청구항 9항에 기재된 자석의 공간 자기장 분포 측정장치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 쉬밍시스템.
    

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