KR102050269B1 - 자기공명 영상용 고유전체 패드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기공명 영상시스템에서 RF 펄스에 의한 자기장(B1) 균일도를 개선할 수 있는 고유전체 패드 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명의 고유전체 패드는, 두부의 적어도 일부를 감싸서 고정하기 위한 헤드 밴드부(110)와; 고유전체의 분말이 용해된 액체가 저장되어 상기 헤드 밴드부(110)에 고정되는 가요성의 패드부(120)과; 고유전체의 분말이 용해된 액체가 저장되어 상기 헤드 밴드부(110)에 탈부착이 가능한 가요성의 마스크부(130)를 포함한다.

Description

자기공명 영상용 고유전체 패드{High-permittivity pad for magnetic resonance imaging}

본 발명은 자기공명 영상용 고유전체 패드 및 그 제조방법에 관한 것이다.

자기 공명 영상(magnetic resonance imaging, MRI)은 균일한 주자기장(main magnetic field) 내에서 인체 내에 존재하는 핵종(수소, 인, 나트륨, 탄소 등)의 자화벡터(magnetization vector)에 대해 고주파 RF(radiofrequency) 펄스를 인가하여 특정 핵종(수소 등)을 공명시켜 수직평면으로 자화벡터가 재정렬되면서 발생되는 자기공명 신호를 수신하여 얻어서 컴퓨터를 통해 재구성하여 영상화하는 기술이다.

일반적으로 자화벡터를 공명시키기 위한 펄스 송신과 발생된 자기공명 신호의 수신은 RF 코일에 의해 이루어지며, 이때 RF 코일은 자화벡터를 공명시키기 위한 RF 신호를 송신(RF 송신 모드)하는 코일과 자기공명 신호를 수신(RF 수신 모드)하는 코일이 각각 따로 마련될 수 있으며, 또는 하나의 RF 코일에 의해 RF 송신 모드와 RF 수신 모드가 같이 수행될 수 있다.

일반적으로 주자기장의 크기가 클수록 MRI의 감도(sensitivity)는 증가하게 되며, 대략 S/N비(signal to noise ratio)는 주자기장의 크기와 비례하는 것으로 알려져 있다. 따라서 보다 세밀한 구조의 영상을 얻기 위하여 큰 자기장의 영상 시스템에서의 연구와 개발이 활발히 이루어지고 있으며, 특히 뇌과학 분야와 같이 고해상도 영상의 필요성으로 인하여 현재는 인체용 7T의 초고자장 자기공명영상 시스템까지 나와 있다.

한편, 이와 같이 초고자장 자기공명영상 시스템에서의 여러 장점에도 불구하고 해결해야 될 기술적인 문제점이 있으며, 그 중에서 주요한 이슈는 RF 코일과 관련된 문제이다.

구체적으로는 초고자장 MRI에서는 고주파 RF 신호가 사용됨에 따라서 RF 파장이 짧아지며, 따라서 RF 코일 설계 시에 위상 이동(phase shift), 기생 용량(parasitic capacitance), 복사 손실(radiative loss) 등이 고려되어야 하므로 RF 코일 설계가 상당히 복잡해지는 문제점이 있다.

또한, RF 코일 내에서 자기장 불균일성(inhomogeneity)은 자기 공명 영상의 감도 개선에 장애가 되며, RF 코일의 균일한 자기장을 얻기 위한 방안으로 송신파형을 교정해주는 방법, 고유전체를 이용하는 방법 등이 사용된다.

예를 들어, 공개특허공보 제10-2016-0026567호에서는 고유전 물질로 이루어진 유전 구조체를 이용하여 체적형 RF 코일부에 의해 발생하는 자기장의 균일도를 개선할 수 있는 자기공명영상 시스템을 제안하고 있다. 그러나 이러한 종래기술에서는 고유전 물질의 유전 구조체가 세라믹 형태의 원통 형상을 갖고 RF 코일 내측에 배치되는 구조를 갖는다.

그러나 본 발명자는 이와 같은 세라믹 형태의 유전체 구조물은 검사 대상인 환자와 이격되어 배치됨에 따라서 고유전체에 의한 자기장 균일도 개선 효과가 크지 않은 것을 확인하였다.

공개특허공보 제10-2016-0026567호(공개일자: 2016.03.09.)

본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 개선하고자 하는 것으로, 체적형 RF 코일에 의해 발생되는 자기장(B1)의 균일도를 개선할 수 있는 자기공명 영상용 고유전체 패드 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자기공명 영상용 고유전체 패드는, 두부의 적어도 일부를 감싸서 고정하기 위한 헤드 밴드부와; 고유전체의 분말이 용해된 액체가 저장되어 상기 헤드 밴드부에 고정되는 가요성의 패드부과; 고유전체의 분말이 용해된 액체가 저장되어 상기 헤드 밴드부에 탈부착이 가능한 가요성의 마스크부를 포함한다.

바람직하게는, 상기 액체는 탈이온수(deionized water; DIW)이며, 상기 고유전체는 CaTiO3 또는 BaTiO3이다.

바람직하게는, 상기 마스크부는 벨크로 테이프가 마련되어 상기 헤드 밴드부와 탈부착이 가능하다.

다음으로, 본 발명의 자기공명 영상용 고유전체 패드의 제조방법은, 일정 량의 탈이온수에 고유전체 분말을 혼합하여 고유전체 현탁액을 제조하는 제1단계와; 고유전체 분말의 현탁액을 가요성의 백에 주입하여 밀봉하는 제2단계를 포함하며, 바람직하게는, 상기 고유전체는 CaTiO3 또는 BaTiO3이다.

본 발명에 따른 자기공명 영상용 고유전체 패드는, 고유전체의 분말이 용해된 액체가 저장된 가요성의 패드부를 주요 특징적인 구성으로 함으로써, 검사대상 부위에 밀착되게 고유전체의 배치가 가능하여 RF 펄스에 의한 자기장 균일성을 높여 보다 우수한 자기공명 영상을 얻을 수 있는 효과가 있으며, 이는 특히 고자기장(7T)의 자기공명 영상의 품질을 대폭 개선할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자기공명 영상용 고유전체 패드를 보여주는 도면,
도 2는 부피 분율(V/V)과 유전율 사이의 관계에 대한 이론적 그래프(Lichtenecker's logarithmic power law)와 본 실시예에서 제작된 30%/40%/45%의 부피 분율CaTiO3/DIW)별 유전 패드의 측정값을 보여주는 그래프,
도 3은 일정 주파수 대역(200-400MHz)에서의 CaTiO3의 부피 분율(V/V)별 유전율의 측정 데이터 자료,
도 4는 일정 주파수 대역(200-400MHz)에서의 BaTiO3의 부피 분율(V/V)별 유전율의 측정 데이터 자료,
도 5 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 고유전체 패드를 부착하여 촬영된 자기공영영상을 보여주는 데이터,
도 9의 (a)(b)(c)는 본 실시예에 따른 두부 타입의 고유전체 패드에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면.

본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하도록 한다.

도 1을 참고하면, 본 실시예에 따른 자기공명 영상용 고유전체 패드는, 두부의 적어도 일부를 감싸서 고정하기 위한 헤드 밴드부(110)와, 고유전체의 분말이 용해된 액체가 저장되어 상기 헤드 밴드부(110)에 고정되는 가요성(flexible)의 패드부(120)과, 고유전체의 분말이 용해된 액체가 저장되어 상기 헤드 밴드부(110)에 탈부착이 가능한 가요성의 마스크부(130)를 포함한다.

헤드 밴드부(110)는 적어도 일부를 감싸도록 마련되어 환자의 두부에 고유전체의 패드를 고정 시키기 위한 것이며, 헤드 밴드부(110)와 일체로 고정되는 패드부(120)를 두부에 견고히 고정 가능한 범위 내에서 재질 또는 형상은 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들어, 헤드 밴드부(110)는 두부를 감싸도록 가공된 직물시트일 수 있으며, 이때 전면 하단에 탈부착 가능하여 고정이 이루어지는 턱끈(111)이 마련될 수 있다.

패드부(120)는 고유전체의 분말이 용해된 액체가 저장되며, 헤드 밴드부(110)와 일체로 고정되어 후두부와 밀착되게 배치된다. 패드부(120)는 고유전체의 현탁액을 저장하게 되는 플라스틱과 같은 가요성(flexible)의 백(bag)을 포함한다. 한편 패드부(120)는 후두부 전체를 하나의 백에 의해 감쌀 수 있으며, 또는 다 수개로 분할된 어레이(array) 형태에 의해 제공될 수도 있다.

마스크부(130)는 두부의 전면을 덮을 수 있도록 마련되며 패드부(120)과 마찬가지로 고유전체의 분말이 용해된 액체가 가요성의 백에 저장되어 제공될 수 있다. 바람직하게는, 마스크부(130)는 착용 시에 편안함을 위하여 코, 눈, 입 등의 위치와 대응되는 부위가 개방될 수 있다.

이러한 마스크부(130)는 양면 테이프 또는 벨크로 테이프(134)와 같은 점착수단이 마련되어 헤드 밴드부(110)와 탈부착이 가능하다.

이와 같이 구성된 고유전체 패드는 고유전체인 패드부(120)와 마스크부(130)가 후두부와 안면에 밀착되어 배치되어 체적형 RF 코일 내에서 RF 펄스에 의해 생성된 자기장(B1)의 균일도를 개선할 수 있다.

한편, 본 실시예에서는 두부를 대상으로 하는 고유전체 패드를 예시하여 설명하였으나, 검사 대상 부위에 따라서 가요성의 백을 성형 제작될 수 있다.

실시예

본 실시예에서는 페로브스카이트(perrovskite) 구조를 갖는 고유전체 물질(CaTiO3, BaTiO3)을 이용한 고유전체 현탁액을 제작하여 가요성의 고유전체 패드를 제작하였다. 이때 사용된 가요성 백의 크기는 6cm×5cm×1cm이며, 총 부피는 30㎖(30cc)이다.

CaTiO3와 같은 TiO3 계열의 재료들은 강한 자기장에서의 연구를 위해 상자성 도핑 없이 물보다 유전율이 높을 뿐만 아니라 현탁액 상태에서 물과의 비율로 원하는 유전율 값에 맞게 조정이 가능한 재료이며, 낮은 자기공명(MR) 백그라운드 신호를 갖고 환자의 검사 대상 부위에 밀착되게 성형 가능한 현탁액 상태로 제조가 용이한 장점이 있다.

구체적인 제조 과정은, CaTiO3는 소결 상태에서 4.1g/cc의 밀도를 갖는 미세 분말을 사용하였으며, 30%의 부피 분율(V/V)을 갖도록 CaTiO3 9㎖와 탈이온수(deionized water; DIW) 21㎖를 포화될 때까지 혼합한 후에 가요성 백에 담아서 고유전체 패드를 제작하였다. 또한 동일한 방법에 의해 40%, 45%의 부피 분율을 갖는 고유전체 패드를 제작하였다.

다음으로, 소결 상태에서 5.85 g/cc의 밀도를 갖는 BaTiO3 미세 분말을 사용하여 30%, 35%의 부피 분율을 갖는 고유전체 패드를 동일한 방법에 의해 제작하였다.

진공과는 달리 실제 물질이 외부 필드에 반응할 경우에는 그 필드의 주파수도 중요하게 작용하며, 이 현상은 물질이 외부 필드 자체에 반응하는 것만이 아니라 필드가 가해진 이후에 그에 따라 발생하는 일련의 변화에 반응함을 의미한다. 따라서 유전율은 단순히 상수(ε)가 아닌 외부 필드의 주파수(ω)에 대한 복소함수로 표현된다. 필드의 세기가 계속 변하는 경우에 유전율(εeff)은 복소 유전율로 표현되어 다음의 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 1]

손실 탄젠트는 다음의 [수학식 2]와 같이 정의된다.

[수학식 2]

부피 분율 V/V(CaTiO3/DIW)별 유전율의 수학적인 모델이 존재하며, 물질종류, 혼합방식에 따라서 다양하다. TiO3 계열 물질은 Lichtenecker's logarithmic power law가 잘 맞는 것으로 알려져 있으며, 도 2에서는 부피 분율과 유전율 사이의 관계에 대한 이론적 그래프(Lichtenecker's logarithmic power law)와 본 실시예에서 제작된 30%/40%/45%의 부피 분율CaTiO3/DIW)별 유전 패드의 측정값을 보여주고 있다.

다음으로, 도 3은 일정 주파수 대역에서의 CaTiO3의 부피 분율(V/V)별 유전율의 측정 데이터 자료로서, 200-400MHz 주파수 대역에서 CaTiO3 유전체 패드에 대하여 유전체 프로브 키트(85070E, Agilent Technologies, Santa Clara, CA)와 네트워크 분석에 있는 S11 측정값을 사용하여 계측한 데이터를 보여주고 있다.

도 3을 참고하면, 측정 결과는 실수부가 허수부보다 50배 정도 큰 것을 알 수 있으며, 허수부는 측정 주파수 대역(200-400MHz)에서 큰 변화를 보이지 않는 것을 확인할 수 있었다.

다음으로 도 4는 200-400MHz에서의 BaTiO3의 부피 분율(V/V)별 유전율의 측정 데이터 자료를 보여주고 있으며, 마찬가지로 주파수 대역별로 큰 변화를 보이지 않는 것을 확인할 수 있었다. 참고로 비교를 위하여 물(초음파젤)에 대하여 동일한 방법에 의해 200-400MHz 주파수 영역에 대한 유전율을 측정하였으며, 이때 주파수가 커질수록 유전율이 작아지는 것을 확인하였다.

도 5 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 고유전체 패드를 부착하여 촬영된 자기공영영상을 보여주는 데이터로서, CaTiO3 부피분율(V/V) 40%로 제작된 고유전체 패드(빨간색 영역 참고)를 두부 우측만 밀착되게 배치하고 7.0T에서 자기공명영상을 얻었다.

도 5 내지 도 8에서 알 수 있듯이, 고유전체 패드가 위치하는 두부 우측(도면 상의 좌측)이 두부 좌측(고유전체 패드 없음)과 비교하여 밝게 촬영되었음을 확인할 수 있다.

도 9의 (a)(b)(c)는 본 실시예에 따른 두부 타입의 고유전체 패드에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면으로서, 인체 팬텀(Duke)을 이용하여 새장형 코일(birdcage coil)에서의 자기장(B1)을 시뮬레이션하고 특정 횡단면 위치(47번 index)에서의 결과를 보여주고 있으며, 이때 (a)는 후두부와 안면 모두에 고유전체 패드가 배치되며, (b)는 안면에만 고유전체 패드가 배치되며, (c)는 후두부에만 고유전체 패드가 배치된 것을 보여준다.

도 9에서 확인할 수 있듯이, 후두부와 안면 모두에 고유전체 패드가 배치된 경우에 RF 필드의 균질성이 우수한 것을 알 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

110 : 헤드 밴드부 120 : 패드부
130 : 마스크부

Claims (7)

1. 두부의 적어도 일부를 감싸서 고정하되, 전면 하단에 탈부착이 가능하게 고정되는 턱끈(111)이 마련된 헤드 밴드부(110)와;
   고유전체의 분말이 용해된 액체가 저장되어 상기 헤드 밴드부(110)에 고정되어 피검사자의 후두부를 감싸서 밀착되는 가요성의 패드부(120)과;
   고유전체의 분말이 용해된 액체가 저장되어 상기 헤드 밴드부(110)의 전면에 탈부착이 가능하여 두부의 전면을 덮게 되되, 코, 눈, 입의 위치에 대응되는 부위가 개방된 가요성의 마스크부(130)를 포함하며,
   상기 마스크부(130)는 테두리를 따라서 벨크로 테이프(134)가 마련되어 상기 헤드 밴드부(110)의 전면에 탈부착이 가능하며,
   상기 액체는 탈이온수(deionized water; DIW)이며, 상기 고유전체는 CaTiO3 또는 BaTiO3인 것을 특징으로 하는 자기공명 영상용 고유전체 패드.
   
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