KR102192215B1 - 진행파 코일 기반의 자기공명 영상용 rf코일 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기공명 영상용 RF 코일에 관한 것으로, 특히 복수 개의 진행파 코일을 루프 타입으로 배치하여 배열영상에 적합한 자기공명 영상용 RF코일 장치에 관한 것으로, 공진 주파수에 대해 λ/n(n = 2 또는 4) 파장을 갖는 단위 진행파 코일(111-114)이 적어도 2 개 이상이 하나의 루프(110)를 구성하는 것을 특징으로 한다.

Description

진행파 코일 기반의 자기공명 영상용 RF코일 장치{RF coil device for MRI based on traveling wave coil}

본 발명은 자기공명 영상용 RF 코일에 관한 것으로, 특히 복수 개의 진행파 코일을 루프 타입으로 구성하여 다채널의 배열영상에 적합한 자기공명 영상용 RF코일 장치에 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.

일반적으로 자기공명 영상용 루프 코일은 RLC 공진 회로에 기반을 두고, 공진 주파수가 MR 시스템의 중심주파수(Lamor frequency)와 일치하도록 제작하여 RF 신호의 송수신이 이루어진다.

이러한 루프 코일은 원형 또는 사각형의 형태가 주로 사용되며, 원하는 자기장의 민감도와 균질도를 위해 적합한 크기와 형태의 코일을 설계하게 된다. 특히 다수 개의 코일을 이용하여 영상의 관심 영역을 증가시키거나 민감도를 향상시키기 위해 위상배열 코일(phased array coil)이 많이 사용되고 있으며, 이러한 위상배열 코일은 배열영상기법을 적용하여 영상획득시간을 상당히 단축할 수 있어서 사용이 증가하고 있다.

한편 단일 채널의 루프 코일을 이용하여 다채널 루프 코일을 구성하는 경우에 각각의 코일간의 간섭효과로 인하여 자기공명 영상용 RF 코일이 정상적으로 동작하지 못한다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 기본적으로 구조적 디커플링 방법(Geometrically decoupling method)이 사용되고 있으며, 이외에도 디커플링 방법으로는 트랜스포머 디커플링, 캐패시턴스 디커플링, 전치증폭기 디커플링 등의 다양한 방법이 있다.

도 1의 (a)(b)는 각각 일반적인 구조적 디커플링을 갖는 원형과 사각형의 루프코일의 자기공영 영상용 RF 코일을 보여주는 도면이다.

도 1의 (a)를 참고하면, 종래기술의 다채널의 위상배열 코일 장치는 두 개의 원형 루프 코일(11)(12)의 일부가 서로 겹쳐서 배치되어 오버랩 영역을 갖는다. 한편, 서로 인접한 두 원형의 루프 코일(11)(12) 사이에서 발생하는 상호인덕턴스 커플링을 최소화하기 위해서는 오버랩 영역이 22%가 되도록 하는 것이 효율적이며, 이때 최적화된 두 원형의 루프 코일(11)(12)의 중심 사이의 거리(W1)는 코일의 지름의 0.78배이다.

다음으로, 도 1의 (b)를 참고하면, 두 정사각형의 루프 코일(21)(22)로 구성된 2채널의 위상배열 코일은 상호인덕턴스 커플링을 최소화할 수 있은 오버랩 영역은 대략 14%이며, 이때 두 루프 코일(21)(22) 사이의 중심 사이의 거리(W2)는 0.86배에서 최적화가 된다.

이러한 구조적 디커플링 방법에서는 각각의 단일 루프 코일이 만들어내는 전자기장의 특성이 중심부위에서는 강하고 바깥으로 갈수록 전자기장의 민감도가 감소하기 때문에 자기공명영상의 중심부의 영상이 외측부에 비하여 상대적으로 높은 민감도를 갖는다.

또한 RF 코일의 전자기장 민감도는 RF 코일의 구조에 의해 결정되며, 특히 단일채널 루프 코일과 다채널 루프 코일의 경우에 각각의 루프 코일의 사이즈에 의하여 전자기장의 민감도가 결정된다. 즉, 루프 코일의 사이즈가 작은 경우에 전자기장의 민감도는 상승하지만 전자기장 신호 깊이(signal depth)가 감소하며, 사이즈가 큰 경우에는 전자기장의 민감도는 감소하지만 전자기장의 신호 깊이는 증가한다.

이와 같이 다채널 루프 코일을 이용한 위상배열 코일은 제한된 영역에 복수 개의 루프 코일을 배치하는 경우에 루프 코일 사이의 상호 인덕턴스 커플링을 최소화를 고려하여 배치 가능한 루프 코일의 숫자는 제한된다.

일본 특허공보 제4891539호(등록일자: 2011.12.22.) 등록특허공보 제10-1437777호(공고일자: 2014.09.17.)

본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 개선하고자 하는 것으로, 복수 개의 진행파 코일을 단일 루프 타입으로 구성하여 다채널의 배열영상에 적합한 자기공명 영상용 RF코일 장치를 제공하고자 하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자기공명 영상용 RF코일 장치는, 공진 주파수에 대해 λ/n(n = 2 또는 4) 파장을 갖는 단위 진행파 코일이 적어도 2 개 이상이 하나의 루프를 구성하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 단위 진행파 코일은 라머 주파수의 λ/4의 공진 주파수를 갖는다.

바람직하게는, 복수 개의 단위 진행파 코일이 하나의 루프를 이루어 하나의 단위 루프를 구성하며, 복수 개의 단위 루프가 서로 인접하여 중첩된 영역을 갖는다.

보다 바람직하게는, 복수 개의 상기 단위 루프를 구성하는 각 단위 진행파 코일은 검출된 RF 신호를 결합하게 되는 컴바이너와 연결된다.

보다 바람직하게는, 상기 단위 루프는 정사각형이고 두 인접한 단위 루프 사이의 오버랩 영역은 14% 이상이고 100% 이하이다.

보다 바람직하게는, 상기 단위 루프는 원형이고 두 인접한 단위 루프 사이의 오버랩 영역은 22% 이상이고 100% 이하이다.

본 발명에 따른 자기공명 영상용 RF 코일은, 공진 주파수에 대해 λ/n(n = 2 또는 4) 파장을 갖는 단위 진행파 코일이 적어도 2 개 이상이 하나의 루프를 구성하는 것을 특징으로 하여 다채널의 배열 코일로 활용 시에 코일간의 상호유도 간섭을 최소화하면서도 보다 높은 침투깊이를 얻을 수 있으며, 따라서 배열영상기법을 통하여 영상획득시간을 단축할 수 있으면서도 루프 코일의 개수에 제한이 없어서 더 큰 RF 신호의 수신이 가능하여 자기공명 영상의 민감도를 개선할 수 있는 효과가 있다.

도 1의 (a)(b)는 각각 일반적인 구조적 디커플링을 갖는 원형과 사각형의 루프코일의 자기공영 영상용 RF 코일을 보여주는 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자기공명 영상용 RF코일 장치의 평면 구성도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기공명 영상용 RF코일 장치의 평면 구성도,
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기공명 영상용 RF코일 장치의 평면 구성도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 RF코일 장치의 RF 신호의 수신유닛의 구성을 보여주는 도면,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 RF코일 장치의 사시 구성도.

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.

한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.

어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 또는 "직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에"또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함한다" 또는 "가지다"등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

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

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자기공명 영상용 RF코일 장치의 평면 구성도이다.

도 2를 참고하면, 본 실시예의 자기공명 영상용 RF코일 장치(이하, "RF코일 장치"로도 약칭함)(110)는, 공진 주파수에 대해 λ/4 파장을 갖는 단위 진행파 코일(111-114)이 적어도 2 개 이상이 하나의 루프를 구성하는 것을 특징으로 한다. 본 실시예의 RF코일 장치(110)는 공진 주파수의 λ/4 파장을 갖는 4개의 모노폴 안테나 구조의 단위 진행파 코일(111-114)이 단일 루프를 구성함을 보여주고 있으며, 각 단위 진행파 코일(111-114)은 일단이 동축 케이블의 신호선과 연결된다. 한편, 단위 진행파 코일은 공진 주파수의 λ/2 파장을 갖는 다이폴 안테나 구조에 의해 제공될 수 있다.

이러한 단위 진행파 코일(111-114)이 단일 루프를 구성하여 제공된 RF코일 장치(110)는 루프 코일을 구성하는 단위 진행파 코일(111-114)이 하나의 코일로서 동작하여 상호유도에 의한 간섭을 최소화할 수 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기공명 영상용 RF코일 장치의 평면 구성도로서, 단위 진행파 코일은 나선형(helix) 타입의 진행파 코일에 의해 제공될 수 있으며, 이러한 나선형 타입의 단위 진행파 코일이 단일 루프를 형성하는 루프 코일은 상대적으로 RF코일 장치의 사이즈를 줄일 수 있다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기공명 영상용 RF코일 장치의 평면 구성도로서, 복수 개의 단위 진행파 코일이 단일 루프를 구성하는 루프 코일(110A)(110B)(110C)은 복수 개의 루프 코일(110A)(110B)(110C)이 서로 중첩되어 위상배열 코일로 동작할 수 있다.

따라서 이와 같은 복수 개의 루프 코일(110A)(110B)(110C)로 이루어진 RF코일 장치는 루프 코일(110A)(110B)(110C)이 서로 중첩되어 배치가 가능하며, 특히 제한된 영역에 많은 루프 코일(110A)(110B)(110C)이 중첩되어 배치되더라도 인접한 루프 코일(110A)(110B)(110C) 사이의 상호유도 간섭에 의한 영향을 배제할 수 있다.

예를 들어, 단위 루프가 정사각형인 경우에 종래기술에서는 서로 인접한 단위 루프 사이의 오버랩 영역은 14%에서 상호유도 간섭이 최소화되는 반면에, 본 발명의 RF코일 장치는 오버랩 영역이 14% 이상이어도 무방하다. 또한 단위 루프가 원형인 경우에 종래기술에서 인접한 단위 루프 사이의 오버랩 영역은 22%에서 최적화되는 반면에, 본 발명의 RF코일 장치는 오버랩 영역이 22% 이상이어도 무방하다.

이와 같이, 본 발명의 RF코일 장치는 종래기술의 루프 코일과 비교하여 제한된 영역에 충분히 많은 루프 코일의 배치가 가능하며, 따라서 배열영상기법을 통한 영상획득시간을 단축할 수 있으면서도 루프 코일의 개수에 제한이 없어서 더 큰 RF 신호의 수신이 가능하여 자기공명 영상의 민감도를 더욱 개선할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 RF코일 장치의 RF 신호의 수신유닛의 구성을 보여주는 도면이다.

본 실시예의 RF코일 장치는 수신용 코일로 기능하는 것을 보여주고 있으며, 3개의 루프 코일(110A)(110B)(110C)을 구성하는 각 λ/4 진행파 코일은 컴바이너(210)와 연결되어 각 루프 코일(110A)(110B)(110C)을 구성하는 12개 채널의 진행파 코일의 검출 RF 신호는 컴바이너(210)에서 결합되어 출력된다. 따라서 본 실시예의 RF코일 장치는 각 루프 코일을 구성하는 단위 진행파 코일의 1차 검출 신호를 결합하여 검출 신호로 처리함으로써 신호대잡음비(SNR)가 증가하여 수신 민감도를 높일 수 있다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 RF코일 장치의 사시 구성도로서, 체적형 RF 코일(volume RF coil)을 보여주고 있다.

본 실시예의 RF코일 장치(310)는 원통형의 절연 몸체부(311)의 내주면에 일정 패턴으로 다수의 라머 주파수의 λ/n(n=2,4) 공진주파수를 갖는 단위 진행파 코일이 하나의 루프를 구성하는 복수 개의 루프 코일(312)이 마련되며, 또한 절연 몸체부(311)의 외주면에 동일하게 단위 진행파 코일이 하나의 루프를 구성하게 되는 복수 개의 제2루프 코일(313)이 마련되며, 특히 제1루프 코일(312)과 제2루프 코일(313)은 중첩 영역에 대한 제한이 없이 배치될 수 있다.

한편 본 실시예에서는 절연 몸체부(311)의 내주면과 외주면에 각각 서로 절연된 두 개의 레이어(layer)로 이루어진 루프 코일을 예시하고 있으나, 각 레이어를 구성하는 루프 코일이 서로 절연되게 배치되는 범위 내에서 루프 코일은 2개 레이어 이상으로 배치될 수 있다.

참고로, 종래기술에서는 복수 개의 루프 코일로 이루어진 체적형 코일을 구성하는 경우에 앞서 설명한 것과 같이 각 루프 코일 사이의 상호 인덕턴스 커플링을 최소화하기 위하여 오버랩 영역(이격 거리)이 제한된다.

반면에 본 발명은 라머 주파수의 공진 주파수를 갖는 모노폴 또는 다이폴 구조의 진행파 코일을 하나의 단위 루프 코일로 구성함으로써 루프 코일 사이의 상호 유도 간섭에 의한 영향을 배제하고 제한된 면적 내에 많은 루프 코일의 배치가 가능하다.

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, 210 : RF코일 장치
111, 112, 113, 114 : 단위 진행파 코일

Claims (6)

1. 자기공명 영상을 위한 RF 코일 장치에 있어서,
   공진 주파수에 대해 λ/n(n = 2 또는 4) 파장을 갖는 단위 진행파 코일이 적어도 2 개 이상이 하나의 원형의 루프를 이루어 하나의 단위 루프를 구성하며,
   복수 개의 단위 루프가 서로 인접하여 중첩된 영역을 갖되, 상기 단위 루프는 두 인접한 단위 루프 사이의 오버랩 영역은 22% 이상이고 100% 이하인 것을 특징으로 하는 자기공명 영상용 RF코일 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 단위 진행파 코일은 라머 주파수의 λ/4의 공진 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 자기공명 영상용 RF코일 장치
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 복수 개의 상기 단위 루프를 구성하는 각 단위 진행파 코일은 검출된 RF 신호를 결합하게 되는 컴바이너와 연결됨을 특징으로 하는 자기공명 영상용 RF코일 장치.
5. 삭제
6. 삭제

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