KR102226303B1

KR102226303B1 - 배열영상 기법을 위한 스포크 코일 및 이를 이용한 다채널 배열 rf 코일

Info

Publication number: KR102226303B1
Application number: KR1020190106320A
Authority: KR
Inventors: 김경남; 김한중; 정준영
Original assignee: 가천대학교 산학협력단; (의료)길의료재단
Priority date: 2019-08-29
Filing date: 2019-08-29
Publication date: 2021-03-11
Also published as: KR20210026071A

Abstract

본 발명은 자기공명 영상을 위한 RF 코일에 관한 것으로, 특히 배열영상 기법을 위한 고역 스포크 코일과 이를 기반으로 하는 다채널 배열 RF 코일에 관한 것으로, z축에 대해 일정 반경의 원통 형상으로 배치되는 복수 개의 배열형 코일 엘리먼트와; 일정 반경의 전도성의 원형 루프(111)와, 상기 원형 루프(111)의 중심으로부터 방사형으로 원형 루프에 결선되는 복수 개의 스포크 도선(121)을 포함하여 상기 배열형 코일 엘리먼트의 중심축과 수직한 평면 상에 배치되는 스포크 코일을 포함한다.

Description

배열영상 기법을 위한 스포크 코일 및 이를 이용한 다채널 배열 RF 코일{High-pass spoke coil for parallel MRI, and multi-channel array RF coil utilizing the same}

본 발명은 자기공명 영상을 위한 RF 코일에 관한 것으로, 특히 배열영상 기법을 위한 고역 스포크 코일과 이를 기반으로 하는 다채널 배열 RF 코일에 관한 것이다.

다채널 RF 배열 코일(Multi-channel RF array coil)은 SNR(signal-to-noise ratio)를 증가시키고 시야 영역(field of view)을 넓히기 위하여 개발되었다. SNR은 병렬 이미징의 동시 신호를 얻기 위하여 전체 체적 주변에 배치된 다중의 수신용 코일의 배치를 통해 영상 획득시간의 증가 없이 개선할 수 있다.

일반적으로 코일의 사이즈를 줄이는 것은 코일 근처의 감도(sensitivity)를 높일 수 있으나, 투과 깊이는 감소한다. 그러나, 작은 수신용 코일들을 다중 채널로 구성하게 되면 비록 코일의 사이즈는 작아지더라도 심부 영역(deep region)에 대한 감도의 저하 없이 코일 근처의 SNR을 개선시킬 수 있다.

배열 코일은 SMASH(simultaneous acquisition of spatial harmonics), SENSE(sensitivity encoding) 및 GRAPPA(generalized auto-calibrating partially parallel acquisition)과 같은 병렬 영상 기법을 사용하여 영상 인코딩 시간을 줄이기 위하여 사용되어 왔다.

이러한 기법들은 감소 인자(reduction factor; r)에 의해 엔코팅 스텝의 숫자를 줄여서 얻은 언더 샘플링 k-공간 데이터를 재구성하기 위하여 배열 코일들의 공간적인 감도에 대한 다양한 형태의 정보에 의존한다. 종래기술에서는 우수한 병렬 영상을 위한 수신용 배열 코일의 디자인은 채널 숫자, 코일 엘리먼트 사이의 오버랩, 코일 엘리먼트의 타입과, 코일의 커버리지 범위의 선정에 의해 최적화될 수 있음이 알려졌다.

주 자기장 방향(z-축)에 대한 가속 성능을 개선하기 위하여 다중 열(multi-row) 코일 배열을 형성하도록 더 많은 코일 엘리먼트가 추가될 수 있으나, 신경 영상용 MRI에서 사람의 두부의 크기에 의한 제약으로 인하여 코일의 숫자는 제한된다. 또한 두부의 상부에 위치하게 되는 일반적인 RF 표면 코일은 비효율적으로 발생된 RF 자기장으로 인하여 기하학적 인자(g-factor)와 노이즈의 증폭을 증가시킨다. SENSE 영상에서 두 엔코딩 방향에서의 k-공간 샘플링의 축소는 영상 획득 시간을 감소시키지 않으나 단방향(single direction)에 대한 가속의 증가 보다는 기하학적 형상과 관련된 잡음 증가를 감소시키면서 우수한 병렬 영상을 얻을 수 있다.

공개특허공보 제10-2015-0135337호(공개일자: 2015.12.02.)

P. B. Roemer et al., Magn. Reson. Med. 16, 192 (1990). S. M. Wright and L. L. Wald, NMR Biomed. 10, 394 (1997). D. K. Sodickson and W. J. Manning, Magn. Reson. Med. 38, 591 (1997). K. P. Pruessmann, M. Weiger, M. B. Scheidegger and P. Boesiger, Magn. Reson. Med. 42, 952 (1999). M. A. Griswold et al., Magn. Reson. Med. 47, 1202 (2002). M. Weiger, K. P. Pruessmann and P. Boesiger, Magn. Reson. Mater. Phys. 14, 10 (2002). G. Chen, L. T. Muftuler, S. H. Ha and O. Nalcioglu, J. Magn. Reson. 186, 273 (2007). M. Weiger et al., Magn. Reson. Med. 45, 495 (2001). Y. Gao, W. Chen and X. Zhang, IEEE Trans. Med. Imaging. 37, 1723 (2018). G. C. Wiggins et al., Magn. Reson. Med. 56, 216 (2006). R. Lattanzi et al., Magn. Reson. Med. 79, 1789 (2018). C. E. Hayes et al., J. Magn. Reson. 63, 622 (1985). P. Pimmel and A. Briguet, Magn. Reson. Med. 24, 158 (1992). L. Mispelter, M. Lupu and A. Briguet, NMR Probeheads for Biophysical and Biomedical Experiments: Theoretical Principles & Practical Guidelines (Imperial College Press, London, 2006). J. H. Richmond, IEEE Trans. Antennas. Propag. 9, 515 (1961). S. B. King, S. M. Varosi and G. R. Duensing, Concepts Magn. Reson. Part B Magn. Reson. Eng. 29, 42 (2006). A. Kumar, W. A. Edelstein and P. A. Bottomley, Magn. Reson. Med. 61, 1201 (2009). D. R. Rhodes, J. Franklin Inst. 302, 225 (1976).

본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 개선하고자 하는 것으로, 새장형 코일과 같은 체적형 코일에서 z-축 방향(주자기장 방향)에서의 불충분한 감소에 의한 g-factor의 저하를 개선할 수 있는 배열영상 기법을 위한 스포크 코일 및 이를 이용한 다채널 배열 RF 코일을 제공하고자 하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다채널 배열 RF 코일은, z축에 대해 일정 반경의 원통 형상으로 배치되는 복수 개의 배열형 코일 엘리먼트와; 일정 반경의 전도성의 원형 루프와, 상기 원형 루프의 중심으로부터 방사형으로 원형 루프에 결선되는 복수 개의 스포크 도선을 포함하여 상기 배열형 코일 엘리먼트의 중심축과 수직한 평면에 배치되는 스포크 코일을 포함한다.

바람직하게는, 상기 배열형 코일 엘리먼트는 z축 방향으로 복수 열로 구성되되, +z축 방향의 일부는 경사를 갖고 만곡되게 배치된다.

보다 바람직하게는, 상기 배열형 코일 엘리먼트는 루프형 표면 코일 또는 다이폴 안테나이다.

다음으로, 본 발명에 따른 스포크 코일은, 자기공명 영상을 위한 코일로서, 일정 반경의 전도성의 원형 루프와, 상기 원형 루프의 중심으로부터 방사형으로 상기 원형 루프에 결선되는 복수 개의 스포크 도선을 포함한다.

본 발명에 따른 휠-스포크 구조의 스포크 코일을 포함하는 다채녈 배열 RF 코일은 z-축 가속에 대한 g-factor를 감소시켜 병렬 영상 성능을 개선할 수 있으며, 특히 z-축 방향에 대해 수직한 평면에 배치되는 스포크 코일에 의해 발생된 자기장은 x-,y-축 방향으로 집중되며, 따라서 종래의 새장형 코일과 같은 체적형 코일에서 z-축 방향의 불충분한 감도에 의한 g-factor의 저하를 개선할 수 있는 효과가 있다.

도 1의 (a)(b)는 각각 본 발명의 실시예에 따른 스포크 코일의 평면 구성도 및 등가회로,
도 2의 (a)는 샘플을 포함하는 2-포트 스포크 코일의 S 파라미터(Scattering parameter)를 보여주는 그래프이며, (b)(c)는 각각 스포크 코일(SC)과 원형 루프 코일(LC)의 시상면(Sagittal view)에서의 자기장(B1-) 분포와 자기장 벡터를 보여주는 도면,
도 3은 시뮬레이션 모델에 사용된 다채널 배열 RF 코일들을 보여주는 도면,
도 4의 (a)(b)는 각각 스포크 코일(SC)을 포함한 체적형 배열 RF 코일의 평면 구성도 및 단면 구성도,
도 4의 (c)는 원형 루프 코일(LC)을 포함하는 체적형 배열 RF 코일의 단면 구성도,
도 4의 (d)는 도 4의 (a)(b)(c)에서의 단위 코일을 평면적으로 도시한 도면,
도 5는 도 3에서의 시뮬레이션 모델의 수신용 배열 RF 코일에 대한 정규화 노이즈-상관 매트릭스(Normailized noise-correlation matrix)와 비대각(off-diagonal) 코일 엘리먼트의 평균 값을 보여주는 도면,
도 6 및 도 7은 시뮬레이션 모델의 수신용 배열 RF 코일들에 대한 수치 계산된 시상면 1/g-factor 맵을 보여주는 도면,
도 8은 시뮬레이션된 수신용 배열 RF 코일에 대한 SNR_full과 SNR_accel 맵을 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.

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 1의 (a)(b)는 각각 본 발명의 실시예에 따른 RF코일의 평면 구성도 및 등가회로이다.

도 1의 (a)를 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 RF 코일은 휠-스포크 구조를 갖는 것으로, 일정 반경의 전도성의 원형 루프(111)와, 이 원형 루프(111)의 중심으로부터 방사형으로 원형 루프(111)와 결선되는 복수 개의 스포크 도선(121)을 포함하며, 본 실시예에서 스포크 도선(121)은 8개로 구성된다. 원형 루프(111)의 제1노드(P1)와 원형 루프(111) 중심의 제2노드(P2)가 연결되어 자기장(B1-) 신호의 검출을 위한 포트로 사용될 수 있다. 한편, 이하 설명에서 이러한 휠-스포크 구조의 RF 코일을 "스포크 코일"로도 지칭한다.

도 1의 (b)는 본 실시예의 스포크 코일(SC)의 n개의 스포크 도선을 갖는 등가회로를 보여주고 있으며, 원형 루프는 캐패시터(Ce)와 자기 인덕턴스에 의한 인덕터(Le)를 포함하고 각 스포크 도선은 자기 인덕턴스에 의한 인덕터(Lr)를 포함한다. 도 1의 (b)에서 점선 박스는 총 n개의 고역 필터 셀을 나타낸다. 스포크 코일(SC)의 공명주파수는 2-포트 네트워크에 의해 기술될 수 있으며, 다음의 [수학식 1]과 같이 입력 전류(i₁) 및 입력 전류(v₁)와, 출력 전류(i₂) 및 출력 전압(v₂)는 하이패스 필터(high-pass filter)의 선형사상(matrix representation)으로 나타낼 수 있다.

[수학식 1]

[수학식 1]에서 Z₁과 Z₂는 각각 하이패스 필터 셀 회로의 직렬 및 병렬 임피던스이며, [수학식 1]의 매트릭스의 고유치(eigenvalue)를 계산하여 다음의 [수학식 2]와 같이 Z₁과 Z₂의 관계식을 얻을 수 있다.

[수학식 2]

전체 공명 모드(resonant mode)의 숫자는 n/2+1이며, 하이패스 스포크 코일의 공진 주파수(ω₀)는 다음의 [수학식 3]으로 계산되며, Z₁은 유효 캐피시던스(C)로 가정한다.

[수학식 3]

하이패스 스포크 코일의 희망 모드(k=1)는 원형 편파 RF 자기장(B1)를 발생시키며, 원형 루프 모드(k=0)를 제외한 가장 높은 주파수이다.

이러한 스포크 코일 구조를 분석하기 위하여 Sim4Life(ZMT, Zurich, Switzerland)를 사용하여 EM 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션은 상부에 구형 캡(spherical cap)을 갖는 원통형 팬텀(cylindrical phantom)의 모델을 포함하며, 원통형 팬텀의 z-축 방향의 길이는 200mm이며, x-y 평면에서의 직경은 200 mm이다. 팬텀의 절연 특성은 지멘스(Siemens) MRI 벤더 제공 용액에 의해 결정되었다. 데이터 수집 시스템을 사용하여 상온의 297.2 MHz(7 T에서의 H1의 라머 주파수) 공진 주파수 조건에서 수용액(per 1000 g H2O dist.: 1.25 g NiSO4·6H2O + 5 g NaCl)을 측정하였으며, 전도도(conductivity)는 1.02 S/m이고 상대 유전율(relative permittivity)은 78.39로 측정되었다.

도 2의 (a)는 2-포트 스포크 코일(팬텀 샘플)의 S 파라미터(Scattering parameter)를 보여주는 그래프이며, (b)(c)는 각각 스포크 코일(SC)과 루프 코일(LC)의 시상면(Sagitall view)에서의 자기장(B1-) 분포와 자기장 벡터를 보여주는 도면으로, 자기장 벡터는 dB로 표현된다.

도 2의 (a)는 스포크 코일의 S 파라미터(Scattering parameter)를 보여주고 있으며, 공진 주파수는 원형 루프의 캐패시터를 조정하여 최적화하였으며, 두 채널 사이의 절연은 채널 간의 원형 루프 캐패시터를 조정하여 확보하였다. 두 개의 포트는 서로 직각(90°)으로 위치하며, 90°위상차를 갖는 쿼드러처 드라이브(quadrature drive)를 통해 원형 편극 RF 자기장이 발생된다. 스포크 코일의 두 채널의 자기장 데이터는 기하학적 인자(g-factor) 분석에 필요한 부가적인 공간적인 정보를 제공하지는 않으며, 따라서 스포크 코일의 두 채널 수신 자기장(B1-)을 직교 결합하고 이 직교-구동(quadrature-driven) 자기장(B1-)을 g-factor 분석에 사용하였다. 도 2의 (b)(c)에서는 각각 스포크 코일(SC)과 원형의 루프 코일(LC)의 자기장 분포(B1-)와 자기장 벡터를 보여주고 있으며, 벡터 필드는 dB 스케일로 표현되어 있다. 본 실시예에서 스포크 코일(SC)과 원형 루프 코일(LC)은 주자기장(B₀) 방향(즉, z-축 방향)에 대해 수직한 평면에 배치되며, 직경은 138 ㎜이다.

본 실시예에서 시뮬레이션 모델에 사용된 체적형 배열 RF 코일은 수용액의 팬텀 주변을 감싸게 되는 표면 코일(루프 코일) 또는 다이폴 안테나와, 팬텀의 상부에 위치하게 되는 스포크 코일(SC) 또는 원형 루프 코일(LC)의 조합에 의해 구성되며, 이때 표면 코일(루프 코일) 또는 다이폴 안테나는 팬텀의 주변을 감싸게 되는 원형 형상으로 배치되고, 팬텀의 형태에 따라서 밀착되도록 만곡된 형태를 가질 수 있다.

구체적으로, 도 3은 시뮬레이션 모델에 사용된 스포크 코일(SC)과 비교예인 원형 루프 코일(LC)을 포함하는 다채널의 체적형 배열 RF 코일들을 보여주는 도면으로서, 1번째 컬럼과 두 번째 컬럼은 각각 원통 형상으로 배치된 루프 코일과 다이폴 안테나(short dipole antenna)로 구성되며(array 1, 2, 5, 6), 3번째 컬럼과 4번째 컬럼은 각각 팬텀의 형상에 따라 상단부가 만곡되어 팬텀과 밀착된 형상(close-fitted)을 갖는 루프 코일과 다이폴 안테나로 구성(array 3, 4, 7, 8)된다. 한편, 1번째 컬럼과 3번째 컬럼은 팬텀의 상단에 원형의 루프 코일(LC)이 배치되며, 2번째 컬럼과 4번째 컬럼은 팬텀의 상단에 스포크 코일(SC)이 배치된다.

도 4의 (a)(b)는 각각 스포크 코일(SC)을 포함하는 체적형 배열 RF 코일의 평면 구성도와 단면 구성도이며, (c)는 원형의 루프 코일(LC)을 포함하는 체적형 배열 RF 코일의 단면 구성도이며, (d)는 체적형 배열 RF 코일을 구성하는 단위 코일(SC/LC)(루프 코일/다이폴 안테나)을 평면적으로 도시한 것이다. 도 4의 (d)에서 스포크 코일(SC) 또는 원형의 루프 코일(LC)은 팬텀 중심의 상부에 z-축과 수직한 평면에 배치되며, 팬텀의 주변에 원통 형상으로 24개의 루프 코일(E11-E38)이 배치된다. 사각의 루프 코일(E11-E38)은 85×85 ㎟의 표면적을 갖는 동일 형상이며, 인접한 루프 코일(E11-E38) 사이는 10 mm 사이의 간격을 갖고 배치된다. 한편, 다이폴 안테나의 경우에는 사각의 루프 코일의 중심 위치에 85 mm의 길이를 갖고 배치되며, 다이폴 안테나의 길이는 신호 파장의 1/10 이하에서 결정된다.

병렬 영상에서 스포크 코일(SC)의 효과를 평가하기 위하여 오버랩 간격을 고려하지 않고 단위 코일 사이의 거리를 고정하였다. 코일 엘리먼트의 전체 저항(R)과 관련된 노이즈는 유전체 팬텀의 전체 체적의 시뮬레이션으로부터 계산하였다. 샘플이 포함된 조건에서의 저항(R)은 코일 저항(Rc)과 샘플 저항(Rs)으로 나눌 수 있으며, 반응 이론을 통해 샘플 저항(Rs)으로부터 계산할 수 있다. 코일 저항(Rc)와 샘플 저항(Rs)와 관련된 스케일링 인자(α)는 다음의 [수학식 4]로부터 계산된다.

[수학식 4]

Q_L과 Q_U는 각각 부하 Q 인자(loaded quality factor)와 무부하 Q 인자(unloaded quality fact)이다. Q 인자(Q)는 다음의 [수학식 5]와 같이 1/2 파워 대역폭의 역수로 정의된다.

[수학식 5]

R₀와 X₀는 각각 코일의 입력 저항과 리액턴스이며, ω₀는 공진 주파수이다. 아파스트로피(apostrophe)는 1차 미분을 나타낸다. 변조 가우시안 여기 펄스(modulated Gaussian excitation pulse)가 인가되고 낮은 임피던스의 전치증폭기에 의해 완전히 분리된다는 가정 하에 각 코일 엘리먼트는 별도로 모델링이 이루어졌다. 각 채널은 유전체 팬텀을 포함하는 Q_L과 Q_U를 계산하기 위하여 직렬 연결된 집중정수 소자(lumped element)를 사용하여 제로 입력 저항을 갖도록 조정하였다. 다음으로, 스케일링 인자(α)는 시뮬레이션이 이루어진 입력 임피던스 데이터를 사용하여 각 고립된 코일로부터 계산하였다.

각 코일 엘리먼트의 입력 임피던스는 50 Ω(<-45 dB)으로 매칭하였으며, 자기장(B1-)은 297.2 MHz의 주파수로 구동되는 것으로 계산하였다. g-factor 분석을 통하여 SENSE 이미징 방법을 위한 코일 배열 설계를 최적화할 수 있었다. 샘플 내에서의 중첩 점(ρ)에서의 g-factor는 다음의 [수학식 6]에 의해 계산되었다.

[수학식 6]

S는 감도 매트릭스(sensitivity matrix)이며, N은 중첩 점(ρ)과 관련된 위치에서의 저항에 의존하는 수신 노이즈 매트릭스이다. H는 전치 복소수 공액(transposed complex conjugate)이다. 가속 SNR(SNR_accel)은 다음의 [수학식 7]과 같으며, 전체 SNR(SNR_full), g-factor 및 감소인자(r)에 의존한다.

[수학식 7]

시뮬레이션 자기장(B1-)과 스케일링된 수신기-노이즈 매트릭스(N)으로부터 200×200×225 ㎣(x-y-z)의 FOV로부터의 g-factor와 SNR 맵을 계산하였다.

결과

1. 스포크 코일)

2-포트 스포크 코일(SC)의 S 파라미터(scattering parameter)를 계산하였으며, 도 2의 (a)에서 보여주고 있다. 스포크 코일에서 원형 루프의 캐패시터 값은 스포크 코일(SC)의 공진 주파수를 297.2 MHz로 튜닝하기 위하여 3.06 pF으로 설정하였으며, 직렬과 병렬 집중정수 소자(lumped element)를 사용하여 50 Ω(S₁₁ 및 S₂₂: -46 dB)으로 매칭하였다. 두 채널(S12: -11dB) 사이의 절연을 위하여 두 채널의 원형 루프 캐패시터는 값은 2.60 pF으로 설정하였다. 쿼드러처(quadrature) 구동된 두 포트의 자기장(B1-)은 90°위상차를 갖고 결합하였다. 도 2의 (b)(c)는 각각 시뮬레이션을 통하여 계산된 스포크 코일(SC)과 원형 루프 코일(LC)의 자기장 분포(B1-)와 자기장 벡터를 보여주고 있다. 종래의 원형 루프 코일(LC)과는 달리 스포크 코일(SC)이 z-축 방향과 수직하게 배치되는 경우에 유효 자기장이 x-y 평면에 집중되어 발생됨을 확인할 수 있다.

2. 수신용 배열 RF 코일의 최적화

도 3에서와 같이, RF 배열 코일의 입력 임피던스로부터 Q_L과 Q_U를 계산하기 위하여 시뮬레이션 RF 코일은 297.2 Mhz로 튜닝하였다. 스포크 코일(SC)과 원형의 루프 코일(LC)의 결과 스케일링 인자(α)는 각각 0.09와 0.34이다. 도 4의 (d)를 참고하면, 원통형 루프 배열에서 각 열(row)의 코일 엘리먼트의 스케일링 인자(α)는 첫 번째 열(row)부터 차례로 0.35, 0.08, 및 0.07이다. 다음으로, 팬텀 형상에 따라서 만곡된 밀착 타입(close-fitted type)의 배열 RF 코일에서 각 열(row)의 코일 엘리먼트의 스케일링 인자(α)는 첫 번째 열(row)부터 차례로 1.81, 1.15, 및 1.21이다. RF 코일이 비록 동일한 기하학적 형상을 갖더라도 Q_L과 Q_U의 비(ratio), 즉 스케일링 인자(α)는 유전체 팬텀에 따라서 달라진다. 스케일링 인자(α)를 계산한 후에 RF 코일의 입력 임피던스를 50 Ω으로 매칭하여 자기장(B1-)을 계산하였다. 도 5에서는 수신용 배열 RF 코일에 대한 정규화 노이즈-상관 매트릭스(Normalized noise-correlation matrix)와 비대각(off-diagonal) 코일 엘리먼트의 평균값을 보여주고 있다. 다이폴 안테나의 배열 RF 코일과 비교하여 루프 배열 RF 코일은 상대적으로 코일 엘리먼트 사이에 양호하게 상관된 노이즈(well-correlated noise)를 보여주고 있다.

두 직각 방향으로 1-3의 가속화를 갖는 배열 RF 코일의 중심에서의 시상면(sagittal plane)에서 SENSE g-factor를 계산하였으며, 이때 코일 엘리먼트 사이의 공간은 오버랩되지 않고 고정된 상태이다.

도 6 및 도 7은 시뮬레이션 모델의 수신용 배열 RF 코일에 대한 g-factor의 역수(1/g-factor)에 대한 맵을 보여주고 있다.

도 6에서 x-축과 z-축을 따라서 reduction factor를 갖는 루프 코일 배열(array 1-4)의 1/g-factor 맵을 보여주고 있으며, 시상면(sagittal plane)에서 감도 데이터에 기여할 수 있는 코일 엘리먼트의 숫자가 작아서 1/g-factor의 피크 값은 상당히 낮다. 평면 가속화를 갖고 스포크 코일(SC)을 포함하는 밀착형의 루프 코일 배열(배열 2, 4)의 g-factor 결과는 원형 루프 코일(LC)을 포함하는 것(배열 1, 3) 보다 우수한 것을 확인할 수 있다.

다음으로 도 7은 다이폴 안테나의 1/g-factor 시상면(sagittal plane) 맵을 보여주고 있으며, 밀착형 다이폴 안테나 배열에서 1/g-factor의 피크 값은 z-축 reduction factor가 3인 경우에 루프 배열 케이스 보다는 낮다.

유한한 도선을 따라서 흐르는 전류 주변으로 발생되는 자기장의 크기는 전류 방향과, 도선에서 측정 위치까지의 방향 사이의 각도의 싸인 함수에 반비례한다. 밀착형 다이폴 안테나의 경우에 도선의 방향으로의 감도 정보에 기여하게 되는 유효 자기장은 매우 낮으며, 따라서 팬텀의 구형 영역 내에서의 g-factor는 나빠진다.

한편, 도 2의 (b)(c)를 참고하면, z-축 방향으로 수직하게 배치된 경우에도 스포크 코일(SC)은 팬텀 상부의 구형 부분에서 g-factor를 개선하는 유효 자기장을 발생시킨다. z-축 reduction factor가 작용하게 되면, 스포크 코일(SC)을 포함하는 코일 배열의 1/g-factor 피크 값은 보다 우수한다. 그러나 x-축 reduction factor가 작용하게 되면, 스포크 코일(SC)이 배열 사이의 영역에서 감도 정보가 부족하여 g-factor는 나빠진다. 스포크 코일(SC)을 포함하는 배열의 1/g-factor 피크 값은 원형 루프 코일(LC)을 포함하는 RF 배열 코일과 비교하여 z-축 가속(r=r_x×r_z = 1×2와 1×3)에 대해 상대적으로 민감하지 않으며, x-축 가속(r=r_x×r_z = 2×1와 3×1)에 민감하다.

도 8은 시뮬레이션된 SNR_full(r=r_x×r_z = 1×1)과 SNR_accel(r=r_x×r_z = 1×3, 3×1, 및 3×3) 맵을 보여주고 있다. 스포크 코일(SC)을 포함하는 밀착 타입의 루프 배열(array 4)은 병렬 이미지에서 가장 우수한 결과를 보여주고 있다. 비록 스포크 코일(SC)이 없는 경우에도 밀착형의 다이폴 배열을 제외한 모든 배열에서 팬텀의 구형 체적에서 민감한 형태는 효과적이나 g-factor가 나빠지기 때문에 z-축 방향 가속은 SNR을 감소시킨다. SENSE 이미징의 성능을 개선하기 위하여, 사용되는 코일 엘리먼트의 타입이나 구조에 따라서 불충분한 감도 정보를 최소화하기 위해 크라운 영역(crown area) 상부에 설치되는 스포크 코일(SC)의 최적화가 필요할 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.

100 : 스포크 코일
111 : 원형 루프
121 : 스포크 도선

Claims

z축에 대해 일정 반경의 원통 형상으로 배치되는 복수 개의 배열형 코일 엘리먼트와;
일정 반경의 전도성의 원형 루프와, 상기 원형 루프의 중심으로부터 방사형으로 원형 루프에 결선되는 복수 개의 스포크 도선을 포함하여 상기 배열형 코일 엘리먼트의 중심축과 수직한 평면 상에 배치되는 스포크 코일을 포함하며, 신호의 검출용 포트로써, 상기 원형 루프 상에 마련된 제1노드(P1)와 상기 원형 루프의 중심에서 상기 스포크 도선이 하나로 결선되어 마련된 제2노드(P2)를 포함하는 다채널 배열 RF 코일.
제1항에 있어서, 상기 배열형 코일 엘리먼트는 z축 방향으로 복수 열로 구성되되, +z축 방향의 일부는 경사를 갖고 만곡되게 배치됨을 특징으로 하는 다채널 배열 RF 코일.
제2항에 있어서, 상기 배열형 코일 엘리먼트는 루프형 표면 코일인 것을 특징으로 하는 다채널 배열 RF 코일.
제2항에 있어서, 상기 배열형 코일 엘리먼트는 다이폴 안테나인 것을 특징으로 하는 다채널 배열 RF 코일.
삭제