KR102276110B1

KR102276110B1 - 초고주파 mri 시스템용 rf 코일

Info

Publication number: KR102276110B1
Application number: KR1020190140604A
Authority: KR
Inventors: 김경남; 정준영
Original assignee: 가천대학교 산학협력단; (의료)길의료재단
Priority date: 2019-11-06
Filing date: 2019-11-06
Publication date: 2021-07-13
Also published as: KR20210054677A

Abstract

본 발명은 초고주파 MRI 시스템용 RF 코일에 관한 것으로, 인터디지털 캐패시터(interdigital capacitor)를 이용하여 고자기장의 MRI 시스템에서 효과적인 RF 코일에 관한 것으로, 캐패시터를 포함하여 LC 공진회로로 구성되는 초고주파 MRI 시스템용 RF 코일에 있어서, 상기 캐패시터는 마이크로 스트립들로 구성된 적어도 두 개 이상의 핑거(120)가 서로 일정한 갭을 갖고 대향하여 교차하여 배치되는 인터디지털 캐패시터(C)인 것을 특징으로 한다.

Description

초고주파 MRI 시스템용 RF 코일{RF coil for UHF MRI system}

본 발명은 초고주파 MRI 시스템용 RF 코일에 관한 것으로, 인터디지털 캐패시터(interdigital capacitor)를 이용하여 고자기장의 MRI 시스템에서 효과적인 RF 코일에 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.

한편, 일반적으로 자기공명 영상장치에서 사용되는 RF 코일은 특정 공진 주파수로 튜닝이 되며, 이때 공진 주파수는 대상 핵종에 의해 결정된다.

도 1은 일반적인 자기공명 영상용 RF 코일의 회로 구성도이다.

도 1을 참고하면, 일반적인 RF 코일(10)은 검사 대상체에 따라서 다양한 형태의 코일일 수 있으나 공통적으로 LC 공진 회로에 의해 제공되며, 특정 동작주파수를 갖도록 캐패시터(Ct)와 인덕터(L)를 포함한다. 실질적인 RF 코일의 제작 과정에서 인덕터(L)는 별도의 소자로 연결되지 않고 RF 코일을 구성하는 도체 스트립 자체의 인덕턴스에 의해 결정되고 캐패시터(Ct)만이 연결되어 캐패시턴스의 조정에 의해 공진 주파수를 갖는다.

이러한 RF 코일(10)은 통상적으로 두 개의 캐패시터(Ct)(Cm)가 구비된다. 구체적으로, 튜닝 캐패시터(Ct)는 RF 코일(10)을 구성하는 루프 상에 마련되어 자기공명 영상을 위한 공진주파수에 해당하는 동작주파수를 결정하게 되며, 매칭 캐패시터(Cm)는 RF 코일(10)의 신호선에 직렬 연결되어 회로의 임피던스 매칭에 사용되어 Q 인자(quality factor)를 결정하게 된다.

이러한 LC 공진회로로 구성된 RF 코일(10)의 공진주파수는 다음의 [수학식 1]에 의해 결정된다.

[수학식 1]

L는 코일의 인덕턴스이며, C는 튜닝 캐패시터(Ct)의 캐패시턴스이다.

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.

이와 같이 초고자장 MRI 시스템의 RF 코일은 높은 주파수의 공진주파수가 요구되며, 따라서 튜닝 캐패시터(Ct)의 캐패시턴스는 작아져야만 한다. 일반적으로 RF 코일의 튜닝 캐패시터는 고정된 캐패시턴스를 갖는 칩 캐패시터를 사용하고 있으며, 따라서 다른 공진주파수의 변화가 필요한 경우에 각 주파수에 해당하는 RF 코일을 별도로 제작하여 사용하여야 하는 불편함이 있다.

공개실용신안공보 제94-25312호(공개일자: 1994.11.18.)

본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 개선하고자 하는 것으로, 가변형 인터디지털 캐패시터를 활용하여 고자기장의 MRI 시스템에서 효과적인 초고주파 MRI 시스템용 RF 코일(이하, "RF 코일"로도 약칭함)을 제공하고자 하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초고주파 MRI 시스템용 RF 코일은, 캐패시터를 포함하여 LC 공진회로로 구성되는 초고주파 MRI 시스템용 RF 코일에 있어서, 상기 캐패시터는 마이크로 스트립들로 구성된 적어도 두 개 이상의 핑거가 서로 일정한 갭을 갖고 대향하여 교차하여 배치되는 인터디지털 캐패시터(C)인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 인터디지털 캐패시터는, 기판과; 상기 기판의 상부에 적층되는 제1유전체층과; 상기 제1유전체층에 적층되는 금속 패턴층과; 상기 금속 패턴층의 상부에 적층되는 제2유전체층를 포함한다.

보다 바람직하게는, 상기 제1유전체층은 강유전체이고 바이어스 전압이 인가되어 공명주파수의 튜닝이 이루어진다.

본 발명에 따른 RF 코일은, 캐패시터를 포함하여 LC 공진회로로 구성되는 초고주파 MRI 시스템용 RF 코일에 있어서, 상기 캐패시터는 마이크로 스트립들로 구성된 적어도 두 개 이상의 핑거가 서로 일정한 갭을 갖고 대향하여 교차하여 배치되는 인터디지털 캐패시터를 포함하여 저용량의 캐패시턴스가 요구되는 고자기장의 MRI 시스템의 RF 코일로 적합하며, 또한 가변형의 인터디지털 캐패시터를 채용하여 하나의 RF 코일로 다양한 공진 주파수의 설정이 가능한 효과가 있다.

도 1은 일반적인 자기공명 영상용 RF 코일의 회로 구성도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 RF 코일의 구성도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 RF 코일의 가변형 인터디지털 캐패시터의 사시 구성도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 RF 코일의 공진 주파수 특성을 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 2는 본 발명의 실시예에 따른 RF 코일의 구성도이다.

도 2를 참고하면, 본 실시예의 RF 코일(100)은, 캐패시터(C)를 포함하여 LC 공진회로로 구성되는 초고주파 MRI 시스템용 RF 코일에 있어서, 캐패시터는 인터디지털 캐패시터(C)에 의해 제공되는 것을 특징으로 한다. 도면부호 101은 RF 코일의 RF 신호의 송수신단을 위한 RF 소스와 매칭 회로(matching circuit)이다.

인터디지털 캐패시터(C)는 RF 코일을 구성하게 되는 도체 스트립(110) 사이에 적어도 하나 이상이 연결되어 공진 주파수를 튜닝하기 위한 것으로, 마이크로 스트립들으로 구성된 적어도 두 개 이상의 핑거(120)가 서로 일정한 갭을 갖고 대향하여 교차하게 배치되는 구조를 갖는다. 이러한 인터디지털 캐패시터(C)는 핑거(120)의 길이, 폭과 갭(G)의 거리 등에 의해 특성(공진 주파수)이 결정될 수 있으며, 기판 상에 마운팅될 수 있다.

이러한 인터디지털 캐패시터(C)는 주지의 MEMS 공정을 통하여 ㎛ 단위로 콤팩트하게 제작이 가능하여 초고자장 MRI용 RF 코일에서 요구하는 공진주파수의 튜닝에 적합한 저용량의 캐패시턴스의 설계에 적합하다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 RF 코일의 가변형 인터디지털 캐패시터의 사시 구성도이다.

도 3을 참고하면, 본 실시예의 인터디지털 캐패시터(200)는 기판(210)과, 기판(210)의 상부에 적층되는 제1유전체층(220)과, 제1유전체층(220)에 적층되는 금속 패턴층(230)(240)과, 금속 패턴층(230)(240) 상부에 적층되는 제2유전체층(250)을 포함한다.

기판(210)은 절연성 소재에 의해 제공되며, 예를 들어, 실리콘, 게르마늄의 반도체 기판일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

제1유전체층(220)은 기판(210)의 상부에 적층되는 것으로, 바람직하게는, 금속 패턴층(230)(240)이 삽입 위치하도록 패턴 요홈이 형성되고, 금속 패턴층(230)(240)은 제1유전체층(220)의 배턴 요홈 내에 삽입된다. 제1유전체층(220)의 패턴 요홈의 깊이는 금속 패턴층(230)(240)의 두께와 동일하다.

금속 패턴층(230)(240)은 서로 나란하게 마련된 제1전극부(231) 및 제2전극부(241)와, 각 전극부(231)(241)에서 서로 교차하게 일정 갭을 갖고 나란하게 인터디지털(interdigital) 형태로 배치되는 핑거부(232)(242)를 포함한다. 이러한 금속 패턴층(230)(240)은 전기 전도성이 우수한 전도성 소재이면 족하고 특별히 한정되지 않는다. 핑거부(232)(242)의 길이, 폭과 두께와 함께 제1핑거부(232)와 제2핑거부(242) 사이의 갭은 공진 주파수를 결정하는 파라미터가 되며, 두 핑거부(232)(242) 사이의 거리가 짧아지면 캐패시턴스는 커진다.

제2유전체층(250)은 금속 패턴층(230)(240)를 덮도록 제1유전체층(220)의 상부에 적층되며, 바람직하게는, 제1전극부(231)와 제2전극부(241)의 일부가 바깥으로 노출되도록 제1유전체층(220)의 상부에 적층된다.

제1유전체층(220)과 제2유전체층(250)은 금속 패턴층(230)(240)의 상부와 하부에 각각 마련되어 금속 패턴층(230)(240)과 함께 인터디지털 캐패시터의 특성을 결정하게 되며, 특히 각 유전체층(220)(250)의 두께와 유전율은 공진 주파수에 영향을 준다. 바람직하게는, 제1유전체층(220)는 PZT, BST, Ta2O5, WO3 등과 같은 강유전체(ferroelectric)에 의해 제공된다. 이러한 강유전체의 제1유전체층(220)은 바이어스 전압(DC)이 인가되어 유전체의 변화에 의해 RF 코일의 공명주파수의 튜닝이 가능하다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 RF 코일의 공진 주파수 특성을 보여주는 도면으로, 이와 같이 구성된 본 발명의 RF 코일은 유전체층에 인가된 바이어스 전압(V1)(V2)(V3)에 따라서 유전체층의 유전율을 가변할 수 있으며, 따라서 바이어스 전압에 따라서 RF 코일의 다양한 공진 주파수(f1)(f2)(f3)의 설정이 이루어질 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 : RF 코일 200 : 인터디지털 캐패시터
210 : 기판 220 : 제1유전체층
230, 240 : 금속 패턴층 250 : 제2유전체층

Claims

캐패시터를 포함하여 LC 공진회로로 구성되는 초고주파 MRI 시스템용 RF 코일에 있어서,
상기 캐패시터는 마이크로 스트립들로 구성된 적어도 두 개 이상의 핑거(232)(242)가 서로 일정한 갭을 갖고 대향하여 교차하도록 배치되는 인터디지털 캐패시터(200)이며,
상기 인터디지털 캐패시터(200)는,
기판(210)과;
상기 기판(210)의 상부에 적층되는 제1유전체층(220)과;
상기 제1유전체층에 적층되는 금속 패턴층(230)(240)과;
상기 금속 패턴층(230)(240)의 일부가 바깥으로 노출되도록 상기 금속 패턴층(230)(240)의 상부에 적층되는 제2유전체층(250)를 포함하며,
상기 제1유전체층(220)은 상기 금속 패턴층(230)(240)이 삽입 위치하도록 패턴 요홈이 형성되고, 상기 금속 패턴층(230)(240)은 상기 제1유전체층(220)의 패턴 요홈 내에 삽입되며, 상기 제1유전체층(220)의 패턴 요홈의 깊이는 상기 금속 패턴층(230)(240)의 두께와 동일하며,
상기 제1유전체층(220)은 강유전체이고 바이어스 전압이 인가되어 공명주파수의 튜닝이 이루어짐을 특징으로 하는 초고주파 MRI 시스템용 RF 코일.
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