KR102487465B1

KR102487465B1 - 고주파 몸통 코일의 자장 균일도 및 효율 향상을 위한 타원형의 새장 몸통 형상을 갖는 자기공명영상 획득 장치

Info

Publication number: KR102487465B1
Application number: KR1020200165445A
Authority: KR
Inventors: 오창현; 수칫 쿠마; 윤준식; 김종민; 이은채
Original assignee: 고려대학교 세종산학협력단
Priority date: 2019-12-02
Filing date: 2020-12-01
Publication date: 2023-01-11
Also published as: KR20210068998A

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 자기공명영상 획득 장치는 가상의 타원기둥의 상면 및 저면에 해당하는 타원과 수직이고, 상기 가상의 타원기둥의 측면을 따라 서로 평행하도록 제공되는 타원기둥 형상의 자기공명영상 획득 장치에 있어서, 직선 형상 및 중심 영역에서 분리된 형상 중 어느 한 형상을 갖는 다리 코일을 포함하는 고주파 코일을 통해 고주파 자기장을 송수신하는 복수의 고주파 코일; 상기 고주파 코일의 표면 전류 분포를 조절하는 튜닝 커패시터; 및 상기 고주파 코일에 전압을 인가하는 동작 포트를 포함한다.

Description

고주파 몸통 코일의 자장 균일도 및 효율 향상을 위한 타원형의 새장 몸통 형상을 갖는 자기공명영상 획득 장치{APPARATUS FOR MAGNETIC RESONANCE IMAGING HAVING ELLIPTICAL BIRDCAGE SHAPE FOR IMPROVEMENT OF MAGNETIC FIELD UNIFORMITY AND EFFICIENCY IN WHOLE-BODY RF COIL}

본 발명은 자기공명영상시스템 내부에서 전반적인 고주파 코일의 성능을 향상시키고 원통형으로 허락된 공간 내에 인체를 감쌀 수 있는 최대 크기의 몸통 코일을 만들기 위한 타원형의 기둥 모양을 가진 코일 구조 선택과 그에 따른 구조 및 구동 방식에 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 자화 벡터(Magnetization Vector)에 대해 고주파 RF(Radiofrequency) 펄스를 인가하여 특정 핵종(수소 등)을 공명 시켜 수직평면으로 자화 벡터가 재정렬되면서 발생되는 자기공명 신호를 수신한 후 컴퓨터를 통해 재구성하여 영상화 하는 기술이다.

자기공명영상 획득 시스템은 일반적으로 인체와 같은 피험체에게 일정하고 균일한 주 자기장(B₀ 필드)하에서 고주파 자기장을 가하여 피험자의 자기공명영상을 얻는다. 인체 내에 존재하는 조직의 양성자와 중성자의 스핀은 핵자기모멘트를 갖는데 이 핵자기모멘트는 B₀ 필드 방향으로 정렬되어 평균자화(Net Magnetization, M)를 만들어낸다. 이러한 스핀은 B₀ 필드의 세기와 자기회전 비율(

)의 곱에 비례하는, 라모어 주파수(Larmor Frequency)로도 알려진 각 주파수(

)로 세차운동을 한다(

). 피험체로부터 고주파 신호를 여기시키고 감지하기 위해서는 스핀에서 자화의 방향이 회전 자계(B₁ 필드)에 의해 교란되어야 하며, 회전 자계는 자화의 방향에 수직이며 송신 및 수신 고주파 코일에 의해 라모어 주파수로 진동한다. 고주파 코일은 인체의 생물학적 조직에 존재하는 수소 혹은 타핵종 원자를 여기시키는데 사용된다.

자기공명영상시스템은 주로 병원에서 진단용으로 사용되며 강한 자기장을 얻기 위해 초전도 자석이 사용되는 바, 이 경우 자기장의 세기가 1.5 테슬라와 3.0 테슬라의 자기장의 세기에서 작동하는 시스템이 주를 이루고 몸통 고주파 코일이 초전도 자석 내부에 설치된다. 이 경우 몸통 고주파 코일은 주로 고역통과형 새장 코일이 많이 사용된다. 새장 고주파 코일은 일반적으로 원통형의 구조를 띠며 두 개의 원형 단락환과 그 사이에 특정 개수의 평행하고 일정한 간격을 가진 전도체 다리가 단락환을 상호 연결하고 있다. 일반적으로 새장 고주파 코일은 단락환이 원형이면서 다리가 360°를 일정한 간격을 가지며 배치되도록 설계되는데 이렇게 설계된 새장 고주파 코일의 다리와 바로 옆의 다리에 의해 만들어지는 폐회로는 사인함수를 따라서 변하는 전류 패턴을 형성하고 이것은 고주파 코일 내부에서 균일한 원편광(Circularly Polarized) 고주파 자장(B₁)을 생성한다.

타원형 몸통 새장 고주파 코일에서는 원통형 코일과 비교하여 대칭성이 무너져서 다리 사이의 거리 및 다리와 촬영대상 사이의 거리 변화로 인하여 고주파 코일의 성능이 저하된다. 또한 새장 고주파 코일과 그 바깥쪽에 설치된 고주파 쉴드까지의 거리가 각도에 따라 변화하여 코일의 튜닝과 매칭에 어려움이 생길 수 있다.

본 발명의 실시예는 코일의 중심 영역에서 분기된 형상을 갖는 고주파 코일 및 상기 고주파 코일에 각기 다른 크기와 위상을 갖는 전압을 인가할 수 있는 복수의 동작 포트를 제공함으로써 자기장의 균일도 및 효율을 향상시킬 수 있는 자기공명영상 획득 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가상의 타원기둥의 상면 및 저면에 해당하는 타원과 수직이고, 상기 가상의 타원기둥의 측면을 따라 서로 평행하도록 제공되는 타원기둥 형상의 자기공명영상 획득 장치에 있어서, 직선 형상 및 중심 영역에서 분리된 형상 중 어느 한 형상을 갖는 다리 코일을 포함하는 고주파 코일을 통해 고주파 자기장을 송수신하는 복수의 고주파 코일; 상기 고주파 코일의 표면 전류 분포를 조절하는 튜닝 커패시터; 및 상기 고주파 코일에 전압을 인가하는 동작 포트를 포함한다.

상기 고주파 코일은: 상기 타원의 둘레 방향을 따라 제공되는 한 쌍의 단부 코일; 및 상기 한 쌍의 단부 코일을 연결하는 다리 코일을 포함할 수 있다. 포함할 수 있다.

상기 고주파 코일은: 한 쌍의 제1 단부 코일과 직선 형상의 제1 다리 코일을 포함하는 제1 고주파 코일; 및 한 쌍의 제2 단부 코일과 중심 영역에서 기 설정된 개수로 분리된 형상의 제2 다리 코일을 포함하는 제2 고주파 코일을 포함할 수 있다.

상기 제2 다리 코일은: 상기 한 쌍의 제2 단부 코일과 인접한 영역은 직선 형상을 갖고; 상기 한 쌍의 제2 단부 코일 중 일측 단부 코일로부터 기 설정된 거리만큼 떨어진 영역에서 분리된 후, 상기 한 쌍의 제2 단부 코일 중 타측 단부 코일로부터 기 설정된 거리만큼 떨어진 영역에서 통합되는 기 설정된 개수의 분기 다리 코일을 포함할 수 있다.

상기 기 설정된 개수의 분기 다리 코일은 제1 분기 다리 코일 및 제2 분기 다리 코일을 포함하고, 제1 다리 코일과 제1 분기 다리 코일 간의 거리, 제1 분기 다리 코일과 제2 분기 다리 코일 간의 거리 및 제2 분기 다리 코일과 그 다음의 제1 다리 코일 간의 거리는 서로 동일할 수 있다.

상기 제1 고주파 코일은 제1 영역에 제공되고, 상기 제2 고주파 코일은 제2 영역에 제공되고, 상기 제1 영역은 상기 타원의 단축과 영역 분할선 사이의 영역이고, 상기 제2 영역은 상기 타원의 장축과 상기 영역 분할선 사이의 영역이고, 상기 영역 분할선은: 상기 타원의 중심과 상기 타원의 테두리 중 어느 한 점을 지나고; 상기 타원의 단축과 제1 각도를 이루고; 상기 타원의 장축과 제2 각도를 이룰 수 있다.

상기 제1 각도와 상기 제2 각도의 비는 3 대 1 내지 4 대 1일 수 있다.

상기 튜닝 커패시터는 각각의 단부 코일 사이에 제공될 수 있다.

상기 동작 포트는: 상기 타원의 단축 중 일측에 인접한 2개의 단부 코일과 연결되도록 제공되는 제1 동작 포트; 상기 타원의 장축 중 일측에 인접한 2개의 단부 코일과 연결되도록 제공되는 제2 동작 포트; 상기 타원의 단축 중 타측에 인접한 2개의 단부 코일과 연결되도록 제공되는 제3 동작 포트; 및 상기 타원의 장축 중 타측에 인접한 2개의 단부 코일과 연결되도록 제공되는 제4 동작 포트를 포함할 수 있다.

제2 동작 포트 및 제4 동작 포트에는 제1 동작 포트 및 제3 동작 포트에 인가되는 전압의 3배 크기의 전압이 인가될 수 있다.

제1 동작 포트와 제3 동작 포트에 인가되는 전압은 180°의 위상차를 갖고, 제2 동작 포트와 제4 동작 포트에 인가되는 전압은 180°의 위상차를 갖고, 제1 동작 포트와 제2 동작 포트에 인가되는 전압은 60°의 위상차를 갖고, 제3 동작 포트와 제4 동작 포트에 인가되는 전압은 60°의 위상차를 갖을 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 자기공명영상 획득 장치는 코일의 중심 영역에서 분기된 형상을 갖는 고주파 코일 및 상기 고주파 코일에 각기 다른 크기와 위상을 갖는 전압을 인가할 수 있는 복수의 동작 포트를 제공함으로써 자기장의 균일도 및 효율을 향상시킬 수 있다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 자기공명영상 획득 시스템(10)을 일측면에서 바라본 모습을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 자기공명영상 획득 장치를 세운 후 장축과 인접한 방향에서 바라본 모습을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 타원기둥 형상의 자기공명영상 획득 장치를 타원기둥의 상면 방향에서 바라본 모습을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3의 고주파 코일의 내측 영역인 관심 영역을 타원의 단축, 장축 및 영역 분할선을 통해 분할한 모습을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기공명영상 획득 장치의 전개도이다.
도 6은 자기공명영상 획득 장치의 전류흐름을 보여주는 수동소자들의(Lumped-element) 등가 회로도이다.
도 7은 자기공명영상 회득 장치에 포함된 그라운드 브레이커, 동축 케이블, 임피던스 매칭 회로 및 송수신 스위칭 회로를 개략적으로 나타낸 도면이다.

본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적인 사전들에 의해 정의된 용어들은 관련된 기술 그리고/혹은 본 출원의 본문에 의미하는 것과 동일한 의미를 갖는 것으로 해석될 수 있고, 그리고 여기서 명확하게 정의된 표현이 아니더라도 개념화되거나 혹은 과도하게 형식적으로 해석되지 않을 것이다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다' 및/또는 이 동사의 다양한 활용형들 예를 들어, '포함', '포함하는', '포함하고', '포함하며' 등은 언급된 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 본 명세서에서 '및/또는' 이라는 용어는 나열된 구성들 각각 또는 이들의 다양한 조합을 가리킨다.

이하, 본 명세서의 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 자기공명영상 획득 시스템(10)을 일측면에서 바라본 모습을 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 자기공명영상 획득 시스템(10)은 자기공명영상 획득을 위한 고주파 자기장(B₁ 자기장)을 송수신할 수 있는 자기공명영상 획득 장치(100), 일정하고 균일한 주 자기장(B₀ 필드)을 발생시키는 주자장 자석(200), 주 자기장에 경사자계를 인가함으로써 위치에 따라 서로 다른 세기의 자기장을 가지도록 하여 피험자의 위치를 파악하는 경사자계 코일(300), 주자장 자석(200)과 경사자계 코일(300) 사이의 커플링을 방지하는 고주파 쉴드(400) 및 자기공명영상을 획득하고자 하는 영역과 인접한 곳에 추가적으로 제공될 수 있는 추가 고주파 코일(500)을 포함할 수 있다. 이때, 주자장 자석(200), 경사자계 코일(300) 및 고주파 쉴드(400)는 원기둥 형상으로 제공될 수 있다.

일반적으로 3.0 테슬라 혹은 더 낮은 자기장 세기에서 자기공명영상 획득 시스템(10)은 대상 용적에 균일한 B₁ 필드를 만들어 내기 위한 고주파 펄스를 송신하는 몸통 송신 고주파 코일로 구성되어 있다. 이러한 고주파 코일은 높은 B₁ 필드 균일도와 더불어 높은 송신 효율을 가져야 하며 전자파흡수율(SAR)이 FDA(또는 KFDA)에서 정하는 전자파흡수율 지침보다 낮아야 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 자기공명영상 획득 장치(100)는 고주파 코일(1000)을 포함하며 고주파 코일(1000) 내측 영역인 관심 영역에서의 자기공명영상을 획득한다.

자기공명영상 획득 장치(100)는 고주파 쉴드(400) 내에 제공되며 타원기둥 형상으로 제공될 수 있으며, 이를 일측에서 바라볼 경우 도 1과 같이 도시됨은 자명할 것이다. 사용자는 자기공명영상을 획득하고자 하는 대상을 자기공명영상 획득 장치(100)의 내측 영역에 위치시킨 후 자기공명영상을 획득하게 된다.

추가 고주파 코일(500)은 자기공명영상을 획득하고자 하는 영역과 인접한 곳에 제공될 수 있다. 예를 들어, 자기공명영상 획득 장치(100)에 포함된 고주파 코일을 통해 고주파 자기장을 송신하고, 추가 고주파 코일(500)을 통해 이를 수신함으로써 자기공명영상을 획득할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기공명영상 획득 장치(100)를 세운 후 장축과 인접한 방향에서 바라본 모습을 개략적으로 나타낸 사시도이다.

도 2를 참조하면, 자기공명영상 획득 장치(100)는 고주파 코일(1000), 튜닝 커패시터(2000) 및 동작 포트(3000)를 포함한다.

고주파 코일(1000)은 고주파 자기장을 송신, 수신 또는 송수신하는데 이용된다. 고주파 코일(1000)이 고주파 자기장을 송신할 때를 송신 모드, 수신할 때를 수신 모드, 송수신 할 때를 송수신 모드라고 부르는데, 차후 개시될 스위칭 회로에 의해 각 모드 간 변경이 가능하다.

고주파 코일(1000)은 가상의 타원기둥(30)의 상면(31) 및 저면(32)과 수직이고 가상의 타원기둥의 측면(33)을 따라 서로 평행하도록 제공된다. 각각의 고주파 코일(1000)은 단부 코일(1110, 1210) 및 다리 코일(1120, 1220)을 포함한다. 단부 코일(1110, 1210)은 가상의 타원기둥(30)의 상면(31) 및 저면(32)의 둘레 방향을 따라 고주파 코일(1000)의 양단에 한 쌍으로 제공된다. 다리 코일(1120, 1220)은 이러한 한 쌍의 단부 코일(1110, 1210)을 서로 연결하도록 제공된다.

고주파 코일(1000)은 제1 고주파 코일(1100) 및 제2 고주파 코일(1200)을 포함한다. 제1 고주파 코일(1100)은 제1 단부 코일(1110) 및 제1 다리 코일(1120)을 포함하고, 제2 고주파 코일(1200)은 제2 단부 코일(1210) 및 제2 다리 코일(1220)을 포함한다.

제1 단부 코일(1110)과 제2 단부 코일(1210)은 가상의 타원기둥(30)의 상면(31) 및 저면(32)을 이루는 타원의 둘레 방향을 따라 제공된다. 다만, 도시된 바와 같이 제1 단부 코일(1110) 각각의 타원의 둘레 방향 길이에 비해 제2 단부 코일(1210) 각각의 타원의 둘레 방향 길이가 보다 길게 제공될 수 있다.

제1 다리 코일(1120)은 한 쌍의 제1 단부 코일(1110)을 서로 연결하는 직선 형상으로 제공된다.

제2 다리 코일(1220)은 다리 코일의 중심 영역에서 기 설정된 개수로 분리된 형상으로 제공된다. 제2 다리 코일(1220)의 형상에 대해 보다 자세히 살펴보면, 제2 다리 코일(1220)은 각각의 제2 단부 코일(1210)과 인접한 영역에서는 직선 형상을 갖는 반면, 다리 코일의 중심 영역에서는 기 설정된 개수로 분리된 형상을 갖는다. 즉, 한 쌍의 제2 단부 코일(1210) 중 일측 단부 코일로부터 기 설정된 거리만큼 떨어진 영역에서 분리된 후, 한 쌍의 제2 단부 코일(1210) 중 타측 단부 코일로부터 기 설정된 거리만큼 떨어진 영역에서 통합되는 기 설정된 개수의 분기 다리 코일을 포함한다.

예를 들어, 제2 다리 코일(1220)에서의 기 설정된 개수의 분기 다리 코일은 제1 분기 다리 코일(1221) 및 제2 분기 다리 코일(1222)을 포함하는 2개의 분기 다리 코일로 제공될 수 있다. 즉, 도 2의 제2 다리 코일(1220)의 경우 2개의 분기 다리 코일(1221, 1222)을 포함하도록 도시되어 있으나, 분기 다리 코일의 개수는 사용자의 선택에 따라 3개 이상으로 제공되는 것 역시 가능하다.

정리하면 제1 고주파 코일(1100)과 제2 고주파 코일(1200)은 다리 코일의 형상에 따라 구분될 수 있으며, 직선 형상의 제1 다리 코일(1120)을 포함하는 고주파 코일을 제1 고주파 코일(1100)이라고 하며, 복수의 분기 다리 코일을 갖는 제2 다리 코일(1220)을 포함하는 고주파 코일을 제2 고주파 코일(1200)이라고 한다.

각각의 단부 코일(1110, 1210) 사이에는 튜닝 커패시터(2000)가 제공된다. 이를 통해 고주파 통과형 코일로 작동될 수 있다. 이와 더불어 자기공명영상 획득 장치(100)의 형상은 같게 유지한체 저주파 통과형 코일로도 활용할 수 있다. 튜닝 커패시터(2000)의 커패시턴스 값은 고주파 코일(1000)의 표면에서의 최적의 표면 전류 분포를 갖도록 조절된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 타원기둥 형상의 자기공명영상 획득 장치(100)를 타원기둥의 상면(31) 방향에서 바라본 모습을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 타원기둥의 상면(31) 및 하면(32)을 이루는 타원은 단축(23) 및 장축(24)을 통해 4개의 사분면으로 분할될 수 있다. 이때 각각의 사분면은 단축(23) 및 장축(24)을 기준으로 서로 대칭이므로 이하에서는 4개의 사분면 중 제1 사분면을 기준으로 기술하도록 한다.

상술한 바와 같이 고주파 코일(1000)은 제1 다리 코일(1120)을 갖는 제1 고주파 코일(1100)과 제2 다리 코일(1220)을 갖는 제2 고주파 코일(1200)을 포함한다.

자기공명영상 획득 장치(100)는 기 설정된 개수의 제1 고주파 코일(1100)과 기 설정된 개수의 제2 고주파 코일(1200)을 포함한다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이 제1 고주파 코일(1100)은 각 사분면에 3개씩 총 12개로 제공될 수 있으며, 제2 고주파 코일(1200)은 각 사분면에 1개씩 총 4개로 제공될 수 있다. 다만, 제1 고주파 코일(1100)과 제2 고주파 코일(1200)의 개수는 사용자의 선택에 따라 그 개수 조절이 가능함은 자명하다.

제1 고주파 코일(1100)은 타원의 단축(23)과 인접하도록 제공되고, 제2 고주파 코일(1200)은 타원의 장축(24)과 인접하도록 제공된다. 예를 들어, 각 사분면에 3개의 제1 고주파 코일(1100)과 1개의 제2 고주파 코일(1200)이 제공될 경우, 3개의 제1 고주파 코일(1100)은 모두 단축(23)과 인접하도록 제공되고, 1개의 제2 고주파 코일(1200)은 장축(24)과 인접하도록 제공될 수 있다.

타원의 장축(24)과 인접하도록 제공되는 제2 고주파 코일(1200)은 장축(24)과 인접한 영역에서의 B₁자기장의 불균일성을 해소한다. 타원의 단축(23) 방향에 제공되는 고주파 코일(1000)의 경우 고주파 쉴드(400)와의 거리가 보장되지만, 타원의 장축(24) 방향에 제공되는 고주파 코일(1000)의 경우 고주파 쉴드(400)와의 거리가 가까움으로 인해 불균일한 자기장이 발생될 수 있다. 복수의 분기 다리 코일을 포함하는 제2 고주파 코일(1200)의 경우, 각각의 분기 다리 코일에서 B₁자기장을 발생시킴으로써 이러한 자기장의 불균일성을 감소시킬 수 있다.

동작 포트(3000)는 고주파 코일에 전압을 인가한다. 이때 동작 포트(3000)는 타원의 둘레를 따라 총 4개의 동작 포트가 제공될 수 있다.

자기공명영상 획득 시스템(10)의 고주파 코일(1000) 설계 시에는 몇 가지 문제점이 존재한다. 첫번째는 고주파 코일(1000)이 서로 가까이 위치하는 경우 튜닝 커패시터(2000)에 의한 커패시턴스 오차가 발생하게 되어 고주파 코일의 튜닝과 매칭이 매우 어려워지고 그로 인해 고주파 코일(1000)의 성능이 감소된다는 점이다. 두번째는 직교 모드(Quadrature Mode)를 위해 진폭은 같되 90°의 위상 차이를 갖는 두 개의 포트로 동작 시킬 경우 대칭성이 깨져서 왜곡된 자장이 생성된다는 점이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 자기공명영상 획득 장치(100)는 이러한 문제점을 해결하기 위해 제1 동작 포트(3100) 내지 제4 동작 포트(3400)의 4개의 동작 포트(3000)를 제공한다.

제1 동작 포트(3100)는 타원의 둘레와 타원의 단축(23)의 상단이 맞닿는 영역에서, 타원의 단축(23)의 상단에 가장 인접한 2개의 제1 단부 코일(1110)과 연결되도록 제공될 수 있다. 제2 동작 포트(3200)는 타원의 둘레와 타원의 장축(24)의 우측 끝단이 맞닿는 영역에서, 타원의 장축(24)의 우측 끝단에 가장 인접한 2개의 제2 단부 코일(1210)과 연결되도록 제공될 수 있다. 제3 동작 포트(3300)는 타원의 둘레와 타원의 단축(23)의 하단이 맞닿는 영역에서, 타원의 단축(23)의 하단에 가장 인접한 2개의 제1 단부 코일(1110)과 연결되도록 제공될 수 있다. 제4 동작 포트(3400)는 타원의 둘레와 타원의 장축(24)의 좌측 끝단이 맞닿는 영역에서, 타원의 장축(24)의 좌측 끝단에 가장 인접한 2개의 제2 단부 코일(1210)과 연결되도록 제공될 수 있다.

2개의 동작 포트만을 사용하는 일 예에 따르면, 제1 동작 포트(3100) 및 제3 동작 포트(3300) 중 어느 하나와 제2 동작 포트(3200) 및 제4 동작 포트(3400) 중 어느 하나를 골라 총 2개의 동작 포트를 통해 서로 다른 크기와 위상을 갖는 전압을 고주파 코일(1000)에 인가할 수 있다.

또한, 4개의 동작 포트를 모드 사용하는 일 예에 따르면, 제2 동작 포트(3200) 및 제4 동작 포트(3400)에는 제1 동작 포트(3100) 및 제3 동작 포트(3300)에 인가되는 전압의 3배 크기의 전압이 인가될 수 있다. 또한, 제1 동작 포트(3100)와 제3 동작 포트(3300)에 인가되는 전압은 180°의 위상차를 갖고, 제2 동작 포트(3200)와 제4 동작 포트(3400)에 인가되는 전압은 180°의 위상차를 갖고, 제1 동작 포트(3100)와 제2 동작 포트(3200)에 인가되는 전압은 60°의 위상차를 갖고, 제3 동작 포트(3300)와 제4 동작 포트(3400)에 인가되는 전압은 60°의 위상차를 갖도록 인가될 수 있다.

예를 들면, 제1 동작 포트(3100)에는 V[V]의 크기와 α[°]의 위상을 갖는 전압이 인가되고, 제2 동작 포트(3200)에는 3V[V]의 크기와 α+60[°]의 위상을 갖는 전압이 인가되고, 제3 동작 포트(3300)에는 V[V]의 크기와 α+180[°]의 위상을 갖는 전압이 인가되고, 제4 동작 포트(3400)에는 3V[V]의 크기와 α+240[°]의 위상을 갖는 전압이 인가될 수 있다.

단, 각각의 동작 포트(3000)에서의 전압 크기와 이들 간의 위상차는 실제 자기공명영상 촬영 시 조절이 가능하며, 전기적으로는 고주파 감쇠기와 위상 조절기로 구현될 수 있다.

즉, 상기 4개의 동작 포트(3000)를 통해 타원형 고주파 코일(1000)에서 균일한 B₁ 자기장 필드를 생성한다.

도 4는 도 3의 고주파 코일(1000)의 내측 영역인 관심 영역(20)을 타원의 단축(23), 장축(24) 및 영역 분할선(25)을 통해 분할한 모습을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 고주파 코일(1000)의 내측 영역인 관심 영역(20)은 타원의 단축(23) 및 장축(24)을 통해 4개의 사분면으로 분할될 수 있다. 그 중 제1 사분면은 영역 분할선(25)을 통해 분할된 제1 영역(21)과 제2 영역(22)을 포함한다. 다시 말해, 제1 영역(21)은 타원의 둘레, 단축(23) 및 영역 분할선(25)으로 둘러싸인 영역을 말하며, 제2 영역(22)은 타원의 둘레, 장축(24) 및 영역 분할선(25)으로 둘러싸인 영역을 말한다.

단축(23)과 인접하도록 제공되는 제1 고주파 코일(1100)은 제1 영역(21) 내에 제공되고, 단축(24)과 인접하도록 제공되는 제2 고주파 코일(1200)은 제2 영역(22) 내에 제공된다.

제1 영역(21)에 있어서 단축(23)과 영역 분할선(25) 사이의 각도를 제1 각도(26)라고 하며, 제2 영역(22)에 있어서 장축(24)과 영역 분할선(25) 사이의 각도를 제2 각도(27)라고 한다.

일 실시예에 따르면, 제1 각도(26)와 제2 각도(27) 간의 비율은 3 대 1 내지 4 대 1을 갖으며, 바람직하게는 3.5 대 1의 비율을 갖는다. 다만, 이 때의 비율은 고주파 코일(1000)의 성능 향상을 위해 조정이 가능하다.

또한, 제1 영역(21)에는 도시된 바와 같이 3개의 제1 고주파 코일(1100)이 제공될 수 있는데, 이때 단축(23)과 제1 고주파 코일(1100) 간의 각도, 각각의 제1 고주파 코일(1100) 간의 각도 및 제1 고주파 코일(1100)과 영역 분할선(25) 간의 각도는 등각으로 제공될 수 있다. 다만 사용자의 선택에 따라 이들 간의 각도는 등각이 아닌 서로 다른 각도로 제공되는 것 역시 가능하다.

도 4에 도시된 제1 사분면에 있어서의 제1 영역(21) 및 제2 영역(22) 간의 비율과 이에 포함된 제1 고주파 코일(1100) 및 제2 고주파 코일(1200)의 개수에 관한 정보는 단축(23) 및 장축(24)을 기준으로 대칭을 이룸으로써 제2, 3 및 4 사분면에 공통적으로 적용될 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기공명영상 획득 장치(100)의 전개도이다.

도 5를 참조하면, 일 실시예에 따르면 제1 다리 코일(1120)과 제1 분기 다리 코일(1221) 간의 거리, 제1 분기 다리 코일(1221)과 제2 분기 다리 코일(1222) 간의 거리 및 제2 분기 다리 코일(1222)과 그 다음 제1 다리 코일 간의 거리는 서로 동일하게 제공될 수 있다. 다만 사용자의 선택에 따라 이들 간의 거리는 동일 거리가 아닌 서로 다른 거리로 제공되는 것 역시 가능하다.

튜닝 커패시터(2000)는 각각의 단부 코일 사이에 제공된다. 이때 단부 코일은 제1 단부 코일(1110) 및 제2 단부 코일(1210)을 포함한다. 튜닝 커패시터(2000)는 원하는 주파수에서 고주파 코일(1000)의 공명을 얻기 위해 커패시턴스의 조절이 가능하도록 제공된다. 즉, 튜닝 커패시터(2000)의 커패시턴스 값은 각각의 고주파 코일(1000)에서 최적의 표면 전류 분포를 가질 수 있도록 제공된다.

도 6은 자기공명영상 획득 장치(100)의 전류흐름을 보여주는 수동소자들의(Lumped-element) 등가 회로도이다.

도 6을 참조하면, 각각의 전류 성분은 아래 식과 같이 표현될 수 있다.

이때,

은 타원의 장축(24)으로부터의 각도를 말한다. 즉, 각각의 고주파 코일(1000)에 흐르는 전류 성분은 고주파 코일(1000)의 배치 각도에 영향을 받는다. 도 4에서 상술한 바와 같이 제1 각도(26)와 제2 각도(27) 간의 비율은 3 대 1 내지 4 대 1을 갖으며, 바람직하게는 3.5 대 1의 비율을 갖는데,

은 이러한 조건에 맞춰 사용자의 선택에 따라 적절히 조절될 수 있다.

도 7은 자기공명영상 회득 장치(100)에 포함된 그라운드 브레이커(4000), 동축 케이블(5000), 임피던스 매칭 회로(6000) 및 송수신 스위칭 회로(7000)를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 7을 참조하면, 각각의 동작 포트(3000)는 그라운드 브레이커(4000)를 통해 동축 케이블(5000)에 연결된다. 동축 케이블(5000)은 임피던스 매칭 회로(6000) 및 송수신 스위칭 회로(7000)를 통해 송신용 포트 또는 수신용 포트에 연결된다.

본 발명의 자기공명영상 획득 장치(1000)는 송수신 스위칭 회로(7000)를 통해 고주파 송신 및 수신 동작으로 구분하여 동작이 가능하다. 그라운드 브레이커(4000), 동축 케이블(5000) 및 임피던스 매칭 회로(6000)에 관한 구성 및 그 효과는 본 발명의 기술 분야에서 공지된 구성부에 해당하므로 자세한 설명은 생략한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 자기공명영상 획득 장치(100)는 자기공명영상을 획득하고자 하는 부분이 수용될 수 있는 관심 영역(20)을 최대한 넓히고 자기공명영상의 신호 대 잡음비(Signal to Noise Ratio, SNR)와 자기장의 균일도를 향상시키기 위한 타원형의 새장 몸통 형상을 갖는 고주파 코일을 제공한다. 이를 위해 상기 각 고주파 코일(1000)의 구조와 배치, 튜닝 커패시터(2000)를 통한 커패시턴스 조절 및 각 동작 포트(3000)를 통한 서로 다른 크기와 위상을 갖는 입력 전압을 제공한다.

이상에서 실시예를 통해 본 발명을 설명하였으나, 위 실시예는 단지 본 발명의 사상을 설명하기 위한 것으로 이에 한정되지 않는다. 통상의 기술자는 전술한 실시예에 다양한 변형이 가해질 수 있음을 이해할 것이다. 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위의 해석을 통해서만 정해진다.

10: 자기공명영상 획득 시스템
20: 관심 영역
21: 제1 영역
22: 제2 영역
23: 단축
24: 장축
25: 영역 분할선
26: 제1 각도
27: 제2 각도
30: 가상의 타원기둥
31: 가상의 타원기둥의 상면
32: 가상의 타원기둥의 하면
33: 가상의 타원기둥의 측면
100: 자기공명영상 획득 장치
200: 주자장 자석
300: 경사자계 코일
400: 고주파 쉴드
500: 추가 고주파 코일
1000: 고주파 코일
1100: 제1 고주파 코일
1110: 제1 단부 코일
1120: 제1 다리 코일
1200: 제2 고주파 코일
1210: 제2 단부 코일
1220: 제2 다리 코일
1221: 제1 분기 다리 코일
1222: 제2 분기 다리 코일
2000: 튜닝 커패시터
3000: 동작 포트
3100: 제1 동작 포트
3200: 제2 동작 포트
3300: 제3 동작 포트
3400: 제4 동작 포트
4000: 그라운드 브레이커
5000: 동축 케이블
6000: 임피던스 매칭 회로
7000: 송수신 스위칭 회로

Claims

가상의 타원기둥의 상면 및 저면에 해당하는 타원과 수직하게 상기 가상의 타원기둥의 측면을 따라 복수로 제공되며, 상기 타원과 수직한 방향에서 바라봤을 때 상기 타원의 장축, 단축 및 원점에 대하여 대칭인 구조로 제공되는 타원기둥 형상의 자기공명영상 획득 장치에 있어서,
한 쌍의 제1 단부 코일과 직선 형상을 갖는 제1 다리 코일을 포함하며, 상기 타원의 단축과 영역 분할선 사이의 영역인 제1 영역과 상기 제1 영역이 상기 타원의 장축, 단축 및 원점에 대하여 대칭인 영역에 제공되는 제1 고주파 코일;
한 쌍의 제2 단부 코일과 중심 영역에서 기 설정된 개수로 분리된 형상을 갖는 제2 다리 코일을 포함하며, 상기 타원의 장축과 영역 분할선 사이의 영역인 제2 영역과 상기 제2 영역이 상기 타원의 장축, 단축 및 원점에 대하여 대칭인 영역에 제공되는 제2 고주파 코일;
상기 제1 및 제2 고주파 코일의 표면 전류 분포를 조절하는 튜닝 커패시터; 및
상기 제1 및 제2 고주파 코일에 각기 다른 크기와 위상을 갖는 전압을 인가하는 동작 포트를 포함하고,
상기 동작 포트는:
상기 타원의 단축 중 일측에 인접한 2개의 제1 단부 코일에 전압을 인가하도록 구성되는 제1 동작 포트, 상기 타원의 장축 중 일측에 인접한 2개의 제2 단부 코일에 전압을 인가하도록 구성되는 제2 동작 포트, 상기 타원의 단축 중 타측에 인접한 2개의 제1 단부 코일에 전압을 인가하도록 구성되는 제3 동작 포트 및 상기 타원의 장축 중 타측에 인접한 2개의 제2 단부 코일에 전압을 인가하도록 구성되는 제4 동작 포트를 포함하고,
상기 타원의 중심과 상기 타원의 테두리 중 어느 한 점을 지나는 영역 분할선은 상기 타원의 단축과는 제1 각도를 이루고, 상기 타원의 장축과는 제2 각도를 이루며, 상기 제1 각도와 상기 제2 각도의 비는 3 대 1 내지 4 대 1인, 자기공명영상 획득 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 고주파 코일은:
상기 가상의 타원기둥의 상면 및 저면의 둘레에, 둘레 방향을 따라 각각 제공되는 한 쌍의 단부 코일; 및
상기 한 쌍의 단부 코일을 연결하는 다리 코일을 포함하는 자기공명영상 획득 장치.
삭제
제2항에 있어서,
상기 제2 다리 코일은:
상기 한 쌍의 제2 단부 코일과 인접한 영역은 직선 형상을 갖고;
상기 한 쌍의 제2 단부 코일 중 일측 단부 코일로부터 기 설정된 거리만큼 떨어진 영역에서 분리된 후, 상기 한 쌍의 제2 단부 코일 중 타측 단부 코일로부터 기 설정된 거리만큼 떨어진 영역에서 통합되는 기 설정된 개수의 분기 다리 코일을 포함하는 자기공명영상 획득 장치.
제4항에 있어서,
상기 기 설정된 개수의 분기 다리 코일은 제1 분기 다리 코일 및 제2 분기 다리 코일을 포함하고,
제1 다리 코일과 제1 분기 다리 코일 간의 거리, 제1 분기 다리 코일과 제2 분기 다리 코일 간의 거리 및 제2 분기 다리 코일과 그 다음의 제1 다리 코일 간의 거리는 서로 동일할 수 있는 자기공명영상 획득 장치.
삭제
삭제
제5 항에 있어서,
상기 튜닝 커패시터는 상기 가상의 타원기둥의 상면 또는 저면에 해당하는 각각의 타원의 둘레 방향을 따라 서로 인접한 제1 단부 코일들 사이, 제2 단부 코일들 사이, 그리고 제1 단부 코일과 제2 단부 코일 사이에 제공되는 자기공명영상 획득 장치.
삭제
제8항에 있어서,
제2 동작 포트 및 제4 동작 포트에는 제1 동작 포트 및 제3 동작 포트에 인가되는 전압의 3배 크기의 전압이 인가되는 자기공명영상 획득 장치.
제10항에 있어서,
제1 동작 포트와 제3 동작 포트에 인가되는 전압은 180°의 위상차를 갖고,
제2 동작 포트와 제4 동작 포트에 인가되는 전압은 180°의 위상차를 갖고,
제1 동작 포트와 제2 동작 포트에 인가되는 전압은 60°의 위상차를 갖고,
제3 동작 포트와 제4 동작 포트에 인가되는 전압은 60°의 위상차를 갖는 자기공명영상 획득 장치.