KR102538756B1 - 동작 주파수의 조절을 위한 유도성 튜닝 회로 구현과 관심 영역에 따라 자유로운 길이 조절이 가능한 탑햇 다이폴 안테나를 사용한 자기공명영상촬영 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 자기공명영상 신호 획득 장치는 영상 영역에 따라 길이 조절이 가능하며 동작 주파수 조절이 가능하도록 구성되는 복수의 탑햇(Top-hat) 다이폴 안테나; 및 상기 동작 주파수를 조절하도록 구성되는 안테나 회로 모듈을 포함하고, 상기 탑햇 다이폴 안테나는: 이격된 상태로 선형으로 배치되도록 구성되는 한 쌍의 안테나 다리부; 및 커패시턴스 증가를 통해 상기 안테나 다리부 말단에서의 전류를 증가시키기 위해 상기 안테나 다리부의 양측 말단에 제공되도록 구성되는 한 쌍의 탑햇부를 포함한다.
Description
본 발명은 동작 주파수의 조절을 위한 유도성 튜닝 회로의 구현과 영상이 필요한 영역에 따라 자유로운 길이 조절이 가능한 탑햇 다이폴 안테나를 제안하고 이를 사용한 자기공명영상촬영 방법 및 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 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 영상화하는 기술이다.
일반적으로 자화 벡터를 공명시키기 위한 펄스의 송신과 그로 인해 발생된 자기공명 신호의 수신은 고주파 코일에 의해 이루어진다. 이때 고주파 코일은 자화 벡터를 공명 시키기 위한 고주파 신호를 송신(고주파 송신 모드)하는 고주파 송신기 코일, 자기공명 신호를 수신(고주파 수신 모드)하는 고주파 수신기 코일 및 고주파 송신 모드와 고주파 수신 모드가 같이 수행될 수 있는 고주파 송수신기 코일로 구분될 수 있다. 또한, 이러한 고주파 코일 바깥에는 공간 정보를 위한 경사자계 코일(Gradient Coil)이 제공된다.
MRI 장치에 사용되는 정자기장의 크기는 0.3에서 1.5, 3.0, 7.0 테슬라까지 임상용으로 사용되고 있으며 최근에는 9.4 테슬라 및 11.7 테슬라와 같은 초고자기장 MRI (UHF-MRI) 장치도 개발되고 있다. 이와 같은 강한 자기장은 더 높은 신호 대 잡음 비(Signal to Noise Ratio, SNR)와 200 마이크로미터(μm) 이상의 높은 공간 분해능을 갖는다.
이러한 상용 MRI는 MRI 장치의 원통 내부에 통합된 몸통 고주파 코일을 사용한다. 그러나 몸통 고주파 코일은 3.0 테슬라 또는 7.0 테슬라 이상의 자기장에서 몸통 고주파 코일에 의해 생성된 불균일한 B1 자기장으로 인해 불균일한 값을 가진 자기공명영상이 얻어지게 되기 때문에 MRI 촬영에 어려움이 있다.
자기공명영상 획득에 사용되는 고주파 코일은 다이폴 안테나 형태 또는 루프 형태로 제공된다. 과거에는 루프 형태의 코일이 주로 사용되고 있었으나, 루프 형태 코일의 경우 초고자장에서 코일이 만들어내는 자기장(B1)의 균질도가 일정하지 않은 문제점을 가지고 있어, 최근에는 초고자장에서 일정한 자기장의 균질도를 가지는 다이폴 안테나의 사용 빈도수가 증가하고 있다.
또한, MRI 영상에 사용된 기존의 다이폴 안테나 배열은 영상 부위 내 B1 필드의 균일도가 낮은데, 그 이유 중의 하나는 정현파(Sine Wave)의 형태를 띄는 다이폴 안테나의 표면 전류 때문이다. 즉, 다이폴 안테나 다리의 끝에서 낮은 전류가 흐르고 중심에서는 더 높은 전류가 흐르는 전류 분포 불균일성의 문제점이 있다.
이를 극복하기 위해 여러 개의 고주파 코일에 그 진폭(Amplitude)과 위상(Phase)을 서로 다르게 조합하여 인가함으로써 자장분포를 더 균일하게 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예는 동작 주파수 조절이 가능함과 동시에 영상을 획득하고자 하는 영역 내에 일정한 균질도를 갖는 자기장을 발생시킬 수 있는 자기공명영상 신호 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 자기공명영상 신호 획득 장치는 영상 영역에 따라 길이 조절이 가능하며 동작 주파수 조절이 가능하도록 구성되는 복수의 탑햇(Top-hat) 다이폴 안테나; 및 상기 동작 주파수를 조절하도록 구성되는 안테나 회로 모듈을 포함하고, 상기 탑햇 다이폴 안테나는: 이격된 상태로 선형으로 배치되도록 구성되는 한 쌍의 안테나 다리부; 및 커패시턴스 증가를 통해 상기 안테나 다리부 말단에서의 전류를 증가시키기 위해 상기 안테나 다리부의 양측 말단에 제공되도록 구성되는 한 쌍의 탑햇부를 포함한다.
상기 탑햇부는 커패시턴스 증가를 통한 상기 안테나 다리부 말단에서의 전류 증가를 위해 상기 안테나 다리부와 맞닿는 부분을 기준으로 내측으로 접철될 수 있다.
상기 안테나 회로 모듈은 상기 탑햇 다이폴 안테나의 동작 주파수를 감소시키고, 임피던스 매칭을 수행하는 튜닝 회로부를 포함할 수 있다.
상기 튜닝 회로부는: 상기 탑햇 다이폴 안테나와 직렬 연결되어 상기 튜닝 회로부의 인덕턴스를 증가시키는 튜닝 인덕터; 및 인덕턴스와 커패시턴스 조절을 통해 상기 동작 주파수에 따른 임피던스 매칭을 수행하는 임피던스 매칭 인덕터와 임피던스 매칭 커패시터를 포함할 수 있다.
상기 탑햇 다이폴 안테나가 송신 모드, 수신 모드 및 송수신 모드 중 어느 하나로 동작할 수 있도록 하는 송수신 스위칭 회로를 더 포함할 수 있다.
각각의 상기 탑햇 다이폴 안테나마다 서로 다른 안테나 회로 모듈을 연결하고; 상기 서로 다른 안테나 회로 모듈에 의해 각각의 상기 탑햇 다이폴 안테나에 진폭과 위상이 서로 다른 전류가 흐르도록 구성될 수 있다.
상기 각각의 안테나 다리부는: 복수의 안테나 다리 절편; 및 각각의 상기 안테나 다리 절편 사이에 제공되어 상기 동작 주파수를 증가시키는 안테나 다리 커패시터를 포함할 수 있다.
상기 복수의 탑햇 다이폴 안테나의 일단부에 인접하고 상기 안테나 다리부에 수직한 방향으로 제공되는 거울판 모듈을 포함할 수 있다.
상기 거울판 모듈은: 적층 구조로 제공되는 복수의 거울판; 및 각각의 거울판 사이에 제공되는 유전층을 포함할 수 있다.
상기 거울판은: 제1 거울판; 및 상기 제1 거울판의 상부 또는 하부에 적층되는 제2 거울판을 포함하고, 상기 거울판 각각은 격자 형상의 수 개의 조각을 포함할 수 있다.
상기 제1 거울판과 상기 제2 거울판은 상기 제1 거울판에 포함된 조각과 상기 제2 거울판에 포함된 조각이 서로 어긋나도록 적층될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 자기공명영상 신호 획득 장치는 동작 주파수 조절이 가능함과 동시에 영상을 획득하고자 하는 영역 내에 일정한 균질도를 갖는 자기장을 발생시킬 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 본 발명의 일 실시예에 따른 자기공명영상 신호 획득 장치(10)를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 기존 다이폴 안테나의 구조와 안테나의 다리 내의 위치에 따른 전류 분포 밀도를 나타낸 도면이다. 도 2에 도시된 그래프는 길이 방향의 전류 분포를 나타낸다. 이 경우는 안테나의 길이를 길게 하여 영상 영역의 길이를 충분히 확보한 경우이다.
도 3은 기존 다이폴 안테나의 구조에 한 쌍의 탑햇부(120)를 추가한 탑햇 다이폴 안테나(100)의 구조와 안테나의 다리 내의 위치에 따른 전류 분포 밀도를 나타낸 도면이다. 도 3에 도시된 그래프는 길이 방향의 전류 분로를 나타낸다. 이 경우는 안테나의 길이는 짧지만 탑햇을 사용하여 영상 영역의 길이를 충분히 길게 조절한 경우이다.
도 4는 탑햇 다이폴 안테나(100)의 안테나 다리부(110)를 복수의 안테나 다리 절편(111)으로 나눈 후 각각의 안테나 다리 절편(111) 사이에 안테나 다리 커패시터(130)를 추가한 구조와 안테나의 다리 내의 위치에 따른 전류 분포 밀도를 나타낸 도면이다. 도 4에 도시된 그래프는 길이 방향의 전류 분포를 나타낸다. 이 경우는 주파수가 높아지면서 다이폴 안테나의 길이가 과도하게 짧아지는 것을 직렬 커패시터를 추가하여 방지함으로써 영상 영역의 길이를 충분하게 확보하였다.
도 5는 탑햇 다이폴 안테나(100)의 탑햇부(120)에 적용될 수 있는 다양한 형상을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는 도 5의 각각의 탑햇부(120)의 형상에 따른 탑햇 다이폴 안테나(100)내 영상영역 중심에서 길이방향 위치에 따른 자장의 크기변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 회로 모듈(200)을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 안테나 회로 모듈(200)의 일단에 제공되는 동축 케이블(300), 송수신 스위칭 회로(400) 및 전치 증폭기(500)를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 몸통 자기공명영상을 획득하기 위한 복수의 탑햇 다이폴 안테나(100)의 배열을 나타낸 도면이다.
도 10은 뇌 자기공명영상을 획득하기 위한 복수의 탑햇 다이폴로 이루어진 탑햇 다이폴 안테나(100)의 배열을 나타낸 도면이다.
도 11은 복수의 탑햇 다이폴 안테나(100) 배열의 상단 영역에 거울판 모듈(600)을 제공한 모습을 나타낸 도면이다.
도 12는 거울판 모듈(600)의 사시도(a) 및 측면도(b)이다.
도 13은 거울판 모듈(600)의 거울판(610)이 적층되는 형상을 나타낸 도면이다.
도 14는 거울판 모듈(600)이 포함되지 않은 자기공명영상 신호 획득 장치(10)(a)와 그에 따른 뇌 자기공명영상(b)을 나타낸 도면이고,
도 15는 거울판 모듈(600)을 포함한 자기공명영상 신호 획득 장치(10)(a)와 그에 따른 뇌 자기공명영상(b)을 나타낸 도면이다.
도 2는 기존 다이폴 안테나의 구조와 안테나의 다리 내의 위치에 따른 전류 분포 밀도를 나타낸 도면이다. 도 2에 도시된 그래프는 길이 방향의 전류 분포를 나타낸다. 이 경우는 안테나의 길이를 길게 하여 영상 영역의 길이를 충분히 확보한 경우이다.
도 3은 기존 다이폴 안테나의 구조에 한 쌍의 탑햇부(120)를 추가한 탑햇 다이폴 안테나(100)의 구조와 안테나의 다리 내의 위치에 따른 전류 분포 밀도를 나타낸 도면이다. 도 3에 도시된 그래프는 길이 방향의 전류 분로를 나타낸다. 이 경우는 안테나의 길이는 짧지만 탑햇을 사용하여 영상 영역의 길이를 충분히 길게 조절한 경우이다.
도 4는 탑햇 다이폴 안테나(100)의 안테나 다리부(110)를 복수의 안테나 다리 절편(111)으로 나눈 후 각각의 안테나 다리 절편(111) 사이에 안테나 다리 커패시터(130)를 추가한 구조와 안테나의 다리 내의 위치에 따른 전류 분포 밀도를 나타낸 도면이다. 도 4에 도시된 그래프는 길이 방향의 전류 분포를 나타낸다. 이 경우는 주파수가 높아지면서 다이폴 안테나의 길이가 과도하게 짧아지는 것을 직렬 커패시터를 추가하여 방지함으로써 영상 영역의 길이를 충분하게 확보하였다.
도 5는 탑햇 다이폴 안테나(100)의 탑햇부(120)에 적용될 수 있는 다양한 형상을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는 도 5의 각각의 탑햇부(120)의 형상에 따른 탑햇 다이폴 안테나(100)내 영상영역 중심에서 길이방향 위치에 따른 자장의 크기변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 회로 모듈(200)을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 안테나 회로 모듈(200)의 일단에 제공되는 동축 케이블(300), 송수신 스위칭 회로(400) 및 전치 증폭기(500)를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 몸통 자기공명영상을 획득하기 위한 복수의 탑햇 다이폴 안테나(100)의 배열을 나타낸 도면이다.
도 10은 뇌 자기공명영상을 획득하기 위한 복수의 탑햇 다이폴로 이루어진 탑햇 다이폴 안테나(100)의 배열을 나타낸 도면이다.
도 11은 복수의 탑햇 다이폴 안테나(100) 배열의 상단 영역에 거울판 모듈(600)을 제공한 모습을 나타낸 도면이다.
도 12는 거울판 모듈(600)의 사시도(a) 및 측면도(b)이다.
도 13은 거울판 모듈(600)의 거울판(610)이 적층되는 형상을 나타낸 도면이다.
도 14는 거울판 모듈(600)이 포함되지 않은 자기공명영상 신호 획득 장치(10)(a)와 그에 따른 뇌 자기공명영상(b)을 나타낸 도면이고,
도 15는 거울판 모듈(600)을 포함한 자기공명영상 신호 획득 장치(10)(a)와 그에 따른 뇌 자기공명영상(b)을 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 본 발명의 일 실시예에 따른 자기공명영상 신호 획득 장치(10)를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 자기공명영상 신호 획득 장치(10)는 탑햇(Top-hat) 다이폴 안테나(100), 안테나 회로 모듈(200) 및 동축 케이블(300)을 포함한다.
탑햇 다이폴 안테나(100)는 자기공명영상(MRI)을 획득하고자 하는 영역, 즉 영상 영역에 따라 길이가 조절될 수 있다. 다이폴 안테나의 경우 안테나의 전체 길이에 따라 고유의 동작 주파수가 결정된다. 따라서, 본 발명의 탑햇 다이폴 안테나(100) 역시 전체 길이에 따라 동작 주파수가 결정된다. 본 발명의 자기공명영상 신호 획득 장치(10)는 복수의 탑햇 다이폴 안테나(100)를 포함할 수 있다.
탑햇 다이폴 안테나(100)는 이격된 상태로 선형으로 배치된 한 쌍의 안테나 다리부(110)와 안테나 다리부(110)의 양측 말단에 제공되는 한 쌍의 탑햇부(120)를 포함한다.
안테나 다리부(110)의 양측 말단에 제공된 한 쌍의 탑햇부(120)는 다이폴 안테나의 커패시턴스를 증가시키게 되는데, 이는 탑햇부(120)의 인근 영역인 안테나 다리부(110) 말단에서의 전류 증가를 가져온다. 이러한 전류 증가는 다이폴 안테나의 송신 및 수신 효율을 증가시킬 수 있다. 이를 통해, 탑햇부(120)는 탑햇 다이폴 안테나(100)의 동작 주파수를 감소시킬 수 있으며, 탑햇 다이폴 안테나(100)에서 발생되는 자기장의 균일도를 향상시킬 수 있다.
후술할 안테나 회로 모듈(200)은 튜닝 회로부(210)와 그라운드 브레이커부(220)를 포함할 수 있다.
도 2는 기존 다이폴 안테나의 구조와 안테나의 다리 내의 위치에 따른 전류 분포 밀도를 나타낸 도면이다. 도 2에 도시된 그래프는 길이 방향의 전류 분포를 나타낸다. 이 경우는 안테나의 길이를 길게 하여 영상 영역의 길이를 충분히 확보한 경우이다.
도 2를 참조하면, 자기장의 세기 7 테슬라, 주파수 298 [MHz]의 조건 하에서 다이폴 안테나의 프레임 직경이 245 mm, 길이가 500 mm로 주어졌을 때 자기공명영상 획득에 사용되는 B1 자기장 세기의 최대값의 50%에 해당하는 영역의 길이는 다이폴 안테나의 중심을 기준으로 250 mm인 것으로 나타났다.
다이폴 안테나는 일반적으로 안테나의 가운데 영역에 큰 표면 전류가 흐르게 된다. 따라서 도 2에서 보이는 바와 같이 안테나의 가운데 영역에는 밝은 색의 전류 밀도가 높은 영역이 형성되고, 안테나의 양 끝단 영역에는 어두운 색의 전류 밀도가 낮은 영역이 형성된다.
자기공명영상 획득에는 B1 자기장이 사용되는데, B1 자기장의 세기는 전류 밀도에 비례한다. 따라서, 전류 밀도가 높은 안테나의 가운데 영역에서는 자기장 B1의 세기가 강하게 나타나고, 전류 밀도가 낮은 안테나의 양 끝단 영역에서는 자기장 B1의 세기가 약하게 나타난다.
즉, 500 mm의 길이가 긴 다이폴 안테나를 사용하더라도 가운데의 250 mm에 해당하는 부분에서만 고품질의 자기공명영상을 획득할 수 있으며 그 외 나머지 영역에서는 제대로 된 자기공명영상을 획득하기 어려운 것으로 나타난다.
도 3은 기존 다이폴 안테나의 구조에 한 쌍의 탑햇부(120)를 추가한 탑햇 다이폴 안테나(100)의 구조와 안테나의 다리 내의 위치에 따른 전류 분포 밀도를 나타낸 도면이다. 도 3에 도시된 그래프는 길이 방향의 전류 분로를 나타낸다. 이 경우는 안테나의 길이는 짧지만 탑햇을 사용하여 영상 영역의 길이를 충분히 길게 조절한 경우이다.
도 3을 참조하면, 자기장의 세기 7.0 테슬라, 주파수 298 [MHz]의 조건 하에서 다이폴 안테나의 프레임 직경이 245 mm, 길이가 250 mm로 주어졌을 때 자기공명영상 획득에 사용되는 B1 자기장 세기의 최대값의 50%에 해당하는 영역의 길이는 탑햇 다이폴 안테나(100)의 중심을 기준으로 200 mm인 것으로 나타났다.
즉, 도 2에 비해 안테나의 전체 길이는 절반으로 줄어들었지만 고품질의 자기공명영상을 획득할 수 있는 범위는 크게 줄어들지 않았다는 것을 알 수 있으며 인체 두부영상촬영에 사용될 수 있다는 것을 의미한다.
이러한 효과는 안테나 다리부(110)의 양 끝단에 제공되는 탑햇부(120)에 기인한 것이다. 탑햇부(120)의 효과에 대해 보다 상세히 살펴보면 다음과 같다.
다이폴 안테나의 동작 주파수는 그 길이에 따라 고유한 값을 갖는데, 길이가 줄어들 경우 동작 주파수는 증가하게 된다. 탑햇부(120)의 추가는 다이폴 안테나의 동작 주파수를 감소시키는데, 이를 통해 다이폴 안테나의 길이를 감소시키더라도 동작 주파수는 유지할 수 있게 된다. 이때 탑햇부(120)를 구성하는 물질 또는 탑햇부(120)의 크기를 조절함으로써 동작 주파수 감소 정도를 조절할 수 있다.
뿐만 아니라, 탑햇부(120)는 다이폴 안테나의 양 끝단에서의 자기장의 세기를 보다 강하게 하는 역할도 동시에 갖는 것을 알 수 있다. 이를 통해, 탑햇 다이폴 안테나(100)의 총 길이가 250 mm로 도 2의 절반 길이임에도 불구하고 B1 자기장 최대값의 50%에 해당하는 영역의 길이는 크게 변하지 않았음을 알 수 있다.
도 4는 탑햇 다이폴 안테나(100)의 안테나 다리부(110)를 복수의 안테나 다리 절편(111)으로 나눈 후 각각의 안테나 다리 절편(111) 사이에 안테나 다리 커패시터(130)를 추가한 구조와 안테나의 다리 내의 위치에 따른 전류 분포 밀도를 나타낸 도면이다. 도 4에 도시된 그래프는 길이 방향의 전류 분포를 나타낸다. 이 경우는 주파수가 높아지면서 다이폴 안테나의 길이가 과도하게 짧아지는 것을 직렬 커패시터를 추가하여 방지함으로써 영상 영역의 길이를 충분하게 확보하였다.
도 4를 참조하면, 각각의 안테나 다리(110)는 복수의 안테나 다리 절편 (111)으로 나뉠 수 있다. 이때 각각의 안테나 다리 절편(111) 사이에는 안테나 다리 커패시터(130)가 제공될 수 있는데, 안테나 다리 커패시터(130)는 탑햇 다이폴 안테나(100)의 동작 주파수를 증가시키는 역할을 한다.
다시 말해, 도 3에서 탑햇부(120)를 추가하여 다이폴 안테나의 동작 주파수를 감소시키는 효과를 얻은 것과는 반대로 각각의 안테나 다리 절편(111) 사이에 안테나 다리 커패시터(130)를 제공함으로써 동작 주파수를 다시 증가시킬 수 있다.
도 5는 탑햇 다이폴 안테나(100)의 탑햇부(120)에 적용될 수 있는 다양한 형상을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 6a 내지 도 6c는 도 5의 각각의 탑햇부(120)의 형상에 따른 탑햇 다이폴 안테나(100)내 영상영역 중심에서 길이방향 위치에 따른 자장의 크기변화를 나타낸 그래프이다.
도 5, 도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 탑햇부(120)의 형상은 안테나 다리부(110)와 수직인 원판형(a), 안테나 다리부(110)와 수직인 반원판형(b) 및 안테나 다리부와 평행한 반판원형(c) 중 어느 하나로 제공될 수 있으며, 탑햇부(120)의 형상 및 크기에 따라 영상 영역 내의 전류 밀도의 분포 형태가 조절됨을 알 수 있다.
본 발명에서는 넓은 영상 영역 내에서 고른 전류 밀도를 나타내는 형상인 안테나 다리부(110)와 수직인 반원판형(b)을 탑햇부(120)의 형상으로 채택하였으나, 탑햇부(120)의 형상은 이에 한정되지 않으며, 도 5에 도시된 형상 외에도 다양한 형상이 적용될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 회로 모듈(200)을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 안테나 회로 모듈(200)은 튜닝 회로부(210) 및 그라운드 브레이커부(220)를 포함한다.
튜닝 회로부(210)는 튜닝 인덕터(211), 임피던스 매칭 인덕터(212) 및 임피던스 매칭 커패시터(213)를 포함하며, 탑햇 다이폴 안테나(100)의 동작 주파수를 감소시키고 임피던스 매칭을 수행한다.
상세히 말하면, 튜닝 인덕터(211)는 탑햇 다이폴 안테나(100)와 직렬 연결됨으로써 튜닝 회로부(210)의 인덕턴스 증가를 통해 동작 주파수를 감소시킨다. 이를 통해 탑햇 다이폴 안테나(100)의 전체 길이를 줄임에 따라 동작 주파수가 증가하게 되더라도, 튜닝 인덕터(211)를 통해 동작 주파수를 감소시킴으로써 동작 주파수를 일정하게 유지할 수 있다. 이와 더불어, 튜닝 인덕터(211)의 인덕턴스 값을 증가시킴으로써 탑햇 다이폴 안테나(100)의 길이에 관계없이 사용자가 설정하고자 하는 주파수까지 동작 주파수를 감소시킬 수 있음은 자명할 것이다.
임피턴스 매칭 인덕터(211)와 임피던스 매칭 커패시터(213)는 인덕턴스 값과 커패시턴스 값을 조절하여 임피던스 매칭을 수행한다. 본 발명에서는 298 [MHz]에서 50[Ω]의 임피던스를 갖도록 임피던스 매칭 인덕터(212)의 인덕턴스와 임피던스 매칭 커패시터(213)의 커패시턴스를 조절한다.
그라운드 브레이커부(220)는 한 쌍의 래티스 인덕터(221) 및 한 쌍의 래티스 커패시터(222)를 포함하며, 동축 케이블(300)의 불필요한 전류 흐름에 따른 잡음을 제거하고 안정성을 향상시킨다.
도 8은 안테나 회로 모듈(200)의 일단에 제공되는 동축 케이블(300), 송수신 스위칭 회로(400) 및 전치 증폭기(500)를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 안테나 회로 모듈(200)의 일측은 탑햇 다이폴 안테나(100)와 연결되고 타측은 동축 케이블(300)과 연결된다.
비록 도 7 및 도 8 상에는 1개의 안테나 회로 모듈(200)이 모든 탑햇 다이폴 안테나(100)에 연결되는 것으로 도시되어 있으나, 사용자의 선택에 따라 각각의 탑햇 다이폴 안테나(100)마다 서로 다른 안테나 회로 모듈(200)이 연결될 수 있다. 이 경우, 진폭(Amplitude)과 위상(Phase)이 서로 다른 전류를 각각의 탑햇 다이폴 안테나(100)에 흐르도록 함으로써 각각의 탑햇 다이폴 안테나(100)에 의한 서로 다른 크기의 자기장을 형성할 수 있다. 그 결과 영상 영역 내의 자기장을 보다 균일하게 만들 수 있다.
동축 케이블(300)은 송수신 스위칭 회로(400)를 통해 송신용 포트 또는/및 수신용 포트에 연결된다. 송수신 스위칭 회로(400)는 탑햇 다이폴 안테나(100)가 송신 모드, 수신 모드 및 송수신 모드 중 어느 하나로 동작하도록 스위칭 된다. 전치 증폭기(500)는 전선으로 인한 신호의 감쇠 및 외래 잡음에 의한 SNR의 저하를 막기 위해 설치되며 이를 통해 잡음을 제거한다.
도 9는 몸통 자기공명영상을 획득하기 위한 복수의 탑햇 다이폴 안테나(100)의 배열을 나타낸 도면이고, 도 10은 뇌 자기공명영상을 획득하기 위한 복수의 탑햇 다이폴로 이루어진 탑햇 다이폴 안테나(100)의 배열을 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 몸통 자기공명영상을 획득하고자 할 때 복수의 탑햇 다이폴 안테나(100)는 원통형의 실린더를 중심으로 일정 간격으로 평행하게 배치되도록 제공된다.
또한 도 10을 참조하면, 뇌 자기공명영상을 획득하고자 할 때는 복수의 탑햇 다이폴 안테나(100)는 원통형의 실린더 상단에 사람의 정수리 부분이 위치하고 실린더 하단에 사람의 목 부분이 위치한다고 가정하였을 때, 한 쌍의 탑햇부(120) 중 상단의 탑햇부(120)의 경우 안테나 다리부(110)와 맞닿는 부분을 기준으로 실린더의 중심 방향, 즉 내측으로 접철되도록 제공될 수 있다. 이처럼 탑햇부(120)가 실린더의 중심 방향으로 접철되는 경우, 안테나 다리부(110) 말단에서의 커패시턴스는 증가하게 되고 이는 전류 흐름을 증가시킴으로써 송수신 효율 향상을 가져오게 됨으로써 보다 선명한 뇌 자기공명영상을 획득할 수 있도록 한다.
도 11은 복수의 탑햇 다이폴 안테나(100) 배열의 상단 영역에 거울판 모듈(600)을 제공한 모습을 나타낸 도면이고, 도 12는 거울판 모듈(600)의 사시도(a) 및 측면도(b)이고, 도 13은 거울판 모듈(600)의 거울판(610)이 적층되는 형상을 나타낸 도면이다.
도 11 내지 도 13을 참조하면, 거울판 모듈(600)은 탑햇 다이폴 안테나(100)가 수신 모드로 사용될 때만 적용될 수 있으며, 적층 구조로 제공되는 복수의 거울판(610) 및 각각의 거울판(610) 사이에 제공되는 유전체(620)를 포함한다.
거울판 모듈(600)은 탑햇 다이폴 안테나(100) 배열의 일단부에 인접하고 안테나 다리부(110)에 수직한 방향으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 거울판(610)은 탑햇 다이폴 안테나(100) 배열의 일단부 중 도 10의 뇌 자기공명영상 획득을 위한 탑햇 다이폴 안테나(100)의 배열 상에서 정수리와 인접한 영역에 제공될 수 있다.
탑햇 다이폴 안테나(100)에서 생성된 자기장의 세기는 안테나의 양 끝단으로 갈수록 약해지는데, 거울판 모듈(600)은 안테나의 상단에서 방출되는 자기장을 반사하여 다시 안테나 쪽으로 되돌아 가도록 한다.
안테나에서 방출되는 자기장은 공기 중을 통과하여 거울판 모듈(600)로 들어간다. 이때 공기중과 거울판 모듈(600) 사이에는 임피던스 차가 존재하게 되고 이로 인해 거울판 모듈(600)의 경계에서 자기장이 반사된다. 이렇게 반사된 자기장은 안테나 상단의 자기장 밀도를 증가시키게 되고, 본 발명의 자기공명영상 신호 획득 장치(10)는 증가된 자기장 밀도에 의해 거울판 모듈(600)과 인접한 영역에서 보다 선명한 자기공명영상을 획득할 수 있게 된다.
거울판 모듈(600)의 거울판(610)과 거울판(610) 사이에는 유전체(620)가 제공될 수 있다. 거울판(610)과 유전체(620)가 적층 구조로 제공됨으로써 각각의 거울판(610) 사이의 간격을 좁힐 수 있고 이는 거울판 모듈(600)의 커패시턴스를 증가시킨다.
거울판(610)은 제1 거울판(611), 제2 거울판(612) 및 제3 거울판(613)을 포함한 복수의 거울판을 포함할 수 있다. 도면 상에는 3개의 거울판(610)이 포함된 것으로 도시되어 있으나, 거울판(610)의 개수는 사용자의 선택에 의해 변경 가능하다.
각각의 거울판(610)은 격자 형상의 수 개의 조각을 포함할 수 있다. 이때 제1 거울판(611)과 제2 거울판(612)은 제1 거울판(611)과 제2 거울판(612)에 포함된 격자 형상의 조각이 서로 어긋나도록 적층될 수 있다. 예를 들면, 도 13에서 도시된 바와 같이 제1 거울판(611)과 제3 거울판(613)에 포함된 조각은 서로 동일한 위치에 제공되고, 제2 거울판(612)에 포함된 조각은 이들과 서로 어긋나도록 적층될 수 있다.
이렇게 만들어진 거울판은 정사각형 모양의 판 커패시터로 서로 연결된 모양으로서 예로 보인 코일의 경우 50 mm x 50 mm의 사각형 판이 이웃하는 사각형판과 1/4씩 겹치면서 그 사이는 얇은 테이프로 절연되어 커패시터 상태로 연결되며 그 등가 저항은 7 테슬라 자장에서의 라모어 주파수 298 MHz에서 50 옴보다 훨씬 작은 임피던스가 되어 거의 단락상태와 같이 동작한다. 이 단락상태를 이중으로 만들어 3겹으로 만든 것을 전기적 거울판으로 사용하게 된다.
탑햇 다이폴 안테나(100)는 수신 모드로 사용될 경우 298 [MHz]에 해당하는 자기장을 수신하게 된다. 이와 같은 높은 주파수의 자기장이 수신되면 거울판 모듈(600)의 전체 임피던스는 작아지게 됨으로써 하나의 금속판이 제공되는 것과 동일한 효과를 갖게 되고, 이를 통해 탑햇 다이폴 안테나(100)에서 생성된 자기장을 반사할 수 있게 된다.
이와 반대로 본 발명의 자기공명영상 신호 획득 장치(10)에 포함되지는 않았지만, 자기공명영상 획득 과정에서는 인체의 위치를 파악하기 위해 경사자계 코일(Gradient Coil)이 제공된다. 경사자계 코일에서는 저주파수(약 2 [kHz] 내외)의 자기장이 방출되는데 이와 같은 저주파수의 자기장이 거울판 모듈(600)에 수신되면 거울판 모듈(600)은 높은 임피던스를 갖게 됨으로써 개방(Open)된, 즉 거울판 모듈(600)이 없는 것과 같은 효과를 갖게 되고, 이를 통해 경사자계 코일로부터 발생한 자기장이 반사됨으로써 생길 수 있는 간섭을 피할 수 있다.
도 14는 거울판 모듈(600)이 포함되지 않은 자기공명영상 신호 획득 장치(10)(a)와 그에 따른 뇌 자기공명영상(b)을 나타낸 도면이고, 도 15는 거울판 모듈(600)을 포함한 자기공명영상 신호 획득 장치(10)(a)와 그에 따른 뇌 자기공명영상(b)을 나타낸 도면이다.
도 14 및 도 15를 참조하면, 거울판 모듈(600)을 포함한 자기공명영상 신호 획득 장치(10)에서 보다 선명한 뇌 자기공명영상을 획득함으로써 거울판 모듈(600)의 효과를 확인할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기공명영상 신호 획득 장치(10)는 탑햇 다이폴 안테나(100), 튜닝 회로부(200), 동축 케이블(300), 송수신 스위칭 회로(400), 전치 증폭기(500) 및 거울판 모듈(600)을 포함할 수 있으며, 탑햇 다이폴 안테나(100)의 길이와 동작 주파수를 조절함과 동시에 영상 영역 내에 일정한 균질도를 갖는 자기장을 발생시킴으로써 고화질의 자기공명영상을 획득할 수 있다.
이상의 여러 개의 고주파 코일에 그 진폭(Amplitude)과 위상(Phase)을 서로 다르게 조합하여 고주파신호를 인가함으로써 자장분포를 더 균일하게 향상시킬 수 있다.
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 신호 획득 장치
100: 탑햇 다이폴 안테나
110: 안테나 다리부
111: 안테나 다리 절편
120: 탑햇부
130: 안테나 다리 커패시터
200: 안테나 회로 모듈
210: 튜닝 회로부
211: 튜닝 인덕터
212: 임피던스 매칭 인덕터
213: 임피던스 매칭 커패시터
220: 그라운드 브레이커부
221: 래티스 인덕터
222: 래티스 커패시터
300: 동축 케이블
400: 송수신 스위칭 회로
500: 전치 증폭기
600: 거울판 모듈
610: 거울판
611: 제1 거울판
612: 제2 거울판
613: 제3 거울판
620: 유전체
100: 탑햇 다이폴 안테나
110: 안테나 다리부
111: 안테나 다리 절편
120: 탑햇부
130: 안테나 다리 커패시터
200: 안테나 회로 모듈
210: 튜닝 회로부
211: 튜닝 인덕터
212: 임피던스 매칭 인덕터
213: 임피던스 매칭 커패시터
220: 그라운드 브레이커부
221: 래티스 인덕터
222: 래티스 커패시터
300: 동축 케이블
400: 송수신 스위칭 회로
500: 전치 증폭기
600: 거울판 모듈
610: 거울판
611: 제1 거울판
612: 제2 거울판
613: 제3 거울판
620: 유전체
Claims (11)
- 영상 영역에 따라 길이 조절이 가능하며 동작 주파수 조절이 가능하도록 구 성되는 복수의 탑햇(Top-hat) 다이폴 안테나; 및
상기 동작 주파수를 조절하도록 구성되는 안테나 회로 모듈을 포함하고,
상기 탑햇 다이폴 안테나는:
이격된 상태로 선형으로 배치되도록 구성되는 한 쌍의 안테나 다리부;
커패시턴스 증가를 통해 상기 안테나 다리부 말단에서의 전류를 증가시키기 위해 상기 안테나 다리부의 양측 말단에 제공되도록 구성되는 한 쌍의 탑햇부
를 포함하고,
상기 탑햇부는 커패시턴스 증가를 통한 상기 안테나 다리부 말단에서의 전류 증가를 위해 상기 안테나 다리부와 맞닿는 부분을 기준으로 내측으로 접철될 수 있고,
상기 안테나 회로 모듈은 상기 탑햇 다이폴 안테나의 동작 주파수를 감소시 키고, 임피던스 매칭을 수행하는 튜닝 회로부를 포함하고,
상기 튜닝 회로부는: 상기 탑햇 다이폴 안테나와 직렬 연결되어 상기 튜닝 회로부의 인덕턴스를 증가시키는 튜닝 인덕터; 및 인덕턴스와 커패시턴스 조절을 통해 상기 동작 주파수에 따른 임피던스 매칭을 수행하는 임피던스 매칭 인덕터와 임피던스 매칭 커패시터를 포함하고,
상기 탑햇 다이폴 안테나가 송신 모드, 수신 모드 및 송수신 모드 중 어느 하나로 동작할 수 있도록 하는 송수신 스위칭 회로
를 더 포함하는, 자기공명영상 신호 획득 장치. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
각각의 상기 탑햇 다이폴 안테나마다 서로 다른 안테나 회로 모듈을 연결하고;
상기 서로 다른 안테나 회로 모듈에 의해 각각의 상기 탑햇 다이폴 안테나에 진폭과 위상이 서로 다른 전류가 흐르도록 구성되는 자기공명영상 신호 획득 장치. - 제6항에 있어서,
각각의 상기 안테나 다리부는:
복수의 안테나 다리 절편; 및
각각의 상기 안테나 다리 절편 사이에 제공되어 상기 동작 주파수를 증가시키는 안테나 다리 커패시터를 포함하는 자기공명영상 신호 획득 장치. - 제7항에 있어서,
상기 복수의 탑햇 다이폴 안테나의 일단부에 인접하고 상기 안테나 다리부에 수직한 방향으로 제공되는 거울판 모듈을 포함하는 자기공명영상 신호 획득 장치. - 제8항에 있어서,
상기 거울판 모듈은:
적층 구조로 제공되는 복수의 거울판; 및
각각의 거울판 사이에 제공되는 유전층을 포함하는 자기공명영상 신호 획득 장치. - 제9항에 있어서,
상기 거울판은:
제1 거울판; 및
상기 제1 거울판의 상부 또는 하부에 적층되는 제2 거울판을 포함하고,
상기 거울판 각각은 격자 형상의 수 개의 조각을 포함하는 자기공명영상 신호 획득 장치. - 제10항에 있어서,
상기 제1 거울판과 상기 제2 거울판은 상기 제1 거울판에 포함된 조각과 상기 제2 거울판에 포함된 조각이 서로 어긋나도록 적층되는 자기공명영상 신호 획득 장치.
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| PCT/KR2020/017356 WO2021112523A1 (ko) | 2019-12-04 | 2020-12-01 | 동작 주파수의 조절을 위한 유도성 튜닝 회로 구현과 관심 영역에 따라 자유로운 길이 조절이 가능한 탑햇 다이폴 안테나를 사용한 자기공명영상촬영 방법 및 장치 |
| US17/782,594 US11946991B2 (en) | 2019-12-04 | 2020-12-01 | Method and device for magnetic resonance imaging by implementing inductive tuning circuit for adjusting operating frequency and using top- hat dipole antenna having length freely adjustable depending on region of interest |
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2020
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|---|---|---|---|---|
| US20100066370A1 (en) * | 2007-01-10 | 2010-03-18 | University Of Florida Research Foundation, Inc. | Method and Apparatus for Tuning and Matching MRI/NMR Probe |
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| Publication number | Publication date |
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| KR20210070209A (ko) | 2021-06-14 |
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