KR102569416B1 - 자기 공명 이미징을 개선하기 위한 장치 - Google Patents

자기 공명 이미징을 개선하기 위한 장치 Download PDF

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Abstract

복수의 공명기를 포함하는 수동 장치는 시료에 의해 방출되고 MRI 머신에 의해 캡처되는 무선 주파수 신호들의 신호 대 잡음비를 증가시킨다. 장치는 MRI 머신으로부터 시료로의 신호 전송 및/또는 시료로부터 MRI 머신으로의 신호들의 수신 동안 무선 주파수 에너지의 자기장 성분을 증가시킨다. 더욱이, 장치는 전기장의 원치 않는 생성 또는 RF 에너지의 전기장 성분의 증가를 실질적으로 방지함으로써 시료 안전을 향상시킨다. 장치의 사용은 MRI 머신에 의해 생성되는 이미지들을 개선하고/하거나 MRI 머신이 이미지를 캡처하는 데 필요한 시간을 감소시킨다.

Description

자기 공명 이미징을 개선하기 위한 장치
본 특허 출원은 2017년 6월 7일자로 출원되고, "자기 공명 이미징을 개선하기 위한 장치(Apparatus for Improving Magnetic Resonance Imaging)"라는 명칭을 가지며, 신장(Xin Zhang), 스테판 앤더슨(Stephan Anderson), 광우 두안(Guangwu Duan) 및 샤오광 자오(Xiaoguang Zhao)를 발명자로 하는 미국 특허 가출원 제62/516, 376호[변리사 파일 3273/119]로부터 우선권을 주장하며, 그 개시 내용은 전체적으로 본 명세서에 참고로 통합된다.
기술 분야
본 발명은 이미징에 관한 것으로서, 특히 자기 공명 이미징에 관한 것이다.
자기 공명 이미징(magnetic resonance imaging("MRI"))은 X-선들의 사용 없이 시료의 내부 구조들의 이미지를 캡처하는 의료 이미징 기술이다. MRI 머신은 강한 자기장 및 전자기 자극을 시료에 인가하여, 시료의 원자들이 그에 응답하여 전자기 신호들을 방출하게 한다. MRI 머신은 시료에 의해 방출된 전자기 신호들을 캡처하고 그러한 캡처된 신호들로부터 이미지를 구성한다.
MRI 머신들의 알려진 한계는 캡처된 신호들의 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio(SNR))이다. 잡음은 MRI 머신 자체의 회로를 포함하는 다양한 소스들에 의해 생성되고, 시료에 의해 방출된 신호들에 오류를 초래하고 불명료하게 한다. SNR은 신호를 부스팅함으로써, 예를 들어 정적 자기장(static magnetic field)의 강도를 증가시킴으로써, 또는 잡음을 줄임으로써, 예를 들어 MRI 머신의 신호 처리 회로를 개선함으로써, 또는 이 둘의 조합에 의해 개선될 수 있다. 그러나, 이러한 접근법들은 이상적이지 못하고, 살아있는 동물과 같은 일부 시료들에 안전하게 인가될 수 있는 전력의 양을 제한하며, 잡음을 완전히 제거할 수 없다.
예시적인 실시예들에 따르면, 장치는 복수의 공명기(resonators)를 포함하고, 환자에 의해 방출되고 MRI 머신에 의해 캡처된 무선 주파수 신호들의 신호 대 잡음비를 증가시키도록 동작한다.
예시적인 실시예에서, 장치는 작업 주파수(working frequency)에서 공명하도록 구성된 공명기들의 어레이(각각의 공명기는 "단위 셀(unit cell)"임)를 포함한다. 어레이는 MRI 머신이 시료를 이미징할 때 MRI 머신의 구멍 내에 구멍 내의 시료와 함께 배치되도록 구성된다. 동작시에, 어레이는 MRI 머신에 의해 측정된 신호들의 신호 대 잡음비를 증가시킨다.
일부 실시예들에서, 장치는 MRI 머신의 작업 주파수와 상이한 공명 주파수를 갖는다. 사실상, 일부 실시예들에서, 장치는 어레이의 공명기들 사이의 간격을 변경함으로써 튜닝될 수 있는 공명 주파수를 갖는다.
일부 실시예들에서, 각각의 공명기는 광면-결합형 분할-링 공명기(broadside-coupled split-ring resonator)이다. 다른 실시예들에서, 각각의 공명기는 개방루프 코일이고, 나선형 코일일 수 있다. 일반적으로, 공명기들 각각은 신호의 자기장과 결합하고 자기장을 증폭시키지만, 신호의 전기장과 결합하지 않도록 구성된다.
예시적인 실시예는 MRI 머신에 의해 수신되는 신호의 신호 대 잡음비를 개선함으로써 MRI 머신의 동작을 개선하기 위한 장치를 제공하며, MRI 머신은 작업 주파수에 의해 특성화된다. 장치는 단위 셀들의 어레이를 포함하고, 어레이는 MRI 머신이 시료를 이미징할 때 MRI 머신의 구멍 내에 구멍 내의 시료와 함께 배치되도록 크기가 정해진다(sizing)(또는 구성된다). 각각의 단위 셀은 공명 주파수를 갖고, 어레이는 MRI 머신의 작업 주파수에서 또는 그 근처에서 공명 주파수를 갖는다(예를 들어, 일부 실시예들에서, 어레이는 MRI 머신의 작업 주파수의 +/- 5%(경계 포함(inclusive))인 공명 주파수를 갖는다). 단위 셀들은 서로 결합하도록(예를 들어, 서로 자기적으로 결합하도록) 구성되고, 어레이는 MRI 머신에 의해 측정된 신호들에서 적어도 50의 신호 대 잡음비를 생성한다. 일부 실시예들에서, 단위 셀들은 낮은 유전 상수의 공명기들(low-dielectric constant resonators)이다. 바람직한 실시예들에서, 단위 셀들은 신호의 자기장을 증폭시키지만, 신호의 전기장을 증폭시키지 않도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 각각의 단위 셀은 광면-결합형 분할-링 공명기를 포함한다.
다른 실시예들에서, 단위 셀들은 개방루프 코일들이고, 바람직한 실시예들에서는 나선형 코일들이다. 바람직한 실시예들에서, 어레이는 그의 공명 주파수가 단위 셀들 사이의 간격을 변경함으로써 튜닝될 수 있도록 구성된다. 바람직한 실시예들에서, 단위 셀은 코어 및 코어 주위에 감긴 개방루프 코일을 포함한다. 일부 이러한 실시예들에서, 코어는 80 내지 173 사이의 상대 유전율(relative permittivity)을 가지며, 일부 실시예들에서 코어는 티타늄 이산화물(titanium dioxide)로 형성된다.
일부 실시예들에서, 어레이의 공명 주파수는 MRI 머신의 작업 주파수와 상이하다.
일부 실시예들에서, 각각의 단위 셀은 2개의 단부를 갖는 코일을 포함하고, 각각의 단위 셀은 2개의 단부 사이에 전기적으로 결합된 커패시터를 더 포함한다. 다른 실시예들에서, 각각의 단위 셀은 2개의 단부 사이에 전기적으로 결합된 인덕터를 포함한다.
예시적인 실시예들에서, 각각의 단위 셀은 2개의 단부를 갖는 코일, 및 2개의 단부 사이에 결합된 제어 가능한 가변 임피던스를 갖는 커플러를 포함한다. 이러한 단위 셀들은 커플러가 제1 임피던스 상태에 있을 때 제1 공명 주파수를 그리고 커플러가 제2 임피던스 상태에 있을 때 제2 공명 주파수를 갖는다. 예시적인 실시예들에서, 커플러는 MRI 머신에 의해 전송된 RF 에너지에 응답하여 제1 임피던스 상태로부터 제2 임피던스 상태로 변하여, 단위 셀의 공명 주파수를 MRI 머신의 작업 주파수로부터 시프트시킴으로써 단위 셀이 사실상 공명하지 않게 하도록 구성된 반도체 패치(patch)이다. 다른 실시예들에서, 커플러는 MRI 머신으로부터의 신호에 응답하여 제1 임피던스 상태에서 제2 임피던스 상태로 변하여, 단위 셀의 공명 주파수를 MRI 머신의 작업 주파수로부터 시프트시키도록 구성된 스위치이다.
또 다른 실시예에서, 시료의 자기 공명 이미징 방법은 구멍 및 작업 주파수를 갖는 MRI 머신을 제공하는 단계, 시료를 구멍 내에 배치하는 단계 및 시료를 갖는 구멍 내에 단위 셀들의 어레이를 배치하는 단계를 포함한다. 단위 셀의 어레이는 MRI 머신이 시료를 이미징할 때 MRI 머신의 구멍 내에 구멍 내의 시료와 함께 배치되도록 크기가 정해진다. 각각의 단위 셀은 공명 주파수를 가지며, 어레이는 MRI 머신의 작업 주파수에서 또는 그 근처에서 공명 주파수를 갖는다. 이어서, 방법은 본 기술분야에 공지된 방식들로 MRI 머신을 동작시켜 시료를 이미징하는 단계를 포함한다.
바람직한 실시예에서, MRI 머신은 64MHz의 작업 주파수를 갖는 1.5 테슬라 MRI 머신이고, 어레이의 공명 주파수는 64MHz의 5 퍼센트(+/- 5%, 경계 포함) 이내이다. 다른 바람직한 실시예에서, MRI 머신은 128MHz의 작업 주파수를 갖는 3 테슬라 MRI 머신이고, 어레이의 공명 주파수는 128MHz의 5 퍼센트(+/- 5%, 경계 포함) 이내이다.
실시예들의 전술한 특징들은 첨부 도면들을 참조하여 해석되는 다음의 상세한 설명을 참조하여 더 용이하게 이해될 것이다.
도 1a, 1b, 1c 및 1d는 MRI 머신의 일 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 2a는 공명기 어레이를 사용하지 않고 캡처된 MRI 이미지이다.
도 2b는 공명기 어레이의 일 실시예를 사용하여 캡처된 MRI 이미지이다.
도 2c는 공명기 어레이의 다른 실시예를 사용하여 캡처된 MRI 이미지이다.
도 3a 및 도 3b는 공명기 어레이의 일 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 3c는 벌집형 공명기 어레이의 일 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 4a는 공명 구조의 품질 팩터를 나타낸 그래프이다.
도 4b는 공명기 어레이의 주기성과 MRI 머신의 작업 주파수에 대한 그의 주파수 응답 사이의 관계를 그래픽으로 도시한다.
도 5a, 5b 및 5c는 나선형 공명기의 일 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 5d 및 도 5e는 나선형 공명기들의 어레이의 일 실시예의 동작 특성들을 개략적으로 도시한다.
도 5f는 추가 임피던스를 갖는 나선형 공명기 셀을 개략적으로 도시한다.
도 5g 및 도 5h는 단위 셀의 공명 주파수와 단위 셀의 내부의 볼륨의 유전율 사이의 관계를 나타내기 위해 접시에 물을 갖는 단위 셀의 일 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 5i는 단위 셀의 공명 주파수와 단위 셀의 내부의 볼륨의 유전율 사이의 관계를 개략적으로 도시한다.
도 6a, 6b, 6c, 6d 및 6e는 광면-결합형 분할-링 공명기의 일 실시예 및 일부 특성들을 개략적으로 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 가요성 공명기 어레이들의 실시예들을 개략적으로 도시한다.
도 8a, 8b, 8c, 8d, 8e, 8f 및 8g는 튜닝 가능한 단위 셀들의 실시예들을 개략적으로 도시한다.
도 9는 시료를 이미징하는 방법에 대한 흐름도이다.
복수의 공명기를 갖는 장치는 시료에 의해 방출되고 MRI 머신에 의해 캡처되는 무선 주파수(radiofrequency("RF")) 신호들의 신호 대 잡음비를 증가시키며, MRI 머신에 의해 전송되는 전력을 증가시키지 않고도 그러하다. 일부 실시예들에서 장치는 MRI 머신으로부터 시료로의 무선 주파수 에너지의 신호 전송뿐만 아니라 시료로부터 MRI 머신으로의 무선 주파수 신호들의 전송 동안 무선 주파수 에너지의 자기장 성분을 증가시키는 한편, 다른 실시예들에서 장치는 MRI 머신으로부터 시료로의 무선 주파수 에너지의 전송 동안이 아니라, 시료로부터 MRI 머신으로의 무선 주파수 신호들의 전송 동안에만 무선 주파수 에너지의 자기장 성분을 증가시킨다. 더욱이, 장치는 전기장의 원치 않는 생성 또는 증가를 실질적으로 방지함으로써 시료 안전을 향상시킨다. 장치의 사용은 MRI 머신에 의해 생성되는 이미지들을 개선하고/하거나 MRI 머신이 이미지를 캡처하는 데 필요한 시간을 감소시킨다.
도 1a는 MRI 머신(100)을 단면도로 개략적으로 도시하고, 그러한 머신들의 몇몇 공지된 특징들을 도시한다. MRI 머신에 의해 스캐닝되는 시료(99)는 테이블(101) 상에 놓인다. 통상적으로, 시료(99)는 30분 이상일 수 있는 스캔의 지속기간 동안에 가능한 한 정지 상태로 놓여 있어야 한다.
주 계자 코일들(main field coils, 110)은 시료(99) 주위에 그리고 시료를 통해 자기장을 생성하고, 보디 코일들(120)은 시료(99)에 전자기(예를 들어, 무선 주파수) 자극을 가한다. 이에 응답하여, 시료의 원자들은 보디 코일들(120) 및/또는 시료 코일들(130)에 의해 검출될 수 있는 전자기 펄스들을 방출한다. 시료 코일들(130)이 바람직할 수 있는데, 그 이유는 이들이 시료(99)에 더 가까우며, 더 먼 보디 코일들(120)에 의해 생성되는 신호들보다 더 큰 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio("SNR"))를 갖는 신호들을 생성하기 때문이다. 컴퓨터(150)는 예를 들어 통신 링크(151)에 의해 MRI 머신과 데이터 통신하고, 보디 코일들(120) 및/또는 시료 코일들(130)에 의해 수신된 신호들을 수신 및 처리하여 시료의 내부 구조들의 이미지를 생성한다. 보디 코일들(120) 및 시료 코일들(130)은 MRI 머신(100)에 와이어링(wiring)된다. 보디 코일들은 MRI 머신과 전력 통신 및 제어 통신하여, 전자기 자극을 생성하는 데 필요한 전력 및 제어 신호들을 수신한다. 보디 코일들(120) 및 시료 코일들(130) 양자는 MRI 머신(100)과 데이터 통신하여, 그들이 시료(99)로부터 검출하는 신호들을 MRI 머신(100)에 제공한다. 이를 위해, MRI 머신의 일부 실시예들은 제어 신호들을 MRI 머신에 그리고/또는 제어 신호(821)와 관련하여 후술하는 바와 같은 어레이에 제공하고/하거나, 보디 코일들(120) 및 시료 코일들(130)로부터 신호들을 수신하도록 구성된 컨트롤러(140)를 포함한다.
이미지의 품질, 및 MRI 머신(100)이 이미지를 생성하기에 충분한 수의 방출된 신호를 수집하는 데 필요한 시간은 수신된 신호들의 SNR에 부분적으로 의존한다. SNR의 증가는 MRI의 출력을 개선하고/하거나, 시료(99)에 의해 방출된 신호들을 수집하는 데 필요한 시간을 감소시킬 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 각각 MRI 머신의 동작 및 그에 의해 생성되는 결과들을 개선하기 위한 공명기 어레이(300)의 일 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 1a에서 시료 코일들(130)은 시료(99)와 공명기 어레이(300) 사이에 배치되고, 도 1b에서 공명기 어레이(300)는 시료(99)(본 예시에서는 시료(99)의 팔다리 또는 부속 기관(799))와 시료 코일들(130) 사이에 배치된다. 일부 실시예들에서, 공명기 어레이(300)는, 예를 들어 MRI 머신(100)이 시료(99)에 의해 방출된 전자기 펄스들을 수신하기 위해 보디 코일들(120)을 사용할 때 시료 코일들(130) 없이 MRI 머신의 구멍(102) 내에 위치 설정될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, MRI 머신(100)의 "구멍(bore)"(102)이라는 용어는 시료(99)가 MRI 머신(100)에 의해 이미징될 때 배치되는 장소를 의미한다. 예를 들어, 폐쇄된 MRI 머신(100)에서, 구멍(102)은 머신의 환상 부분(toroid section)의 내부이고; 개방형 MRI 머신(100)에서, 구멍(102)은 머신의 상부 및 하부 자기 영역들 사이의 공간이고; 개방형 직립(open upright) MRI 머신(100)에서, 구멍(102)은 머신의 좌측 및 우측 자기 영역들(magnetic areas) 사이의 공간이다.
도 1a 및 도 1b는 시료 코일들(130) 및 공명기 어레이(300)와 테이블 사이의 시료(99)를 도시하지만, 이것은 공명기 어레이(300)의 사용에 대한 제한이 아니며, 공명기 어레이(300)는 도 1c 및 도 1d에 개략적으로 도시된 바와 같이 시료(99)와 테이블(101) 사이에 시료 코일들(130)을 갖거나 갖지 않고 배치될 수 있다.
보디 코일들(120)과 대조적으로, 공명기 어레이(300)는 전력 신호들을 요구하거나 수신하지 않고, 일부 실시예들에서는 그의 기능을 수행하기 위해 제어 신호들을 요구하거나 수신하지 않는다는 점에서 수동적이다. 예시적인 실시예들에서, 공명기 어레이(300)(그의 단위 셀들(301)을 포함함)는 보디 코일들(120) 또는 시료 코일들(130)로부터 분리되며, 그들의 일부가 아니다. 또한, 예시적인 실시예들에서, 공명기 어레이(300)(그의 단위 셀들(301)을 포함함)는 MRI 머신(100) 및 보디 코일들(120) 및 시료 코일들(130)로부터 물리적으로 분리되고, MRI 머신(100) 및 보디 코일들(120) 및 시료 코일들(130)에 와이어링되지 않는다. 또한, 보디 코일들(120) 및 시료 코일들(130) 양자와 대조적으로, 공명기 어레이(300)는 MRI 머신(100)과 데이터 통신하지 않는다.
본 발명자들은 시료 코일(130)을 갖거나 갖지 않는, 도 1a 내지 도 1d에 개략적으로 도시된 바와 같은 공명기 어레이(300)의 사용이 MRI 머신(100)으로부터 시료(99)로 전송되는 무선 주파수 신호들의 SNR을 개선하고, 시료(99)에 의해 방출되고 MRI 머신(100)에 의해 수신되는 신호들의 SNR을 개선하고, MRI의 출력 이미지의 품질을 증가시킬 수 있고/있거나 시료(99)를 스캐닝하는 데 필요한 시간을 감소시킬 수 있다는 것을 발견하였으며, 이들 각각은 기존의 MRI 기술들에 비해 개선을 나타낸다. 공명기 어레이(300) 및/또는 그의 공명기들(301)은 그의 특이한 특성들로 인해 메타물질(metamaterial)로서 간주될 수 있다. 그러나, 이는 공명기 어레이(300) 및/또는 그의 단위 셀들(301)이 음의 굴절률, 음의 유전율 및/또는 음의 투자율을 가질 것을 요구하지 않는다. 다양한 실시예들에서, 공명기 어레이(300) 및/또는 그의 단위 셀들(301)은 양의 굴절률, 양의 유전율 및/또는 양의 투자율을 가질 수 있다.
예를 들어, 도 2a는 공명기 어레이(300)가 없는 종래의 MRI 기술을 사용하는 MRI 스캔의 결과들을 도시한다. 이러한 결과들을 생성하기 위해, 본 발명자들은 1.5T MRI 머신의 구멍(102) 내의 9개 위치(도 2a에서 1-9로 넘버링됨)에서 신호의 강도를 측정했고, MRI 머신의 3개의 위치(10-12로 넘버링됨)에서 잡음을 측정했다. 이어서, 본 발명자들은 잡음 측정들의 평균을 계산했고, 이어서 잡음 측정의 평균에 대한 각각의 신호 측정의 SNR을 계산했다. 결과들이 아래에 나타나 있고, 33.2 내지 39.0 범위의 SNR들을 보였다. 이러한 결과들은 "베이스라인(baseline)" SNR들로 지칭될 수 있다.
신호 강도(평균)
잡음 레벨(표준편차)
SNR
도 2a에 도시된 결과들과 달리, 도 2b 및 도 2c는 각각 나선형 공명기들(500)(특히, 도 5a-5c)인 단위 셀들(301)을 갖는 공명기 어레이(300)를 구비한 동일한 1.5T MRI 머신을 사용한 동일한 9개 위치에서의 MRI 스캔의 결과들을 도시한다. 이러한 결과들을 생성하기 위해, 본 발명자들은 도 2a와 관련하여 전술한 방식으로 신호 및 잡음을 측정하였지만, 상당히 개선된 SNR들을 얻었다.
도 2b에 대한 실시예에서, SNR들은 베이스라인 SNR들보다 상당히 높았다. 결과들은 아래에 도시되며, 68.4 내지 277.3의 범위의 SNR들을 보인다. 도 2b의 위치 1에 대한 SNR을 도 2a의 위치 1에 대한 결과들과 비교하는 것은 33.2의 베이스라인 SNR로부터 277.3의 개선된 SNR로의 큰 SNR 증가를 보여준다.
신호 강도(평균)
잡음 레벨(표준편차):
SNR
도 2c에 대한 실시예에서는, 단위 셀들(301)이 도 2b를 생성하기 위해 사용된 어레이와 다른 주기성(periodicity)(즉, 서로에 대해 상이한 간격)을 갖는 어레이(300)를 사용하였다. 이 실시예는 또한 베이스라인 SNR들보다 상당히 높은 동일한 9개의 위치에서의 SNR들을 생성하였다. 결과들은 아래에 도시되며, 46.2 내지 401.5의 범위의 SNR들을 보였다. 도 2c의 위치 1에 대한 SNR을 도 2a의 위치 1에 대한 결과들과 비교하는 것은 33.2의 베이스라인 SNR로부터 401.5의 개선된 SNR로의 큰 SNR 증가를 보여준다.
신호 강도(평균)
잡음 레벨(표준편차):
SNR
일반적으로, 공명기 어레이(300)는 시료에 의해 방출된 신호들의 SNR을 증가시킨다. 주어진 MRI 머신에 대해, 공명기 어레이를 사용하지 않는 그러한 MRI 머신에 의해 수신된 신호들의 SNR에 비해, 공명기 어레이(300)의 실시예들은 그러한 신호들의 SNR을 적어도 45.6, 50, 60, 95, 100, 120, 150 및/또는 적어도 193.4 또는 45와 401 사이의 임의의 포인트로 증가시킨다.
공명기 어레이
공명기 어레이(300)의 예시적인 실시예가 도 3a 및 도 3b에 개략적으로 도시되어 있다. 이 실시예의 어레이(300)는 4x4 어레이에서 16개의 단위 셀(301)을 포함하지만, 다른 실시예들은 더 많거나 더 적은 단위 셀(301)을 사용할 수 있고, 예를 들어 정사각형, 벌집형[도 3c] 또는 직사각형과 같은 상이한 배열들로 배열될 수 있다.
각각의 단위 셀(301)은 "공명기(resonator)"로도 지칭될 수 있는데, 이는 그가 인가된 전자기 신호들, 예컨대 MRI 머신(100)에 의해 시료(99)에 인가된 신호들 및/또는 MRI 머신(100)에서 시료(99)로부터 단위 셀(301)에 의해 수신된 신호들에 응답하여 공명하도록 구성되기 때문이다. 예를 들어, 각각의 단위 셀은 인덕턴스(L) 및 커패시턴스(C)를 가질 수 있고, 따라서 전기 엔지니어링 분야에 공지된 LC 공명기들과 같이 공명할 수 있다. 도 4a와 관련하여 설명된 바와 같이, 각각의 단위 셀(301)은 공명 주파수를 가지며, Q를 갖는다.
도 4a는 공명 디바이스의 품질 팩터를 그래픽으로 도시한다. 공명 단위 셀은 그의 "Q-팩터(Q-factor)"로서 또는 간단히 그의 "Q"로서 지칭될 수 있는 그의 품질 팩터에 의해 부분적으로 특성화될 수 있다. 단위 셀의 Q-팩터는 그 공명 특성들의 척도이다.
예를 들어, 단위 셀(301)은 MRI 머신(100) 내의 시료(99)의 원자에 의해 또는 MRI 머신 자체로부터 방출된 전자기 신호를 수신할 수 있고, 전자기 에너지는 하나 이상의 주파수에서의 에너지를 포함할 수 있다. 에너지는 전기 엔지니어링 분야의 LC 회로들로부터 알려진 방식들로 단위 셀(301)에서 공명할 것이다.
이상적으로, 에너지는 단위 셀의 공명 주파수 f0(401)에서 공명하지만, 단위 셀(301)은 도 4a에서 곡선 스펙트럼에 의해 예시된 바와 같이 더 낮은 주파수들에서도 어느 정도 공명할 수 있다. 최대 에너지는 진폭 A1에 의해 표현되는 중심 주파수라고 지칭될 수 있는 주파수 f0(401)에 있을 수 있다. 다른 주파수들에서, 에너지는 도 4a에 또한 개략적으로 도시된 바와 같이 중심 주파수(401)에서의 에너지보다 작다. (3dB 더 높은 주파수로 알려질 수 있는) 중심 주파수(401) 위의 소정의 주파수(402)에서 그리고 (3dB 더 낮은 주파수로 알려질 수 있는) 중심 주파수 아래의 다른 주파수(403)에서, 공명 신호에서의 에너지는 중심 주파수(401)에서의 에너지의 절반일 것이다. 도 4a의 스펙트럼(400)은 단위 셀(301)에서 공명하는 에너지의 일부가 포인트 405에 표시된 잡음 플로어(noise floor) 위에 있다는 것을 보여준다.
다음으로, 단위 셀(301)의 Q는 중심 주파수(f0)를 3dB 더 높은 주파수와 3dB 더 낮은 주파수 사이의 차이(△f 또는 델타-f)로 나눈 비율로서 정의된다. 도 4a에서, Q는 중심 주파수(401)를 3dB 더 높은 주파수(402)와 3dB 더 낮은 주파수(403) 사이의 주파수 차이(410)로 나눈 값이다. 따라서, Q는 무차원 파라미터(dimensionless parameter)이다.
동작 시에, 단위 셀(301)은 시료(99) 내의 하나 이상의 원자로부터 전자기 에너지(예를 들어, RF 에너지)의 패킷을 수신할 수 있고, 전자기 에너지는 MRI 머신의 작업 주파수에서 또는 그 근처에서의 주파수를 갖는다. 예를 들어, 바람직한 실시예들에서, MRI 머신의 작업 주파수의 +/- 5%(경계 포함) 내의 주파수를 갖는 전자기 에너지는 MRI 머신의 작업 주파수에 또는 그 근처에 있는 것으로 정의된다. 시간이 지남에 따라(예를 들어, MRI 머신의 동작 동안), 각각의 단위 셀(301)은 많은 전자기 에너지 패킷을 수신하고, 그 에너지의 합을 저장할 것이다. 단위 셀(301)의 Q가 높을수록, 단위 셀(301)은 그가 수신하는 에너지를 더 효율적으로 저장한다.
또한, 단위 셀(301)은 공명함에 따라, 수신된 전자기 에너지의 자기장 성분을 증폭시키고, 수신된 전자기 에너지의 신호 대 잡음비를 증가시킨다. 따라서, 각각의 단위 셀(301)은, 개별적으로, 근처에 있을 수 있는 (존재할 경우) 다른 단위 셀들에 관계없이 공명할 수 있는 능력을 갖고, 수신된 전자기 에너지의 자기장 성분을 증폭시킬 수 있는 소정의 능력을 갖는다.
그러나, 본 발명자들은 개별 단위 셀들(301)의 유용성에 대한 일부 제한들을 발견하였다. 첫째, 단일 단위 셀(301)은 수신된 전자기 에너지의 자기장 성분을 증폭시키는 제한된 용량을 갖는다. 둘째, 단위 셀(301)은 MRI 머신(100)에 잘 매칭되지 않는 공명 주파수를 가질 수 있으며, 이 경우, 수신된 전자기 에너지의 자기장 성분을 증폭시키는 그의 능력은 그렇지 않은 경우보다 덜 효율적이다. 셋째, 적어도 단위 셀(301)을 분해하고 재구축하지 않고서는 개별 단위 셀(301)의 공명 주파수 및/또는 Q를 변경하는 것이 가능하지 않다.
그러나, 본 발명자들은 단위 셀들(301)의 어레이(300)가 그의 구성(constituent) 단위 셀들(301)의 특성들의 단순한 집성과는 다른 특성들을 갖는다는 것도 발견하였다. 즉, 공명기 어레이(300)는 시너지 효과를 보인다.
예를 들어, 단위 셀들의 어레이(300)는 수신된 전자기 에너지의 자기장 성분의 균일한 증폭을 제공한다(예를 들어, 도 5d 및 그 도면을 설명하는 텍스트 참조).
또한, 어레이(300)의 공명 주파수는 그의 구성 단위 셀들(301)의 공명 주파수들 각각과 동일하지 않을 수 있다. 오히려, 단위 셀들(301)은 어레이(300)의 공명 주파수를 생성하기 위해 서로 결합한다. 이를 위해, 바람직한 실시예들에서, 단위 셀들(301)은 서로 자기적으로 결합하고, 서로 와이어링되지 않는다.
더욱이, 어레이(300)의 공명 주파수는 어레이(300) 내의 단위 셀들(301)의 간격을 조정함으로써 튜닝될 수 있다.
또한, 어레이(300)는 어레이(300)의 공명 특성들을 크게 변경하지 않고서 단위 셀들(301)이 어레이(300)에 이미 존재하는 단위 셀들(301)과 동일한 주기성(즉, X-피치(310) 및/또는 Y-피치(311))으로 어레이(300)에 추가될 수 있다는 점에서 모듈식(modular)이다. 어레이(300)에 이미 존재하는 단위 셀들(301)과 동일한 주기성으로 어레이(300)에 단위 셀들(301)을 추가하는 것은, 어레이(300)의 단위 셀들(301)의 주기성을 변경하는 것만큼 많이 어레이의 공명 특성들을 변경하지 않는다. 이러한 방식으로 단위 셀들을 추가하는 것은, 예를 들어 더 큰 시료(99) 또는 시료(99)의 더 큰 부분을 이미징하기 위해 어레이(300)의 크기를 증가시키는 데 바람직할 수 있다.
유사하게, 주어진 주기성을 갖는 어레이(300)에 이미 존재하는 단위 셀들(301)은 어레이(300)의 공명 특성들을 크게 변경하지 않고서 어레이(300)로부터 제거될 수 있다. 주어진 주기성을 갖는 어레이(300)로부터 단위 셀들(301)을 제거하는 것은 어레이(300)의 단위 셀들(301)의 주기성을 변경하는 것만큼 많이 어레이의 공명 특성들을 변경하지 않는다. 단위 셀들을 제거하는 것은, 예를 들어 MRI 머신(100)의 구멍(102) 안에 끼워지도록 어레이의 크기를 줄이거나, 더 작은 시료(99) 또는 시료(99)의 더 작은 부분을 이미징하는 데 바람직할 수 있다.
공명기 어레이(300)는 MRI 머신(100)의 작업 주파수에서 또는 그 근처에서 공명 주파수를 갖도록 구성된다(즉, 어레이의 공명 주파수는 MRI 머신(100)의 작업 주파수의 +/- 5%(경계 포함) 이내이다). 예를 들어, 1.5 테슬라(즉, 1.5T) MRI 머신의 작업 주파수(또는 "동작 주파수(operating frequency)")는 (본 개시의 목적들을 위한 무선 주파수인) 약 64MHz이고, 3 테슬라(즉, 3T) MRI 머신의 작업 주파수는 (또한 본 개시의 목적들을 위한 무선 주파수인) 약 128MHz이다.
공명기 어레이(300)의 공명 주파수는 어레이(300)의 단위 셀들(301)의 주기성(간격)에 의해 그리고 또한 개별 단위 셀들(301)의 공명 주파수에 의해 부분적으로 결정된다. 도 3a 및 도 3b의 예시적인 공명기 어레이(300)에서, 공명기들은 균일하게 이격되고: 각각의 단위 셀(301)은 X축에서의 치수, 즉 37.33mm의 X-피치(310)만큼 그리고 Y축에서의 치수, 즉 37.33mm의 Y-피치(311)만큼 분리된다. 이러한 구성에서, 공명기 어레이(300)의 공명 주파수(463)는 MRI 머신(100)의 작업 주파수(452)에 중심을 갖는다. 일반적으로, MRI 머신의 작업 주파수(452)와 공명기 어레이(300)의 공명 주파수 사이의 차이는 MRI 머신의 설계자(designer) 또는 운영자(operator)에 의해 지정될 수 있다. 바람직한 실시예들에서, 공명기 어레이(300)의 공명 주파수는 MRI 머신의 작업 주파수(452)의 +/- 5%(경계 포함) 이내이다.
더 큰 주기성(즉, 더 큰 X-피치(310) 및 Y-피치(311))에서, 공명기 어레이(300)의 공명 주파수는 감소되고, 더 작은 주기성(즉, 더 작은 X-피치(310) 및 Y-피치(311))에서, 공명기 어레이(300)의 공명 주파수는 증가된다. 도 4b는 공명기 어레이(300)의 주기성과 MRI 머신의 작업 주파수(452)에 대한 그의 주파수 응답 사이의 관계를 그래픽으로 나타낸다. 곡선 462는, 포인트 463에서의 공명 주파수로, MRI 머신(100)의 작업 주파수(452)로 튜닝된 어레이(300)의 공명을 개략적으로 나타낸다. 대조적으로, 곡선 460은, 포인트 461에서의 그의 공명 주파수로, MRI 머신(100)의 작업 주파수(452) 약간 아래의 주파수(450)로 튜닝된 어레이(300)의 공명을 개략적으로 나타내고, 곡선 464는, 포인트 465에서의 공명 주파수로, MRI 머신의 작업 주파수(452)보다 약간 높은 주파수(454)로 튜닝된 어레이(300)의 공명을 개략적으로 나타낸다.
결과적으로, 공명기 어레이(300)의 공명 주파수는 주어진 MRI 머신 또는 응용에 필요하거나 요구되는 대로 조정되고 설정될 수 있다. 예를 들어, 본 발명자들은 어레이(300) 근처의 유연한 조직의 존재가 어레이(300)를 둘러싸는 영역의 유전율을 변경할 수 있다는 것을 인식하였다. 이러한 유전율의 변화가 MRI 머신(100) 또는 공명기의 동작을 방해하거나 저하시키는 경우, 공명기 어레이(300)의 단위 셀들(301)의 간격을 변경함으로써 공명기 어레이(300)의 공명 주파수가 조정될 수 있다.
나선형 단위 셀
나선형 공명기(500) 형태의 단위 셀(301)의 예시적인 실시예(500)가 도 5a, 도 5b 및 도 5c에 개략적으로 도시되어 있다. 공명기(500)는 저유전성 코어(low-dielectric core, 520) 주위의 나선형 도체(510)를 포함한다.
구리일 수 있는 나선형 도체(510)는 코어(520) 주위에 감기며, 따라서 코어 주위의 각각의 연속적인 턴(turn, 513)(또는 "루프(loop)")은 그 앞의 턴으로부터 갭(515)에 의해 분리된다.
단위 셀(301)은 인덕턴스(L) 및 커패시턴스(C) 양자를 갖는다. 인덕턴스는 코일형 도체(510)로부터 발생하고, 커패시턴스는 도체(510)의 연속적 턴들(513) 사이의 갭(515)에서 발생한다. 결과적으로, 단위 셀(301)의 공명 주파수는 적어도 부분적으로는 도체(510)의 턴들(513)의 수 및 턴들(513) 사이의 갭(515)의 치수들에 의해 결정된다. 따라서, 설계자는 코일형 도체(510)의 그의 특성들(예를 들어, 턴들(513)의 수 및/또는 갭(515)) 및/또는 코어(520)의 유전 상수(k) 및/또는 손실 각도(loss angle)의 지정(specification)을 통해 인덕턴스 및 커패시턴스를 설정함으로써 원하는 응용에 맞도록 단위 셀(301)의 공명 특성들을 설정할 수 있다. 또한, 단위 셀들(301)의 어레이(300)의 공명 주파수는, 예를 들어 도체(510)의 턴들(513)의 수를 증가 또는 감소시키고/감소시키거나 도체(510)의 턴들(513) 사이의 갭(515)을 증가 또는 감소시켜 단위 셀들(301)의 공명 특성들을 지정하거나 조정함으로써 튜닝될 수 있다.
일부 실시예들에서, 도체(510)는 그 자체와 중첩되지 않지만, 다른 실시예들에서 도체(510)는 도체(510)의 상이한 영역들 사이에 직접적인 전기적 접촉이 없는 한 그 자체와 중첩될 수 있다. 예를 들어, 도체(510)는 전기 절연성 코팅(512)을 포함하는 경우 그 자체와 중첩될 수 있다.
도 5c는 도체(510)가 없는 코어(520)를 개략적으로 도시한다. 일부 실시예들에서, 코어(520)의 외측 표면(523)은 도체(510)를 수용하고 그의 나선형 형상을 정의하는 나선형 홈(helical groove)(530)을 포함한다.
도체(510)의 단부들(511)은 서로 또는 다른 도체에 또는 다른 공명기의 도체(510)에 연결되지 않는다. 결과적으로, 도체(510)는 개방루프 공명기 또는 개방루프 코일 또는 개방루프 나선형 공명기라고 지칭될 수 있다.
바람직한 실시예들에서, 코어(520)는 낮은 유전 상수(k) 및 낮은 손실 각도를 갖는다. 예를 들어, 코어(520)는 3의 유전 상수(k= 3)를 갖는 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride("PVC"))와 같은 재료들로 형성될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 15보다 낮은 유전 상수(상대 유전율)는 "낮은 유전 상수(low-dielectric constant)"(또는 "낮은 상대 유전율(low relative permittivity)")로 간주되고, 15 이상의 유전 상수(상대 유전율)는 "높은 유전 상수(high-dielectric constant)"(또는 "높은 상대 유전율(high relative permittivity)")로 간주된다.
그러나, 일부 실시예들에서의 코어(520)는 3보다 큰 유전 상수를 가질 수 있고, 이는 단위 셀(301)의 크기를 감소시키면서, 아마도 단위 셀(301)의 다른 특성들의 조정들과 함께, 동일한 공명 특성들을 유지한다. 예를 들어, 본 발명자들은 도 5g, 도 5h 및 도 5i에 개략적으로 도시된 바와 같이 섭씨 20도에서 약 80의 유전율을 갖는 물로 실험하였다. 단위 셀(500)은 네트워크 분석기에 결합되는 결합 루프(561)에 의해 둘러싸인 접시(560)에 배치된다. 접시(560)가 공기로만 채워질 때, 단위 셀(500)은 도 5i의 포인트 567로 도시된 바와 같이 63MHz의 공명 주파수를 갖는다. 그러나, 접시에 물이 담겨서 물이 코어(520)의 약 10 퍼센트(10%)(10%에서의 물의 표면(566))를 채울 때, 단위 셀(500)은 도 5i의 포인트 568에 의해 도시된 바와 같이 55MHz의 공명 주파수를 갖는다. 접시에 물이 담겨서 물이 코어(520)의 약 20 퍼센트(20%)(20%에서의 물의 표면(566))를 채울 때, 단위 셀(500)은 도 5i의 포인트 569에 의해 도시된 바와 같이 39MHz의 공명 주파수를 갖는다. 결과적으로, 주어진 단위 셀(500) 내에 공기의 유전율보다 높은 유전율을 갖는 물질을 포함함으로써 단위 셀(500)의 공명 주파수가 감소되는 것으로 이해될 수 있다. 반대로, 주어진 공명 주파수를 갖는 단위 셀(500)을 생성하기 위해, 단위 셀(500)은 코어(520) 내에 공기를 갖는 단위 셀(500)에 비해 더 작게 형성될 수 있고(예를 들어, 더 적은 턴들(513)을 가질 수 있고), 단위 셀(500)의 내부(503)는 예를 들어 86 내지 173 사이의 비교적 더 높은 상대 유전율을 갖는다. 예를 들어, 일부 실시예들은 86 내지 173 사이의 유전율을 갖는 코어를 포함한다. 일부 실시예들에서, 상대 유전율은 173보다 훨씬 클 수 있다. 일부 그러한 실시예들은 티타늄 이산화물로 이루어진 코어(520)를 포함한다.
일부 실시예들은 코어(520)를 생략하고, 나선형 형상으로 고정된 도체(510)를 포함한다(예를 들어, 도 5b 참조). 이러한 실시예들에서, 공기 중에서, 나선형 코일(510) 내의 볼륨은 1에 가까운 공기의 유전 상수(k=1)를 갖는다.
나선형 공명기(500)의 특성들은 이들이 사용될 MRI 머신의 타입에 의해 결정될 수 있다. 도 5a의 실시예에서, 코어(520)는 외경(522), 내경(521) 및 높이(525)를 갖는 속 빈 실린더이다. 그러나, 그러한 형상 및 그러한 치수들은 모든 실시예들의 제한들이 아니며, 단지 몇 가지 예로서 정사각형 또는 삼각형인 단면들을 갖는 형상들을 포함하는 다른 속이 비지 않은 또는 속 빈 형상들이 사용될 수 있다. 나선형 공명기들(500)의 예시적인 실시예들의 특성들은 1.5T MRI 머신들 및 3T MRI 머신들에 대해 아래에 주어진다.
공명기 어레이의 동작
동작 시에, 공명기 어레이(300)는 예를 들어 도 1a, 도 1b, 도 1c 및 도 1d에 개략적으로 도시된 바와 같이 MRI 머신(100) 내의 시료(99) 상에 또는 그 근처에 배치된다.
공명기 어레이(300)는 MRI 머신(100)의 작업 주파수(452)에서 또는 그 근처에서 공명하고, 따라서 시료(99)에 의해 방출된 RF 신호들의 자기장 강도를 증가시킨다. 이러한 방식으로, RF 신호들의 SNR이 증가된다.
공명기 어레이(300)는 MRI 머신(100)에 의한 시료(99)로의 신호 전송 및 시료(99)로부터 MRI 머신으로의 무선 주파수 에너지의 수신 동안 무선 주파수 에너지의 자기장 성분을 증가시킨다.
예를 들어, 도 5d는 단위 셀들(301)이 나선형 공명기들(500)인 공명기 어레이(300)의 실시예 내의 (예를 들어, Z축에서의) 단위 셀들(301)의 상부(302) 위의 다양한 고도들(elevations)에서의 자기장 강도를 그래픽으로 나타낸다. 도 5e는 단위 셀들(301)의 중간(303)으로부터의 거리의 함수로서 상기 어레이(300)의 중심 포인트에서의 자기장 향상 비율(magnetic field enhancement ratio)을 그래픽으로 나타내고, 향상이 단위 셀들(301)의 중간(303) 근처에서 가장 크고, 단위 셀들의 중간(303)으로부터의 거리에 따라 감소한다는 것을 보여준다. 도 5d로부터, 자기장 향상은 공명기 어레이(300)에 걸쳐 실질적으로 균일하다는 점에 유의해야 한다. 나선형 공명기(500)에서, 자기장 향상은 나선형 공명기(500)의 자기-공명 주파수(self-resonant frequency)와 자기장의 여기 주파수(frequency of excitation) 사이의 중첩으로 인해 발생한다.
유리하게, 공명기 어레이(300)는 또한 전기장의 생성을 실질적으로 회피하거나, 그러한 RF 신호들의 전기장 성분의 증가를 최소화한다. 예를 들어, 공명기(500)의 하나의 단부(501)에서 생성된 전기장은 다른 단부(502)에서의 전기장을 매우 거의 완전히 상쇄(cancel)시킨다. 또한, 다양한 실시예들에서, 그러한 RF 신호들의 전기장 성분의 증가는 그러한 RF 신호들의 자기장 성분의 증가보다 작다. 이것은 시료 안전에 유리한데, 그 이유는 예를 들어 전기장들이 시료에 대한 화상들(burns)을 유발할 수 있기 때문이다. 구체적으로, 나선형 공명기들(500)은 RF 신호들의 전기장과 결합하지 않도록 구성되어, RF 신호들의 전기장 성분의 나선형 공명기들(500) 및 어레이(300)에 의한 증폭을 완화한다.
도 5f는 단위 셀의 도체(510)의 단부들(511) 사이에 전기적으로 결합된 추가적인 고정 리액턴스(550)를 포함하는 나선형 공명기(500)의 대안적인 실시예를 개략적으로 도시한다. 추가적인 리액턴스(550)는 도체(510)의 인덕턴스 및/또는 커패시턴스에 추가적이다. 추가적인 리액턴스(550)는 커패시턴스(C) 또는 인덕턴스(L)일 수 있다. 실제로, 추가적인 리액턴스(550)는 나선형 공명기(500)의 다른 구조들의 커패시턴스 또는 인덕턴스와 상호작용한다. 예를 들어, 나선형 공명기(500)의 공명 주파수는 1/√LC에 의해 지배되기 때문에, 추가 리액턴스(550) 내의 인덕터(L)의 포함은 위에서 설명된 동일한 공명 특성들을 갖지만 더 적은 수의 턴들(513) 또는/및 더 작은 나선 직경(521)을 갖는 나선형 도체(500)를 생성한다. 마찬가지로, 추가적인 리액턴스(550) 내의 커패시터(C)의 포함은 위에서 설명된 동일한 공명 특성들을 갖는 나선형 도체(500)를 생성하지만, 나선형 도체(510)로부터 더 적은 커패시턴스를 요구한다.
BC-SRR 단위 셀
광면 결합형 분할-링 공명기(600)("BC-SRR")의 형태인 단위 셀(301)의 일 실시예가 도 6a에 개략적으로 도시되어 있다. BC-SRR 공명기(600)는 각자가 갭(611, 621)을 각각 정의하는 2개의 "C" 형상 분할-링 공명기(610, 620)를 포함한다. 분할-링 공명기들(610, 620)은 도 6a의 X-Y 평면에서 서로 평행하게 배치되고, 서로 교차하거나 물리적으로 접촉하지 않는다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 분할-링 공명기들(610, 620)은 그들의 갭들(611, 621)이 서로 정반대로(즉, 서로 180도로) 대향하도록 위치된다. BC-SRR 단위 셀들은 갭들(611, 621)이 서로 180도가 아닌 경우에도 잘 공명하지만, 본 발명자들이 이러한 배열이 최저 전기장을 생성한다는 것을 발견했기 때문에, 이것이 바람직한 배열이다. 상부 분할-링 공명기(610)는 참조를 위해 BC-SRR(600)의 상면(601) 및 BC-SRR(600)의 하면(602)을 정의한다.
BC-SRR 단위 셀(600)에서는, 단위 셀들(600)의 자기-공명 주파수와 자기장의 여기 주파수 사이의 중첩으로 인해 자기장 향상이 발생한다. BC-SRR 단위 셀들은 여기된 전기 쌍극자들이 상쇄를 나타내도록 구성되어, RF 신호들의 전기장 성분의 단위 셀들(301) 및 어레이(300)에 의한 증폭을 완화한다.
도 6b 내지 도 6d는 64MHz에서 공명하도록 구성된 BC-SRR(600)의 동작 특성들을 개략적으로 도시한다.
도 6b는 단일 단위 셀 BC-SRR(600)의 X-Z 평면 내의 단면에서의 자기장(Bz) 분포를 개략적으로 도시하고, 도 6c는 BC-SRR(600)의 상면(601)으로부터 10 밀리미터 떨어진 X-Y 평면에서의 자기장 분포를 개략적으로 도시한다. 도 6d는 BC-SRR(600)의 상면(601)으로부터 10 밀리미터 떨어진 포인트에서의 자기장 향상 팩터를 개략적으로 도시한다. 이 실시예에서, BC-SRR(600)의 하나의 단부(즉, 상면(601)에 가장 가까운 단부)에서 생성된 전기장은 다른 단부(즉, 하면(602)에 가장 가까운 단부)에서의 전기장을 매우 거의 완전히 상쇄시킨다.
도 6e는 BC-SRR 단위 셀들(600)의 어레이(300)를 개략적으로 도시한다. 이 실시예에서, BC-SRR들은 고유전율 기판(650) 상에 포토리소그래픽으로(photo-lithographically) 제조된다.
공명기 어레이들(300)의 실시예들은 강성(rigid) 또는 가요성(flexible)일 수 있다. 예를 들어, 도 6e의 BC-SRR 공명기들의 어레이(300)는 강성일 수 있는 반면, 도 7a 및 도 7b의 어레이들(300)은 가요성이다. 도 7a의 BC-SRR 어레이(300)는 가요성 기판(700)을 갖고, 도 7a에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 시료(99)의 팔다리(799) 주위에 감싸질 수도 있다. 유사하게, 나선형 공명기들(500)의 어레이(300)는 가요성 기판(700)을 가지며, 시료(99) 보디의 일부의 윤곽으로 형성되거나, 심지어는 원추로 형성될 수 있다.
일부 응용들에서는, MRI 머신(100)으로부터 시료(99)로의 무선 주파수 에너지의 전송 동안이 아니라, 시료로부터 MRI 머신으로의 무선 주파수 신호들의 전송 동안에만 무선 주파수 에너지의 자기장 성분을 증가시키는 것이 바람직할 수 있다. 이를 위해, 일부 실시예들은 튜닝 가능한 어레이(300) 및 튜닝 가능한 단위 셀들(301)을 포함한다.
도 8a 내지 도 8g는 튜닝 가능한 단위 셀들(301)의 실시예들을 개략적으로 도시한다. 튜닝 가능한 단위 셀들(301)을 갖는 어레이(300)는 그의 구성 단위 셀들(301)을 튜닝함으로써 튜닝 가능하다.
도 8a는 튜닝 가능한 단위 셀(301)을 개략적으로 도시한다. 튜닝 가능한 단위 셀(301)은, 예를 들어 커플러(801)와 함께, 위에서 설명된 바와 같은 나선형 코일(500) 또는 위에서 설명된 바와 같은 BC-SRR(600)을 포함할 수 있다.
커플러(801)는, 커플러(801)의 전기 전도율이 제2 상태에서의 그의 전기 전도율보다 낮은 제1 상태를 포함하는 적어도 2개의 전기적 상태(또는 "임피던스(impedance)" 상태)를 갖는다. 달리 말하면, 커플러(801)의 전기 임피던스는 제2 상태에서보다 제1 상태에서 더 높다. 단위 셀(301)의 공명 특성들은 커플러(801)의 상태에 따라 변한다.
도 8a의 실시예에서, 커플러(801)는 나선형 코일(예를 들어, 500)의 2개의 단부(511) 사이에 전기적으로 결합되지만, 아래에 설명되는 바와 같이, 하나 이상의 단위 셀에 여러 방식으로 결합될 수 있다. 제1 상태에서, 커플러(801)의 임피던스는 단위 셀(301)의 동작이 전술한 바와 같도록 충분히 높다. 그러나, 제2 상태에서, 커플러의 임피던스는 더 낮아서, 코일(500)의 2개의 단부(511) 사이의 전도 경로를 통해 전기적 연결을 생성한다. 전기적 연결은 나선형 코일(500)의 특성들을 변경하여 더 이상 공명하게 하지 않거나, 그의 공명 주파수가 MRI 머신의 작업 주파수(452)로부터 떨어진 주파수로 시프트되게 한다. 일반적으로, 커플러(801)가 제2 상태에 있을 때 MRI 머신의 작업 주파수(452)와 나선형 코일의 공명 주파수 사이의 차이는 MRI 머신의 설계자 또는 운영자에 의해 지정될 수 있다. 예를 들어, 바람직한 실시예들에서, 커플러(801)가 제2 상태에 있을 때, 나선형 코일(500)의 공명 주파수는 그가 어쨌든 공명하는 경우에 그의 공명 주파수가 MRI 머신의 작업 주파수(452)와 적어도 +/- 15 퍼센트 다르고/다르거나 커플러(801)가 제1 상태에 있을 때 그의 공명 주파수와 적어도 +/- 15 퍼센트 다르도록 변한다. 결과적으로, 커플러(801)의 상태를 변경하는 것은 단위 셀(301)의 공명 특성들을 변경한다. 일반적으로, 단위 셀(300)(이 예에서, 나선형 코일(500))의 공명 주파수가 MRI 머신의 작업 주파수(452)와 적어도 +/- 15 퍼센트 다르고/다르거나 커플러(801)가 제1 상태에 있을 때 그의 공명 주파수와 적어도 +/- 15 퍼센트 다른 경우, 단위 셀은 "사실상 공명하지 않는 것으로(effectively non-resonant)" 지칭된다.
더욱이, 이러한 단위 셀들(301)의 어레이(300)에서, 커플러(801)의 상태를 변경하는 것은 어레이(300)의 동작 특성들을 변경한다. 예를 들어, 커플러(801)가 제1 상태에 있을 때, 각각의 단위 셀(301) 및 이러한 단위 셀들(301)의 어레이(300)는 도 3a-3c, 4a-4b, 5a-5f 및 6a-6e와 관련하여 전술한 바와 같이 동작한다. 커플러(801)가 제2 상태에 있을 때, 어레이(300)의 공명 특성들은 어레이(300)에 의해 생성되는 자기장의 증폭이 감소되도록 변경된다. 사실상, 각각의 단위 셀(301) 및 어레이(300)는 커플러(801)를 제1 상태에 배치함으로써 "턴온(turned on)"될 수 있고, 커플러(801)를 제2 상태에 배치함으로써 "턴오프(turned off)"될 수 있다. 다양한 커플러들(801), 단위 셀(301) 구성들 및 어레이(300) 구성들이 아래에 설명된다. 일반적으로, 커플러(801)는 비선형 재료 또는 비선형 디바이스로서 지칭될 수 있다.
도 8b는 BC-SRR들(600)의 어레이(300)를 개략적으로 도시한다. 각각의 BC-SRR 단위 셀은 적어도 하나의 커플러(801) 및 일부 실시예들에서는 하나보다 많은 커플러(801)를 포함한다. 도 8b의 커플러(801)는 반도체 패치(810)로 지칭된다. 반도체 패치(810)는 예를 들어 MRI 머신(100)으로부터의 RF 에너지에 응답하여 그의 임피던스를 변경하지만, 시료(99)로부터의 신호들의 일반적으로 훨씬 더 적은 양의 RF 에너지에는 응답하지 않는 도핑된 실리콘일 수 있다. 반도체 패치는 비선형적인 것으로 지칭될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 반도체 패치(810)의 반도체 재료는 단지 몇 가지 예로서 GaAs, InAs 또는 InSb일 수 있다. 바람직한 실시예는 반도체 재료로서 GaAs를 사용한다. 도핑이 없는 진성(intrinsic) GaAs는 2.1*106cm-3의 캐리어 밀도를 갖는다.
반도체의 특성들은 도핑에 의해 튜닝된다. 도핑은 반도체 분야에 공지되어 있다. 예시적인 실시예들에서, GaAs는 3*107cm-3의 캐리어 밀도를 갖도록 도핑된다.
예시적인 실시예들에서, 반도체 패치(810)는 도핑된 반도체(예를 들어, 전술한 바와 같은 도핑된 GaAs)의 2 인치 또는 4 인치 웨이퍼(0.5 mm 두께)로부터 준비될 수 있다. 웨이퍼는 3mm x 5mm 크기의 패치들로 다이싱되고, 2개의 전극이 반도체 분야에 공지된 방식으로 패치 상에 2*10-6m과 같은 마이크로미터 크기 갭을 갖도록 패터닝된다.
도 8a에 개략적으로 도시된 바와 같이, 반도체 패치(810)는 단위 셀(301)에 전기적으로 결합된다(예를 들어, 납땜된다). 교번 자기장(alternating magnetic field)(예를 들어, 무선 주파수 전자기 신호)을 인가함으로써, 강한 전기장이 갭에서 충격 이온화(impact ionization)를 여기하기 위해 400kV/cm 정도로 높게 마이크로미터 크기 갭에 유도될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, MRI 머신(100)이 그러한 교번 자기장(예를 들어, 무선 주파수 전자기 신호)을 인가하지 않을 때, 반도체 패치(810)의 전도율은 약 1*10-7(ohm cm)-1(예시적인 실시예들에서, 캐리어 밀도가 최대 107cm-3임)이다. 대조적으로, MRI 머신(100)이 전술한 바와 같이 자극을 인가할 때, 반도체 패치(810)의 도핑된 GaAs의 전도율은 약 20(ohm cm)-1(예시적인 실시예들에서, 캐리어 밀도가 최대 1018cm-3임)로 증가하여, 본 명세서에 설명된 단위 셀(301)의 공명 주파수 시프트를 유발한다.
도핑된 반도체 패치(810)를 일례로 취하면, MRI 머신(100)에 의한 RF 에너지의 전송 동안, BC-SRR(600)의 갭에서의 또는 금속 나선들(500) 내부의 전기장은 매우 높고, 따라서 도핑된 실리콘 반도체 패치(810)의 캐리어 밀도는 그러한 RF 에너지가 없는 경우보다 훨씬 더 높은 레벨로 여기된다. 이 상태에서, 도핑된 실리콘 반도체 패치(810)는 도체로서 취급될 수 있다. 결과적으로, MRI 머신(100)에 의한 RF 에너지의 전송 동안, 단위 셀들(301)의 공명 주파수는 MRI 머신(100)에 의해 전송된 RF 에너지의 주파수로부터 벗어난다.
대조적으로, - MRI 머신(100)이 RF 에너지를 전송하지 않을 때 발생하는 - 환자(99)로부터의 RF 신호들의 단위 셀(301)에 의한 수신 동안, 전술한 전기장 강도는 훨씬 더 낮고, 따라서 도핑된 실리콘 반도체 패치(810)는 유효한 도체가 아니다. 결과적으로, 각각의 단위 셀(301)의 공명 주파수는, 도핑된 실리콘 반도체 패치(810)가 절연체(isolator)로서 기능함에 따라 MRI 머신(100)의 작업 주파수(452)와 정렬되어 유지된다.
반도체 패치(810)는 BC-SRR(600) 내의 제1 SRR(610)의 제1 갭(611) 내에 배치되고, MRI 머신(100)으로부터의 RF 에너지에 응답하여 그의 상태를 변경한다. 보다 구체적으로, MRI 머신(100)으로부터의 RF 에너지가 없는 경우, 반도체 패치(810)는 제1 상태(고임피던스)에 있으므로, BC-SRR(600)은 도 6a 내지 도 6e와 관련하여 전술한 바와 같이 거동한다. 그러나, MRI 머신이 RF 에너지를 전송할 때, 반도체 패치(810)는 그의 임피던스를 제2 상태(저임피던스)로 변경하여, 제1 갭(611)의 대향 단부들(612, 612)을 전기적으로 결합함으로써, BC-SRR(600)의 물리 및 공명 특성들을 변경하고, 따라서 전술한 바와 같이 어레이(300)의 동작 특성들을 변경한다.
일부 실시예들에서, BC-SRR(600)의 SRR들(610, 620) 각각은 각각의 단위 셀(301) 및 어레이(300)의 특성들을 훨씬 더 변경하기 위해 전술한 바와 같은 반도체 패치(810)를 포함한다.
도 8c는 나선형 단위 셀들(500)의 어레이(300)를 개략적으로 도시한다. 이 실시예에서, 반도체 패치(810)는 인접한 단위 셀들(301)의 각각의 단부들(511) 사이에 결합되고, 바람직하게는- 예를 들어 나선형 턴들(513)에 의해 둘러싸인 나선형 코일 자체의 내부(802) 내에 배치된다. 이 구성에서, MRI 머신(100)으로부터의 RF 에너지가 없는 경우, 반도체 패치(810)는 제1 상태(고임피던스)에 있으므로, 공명기(500)는 도 5a-5f와 관련하여 전술한 바와 같이 거동한다. 그러나, MRI 머신이 RF 에너지를 전송할 때, 반도체 패치(810)는, 전술한 바와 같이 그의 임피던스를 제2 상태(저임피던스)로 변경하여, 인접한 단위 셀들(301)을 함께 결합함으로써, 어레이(300)의 동작 특성들을 변경한다.
도 8d 및 도 8e는 커플러(801)가 스위치(820)인 커플러(801)의 대안 실시예, 및 그러한 커플러들(801)을 갖는 어레이들(300)의 대안 실시예들을 개략적으로 도시한다. 이러한 실시예들에서의 단위 셀들(301)은 제어 신호(821)에 응답하지만(따라서, MRI 머신(100) 또는 그의 컨트롤러(140)와 제어 통신하는 것으로 지칭될 수 있지만), 어레이들(300) 각각은 자기장을 증폭시키고 시료(99)로부터의 신호들의 SNR을 증가시키기 위해 외부 에너지의 입력을 필요로 하지 않는다는 점에서 여전히 수동적인 것으로 간주될 수 있다.
도 8d에서, 각각의 BC-SRR(600)의 적어도 하나의 SRR(610)은 그의 갭(611)에 배치된 스위치(820)를 갖는다. MRI 머신으로부터의 (예를 들어, 컨트롤러(140)로부터의) 제어 신호(821)는 스위치(820)를 그의 제1 상태(고임피던스)와 제2 상태(저임피던스) 사이에서 변경하고, 따라서 제1 갭(611)의 대향 단부들(612, 612)을 전기적으로 결합한다. 이러한 2개의 상태는 BC-SRR(600)의 공명 특성들을 변경하고, 따라서 도 8b와 관련하여 전술한 바와 같이 어레이(300)의 동작 특성들을 변경한다. 일부 실시예들에서, BC-SRR(600)의 SRR들(610, 620) 각각은 각각의 단위 셀(301) 및 어레이(300)의 특성들을 훨씬 더 변경하기 위해 전술한 바와 같은 스위치(820)를 포함한다.
도 8e는 나선형 단위 셀들(500)의 어레이(300)를 개략적으로 도시한다. 이 실시예에서, 스위치(820)는 인접한 단위 셀들(301)의 각각의 단부들(511) 사이에 결합된다. MRI 머신으로부터의 제어 신호(821)는 스위치(820)를 그의 제1 상태(고임피던스)와 제2 상태(저임피던스) 사이에서 변경한다. 이러한 2개의 상태는 나선형 셀(500)의 공명 특성들을 변경하고, 따라서 도 8c와 관련하여 전술한 바와 같이 어레이(300)의 동작 특성들을 변경한다.
도 9는 시료(99)의 자기 공명 이미징 방법의 일 실시예의 흐름도이다. 단계 901은 구멍(102) 및 작업 주파수를 갖는 MRI 머신(100)을 제공하는 것을 요구한다. MRI 머신(100)은, 예를 들어 64MHz의 작업 주파수를 갖는 1.5 테슬라 MRI 머신 또는 128MHz의 작업 주파수를 갖는 3 테슬라 MRI 머신일 수 있다.
단계 902는 시료를 구멍(102)에 배치하는 단계를 포함하고, 단계 903은 단위 셀들(301)의 어레이(300)를 시료를 갖는 구멍 내에 배치하는 단계를 포함한다. 단계 902 및 903은 서로에 대해 임의의 순서로 수행될 수 있다는 점에 유의해야 한다.
바람직한 실시예들에서, 어레이(300)는, MRI 머신(100)이 시료(99)를 이미징할 때 구멍(102) 내의 시료(99)와 함께 MRI 머신(100)의 구멍(102) 내에 배치되도록 크기가 정해진다. 예를 들어, 단위 셀들(301)의 어레이(300)는 위에서 개시된 어레이들(300) 중의 임의의 어레이일 수 있다.
바람직한 실시예들에서, 어레이(300)의 각각의 단위 셀(301)은 공명 주파수를 가지며, 어레이(300)는 MRI 머신(100)의 작업 주파수에서 또는 그 근처에서 공명 주파수를 갖는다.
단계 904에서, 방법은 본 기술분야에 공지된 방식들로 MRI 머신으로 시료(99)를 이미징한다.
일부 실시예들에서, 단계 904는, MRI 머신이 전자기(예를 들어, 무선 주파수)자극을 시료(99)에 인가하고 있지 않을 때 커플러(801)를 그의 제1 상태(고임피던스)에 있도록 제어하고, MRI 머신이 시료에 그러한 자극을 인가하고 있을 때 그의 제2 상태(저임피던스)에 있도록 제어하는 단계를 더 포함한다. 예를 들어, 커플러(801)가 스위치(820)인 경우, 단계 904는, 전술한 바와 같이 컨트롤러(140)로부터의 제어 신호(821)로 스위치(820)를 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 다른 예로서, 커플러(801)가 반도체 패치(810)인 경우, 단계 904는 MRI 머신(100)으로부터의 전자기 자극을 보류함으로써 반도체 패치(810)를 제1 상태(고임피던스)에 있도록 제어하고, MRI 머신(100)으로부터 전자기 자극을 인가함으로써 반도체 패치(810)를 제2 상태(저임피던스)에 있도록 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 실시예들에서, MRI가 시료에 전자기 자극을 인가하고 있지 않을 때 커플러(801)는 고임피던스 상태에 있고(따라서, 단위 셀들(301)은 공명하고), MRI가 그러한 전자기 자극을 시료에 인가할 때 커플러(801)는 저임피던스 상태에 있다(따라서, 단위 셀들(301)은 사실상 공명하지 않는다).
다음은 본 명세서에서 사용되는 참조 번호들의 리스트이다.
99: 시료
100: 단면에서의 MRI 머신
101: 테이블
102: MRI 머신의 구멍
110: 주 계자 코일들
120: 보디 코일들
130: 시료 코일들
140: MRI 머신 컨트롤러
150: 컴퓨터
151: 컴퓨터 통신 링크
300: 공명기 어레이
301: 단위 셀
302: 단위 셀의 상부
303: 단위 셀의 중간
310: X-피치
311: Y-피치
400: 공명기의 응답
401: 중심 주파수
402: 3dB 더 높은 포인트
403: 3dB 더 낮은 포인트
405: 잡음 레벨
410: 주파수 델타
450: MRI 머신의 작업 주파수 아래의 주파수
452: MRI 머신의 작업 주파수
454: MRI 머신의 작업 주파수 위의 주파수
460: MRI 머신의 작업 주파수 아래의 주파수로 튜닝된 어레이의 공명 응답
461: MRI 머신의 작업 주파수 아래의 주파수로 튜닝된 어레이의 공명 주파수
462: MRI 머신의 작업 주파수로 튜닝된 어레이의 공명 응답
463: MRI 머신의 작업 주파수로 튜닝된 어레이의 공명 주파수
464: MRI 머신의 작업 주파수 위의 주파수로 튜닝된 어레이의 공명 응답
465: MRI 머신의 작업 주파수 위의 주파수로 튜닝된 어레이의 공명 주파수
500: 나선형 공명기
501: 공명기의 상단부
502: 공명기의 하단부
503: 공명기의 내부
510: 도체
511: 도체의 단부
512: 전기 절연성 커버링
513: 턴
515: 도체 갭
520: 코어
521: 코어 외경
522: 코어 내경
523: 코어의 외부 표면
525: 코어 높이
530: 홈
550: 추가적인 리액턴스
560: 접시
561: 결합 루프
565: 물
566: 물의 표면
567: 건조 공명 주파수(Dry resonant frequency)
568: 10% 물 공명 주파수
569: 20% 물 공명 주파수
600: BC-SRR 공명기
601: BC-SRR의 상면
602: BC-SRR의 하면
610: 제1 분할-링 공명기
611: 제1 갭
612-613: 제1 갭의 대향 단부들
620: 제2 분할-링 공명기
621: 제2 갭
650: 고유전율 기판
700: 가요성 기판
799: 시료의 팔다리
801: 커플러
802: 나선형 코일의 내부
810: 반도체 패치
820: 스위치
전술한 발명들의 실시예들은 단지 예시적인 것으로 의도되며; 본 기술 분야의 기술자들에게는 다수의 변경들 및 수정들이 명백할 것이다. 모든 그러한 변경들 및 수정들은 첨부된 청구항들에 정의된 바와 같은 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 의도된다.

Claims (40)

  1. 수신된 신호들의 신호 대 잡음비를 개선함으로써, 작업 주파수에 의해 특성화된 MRI 머신의 동작을 개선하기 위한 장치로서,
    단위 셀들의 어레이
    를 포함하고, 상기 어레이는, 상기 MRI 머신이 시료를 이미징할 때 상기 MRI 머신의 구멍 내에 상기 구멍 내의 시료와 함께 배치되도록 크기가 정해지고, 상기 시료에 의해 방출된 신호들의 신호 대 잡음비를 증가시키도록 수동 동작이 가능하며,
    각각의 단위 셀은 공명 주파수를 갖고,
    상기 어레이는 상기 작업 주파수에서 또는 그 근처에서 공명 주파수를 갖고,
    상기 단위 셀들은 서로 자기적으로 결합하도록 구성되며,
    상기 어레이는 그의 공명 주파수가 상기 단위 셀들 사이의 간격을 변경함으로써 튜닝될 수 있도록 구성되는, 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단위 셀들은 낮은 유전 상수의 공명기들인, 장치.
  3. 제1항에 있어서, 각각의 단위 셀은 광면-결합형 분할-링 공명기를 포함하는, 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 단위 셀들은 개방루프 코일들인, 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 단위 셀들은 간격에 의해 서로 분리된 나선형 코일들이며, 상기 어레이는 그의 공명 주파수가 상기 나선형 코일들 사이의 상기 간격을 변경함으로써 튜닝될 수 있도록 구성되는, 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 단위 셀들은 상기 신호의 자기장을 증폭시키지만, 상기 신호의 전기장을 증폭시키지 않도록 구성되는, 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 어레이의 상기 공명 주파수는 상기 MRI 머신의 작업 주파수와 다른, 장치.
  9. 제1항에 있어서, 각각의 단위 셀은 2개의 단부를 갖는 코일을 포함하며, 각각의 단위 셀은 상기 2개의 단부 사이에 전기적으로 결합된 커패시터를 더 포함하는, 장치.
  10. 제1항에 있어서, 각각의 단위 셀은 2개의 단부를 갖는 코일을 포함하며, 각각의 단위 셀은 상기 2개의 단부 사이에 전기적으로 결합된 인덕터를 더 포함하는, 장치.
  11. 제1항에 있어서, 각각의 단위 셀은:
    2개의 단부를 갖는 코일, 및 상기 2개의 단부 사이에 결합된 제어 가능 가변 임피던스를 갖는 커플러
    를 포함하고; 각각의 단위 셀은, 상기 커플러가 제1 임피던스 상태에 있을 때 제1 공명 주파수를 갖고, 상기 커플러가 제2 임피던스 상태에 있을 때 제2 공명 주파수를 갖는, 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 커플러는, 상기 MRI 머신에 의해 전송된 RF 에너지에 응답하여 상기 제1 임피던스 상태로부터 상기 제2 임피던스 상태로 변하여, 상기 단위 셀이 사실상 공명하지 않게 하기 위해 상기 단위 셀의 상기 공명 주파수를 상기 MRI 머신의 상기 작업 주파수로부터 떨어지게 시프트시키도록 구성된 반도체 패치인, 장치.
  13. 제11항에 있어서, 상기 커플러는, 상기 MRI 머신으로부터의 신호에 응답하여 상기 제1 임피던스 상태로부터 상기 제2 임피던스 상태로 변하여, 상기 단위 셀의 상기 공명 주파수를 상기 MRI 머신의 상기 작업 주파수로부터 떨어지게 시프트시키도록 구성된 스위치인, 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 단위 셀은:
    코어; 및
    상기 코어 주위에 감긴 개방루프 코일
    을 포함하는, 장치.
  15. 시료의 자기 공명 이미징 방법으로서,
    구멍 및 작업 주파수를 갖는 MRI 머신을 제공하는 단계;
    상기 시료를 상기 구멍 내에 배치하는 단계;
    상기 시료를 갖는 상기 구멍 내에 단위 셀들의 어레이를 배치하는 단계로서, 상기 단위 셀들은 서로 자기적으로 결합하도록 구성되고, 상기 어레이는, 상기 MRI 머신이 상기 시료를 이미징할 때 상기 MRI 머신의 구멍 내에 상기 구멍 내의 시료와 함께 배치되도록 크기가 정해지고, 상기 시료에 의해 방출된 신호들의 신호 대 잡음비를 증가시키도록 수동 동작이 가능하며,
    각각의 단위 셀은 공명 주파수를 갖고,
    상기 어레이는 상기 작업 주파수에서 또는 그 근처에서 공명 주파수를 갖는, 단계; 및
    상기 MRI 머신을 동작시켜 상기 시료를 이미징하는 단계
    를 포함하고,
    상기 어레이는 그의 공명 주파수가 상기 단위 셀들 사이의 간격을 변경함으로써 튜닝될 수 있도록 구성되는, 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 MRI 머신은:
    (A) 64MHz의 작업 주파수를 갖는 1.5 테슬라 MRI 머신이고, 상기 어레이의 상기 공명 주파수는 64MHz의 5 퍼센트 이내; 또는
    (B) 128MHz의 작업 주파수를 갖는 3 테슬라 MRI 머신이고, 상기 어레이의 상기 공명 주파수는 128MHz의 5 퍼센트 이내
    중 하나인, 방법.
  17. 수신된 신호들의 신호 대 잡음비를 개선함으로써, 구멍을 갖고 작업 주파수에 의해 특성화된 MRI 머신의 동작을 개선하기 위한 장치로서,
    단위 셀들의 어레이
    를 포함하고, 상기 어레이는 MRI 머신의 상기 구멍 내에 끼워지도록 크기가 정해지고, 시료에 의해 방출된 신호들의 신호 대 잡음비를 증가시키도록 수동 동작이 가능하며;
    각각의 단위 셀은 상기 MRI 머신에 의해 인가된 신호에 응답하여 공명하기 위한 수단을 포함하고;
    상기 어레이는 상기 MRI 머신의 상기 작업 주파수에서 공명 주파수를 갖고, 상기 어레이는 그의 공명 주파수가 상기 단위 셀들 사이의 간격을 변경함으로써 튜닝될 수 있도록 구성되며,
    상기 단위 셀들은 서로 자기적으로 결합하도록 배치되며,
    상기 어레이는 상기 MRI 머신에 의해 측정된 상기 신호들에서 적어도 50의 신호 대 잡음비 증가를 생성하는, 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 공명하기 위한 수단은 개방루프 나선형 공명기를 포함하는, 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 개방루프 나선형 공명기는 2개의 단부를 갖는 코일, 및 상기 2개의 단부 사이에 결합된 제어 가능 가변 임피던스를 갖는 커플러를 포함하고, 각각의 단위 셀은, 상기 커플러가 제1 임피던스 상태에 있을 때 제1 공명 주파수를 갖고, 상기 커플러가 제2 임피던스 상태에 있을 때 제2 공명 주파수를 갖는, 장치.
  20. 제17항에 있어서, 상기 공명하기 위한 수단은 광면-결합형 분할-링 공명기를 포함하는, 장치.
  21. 수신된 신호들의 신호 대 잡음비를 개선함으로써, 작업 주파수에 의해 특성화된 MRI 머신의 동작을 개선하기 위한 수동형 장치로서,
    단위 셀들의 어레이
    를 포함하고, 상기 어레이는, 상기 MRI 머신이 시료를 이미징할 때 상기 MRI 머신의 구멍 내에 상기 구멍 내의 시료와 함께 배치되도록 크기가 정해지고,
    상기 단위 셀들은, 광면-결합형 분할-링 공명기들, 개방루프 코일들 및 나선형 코일들로 이루어지는 그룹으로부터 선택되고,
    각각의 단위 셀은 공명 주파수를 갖고,
    상기 어레이는 상기 작업 주파수에서 또는 그 근처에서 공명 주파수를 갖고, 상기 어레이는 그의 공명 주파수가 상기 단위 셀들 사이의 간격을 변경함으로써 튜닝될 수 있도록 구성되며,
    상기 단위 셀들은 서로 자기적으로 결합하도록 구성되며,
    상기 어레이는, 상기 시료에 의해 방출되고 상기 MRI 머신에 의해 측정된 상기 신호들에서 적어도 50의 신호 대 잡음비를 생성하는, 장치.
  22. 제21항에 있어서, 상기 단위 셀들은 낮은 유전 상수의 공명기들인, 장치.
  23. 제21항에 있어서, 각각의 단위 셀은 광면-결합형 분할-링 공명기를 포함하는, 장치.
  24. 삭제
  25. 제21항에 있어서, 상기 단위 셀들은 개방루프 코일들인, 장치.
  26. 제21항에 있어서, 상기 단위 셀들은 간격에 의해 서로 분리된 나선형 코일들이며, 상기 어레이는 그의 공명 주파수가 상기 나선형 코일들 사이의 상기 간격을 변경함으로써 튜닝될 수 있도록 구성되는, 장치.
  27. 제21항에 있어서, 상기 단위 셀들은 상기 신호의 자기장을 증폭시키지만, 상기 신호의 전기장을 증폭시키지 않도록 구성되는, 장치.
  28. 제21항에 있어서, 상기 어레이의 상기 공명 주파수는 상기 MRI 머신의 작업 주파수와 다른, 장치.
  29. 제21항에 있어서, 각각의 단위 셀은 2개의 단부를 갖는 코일을 포함하며, 각각의 단위 셀은 상기 2개의 단부 사이에 전기적으로 결합된 커패시터를 더 포함하는, 장치.
  30. 제21항에 있어서, 각각의 단위 셀은 2개의 단부를 갖는 코일을 포함하며, 각각의 단위 셀은 상기 2개의 단부 사이에 전기적으로 결합된 인덕터를 더 포함하는, 장치.
  31. 제21항에 있어서, 각각의 단위 셀은:
    2개의 단부를 갖는 코일, 및 상기 2개의 단부 사이에 결합된 제어 가능 가변 임피던스를 갖는 커플러
    를 포함하고; 각각의 단위 셀은, 상기 커플러가 제1 임피던스 상태에 있을 때 제1 공명 주파수를 갖고, 상기 커플러가 제2 임피던스 상태에 있을 때 제2 공명 주파수를 갖는, 장치.
  32. 제31항에 있어서, 상기 커플러는, 상기 MRI 머신에 의해 전송된 RF 에너지에 응답하여 상기 제1 임피던스 상태로부터 상기 제2 임피던스 상태로 변하여, 상기 단위 셀이 사실상 공명하지 않게 하기 위해 상기 단위 셀의 상기 공명 주파수를 상기 MRI 머신의 상기 작업 주파수로부터 떨어지게 시프트시키도록 구성된 반도체 패치인, 장치.
  33. 제31항에 있어서, 상기 커플러는, 상기 MRI 머신으로부터의 신호에 응답하여 상기 제1 임피던스 상태로부터 상기 제2 임피던스 상태로 변하여, 상기 단위 셀의 상기 공명 주파수를 상기 MRI 머신의 상기 작업 주파수로부터 떨어지게 시프트시키도록 구성된 스위치인, 장치.
  34. 제21항에 있어서, 상기 단위 셀은:
    코어; 및
    상기 코어 주위에 감긴 개방루프 코일
    을 포함하는, 장치.
  35. 시료의 자기 공명 이미징 방법으로서,
    구멍 및 작업 주파수를 갖는 MRI 머신을 제공하는 단계;
    상기 시료를 상기 구멍 내에 배치하는 단계;
    상기 시료를 갖는 상기 구멍 내에 단위 셀들의 수동형 어레이를 배치하는 단계로서, 상기 어레이는, 상기 MRI 머신이 상기 시료를 이미징할 때 상기 MRI 머신의 구멍 내에 상기 구멍 내의 시료와 함께 배치되도록 크기가 정해지고,
    상기 단위 셀들은, 광면-결합형 분할-링 공명기들, 개방루프 코일들 및 나선형 코일들로 이루어지는 그룹으로부터 선택되고;
    각각의 단위 셀은 공명 주파수를 갖고,
    상기 어레이는 상기 작업 주파수에서 또는 그 근처에서 공명 주파수를 갖는, 단계; 및
    상기 MRI 머신을 동작시켜 상기 시료를 이미징하는 단계
    를 포함하고,
    상기 어레이는 그의 공명 주파수가 상기 단위 셀들 사이의 간격을 변경함으로써 튜닝될 수 있도록 구성되는, 방법.
  36. 제35항에 있어서, 상기 MRI 머신은:
    (A) 64MHz의 작업 주파수를 갖는 1.5 테슬라 MRI 머신이고, 상기 어레이의 상기 공명 주파수는 64MHz의 5 퍼센트 이내; 또는
    (B) 128MHz의 작업 주파수를 갖는 3 테슬라 MRI 머신이고, 상기 어레이의 상기 공명 주파수는 128MHz의 5 퍼센트 이내
    중 하나인, 방법.
  37. 수신된 신호들의 신호 대 잡음비를 개선함으로써, 구멍을 갖고 작업 주파수에 의해 특성화된 MRI 머신의 동작을 개선하기 위한 수동형 장치로서,
    단위 셀들의 어레이
    를 포함하고, 상기 어레이는 MRI 머신의 상기 구멍 내에 끼워지도록 크기가 정해지고;
    각각의 단위 셀은 공명하기 위한 수단을 포함하고, 상기 수단은 광면-결합형 분할-링 공명기들, 개방루프 코일들 및 나선형 코일들로 이루어지는 그룹으로부터 선택되고;
    상기 어레이는 상기 MRI 머신의 상기 작업 주파수에서 공명 주파수를 갖고, 상기 어레이는 그의 공명 주파수가 상기 단위 셀들 사이의 간격을 변경함으로써 튜닝될 수 있도록 구성되며,
    상기 단위 셀들은 서로 자기적으로 결합하도록 배치되며,
    상기 어레이는 상기 MRI 머신에 의해 측정된 상기 신호들에서 적어도 50의 신호 대 잡음비를 생성하는, 장치.
  38. 제37항에 있어서, 상기 공명하기 위한 수단은 개방루프 나선형 공명기를 포함하는, 장치.
  39. 제38항에 있어서, 상기 개방루프 나선형 공명기는 2개의 단부를 갖는 코일, 및 상기 2개의 단부 사이에 결합된 제어 가능 가변 임피던스를 갖는 커플러를 포함하고, 각각의 단위 셀은, 상기 커플러가 제1 임피던스 상태에 있을 때 제1 공명 주파수를 갖고, 상기 커플러가 제2 임피던스 상태에 있을 때 제2 공명 주파수를 갖는, 장치.
  40. 제37항에 있어서, 상기 공명하기 위한 수단은 광면-결합형 분할-링 공명기를 포함하는, 장치.
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