KR102655930B1

KR102655930B1 - 필드프리 생성 장치, 나노 자성 입자 영상화 장치 및 방법

Info

Publication number: KR102655930B1
Application number: KR1020210053209A
Authority: KR
Inventors: 김진선; 정재찬; 홍효봉
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2020-09-24
Filing date: 2021-04-23
Publication date: 2024-04-11
Also published as: KR20220040977A

Abstract

실시예는 3차원 소형 자석 어레이를 이용한 나노 자성 입자 영상화 장치가 개시된다. 실시예에 따른 필드프리 생성 장치는, 측정 헤드가 이격 영역 내에 삽입되도록 일 측면에 개구가 형성된 육면체의 하우징이 형성되고, 하우징에서 일 측면에 수직한 네 측면들 중 마주하는 두 측면들에 각각에 설치되는 한 쌍의 사각 자석들 및 하우징의 일측면 및 일측면에 마주보는 다른 측면 각각에 복수의 소형 자석 들이 개구의 가장 자리에 배열된 한 쌍의 자석 어레이들이 설치될 수 있다.

Description

필드프리 생성 장치, 나노 자성 입자 영상화 장치 및 방법{Apparatus for generating Field Free, Apparatus and Method for Nano Magnetic Particle Image}

기재된 실시예는 시료에 포함된 특정 물체에 대한 영상화 기술에 관한 것으로, 특히 나노 자성 입자(Nano Magnetic Particle, NMP) 물질의 공간상의 분포를 영상화하는 기술에 관한 것이다.

초상자성입자(Superparamagnetic iron oxide nano particle, SPIOs)를 이용한 자성 입자 영상화(Magnetic Particle Imaging, MPI)는 PET(Positron Emission Tomography)를 대체하는 의료 영상 장비의 기술로써 2005년 원리가 발표 이후에 많은 연구 개발이 진행되고 있는 차세대 의료 영상 기법이다.

이는 3차원 공간으로 확장 가능한 MPI 장비를 만들기 위해서는 공간의 지점, 선, 면에서 자기장의 세기가 0(zero)에 가까운 필드프리 영역인 필드프리 포인트(Field Free Point, FFP) 또는 필드프리 라인(Field Free Line, FFP)을 생성할 필요가 있다. 여기서, FFP 또는 FFL에서 자기장의 기울기가 급격하면 급격할수록 해상도가 좋아지기 때문에 공간상에 이러한 영역을 생성하는 것이 MPI에서 핵심 기술이다.

그런데, 현재까지 제안된 방법은 다른 모든 전자기장 생성 방법과 마찬가지로 크게 전자석을 이용하는 방법과 영구자석을 이용하는 방법의 두 가지로 나눌 수 있다.

이중, 전자석을 이용하는 방법은 전류의 세기와 코일의 위치를 가지고 전자기자의 발생 위치를 제어할 수 있다. 하지만 현재까지 상용화되어 있거나 연구용으로 제작된 전자석 기반의 MPI 장비는 수십~수백 Kw까지 전력을 소모함에도 불구하고 실험용 마우스와 같이 비교적 매우 작은 시료 외에는 측정이 불가능하다는 단점이 있다.

한편, 영구 자석을 이용하는 방법은 전력 소모가 거의 없고 장비를 소형화할 수 있다는 장점에도 불구하고 FFL 또는 FFP를 생성하기 위해 대형 자석을 사용할 수 밖에 없다. 이러한 대형 자석은 제작하기도 어려울 뿐만 아니라 표면 자력의 세기가 고르지 못하다는 점과 아울러, 강한 자력으로 인하여 대형 안전 사고의 위험이 있고 실제 많은 사고가 발생 가능성이 있다.

미국 특허출원공개공보 US 2018-0335487호(2018.11.22), "Apparatus and methods for spatial encoding of ffl-based mpi devices"

실시예에 따라 대형 자석이 아닌 소형 자석들의 배열과 중형 크기의 사각자석을 이용하여 영구 자석을 이용한 MPI에서의 필드 프리 영역을 생성시켜, 대형 자석이 가지는 단점을 극복하는데 그 목적이 있다.

실시예에 따른 필드프리 생성 장치는, 측정 헤드가 이격 영역 내에 삽입되도록 일 측면에 개구가 형성된 육면체의 하우징이 형성되고, 하우징에서 일 측면에 수직한 네 측면들 중 마주하는 두 측면들에 각각에 설치되는 한 쌍의 사각 자석들 및 하우징의 일측면 및 일측면에 마주보는 다른 측면 각각에 복수의 소형 자석 들이 개구의 가장 자리에 배열된 한 쌍의 자석 어레이들이 설치될 수 있다.

이때, 복수의 소형 자석들은, 개구 가장자리에 원형으로 배열될 수 있다.

이때, 필드프리 영역은, 필드프리 점(Field Free Point, FFP) 또는 필드프리 라인(Field Free Line, FFL)일 수 있다.

실시예에 따른 필드프리 생성 장치는, 한 쌍의 사각 자석들을 선형 이동 또는 회전시키는 제1 구동부를 더 포함할 수 있다.

실시예에 따른 나노 자성 입자 영상화 장치는, 나노 자성 입자를 포함하는 시료가 수용되는 관통공이 형성되고, 여기 코일 및 검출 코일이 설치되는 측정헤드, 대면하는 동일한 자기극들간의 이격 영역 내에 자기장이 희박한 필드프리 영역을 형성하는 필드프리 생성부, 측정헤드가 필드프리 생성부의 이격 영역 내에 위치됨에 따라, 여기 코일에 신호를 인가하고, 필드프리 영역이 시료 내에서 이동되도록 제어하여, 검출 코일로부터 출력되는 검출 신호를 기반으로 시료에 포함된 나노 자성 입자의 3차원 위치 분포를 영상화하는 제어부를 포함하되, 필드프리 생성부는, 한 쌍의 사각 자석들 및 복수의 소형 자석들이 배열된 한 쌍의 자석 어레이들을 포함할 수 있다.

이때, 필드프리 생성부는, 측정 헤드가 이격 영역 내에 삽입되도록 일 측면에 개구가 형성된 육면체의 하우징을 포함하되, 하우징에서 일 측면에 수직한 네 측면들 중 마주하는 두 측면들에 각각에 한 쌍의 사각 자석들이 설치되고, 하우징의 일측면 및 일측면에 마주보는 다른 측면 각각에 복수의 소형 자석 들이 개구의 가장 자리에 배열된 한 쌍의 자석 어레이들이 설치될 수 있다.

이때, 필드프리 영역은, 필드프리 포인트(Field Free Point, FFP) 또는 필드프리 라인(Field Free Line, FFL)일 수 있다.

이때, 제어부는, 검출 신호를 기반으로 시료의 단면에 포함된 나노 자성 입자의 2차원 위치 분포인 2차원 영상을 생성하고, 서로 수평한 복수의 단면들에 상응하는 복수의 2차원 영상들을 합성하여 3차원 영상을 생성할 수 있다.

실시예에 따른 나노 자성 입자 영상화 장치는, 한 쌍의 사각 자석들을 선형 이동 또는 회전시키는 제1 구동부를 더 포함할 수 있다.

이때, 제어부는, 제1 구동부를 제어하여 한 쌍의 사각 자석들의 일 방향으로 선형 이동 및 일 방향과 소정 각도만큼 회전을 반복 수행하여, 필드프리 영역 이동에 따라 검출 신호로부터 출력된 신호로 사이노그램을 생성하고, 생성된 사이노그램을 역 라돈 변환하여 2차원 영상을 생성할 수 있다.

실시예에 따른 나노 자성 입자 영상화 장치는, 측정헤드를 필드프리 생성부의 개구를 통해 이격 영역으로 이동시키는 제2 구동부를 더 포함할 수 있다.

이때, 제어부는, 측정헤드를 시료의 단면에 수직한 방향으로 소정 단위 길이만큼 이동시키면서 2차원 영상을 생성을 반복할 수 있다.

실시예에 따른 나노 자성 입자 영상화 방법은, 나노 자성 입자를 포함하는 시료를 수용한 측정헤드에 설치된 여기 코일에 신호를 인가하는 단계 및 대면하는 동일한 자기극들간의 이격 영역 내에 발생하는 자기장이 희박한 필드프리 영역을 시료 내에서 이동시켜, 측정헤드의 검출 코일로부터 출력되는 검출 신호를 기반으로 시료에 포함된 나노 자성 입자의 3차원 위치 분포를 영상화하는 단계를 포함하되, 필드프리 영역은, 한 쌍의 사각 자석들 및 복수의 소형 자석들이 배열된 한 쌍의 자석 어레이들에 의해 생성될 수 있다.

이때, 한 쌍의 사각 자석들은, 측정 헤드가 이격 영역 내에 삽입되도록 일 측면에 개구가 형성된 육면체의 하우징에서 일 측면에 수직한 네 측면들 중 마주하는 두 측면들에 각각에 설치되고, 한 쌍의 자석 어레이들은, 하우징의 일측면 및 일측면에 마주보는 다른 측면 각각에 복수의 소형 자석들이 개구의 가장 자리에 배열될 수 있다.

이때, 복수의 소형 자석들은, 개구 가장자리에 원형으로 배치될 수 있다.

이때, 3차원 위치 분포를 영상화하는 단계는, 검출 신호를 기반으로 시료의 단면에 포함된 나노 자성 입자의 2차원 위치 분포인 2차원 영상을 생성하는 단계 및 서로 수평한 복수의 단면들에 상응하는 복수의 2차원 영상들을 합성하여 3차원 영상을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.

이때, 2차원 영상을 생성하는 단계는, 한 쌍의 사각 자석들을 일 방향으로 선형 이동시키거나, 일 방향과 소정 각도를 가지도록 회전시키면서, 필드프리 영역 이동에 따라 검출 신호로부터 출력된 신호로 사이노그램을 생성하고, 생성된 사이노그램을 역 라돈 변환하여 2차원 영상을 생성할 수 있다.

이때, 2차원 영상을 생성하는 단계는, 측정헤드를 시료의 단면에 수직한 방향으로 소정 단위 길이만큼 이동시키면서 반복될 수 있다.

실시예에 따라, 소형 자석들을 이용한 공간 구성의 자유도가 증가하여 시료를 필드 프리 영역에 위치시키기가 용이해진다. 즉, 종래에는 필드프리 영역을 생성하기 위해 대형 영구 자석 쌍이나 코일 쌍이 사용되어 왔다. 그런데, 사각형 영구자석의 경우 필드 프리 영역 부근에 시료를 위치시키려 할 경우 시료를 삽입하는 영역의 확보가 어려웠다. 실시예에 따른 필드 프리 발생 장치는 시료 삽입부에 일정한 크기의 윈도우(Window)를 제공하여 시료의 움직임에 자유도를 크게 할 수 있다.

실시예에 따라, 자석의 크기가 줄어 자기장 세기의 편차가 줄어든다. 즉, 기존에는 필드프리 영역을 발생시키기 위해 대형 자석을 이용하는 경우, 균일한 자기장 세기를 갖는 자석을 확보하는 것이 어려웠다. 이는 자석의 크기가 커질수록 균일한 자기장 세기를 갖는 자석을 만드는 것이 현저히 어려워지기 때문이다. 실시예에 따른 소형 자석들의 배열로 이루어진 할바흐 어레이(Halbach array) 자석 기반의 필드 프리 발생 장치는 균일한 자기장을 발생시키는 자석을 확보하기가 용이하다.

실시예에 따라, 대면적 자석에 비해 더 적은 무게로 더 강한 필드프리 자기장 구배를 생성할 수 있다. 즉, MPI 기술에서 해상도는 필드 프리의 자기장 기울기에 비례한다. MPI 기술에서 FOV가 커질수록 높은 필드프리 영역을 얻기 위해서는 매우 큰 자석을 사용하거나, 매우 높은 전류를 코일에 인가하여 필드프리 영역을 발생시켜야 했다. 실시예에 따른 소형 자석들의 배열로 이루어진 할바흐 어레이(Halbach array) 자석 기반의 필드 프리 생성 장치를 사용할 경우 상대적으로 가벼우면서 전임상 연구에서 요구하는 수준의 강한 필드 프리 영역을 발생시킬 수 있다.

실시예에 따라, 고비용의 전력 공급이나 불필요한 발열없이 필드 프리 영역을 형성할 수 있다. 즉, 기존에 필드 프리 영역을 생성하기 위해 코일 쌍을 사용할 경우 영구자석에 대응될 만큼의 강한 자기장을 형성하기 위해서는 통상적으로 매우 높은 전력이 요구되었다. 따라서, 고비용의 전력 공급이 요구되고, 상당한 열이 코일에서 발생하였다. 실시예에 따라, 소형 자석들의 조합으로 필드 프리 영역을 형성하면 전력 공급 비용 및 열의 발생을 감소시킬 수 있다.

실시예에 따라, 작은 자석들의 배열을 통해, 더 높은 분해능의 MPI 장비를 더 가볍고, 작고, 저렴하게 제작할 수 있다. 즉, 자석의 크기가 50mm x 50mm의 초과되는 경우 상용 자석(자석 전문 도소매 업체를 통해서 직접 구매 가능한 자석)을 구하기 어려우며, 자석 제작 공장에 요청하여 제작을 의뢰해야 해서 상용 자석을 이용하는 경우와 비교하였을 때 비용이 수배에서 수십 배로 폭증한다.

도 1은 실시예에 따른 나노 자성 입자 영상화 장치의 개략적인 블록 구성도이다.
도 2는 실시예에 따른 나노 자성 입자 영상화 장치의 구조의 예시도이다.
도 3은 실시예에 따른 필드프리 생성부의 하우징의 일면 예시도이다.
도 4는 실시예에 따른 필드프리 생성부의 사각 자석 및 소형 자석 어레이 배치도이다.
도 5는 실시예예 따른 필드프리 생성부의 사각 자석 및 소형 자석 어레이 배치에 따른 자기장 방향 예시도이다.
도 6은 실시예에 따른 필드프리 생성부의 사각 자석 및 소형 자석 어레이 배치에 따른 필드프리 생성 예시도이다.
도 7은 실시예에 따른 나노 자성 입자 영상화 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 8 내지 12는 실시예에 따라 한 쌍의 사각 자석들이 일 방향으로 이동함에 따른 필드프리 라인의 이동을 도시한 도면이다.
도 13 내지 22은 실시예에 따라 한 쌍의 사각 자석들이 회전함에 따른 필드프리 라인의 회전을 도시한 도면이다.
도 23 내지 도 26은 실시예에 따른 필드프리 생성부가 적용된 소형 MPI 스캐너의 성능 예시도이다.
도 27 내지 도 30은 실시예에 따른 필드프리 생성부가 적용된 뇌 MPI 스캐너의 구조 예시도이다.
도 31는 실시예에 따른 컴퓨터 시스템 구성을 나타낸 도면이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

비록 "제1" 또는 "제2" 등이 다양한 구성요소를 서술하기 위해서 사용되나, 이러한 구성요소는 상기와 같은 용어에 의해 제한되지 않는다. 상기와 같은 용어는 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용될 수 있다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 또는 단계가 하나 이상의 다른 구성요소 또는 단계의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다는 의미를 내포한다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

이하에서는, 도 1 내지 도 19를 참조하여 실시예에 따른 필드프리 생성 장치, 나노 자성 입자 영상화 장치 및 방법이 상세히 설명된다.

도 1은 실시예에 따른 나노 자성 입자 영상화 장치의 개략적인 블록 구성도이고, 도 2는 실시예에 따른 나노 자성 입자 영상화 장치의 구조의 예시도이다.

도 1을 참조하면, 실시예에 따른 나노 자성 입자 영상화 장치(1)는 측정헤드(110), 필드프리 생성부(120), 제어부(130), 제1 구동부(140) 및 제2 구동부(150)를 포함할 수 있다.

측정헤드(110)는 나노 자성 입자를 포함하는 시료가 수용되는 관통공이 형성되고, 여기 코일(Excitation Coil)(111) 및 검출 코일(Detection Coil)(112)이 설치된다. 이때, 여기 코일(111)은 나노 자성 입자가 포함된 시료가 삽입된 측정헤드(110)에서 자기장을 발생시킨다. 이때, 검출 코일(112)는 측정헤드(110)의 관통공 내부에 존재하는 시료로부터 검출 신호를 획득할 수 있다.

필드프리 생성부(120)는 대면하는 동일한 자기극들간의 이격 영역 내에 자기장이 희박한 필드프리 영역을 형성한다.

여기서, 자성 입자 영상화(Magnetic Particle Imaging, MPI)에서 신호 획득의 기본 원리는 나노 자성 입자(Nano Magnetic Particle, NMP)이 구배 자기장(Gradient Magnetic Field) 내에서 가지는 비선형적인 자성 특성으로 인한 고조파(Harmonic) 신호를 기반으로 하고 있다. 이때, 두 개의 동일한 자기극을 마주보게 하여 비선형 자화 현상이 발생되지 않고 포화(Saturation)되도록 하여, 이격 영역의 소정 영역에 자기장이 희박한 영역을 생성한다. 부연 설명하면, 필드프리 영역을 공간상에서 이동시켜 고조파(Harmonic) 신호가 발생되는 공간상의 위치를 이용하여 영상화가 이루어진다.

실시예에 따라, 필드프리 생성부(120)는, 한 쌍의 사각 자석들 및 복수의 소형 자석들이 배열된 한 쌍의 자석 어레이들을 포함하여, 높은 자기 경사를 가지는 FFL을 형성할 수 있다.

즉, 전술한 바와 같이 실시예는 종래의 자성 마그네틱 이미징 시스템에서의 문제점인 전력 소모 및 장비 설계의 복잡도를 해결하기 위해, 영구 자석을 기반으로 FFL을 생성하되, 이때 영구 자석을 할바흐 어레이(Hallbach array)로 대체하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 할바흐 어레이(Hallbach array)는, 다수의 소형 자석들을 소정 어레이 형태로 배열된 것으로, 자기장의 세기와 방향을 조절될 수 있다.

제어부(130)는 구성 요소들을 제어하여 나노 자성 입자 영상화의 전체 과정을 제어한다. 여기서, 제어부(130)는 프로세서(processor)와 같이 데이터를 처리할 수 있는 모든 종류의 장치를 포함할 수 있다. 여기서, '프로세서(processor)'는, 예컨대 프로그램 내에 포함된 코드 또는 명령으로 표현된 기능을 수행하기 위해 물리적으로 구조화된 회로를 갖는, 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치를 의미할 수 있다.

실시예에 따라, 제어부(130)는 측정헤드(110)가 필드프리 생성부(120)의 관통 영역 내에 위치됨에 따라, 여기 코일(111)에 신호를 인가하고, 필드프리 영역이 시료 내에서 이동되도록 제어하여, 검출 코일(112)로부터 출력되는 검출 신호를 기반으로 시료에 포함된 나노 자성 입자의 3차원 위치 분포를 영상화할 수 있다. 실시예에 따라, 제어부(130)는 FFP 또는 FFL이 지속적으로 이동되도록 제어하여, 시료가 FFP 또는 FFL에 중첩하면서 검출된 검출 신호들을 정렬하여 나타냄으로써 나노 자성 입자에 상응하는 3차원 영상 정보를 획득할 수 있다. 예컨대, 3차원 영상 정보는 등고선(contour plot) 형태의 입체적인 영상 정보를 포함할 수 있다.

이때, 제어부(130)는, 검출 신호를 기반으로 시료의 단면에 포함된 나노 자성 입자의 2차원 위치 분포인 2차원 영상을 생성하고, 서로 수평한 복수의 단면들에 상응하는 복수의 2차원 영상들을 합성하여 3차원 영상을 생성할 수 있다. 이때, 시료의 단면은 예컨대, 도 2에 도시된 XY 평면과 평행할 수 있다.

이때, 제어부(130)는, 필드프리 영역을 시료의 단면에서 일 방향으로 선형 이동시킨 후, 필드프리 영역을 일 방향과 소정 단위 각도를 가지는 다른 방향으로 선형 이동시키되, 필드프리 영역 이동에 따라 검출 신호로부터 출력된 신호로 사이노그램(Sinogram)을 생성하고, 생성된 사이노그램을 역 라돈 변환(Inverse Radon Transformation)하여 2차원 영상을 생성할 수 있다.

이때, 사이노그램(Sinogram)이란 한 방향에서 획득한 투사 데이터를 투사 방향에 따라 순차적으로 배열한 것으로서 각 행이 갖는 화소값들은 해당 프로파일의 해당 위치에서의 크기(amplitude)와 같다. 이러한 사이노그램(Sinogram)은 주지된 기술로 상세한 설명을 생략하기로 한다. 또한, 역 라돈 변환(inverses radon transform)은 CT 등에서 널리 사용되는 사이노그램을 이용한 2차원 영상 생성 기법으로 "Kak, A. C., and M. Slaney, Principles of Computerized Tomographic Imaging, New York, NY, IEEE Press, 1988"에 공지된 기술이므로, 여기서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.

예컨대, 도 2를 참조하면, 필드프리 영역은 XY 평면에서 소정 단위 각도만큼 회전하거나, 회전된 상태에서 선형 이동될 수 있다. 이를 T-ROUND STAGE 이동이라 칭할 수 있다.

따라서, 실시예에 따른 나노 자성 입자 영상화 장치(1)는, 필드프리 생성부(120)를 회전 또는 선형 이동시키는 제1 구동부(140)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 제어부(130)는, 측정헤드(110)를 시료의 단면에 수직한 방향으로 소정 단위 길이만큼 이동시키면서 2차원 영상 생성을 반복할 수 있다. 즉, 측정헤드(110)가 Z축 방향으로 선형 이동됨에 따라, 필드프리 영역이 지나가는 단면들 각각에 대한 2차원 영상들이 획득될 수 있다.

이를 위해, 실시예에 따른 나노 자성 입자 영상화 장치(1)는, 측정헤드(110)를 필드프리 생성부(120)의 이격 영역으로 이동시키는 제2 구동부(150)를 포함할 수 있다.

다음으로, 실시예에 따른 필드프리 생성부(120)에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 실시예에 따른 필드프리 생성부의 하우징의 일면 예시도이고, 도 4는 실시예에 따른 필드프리 생성부의 사각 자석 및 소형 자석 어레이 배치도이고, 도 5는 실시예예 따른 필드프리 생성부의 사각 자석 및 소형 자석 어레이 배치에 따른 자기장 방향 예시도이고, 도 6은 실시예에 따른 필드프리 생성부의 사각 자석 및 소형 자석 어레이 배치에 따른 필드프리 생성 예시도이다.

도 3을 참조하면, 필드프리 생성부(120)는, 측정 헤드가 이격 영역 내에 삽입되도록 일 측면에 개구(123)가 형성된 육면체의 하우징을 포함한다.

하우징에서 일 측면에 수직한 네 측면들 중 마주하는 두 측면들에 각각에 한 쌍의 사각 자석들(121a, 121b)이 설치되고, 하우징의 일측면 및 일측면에 마주보는 다른 측면 각각에 복수의 소형 자석들을 개구의 가장 자리에 배열된 한 쌍의 자석 어레이들(122a)이 설치될 수 있다.

실시예에 따라, 도 4에 도시된 바와 같이 복수의 소형 자석들(122a, 122b)은, 개구 가장자리에 링 구조으로 배열될 수 있다. 이로써, 필드프리 영역에 나노 자성 입자를 위한 이미징 샘플이 삽입될 수 있는 통로가 형성될 수 있다.

이때, 한 쌍의 사각 자석들(121a, 121b) 및 한 쌍의 소형 자석 어레이들(122a, 122b)은, 네오듐 마그넷(NEODIUM magnet)(n 30 grade)일 수 있다. 그러나, 이는 일 예일 뿐, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 즉, 소형 자석들은 자성이 더 센 자석이 사용될 수 있는데, 자성의 세기에 비례하여 더 사프(sharp)한 필드프리가 획득될 수 있다.

이때, 한 쌍의 사각 자석들(121a, 121b) 및 한 쌍의 소형 자석 어레이들(122a, 122b)는 도 5에 도시된 바와 같은 자기장을 형성할 수 있다. 이때, 자석의 자화 방향은 한 쌍의 소형 자석 어레이들(122a, 122b)은 k=0일 수 있다.

또한, 한 쌍의 사각 자석들(121a, 121b) 및 한 쌍의 소형 자석 어레이들(122a, 122b)에 의해 형성된 자기장에 따라 도 6에 도시된 시뮬레이션 영상과 같은 필드프리가 생성될 수 있다.

전술한 바와 같이 한 쌍의 사각 자석들(121a, 121b) 및 한 쌍의 소형 자석 어레이들(122a, 122b)의 내부 중심으로 필드프리 영역이 형성될 수 있다.

또한, 실시예에 따라, 한 쌍의 소형 자석 어레이들(122a, 122b)은 고정되고, 제1 구동부(140)에 의해 한 쌍의 사각 자석들(121a, 121b)이 일 방향으로 선형 이동 및 일 방향과 소정 각도 만큼 회전시킬 수 있다. 즉, MPI 이미징을 위한 필드프리 영역의 이동은 한 쌍의 사각 자석들(122a, 122b)를 XY 평면에서 좌우 및 만큼씩 180도 반복 회전하면서 필드프리 영역이 좌우 및 만큼 180도 회전되도록 할 수 있다.

도 7은 실시예에 따른 나노 자성 입자 영상화 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

도 7을 참조하면, 실시예에 따른 나노 자성 입자 영상화 방법은, 나노 자성 입자를 포함하는 시료를 수용한 측정헤드에 설치된 여기 코일에 신호를 인가하는 단계(S210) 및 대면하는 동일한 자기극들 간의 이격 영역 내에 발생하는 자기장이 희박한 필드프리 영역을 시료 내에서 이동시켜, 측정헤드의 검출 코일로부터 출력되는 검출 신호를 기반으로 시료에 포함된 나노 자성 입자의 3차원 위치 분포를 영상화하는 단계(S220~S230)를 포함할 수 있다.

이때, 3차원 위치 분포를 영상화하는 단계(S220~S230)는, 검출 신호를 기반으로 시료의 단면에 포함된 나노 자성 입자의 2차원 위치 분포인 2차원 영상을 생성하는 단계(S220) 및 서로 수평한 복수의 단면들에 상응하는 복수의 2차원 영상들을 합성하여 3차원 영상을 생성하는 단계(S230)를 포함할 수 있다.

이때, 2차원 영상을 생성하는 단계(S220)에서, 한 쌍의 사각 자석들을 일 방향으로 선형 이동(도 8 내지 12 참조)시키거나, 일 방향과 소정 각도를 가지도록 회전(도 13 내지 도 22 참조)시키면서, 필드프리 영역 이동에 따라 검출 신호로부터 출력된 신호로 사이노그램을 생성하고, 생성된 사이노그램을 역 라돈 변환하여 2차원 영상을 생성할 수 있다.

도 8 내지 12는 실시예에 따라 한 쌍의 사각 자석들이 일 방향으로 이동함에 따른 필드프리 라인의 이동을 도시한 도면이다.

도 8을 참조하면, 필드프리 라인이 샘플 중앙에 위치하고 있는 상태에서, 한 쌍의 사각 자석들(122a, 122b)이 우측으로 이동함에 따라, 도 8 내지 12와 같이 필드프리 라인이 우측으로 1 step씩 점차적으로 이동됨이 도시되어 있다.

도 13 내지 22은 실시예에 따라 한 쌍의 사각 자석들이 회전함에 따른 필드프리 라인의 회전을 도시한 도면이다.

도 13를 참조하면, 필드프리 라인이 샘플 중앙에 위치하고 있는 상태에서, 한 쌍의 사각 자석들(122a, 122b)이 (예컨대, 20deg)만큼 반시계 방향으로 회전함에 따라, 도 13 내지 22와 같이 필드프리 라인도 만큼 반시계 방향으로 회전되어 180도 회전되는 것이 도시되어 있다.

전술한 바와 같은 실시예에 따른 필드 프리 생성부(120)는 소형 MPI 스캐너에 활용될 수 있다.

이때, 시료의 직경이 20mm이하인 샘플을 측정할 때, FFL의 경사장(gradient field)가 10T/m인 스캐너로 분해능이 1mm이하인 고분해능 스캐너로 활용 가능하다.

도 23 내지 도 26은 실시예에 따른 필드프리 생성부가 적용된 소형 MPI 스캐너의 성능 예시도이다.

도 23은 xy-plane 자기장 측정 결과이고, 도 24는 xz-plane 자기장 측정 결과이고, 도 25는 z축 자기 경사도 측정 결과(10T/m)이고, 도 26은 y축 자기 경사도 측정 결과(10T/m)를 나타낸다. 즉, 실시예에 따라, 임상연구에 필요한 자기 경사를(2T/m 이상) 가지는 FFL을 현실적인 조건으로 만들 수 있다.

한편, 실시예에 따른 필드 프리 생성부(120)는 사람 및 동물의 뇌를 스캔할 수 있는 MPI 장비 제작이 용이해질 수 있다.

도 27 내지 도 30은 실시예에 따른 필드프리 생성부가 적용된 뇌 MPI 스캐너의 구조 예시도이다.

도 27 내지 도 30에 도시된 바와 같이, 홀바흐 배열 자석의 안쪽에 사람의 뇌 및 기타 동물이 지나갈 수 있도록 하고 그에 맞는 사각 자석을 좌우에 배치하여, 사람 및 동물의 뇌를 스캔할 수 있는 장비를 개발할 수 있다. 이와 같은 방법으로 기타 다른 인체 부위를 스캔하는 장비로도 응용이 가능할 수 있다.

도 31은 실시예에 따른 컴퓨터 시스템 구성을 나타낸 도면이다.

실시예에 따른 제어부(130)는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체와 같은 컴퓨터 시스템(1000)에서 구현될 수 있다.

컴퓨터 시스템(1000)은 버스(1020)를 통하여 서로 통신하는 하나 이상의 프로세서(1010), 메모리(1030), 사용자 인터페이스 입력 장치(1040), 사용자 인터페이스 출력 장치(1050) 및 스토리지(1060)를 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨터 시스템(1000)은 네트워크(1080)에 연결되는 네트워크 인터페이스(1070)를 더 포함할 수 있다. 프로세서(1010)는 중앙 처리 장치 또는 메모리(1030)나 스토리지(1060)에 저장된 프로그램 또는 프로세싱 인스트럭션들을 실행하는 반도체 장치일 수 있다. 메모리(1030) 및 스토리지(1060)는 휘발성 매체, 비휘발성 매체, 분리형 매체, 비분리형 매체, 통신 매체, 또는 정보 전달 매체 중에서 적어도 하나 이상을 포함하는 저장 매체일 수 있다. 예를 들어, 메모리(1030)는 ROM(1031)이나 RAM(1032)을 포함할 수 있다.

이상에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims

측정 헤드가 이격 영역 내에 삽입되도록 일 측면에 개구가 형성된 육면체의 하우징이 형성되고,
하우징에서 일 측면에 수직한 네 측면들 중 마주하는 두 측면들에 각각에 설치되는 한 쌍의 사각 자석들; 및
하우징의 일측면 및 일측면에 마주보는 다른 측면 각각에 복수의 소형 자석 들이 개구의 가장 자리에 배열된 한 쌍의 자석 어레이들이 설치되되,
한 쌍의 자석 어레이들 각각은 육면체의 일측면 및 마주보는 다른 측면에 상응하는 위치에 이격 영역을 두고 배치되는, 것을 특징으로 하는 필드프리 생성 장치.
제1 항에 있어서, 복수의 소형 자석들은,
개구 가장자리에 원형으로 배열되는 것을 특징으로 하는 필드프리 생성 장치.
제 1항에 있어서, 필드프리 영역은,
필드프리 포인트(Field Free Point, FFP) 또는 필드프리 라인(Field Free Line, FFL)인 것을 특징으로 하는 필드프리 생성 장치.
제 1항에 있어서,
한 쌍의 사각 자석들을 선형 이동 또는 회전시키는 제1 구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 필드프리 생성 장치.
나노 자성 입자를 포함하는 시료가 수용되는 관통공이 형성되고, 여기 코일 및 검출 코일이 설치되는 측정헤드;
대면하는 동일한 자기극들간의 이격 영역 내에 자기장이 희박한 필드프리 영역을 형성하는 필드프리 생성부;
측정헤드가 필드프리 생성부의 이격 영역 내에 위치됨에 따라, 여기 코일에 신호를 인가하고, 필드프리 영역이 시료 내에서 이동되도록 제어하여, 검출 코일로부터 출력되는 검출 신호를 기반으로 시료에 포함된 나노 자성 입자의 3차원 위치 분포를 영상화하는 제어부를 포함하되,
필드프리 생성부는,
측정 헤드가 이격 영역 내에 삽입되도록 일 측면에 개구가 형성된 육면체의 하우징을 포함하되,
하우징에서 일 측면에 수직한 네 측면들 중 마주하는 두 측면들에 각각에 한 쌍의 사각 자석들이 설치되고,
하우징의 일측면 및 일측면에 마주보는 다른 측면 각각에 복수의 소형 자석 들이 개구의 가장 자리에 배열된 한 쌍의 자석 어레이들이 설치되되,
한 쌍의 자석 어레이들은 각각은 육면체의 일측면 및 마주보는 다른 측면에 상응하는 위치에 이격 영역을 두고 배치되는, 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 장치.
삭제
삭제
제5 항에 있어서, 필드프리 영역은,
필드프리 포인트(Field Free Point, FFP) 또는 필드프리 라인(Field Free Line, FFL)인 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 장치.
제5 항에 있어서, 제어부는,
검출 신호를 기반으로 시료의 단면에 포함된 나노 자성 입자의 2차원 위치 분포인 2차원 영상을 생성하고,
서로 수평한 복수의 단면들에 상응하는 복수의 2차원 영상들을 합성하여 3차원 영상을 생성하는 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 장치.
제9 항에 있어서,
한 쌍의 사각 자석들을 선형 이동 또는 회전시키는 제1 구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 장치.
제10 항에 있어서, 제어부는,
제1 구동부를 제어하여 한 쌍의 사각 자석들의 일 방향으로 선형 이동 및 일 방향과 소정 각도만큼 회전을 반복 수행하여,
필드프리 영역 이동에 따라 검출 신호로부터 출력된 신호로 사이노그램을 생성하고, 생성된 사이노그램을 역 라돈 변환하여 2차원 영상을 생성하는 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 장치.
제11 항에 있어서,
측정헤드를 필드프리 생성부의 개구를 통해 이격 영역으로 이동시키는 제2 구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 장치.
제12 항에 있어서, 제어부는,
측정헤드를 시료의 단면에 수직한 방향으로 소정 단위 길이만큼 이동시키면서 2차원 영상을 생성을 반복하는 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 장치.
나노 자성 입자를 포함하는 시료를 수용한 측정헤드에 설치된 여기 코일에 신호를 인가하는 단계; 및
대면하는 동일한 자기극들간의 이격 영역 내에 발생하는 자기장이 희박한 필드프리 영역을 시료 내에서 이동시켜, 측정헤드의 검출 코일로부터 출력되는 검출 신호를 기반으로 시료에 포함된 나노 자성 입자의 3차원 위치 분포를 영상화하는 단계를 포함하되,
필드프리 생성부는,
측정 헤드가 이격 영역 내에 삽입되도록 일 측면에 개구가 형성된 육면체의 하우징을 포함하되,
하우징에서 일 측면에 수직한 네 측면들 중 마주하는 두 측면들에 각각에 한 쌍의 사각 자석들이 설치되고,
하우징의 일측면 및 일측면에 마주보는 다른 측면 각각에 복수의 소형 자석 들이 개구의 가장 자리에 배열된 한 쌍의 자석 어레이들이 설치되되,
한 쌍의 자석 어레이들은 각각은 육면체의 일측면 및 마주보는 다른 측면에 상응하는 위치에 이격 영역을 두고 배치되는, 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 방법.
삭제
삭제
제14 항에 있어서, 필드프리 영역은,
필드프리 포인트(Field Free Point, FFP) 또는 필드프리 라인(Field Free Line, FFL)인 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 방법.
제 14항에 있어서, 3차원 위치 분포를 영상화하는 단계는,
검출 신호를 기반으로 시료의 단면에 포함된 나노 자성 입자의 2차원 위치 분포인 2차원 영상을 생성하는 단계;
서로 수평한 복수의 단면들에 상응하는 복수의 2차원 영상들을 합성하여 3차원 영상을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 방법.
제 18항에 있어서, 2차원 영상을 생성하는 단계는,
한 쌍의 사각 자석들을 일 방향으로 선형 이동시키거나, 일 방향과 소정 각도를 가지도록 회전시키면서,
필드프리 영역 이동에 따라 검출 신호로부터 출력된 신호로 사이노그램을 생성하고, 생성된 사이노그램을 역 라돈 변환하여 2차원 영상을 생성하는 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 방법.
제 19항에 있어서, 2차원 영상을 생성하는 단계는,
측정헤드를 시료의 단면에 수직한 방향으로 소정 단위 길이만큼 이동시키면서 반복되는 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 방법.