KR20010020841A - 알에프 바디 코일 - Google Patents

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KR20010020841A
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제이 엘. 차스킨, 버나드 스나이더, 아더엠. 킹
제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

본 발명은 개방된 자기 공명(MR) 영상 시스템에 이용하기 위한 전체적인 바디 RF 코일 시스템을 포함한다. RF 코일 시스템은 영상 체적의 반대쪽 측면들 상에 위치되는 제 1, 2 직교 RF 코일 세트들을 포함한다. 각각의 RF 코일 세트는 유사한 구조의 다중 RF 코일들을 포함한다. 각각의 직교 RF 코일은 제 1, 2의 다수의 주 경로 전도체 부분들, 및 지정된 거리들에서 중심선에 대하여 대칭적으로 배열된 제 1, 2의 복귀 경로 전도체들을 포함한다. 제 1, 2 다수의 주 경로 전도체 부분들은, 제 2 평면으로부터, 그리고 제 1, 2 복귀 경로 전도체들을 포함하는 영상 체적으로부터 상당히 멀리 떨어져 위치하는 제 1 평면내에 위치된다. 상기 각각의 제 1, 2 세트의 주 경로 전도체 부분들 내의 전도체들은 소정의 전류 증폭비를 갖도록 되어있다. 원형의 분극된 B1자기장을 발생시키기 위하여 직교하는 제 1, 2 RF 코일 세트들을 활성화시키게 되면, 전도체들의 위치 및 소정의 전류 증폭비는 영상 체적 내에서의 바람직한 균일성 및 영상 체적 바깥에서의 바람직한 감도 강하를 제공한다.

Description

알에프 바디 코일{RF BODY COIL}
본 발명은 자기 공명(MR) 영상 시스템에 관한 것으로서, 특히 MR 영상 시스템 내에서 이용되는 무선 주파수(RF) 코일 시스템에 관한 것이다.
자기 공명(MR) 영상 시스템은 처리(processing) 핵 자기 모멘트로부터 검출된 무선 주파수(RF) 신호들을 기반으로 하여 영상 체적 내의 환자 또는 다른 물체의 이미지를 제공한다. 주 자석은 영상 체적이상의 정전 자기장 즉, B0자기장을 발생시킨다. 유사하게, MR 영상 시스템내의 경사진 코일들은 MR 영상 데이터 획득 주기의 선택된 부분 동안 정전 B0자기장 내의 서로 직각인 x,y,z 축을 따라 유효한 자기 경사로 빠르게 스위치시키는 데에 이용된다. 한편, 무선 주파수(RF) 코일은 영상 체적 내에서 B0자기장과 수직인 B1자기장로서 일컬어지는 RF 자기장 펄스들을 발생시켜 핵들을 여기 시킨다. 이로써 핵들은 여기되어 공명 RF 주파수에서 축을 중심으로 처리된다. 이러한 핵 스핀들은 적절한 판독 자기장 경사들이 인가될 때에 공간-의존 RF 응답 신호를 발생시킨다. RF 코일은 또한 처리 핵 스핀들의 RF 응답 신호들을 검출하여, 이 검출된 신호들을 MR 영상 시스템에 전달할 수 있다. MR 영상 시스템은 검출된 RF 응답 신호들을 결합시켜 몸 또는 물체의 일부 영상을 영상 체적으로 제공한다.
정확한 영상들을 발생시키기 위하여, 정전 B0자기장, 자기장 경사들 및 RF 코일에 의해 발생된 B1자기장은 영상 체적 이상으로 공간적으로 균일해야할 필요가 있다. 전통적으로, 균일한 자기장들 및 경사들을 발생시킬 수 있도록, 주 자석 및 경사 및 RF 코일들은 환자를 완전히 둘러싸는 원통 형태를 갖는다. 이러한 시스템들에서, B0자기장은 전형적으로 수평으로서, 원통 구멍(bore)의 세로축에 평행하게 작용한다. 원통 형태 및 환자의 완전한 용기화(encasement)는 매우 균일한 영상 체적을 보장한다. 그러나, 원통 구성은 환자 및 영상 체적으로의 액세스를 심하게 제한한다는 점에서 불리하다. 원통형의 기하구조는, 불가능한 것은 아니지만 MR 영상 스캔 동안 의사가 대화식 절차들을 수행하는 것을 어렵게 한다. 또한, 많은 환자들은 이러한 전형적인 MR 시스템들의 원통 구멍이 너무 바싹 죈다는 것을 느끼는데, 이는 검사를 받을 수 있는 환자들의 크기에 한정적이며, 또한 어떤 환자들에게는 밀실 공포 반응을 야기시킨다. 따라서, 전형적인 원통형 기하구조의 변형에 대한 필요성이 대두되었다.
이러한 필요성에 부응하여, 개방형 MR 영상 시스템들이 개발되었다. 개방형 MR 시스템에서, 영상 체적은 액세스가 상당히 쉬우며, 환자 및 의사 모두에게 개방되어 있다. 이는 의학적인 절차들을 위하여 영상 체적으로 액세스할 수 있게 할 뿐 아니라, 어떠한 환자들의 밀실 공포 반응을 완화시킬 수 있다. 어떠한 개방형 MR 시스템들은 수직의 B0자기장을 가지고 영상 체적의 반대 측면에 위치되는 두 개의 디스크-형태의 자극선 부분들을 이용한다. 이러한 시스템들은 경사진 코일들 및 RF 코일들을 포함하며, 이들은 평평한 형태 및 디스크-형태를 갖는다. 이러한 개방형 MR 시스템들은 두 개의 디스크-형태의 자극선 부분들 사이의 공간들에서 의사 또는 환자에게 상당량의 액세스를 제공한다. 다른 개방형 MR 시스템들은 영상 체적의 반대 측면에 위치되는 두 개의 환상체-형태의 자극선 부분들을 이용한다. 수평의 B0자기장으로 셋업될 때, 환자/의사는 환상체들 내의 구멍을 통하여, 또는 측면으로부터 영상 체적을 액세스할 수 있다. 자극선 부분들이 환상체-형태를 갖기 때문에, 대응하는 경사 코일들 및 RF 코일들은 형태에 있어서 유사할 필요가 있으며, 그리고 자극선 부분들 사이의 공간을 최대화할 수 있도록 평평할 필요가 있다. 따라서, 개방형 MR 시스템은 전형적인 밀폐 시스템 설계가 갖는 접근 및 밀실 공포 문제들을 완화시킨다.
그러나, 개방형 MR 시스템들은 그들의 영상 체적 내에서 균일한 자기장들을 발생시키기가 어렵다는 점에서 불리하다. 특히, 개방형 MR 시스템들 내의 RF 코일 및 다른 요소들의 평탄성이 요구된다. 유사하게, 개방형 MR 시스템들은 환자를 완전히 둘러싸지 않기 때문에, 정전 B0자기장, 경사진 자기장들, 및 B1자기장에 있어서 높은 정도의 균일성을 얻기가 어렵다.
전형적인 개방형 시스템 RF 코일의 한 예는, 특히 전도체들에 비균일하게 인접된 듀얼 버터플라이 디자인이다. 바퀴 및 스포크 구조 형태의 평평한 새장 디자인이 또한 이용될 수도 있지만, 이 또한 전도체들에 비균일하게 인접한다. 본 원에서 설명되는 바와 같이, 높은 균일성을 갖는 B1자기장을 갖는 시스템은 영상 체적 전체를 통하여 RF 신호와 실질적으로 동일한 감도를 갖는다. B1자기장 내에 비균일성이 있을 때, 비균일한 영역 내에서의 감도는 증가 또는 감소된다. 이러한 증가 또는 감소는 얼마의 RF 신호가 검출되게 하고, 재구성된 MR 이미지 내에 밝은 지점들 또는 어두운 지점들이 발생되게 한다. 따라서, 예를 들어, 전형적인 듀얼 버터플라이 또는 평평한 새장 디자인 내에서 전도체들 가까이의 영역은 나머지 영상 체적 보다 더 감도가 크게 되며, 이로써 이미지 내에 매우 밝은 영역들 또는 과열점(hot spot)을 생성하게 된다.
또한, 전형적인 평평한 RF 코일 디자인들의 다른 단점은 감도가 영상 체적 바깥에서 충분히 빠르게 떨어지지 않게 되어, 영상 체적 바깥의 RF 자기장들이 이미지에 영향을 준다는 것이다. 영상 체적 내부에서, B0자기장, 경사 자기장들, 및 RF 자기장은 가능한 한 균일하게 디자인된다. 그러나, 영상 체적의 바깥에서는, 균일성이 잘 제어되지 않는다. 결과적으로, 영상 체적의 바깥쪽 영역들에서, 비균일한 B0및 B1자기장들 및 선형의 경사 자기장들의 중첩은 신호를 발생시킬 수도 있이며, 여기서 영상 체적 바깥의 영역들은 영상 체적 안쪽의 영역들과 동일한 주파수로 신호를 발생시킨다. 이러한 바깥쪽 신호들은 검출될 수도 있으며 이미지내에 밝은 지점들이 발생되게 한다. 영상 체적 바깥의 RF 자기장 감도를 급격하게 감소시킴으로써, 영상 체적 안쪽의 자기장들에 의한 영향이 감소된다. 전형적인 종래 기술에서, 복귀 전류의 경로는 RF 실드(shield)를 통해서인데, 요컨대 수직의 전도체 아래에서는 수직이다. 이는 코일의 중심을 따라 수직의 복귀 전류 경로를 야기하며, 여기서 복귀 전류 경로는 감도의 급격한 강하를 발생시키는 데에 이용되지 않는다. 이와 같이, 현재의 RF 코일 디자인들은 전형적으로 영상 체적의 바깥쪽에서 스트레이 RF 자기장들을 야기하며, 스트레이 자기장들은 경사 코일의 비선형 및 자석의 비균일성과 결합되어 영상 체적의 바깥쪽 멀리로부터의 신호가 이미지와 겹쳐지게 할 수 있다. 따라서, MR 시스템들에서는, 영상 체적 바깥으로부터의 신호가 이미지에 영향을 주지 않게 하기 위하여 영상 체적 바깥의 감도를 매우 급격하게 강하하는 것이 바람직하다.
이러한 단점들에 부가하여, 개방형 MRI 시스템들을 위한 RF 코일들의 디자인은 다수의 다른 제한점을 갖는다. 예를 들어, RF 코일들의 직경은 전형적으로 자극선 부분들의 직경으로 제한된다. 평평한 RF 코일들의 직경, 및 영상 체적의 동중심(iso-center)까지의 거리는 균일한 RF 자기장을 생성하는 코일들의 능력에 영향을 준다. 예를 들어, RF 코일들의 직경이 RF 코일들로부터 영상 체적의 동중심까지의 거리와 같거나, 또는 클 때, 영상 체적의 내부에 균일한 RF 자기장을 형성하기가 더 용이해진다. 상기 설명한 바와 같이, RF 코일들의 평탄성이 이미 균일성 문제를 제시하기 때문에, RF 코일들의 허용 가능한 직경을 제한하게 되면 상기 문제에 다른 문제를 부가하는 것이 된다
또한, 평평한 RF 코일들은 영상 체적을 둘러싸는 원통 형태의 코일들과 비교되기에는 비효율적이다. 평평한 RF 코일들이 비효율적이기 때문에, 이들은 비교 가능한 폐쇄 MR 시스템에서 보다 더 큰 파워 앰프를 필요로 한다. 더 큰 파워 앰프는 시스템에 부가적인 비용을 추가하기 때문에 문제가 있다. 또한, 더 많은 파워를 요구함으로써, RF 코일들에 의해 발생된 RF 자기장들의 특정한 흡수비(SAR)가 증가될 수도 있다. 본 분야의 당업자에게 공지되어 있는 바와 같이, SAR은 MR 시스템의 전송 RF 코일 내에, 또는 RF 코일 가까이에 위치하는 환자 또는 의료 직원들에 의해 흡수될 수 있는 전자기 에너지의 레벨에 관련된다. 예를 들어, 미국 내에서는, SAR 제한치는 식품 및 약품 당국(FDA)에 의해 설정된다. 상기 설명한 바와 같이, 개방형 MR 시스템들에 대해서는 매우 꽉 조여 밀접한 간격이 요구되기 때문에, RF 코일들은 필수적으로 환자 표면에 상당히 가까이 있어야 한다. 따라서, SAR 제한치는 RF 코일들에 의해 이용되도록 허용된 파워량을 제한할 수 있다.
본 발명에 따르면, 자기 공명 영상 시스템에서 이용하기 위한 RF 바디 코일은 영상 체적과 바람직한 균일성을 갖는 B1자기장을 생성하기 위하여 전류를 통과시키는 제 1, 2 복귀 경로 전도체에 접속된 제1, 2 세트의 주 경로 전도체를 포함한다. 제 1 세트의 주 경로 전도체는 제 2 세트의 주 경로 전도체와 평행하게 떨어져있어, RF 코일을 분할하는 중심선에 대하여 대칭적으로 위치된다. 또한, 제 1, 2 복귀 경로 전도체는 전류의 복귀 경로를 제공하며, 이들은 영상 체적 바깥의 바람직한 감도 강하를 일으킬 수 있도록 제 1, 2 세트의 경로 전도체로부터 방사적으로 밖을 향해 위치된다. 각각의 제 1, 2 세트의 주 경로 전도체 내의 각 전도체는 병렬로 연결되는 반면에, 제 1, 2 복귀 경로 전도체는 각각의 제1, 2 세트의 주 경로 전도체와 직렬로 연결된다. 바람직하게는, 제 1, 2 세트의 주 경로 전도체는 제 1 평면 내에 있으며, 제 1, 2 복귀 경로 전도체는 제 2 평면 내에 있고, 여기서 제 1 평면은 영상 체적에 더 가까이 있으며 영상 체적 내에서 바람직한 SAR을 제공할 수 있도록 제 2 평면과 공간적으로 상당히 떨어져 위치된다. 따라서, 전도체의 위치, 및 제 1, 2 세트의 주 경로 전도체내 전도체간의 소정의 전류 증폭비로부터 바람직한 균일성이 나올 수 있다.
다른 실시예에 따라, 본 발명은 영상 체적의 반대쪽 측면 상에 위치되는 한 쌍의 자극선 부분들을 포함하는 MR 자석과 함께 이용하기 위한 RF 코일 시스템을 포함한다. RF 코일 시스템은 영상 체적의 반대쪽 측면 상에 위치되는 한 쌍의 RF 코일 요소를 포함하며, 여기서 각각의 RF 코일 요소는 다수의 전도성 루프들을 갖는다. 각 RF 코일 요소의 전도성 루프는 영상 체적과 바람직한 균일성을 갖는 B1자기장을 형성하기 위하여 전류를 통과시키는 제 1, 2 세트의 주 경로 전도체 부분을 갖는다. 제 1, 2 세의 주 경로 전도체 부분은 평행하게 위치되며 제 1 평면의 중심선에 대하여 서로 대칭이고, 여기서 각각의 개별적인 제 1, 2 세트의 주 경로 전도체내의 각 전도체는 평행하게 연결된다. 전도성 루프는 또한 전류 복귀 경로를 제공하는 제 1, 2 복귀 경로 전도체 부분을 포함한다. 각각의 복귀 경로 전도체 부분은 각각의 제 1, 2 세트의 주 경로 전도체 부분의 반대쪽 단부들과 직렬로 연결된다. 각각의 제 1, 2 복귀 경로 전도체 부분은, 제 1 평면과 실질적으로 평행하며 떨어져 위치되는 제 2 평면 내의 주 경로 전도체로부터 방사적으로 바깥을 향해 위치된다. 평면들 간의 공간적인 위치 관계는 영상 체적 내에서의 바람직한 SAR을 제공한다.
각각의 전도성 루프들에 있어서, 각각의 제 1, 2 세트의 주 경로 전도체 부분은 제 1 전류를 통과시키는 제 1 수직 전도체와 제 2 전류를 통과시키는 제 2 수직 전도체를 적어도 포함하며, 여기서 제 1 수직 전도체는 제 2 수직 전도체와 지정된 거리에 위치된다. 또한, 각각의 전도성 루프에 대하여, 제 1, 2 복귀 경로 전도체 부분의 바깥쪽으로의 방사적인 위치와, 제 1, 2 전류의 전류 증폭비와, 그리고 제 1, 2 주 경로 전도체간의 지정된 간격이 결합하여 영상 체적 내에서 바람직한 균일성을 갖는 B1자기장 및 영상 체적 바깥의 바람직한 감도 강하를 제공한다.
도 1은 본 발명의 영상 시스템에 따른 자기 공명을 나타낸 개략도,
도 2는 본 발명의 송/수신 회로 및 RF 코일 시스템의 일 실시예를 나타낸 개략도,
도 3은 후방 RF 코일 세트의 구조의 개략적인 단면도,
도 4는 도 3의 후방 RF 코일 세트의 I-채널 코일의 개략적인 단면도,
도 5는 도 3의 후방 RF 코일 세트의 주 경로 전도체 부분들을 포함하는 제 1 회로 기판의 상부 평면도,
도 6은 도 3의 후방 RF 코일 세트의 복귀 경로 전도체 부분들을 포함하는 제 2 회로 기판의 상부 평면도,
도 7은 도 5-6의 회로 기판들의 정면 분해도,
도 8은 도 7과 유사한, MR 자석 어셈블리 내의 후방 RF 코일 세트의 회로 기판들의 단면도,
도 9는 본 발명의 입력 회로의 개략적인 다이어그램,
도 10은 본 발명의 분리 회로의 개략적인 다이어그램,
도 11은 도 1의 실시예에 의해 제공된 Y-Z 평면 내에 투영된 B1자기장의 플롯을 나타낸 도면,
도 12는 도 1의 실시예에 의해 제공된 X-Y 평면 내에 투영된 B1자기장의 플롯을 나타낸 도면,
도 13은 Y-축 상에 투영된 자기장의 플롯을 dB로 나타낸 도면.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
28 : 경사 증폭기 34 : RF 송신기
46 : 오퍼레이터 48 : 오퍼레이터 콘솔
50 : 범용 컴퓨터 52 : 펄스 스퀀서
53 : RF 송/수신 회로 54 : 수신기
56 : 재구성 유닛 58 : 스캔 변환기
52 : 펄스 시퀀서 56 : 재구성 유닛
60 : 디스플레이 120 : RF T/R 스위치
158 : 코일 스위치 바이어스 장치
본 발명에 따르면, 도 1의 자기 공명(MR) 영상 시스템(10)은 MR 자석 어셈블리(20)의 제 1 자극선 부분(16)과 제 2 자극선 부분(18) 사이의 개방된 공간(14) 내의 영상 체적(12)내에 환자(11)가 위치된다. MR 자석 어셈블리(20)는 영상 체적(12)을 가로질러 균일한 정전 자기장(26) 또는 B0자기장을 제공하기 위하여 각각 제 1, 2 자극선 부분(16 및 18)에 인접하는 제 1, 2 심 디스크들(22 및 24)을 포함한다. 경사 증폭기(28)는 각각 심 디스크들(22 및 24)에 인접하여 위치되는 제 1 경사 코일 세트(30) 및 제 2 경사 코일 세트(32)에 파워를 공급한다. X-, Y-, 및 Z-축을 포함하는 경사 코일 세트들(30 및 32)에 전류가 통하게 되면 지정된 방향으로 경사진 자기장을 발생시킨다. RF 송신기(34)는, 각각 경사 코일 세트들(30 및 32)에 인접하여 위치되는 전방 RF 코일 세트(36) 및 후방 RF 코일 세트(38)에 필요한 파워를 공급한다. 전방 및 후방 RF 코일 세트들(30 및 32)에 전류가 통하게 되면 B0자기장(26)에 수직으로 회전하는 원형의 분극화된 B1자기장(40)을 생성하기 위하여 RF 에너지를 송신한다. B1자기장(40)은 영상 체적(12)내 환자(11) 내의 핵 스핀들을 여기시킨다. 각각의 RF 코일 세트(36, 38)와 각각의 경사 코일 세트(30, 32)의 사이의 것은 각각 제 1, 2 RF 실드들(42, 44)이다. 제 1, 2 RF 실드들(42, 44)는 B1자기장(40)이 경사 코일 세트들(30, 32)에 침투되는 것을 막아주며, 이로써 영상 체적 내에 RF 에너지를 유지하게 되며 경사 코일들 내에서의 RF 에너지의 손실을 막아준다.
전형적으로, 오퍼레이터 콘솔(48)을 통해 오퍼레이터(46)에 의해 입력된 파라미터들을 기반으로 하여, 범용 컴퓨터(50)는 펄스 시퀀서(52)를 활성화시켜 MR 데이터 획득 주기를 시작한다. 펄스 시퀀서(52)는 자기장 경사들 및 RF 에너지를 발생시키기 위하여 RF 송/수신 회로를 활성화시키는 경사 증폭기(28)와 RF 송신기(34)의 타이밍 및 활성화를 제어한다. 경사진 자기장들 및 RF 에너지는 핵 스핀들을 여기시키며 영상 체적(12) 내의 지정된 이미지 평면에서 환자(11)의 근육조직에 의해 MR 응답 신호가 방출되게 한다. RF 송/수신 회로(53)는 영상 체적(12)내의 환자(11)로부터 방출된 MR 응답 신호를 수신한 다음, 이 신호를 수신기(54)에 보낸다. RF 송/수신 회로(53)는 전방 및 후방 RF 코일 세트들(36, 38)로부터 방출된 MR 응답 신호를 얻을 수도 있다. 또한, RF 송/수신 회로(53)는 MR 응답 신호를 수신하기 위한 RF 표면 코일(미도시)을 부가적으로 포함할 수도 있다. 수신기(54)는 방출된 MR 응답 신호를 수신하여 증폭한 다음, 이 신호를 재구성 유닛(56)에 제공한다. 재구성 유닛(56)은 영상 평면에 환자(11)의 MR 이미지에 대한 데이터를 생성한다. 이미지 데이터는 범용 컴퓨터(50)에 제공되며, 이 범용 컴퓨터(50)는 오퍼레이터 콘솔(48) 상에 MR 영상을 디스프레이한다. 디스플레이(60)는 외과 수술과 같은 의학처리 절차 동안 의사를 돕기 위하여 이미지 평면의 영상을 제공한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, RF 코일 세트들(36, 38)은 각각 RF 코일 시스템(61)을 형성하기 위하여 결합되는 유사한 직교 구조 내에 다중 코일들을 포함한다. 바람직하게는, RF 코일 세트들(36, 38)은 실질적으로 서로 미러 이미지들이다. 직교 코일들이기 때문에, 각각의 RF 코일 세트들(36, 38)은 I-채널 코일 및 Q-채널 코일을 포함한다. 전방 RF 코일 세트(36)에 대한 I- 및 Q-채널 코일들 내의 전류는 후방 RF 코일 세트(38)에 대한 I- 및 Q-채널 코일들 내의 전류와 각각 약 180도의 위상 차이가 난다. 유사하게, 각각의 RF 코일 세트들(36, 38)내에서, I- 및 Q-채널 코일들 내의 전류는 서로 약 90도의 위상 차이가 난다. 예를 들어, 전방 RF 코일 세트(36)는, 각각 약 0도 및 90도에서 구조적으로, 그리고 전기적으로 위치되는 I-채널 코일(62) 및 Q-채널 코일(64)을 갖는 직교 구조를 포함한다. 유사하게, 후방 RF 코일 세트(38)는, 각각 약 180도 및 270도에서 구조적으로, 그리고 전기적으로 위치되는 I-채널 코일(66) 및 Q-채널 코일(68)을 갖는 직교 구조를 포함한다. I-채널 코일들(62, 66)의 주 경로 전도체들(70, 72)은 Q-채널 코일들(64, 68)의 주 경로 전도체들(74, 76)과 약 90도의 각을 형성한다. 이와 같이, I-채널 코일들(62, 66)로부터의 관련 자기장들은 Q-채널 코일들(64, 68)로부터의 관련 자기장들과 실질적으로 수직이다. 따라서, 이렇게 자기장들이 실질적으로 수직이므로, 코일들이 본 원에서 설명된 위상 천이에 구동될 때에 B1자기장(40)(도 1)을 실질적으로 원형으로 분극화되게 한다.
각 RF 코일 세트들(36, 38)의 구조, 및 동중심(88)에 대한 각 코일 성분의 상대적인 위치는 영상 체적(12)내 B1자기장(40)의 균일성과, 영상 체적(12) 바깥의 감도 강하와, 그리고 환자(11)에 대한 SAR 노출에 큰 영향을 준다. 특히, 영상 체적(12)에 대한 거리와 주 경로 전도체들 내에서의 현재 진폭들의 비에 의해 결합된 각각의 주 경로 전도체들 간의 간격은 영상 체적내의 B1자기장의 균일성에 큰 영향을 준다. 또한, 복귀 경로 전도체들의 위치 및 영상 체적(12)에 대한 그들의 거리는 영상 체적 바깥의 감도 강하의 양에 큰 영향을 준다. 그리고 마지막으로, RF 실드와 영상 체적에 대한 복귀 경로 전도체들과 주 경로 전도체들의 거리는 감도 강하, 영상 체적내의 균일성, 및 환자(11)에 대한 SAR 노출에 상당한 영향을 준다.
각 코일들(62, 64, 66, 68)의 구조는 유사하다. 예로서 도 4의 후방 I-채널 코일(66)을 이용하게 되면, 각 코일은 주 경로 전도체들(72)을 포함하며. 이 주 경로 전도체들(72)에서는 최고 진폭들(I1및 I2)이 캐패시터들에 의해 가변될 수 있어 균일하고 원형이며 분극화된 B1자기장(40)을 제공한다. 바람직하게는, 주 경로 전도체들(72)은 전기적으로 병렬로 연결된 제 1 세트의 주 경로 전도체 부분들(82)을 포함한다. 바람직하게는, 제 1 세트의 전도체 부분들(82)의 각 전도체는 중심축(86)과 실질적으로 평행이다. 중심축은 영상 체적(12)의 동중심(88)을 가로지르는 중심 평면(87)(도 6) 내에 있다. 제 1 세트의 수직 전도체 부분(82)은 적어도 제 1 주 경로 전도체 부분(90)을 포함하며, 바람직하게는 제 2 주 경로 전도체 부분(92)을 포함한다. 주 경로 전도체 부분들(90, 92)에 대응하여, 전류 증폭(I1및 I2) 및 이에 따른 캐패시터들(78-81)의 값은 영상 체적에 대한 각각의 주 경로 전도체 부분의 거리 및 하기에 설명될 비오-사바르 법칙에 기반을 둔 바람직한 균일성에 따라 가변될 수 있다.
전류들(I1및 I2)의 비는 영상 체적(12) 내의 균일성을 결정한다. 그러나, 당업자라면 알 수 있는 바와 같이, 전류의 진폭은 필요한 B1자기장 진폭에 전적으로 달려있다. 따라서, I1및 I2에 대한 최고 전류 진폭들의 값은 각 시스템에 대한 필요조건에 따라 달라질 것이다.
주 경로 전도체들(72)은 또한 중심축(86)에 대하여 제 1 세트의 주 경로 전도체 부분들(82)에 대칭적으로 배열된 제 2 세트의 주 경로 전도체 부분들(94)을 포함한다. 제 2 세트의 주 경로 전도체 부분들(94)은 또한 제 1, 2 전도체 부분들(90, 92) 및 캐패시터들(78-81)과 각각 유사한 전류 진폭 및 용량성 특징을 갖는 제 1, 바람직하게는 제 2 주 경로 전도체 부분들(96, 98) 및 캐패시터들(100-103)을 포함한다. 주 경로 전도체 부분들(90, 92, 96 및 98)의 상대적인 위치는 중심축(86)에 대하여 대칭적이다.
상기 설명한 바와 같이, 주 경로 전도체들(72)은 제 1, 2 세트의 전도체 부분들(82, 94)을 포함한다. 각 세트의 전도체 부분들(82, 94)은 적어도 하나의 전도체 부분을 포함한다. 그러나, 영상 체적(12)과의 B1자기장(40)의 균일성을 개선하기 위하여, 각 세트의 전도성 부분들(82, 94)이 바람직하게는 적어도 두 개의 전도체 부분들을 포함한다. 각 세트(82, 94) 내의 전도체 부분들의 수가 증가하게 되면 바람직한 균일성 레벨을 달성하는 능력이 향상된다.
각 세트(82, 94)의 제 1, 2 주 경로 전도체 부분들은 각각 중심축(86)으로부터 지정된 거리 x1및 x2에 위치된다. 중심축(86)으로부터의 지정된 거리 x1및 x2는 또한 영상 체적(12)까지의 거리에 해당한다. 하기에 설명되는 바와 같이, 비오-사바르 법칙은 전류들(I1및 I2)의 비와 함께 x1및 x2에 대한 값들을 이용하여 바람직한 B1자기장(40)를 결정한다. 따라서, 각 코일 내의 각 세트의 주 경로 전도체 부분들(82, 94)에 대하여, 중심축(86)에 대한 거리 및 전도체들의 전류 진폭비가 설정되어 동중심(88)에 대한 B1자기장의 바람직한 균일성을 달성한다. B1자기장의 균일성은 바람직하게는 약 ±6㏈보다 양호하며, 좀 더 바람직하게는 약 ±3㏈ 보다 양호하고, 이보다 더 바람직하게는 약 ±2㏈보다 양호하며, 가장 바람직하게는 약 ±1.5㏈ 보다 양호하다.
유사하게, 각 코일(62, 64, 66, 68)은 제 1, 2 세트의 주 경로 전도체 부분들 사이의 전류를 각각 이동시키는 제 1, 2 복귀 경로 전도체들을 포함한다. 이와 같이, 예로서 후방 I-채널 코일(66)(도 4)을 다시 이용하게 되면, 각각의 제1, 2 복귀 경로 전도체들(104, 106)은 I3=I1+I2의 전류 진폭을 갖게 된다. 제 1, 2 복귀 경로 전도체들(104, 106)은 전도성 경로들(108-111)을 통하여 주 경로 전도체 부분들(82, 94)와 교통된다. 제 1, 2 복귀 경로 전도체들(104, 106)은 각 세트의 주 경로 전도체 부분들(82, 94)의 한쪽 단부로부터의 전류를 각각 반대 세트의 주 경로 전도체들의 반대쪽 단부로 복귀시킨다. 제 1, 2 복귀 경로 전도체들(104, 106) 각각은 각 세트의 주 경로 전도체 부분들(82, 94)과 직렬로 연결되어 연속적인 회로를 형성한다. 이러한 방식에서, 전류는 제 1, 2 세트의 주 경로 전도체 부분들(82, 94)에 동일한 방식으로 유입 및 방출된다. 결과적으로, 제 1 세트의 주 경로 전도체 부분들(82)에서의 전류 흐름은 각 RF 코일 내의 제 2 세트의 주 경로 전도체 부분들(94)에서의 전류 흐름과 동일한 방향으로 흐른다.
복귀 경로 전도체들(104, 106)은 바람직하게는 아치 형태를 갖는다. 좀 더 바람직하게는, 전도체들(104, 106)은 중심축(86)에 평행한 축에 대하여 실질적으로 대칭으로 배열된 실질적으로 동일한 직경 내에 놓여진다. 실질적으로 동일한 회로 경로를 따라 전도체들(104, 106)을 위치시킴으로써, B1자기장(40)의 균일성 및 영상 체적(12) 바깥의 감도 강하는 실질적으로 등방성이 된다. 즉, 동중심(88)으로부터의 모든 방향에서 동일한 크기를 갖게 된다. 그러나, 당업자들이라면 복귀 경로 전도체들에 다른 형상들이 이용될 수도 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 이러한 구조들은 비-원형의 아치 형상들, 직사각형들, 정사각형들 등을 포함한다. 그러나, 바람직한 회로 경로에 대한 이러한 구조들의 이용은 일반적으로 좀 더 많은 손실들, 감소된 코일 감도 및 비등방성 감도 강하를 야기시킨다. 따라서, 당업자들이라면 복귀 경로 전도체들의 형상은 변할 수도 있으며 여전히 본 발명의 범위 내에 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
본 발명은 바람직하게는 반경(rI)을 갖는 동일한 I-채널 원형 경로 내에 위치되는 제 1 복귀 경로 전도체(104) 및 제 2 복귀 경로 전도체(106)를 제공한다. 유사하게, 도 3을 참조하면, 코일(68)과 같은 각각의 Q-채널 코일은 유익하게는 반경(rQ)을 갖는 동일한 Q-채널 원형 경로내에 실질적으로 위치되는 제 1 복귀 경로 전도체(116) 및 제 2 복귀 경로 전도체(118)를 포함한다. Q-채널 제 1, 2 복귀 경로 전도체들(116, 118)은 각각의 제 1, 2 세트의 주 경로 전도체 부분들(117, 119)과 직렬로 연결된다. 각 반경들(rI및 rQ)의 값은 비오-사바르 법칙에 따라서 영상 체적(12) 외부에서 감도 강하가 뚜렷하게 일어날 수 있도록 결정된다. 뚜렷한 감도 강하는 영상 체적(12)의 외부로부터의 신호의 앨리어싱(aliasing)을 감소시킨다. RF 코일 시스템(61)의 복귀 경로 전도체들의 위치는 바람직하게는 약 -10㏈보다 양호하며, 좀 더 바람직하게는 약 -15㏈ 보다 양호하고, 이보다 더 바람직하게는 약 -20㏈보다 양호하며, 가장 바람직하게는 약 -30㏈ 보다 양호한 감도 강하를 제공한다.
또한, 도 3을 참조하면, Q-채널 복귀 경로 전도체들(116, 118)은 I-채널 복귀 경로 전도체들(104, 106)과 방사적으로 떨어져 위치되어(즉 rQ>rI) 채널들 간에 절연이 이루어지게 하며 에너지 손실을 최소화한다. 만일 각 RF 코일 세트(36, 38)에 대한 I- 및 Q-채널 코일들이 동일하다면, 각 RF 코일에 대한 복귀 경로 전도체들은 서로의 상부에서 꼭 맞을 것이다. 만일 복귀 경로 전도체들이 중첩된다면, 복귀 경로 전도체들 간에 높은 캐패시턴스가 발생될 것이며, 이는 I- 및 Q-채널들 간에 빈약한 절연, 또는 잡음 또는 에너지의 전달을 일으킬 수도 있다. 복귀 경로 전도체들 간의 간격, 또는 ｜rQ-rI｜간의 차이는 바람직하게는 약 -15㏈ 보다 양호하고, 좀 더 바람직하게는 -20㏈ 보다 양호한 절연을 제공한다. 따라서, 각 I- 및 Q-채널 코일에 대한 제 1, 2 복귀 경로 전도체들(104, 116, 106, 118)은 각각, RF 코일들에 의해 발생된 원형의 분극화된 B1자기장(40)의 바람직한 균일성을 달성하면서 채널들 간의 절연을 최대화하도록, 그리고 영상 체적이 외부에서 뚜렷한 감도 강하가 일어날 수 있도록 위치된다.
도 5 및 도 6을 참조하여, 본 발명에 따르면, 주 경로 전도체들은 유익하게는, 복귀 경로 전도체들을 포함하는 제 2 평면(114)과 실질적으로 분리된 제 1 평면(84) 내에 위치된다. 주 및 복귀 경로 전도체들의 분리는 유익하게는 복귀 경로 전도체들에 의해 전달되는 높은 진폭의 전류가 환자(11)로부터 제거될 수 있게 하며, 이로써 SAR 노출을 감소시키고 감도 강하율을 최적화한다. 한편, 복귀 경로 전도체들에 의해 전달되는 더 높은 진폭의 전류는 여전히 B1자기장(40)의 균일성 및 감도 강하에 영향을 준다.
도 5 내지 도 8을 참조하면, 예로서 후방 코일들(66, 68)을 이용하게 되면, 바람직하게는 주 경로 전도체들(72, 76)은 제 1 회로 기판(67)(도 7) 상을 트레이스하며, 복귀 경로 전도체들(104, 106, 116 및 118)은 제 2 회로 기판(69)(도 8)을 트레이스한다. 이상적으로는, 각 채널에 대한 트레이스들은 각 회로 기판(67, 69)의 동일 표면 상에 위치된다. 예를 들어, I-채널 주 경로 전도체들(72)은 제 1 회로 기판(67)의 상부 표면 상에 있으며, I-채널 복귀 전도체들(104, 106)은 제 2 회로 기판(69)의 상부 표면 상에 있다. 유사하게, Q-채널 전도체들(76, 116, 118)은 각각의 회로 기판들(67, 69)의 하부 표면 상에 각각 있다.
종래에 공지되어 있는 바와 같이, 각각의 회로 기판들(67, 69)은 표면 내에 식각되는 구리 트레이스들을 갖는 FR4TM물질과 테프론 물질로 구성된다. 그러나, 가령 구리의 스트립들 또는 본 원에서 설명되는 구조에 어울리도록 위치되는 나머지 전기적으로 전도성을 갖는 물질과 같은 다른 구조들이 이용될 수도 있다. 각 회로 기판(67, 69)의 두께는 비교적 얇고, 바람직하게는 약 15 ㎜부터 65㎜(1㎜=0.001인치)까지이며, 이에 따라 각 표면 상의 전도체들은 실질적으로 동일한 평면 내에 있는 것으로 간주될 수 있다.
도 5를 참조하면, 코일(66)로부터의 전도성 경로들(108-111)은 예를 들어, 회로 기판들(67, 69) 사이를 연장하여 주 경로 전도체들(72)을 개별적인 복귀 경로 전도체들(104, 106)에 연결하는 전도성 연장부들(108a-111a)를 포함한다. 전도성 연장부들(108a-111a)은 리벳들(rivets), 금속고리(eyelets), 핀들, 와이어들, 또는 그 거리에 걸쳐서 전기적인 연결을 하는 데에 이용될 수 있는 다른 유사한 장치들을 포함할 수도 있다.
도 6을 참조하면, 부가적으로 (가령 후방 코일 세트(38)의 RF 코일들과 같은) RF 코일 시스템(61)의 각 코일은 주 경로 전도체들 및 복귀 경로 전도체들을 동중심(88)에 대해 위치시켜, 바람직한 B1자기장(40)를 발생시키고, 영상 체적 바깥의 바람직한 감도 강하를 이루며, 환자(11)의 SAR 노출을 감소시킨다. 제 2 평면(114)은 평면들과 직각을 이루는 축을 따라 제 1 평면(84)과 지정된 거리(z2) 만큼 떨어져 위치된다. 주 경로 전도체들(72, 76)을 포함하는 제 1 평면(84)은 동중심(88)과 거리(z1) 만큼 떨어져 있다. 유사하게, 제 2 평면(114)은 동중심(88)과는 거리(z1+z2) 만큼, RF 실드(44)와는 거리(z3) 만큼 떨어져 있다. 전류 스퀘 어가 환자(11)의 SAR 노출에 비례하기 때문에, 제 2 평면(114)은 동중심(88)과 멀리 떨어져 위치하게 되는데, 이는 제 1, 2 복귀 경로 전도체들(104, 106, 116, 118)을 통하여 더 큰 전류가 흐르기 때문이다. 또한, 복귀 경로 전도체들의 이러한 위치는 영상 체적(12) 내의 B1자기장(40)에 대한 영향을 감소시키는데, 이는 전도체 내의 전류의 양이 B1자기장에 대하여 비례적으로 영향을 주기 때문이다. 따라서, 복귀 경로 전도체들 및 주 경로 전도체들의 상대적인 위치가 결합되어 환자(11)의 SAR 노출을 최소화하며, B1자기장(40)의 균일성 및 감도 강하를 최적화한다.
동중심에 대한 B1자기장의 바람직한 균일성 레벨을 충족시키기 위한 각 RF 코일의 구조를 정의하기 위하여, 상기-설명된 구조가 비오-사바르 반복 프로그램 내에 입력될 수도 있다. 비오-사바르 반복 프로그램은 결과적인 B1자기장을 결정하기 위하여 전도체 구조에 비오-사바르 법칙을 적용한다. 비오-사바르 법칙은 다음과 같이 모든 전류 구성으로부터 포인트(x, y, z)에서 B1자기장을 결정하는 벡터 표현으로 이루어진다.
여기서, μ0= 유전율이며;
I= 전류의 진폭이고;
R= ds 및 (x, y, z) 간이 거리이며;
= 전도체 부분이고; 그리고
= ds와 (x, y, z) 간의 벡터이다.
당업자들에게 있어 명백한 바와 같이, 비오-사바르 반복 프로그램은 영상체적(12) 내의 많은 지점들에 대하여 B1자기장(40)를 계산하여, 주어진 RF 코일의 구조를 기반으로 누적 B1자기장(40)를 결정한다. 비오-사바르 반복 프로그램은 다음의 자유도(degree of freedom)을 이용한다:
(1) 복귀 경로 전도체들과 RF 실드 간의 거리와;
(2) 주 경로 전도체들과 RF 실드 간의 거리와;
(3) 복귀 경로 전도체들의 위치와;
(4) 주 경로 전도체들의 수와;
(5) 모든 세트의 주 경로 전도체들 간의 거리와; 그리고
(6) 주 경로 전도체들 간의 전류비.
상기 반복 프로그램을 작동하게 되면 결과적으로 B1자기장(40)의 바람직한 균일성에 대한 해결책을 얻게 된다. 코일 구조 및 바람직한 균일성은, 가령 바람직한 균일성, 영상 체적의 크기, 코일로부터 동중심까지의 간격 및, 예를 들어 RF 실드와 코일 간의 최대 거리와 같은 변수들에 대한 파라미터들이 주어질 때에 결정될 수 있다. 그러나, 다른 영역들에는, 가령 RF 코일 및 국부 SAR의 효율과 같은 트레이드 오프들이 있을 수도 있다. 그러나, 당업자들에게 공지되어 있는 바와 같이, 이러한 트레이드 오프들은 프로그램의 경계 조건들로 간주될 수도 있다. 반복 프로그램은 자유도를 가변시켜 해답을 결정할 수도 있다. 다수의 주 경로 전도체들과 방사적으로 밖으로 위치되는 복귀 경로 전도체들을 갖는 상기 설명된 직교 구조는 결과적으로, 빠른 감도 강하, 및 종래의 시스템들과 비교하여 동일한 파워에 대하여 더 큰 크기의 B1자기장을 갖는 상당히 효율적인 RF 코일 시스템이 되게 한다. 따라서, RF 코일 시스템의 구조는 모든 영상 체적에 대하여 다른 경계 조건들을 고려할 뿐 아니라, B1자기장의 모든 바람직한 균일성을 충족하도록 결정될 수도 있다.
도 2를 참조하면, 작동시, RF 송신기(34)(도 1)는 동축 케이블들을 통해 파워를 공급하여 RF 코일 시스템(61)을 작동시킨다. MR 펄스 시퀀스 동안, RF 송신기(34) 내의 송신 증폭기는 RF 여기 신호(eT)를 발생시키도록 작동한다. RF 송/수신(T/R) 스위치(120)는 동시에 작동되어 여기 신호(eT)를 제 1 파워 분할기 장치(122)에 결합시킨다. 제 1 파워 분할기 장치(122)는 0도에서 여기 신호(eT)를 RF 여기 신호(eTa)로서 전방 코일 세트(36)에 전달하며, 신호(eT)를 180도 지연시켜 후방 코일 세트(38)에 RF 여기 신호(eTp)를 제공한다. 전방 파워 분할기 장치(124)는 0도에서 신호(eTa)를 RF 여기 신호(eTaI)로서 전방 I-채널에 전달하며, 신호(eTa)를 90도 지연시켜 전방 Q-채널 RF 여기 신호(eTaQ)를 제공한다. 유사하게, 후방 파워 분할기 장치(126)는 180도에서 신호(eTp)를 신호(eTpI)로서 후방 I-채널에 전달하며, 신호(eTp)를 90도 지연시켜 후방 Q-채널 RF 여기 신호(eTpQ)를 제공한다. 따라서, 각 신호들의 위상은 eTaI=0도, eTaQ=90도, eTpI=180도, 그리고 eTpQ=270가 되도록 달라진다.
또한, 개별적인 코일에 이르기 전에, 각 신호 eTaI, eTaQ, eTpI, 및 eTpQ는 각각의 전방 및 후방 코일 세트(36, 38)에 대한 I- 및 Q-채널 코일들 간의 절연을 향상시키는 밸러치/애벌랜치(BALUN) 장치(128)를 통과한다. 90도 분할기 장치들(124, 126)에 있어서, 예를 들어 각각의 I- 및 Q-채널들의 접지들은 서로 연결되며 이에 따라 동일한 전위가 된다. 이는 I- 및 Q-채널들 간의 절연을 감소시킬 수도 있는 접지 루프를 형성할 수 있다. 그러나, 직교 RF 코일 시스템에 대하여 분할기 장치들을 이용할 때에는, 한 채널로부터의 잡음이 다른 채널 내에 픽업되지 않도록 I- 및 Q-채널 간에 우수한 절연을 제공하는 것이 바람직하다. 한 채널로부터의 다른 채널로의 모든 잡음의 전송은 직교 코일에 의해 제공되는 신호대잡음비의 장점을 감소시킨다. 따라서, 분할기 장치에서 정의된 접지들로부터 각 코일에서 정의된 접지들을 분리시키는 것이 바람직하다. BALUN 장치(128)는 다른 접지들을 절연시키기 위하여 각 신호를 전달하는 동출 케이블들의 접지 실드 상에 높은 임피던스를 형성한다. 바람직하게는, BALUN 장치(128)는 바람직하게는 약 -15㏈, 좀 더 바람직하게는 약 -20㏈, 가장 바람직하게는 약 -30㏈ 보다 양호한 신호 절연을 제공한다. 따라서, BALUN 장치(128)는 접지 루프를 제거하며, 한 채널 내의 잡음이 다른 채널로 들어가는 것을 방지하여 각각의 직교 전방 및 후방 코일 세트(36, 38)의 높은 신호대잡음비를 유지한다.
BALUN 장치(128)를 통과한 후, 각 신호 eTaI, eTaQ, eTpI, 및 eTpQ는 입력 회로(130)에 공급된다. 예로서 후방 I-채널 코일(66)을 이용하면, 입력 회로(130)는 캐패시터들(134, 136)과 트리머 캐패시터(142)를 포함하는 튜닝 회로(132)를 포함한다. 원형 도체들(104, 106)에 대하여 분배된 다른 모든 캐패시터들(137-141)을 따라, 튜닝 회로(132)는 코일(66)의 공명 주파수를 결정한다. 공명 주파수는 트리머 캐패시터(142)의 조정에 의해 미세하게 동조될 수 있다. 당업자들에게 공지되어 있는 바와 같이, 캐패시터들의 값은 코일의 인덕턴스 및 공명 주파수에 따라 달라진다.
또한, 도 9를 참조하면, 입력 회로(130)는, 병렬로 된 캐패시터(145)와 트리 머 캐패시터(146)를 포함하는 매칭 회로(144)를 포함하며, 이 매칭 회로는 동축 이블(148)의 중심 전도체(147)와 직렬로 연결되어 있다. 또한, 당업자에게 공지되어 있는 바와 같이, 캐패시터들의 값은 인덕턴스 및 공명 주파수에 따라 달라지다. 매칭 회로(144)는, 예를 들어 동축 케이블(148)의 출력에 의해 알 수 있는 바와 같이 코일(66)의 임피던스를 변경하는 데에 이용된다. 바람직하게는, 캐패시터들(145, 146)은 코일(66)의 임피던스를 조정하여 파워 엠프로부터 코일로의 가장 효율적인 에너지 전송을 위한 값으로 설정되게 한다. 또는, 수신 코일의 경우, 코일(66)의 임피던스는 선증폭기의 잡음 형태를 최소화하는 값으로 조정된다. 전형적으로, 임피던스는 50Ω의 실제 임피던스로 조정된다. 또한, 입력 회로(130)는, 캐패시터들(134, 151), 다이오드(152), 및 인덕터들(153, 154)을 포함하는 디커플링 네트워크(150)를 포함한다. 상기 설명한 바와 같이, 입력 회로(130) 내의 캐패시터들, 다이오드들 및 인덕터들의 값은 다른 시스템 파라미터들에 따라 달라진다. 디커플링 네트워크(150)는, 영상 체적 안쪽의 다른 코일을 이용하는 신호들을 수신 하는 것이 바람직할 때, 코일(66)이, 예를 들어 방출된 MR 응답 신호들을 수신하는 것을 막는다. 또한, 디커플링 네트워크(150)는 전체 바디 코일의 안쪽에 위치되는 다른 전송 코일에 의해 펄스를 전송하는 동안 RF 에너지 소모를 막는다. 디커플링 작동시키기 위해서는, 순방향 바이어스 DC 전류가 다이오드(152)를 통해 인가되어 단락된 것 처럼 보이게 한다. 이러한 경우, 인덕터(154)는 캐패시터(134)와 공명이 되어 병령 탱크 공명기를 형성하며, 이는 코일(66)과 동일한 주파수에서 공명된다. 이 병렬 탱크 공명기는 복귀 경로 전도체(104)에 매운 높은 임피던스를 유도시키며, 이는 코일(66)을 분리시킨다. 인덕터(153) 및 캐패시터(151)를 포함하는 쵸크 회로(156)를 통해 동축 케이블(148)의 중심 전도체(147)에 의해 DC 전류가 공급된기다. 쵸크 회로(156)는 중심 전도체(147)로부터의 DC 전류가 인덕터(154)를 통과하게 하지만, 코일(66)로부터 동축 케이블(148)로 RF 신호가 통과하는 것은 차단한다. 쵸크 회로(156)는, 인덕터(153) 및 캐패시터(151)로 구성되어 매우 높은 임피던스를 갖는 병렬 공명기를 형성함으로써 코일(66)로부터의 RF 신호를 차단한다. 반면에, RF 전송 펄스 동안, 다이오드(152)는 큰 전압으로 역방향 바이어스(back-biase) 되어 RF 에너지가 다이오드를 통해 흐르지 않도록 보장한다. 당업자들에게 공지되어 있는 바와 같이, 순방향 및 역방향 바이어스 다이오드(152)에 이용되는 전압들은 시스템의 최고 전압에 달려있다. 코일 스위치 바이어스 장치(158)(도 2)는 입력 회로(130) 상의 다이오드(152)를 개방 및 폐쇄를 위하여 전방 및 후방 파워 분할기 장치들(124, 126)에 연결된다.
또한, 도 2, 3 및 10을 참조하여, 절연 회로(160)는 I- 및 Q-채널들 간의 절연을 최적화하기 위하여 각 코일 세트(36, 38)의 I- 및 Q-코일들의 복귀 경로 전도체들을 연결한다. 절연 회로(160)는 약 -15㏈, 바람직하게는 약 -20㏈, 그리고 가장 바람직하게는 약 -25㏈ 보다 양호한 채널들간의 절연을 제공한다. 직교 코일 세트들(36 또는 38)에 의해, 각 I- 및 Q-채널 코일들(62 및 64 또는 66 및 68)은 서로의 상부 오른쪽에 위치된다. 각 I- 및 Q-채널 코일들(62 및 64 또는 66 및 68)이 서로 90도 이동됨에도 불구하고, 채널들 간의 절연이 비이상적이 되게 하는 코일들간의 유도성 또는 용량성 결합의 잔여량이 전형적으로 존재한다. 두 코일들 간의 잔여 인덕턴스는 코일들에 의해, 예를 들어, 정확하게 90도의 위상 차이가 나게 될 수도 있다. 이러한 잔여 인덕턴스는 잔여 인덕턴스와 평행한 캐패시터를 삽입함으로써 제거될 수 있다. 유사하게, 예를 들어 코일들의 복귀 경로 전도체들이 서로 너무 가까이 위치하여 RF 에너지가 한 코일에서 다른 코일로 유입될 때에, 두 코이들 간의 용량성 결합이 발생될 수도 있다. 이는 기생 캐패시턴스로 알려져있으며, 이 기생 캐패시턴스를 인덕터를 갖는 공명기 내에 위치시킴으로써 제거될 수 있다. I- 및 Q-채널 코일들 간의 결합이 용량성인지 유도성인지 알려져있지 않기 때문에, 절연 회로(160)는 유익하게는 I- 및 Q-채널 코일들 간에 병렬로 연결된 캐패시터(161) 및 인덕터(162)를 포함하여 위치를 조종한다. 회로(160)가 본 원에서 설명되는 코일과 동일한 주파수에서 공명될 때, 높은 임피던스가 된다. 만일 회로(160)가 이 보다 낮은 주파수에서 공명된다면, 캐패시터처럼 작동한다. 만일 회로(160)가 이 보다 높은 주파수에서 공명된다면, 인덕터처럼 작동한다. 따라서, 절연 회로(160)는 각각의 직교 코일 세트(36, 38)의 I- 및 Q-채널 코일들 간의 절연을 최적화한다.
RF 펄스 시퀀스 회득 단계 동안, 수신된 MR 신호 성분들(e'I및 e'Q)이 수신기(54) 또는 전방 및 후방 RF 코일 세트들(36, 38)에 의해 각각 검출된다. 도 2를 참조하면, 예를 들어, 만일 코일 세트들(36, 37)이 이용된다면, 수신된 MR 신호 성분들(e'aI, e'aQ, e'pI및 e'pQ)은 다시 전방 및 후방 파워 분할기 장치들(124, 126)과 결합되어, e'a및 e'p를 형성한다. 이 신호 e'a및 e'p는 이후 제 1 파워 분할기 장치(122)에 공급된다. 제 1 파워 분할기 장치(122)는 e'a및 e'p에 ADDIT의해 작동되어, T/R 스위치(120)에 결합되는 결과적인 수신 MR 신호(e'R)을 발생시킨다. 이러한 획득 단계 동안, 스위치(120)는 수신 MR 신호를 수신기(54)(도 1)에 결합시키도록 작동되며, 수신기(54)는 널리 공지된 MR 기술들에 따른 이후의 처리를 위하여 수신 MR 신호를 증폭시킨다.
전방 및 후방 RF 코일 세트들(36, 38)의 각 코일들이 I- 및 Q-채널 여기 신호들에 의해 구동될 때, 영상 체적(12) 내에 발생된 자기장 성분들은 결과적인 원형의 분극화된 B1자기장(40)를 제공하기 위한 첨가제가 된다. 상기 설명한 바와 같이, B1자기장(40)은 모든 바람직한 균일성을 가질 수도 있다. B1자기장은 z-축으로 정렬된 MR 환자 또는 다른 물질 내의 핵 스핀들을, MR 실행에 따라 x-y 평면내로 플립시킨다. 또한, 본 발명의 직교 RF 코일 시스템(61)에 의해 발생된 원형의 분극화된 B1자기장은 유익하게는 선형 RF 코일 시스템과 비교하여 핵 스핀들을 여기시키는 데에 더 적은 진폭을 필요로 한다.
실시예
본 발명은 또한 하기의 비-제한적인 실시예에 의해 설명된다. 실행적인 문제는 대략 40㎝ 직경의 구형 영상 체적의 내부에 약 ±30㏈의 균일성을 갖는 개방되고 수직의 B1자기장의 자석을 위한 RF 바디 코일 시스템을 구성하는 것이었다. 영상 체적의 바깥에서, 자기장은 경사 비뚤어짐(gradient warp)이 발생하는 것을 막기 위하여 동중심으로부터 약 35cm에서 약 -20㏈ 만큼 강하된다. RF 실드와 결합하는 RF 바디 코일 시스템의 전/후방 절반의 두께(z2+z3)는 약 23cm 이하이다. 자극선 부분의 직경, 및 이에 따른 RF 코일 시스템의 최대 직경은 약 92cm 였다. 발견된 해결책은 도 3 및 도 4에 나타낸 RF 코일로서, 코일의 중심 주위로부터 각각 약 4cm(x1) 및 15cm(x2) 만큼 대칭적으로 떨어져 위치되는 네 개의 주 경로 전도체들을 포함한다. 코일의 중심에서 가장 바깥쪽까지의 거리는 약 15.5cm 내지 17.5cm, 바람직하게는 약 16.0cm 내지 17.0cm, 가장 바람직하게는 약 16.5cm의 범위를 가질 수도 있다. 유사하게, 코일 중심에서 가장 안쪽 전도체까지의 거리는 약 3.0cm 내지 5.0cm, 좀 더 바람직하게는 3.5cm 내지 4.5cm, 그리고 가장 바람직하게는 약 4.0cm의 범위를 가질 수도 있다. 가장 바깥쪽의 주 경로 전도체 각각의 최고 전류 증폭은 약 34A(I2)였으며, 각각의 안쪽 주 경로 전도체의 최고 전류 증폭은 약 17A(I2)였다. 최고 진폭들은 약 ±2.5A 만큼씩 각각 변할 수도 있다. 따라서, 복귀 경로 전류 진폭은 약 51A(I3)였다. 그러나, 상기 설명한 바와 같이, 최고 전류 진폭은 B1자기장의 필요 진폭에 따라 달라질 것이다. I-채널 코일에 대한 복귀 경로 전도체들에는 약 38cm(rI)의 반경이 주어졌으며, Q-채널 코일에 대한 복귀 경로 전도체들에는 약 39cm(rQ)의 반경이 주어져, 영상 체적 바깥에게 감도 강하가 급속하게 이루어지게 하였다. 그러나, rI의 값은 약 36c 내지 40cm의 범위를 가질 수도 있다. 유사하게, rQ의 값은 약 37cm 내지 41cm의 범위를 가질 수도 있다. 따라서, ｜rQ-rI｜는 바람직하게는 약 2cm이며, 그리고 약 0.1 내지 5cm의 범위를 가질 수도 있다. 또한, 국부 SAR 제한치들에 부합하고 감도 강하 및 균일성을 최적화하기 위하여, 주 경로 전도체들로터 약 13mm 들어가있으며 RF 실드까지 약 10mm(z3) 떨어져있다. 이와같이, z2는 바람직하게는 약 13mm였지만, 약 10mm 내지 15mm의 범위를 가질 수도 있다. 유사하게, z3는 약 8mm 내지 12mm의 범위를 가질 수도 있다. 또한, z1은 바람직하게는 약 243mm였지만, 약 240m 내지 250mm의 범위를 가질 수도 있다.
또한, 매칭 회로(144)는 코일의 임피던스를 약 50Ω의 실제 임피던스가 되도록 설정되었다. 유사하게, 약 500mA의 순방향 바이어스 DC 전류가 다이오드(152)르 통해 아치형 디커플링 네트워크(150)에 인가되었다. 한편, 다이오드(152)는 약 1000V DC 전류로 역방향 바이어스되었다. 또한, 절연 회로(160)에는 약 1pF 내지 10pF, 바람직하게는 5pF의 범위를 갖는 캐패시턴스, 및 약 2μH 내지 4μH, 바람직하게는 3μH 범위의 인덕턴스가 제공되었다. 또한, 상기 설명된 바와 같이, 이러한 값들은 코일의 공명 주파수에 따라 달라질 것이다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 각각 x=0,0에서의 y-z 평면과 z=0,0에서의 x-y 평면 내에서의 결과적인 자기장의 플롯이 도시된다. 이러한 플롯들은 매우 높은 균일성 및 영상 체적을 바깥에서의 매우 뚜렷한 감도 강하를 갖기 위하여, RF 코일 시스템(61)에 의해 제공되는 40cm 화살 모양의 자기장 형태에 대한 자기장의 각각의 z 및 x-y 투영을 보여준다. 또한, 도 13을 참조하면, 동-중심을 통하여, 그리고 B0자기장과 수직을 이루는 측정된 B1자기장을 ㏈로 나타낸 플롯이다. 또한, 이러한 플롯은 매우 높은 균일성, 및 40cm 영상 체적 외부에서의 매우 뚜렷한 감도 강하를 갖는 RF 코일 시스템(61)을 도시한다.
본 예에서는, 채널당 단지 네 개의 수직 전도체들이 도시된다. 당업자들에게 널리 공지되어 있는 바와 같이, 수직 전도체들의 수가 증가하게 되면 전류비를 좀 더 크게 바꿀 수 있는 능력을 제공한다. 따라서, 본 발명은 채널당 적어도 네 개의 수직 전도체들의 이용을 고려하였다.
또한, 당업자들이라면 본 발명 구성요소들의 값들이 거리들, 인덕턴스들, 수직 전도체들의 수, 코일의 공명 주파수 등에 따라 달라진다는 것을 알 수 있을 것이다. 따라서, 상기 주어진 모든 값들은 단지 예시적으로 제시된 것들이며, 한정적인 것으로 해석되어서는 안된다.
본 발명이 바람직한 실시예에 대하여 지금까지 설명되기는 하였지만, 다른 실시예들 또한 동일한 결과를 달성할 수 있다. 자유도의 수는 영상 체적 내의 B0자기장의 균일성을 정의하는 능력을 개선하기 위하여, 예를 들어 좀 더 많은 수직 전도체 부분들을 추가함으로써 증가될 수도 있다. 이와 같이, 당업자에게 있어 본 발명의 변형들 및 변경들이 가능하다는 것은 명백하며, 하기의 청구항들은 이러한 모든 변경들 및 등가물들을 포함한다.
상술한 본 발명에 따르면, 전도체의 위치, 및 제 1, 2 세트의 주 경로 전도체내 전도체간의 소정의 전류 증폭비로부터 바람직한 균일성을 얻을 수 있고, 영상 체적 바깥에서의 바람직한 감도 강하를 제공할 수 있다.

Claims (20)

  1. RF 코일에 있어서,
    B1자기장을 발생시키기 위하여 전류를 통과시키는 제 1, 2 세트의 주 경로 전도체를 포함하고, 여기서 상기 제 1 세트의 주 경로 전도체는 실질적으로 RF 코일을 분할하는 중심선에 대하여 상기 제 2 세트의 주 경로 전도체와 대칭적으로 위치되며, 상기 전류가 상기 각각의 제 1, 2 세트의 주 경로 전도체를 통하여 흐를 때, 상기 B1자기장은 영상 체적내에서 상기 위치 및 상기 제 1, 2 세트의 주 경로 전도체의 전류 진폭들에 기인하는 바람직한 균일성을 가지며, 그리고
    상기 제 1, 2 세트의 주 경로 전도체 간에 상기 전류를 전달하는 제 1, 2 세트의 복귀 경로 전도체를 포함하며, 여기서 상기 제 1, 2 복귀 경로 전도체는 상기 중심선의 각 측면 상에 대칭적으로 떨어져 위치되고, 상기 제 1, 2 원형 전도체는 상기 제 1, 2 세트의 주 경로 전도체 보다는 상기 중심선으로부터 바깥쪽으로 멀리 떨어져 위치되어, 상기 RF 코일이 상기 전류에 의해 활성화될 때 상기 영상 체적 바깥쪽에서의 B1자기장의 바람직한 감도 강하를 이르키는 것을 특징으로 하는 RF 코일.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1, 2 세트의 주 경로 전도체들을 제 1 평면 내에 있으며, 상기 제 1, 2 복귀 경로 전도체들은 제 2 평면에 있고, 상기 제 1 평면은 상기 제 2 평면과 공간적으로 충분히 떨어져 위치되는 것을 특징으로 하는 RF 코일.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 평면은 상기 제 2 평면과 공간적으로 충분히 떨어져 위치되며, 상기 복귀 경로 전도체는 상기 RF 코일들이 활성화될 때 상기 영상 체적 내에 바람직한 지정 흡수 비(SAR)를 제공할 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는 RF 코일.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 바람직한 감도 강하는 약 -10㏈ 보다 큰 것을 특징으로 하는 RF 코일.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1, 2 복귀 경로 전도체는 아치 형태, 직사각형 형태, 및 정사각형 형태로 구성된 그룹으로부터 선택된 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 코일.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 각각의 제 1, 2 세트의 주 경로 전도체는 병렬로 연결된 적어도 두 개의 전도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 코일.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1, 2 세트의 주 경로 전도체의 각각의 주 경로 전도체의 상기 전류 진폭은 상기 중심선으로부터의 거리에 따라 증가하는 것을 특징으로 하는 RF 코일.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 전도체는 상기 바람직한 균일성을 얻을 수 있는 전류 증폭비를 갖는 것을 특징으로 하는 RF 코일.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 바람직한 균일성은 약 ±6㏈ 또는 그 이상인 것을 특징으로 하는 RF 코일.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 바람직한 균일성을 얻는데 있어 비오-사바르 법칙이
    상기 제 1, 2 세트의 주 전도체와 상기 중심선까지의 거리와,
    상기 각각의 제 1, 2 세트의 주 경로 전도체 간의 전류 증폭비와,
    상기 제 1, 2 세트의 주 경로 전도체와 상기 영상 체적과의 거리와, 그리고
    상기 제 1, 2 복귀 경로 전도체들의 상기 바깥쪽 위치를 결정하는데 이용되는 것을 특징으로 하는 RF 코일.
  11. 주 경로 전도체 및 복귀 경로 전도체를 갖는 RF 코일을 제공하는 단계와, 여기서 상기 주 경로 전도체는 상기 RF 코일의 각 측면 상에, 그리고 상기 RF 코일과 평행하게 배열되며, 상기 주 경로 전도체는 중심선과 떨어져 위치되어 바람직한 균일성을 제공하고, 그리고 상기 복귀 경로 전도체는 상기 주 경로 전도체로부터 바깥쪽으로 위치되어 영상 체적의 바깥쪽에 바람직한 감도 강하를 제공하며; 그리고
    바람직한 균일성, 및 비오-사바르 법칙에 따른 바람직한 감도 강하를 갖는 자기장에 대하여, 상기 주 경로 전도체의 거리 및 상기 복귀 경로의 바깥쪽 위치를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바람직한 균일성을 갖는 자기장을 발생시키는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 복귀 경로 전도체는 바람직한 균일성 및 바람직한 감도 강하를 제공할 수 있도록 상기 주 경로 전도체들보다 오목하게 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    전류로 상기 RF 코일을 활성화는 단계를 더 포함하며,
    상기 비오-사바르 법칙에 따라 바람직한 균일성을 갖는 자기장에 대하여 상기 각각의 주 경로 전도체들 간의 전류 증폭비를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 진단 영상 위한 자기 공명(MR) 시스템으로서,
    영상 체적의 반대쪽 측면들 상에 위치되는 한 쌍의 자극선 부분들을 포함하는 MR 자석과,
    상기 영상 체적의 반대쪽 측면들 상에 위치되며, 각각 다수의 전도성 루프들을 포함하는 한 쌍의 RF 코일 성분들을 갖는 RF 코일 시스템을 포함하며,
    상기 각 RF 코일 성분들의 전도성 루프들은,
    상기 영상 체적 내에서 바람직한 균일성을 갖는 B1자기장을 발생시키기 위하여 전류를 통과시키는 제 1, 2 세트의 주 경로 전도체 부분과, 여기서 상기 제 1, 2 세트의 주 경로 전도체 부분은 제 1 평면내의 제 1 중심선에 대칭적으로 서로 평행하게 위치되며, 상기 각각의 제 1, 2 세트의 주 경로 전도체 부분 내의 각 전도체는 전기적으로 병렬로 연결되고, 그리고
    상기 제 1, 2 세트의 주 경로 전도체 부분의 반대쪽 단부들에 각각 직렬로 연결된 상기 전류의 복귀 경로를 제공하는 제 1, 2 복귀 전도체 부분을 포함하며, 여기서 상기 각각의 제 1, 2 복귀 경로 전도체 부분은 상기 제 1, 2 세트의 주 경로 전도체로부터 방사적으로 밖을 향해 위치되고, 상기 제 1 평면과 실질적으로 평행하게 떨어져 위치되는 제 2 평면 내의 제 2 중심선에 대하여 서로 대칭이며,
    상기 각각의 제 1, 2 세트의 주 경로 전도체 부분은 제 1 전류를 통과시키는 제 1 수직 전도체 및 제 2 전류를 통과시키는 제 2 수직 전도체를 포함하며, 상기 제 1 수직 전도체는 상기 제 2 수직 전도체로부터 지정된 거리만큼 떨어져 위치되고, 그리고
    상기 복귀 경로 전도체의 바깥으로의 방사적인 위치와, 상기 제 2 전류에 대한 상기 제 1 전류의 전류 증폭비와, 그리고 상기 제 1, 2 수직 전도체 간의 지정된 간격이 결합되어, 상기 영상 체적 내에 상기 RF 코일 시스템에 의해 발생된 상기 B1자기장의 상기 바람직한 균일성을 제공하는 것을 특징으로 하는 자기 공명(MR) 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 복귀 경로 전도체의 상기 바깥쪽으로의 방사적인 위치는 상기 영상 체적에 바로 인접하는 상기 B1자기장의 제 2 감도보다 상당히 더 큰 상기 자기장의 제 1 감도를 상기 영상 체적 내에 제공하며, 상기 제 1 감도와 상기 제 2 감도 간의 차이는 바람직한 강도 강하를 제공하는 것을 특징으로 하는 자기 공명(MR) 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 바람직한 감도 강하는 최소 -10㏈을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 공명(MR) 시스템.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 평면 및 상기 제 2 평면은 상기 영상 체적 내에 상기 RF 코일 시스템에 의해 발생된 상기 자기장의 상기 바람직한 균일성을 발생시키기 위하여, 상기 평면들과 직각을 이루는 축을 따라 지정된 거리 만큼 떨어져 위치되는 것을 특징으로 하는 자기 공명(MR) 시스템.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 복귀 경로 전도체의 상기 바깥으로의 방사적인 위치는 아치 형태, 직사각형 형태, 및 정사각형 형태로 구성된 그룹으로부터 선택된 구조로부터 상기 복귀 경로 전도체를 형성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 공명(MR) 시스템.
  19. 제 14 항에 있어서,
    상기 각각의 RF 코일 성분들의 쌍은,
    제 1 채널 코일과 제 2 채널 코일, 및
    상기 제 1, 2 채널 코일 간에 바람직한 신호 절연을 제공하기 위하여 상기 제 1, 2 채널 코일들 간의 용량성 및 유도성 결합을 감소시키기 위한 절연 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 공명(MR) 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 바람직한 절연은 약 -15㏈ 이상인 것을 특징으로 하는 자기 공명(MR) 시스템.
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