KR20040029149A - 기계 진동을 감쇠시킴으로써 소음을 억제하는 기능을 가진자기 공명 단층촬영 장치 - Google Patents

Abstract

중심에 음의 강성도(negative stiffness)를 가진 복합 재료를 사용하여 MRT 장치, 특히 경사 코일 및 자석 용기에 발생하는 기계 진동을 집중적으로 감쇠시킴으로써 소음을 억제할 수 있다. 본 발명은 일반적으로 의학에서 환자 검사용으로 사용되는 핵스핀 단층촬영(자기 공명 단층촬영 또는 MRT라고도 함)과 관련이 있다. 특히 본 발명은 여러 측면에서 전체 시스템에 부정적인 영향을 미칠 수 있는, 부품들의 진동이 감소되거나 소음 전달 경로가 감소될 수 있는 핵스핀 단층촬영 장치와 관련이 있다. 본 발명에 따른 핵스핀 단층촬영 장치는, 내부 공간(15)을 둘러싸며 상기 내부 공간(15)을 한정하는 자석 커버(12)에 의해 둘러싸인 기본 자계 자석(1)을 포함하며, 상기 내부 공간(15)에는 경사 코일 시스템(2)이 배치되어 있다. 상기 내부 공간(15)을 한정하는 자석 커버(12)의 내부면 상에는, 경사 코일 시스템(2)의 스위칭 전환시 발생하는 음향 진동을 흡수하기 위해 음의 강성도를 가진 재료로 형성된 감쇠 부재(14)가 배치된다.

Description

기계 진동을 감쇠시킴으로써 소음을 억제하는 기능을 가진 자기 공명 단층촬영 장치{MAGNETIC RESONANCE TOMOGRAPHY DEVICE HAVING A NOISE-SUPPRESSING FUNCTION BY DAMPING MECHANICAL VIBRATIONS}

MRT는 핵스핀 공명의 물리적 현상을 기초로 하는 영상 기법으로서, 의학 및 생물물리학에서 15년 이상 성공적으로 사용되어오고 있다. 이러한 검사 기법에서는 검사 대상이 강하고 일정한 자계에 노출된다. 그로 인해 이전까지 불규칙하게 배열되어 있던 원자의 핵스핀들이 상기 검사 대상 내에 정렬된다. 이와 같이 "정렬된" 핵스핀들은 높은 주파수 파동(high frequency wave)에 의해 특정 진동(공명 주파수)을 일으키도록 여기된다. 이러한 진동은 MRT에서 적절한 수신 코일에 의해 픽업되는 고유의 측정 신호를 발생시킨다. 이 때, 경사 코일에 의해 만들어지는 불균일한 자계를 사용함으로써 측정 대상이 모든 3개의 공간 방향으로 공간적으로 코딩될 수 있다. 이러한 방법은 영상 처리할 층의 자유로운 선택을 가능하게 하고, 그 결과 모든 방향에서 인체의 단면상을 촬영할 수 있게 된다. 의학적 진단에서 라미노그래피(laminography) 기법으로서의 MRT는 특히 비침습성(non-invasive) 검사 방법으로서 다방면 콘트라스트 능력(contrast ability)을 특징으로 한다. MRT는 뛰어난 연조직 표시 능력으로 인해 X선 컴퓨터 단층촬영(CT)을 능가하는 방법으로서 발전해왔다. 현재 MRT는 수 초에서 수 분까지의 측정 시간에서 최상의 영상 품질을 가능하게 하는 스핀에코 시퀀스 및 경사에코 시퀀스의 사용을 기초로 하고 있다.

MRT 장치 부품들의 지속적인 기술적 발전 및 고속 영상 시퀀스의 도입으로 의학에서 MRT 사용 영역이 점점 증대되고 있다. 최소 침습성 수술을 지원하기 위한 실시간 영상 촬영, 신경학에서의 기능적 영상 촬영(fMRI) 및 심장학에서의 관류 측정은 단지 몇 가지 예에 불과하다.

그러한 MRT 장치의 중심 부분들 중 하나의 기본 구조가 도 2에 도시되어 있다. 도 2에 도시된 중심부는 내부 공간에 균일한 기본 자계를 만들어내는 초전도 기본 자계 자석(1)(예: 활성 표유 자계 스크리닝 기능을 가진 축방향 초전도 공심 코일 자석)을 보여준다. 초전도 기본 자계 자석(1)의 내부는 액체 헬륨 안에 있는 코일들로 형성되어 있다. 기본 자계 자석은 일반적으로 스테인레스강으로 이루어진 이중 셸 용기(12)로 둘러싸여 있다. 액체 헬륨이 들어있고, 부분적으로는 자기 코일용 코일 바디로도 사용되는 내부 용기는 열 전도도가 약한 Gfk-봉(로드)에 의해 실온의 외부 용기에 걸려 있다. 내부 용기와 내부 용기 사이의 공간은 진공 상태이다. 내부 및 외부 용기를 자석 용기(magnet vessel)라고 한다.

지지 부재(7)에 의해 기본 자계 자석(1) 내부 공간에 있는 원통형 경사 코일(2)이 지지관 내부에 동심으로 설치된다. 지지관은 외부 셸(8)에 의해 외부와 경계를 이루고, 내부 셸(9)에 의해 내부와 경계를 이룬다. 셸 (10)의 기능은 추후에 설명한다.

경사 코일(2)은, 인가된 전류에 비례하며 공간적으로 서로 수직을 이루는 경사 자계를 만들어내는 3개의 부분 권선을 갖고 있다. 도 3에 도시된 것처럼, 경사 코일(2)은 x축 코일(3), y축 코일(4) 및 z축 코일(5)를 포함하며, 상기 코일들은 코일 코어(6)를 중심으로 감김으로써 바람직하게는 직교 좌표(x, y, z)의 방향으로 경사 자계(gradient field)를 만들어낸다. 상기 코일들은 펄스 시퀀스 제어시 프로그래밍된 순서에 상응하게 정확한 진폭으로 정확한 시간에 독립적인 전류 펄스를 발생시키기 위해 각각 고유의 전류 공급 장치를 갖고 있다. 필요한 전류는 약 250A 이하이다.

경사 코일 내부에는 고주파 코일(HF-공진기 또는 안테나)이 배치되어 있다. 이 고주파 코일은, 원자핵의 여기를 위해 전력 전송 장치(power transmitter)로부터 송출된 HF-펄스를 교류 전자기장으로 변환한 다음 세차(歲差) 운동을 하는(독: praezedierend) 핵 모멘트로부터 생겨난 교류 전자기장을 수신 경로에 공급되는 전압으로 변환하는 역할을 한다.

경사 스위칭 시간(gradient switching time)이 가능한 한 짧아야 하기 때문에, 250 kA/s의 전류 상승 속도가 필요하다. 기본 자계 자석(1)과 같이 매우 강력한 자계(보통 0.2 내지 1.5 테슬라(tesla))에서는 전술한 방식의 스위칭이 상기 스위칭 과정에서 발생하는 로렌츠 힘에 의해 강한 기계 진동을 수반한다. 경사 시스템에 기계적으로 결합된 모든 시스템 부품들(하우징, 커버, 기본 자계 자석 용기 또는 자석 커버, HF-동체 코일 등)에 강제 진동이 여기된다.

경사 코일은 항상 전도성 구조물(예: 스테인레스강으로 된 자석 용기)에 의해 둘러싸여 있기 때문에, 상기 전도성 구조물 내에서 펄스가 가해진 자계를 통해 와전류가 유발되고, 상기 와전류는 기본 자계와의 상호 작용을 통해 상기 구조물에 힘작용을 가하여 상기 구조물에 마찬가지로 진동을 일으킨다.

MRT 장치의 여러 부품들의 이러한 진동은 여러 측면에서 MRT 시스템에 부정적적인 영향을 미친다. 그러한 부정적인 영향에는 다음과 같은 것들이 있다.

1. 환자, 조작자 및 MRT 장비 근처에 있는 다른 사람들에게 방해가 되는(괴로움을 주는) 강한 공기음(소음)이 발생한다.

2. 경사 코일과 기본 자계 자석의 진동이 발생하고, 상기 진동이 기본 자계 자석 또는 경사 코일의 내부 공간에 있는 환자 침대 및 HF-공진기에 전달됨으로써 불충분한 치료 영상 품질이 야기되고, 이는 심지어 오진을 초래할 수 있다(예: 기능적 영상 촬영의 경우, fMRI).

3. 외부 용기의 진동이 Gfk-봉을 통해 내부 용기로 전달되거나 초전도체 자체에 진동이 여기되면, -초음파 분무기에서와 유사하게- 용기 내부에서 헬륨 증발이 증가됨에 따라 그에 상응하는 더 많은 양의 액체 헬륨이 보충되어야 하고, 그러기 위해선 더 높은 비용이 필요하다.

4. 바닥으로부터 또는 바닥으로의 진동 전달을 막기 위해 필요한 - 광학 테이블과 유사한 - 진동 감쇠 장치의 설치로 인해서도 높은 비용이 발생한다.

종래 기술에서는 경사 코일과 다른 단층촬영 부품들(자석 용기, 환자 침대 등)간의 진동 에너지 전달이 기계식 및/또는 전자기계식 진동 감쇠기에 의해 저지된다. 통상 수동적으로 작용하는, 예컨대 고무 베어링이 사용되거나, 또는 조작 제어시 능동적인 대응 제어를 허용하여 경사 코일의 진동 진폭을 감소시키는, 예컨대 경사 코일에 통합되는 압전 소자가 사용되기도 한다. 자석 용기의 진동은 일반적으로 패드(쿠션)에 의해 경사 코일에 대해 물리적으로 감쇠된다.

진동을 감소시키기 위해 일반적으로 다음과 같은 수동적 조치들도 실행된다.

- 진동원의 캡슐화

- 육중한 재료의 사용

- "외부"에서 감쇠층을 제공(예: 타르)

특히 MRT 장치 내부에 걸친 소음 발생 경로, 즉 경사 코일의 진동에 의한 소음 생성 및 경사 코일 내에 배치되어, 상기 소음을 내부 공간 및 내부 공간에 있는 환자에게 방사하는 지지관(도 2의 8, 9)으로의 소음 전달은, 미국 특허 제 4954781호에 따라 이중층으로 된 지지관 내부에 있는, 감쇠 작용을 하는 점탄성 층(viscoelastic layer)(10)(도 2)에 의해 차단된다.

또한 지지관과 경사 코일 사이의 영역에 음을 흡수하는 소위 음향 폼(acoustic foam)을 설치함으로써 전술한 소음 발생 경로가 차단된다는 사실이 공지되어 있다.

그럼에도 불구하고 오늘날 일반적인 MRT 장치의 음향 방사는 여전히 매우 높게 나타난다.

따라서 본 발명의 목적은 MRT 장치의 조작시 소음 전달을 더욱 감소시키는 것이다.

상기 목적은 본 발명에 따라 종속 청구항의 특징들을 통해 달성된다. 종속 청구항들은 특히 바람직한 방식으로 본 발명의 중심 개념을 발전시킨다.

본 발명에서는 내부 공간을 둘러싸고 한정하는 자석 커버로 덮여 있는 자석 바디를 포함하는 핵스핀 단층촬용 장치도 제안되며, 상기 내부 공간에는 경사 코일 시스템이 존재한다. 내부 공간을 한정하는 자석 커버의 내부면 상에 경사 코일 시스템의 스위칭 전환시 발생하는 음향 진동을 흡수하기 위한 감쇠 부재가 제공된다. 이 때, 상기 감쇠 부재는 본 발명에 따라 음의 강성도(negative stiffness)를 가진 재료로 형성된다.

감쇠를 위해 제안된 재료는, 특히 압전 소자를 이용한 능동적인(active) 진동 억제의 경우와 달리, 감쇠 작용을 구현하는데 있어 저지되어야 할 변형에 대한 정보를 필요로 하지 않는다. 제안된 재료는 설계(구조)를 통해 얻어지는, 기술적으로 구현된 감쇠기의 특성 및 적절한 재료 특성이 활용되는 방식으로 수동적(passive)으로만 작용한다.

또 다른 중요한 장점은 제안된 재료를 공간적 기계적으로 적합한 형태로 제조할 수 있다는 사실이다. 이로써 예컨대 경사 자계 시스템과 같은 고집적 부품들에도 상기 재료를 사용할 수 있다. 추가의 전자 제어 장치 없이도 제안된 재료를 사용한 감쇠가 가능하기 때문에, 종래 기술에 따른 능동적 진동 억제와 달리, 영상작성 과정의 방해가 저지된다.

바람직하게는 (전술한 단점들을 수반하는) 자석 용기, HF-공진기 및 환자 침대로의 경사 코일의 진동 전달이 억제된다.

음향 진동의 흡수를 위해서도 역시 상기와 같은 감쇠 부재가 바람직하게 커버링 부품들과 자석 용기 사이, 자석 용기와 바닥 사이에 설치된다.

감쇠 부재는 복합 베어링 재료들로 형성되는 것이 바람직하다.

특히 베어링 재료들은 음의 강성도(negative stiffness)의 함유물을 가질 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에서는 감쇠 부재를 형성하는 재료가 경사 코일 자체의 내부에서 발생하는 진동을 감쇠시키는데 사용된다.

감쇠 부재의 구현 형태는 상이한 구조 성형에 의해 형성될 수 있다. 플레이트, 링 또는 링 세그먼트 등의 형태가 고려될 수 있다.

본 발명의 또 다른 장점들, 특징들 및 특성들은 첨부된 도면과 관련된 실시예들을 참고로 더 상세히 설명한다.

도 1은 기본 자계 자석 및 상기 기본 자계 자석이 둘러싸고 있는 내부 공간의 부품들의 개략적인 단면도이다.

도 2는 기본 자계 자석의 사시도이다.

도 3은 3개의 부분 권선을 포함하는 경사 코일의 사시도이다.

도 1은 MRT 장치의 기본 자계 자석(1)의 개략적 단면도이다. 상기 기본 자계 자석(1)이 둘러싸고 있는 내부 공간에는 경사 코일(2)이 있다. 또한 도 1에는몇 몇 커버링 부품(11) 및 MRT 장치가 놓여 있는 바닥(13)이 도시되어 있다. 기본 자계 자석(1)은 액체 헬륨 안에 넣어진 상태로 자석 용기라고도 불리는 이중 셸 용기(12)로 둘러싸인 초전도 자기 코일을 포함하고 있다.

도 1에 개략적으로 도시된 시스템은 진동원으로서의 경사 코일(2)을 갖고 있다.

본 발명은 특정한 전략적 위치에 특수 감쇠 부재(14)를 설치함으로써 소음 전달이 방지되게 할 수 있다.

전략적 위치란 경사 코일(2)과 자석 용기(12) 사이, 자석 용기(12)와 바닥(13) 사이, 그리고 자석 용기(12)와 커버링 부품들(11) 사이를 말한다.

음의 강성을 가진 재료를 사용함으로써 경사 코일(2)과 자석 용기(12) 사이, 자석 용기(12)와 바닥(13) 사이, 그리고 자석 용기(12)와 커버링 부품들(11) 사이에서 조정되지 않은 기계적 감쇠를 구현하는 것이 제안된다.

또한 경사 코일(2) 자체의 내부 진동을 감소시키기 위해 상기 재료를 사용하는 것도 제안된다. 바람직하게는 진동의 진폭을 줄이기 위해 진동 배(antinode) 위치에 상기 재료를 배치한다.

음의 강성도란 변위에 의해 변형되는 힘에 대해 재료가 반대방향으로 반응하는 것을 의미한다. 이러한 효과는 한 방향으로 팽창시 예기치 않게 상기 방향에 대해 수직으로 확산(팽창)되는 대부분의 압축성 폼의 특성과는 다르다. 음의 강성도의 한 물리적 예로, 압축 고정된 상태에서 압축 방향으로 다른 재료에 압력을 가하는 나선형 스프링이 있다.

기술적 유용성에 있어서 중요한 것은 상기 특성이 안정적으로 구현되어야 한다는 것이다.

제안된 감쇠 부재는 순수하게 수동적인, 그리고 물리적으로 안정적인 기능 원리로 인해 MRT 장치, 특히 경사 코일과 자석 용기에 매우 적합하다. 상기 감쇠 부재의 매우 높은 감쇠 효과는 기계 진동의 효율적인 억제를 가능하게 함으로써 바람직하지 않은 소음 발생 및 소음 전달의 억제에 기여한다.

본 발명은 의학에서 환자를 검사하는데 사용되는 핵스핀 단층촬영(동의어: 자기 공명 단층촬영, MRT)에 관한 것이다. 본 발명은 특히 다양한 측면에서 전체 시스템에 부정적인 영향을 미치는 장치 부품들의 진동이 감소되는 핵스핀 단층촬영 장치와 관련된다.

Claims (7)

1. 내부 공간(15)을 둘러싸며 상기 내부 공간(15)을 한정하는 자석 커버(12)에 의해 둘러싸인 기본 자계 자석(basic field magnet)(1)을 포함하고, 상기 내부 공간(15)에는 경사 코일 스템(2)이 존재하며, 상기 내부 공간(15)을 한정하는 자석 커버(12)의 내부면 상에 경사 코일 시스템(2)의 스위칭 전환시 발생하는 음향 진동을 흡수하기 위한 감쇠 부재(14)가 제공되는 핵스핀 단층촬영 장치로서,

   상기 감쇠 부재(14)는 음의 강성도(negative stiffness)를 갖는 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 핵스핀 단층촬영 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   음향 진동을 흡수하기 위해 커버링 부품들(11)과 상기 자석 용기(12) 사이에 감쇠 부재(14)가 설치되는 것을 특징으로 하는 핵스핀 단층촬영 장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   음향 진동을 흡수하기 위해 상기 자석 용기(12)와 바닥(13) 사이에 감쇠 부재(14)가 설치되는 것을 특징으로 하는 핵스핀 단층촬영 장치.
4. 제 1항, 2항 또는 3항에 있어서,

   상기 감쇠 부재(14)는 복합 베어링 재료들로 형성되는 것을 특징으로 하는핵스핀 단층촬영 장치.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 베어링 재료들은 음의 강성도의 함유물을 가지는 것을 특징으로 하는 핵스핀 단층촬영 장치.
6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 경사 코일(2)은 음의 강성도를 가진 재료로 형성된 추가의 감쇠 부재들을 포함하는 것을 특징으로 하는 핵스핀 단층촬영 장치.
7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 감쇠 부재의 구현 형태는 플레이트, 링 또는 링 세그먼트 등과 같이 다양한 구조 형태에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 핵스핀 단층촬영 장치.