KR20040044155A - 자기 공명 분광법 - Google Patents

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KR20040044155A
KR20040044155A KR1020030081447A KR20030081447A KR20040044155A KR 20040044155 A KR20040044155 A KR 20040044155A KR 1020030081447 A KR1020030081447 A KR 1020030081447A KR 20030081447 A KR20030081447 A KR 20030081447A KR 20040044155 A KR20040044155 A KR 20040044155A
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coil
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KR1020030081447A
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마크에이. 브라운
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지멘스 메디컬 솔루션즈 유에스에이, 인크.
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/28—Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
    • G01R33/32—Excitation or detection systems, e.g. using radio frequency signals
    • G01R33/34—Constructional details, e.g. resonators, specially adapted to MR
    • G01R33/341—Constructional details, e.g. resonators, specially adapted to MR comprising surface coils
    • G01R33/3415—Constructional details, e.g. resonators, specially adapted to MR comprising surface coils comprising arrays of sub-coils, i.e. phased-array coils with flexible receiver channels

Abstract

위상 배열 코일에 의해 측정된 자기 공명 신호는 시간 영역에서 합성된다. 각 코일에서 측정된 신호의 위상은 다른 코일에서 측정된 신호와 합성되기 전에 신호의 위상이 서로 거의 동일하도록 시간 영역에서 조정된다. 이어서 합성 시간 영역 신호는 분광기에 의한 분석을 위해 주파수 영역 신호로 변환된다.

Description

자기 공명 분광법{MAGNETIC RESONANCE SPECTROSCOPY}
본 출원은 2002년 11월 19일에 출원된 "자기 공명 분광법"이라는 명칭의 미국 예비 출원 60/427,641의 우선권을 청구하며, 그 내용이 여기에 전부 설명된 것처럼 본 출원에 참조로 포함된다.
본 발명은 자기 공명 분광법에 관한 것이다.
자기 공명 분광법은 자기 공명 현상을 이용하여 물질의 물리적, 화학적, 생물학적 특징을 연구하는 것이다. 검사 대상은 자계에 배치되고, 펄스 무선 주파수(RF) 신호가 상기 대상 내의 볼륨 쪽으로 향해져 자기 공명을 유도한다. 자기 공명 신호는 볼륨 부근에 배치된 측정 코일에 의해 검출될 수 있다. 자기 공명 신호는 시상수에 따라 감쇠하는 주파수( ω)를 갖는 정현파와 비슷하며, 자유 유도 감쇠(FID) 신호라 한다. 볼륨 내의 다른 종류의 원자는 다른 자기 공진 주파수( ω)를 일으키게 된다. FID 신호의 스펙트럼을 검사함으로써 볼륨에 포함된 원자의 종류를 판단하는 것이 가능하다.
일반적으로, FID 신호의 진폭은 약하다. 신호 측정 코일이 사용되면, 코일에 의해 검출된 신호는 강하지 않을 수도 있고, 잡음에 의해 손상될 수도 있다. "위상 배열 코일"이라 하는 코일의 배열이 자기 공명 신호를 측정하고 신호 대 잡음 비를 높이는데 사용될 수 있다. 과거에 위상 배열 코일의 각 코일 엘리먼트에서 검출된 FID 신호는 개별적으로 주파수 영역 신호로 변환된다. 그에 따른 주파수 영역 신호들은 합성되어 성분 신호보다 높은 신호 대 잡음 비를 갖는 주파수 영역의 합성 신호를 발생시킨다.
일반적으로, 본 발명은 일 측면은, 무선 주파수 펄스를 인가하여 볼륨에 자기 공명을 유도하는 단계; 제1 코일을 사용하여 상기 유도 자기 공명을 나타내는 제1 시간 영역 신호를 검출하는 단계; 제2 코일을 사용하여 상기 유도 자기 공명을 나타내는 제2 시간 영역 신호를 검출하는 단계; 상기 제2 시간 영역 신호의 위상을 조정하여 위상 보상된 제2 시간 영역 신호의 위상이 상기 제1 시간 영역 신호의 위상과 거의 동일하도록 위상 보상 시간 영역 신호를 생성하는 단계; 및 상기 제1 시간 영역 신호 및 상기 위상 보상 제2 시간 영역 신호를 합성하여 합성 시간 영역 신호를 생성하는 단계를 구비하는 자기 공명 분광법을 나타낸다.
일반적으로, 본 발명의 다른 측면은, 다수의 코일을 사용하여 시간 영역 자기 공명 신호를 측정하는 단계; 상기 시간 영역 자기 공명 신호의 위상을 공통 기준으로 조정하는 단계; 및 상기 조정된 시간 영역 자기 공명 신호를 합성하는 단계를 구비하는 자기 공명 분광법을 나타낸다.
일반적으로, 본 발명의 다른 측면은, 다수의 코일에서 각각 위상 및 진폭을 갖는 자기 공명 신호를 수신하는 단계; 상기 자기 공명 신호의 위상을 시간 영역에서 조정하여 위상 보상 신호를 생성하는 단계; 및 상기 위상 보상 신호를 합성하여 합성 신호를 생성하는 단계를 구비하는 자기 공명 분광법을 나타낸다.
본 발명의 실시는 다음의 특징 중 하나 이상을 포함할 수도 있다. 합성 시간 영역 신호의 주파수 스펙트럼이 결정된다. 위상 조정 단계는 상기 위상 보상 신호들의 위상이 서로 거의 동일하도록 상기 자기 공명 신호들간의 위상 차를 시간영역에서 보상하여 위상 보상 신호를 생성하는 단계를 포함한다. 각각의 코일은 각각의 감도를 가지며, 상기 방법은 대응하는 코일의 감도에 근거하는 가중치 계수에 따라 상기 자기 공명 신호 각각에 가중치를 부여하는 단계를 더 포함한다. 상기 방법은 자기 공명 신호가 없을 때 배경 잡음을 측정함으로써 각 코일의 감도를 결정하는 단계를 포함한다. 자기 공명 신호는 자유 유도 감쇠 신호를 포함한다. 상기 방법은 영역에 편광 자계를 확립하는 단계 및 무선 주파수 펄스를 인가하여 상기 영역의 볼륨(예를 들어 인간의 조직을 포함)에 자기 공명을 유도함으로써 자기 공명 신호를 생성하는 단계를 포함한다. n번째 코일에서 수신된 자기 공명 신호 Sn(t)는: Sn(t) = Anexp(iφ ref+iδφ n)exp[it(ω- 1/T2)]로 나타낼 수 있으며, 여기서 An은 진폭 계수,φ ref는 기준 신호의 위상,δφ n은 n번째 코일에 수신된 신호의 위상과 기준 신호의 위상과의 차, ω는 자기 공명 신호의 주파수, T2는 스핀-스핀 완화 시간이다. 합성 신호 ST(t)는: ST(t) =[wn·An] ·exp(iφ ref)exp[it(ω- 1/T2)]로 정의되며, N은 코일 수, wn은 각 코일의 감도에 의해 결정된 가중치 계수이다. 위상 조정 단계는 자기 공명 신호 중 하나를 기준 신호로서 선택하는 단계; 및 자기 공명 신호의 위상이 기준 신호의 위상과 거의 동일하도록 기준 신호 이외의 자기 공명 신호의 위상을 조정하는 단계를 포함한다.
일반적으로, 본 발명의 다른 측면은, 자계를 발생시키는 자석; 자계에 대상을 지지하는 지지부; 무선 주파수 펄스를 발생시켜 대상의 볼륨을 여자(勵磁)시킴으로써 자기 공명 신호를 생성하는 무선 주파수 신호 발생기; 자기 공명 신호를 검출하기 위한 적어도 2개의 코일; 및 적어도 2개의 코일에 의해 검출된 자기 공명 신호를 처리하며, 자기 공명 신호의 위상을 시간 영역에서 조정하여 위상 보상 신호를 생성하는 단계, 위상 보상 신호를 시간 영역에서 합성하여 합성 신호를 생성하는 단계, 및 합성 신호의 주파수 스펙트럼을 결정하는 단계를 행하는 데이터 처리기를 구비하는 자기 공명 분광 장치를 나타낸다.
본 발명의 실시는 다음의 특징 중 하나 이상을 포함할 수도 있다. 데이터 처리기는 위상 보상 신호들의 위상이 서로 거의 동일하도록 위상 보상 신호의 위상을 조정한다. 적어도 2개의 코일은 완전히 중첩되지 않고 상기 대상 부근에 배치된다. 상기 대상은 살아있는 조직으로 구성된다.
일반적으로, 본 발명의 다른 측면은, 볼륨을 여자시켜 자기 공명 신호를 발생시키는 수단; 자기 공명 신호를 검출하기 위한 적어도 2개의 코일; 및 시간 영역에서 자기 공명 신호 각각의 위상을 조정하여 위상 보상 신호를 생성하고, 시간 영역에서 위상 보상 신호를 합성하여 합성 신호를 생성하며, 합성 신호의 주파수 스펙트럼을 결정함으로써 적어도 2개의 코일에 의해 검출된 자기 공명 신호를 처리하는 수단을 구비하는 자기 공명 분광 장치를 나타낸다.
본 발명의 실시는 다음의 특징 중 하나 이상을 포함할 수도 있다. 여자 수단은 자계를 발생시키는 수단, 및 무선 주파수 펄스를 발생시켜 볼륨을 여자시키는 수단을 포함한다. 위상 보상 신호의 위상은 서로 거의 동일하다.
본 발명의 하나 이상의 실시예의 상세는 첨부 도면 및 하기 설명에 나타낸다. 본 발명의 그 밖의 특징, 목적 및 이점은 설명 및 도면으로부터, 그리고 청구항으로부터 명백해진다.
도 1은 자기 공명 분광 시스템의 블록도이다.
도 2는 코일의 배열 및 조직 볼륨을 나타내는 도면이다.
도 3은 개개의 FID 신호를 합성함으로써 자기 공명 스펙트럼을 발생시키는 처리를 나타내는 흐름도이다.
도 4a∼도 15b는 측정 데이터를 나타내는 도표이다.
도 16은 측정 데이터를 나타내는 표이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 자기 공명 분광 시스템102 : 자석
104 : 경사 코일106 : 경사 증폭기
108 : RF 증폭기110 : 송신측 코일
112 : 수신측 코일112a-112d : 코일 엘리먼트
114 : 수신측 증폭기116 : 스펙트럼 처리기
118 : 호스트 컴퓨터120 : 조작자 콘솔
122 : 시스템 디스크124 : 심(shim) 시스템
여기서 설명하는 자기 공명 분광 시스템은 위상 배열 코일의 각각의 코일 엘리먼트에 의해 측정되는 FID 신호의 위상을 정합하며, 시간 영역에서 위상 정합 신호들을 합성하고, 합성 신호의 주파수 스펙트럼을 저감 푸리에 변환으로 연산하여 강화된 자기 공명 분광 신호를 생성한다.
도 1을 참조하면, 자기 공명 분광 시스템(100)은 환자의 신체가 위치하는 검사 영역에 걸쳐 거의 일정한 주 자계를 발생시키는 자석(102)을 구비한다. 자석(102)으로는 초전도 전선으로 만들어진 전자석이 가능하다. 심(shim) 시스템(124)은 환자의 신체 중 검사할 부위의 주 자계에 있어서의 작은 공간 불균등성을 보정한다. 경사 코일(104)은 검사 영역 내 신체 부위의 주 자계에 선형 자계 경사를 발생시킨다. 경사 증폭기(106)는 경사 코일(104)에 흐르는 전류를 발생시켜 검사 영역에 충분한 자계 경사를 일으킨다. 무선 주파수(RF) 증폭기(108)는 송신측 코일(110)에 의해 검사 영역으로 송신되는 RF 펄스를 발생시킨다. RF 펄스는 검사 영역에서 환자 신체 내 원자를 활성화시킨다.
RF 펄스에 의해 활성화되는 신체 부위의 원자는 (상술한) FID 신호를 방사한다. FID 신호는 코일 엘리먼트(112a-112d)를 포함하는 위상 배열 수신측 코일(112)에 의해 검출된다. 수신측 코일(112)에 의해 검출된 신호는 수신측 증폭기(114)에 의해 증폭되어 스펙트럼 처리기(116)에 송신되며, 스펙트럼 처리기(116)는 코일 엘리먼트(112a-112d)에 의해 검출된 신호에 근거하여 신체 부위의 주파수 스펙트럼을 발생시킨다. 스펙트럼 처리기(116)는 개개의 코일 엘리먼트로부터의 신호들을 시간 영역에서 합성하여 합성 신호를 생성한다. 스펙트럼 처리기(116)는 합성 신호에 푸리에 변환을 적용하여 자기 공명 신호의 스펙트럼을 나타내는 주파수 영역 신호를 생성한다. 스펙트럼 처리기(116)는 이후의 분석을 위해 시간 영역 신호 및 대응하는 주파수 영역 신호를 나타내는 데이터를 호스트 컴퓨터(118)에 전송한다.
신체 부위에서 다른 종류의 원자는 RF 펄스에 응하여 다른 주파수를 공명하고 다른 주파수를 갖는 FID 신호를 방사한다. FID 신호의 스펙트럼을 검사함으로써 신체 부위에서 원자의 종류를 판단하는 것이 가능하다. 이는 신체 부위에 특정 질병이 존재하는 것을 진단하는데 유용하다.
상기 예에서 스펙트럼 처리기(116)는 다른 코일 엘리먼트(112a-112d)로부터의 신호들을 시간 영역에서 합성하여 합성 신호를 주파수 영역 신호로 변환한다. 시간 영역 신호들을 합성하여 그 합성 신호를 주파수 영역 신호로 변환하는 처리를 행하는 호스트 컴퓨터(118)를 구성하는 것도 가능하다.
송신측 코일(110)에 의해 방사되는 RF 펄스의 형태는 원자에 인가되는 에너지 양에 영향을 미친다. 측정 프로세스는 펄스 시퀀스에 의해 정의되며, 이는 측정중에 인가되는 RF 펄스 및 경사 펄스의 관련 타이밍을 제어하여 검사 대상인 신체 부위를 둘러싸는 자계의 경사를 조절한다. 호스트 컴퓨터(118)는 경사 증폭기(106)를 제어하여 경사 펄스를 발생시킨다. 호스트 컴퓨터(118)는 RF 증폭기(108)를 제어하여 RF 펄스의 펄스 형상 및 시퀀스를 조절한다. 저장 시스템, 여기서는 시스템 디스크(122)가 스펙트럼 처리기(116)로부터 송신된 시간 영역 데이터 및 스펙트럼 데이터를 저장한다. 조작자 콘솔(120)은 합성 신호의 스펙트럼을 표시한다. 콘솔(120)은 또한 조작자가 명령을 입력하여 호스트 컴퓨터(118)를 제어할 수 있게 한다.
도 2를 참조하면, RF 펄스에 의해 여자된 원자를 갖는 조직(125)의 볼륨이 코일 엘리먼트(112a-112d)에 의해 검출된 FID 신호를 방사한다. 코일 엘리먼트들은 완전히 중첩되지 않으며 조직(125) 부근에 배치된다. 조직(125)의 볼륨 내 원자들은 결합하여 네트 자화(M)를 형성한다. 조직의 볼륨으로부터 네트 자화(M)에 의해 발생된 FID 신호는 다음과 같이 나타낼 수 있다:
S(t) = Aexp(iφ)exp[it(ω- 1/T2)](식 1)
여기서 A는 신호의 크기,φ는 기준 위상에 대한 위상각, ω는 신호의 주파수, T2는 스핀-스핀 완화 시간이다. T2완화 시간은 조직(125)의 볼륨으로부터의 네트 자화(M)의 특징적인 감쇠이다. T2완화 시간은 분자 운동을 탈위상시키고 수신측 코일(112)에서 신호 손실을 일으키는 조직(125)의 볼륨 내의 스핀간 분자 사이의 상호 작용의 특징을 나타낸다.
위상 배열 수신측 코일(112)에서 각 코일 엘리먼트(112a-112d)는 조직 볼륨(125)으로부터의 신호를 개별적으로 측정하여 시간 영역 신호를 발생시킨다. 이들 신호는 합성되어 신호 대 잡음 비가 보다 높은 보다 강한 신호를 생성한다.이들 신호를 합성할 때, 두 가지 요인이 고려된다: (1) 신호들은 각각의 코일 감도를 갖도록 보상되며, 이는 제조 오차에 의해 발생하게 된다. 모든 코일 엘리먼트에 대해 동일한 이득이 사용되면, 감도가 보다 큰 코일 엘리먼트는 적절하기 보다는 합성 신호에서 보다 큰 중요성을 갖게 된다. (2) 신호들은 합성 이전에 정합된다. 위상 보상의 실패는 신호들이 합성될 때 한 신호가 다른 신호를 상쇄시키게 할 수 한다.
스펙트럼 처리기(116)는 코일 엘리먼트(112a-112d)에 의해 측정되는 신호들을 처리하여 다른 코일 감도 및 위상 차를 보상한다. 코일 감도를 보상하기 위해 코일 엘리먼트의 감도 표시기로서 배경 잡음이 측정된다. Sn은 배열에서 n번째 코일 엘리먼트에 의해 측정된 FID 신호를 나타내고, σn은 RF 펄스가 없을 때 n번째 코일 엘리먼트에 의해 측정된 배경 잡음의 표준편차를 나타내는 것으로 한다. 스펙트럼 측정기(116)는 배경 잡음 측정으로부터 유도된 가중치 계수(wn)를 적용함으로써 신호를 합성한다:
ST(t) = w1·S1(t) + w2·S2(t) + w3·S3(t) + w4·S4(t)(식 2)
여기서
wn=(식 3)
은 잡음 정규화 계수이며, 코일 엘리먼트간에 상호 저항이 없는 것으로 가정한다.
위상 차를 보상하기 위해, 각 코일 엘리먼트에서 신호의 위상은 합성 이전에시간 영역에서 조정된다. 각각의 코일 엘리먼트(112a-112d)에 의해 검출된 FID 신호의 파형은 신호들 사이에 일정한 위상 차를 제외하고 거의 동일하다(측정 시의 잡음 및 오차가 고려되지 않은 경우). 일정한 위상 차는 조직 볼륨에 대한 코일 엘리먼트의 위치 차, 및 케이블 길이 차 또는 그 밖의 하드웨어 변수 등 그 밖의 인자에 의해 발생할 수 있다.
코일 엘리먼트(112a-112d)에서 신호들간의 일정한 위상 차는 특정 시간에 코일 엘리먼트로부터의 신호들의 위상을 비교함으로써 결정될 수 있다. 예시를 위해 코일 엘리먼트(112a-112d)에서 신호들의 위상은 각각φ 1,φ 2,φ 3,φ 4이다. 이들 위상은 기준 위상(φ ref)에 관련하여 측정된다. 어떤 한 신호가 기준 신호로서 선택되어 그 위상이 기준 위상으로서 사용될 수도 있고, 그 밖의 신호들은 위상 보상을 위해 기준 신호와 비교될 수 있다. 예를 들어, 코일 엘리먼트(112a)로부터의 신호가 기준 신호로서 선택될 수도 있다. 기준 신호에 관한 코일 엘리먼트(112b)에서 신호의 위상은δφ 2=φ 2-φ ref와 같다. 마찬가지로, 코일 엘리먼트(112a)에서의 신호에 대한 n번째 코일 엘리먼트에서 신호의 위상은:
δφ n=φ n-φ ref(식 4)
와 같다.
각 코일 엘리먼트에서 측정된 신호(Sn)는:
Sn(t) = Anexp(iφ n)exp[it(ω- 1/T2)](식 5)
와 같이 나타낼 수 있으며, 이것은:
Sn(t) = Anexp(iδφ n)exp(iφ 1)exp[it(ω- 1/T2)](식 6)
와 같이 고쳐 쓸 수 있다.
4-엘리먼트 위상 배열 코일에 대해, 식 2의 가중치 계수(wn)를 고려하여 위상 보상 없이 신호를 합성함으로써 다음 식이 유도된다:
ST(t) = w1·A1·exp(iδφ 1) ·exp(iφ ref) ·exp[it(ω- 1/T2)]
+ w2·A2·exp(iδφ 2) ·exp(iφ ref) ·exp[it(ω- 1/T2)]
+ w3·A3·exp(iδφ 3) ·exp(iφ ref) ·exp[it(ω- 1/T2)]
+ w4·A4·exp(iδφ 4) ·exp(iφ ref) ·exp[it(ω- 1/T2)]
= [w1·A1·exp(iδφ 1) + w2·A2·exp(iδφ 2)
+ w3·A3·exp(iδφ 3) + w4·A4·exp(iδφ 4)]
×exp(iφ ref) ·exp[it(ω- 1/T2)]
=[wn·An·exp(iδφ n) ·exp(iφ ref) ·exp[it(ω- 1/T2)]
(식 7)
각 코일 엘리먼트에서 측정된 신호의 위상이 서로 일치하도록 조정되면, 합성 신호는:
ST(t) = w1·S1(t)·exp(-iδφ 1) + w2·S2(t)·exp(-iδφ 2)
+ w3·S3(t)·exp(-iδφ 3) + w4·S4(t)·exp(-iδφ 4)(식 8)
와 같이 고쳐 쓸 수 있다.
임의의 신호 Sn(t)가 기준 신호로서 사용될 수 있다. 식 6 및 식 8에서 제1 코일 엘리먼트에서 측정된 신호 S1(t)이 기준 신호로서 사용되면δφ n=φ n-φ 1이다.
이에 따른 합성 신호 ST(t)는 이어지는 위상 보정 및 실수부 추출에 의한 푸리에 변환을 이용하여 주파수 영역 신호로 변환되어 자기 공명 신호의 주파수 스펙트럼을 결정한다. 스펙트럼에서 상이한 피크는 다른 분자 또는 다른 부위의 분자에 상당한다. 주파수 스펙트럼은 진단을 위한 조직 볼륨의 구성을 분석하는데 사용될 수 있다.
다른 코일 엘리먼트로부터의 신호들을 시간 영역에서 합성하는데 따른 이점은 푸리에 변환이 한번만 행해진다는 점이다. 또한, 각 코일 엘리먼트로부터의 신호에 주파수 영역 위상 보정이 한번만 적용된다. 푸리에 변환 및 위상 보정은 시간이 걸리는 동작이므로, 필요한 푸리에 변환 및 위상 보정 동작의 회수를 줄임으로써 자기 공명 분광 데이터가 보다 저렴한 데이터 처리기를 사용하고 사용자 개입을 보다 적게 필요로 하며 보다 빠르게 얻어질 수 있다.
도 3을 참조하면, 프로세스(126)는 위상 배열 수신측 코일(112)의 각각의 코일 엘리먼트에서 측정된 개별적인 FID 신호들을 합성함으로써 자기 공명 스펙트럼을 발생시켜 측정의 신호 대 잡음 비를 향상시킨다.
프로세스(126)에서 자석(102) 및 경사 코일(104)을 사용하여 자계가 확립된다(128). RF 증폭기(108)가 꺼져있는 동안 각 코일에서 배경 잡음이 측정된다(130). 식 3에 따라 가중치 계수(wn)가 산출된다(132). 송신측 코일(110)에 의해 RF 펄스가 송신되어(134) 조직(125)의 볼륨을 활성화시킨다. 각각의 코일 엘리먼트에서 FID 신호(Sn(t))가 측정된다(136). 위상 차(δφ n)가 결정된다(138). Sn(t)의 위상 차가 조정되어(140) 위상 보상된 FID 신호를 발생시킨다. 위상 보상된 FID 신호는 가중치 계수(wn)를 사용하여 식 7에 따라 가중치 합성된다(142). 합성 신호에 푸리에 변환이 적용되어(144) 합성 신호의 주파수 스펙트럼을 발생시킨다.
4-엘리먼트 위상 배열 코일을 사용하여 지름이 170 ㎜인 플렉시글라스 구의 샘플 볼륨으로부터 FID 신호를 검출하는 실험이 행해졌다. 구는 각각 0.1 몰랄의 농도로 물에 용해되어 있는 아세트산나트륨 및 리튬 락테이트를 함유한다. 아세트산나트륨 및 리튬 락테이트 분자는 주파수 스펙트럼에서 단일 또는 이중 피크를 각각 생성하는 수소 원자를 함유한다. 구 안에 20 ㎜ ×20 ㎜ ×20 ㎜의 크기로 위치하는 샘플 볼륨으로부터 신호가 측정되었다.
도 4a∼4d를 참조하면, 도표(146-153)는 샘플 볼륨으로부터 측정된 신호를 나타낸다. 각 도면의 우측은 구의 두개골(상단) 이미지(280), 두정(頭頂)(중간) 이미지(282) 및 횡단(하단) 이미지(284)를 나타낸다. 각 이미지 내의 구(286)는 샘플 볼륨의 위치를 나타낸다. 각각의 이미지를 양분하는 점선(288, 290)은 다른두 이미지의 위치를 나타내는 상호 참조선이다.
실험은 RF 펄스를 인가하여 샘플 볼륨(286)의 원자를 여자하고 135 밀리초의 시간 주기("TE" 시간이라 함)를 휴지하여 측정 프로세스를 시작하는 것을 포함하였다. 위상 배열 코일의 각 코일 엘리먼트에 대해, 90도의 위상 차를 갖는 2개의 신호를 발생시키는 구적 검출기를 사용하여 유도 전압(신호)이 측정되었다. 수학적으로, 어떤 한 신호가 FID 신호의 실수부에 대응하고, 다른 신호가 FID 신호의 허수부에 대응한다. 측정 프로세스를 위해 신호는 1024쌍의 실수 및 허수 데이터 포인트로 디지털화되었다. 여자-휴지-검출 시퀀스는 연속하는 여자 사이에 1500 밀리초의 시간 주기("TR" 시간이라 함)로 8회 반복되었다. 대응하는 코일 엘리먼트에 대한 각 시퀀스의 반복으로 측정된 디지털 신호들이 서로 가산되었다.
도 4a∼4d는 4개의 다른 코일 엘리먼트에 의해 측정된 FID 신호를 나타낸다. 도 5a∼5d는 도 4a∼4d에 나타낸 측정치로부터 유도된 위상 보상 FID 신호를 나타낸다. 도 6은 도 5a∼5d에 나타낸 데이터로부터 유도된 합성 FID 신호를 나타낸다. 각 도표에서 가로축은 밀리초 단위로 시간을 나타내고, 세로 축은 밀리볼트 단위로 신호 진폭을 나타낸다. 도 4a∼4d, 도 5a∼5d 및 도 6에서 가로축 상의 시간=0은 검출 프로세스의 시작 시간을 나타내고, 이는 RF 여자 펄스에 따른 연산자 지정 TE 시간에 일어난다. 도 4a∼4d에 나타낸 데이터는 동일한 측정 파라미터를 사용하여 측정되었다.
도 4a를 참조하면, 도표(146, 147)는 구적 검출기를 사용하여 제1 코일 엘리먼트로부터의 FID 신호의 측정을 나타낸다. 라인(210, 212)은 각각 신호의 실수부및 허수부를 나타낸다. 도 4b를 참조하면, 도표(148, 149)는 구적 검출기를 사용하여 제2 코일 엘리먼트로부터의 FID 신호의 측정을 나타낸다. 라인(214, 216)은 각각 신호의 실수부 및 허수부를 나타낸다. 도 4c를 참조하면, 도표(150, 151)는 구적 검출기를 사용하여 제3 코일 엘리먼트로부터의 FID 신호의 측정을 나타낸다. 라인(218, 220)은 각각 신호의 실수부 및 허수부를 나타낸다. 도 4d를 참조하면, 도표(152, 153)는 구적 검출기를 사용하여 제4 코일 엘리먼트로부터의 FID 신호의 측정을 나타낸다. 라인(222, 224)은 각각 신호의 실수부 및 허수부를 나타낸다. 도 4a∼4d에서 도표의 시작부(154, 156, 158, 160)는 완전히 다르다. 이러한 차이는 대개 각 코일 엘리먼트에 의해 측정된 신호의 위상 차에 기인한다.
도 5a∼5d는 기준 신호로서 제1 코일 엘리먼트로부터의 신호를 이용하는 잡음 가중 위상 보상 신호를 나타낸다. 도 5a를 참조하면, 도표(162, 163)는 제1 코일 엘리먼트로부터 취득된 잡음 가중 신호를 나타낸다. 라인(225, 227) 상의 데이터 포인트는 라인(210, 212)(도 4) 상의 데이터 포인트에 가중치 계수(식 3)를 각각 부여함으로써 유도된다. 도 5a에서의 데이터 포인트는 도 4a에서의 데이터 포인트와 동일 위상을 갖는다. 도 5b를 참조하면, 도표(164, 165)는 신호가 위상 보상 및 잡음 가중되어 제2 코일 엘리먼트로부터의 신호의 위상이 제1 코일 엘리먼트로부터의 신호의 위상과 일치한 후 제2 코일 엘리먼트로부터의 측정치를 나타낸다. 도 5c를 참조하면, 도표(166, 167)는 신호가 위상 보상 및 잡음 가중되어 제3 코일 엘리먼트로부터의 신호의 위상이 제1 코일 엘리먼트로부터의 신호의 위상과 일치한 후 제3 코일 엘리먼트로부터의 측정치를 나타낸다. 도 5d를 참조하면, 도표(168,169)는 신호가 위상 보상 및 잡음 가중되어 제4 코일 엘리먼트로부터의 신호의 위상이 제1 코일 엘리먼트로부터의 신호의 위상과 일치한 후 제4 코일 엘리먼트로부터의 측정치를 나타낸다.
n번째 코일 엘리먼트로부터의 신호를 제1 코일 엘리먼트로부터의 신호와 일치시키는 위상에 이용되는 방법을 하기에 설명한다. n번째 코일 엘리먼트로부터의 합성 시간 신호의 각각의 측정치(예를 들어 도 4b에서 라인(214 또는 216) 상의 데이터 포인트로 나타냄)에는 위상 보정 계수 exp(iδφ n)가 곱해지고, 식 4에 정의된 바와 같이δφ n=φ n-φ ref이다. 실험에서는 제1 코일 엘리먼트로부터의 신호가 기준 신호로서 사용되었으므로δφ n=φ n-φ 1이다. 제1 시간 영역 데이터 포인트로부터 위상각(φ n)이 역탄젠트 각으로서 산출되었다:
φ n= tan-1(Imag1n/Real1n)(식 9)
여기서 Imag1n및 Real1n은 n번째 코일 엘리먼트에 대한 제1 시간 영역 합성 데이터 포인트의 실수 및 허수 값이다. 예를 들어, 도 4a의 제1 데이터 포인트(A, B)(각각 라인(210, 212) 상의 시간=0에서)로부터 위상각(φ 1)이 산출될 수 있다. 데이터 포인트(A)는 -1300의 값을 갖고 데이터 포인트(B)는 2926의 값을 갖기 때문에,φ 1= tan-1(2926/(-1300)) = -66도이다.
제1, 제2, 제3 및 제4 코일 엘리먼트에 대해 위상각(φ n)이 산출되었고, 이들 값은 도 16의 열(230)에 기재된다. 이러한 수들은 식 4에서 위상 차(δφ n)를 산출하는데 사용되며, 위상 차(δφ n)는 위상 보정 계수 exp(iδφ n)를 산출하는데 사용되었다. 도 5a∼5d의 도표들은 각각 초기 데이터 영역(171, 172, 174, 176)을 갖는다. 도표(162, 163, 164-169)의 비교는 위상 보정 후 각 도표의 초기 데이터 영역(171, 172, 174, 176)이 매우 유사한 것을 나타낸다. 이는 다른 코일 엘리먼트에 의해 측정된 신호들이 샘플 볼륨으로부터 방사된 동일한 FID 신호를 나타내는 것을 보여준다.
도 6을 참조하면, 도표(178, 179)는 도 5a∼5d에 나타낸 데이터로부터 유도된 합성 시간 영역 신호를 나타낸다. 라인(226, 228)은 합성 시간 영역 신호의 실수부 및 허수부를 각각 나타낸다. 라인(226, 228)으로 나타낸 합성 신호의 크기는 도 4a∼4d에 나타낸 대응 신호보다 크다. 이는 식 8을 이용한 FID 신호의 합성이 신호 세기를 증가시킬 수 있어 보다 높은 신호 대 잡음 비를 나타낸다는 것을 증명한다.
도 7a∼도 15b는 도 4a∼도 6에 나타낸 데이터로부터 취득된 처리 주파수 영역 스펙트럼의 실수부를 나타낸다. 모든 데이터는 상술한 위상 보상 방법을 제외하고 동일 파라미터에 의해 동일 방식으로 처리되었다.
도 7a, 8a, 9a, 10a, 11a, 12a, 13a, 14a, 15a를 참조하면, 각각의 도표(238, 242, 246, 250, 254, 258, 262, 264, 270)는 주파수 0.5 내지 3.0 ppm 사이의 톱니 모양의 라인(예를 들어 도 7a에서 234) 상에 포개진 평탄한 라인(예를들어 232)을 나타낸다. 평탄한 라인은 아세테이트 및 락테이트 수소 신호의 이론상의 도표를 나타내고, 톱니 모양의 라인은 측정된 데이터를 나타낸다. 가로축은 오른쪽에서 왼쪽으로 증가하는 주파수를 나타내고, 단위는 표준 주파수를 기준으로 하여 부분 당 100만(ppm)이다. 가로축 상에서 주파수 0.0 ppm은 기준 주파수 63,633,351 ㎐와 동일하며, 이는 실험에 사용된 샘플 볼륨에 없는 화합물(테트라메틸시레인)의 공진 주파수를 나타낸다. 주파수 3.0 ppm은 63,633,459 ㎐와 동일하다.
도 7a에서 양의 피크 옆의 "72.92"는 이론상의 곡선 피트에 기인하는 아세테이트 피크 진폭을 나타내며, 스펙트럼으로부터 측정된 신호 진폭을 나타내는데 사용된다. 도 16에서 열(236)은 도 7a, 8a, 9a, 10a, 11a, 12a, 13a, 14a, 15a에 나타낸 양의 피크의 피크 진폭을 개괄하고 있다.
도 7b, 8b, 9b, 10b, 11b, 12b, 13b, 14b, 15b를 참조하면, 각각의 도표(240, 244, 248, 252, 256, 260, 264, 268, 272)는 주파수 2.8 ppm 내지 3.0 ppm 사이의 톱니 모양의 라인(예를 들어 도 7b에서 278) 상에 포개진 평탄한 라인(예를 들어 276)을 나타낸다. 평탄한 라인은 신호의 이론상의 도표를 나타내고, 톱니 모양의 라인은 측정된 신호를 나타낸다. 각 도표의 상부 좌측에 나타낸 "피트 에러"(예를 들어 도 7b에서 3.20)는 이론상의 곡선 피트에 기인하는 피트 에러를 나타내며, 스펙트럼으로부터 측정된 잡음 진폭을 나타내는데 사용된다. 도 16의 열(274)에 잡음 진폭의 값이 개괄되어 있다.
도 7a∼도 10b에서 도표(228-252)는 4개의 코일 엘리먼트로부터 취득된 시간영역 데이터로부터 위상 보상 없이 직접 변환된 주파수 영역 스펙트럼을 나타낸다. 도 7a∼7b에서 도표(238, 240)는 도 4a의 도표(146-147)에서의 신호의 주파수 영역 스펙트럼을 나타낸다. 도 8a-8b에서 도표(242, 244)는 도 4b의 도표(148-149)에서의 신호의 주파수 영역 스펙트럼을 나타낸다. 도 9a-9b에서 도표(246, 248)는 도 4c의 도표(150-151)에서의 신호의 주파수 영역 스펙트럼을 나타낸다. 도 10a-10b에서 도표(250, 252)는 도 4d의 도표(152-153)에서의 신호의 주파수 영역 스펙트럼을 나타낸다. 도 7a∼도 10b에서 진폭 및 피트 에러는 코일 차에 대해 보정되지 않았다.
도 11a∼도 14b에서 도표(254-268)는 4개의 코일 엘리먼트에 대해 보정된 시간 영역 데이터로부터의 주파수 영역 스펙트럼을 나타낸다. 도 11a∼11b에서 도표(254, 256)는 도 5a의 도표(162-163)에서의 신호의 주파수 영역 스펙트럼을 나타낸다. 도 12a-12b에서 도표(258, 260)는 도 5b의 도표(164-165)에서의 신호의 주파수 영역 스펙트럼을 나타낸다. 도 13a-13b에서 도표(262, 264)는 도 5c의 도표(166-167)에서의 신호의 주파수 영역 스펙트럼을 나타낸다. 도 14a-14b에서 도표(266, 268)는 도 5d의 도표(168-169)에서의 신호의 주파수 영역 스펙트럼을 나타낸다. 진폭 및 피트 에러는 코일 차에 대해 보정되었다.
도 15a-15b를 참조하면, 도표(270, 272)는 도 6에 나타낸 합성 신호의 주파수 영역 스펙트럼을 나타낸다. 도표(270)에서 신호의 크기는 도표(254(도 11a), 258(도 12a), 262(도 13a), 266(도 14a))에서 대응하는 신호보다 크다. 도표(272)에서 신호의 크기는 도표(256, 260, 264, 268)에서 대응하는 신호보다 크다.
도 16을 참조하면, 표(198)는 4개의 코일 엘리먼트에 의해 측정된 신호의 최대 진폭 및 위상을 나타낸다. 열(200)은 4개의 코일 엘리먼트로부터의 위상 보상 없는 측정치를 나타낸다. 열(202)은 4개의 코일 엘리먼트로부터의 위상 보상된 측정치를 나타낸다. 열(204)은 4개의 코일 엘리먼트로부터의 위상 보상된 합성 측정치를 나타낸다. 열(204)의 측정치는 각 코일 엘리먼트로부터의 시간 영역 신호를 위상 보정한 다음 이를 시간 영역에서 합성함으로써 보다 큰 신호 세기가 달성될 수 있다는 것을 나타낸다.
프로세스(126)는 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 결합을 이용하여 실시될 수 있다. 프로세스(126)는 호스트 컴퓨터(118) 상에서 실행하는 컴퓨터 프로그램 또는 각각 처리기, 처리기에 의해 판독 가능한 기억 매체(이에 한정되는 것이 아니라 휘발성 및 불휘발성 메모리 및/또는 기억 성분을 포함)를 구비하는 그 밖의 장치를 이용하여 실시될 수 있다.
이러한 각각의 프로그램은 호스트 컴퓨터(118)와 통신하기 위한 고레벨 절차형 또는 객체 지향 프로그래밍 언어로 실시될 수 있다. 그러나, 프로그램은 어셈블리 또는 기계 언어로 실시될 수 있다. 언어는 컴파일러형 또는 해석형 언어가 된다.
각각의 컴퓨터 프로그램은 기억 매체, 또는 기억 매체나 소자가 컴퓨터에 의해 판독되어 프로세스를 실시할 때 컴퓨터를 구성 및 동작시키기 위한 범용 또는 특수 목적 프로그램 가능 컴퓨터에 의해 판독되는 그 밖의 제품(예를 들어 CD-ROM, 하드 디스크 또는 자기 디스켓) 상에 저장된다. 프로세스(126)는 실행시 컴퓨터프로그램에서 장치가 합성 신호의 주파수 스펙트럼을 결정하도록 동작하게 지시하는, 컴퓨터 프로그램으로 구성된 기계 판독 가능 기억 매체로서 실시될 수도 있다.
다수의 실시예를 설명하였다. 그라나, 본 발명의 정신 및 원리를 벗어나지 않으면서 다양항 변형이 이루어질 수 있는 것은 물론이다. 예를 들어, FID 신호 이외의 자기 공명 신호가 합성되기 전에 시간 영역에서 위상 보정에 의해 합성될 수도 있다. 도 5a-5d에 관련된 설명에서, 위상 보상에 이용되는 기준 위상은 제1 코일 엘리먼트에서 측정된 신호로부터 산출되었다. 이 기준 위상은 개별적인 스캔으로부터 취득된 측정치로부터 산출될 수도 있다. 배경 잡음을 측정하고 가중치 계수를 산출하는 다른 방법이 사용될 수도 있다. 이에 따라, 그 밖의 실시예들은 다음 청구항의 범위 내에 있다.
본 발명의 자기 공명 분광법에 의해 자기 공명 현상을 이용하여 물질의 물리적, 화학적, 생물학적 특징을 연구할 수 있다.

Claims (24)

  1. 자기 공명 분광법으로서,
    무선 주파수 펄스를 인가하여 볼륨에 유도 자기 공명을 제공하는 단계;
    제1 코일을 사용하여 상기 유도 자기 공명을 나타내는 제1 시간 영역 신호를 검출하는 단계;
    제2 코일을 사용하여 상기 유도 자기 공명을 나타내는 제2 시간 영역 신호를 검출하는 단계;
    상기 제2 시간 영역 신호의 위상을 조정하여 위상 보정된 시간 영역 신호의 위상이 상기 제1 시간 영역 신호의 위상과 동일하도록 위상 보정 시간 영역 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 제1 시간 영역 신호 및 상기 위상 보정 시간 영역 신호에 근거하여 합성 시간 영역 신호를 생성하는 단계를 구비하는 자기 공명 분광법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 합성 시간 영역 신호의 주파수 스펙트럼을 결정하는 단계를 더 포함하는 자기 공명 분광법.
  3. 자기 공명 분광법으로서,
    다수의 코일을 사용하여 시간 영역 자기 공명 신호를 측정하는 단계;
    상기 시간 영역 자기 공명 신호의 위상을 조정하여 위상 조정 시간 영역 자기 공명 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 위상 조정 시간 영역 자기 공명 신호에 근거하여 합성 시간 영역 신호를 생성하는 단계를 구비하는 자기 공명 분광법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 합성 시간 영역 신호의 주파수 스펙트럼을 결정하는 단계를 더 포함하는 자기 공명 분광법.
  5. 자기 공명 분광법으로서,
    다수의 코일에서 각각 위상 및 진폭을 갖는 자기 공명 신호를 수신하는 단계;
    상기 자기 공명 신호의 위상을 시간 영역에서 조정하여 위상 보상 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 위상 보상 신호에 근거하여 합성 신호를 생성하는 단계를 구비하는 자기 공명 분광법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 합성 신호의 주파수 스펙트럼을 결정하는 단계를 더 포함하는 자기 공명 분광법.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 위상 조정 단계는 상기 위상 보상 신호들의 위상이 동일하도록 상기 자기 공명 신호들간의 위상 차를 시간 영역에서 보상하는 단계를포함하는 자기 공명 분광법.
  8. 제 5 항에 있어서, 각각의 코일은 각각의 감도를 가지며, 상기 방법은 대응하는 코일의 감도에 근거하는 가중치 계수에 따라 상기 자기 공명 신호 각각에 가중치를 부여하는 단계를 더 포함하는 자기 공명 분광법.
  9. 제 8 항에 있어서, 자기 공명 신호가 없을 때 배경 잡음을 측정함으로써 각 코일의 감도를 결정하는 단계를 더 포함하는 자기 공명 분광법.
  10. 제 5 항에 있어서, 상기 자기 공명 신호는 자유 유도 감쇠 신호를 포함하는 자기 공명 분광법.
  11. 제 5 항에 있어서, 영역에 편광 자계를 확립하는 단계; 및
    무선 주파수 펄스를 인가하여 상기 영역의 볼륨에 자기 공명을 유도함으로써 상기 자기 공명 신호를 생성하는 단계를 더 포함하는 자기 공명 분광법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 볼륨은 인간의 조직으로 이루어진 자기 공명 분광법.
  13. 제 5 항에 있어서, 상기 다수의 코일 중 n번째 코일에서 수신된 자기 공명신호 Sn(t)는:
    Sn(t) = Anexp(iφ ref+iδφ n)exp[it(ω- 1/T2)]로 정의되며,
    An은 진폭 계수,φ ref는 기준 신호의 위상,δφ n은 상기 n번째 코일에 수신된 신호의 위상과 상기 기준 신호의 위상과의 차, ω는 상기 자기 공명 신호의 주파수, T2는 스핀-스핀 완화 시간인 자기 공명 분광법.
  14. 제 5 항에 있어서, 상기 합성 신호 ST(t)는:
    ST(t) =[wn·An] ·exp(iφ ref)exp[it(ω- 1/T2)]로 정의되며,
    N은 상기 다수의 코일의 코일 수, wn은 각 코일의 감도에 의해 결정된 가중치 계수, An은 진폭 계수,φ ref는 기준 신호의 위상, ω는 상기 자기 공명 신호의 주파수, T2는 스핀-스핀 완화 시간인 자기 공명 분광법.
  15. 제 5 항에 있어서, 상기 위상 조정 단계는,
    상기 자기 공명 신호 중 하나를 기준 신호로서 선택하는 단계; 및
    상기 자기 공명 신호의 위상이 상기 기준 신호의 위상과 동일하도록 상기 기준 신호 이외의 자기 공명 신호의 위상을 조정하는 단계를 포함하는 자기 공명 분광법.
  16. 자기 공명 분광 장치로서,
    자계를 발생시키는 자석;
    무선 주파수 신호를 발생시켜 대상의 볼륨을 여자(勵磁)시킴으로써 자기 공명 신호를 생성하는 무선 주파수 신호 발생기;
    상기 자기 공명 신호를 검출하기 위한 적어도 2개의 코일; 및
    상기 적어도 2개의 코일에 의해 검출된 자기 공명 신호를 처리하며, (ⅰ) 상기 자기 공명 신호의 위상을 시간 영역에서 조정하여 위상 보상 신호를 생성하고, (ⅱ) 상기 위상 보상 신호에 근거하여 합성 신호를 생성하는 기계를 구비하는 자기 공명 분광 장치.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 기계는 또한 상기 합성 신호의 주파수 스펙트럼을 결정하는 자기 공명 분광 장치.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 기계는 상기 위상 보상 신호들의 위상이 서로 동일하도록 상기 위상 보상 신호의 위상을 조정하는 자기 공명 분광 장치.
  19. 제 16 항에 있어서, 상기 적어도 2개의 코일은 완전히 중첩되지 않고 상기 대상 부근에 배치되는 자기 공명 분광 장치.
  20. 제 16 항에 있어서, 상기 대상은 살아있는 조직으로 구성되는 자기 공명 분광 장치.
  21. 자기 공명 분광 장치로서,
    볼륨을 여자하여 자기 공명 신호를 발생시키는 수단;
    상기 자기 공명 신호를 검출하기 위한 적어도 2개의 코일; 및
    상기 적어도 2개의 코일에 의해 검출된 자기 공명 신호를 처리하며, (ⅰ) 상기 자기 공명 신호의 위상을 조정하여 위상 보상 신호를 생성하고, (ⅱ) 상기 위상 보상 신호를 합성하여 합성 신호를 생성하는 수단을 구비하는 자기 공명 분광 장치.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 처리 수단은 상기 합성 신호의 주파수 스펙트럼을 결정하는 자기 공명 분광 장치.
  23. 제 21 항에 있어서, 상기 여자 수단은 자계를 발생시키는 수단; 및
    무선 주파수 신호를 발생시켜 상기 볼륨을 여자시키는 수단을 포함하는 자기 공명 분광 장치.
  24. 제 21 항에 있어서, 상기 위상 보상 신호의 위상은 서로 동일한 자기 공명 분광 장치.
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