KR20120135136A - 로컬 코일 시스템, 송신 디바이스, 자기 공진 시스템, 및 로컬 코일 시스템에 에너지의 무선 전달 방법 - Google Patents
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Abstract
자기 공진 시스템(1)을 위한 로컬 코일 시스템(100, 100a, 100b, 100c, 100d, 600)이 기술되고, 이러한 로컬 코일 시스템은, MR 신호들을 포착하기 위한 적어도 하나의 로컬 코일(LC1, ..., LCn, 102, 103)과, 일시적으로 변하는 자계로부터 상기 로컬 코일 시스템(100, 100a, 100b, 100c, 100d, 600)을 위한 에너지를 유도적으로 수신하기 위한 적어도 하나의 에너지 수신 안테나(102, 130, 150, 152, 162, 166, 602)를 포함한다. 상기 에너지 수신 안테나(102, 130, 150, 152, 162, 166, 602)는 포착될 상기 MR 신호들의 라모 주파수(530, 534)보다 낮고 대략 20 kHz보다 높은 에너지 전달 주파수(520)에 동조되거나 또는 동조될 수 있다. 또한 에너지를 로컬 코일 시스템(100, 100a, 100b, 100c, 100d, 600)에 송신하도록 설계된 자기 공진 시스템(1)을 위한 대응하는 송신 디바이스(200, 300, 400), 이러한 로컬 코일 시스템(100, 100a, 100b, 100c, 100d, 600) 및/또는 이러한 송신 디바이스(200, 300, 400)을 포함하는 자기 공진 시스템(1) 및 에너지를 로컬 코일 시스템(100, 100a, 100b, 100c, 100d, 600)에 전달하는 방법이 기술된다.
Description
본 발명은 MR 신호들을 포착하는 자기 공진 시스템을 위한 로컬 코일 시스템에 관한 것으로, 이러한 로컬 코일 시스템은 시간적으로 변하는 자계로부터 로컬 코일 시스템을 위한 에너지를 유도적으로 수신하는 적어도 하나의 에너지 수신 안테나를 포함한다. 본 발명은 추가로, 로컬 코일 시스템에 에너지를 송신하기 위해 설계되는, 자기 공진 시스템을 위한 대응하는 송신 디바이스, 이러한 로컬 코일 시스템 및/또는 이러한 송신 디바이스를 포함하는 자기 공진 시스템, 및 에너지를 로컬 코일 시스템에 전달하는 방법에 관한 것이다.
자기 공진 시스템은 단층 사진 촬영 장치(tomograph)를 포함하고, 이 장치에서 침상의 환자가 원통형 측정 챔버 내에 위치된다. 다수의 경사 코일들의 작동으로 인한 경사를 특징으로 하는 강한 자계가 측정 챔버 내에 구축된다. 원자들의 핵 스핀은 자계에 의해 정렬된다. 송신 안테나 어레인지먼트(주로 전신(whole-body) 송신 안테나 어레인지먼트, 예컨대 새장형(birdcage) 안테나)는 원자들을 여기시키기 위한 자기 공진의 고주파수 펄스들을 방출하기 위한 단층 사진 촬영 장치 내에 위치한다.
자기 공진 신호들(MR 신호들)의 수신에 관해, 로컬 코일들은 일반적으로 핵 스핀의 이완 도중에 펄스들을 수신하기 위하여 자기 공진 시험의 상황에서 정상적으로 사용된다. 상이한 재질들은 상이한 이완 특성들을 가져, 이완 특성들을 기반으로 환자 몸의 내부에 관한 결론이 내려질 수 있다. 로컬 코일들은 종종 결합되어 모듈들(이하에 "로컬 코일 시스템들"로 언급된다)을 형성하고, 각 경우에 주로 전도체 루프들의 형태의 수신 안테나 엘리먼트들을 특징으로 한다. 수신된 MR 신호들은 일반적으로 로컬 코일 내에서 전치증폭되고, 자기 공진 설비의 중앙 영역으로부터 케이블을 경유하여 전달되고, MR 신호 처리 디바이스의 차단된 수신기에 공급되는데, MR 신호 처리 디바이스에서 수신된 데이터는 이후 디지털화되어 추가로 처리된다. 많은 시험들에 있어서, 다수의 이러한 로컬 코일들은 환자의 몸의 대부분의 영역들을 커버하기 위하여 환자 주위에 이미 배치되어 있다.
자기 공진 시스템들의 기능은 당업자에게 알려져 있고, 예컨대 Imaging Systems for Medical Diagnostics(Arnufl Oppelt, Publicis Corporate Publishing, ISBN 3-89578-226-2)에 기술되어있다.
로컬 코일들은 간혹 소위 로컬 코일 블랭킷(local coil blanket) 내에 배치되는데, 로컬 코일 블랭킷은 환자의 몸의 위 또는 아래에 배치된다. 예컨대 헤드 코일들, 등과 같은 다른 특별히 형상화된 로컬 코일 시스템들에 대한 대비가 또한 이루어진다. 신호들은 현재 케이블들을 통해 로컬 코일 시스템들로부터 자기 공진 시스템의 평가 디바이스로 운반된다. 상기 케이블들은 바람직하지 않은데, 왜냐하면 상기 케이블들이 환자의 침상으로부터 평가 디바이스로 쉽게 인도되지 못하고, 상기 케이블들은 스태프에 의해 성가신 것으로 인식되고, 또한 환자의 침상(환자와 로컬 코일 블랭킷을 포함하여)은 움직일 수 있어서 케이블들이 헐겁게 인도되어야만 하기 때문이다. 그러므로, 로컬 코일 시스템으로부터 MR 신호 처리 다바이스로 데이터의 무선 전달이 바람직하고, 로컬 코일 시스템 자체에 이미 존재하는 관련 MR 신호들을 디지털화하고, 이들을 디지털 형태로 전달하는 것이 아마도 더욱 유리하다.
로컬 코일 시스템에 있어서, MR 신호들을 사전처리하기 위한 에너지, 예컨대 전치증폭 및 가능하게는 디지털화 및 엔코딩을 위한 에너지가 필요하다. 로컬 코일 시스템으로부터 데이터의 무선 전달의 목적이 로컬 코일 시스템의 케이블 연결이 완전히 제거될 수 있는 것이기 때문에, 로컬 코일 시스템은 적절한 에너지 저장 장치를 특징으로 하거나, 또는 필요한 에너지는 또한 로컬 코일 시스템에 무선으로 전달되어야 한다.
한 가지 가능성은 에너지 전달을 위해 마이크로웨이브를 사용하는 것일 것이다. 그러나, 마이크로웨이브 복사는 환자의 생리적인 HF 노출을 증가시키기 때문에 바람직하지 않다.
추가적인 선택사항은 고주파수 정류기와 버퍼(예, 커패시터 또는 축전지)를 부착함으로써 에너지를 자기 공진 송신 필드로부터 수신 코일들의 오프-공진 회로로 전환하는 것이다. 이는 전력이 수신 코일들로 전환될 때 자기 공진 주파수의 전류가 흘러, 스핀들을 여기시키는 자계를 왜곡시키는 단점을 갖는다.
그러므로 본 발명은 로컬 코일 시스템의 개선된 무선 에너지 공급원을 생성하는 문제점을 다룬다.
이러한 문제는 청구항 제 1항에 따른 로컬 코일 시스템, 제 13항에 따른 송신 디바이스, 제 15항에 따른 자기 공진 시스템 및 제 16항에 따른 방법에 의해 해결된다.
본 발명에 따른 로컬 코일 시스템은 시간적으로 변하는 자계(예, 전자계)로부터 로컬 코일 시스템을 위한 에너지를 유도적으로 수신하는 에너지 수신 안테나를 구비하는데, 에너지 수신 안테나는 포착될 MR 신호들의 라모(Larmor) 주파수보다 낮고 대략 20 KHz 보다 높은 에너지 전달 주파수에 동조되거나 동조될 수 있다.
라모 주파수는 자기 공진 시스템의 자기 공진 작용 주파수, 즉 핵 스핀을 여기시키기 위하여 사용되는 주파수, 따라서 수신될 MR 신호들의 주파수이다. 라모 주파수(fL)는 자이로자계 비율(
: 물질 상수)과 핵의 위치에 존재하는 자계 흐름 밀도(B)에 기초하여 공지된 방식으로 계산될 수 있다(fL = 
?B). 1.5 T의 자기 흐름 밀도가 주어지면, 대략 63.87 MHz의 라모 주파수가 수소에 대응하는 유형 1H의 원자 핵에 대해 생성된다. 3T의 흐름 밀도는 대략 127.74 MHz의 라모 주파수를 초래한다. 실제 존재하는 자계가 자계 경사를 적용한 결과로서 자기 공진 시스템의 기본 자계의 값(B0)으로부터 국부적으로 변하기 때문에, 송신 및 수신은 기본 자계를 사용하여 구축된 라모 주파수의 예컨대 +/- 1 MHz 어느 한측의 특정 주파수 범위에서 적절하게 발생한다. 그러나, 자기 공진 시스템은, 다른 대사물(metabolite)들을 여기시킬 수 있도록, 일반적으로 복수의 자기 공진 작용 주파수들에서 기능할 수 있다. 이 경우, 본 발명의 상황에서 에너지 전달 주파수에 관련되는 조건들은 모든 가능한 라모 주파수들에 적용된다.
자기 공진 시스템의 일부를 형성하고 로컬 코일 시스템에 에너지를 전달하도록 설계되는 본 발명의 송신 디바이스는, 미리 한정된 에너지 전달 주파수를 갖는 시간적으로 변하는 자계를 방출하는 에너지 송신 안테나, 및 에너지 송신 안테나에 결합되고 에너지 송신 안테나를 작동시키기 위한 전기 신호를 생성하는 발진기 디바이스를 포함하는데, 상기 신호는 상술한 라모 주파수보다 낮고 대략 20 kHz보다 높은 에너지 전달 주파수를 갖는다.
본 발명에 따른 자기 공진 시스템은 위에서 기술된 로컬 코일 시스템 및/또는 위에서 기술된 송신 디바이스를 구비한다.
시간적으로 변하는 자계를 통해 로컬 코일 시스템에 에너지를 전달하는 본 발명의 방법에 있어서, 에너지는 로컬 코일 시스템의 에너지 수신 안테나 내에서 적절하게 유도되는데, 자계는 로컬 코일 시스템에 의해 포착될 MR 신호들의 라모 주파수보다 낮고 대략 20 kHz보다 높은 에너지 전달 주파수에서 변화한다.
특정 주파수 범위 내의 에너지 전달 주파수의 본 발명의 선택은, 첫 번째로 환자가 마이크로웨이브 복사에 노출되지 않는 것과, 두 번째로 다른 생물학적 영향들을 야기할 수 있는, 극히 낮은 주파수의 높은 전력을 갖는 시간적으로 변하는 자계의 송신을 방지하는 장점을 갖는다. 이러한 주파수 범위에서, 더욱이 영상처리가 로컬 코일 시스템의 에너지 공급에 의해 중단되지 않는 것을 보장할 수 있다.
바람직한 변형의 경우에, 이러한 사항은 심지어 로컬 코일 시스템에 의한 MR 신호들의 수신과 로컬 코일 시스템에 에너지의 전달이 동시에 일어나는 것을 허용한다.
그럼에도 불구하고, 본 발명의 로컬 코일 시스템은 적합한 에너지 저장장치(버퍼 배터리)를 구비하고, 에너지 저장장치에 예컨대 에너지 수신 안테나가 수신된 에너지를 전달할 수 있고, 만약 에너지 전달이 MR 신호들이 수신되는 것과 동시에 일어나지 않거나 또는 만약 수신된 에너지가 불충분하다면, 에너지 저장장치로부터 에너지가 취해질 수 있다. 수신기의 활동 시간에 대해, 양호한 MR 시퀀스들은 시간의 대부분(50% 초과에 이르는)에 걸쳐 관찰되고 있는 MR 신호와 간혹 관련된다. 이것은 버퍼 배터리를 재충전하기 위하여 사용 가능한 평균 전력이 로컬 코일 시스템의 동작 전력보다 너무 낮지 않아야 함을 의미한다. 그러므로, MR 신호들이 현재 수신되는지의 여부와 관계없이 에너지가 공급될 수 있다면 특히 유리하다.
그러나, 바람직하게 이러한 에너지 저장 장치는 로컬 코일 시스템이 사용중이지 않을 때 에너지 저장 장치를 충전하기 위하여 적합한 인터페이스를 통해 충전 디바이스에 또한 연결될 수 있다. 이러한 인터페이스는 충전 디바이스로부터 무선 에너지를 수신하기 위하여 에너지 수신 안테나를 또한 사용할 수 있다. 그러나, 로컬 코일 시스템은 또한 충전 디바이스를 위한 플러그 컨넥터 형태 또는 이와 유사한 다른 인터페이스를 구비할 수 있다.
다른 종속 청구항들과 다음의 설명은 본 발명의 특히 유리한 개발들 및 실시예들을 포함하고, 특히 한 카테고리의 청구항들은 또한 다른 카테고리의 종속 청구항들과 유사한 방식으로 개발될 수 있다.
에너지 전달 주파수는 바람직하게 라모 주파수 범위 내의 어떠한 고조파들(즉, 배수들)도 갖지 않도록 선택된다. "라모 주파수 범위"는 기본 자계를 사용할 때 라모 주파수 주위의 이전에 언급한 주파수 대역을 포함하는데, 이 대역 내에서 원자 핵들을 위한 여기 신호들이 송신되고 MR 신호들이 수신된다. 이러한 범위 내에서 바람직하게는 어떠한 다른 신호들 또는 고조파들도 존재하지 않을 것이다.
그러므로, 에너지 전달 주파수는 바람직하게 위에서 기술한 주파수 대역의 대역폭보다 더 높다. 이러한 주파수 대역은 주로 1 MHz를 포함하기 때문에, 에너지 전달 주파수는 바람직하게 대략 1 MHz보다 높고, 더 바람직하게는 대략 2 MHz보다 높고, 가장 바람직하게는 대략 4 MHz보다 높다.
더욱이, 에너지 전달 주파수는 바람직하게 대략 10 MHz보다 낮고, 더 바람직하게는 대략 6 MHz보다 낮다.
그러므로, 에너지 전달 주파수는 대략 4 MHz 내지 대략 6 MHz의 범위 내에 든다.
위에서 지정된 바람직한 주파수 범위들 내의 에너지 전달 주파수를 사용하는 동작이 가능하도록 하기 위하여, 첫 번째로 로컬 코일 시스템의 에너지 수신 안테나는 바람직하게 이러한 에너지 전달 주파수에서 공진 범위를 갖도록 설계되어야 하고, 두 번째로 송신 디바이스의 에너지 송신 안테나는 바람직하게 이러한 범위 내에서 적절하게 공진하도록 설계되어야 하고, 발진기 디바이스는 대응하는 작동 주파수를 가져야 한다.
에너지 수신 안테나는 횡 및 원형으로 극화된 자계를 수신하도록 설계되고 배열될 수 있다. 이 경우, 에너지 수신 안테나와 로컬 코일(들)은 서로에 대해 평행으로 배열된다.
대안적으로, 에너지 수신 안테나는 길이방향 및 선형으로 극화된 자계를 수신하도록 설계되고 배열될 수 있는데, 극화의 방향은 바람직하게, 정적인 자계(B0)와 평행으로 진행한다. 이 경우, 예컨대 에너지 수신 안테나와 로컬 코일(들)은 서로에 대해 직각으로 배열될 수 있다.
에너지 수신 안테나는 적어도 하나의 로컬 코일 위에 배열될 수 있다. 이전에 언급한 바와 같이, 에너지 수신 안테나는 이 경우, 횡 및 원형 극화된 자계가 수신될 지 또는 길이 방향의 자계가 수신될 지에 따라, 로컬 코일에 대해 직각으로 또는 평행하게 배열될 수 있다. 로컬 코일 및 에너지 수신 안테나의 특히 공간-절약형 어레인지먼트가 이러한 방식으로 달성될 수 있다.
에너지 수신 안테나는, 특히 에너지 수신 안테나가 적어도 하나의 로컬 코일 위에 배열되는 경우, 적어도 하나의 로컬 코일보다 더 큰 윤곽을 가질 수 있는데, 로컬 코일은 바람직하게 평면도 상에서 에너지 수신 안테나 내에 배열된다.
또한 복수의 에너지 수신 안테나들이 함께 연결되는 것이 가능하다. 개별적인 에너지 수신 안테나들은 바람직하게 서로에 대해 횡으로, 즉 직각으로, 또는 임의의 다른 필요한 각도로 배열될 수 있다. 이러한 점은 수신 측 상의 다이버시티를 초래하고, 로컬 코일 시스템을 포함하는 로컬 코일 블랭킷의 현재 위치에 관계 없이 에너지 공급이 보장된다.
다른 바람직한 변형에 따라, 로컬 코일은 에너지 수신 안테나와 일체가 되어, 로컬 코일들과 에너지 수신 안테나들의 조합을 형성하도록 설계된다. 이러한 목적을 위하여, 로컬 코일들과 에너지 수신 안테나들의 조합은 다수의 공진들을 갖는 안테나로서 설계 또는 구성된다. 예컨대, 로컬 코일들과 에너지 수신 안테나들의 조합은 동조 회로를 가질 수 있는데, 이러한 동조 회로는 안테나 엘리먼트 예컨대 단일 전도체 루프 또는 안테나 엘리먼트들이 적어도 두 개의 공진 주파수 범위들, 특히 라모 주파수의 범위 내에 하나의 범위와, 에너지 전달 주파수의 범위 내의 하나의 범위를 특징으로 하는 것을 보장한다. 로컬 코일들과 에너지 수신 안테나들의 이러한 일체화된 조합은, 횡 및 원형으로 극화된 자계가 에너지 전달에 이용되는 경우 특히 적합하다.
로컬 코일들과 에너지 수신 안테나들의 조합은 바람직하게 MR 신호들과 공급된 에너지를 분리하도록 설계되는 필터 회로에 연결될 수 있다. 다이플렉서 또는 고역통과 회로 및 저역통과 회로는 이러한 목적을 위하여 사용될 수 있다. 적합한 필터 회로가 제공되는 경우, 로컬 코일들과 에너지 수신 안테나들의 이러한 조합은 또한 MR 신호들을 수신하고 에너지 전달을 동시에 수행하기 위하여 사용될 수 있다.
대안적으로 또는 부가적으로, 동조 회로는 또한 로컬 코일들과 에너지 수신 안테나들의 조합이 다양한 공진 범위들 사이에서 스위칭될 수 있는 방식으로 설계될 수 있다. 이러한 경우, 로컬 코일들과 에너지 수신 안테나들의 조합은 예컨대 MR 신호들을 수신하기 위하여 대응하는 MR 공진 주파수에 동조될 수 있다. 대조적으로, 에너지 전달 주파수로의 동조는 에너지 전달이 수행되려 하는 경우 발생한다. 따라서 단순한 전환 스위치가 필터 회로 대신에 로컬 코일 시스템에서 사용될 수 있다.
유사하게, 자기 공진 시스템의 에너지 송신 안테나는 또한 바람직하게 전신 코일과 일체형이 되도록 설계될 수 있다. 이러한 설계는 에너지를 로컬 코일 시스템에 전달하기 위한 특히 공간-절약형 송신 안테나를 초래한다. 에너지 송신 안테나는 전신 코일 주위에 형성될 수 있다. 이러한 실시예의 경우, 마찬가지로 에너지 송신 안테나를 위하여 자석 내의 방사 방향으로 오직 약간의 추가 공간만이 요구된다.
로컬 코일 시스템은 바람직하게 에너지 수신 안테나에 부착되는 클록 생성 디바이스를 포함할 수 있다. 클록 생성 디바이스는 자계의 에너지 전달 주파수로부터 로컬 코일 시스템을 위한 클록 신호를 생성할 수 있다. 로컬 코일 시스템은 따라서 자기 공진 시스템과 동기화될 수 있다, 즉 로컬 코일 시스템의 클록 주기는 자기 공진 시스템의 클록 주기와 동기화된다.
복조기를 에너지 수신 안테나에 부착하기 위한 대비가 바람직하게 이루어진다. 자계는 이후 예컨대 에너지 공급을 통해 제어 정보 등을 포함하는 신호를 로컬 코일 시스템에 동시에 전달하기 위하여 변조될 수 있다. 이 경우, 복조기는 에너지 수신 안테나에 의해 변조된 자계로부터의 최종 신호를 복조한다.
본 발명은, 본 발명의 범주를 제한하지 않는 실시예들을 도시하는 첨부 도면들을 참조하여, 아래에서 기술된다.
도 1은 자기 공진 시스템의 블록도.
도 2는 자기 공진 시스템과 로컬 코일 시스템 사이의 에너지 전달 및 신호 전달의 블록도.
도 3은 에너지를 로컬 코일에 송신하기 위한 어레인지먼트의 개략적인 설명을 도시하는 도면.
도 4는 로컬 코일 시스템에 의한 에너지의 무선 수신을 위한 본 발명의 어레인지먼트의 개략적인 설명을 도시하는 도면.
도 5는 안테나의 이중-공진 구성을 위한 동조 회로를 도시하는 도면.
도 6은 공진 커패시터의 임피던스 주파수 응답을 도시하는 도면.
도 7은 필터의 임피던스 주파수 응답을 도시하는 도면.
도 8은 로컬 코일 시스템에 에너지의 무선 송신을 위한 송신 어레인지먼트의 제 2 실시예를 도시하는 도면.
도 9는 로컬 코일 시스템에 의한 에너지의 무선 수신을 위한 수신 어레인지먼트의 제 2 실시예를 도시하는 도면.
도 10은 로컬 코일 시스템에 에너지의 무선 송신을 위한 송신 어레인지먼트의 제 3 실시예를 도시하는 도면.
도 11은 로컬 코일 시스템에 의한 에너지의 무선 수신을 위한 수신 어레인지먼트의 제 3 실시예를 도시하는 도면.
도 12는 로컬 코일 시스템에 의한 에너지의 무선 수신을 위한 수신 어레인지먼트의 제 4 실시예를 도시하는 도면.
도 13은 로컬 코일 시스템에 에너지의 무선 전달을 위한 어레인지먼트의 개략적인 평면도 및 이 경우 발생하는 에디 전류들을 도시하는 도면.
도 14는 사용되는 신호들의 스펙트럼의 개략도.
도 15는 로컬 코일 시스템에 의한 에너지의 수신을 위한 어레인지먼트의 제 5 실시예를 도시하는 도면.
도 2는 자기 공진 시스템과 로컬 코일 시스템 사이의 에너지 전달 및 신호 전달의 블록도.
도 3은 에너지를 로컬 코일에 송신하기 위한 어레인지먼트의 개략적인 설명을 도시하는 도면.
도 4는 로컬 코일 시스템에 의한 에너지의 무선 수신을 위한 본 발명의 어레인지먼트의 개략적인 설명을 도시하는 도면.
도 5는 안테나의 이중-공진 구성을 위한 동조 회로를 도시하는 도면.
도 6은 공진 커패시터의 임피던스 주파수 응답을 도시하는 도면.
도 7은 필터의 임피던스 주파수 응답을 도시하는 도면.
도 8은 로컬 코일 시스템에 에너지의 무선 송신을 위한 송신 어레인지먼트의 제 2 실시예를 도시하는 도면.
도 9는 로컬 코일 시스템에 의한 에너지의 무선 수신을 위한 수신 어레인지먼트의 제 2 실시예를 도시하는 도면.
도 10은 로컬 코일 시스템에 에너지의 무선 송신을 위한 송신 어레인지먼트의 제 3 실시예를 도시하는 도면.
도 11은 로컬 코일 시스템에 의한 에너지의 무선 수신을 위한 수신 어레인지먼트의 제 3 실시예를 도시하는 도면.
도 12는 로컬 코일 시스템에 의한 에너지의 무선 수신을 위한 수신 어레인지먼트의 제 4 실시예를 도시하는 도면.
도 13은 로컬 코일 시스템에 에너지의 무선 전달을 위한 어레인지먼트의 개략적인 평면도 및 이 경우 발생하는 에디 전류들을 도시하는 도면.
도 14는 사용되는 신호들의 스펙트럼의 개략도.
도 15는 로컬 코일 시스템에 의한 에너지의 수신을 위한 어레인지먼트의 제 5 실시예를 도시하는 도면.
도 1은 자기 공진 시스템(1)의 단순한 개략적인 블록도를 도시한다. 이러한 자기 공진 시스템(1)의 핵심부에는 또한 스캐너(2)로도 언급되는 종래의 단층 사진 촬영 장치(2)가 있고, 이 단층 사진 촬영 장치(2) 내의 침상(5) 위의 환자(미도시)가 원통형 측정 챔버(4) 내에 위치한다. 단층 사진 촬영 장치(2) 내부에는 자기 공진 고주파수 펄스들을 송신하기 위한 전신 송신 안테나 어레인지먼트(3)(에, 새장형 안테나)가 있다.
도 1에 따른 예시적인 실시예에 있어서, MR 수신 시스템(20)은 다수의 로컬 코일들(LC1, ... , LCn)을 특징으로 하는 로컬 코일 시스템 또는 로컬 코일 어레인지먼트(30)(예, 본 명세서에서는 로컬 코일 블랭킷 형태의)와 전달 신호 수신 모듈(40)을 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 로컬 코일 어레인지먼트(30)는 자기 공진 시스템(1)의 단층 사진 촬영 장치(2) 또는 스캐너의 측정 챔버(4) 내에 배치되는 반면, 전달 신호 수신 모듈(40)은 자기 공진 시스템(1)의 관련된 제어 디바이스(6) 내에 위치된다.
MR 신호 처리 디바이스(11)는 또한 이러한 제어 디바이스(6)의 부분이다. 그러나, 이 점에서, 시스템이 필요에 따라 크기 조절될 수 있음이, 즉 MR 수신 시스템(20)이 적절히 구성된다면 MR 신호 처리 디바이스(11)의 임의의 수의 물리적인 입력들이 사용될 수 있음이 명시적으로 언급된다. 단지 더 명확하게 하기 위하여, 본 명세서에서는 오직 하나의 물리적인 입력만이 도시된다.
단층 사진 촬영 장치(2)는 제어 디바이스(6)에 의해 동작된다. 터미널(15)(또는 조작자 콘솔)는 터미널 인터페이스(13)를 경유하여 제어 디바이스(6)에 부착되어, 조작자가 제어 디바이스(6)를, 따라서 단층 사진 촬영 장치(2)를 조작하는 것을 허용한다. 제어 디바이스(6)는 단층 사진 촬영 장치 제어 인터페이스(8)와 영상 획득 인터페이스(9)를 통해 단층 사진 촬영 장치(2)에 연결된다. 적합한 제어 명령들은, 원하는 펄스 시퀀스들, 즉 원하는 자계들을 생성하기 위하여 경사 코일들(미도시)을 위한 고주파수 펄스들과 경사 펄스들이 송신되도록, 스캔 프로토콜들에 기초하여 시퀀스 제어 유닛(10)에 의해 단층 사진 촬영 장치 제어 인터페이스(8)를 통해 단층 사진 촬영 장치(2)에 출력된다. 본 명세서에서 전달 신호 수신 모듈(40)의 부분을 형성하는 영상 데이터 획득 인터페이스(9)는 미가공 데이터를 획득하기 위하여, 즉 수신된 MR 신호들을 판독하기 위하여 사용된다. 제어 디바이스(6)는 또한 예컨대 생성된 영상 데이터와 측정 프로토콜들이 저장될 수 있는 대량 저장장치(7)를 특징으로 한다.
다른 인터페이스(14)는 통신 네트워크(17)에 대한 연결을 위하여 사용되는데, 통신 네트워크(17)는 예컨대 영상 정보 시스템(PACS : Picture Archiving and Communication System)에 연결되거나, 또는 외부 데이터 저장 자원들을 위한 연결 선택사항을 제공한다.
제어 디바이스(6)와 터미널(15) 둘 다는 또한 단층 사진 촬영 장치(2)의 일체형 부품들이 될 수도 있다. 더욱이, 완전한 자기 공진 시스템(1)은, 다른 표준 구성요소들 또는 특징부들이 더 명확함을 위하여 도 1로부터 생략되었다 할지라도, 이들 모두를 부가적으로 포함한다.
상술한 바와 같이, 자기 공진 응답 신호들을 수신하기 위한 다수의 로컬 코일들(LC1, ... , LCn)을 포함하는 로컬 코일 어레인지먼트(30)는 스캐너(2) 내에 위치하는데, 상기 로컬 코일들은 무선 인터페이스를 통해 차례로 영상 획득 인터페이스(9)의 전달 신호 수신 모듈(40)에 연결된다. 수신된 신호들은 MR 신호 처리 디바이스(11) 내에서 추가 처리를 거치고, 이후 영상 재구성 유닛(12)에 공급되는데, 영상 재구성 유닛(12)은 공급된 신호들로부터 원하는 자기 공진 영상 데이터를 일반적인 방식으로 생성한다. 이러한 데이터는 저장장치(7)에 저장될 수 있거나, 조작자 터미널(15)에 적어도 부분적으로 출력되거나, 또는 네트워크(17)를 통해 평가 스테이션 또는 대량 저장장치와 같은 다른 구성요소들에 송신된다.
에너지/명령 송신 디바이스(28)는 또한 본 명세서에서 단층 사진 촬영 장치 제어 인터페이스(8)에 부착되고, 에너지 및 명령들 또는 제어 신호들을 로컬 코일들(LC1, .., LCn)에 무선으로 전달한다. 이러한 목적을 위하여, 상기 에너지/명령 송신 디바이스(28)는 예컨대 에너지 송신 안테나를 사용할 수 있는데, 에너지 송신 안테나는 단층 사진 촬영 장치(2) 내에 배열되고 아래에서 더 상세하게 기술된다. 로컬 코일들(LC1, .., LCn)을 포함하는 로컬 코일 어레인지먼트(30)는 에너지/명령 수신 디바이스(29)를 포함하는데, 에너지/명령 수신 디바이스(29)는 아래에서 더 상세하게 기술되는 바와 같이 무선으로 송신된 에너지 및 무선으로 송신된 명령을 수신한다. 에너지 및 명령들은 예컨대 로컬 코일 제어 디바이스(22)로 포워드된다. 로컬 코일 제어 디바이스(22)는 로컬 코일들(LC1, .., LCn)에 에너지를 공급하여, 이들을 동작시킨다. 로컬 코일들로부터 수신되는 MR 신호들은 로컬 코일 제어 디바이스(22)로부터 준비된 포맷(예, 디지털화된 포맷)으로 로컬 코일 송신 디바이스 시스템(24)으로 전달되는데, MR 신호들은 로컬 코일 송신 디바이스 시스템(24)로부터 로컬 코일 송신 안테나 시스템(26)을 통해 자기 공진 시스템(1)의 수신 안테나(32)로 송신된다. 수신 안테나(32)로부터 수신된 신호들은 수신기(33)에 의해 평가되어, 전달 신호 수신 모듈(4)에 공급된다.
로컬 코일들(LC1, .., LCn)의 MR 신호들은 명확하게 증폭될 수 있고, 디지털 신호로 변환될 수 있으며, 또한 그렇지 않을 경우 자기 공진 시스템의 수신기에 전달을 위해 추가 처리를 거칠 수 있다.
도 2는 로컬 코일 시스템(100)과 자기 공진 시스템(58)의 추가 구성요소들 사이의 신호 흐름의 개략적인 설명을 도시한다. 복수의 로컬 코일들(LC1, ..., LCn)은 환자(41) 내의 원자 핵들로부터 방출되는 MR 신호들을 수신한다. 로컬 코일들(LC1, .., LCn)은 신호 준비 디바이스(42)에 부착되고, 신호 준비 디바이스(42)는 MR 신호들을 준비하고, 대응하는 송신 신호들을 안테나(46)를 통해 자기 공진 시스템(58)에 방출한다. 신호 준비 디바이스(42)는 안테나(48)를 통해 클록킹 신호들과 제어 명령들을 수신한다. 로컬 코일 시스템측 상의 에너지 공급 디바이스(44) 내에서 정류되고 버퍼링되는 에너지는 로컬 코일 시스템(100)에 공급되고, 특히 에너지 수신 안테나(50)를 통해 신호 준비 디바이스(42)에 공급된다.
자기 공진 시스템(58)은 MR 신호들을 나타내는 송신 신호들을 안테나(52)를 통해 수신한다. 송신 신호들은 신호 처리 디바이스(60)(본 명세서에서는 MR 신호 처리 디바이스와 영상 재구성 유닛을 개략적으로 나타낸다) 내에서 처리되고, 이후 예컨대 스크린(66) 상에 디스플레이된다. 신호 처리 디바이스(60)는 제어 디바이스(62)에 연결된다. 제어 디바이스(62)는 클록킹 신호들과 명령들을 안테나(54)를 통해 로컬 코일 시스템(100)에 송신한다. 제어 디바이스(62)는 에너지 공급 디바이스(64)에 연결되고, 에너지 공급 디바이스(64)는 연결 인터페이스(68)를 통해 에너지를 획득하여, 에너지를 안테나(56)를 통해 로컬 코일 시스템에 송신한다.
도 3은 자기 공진 시스템을 위한 송신 디바이스(200)의 제 1 실시예를 도시하는데, 상기 송신 디바이스(200)는 에너지를 로컬 코일 시스템에 무선으로 송신하도록 설계된다. 자기 공진 여기 신호는 MR 송신 증폭기(202)에 공급되고, MR 송신 증폭기에 의해 증폭된다. 증폭된 MR 여기 신호는 제 1 하이브리드 디바이스(206)에 공급된다. 하이브리드 디바이스의 한 입력은 종단 임피던스(208)를 통해 접지로 종결된다. 제 1 하이브리드 디바이스(206)의 출력 신호는 제 1 다이플렉서(214)에 공급된다. 더욱이, 제 1 하이브리드 디바이스(206)의 출력 신호는 제 2 다이플렉서(216)에 공급된다. 이러한 다이플렉서(214, 216)는 두 개의 입력들을 하나의 출력에 연결하는 멀티플렉서이다. 그러므로, 두 개의 송신 디바이스들은 다이플렉서를 통해 안테나에 부착될 수 있다.
송신 디바이스(200)는 5 MHz의 주파수를 갖는 신호를 생성하는 발진기(265)를 더 포함하는데, 상기 신호는 에너지 증폭기(204)로 공급되어, 증폭 이후, 제 2 하이브리드 디바이스(210)에 공급되며, 제 2 하이브리드 디바이스(210)는 하나의 입력에서 임피던스(212)를 통해 종결된다. 제 2 하이브리드 디바이스(210)의 출력 신호는 제 1 다이플렉서(214)에 공급된다. 제 2 하이브리드 디바이스(210)의 다른 출력 신호는 제 2 다이플렉서(216)에 공급된다.
제 1 다이플렉서(214)의 출력 신호와 제 2 다이플렉서(216)의 출력 신호는 본 명세서에서 새장형 안테나(218)의 형태를 취하는 전신 송신 안테나 어레인지먼트로 공급된다. 새장형 안테나(218)는 길이 방향으로 배열된 복수의 안테나 길이방향 엘리먼트들(220, 222, 224, 226, 228, 230, 231)을 포함한다. 안테나 길이방향 엘리먼트들은 복수의 제 1 필터들 또는 공진 커패시터들(232, 234, 236, 238, 242, 244, 246, 248, Z1(또한 두 개의 터미널 네트워크들로도 언급됨))에 의해 원주방향으로 연결된다. 그러므로 새장형 안테나(218)는 필수적으로 원통형 형태를 갖는다.
두 개의 안테나 길이방향 엘리먼트들은 각각의 경우 다이오드(254, 258, 262)에 의해 연결된다. 제 2 필터(252, 256, 260, Z2) 또는 2-터미널 네트워크는 각 다이오드와 병렬로 연결된다.
이러한 설계를 사용하여, 에너지 전달을 위한 MR 여기 신호들과 자계는 모두 새장형 안테나(218)를 통해 동시에 송신될 수 있다.
도 4는 로컬 코일 시스템(100a)의 제 1 실시예를 도시한다. 로컬 코일 시스템(100a)은 이중 공진을 제공하도록 구성된 로컬 코일 안테나(102)를 포함한다. 제 1 커패시터(104)는 접지에 연결된 로컬 코일(102)의 제 1 단부와 로컬 코일의 출력을 형성하는 로컬 코일(102)의 제 2 단부 모두에 연결된다. 코일(106)과 제 2 커패시터(108)를 포함하는 직렬 회로는 제 1 커패시터(104)와 병렬로 연결된다.
로컬 코일 안테나(102)의 출력은 제 3 다이플렉서(110)에 연결된다. 다이플렉서(110)의 한 출력은 오프-공진 설정 스위치(112)와 전치증폭기(120)에 연결된다. 이 출력은 영상처리를 위한 MR 신호를 출력한다. 정류기(116)는 다이플렉서(110)의 다른 출력에 부착된다. 이 출력은 예컨대 5 MHz의 주파수의 에너지 공급 신호를 출력한다. 정류기는 다이오드(116)를 포함하는데, 이 다이오드는 정류기(114)의 입력과 출력 사이에 연결된다. 다이오드(116)의 출력에 연결되는 것은 제 3 커패시터(118)이고, 이 커패시터는 또한 접지에 연결된다.
에너지 전달을 위한 자계는, 로컬 코일이 MR 신호들을 수신할 수 있는 어떠한 위치(환자에 대해)에서도 전력이 사용 가능한 방식으로, 구성되어야 한다. 송신 안테나들과 수신 안테나들 모두 에너지 공급을 위한 전용 안테나들 또는 코일들일 수 있다. 그러나 도 3 및 도 4에 따른 실시예에 있어서, 전신 송신 안테나 어레인지먼트(즉, 새장형 안테나(218))와 로컬 코일(102)(즉, 수신 안테나)는 제 2 공진, 예컨대 5 MHz를 갖도록 수정된다. 도 3 및 도 4에 따른 예에 있어서, 에너지 전달 주파수는 5 MHz이다. 그러나, 에너지 전달 주파수는 대략 1 MHz 내지 대략 10 MHz의 범위에 들 수 있다. 대략 2.5 MHz 또는 대략 5 MHz의 에너지 전달 주파수들이 선호된다. 에너지 전달 주파수는 MR 기본 클록 주기 또는 MR 기본 클록 주기의 정수 부분 또는 정수 배수에 대략 대응할 수 있다.
위에서 기술된 예를 사용하여, 횡의, 가능한 동질의 그리고 원형으로 극화된 자계를 새장형 안테나(218) 내에서 생성할 수 있는데, 상기 자계는 MR 송신 자계로서 필수적으로 동일한 자계 구조를 갖는다. 이러한 자계는, 만약 상기 로컬 코일들(102)이 변경된 구성으로 인해 제 2 공진 주파수를 지원한다면, 방사 방향의 자계 성분들에 감응하는 로컬 코일들(102)에 의해 쉽게 수신될 수 있다.
새장형 안테나(218)의 이러한 확장은 각 제 1 필터(232, 234, 236, 238, 242, 244, 246, 248, Z1)에서 추가적인 직렬 공진 회로들에 의해 이루어질 수 있다. 만약 PIN 다이오드들이 자계 공진 수신을 위하여 MR 송신 안테나의 오프-공진 설정을 위한 안테나 길이방향 엘리먼트들(220, 222, 224, 226, 228, 230, 231) 사이에 연결된다면, 제 2 필터들(252, 256, 260, Z2)은 다이오드들(254, 258, 262)과 병렬로 연결되어, 에너지 공급 전압의 결과로서 다이오드들의 임의의 바람직하지 못한 도통-연결(자기 결합으로 인해 수신된 MR 신호의 일부가 수신 로컬 코일들로부터 취해지는 것을 방지하기 위하여, 예컨대 -40V의 음의 D.C. 전압을 통해, 로컬 코일들에 의한 자기 공진 신호들의 수신 도중에 디스에이블된다)을 회피할 수 있다. 따라서, 디스에이블된 다이오드들에 의해 에너지 공급 주파수를 위해 설정되는 공진 조건에 대한 임의의 원하지 않는 영향의 가능성을 회피하는 것도 가능하다.
여기를 위하여 새장형 안테나(218)에 의해 송신되는 원형으로 극화된 HF 자계는, 원자들의 핵 스핀을 여기시키기 위하여, 정적인 기본 자계의 배향에 의존하는 방향으로 회전하여야 한다. 그러나, 에너지를 전달하기 위한 자계는 핵 스핀을 여기시키기 위한 자계의 방향과 반대 방향으로 회전할 수 있다. 그러나, 두 자계들이 모두 동일한 방향으로 회전하는 것도 가능하다.
도 5는 제 1의 2-터미널 네트워크(232, 234, 236, 238, 242, 244, 246, 248, Z1)와, 제 2의 2-터미널 네트워크(252, 256, 260, Z2)의 회로도를 도시한다. 제 1 커패시터(262)는 제 1 필터와 제 2 필터 각각의 입력 및 출력 사이에 연결된다. 제 2 커패시터(264)와 코일(266)로 이루어진 직렬 회로는 제 1 커패시터(262)와 병렬로 연결된다. 이러한 연결은 도 3에 도시된 새장형 안테나의 안테나 엘리먼트들의 이중 공진 구성을 초래한다.
도 6은 제 1 필터(232, 234, 236, 238, 242, 244, 246, 248, Z1)의 임피던스 주파수 응답을 도시한다.
도 7은 제 2 필터(252, 256, 260, Z2)의 주파수 응답을 도시한다.
도 3 및 도 5, 또는 도 4에 도시된 회로들에서 정전용량들과 인덕티비티들의 가능한 조합들은 63.6 MHz의 MR 주파수와 5.0 MHz의 에너지 전달 주파수에 대한 예를 통해 아래에서 상술된다.
예컨대 50 nH의 임피던스를 갖는 전신 코일(200)을 포함하는 도 3에 따른 예시적인 실시예에 있어서, 만약 2-터미널 네트워크(Z1)가 도 5에 따라 구현된다면, 132 pF의 커패시터(262), 1μH의 코일(266) 및 965 pF의 커패시터(264)가 도 6에 도시된 2-터미널 네트워크(Z1)의 총-임피던스를 달성하기 위하여 사용될 수 있다.
도 3에 따른 예시적인 실시예의 경우, 2-터미널 네트워크(Z2)의 도 7에 따른 총-임피던스를 달성하기 위하여, 3.3 pF의 커패시터(262), 2 μH의 코일(266) 및 506 pF의 커패시터(264)가 도 5에 따른 구현에서 사용될 수 있다.
예컨대 125 nH의 임피던스를 갖는 로컬 코일(102)을 포함하는 도 4에 따른 예시적인 실시예에 있어서, 44 pF의 커패시터(104), 2μH의 코일(106) 및 477 pF의 커패시터(108)를 사용하는 것이 가능하고, 다이플렉서(110)는 예컨대 10 pF와 10 μH로 구성될 수 있다.
도 3에 도시된 구성에 대한 대안으로서, 새장형 안테나는 다이오드들의 구성에 의해, 새장형 안테나의 공진 주파수가 스위치 오버될 수 있도록 구현될 수 있다. 예컨대, 공진 주파수는 MR 여기 신호의 송신 도중에 라모 주파수(예, 63.6 MHz)에 대응할 수 있고, 반면에 새장형 안테나의 공진 주파수는 로컬 코일들에 의한 수신된 MR 신호들의 수신 도중에 에너지 공급 주파수(예, 5 MHz)에 대응할 수 있다. 이러한 절차는 MR 여기 신호의 송신 도중에 에너지 공급이 중단되는 단점을 갖는다. 더욱이, 에너지 공급 신호, 즉 5 MHz의 발진 신호에 의해 생성되는 전압은 동작하지 않는 PIN 다이오드들에서 너무 높지 않아야 한다.
대안적으로, 두 개의 별도의 새장형 송신 안테나들이 하나가 다른 하나의 내부에, 동심으로 배치될 수 있다. 도 8은 MR 여기 신호들을 송신하기 위한 새장형 안테나(306) 형태의 전신 송신 안테나 어레인지먼트가 에너지 송신 안테나(308) 내부에 배치되는 변형을 도시한다. 이들 두 개의 안테나들은 효율을 위해 중요한 자계 반사 공간의 사용을 공유할 수 있어서, 임의의 추가적인 방사상 공간은 단층 사진 촬영 장치의 자석에서 거의 요구되지 않는다.
두 개의 고역 필터들(302, 304)은 MR 여기 신호를 전신 송신 안테나 어레인지먼트(306)(즉, 종래의 새장형 안테나)에 공급하는데, 안테나 길이방향 엘리먼트들은 커패시터들(310)에 연결된다. 에너지 전달 주파수의 에너지 공급 신호는 임피던스(320)에 의해 종결되는 하이브리드 디바이스(318)로 공급된다. 하이브리드 디바이스의 출력들은 두 개의 저역 필터들(314, 316)을 통해 에너지 송신 안테나(308)에 연결된다. 새장형 안테나로도 또한 설계되는 에너지 송신 안테나(308)의 안테나 길이방향 엘리먼트들은 커패시터(312)에 연결된다. 에너지 송신 안테나(308)의 자계 균일성에 대한 요구들이 보다 더 가볍기 때문에, MR 여기 신호들을 송신하기 위하여 새장형 안테나(306)의 경우보다 본 경우에 더 적은 안테나 길이방향 엘리먼트들이 요구된다.
전신 송신 안테나 어레인지먼트(306)와 에너지 송신 안테나(308)가 본 경우에 여전히 자기적으로 결합되기 때문에, 필터링은 별도의 연결 인터페이스들에도 불구하고 여전히 적당하다.
이러한 안테나 어레인지먼트는 마찬가지로 에너지 전달을 위한 횡 및 원형으로 극화된 자계들을 생성한다.
도 9는 본 발명에 따른 로컬 코일 시스템(100b)의 제 2 실시예를 도시한다. 제 1 로컬 코일(102)과 제 2 로컬 코일(103)은 서로 나란히 배열된다. 로컬 코일들(102, 103)은 각각 라모 주파수에 동조하기 위한 커패시터(132, 134)를 특징으로 한다. 로컬 코일(102, 103)의 각각은 고역 필터(138, 140)에 연결되고, 고역 필터는 각 경우 증폭기(146, 148)에 연결된다. 증폭기들은 증폭된 MR 신호들을 출력한다. 에너지 수신 안테나(130)는 로컬 코일들(102, 103) 위에 위치한다. 에너지 수신 안테나(130)는 적어도 두 개의 로컬 코일들(102, 103)이 평면도 상에서 에너지 수신 안테나(130) 내에 놓이도록 윤곽을 가질 수 있다. 에너지 수신 안테나(130)는 커패시터(136)를 포함하고, 커패시터(136)에 저역 필터(142)와 정류기(144)가 부착된다.
에너지 전달을 위해 정적 자계(B0)와 평행하게 (즉, 단층 사진 촬영 장치의 길이 방향으로) 이어지는 길이방향 및 선형으로 극화된 자계를 사용하는 것도 또한 가능하다. 이와 관련하여 도 10 및 도 11에 대한 참조가 이루어진다. 중앙에 배열된 환상 코일 또는 헬름홀츠(Helmholz) 쌍(406, 408)은 에너지 전달을 위한 자계를 생성하기 위하여 제공될 수 있다. 추가적인 에너지 수신 안테나(130)는 수신기 측에서 요구되고, 로컬 코일들(102 및 103)에 대해 직각으로 배열되어야 한다. 본 실시예는 각 안테나들이 서로 기하학적으로 분리되고, 따라서 제 2 실시예에서 요구되는 추가적인 필터들이 생략될 수 있는 장점을 갖는다.
이와 관련하여, 도 10은 특히 MR 여기 신호들을 송신하기 위한 새장형 안테나(404)를 명확하게 도시한다. 길이방향 및 선형으로 극화된 자계를 생성하기 위한 헬름홀츠 쌍(406, 408)은 새장형 안테나(404) 주위에 배열된다. 헬름홀츠 쌍의 각 안테나는 커패시터(410)를 특징으로 한다.
도 11은 로컬 코일 시스템(100c)의 제 3 실시예를 적절하게 도시한다. 두 개의 로컬 코일들(102, 103)은 각 경우 커패시터(133, 134)를 특징으로 한다. 로컬 코일들 각각은 수신기(146, 148)에 연결된다. 커패시터(136)를 포함하는 에너지 수신 안테나(130)은 로컬 코일들(102, 103)에 대해 직각으로 그리고 로컬 코일들 위에 배열된다. 에너지 수신 안테나(130)는 정류기(144)에 연결된다.
각 로컬 코일 시스템은 단일 로컬 코일과 단일 에너지 수신 안테나를 포함할 수 있다. 따라서, 더 단순하고 더욱 모듈형 구조를 달성하는 것이 가능한데, 이 경우 개별 로컬 코일들 사이에 어떠한 연결도 필요하지 않다. 공급 에너지의 수신에 관련된 부담을 줄이기 위하여, 에너지 수신 안테나는 복수의 로컬 코일들에 전력을 공급할 수 있다.
로컬 코일 시스템(100d)의 제 4 실시예를 도시하는 도 12에 대한 참조가 더 이루어진다. 복수의 에너지 수신 안테나들(150, 152, 162, 166)이 본 경우에 제공된다. 이 경우, 에너지 수신 안테나들 또는 에너지 수신 코일들은 일부 경우들에 있어서 서로에 대해 수직이 되도록 배열된다. 에너지 수신 안테나들은 이러한 유형의 구성에서 서로 나란히, 및/또는 하나 위에 다른 하나가 배열될 수 있다. 에너지 수신 안테나들의 최적이 아닌 배향에 대한 로컬 코일 시스템(100d)의 감도는 따라서 감소된다. 정류기 엘리먼트(158, 160, 170, 172)는 에너지 수신 안테나들(150, 152, 162, 166)의 각각에 배열될 수 있는데, 정류기 엘리먼트들의 출력들은 서로 그리고 커패시터에 연결된다.
MR 송신 주파수들과 비교하여 낮은 에너지 전달 주파수 덕택에, 유도될 수 있는 전력에 대해 환자 내에서 흡수되는 전력의 비율(예, 특정 흡수 비율 또는 SAR)은 최적화된다. 환자에 대해 허용가능한 SAR 노출(예, 4 W/kg)이 간혹 이미 MR 송신 펄스들에 의해 주로 사용되기 때문에, 가능한 가장 작은 추가 양(예, 0.04 W/kg)이 로컬 코일 시스템의 에너지 공급에 할당되는 것이 바람직하다.
이에 관해 도 13에 관한 참조가 이루어진다. 환자 내에서 흡수되는 전력에 대한 두 가지 기여 인자들은 에너지의 유도 전달 도중에 발생할 수 있다. 첫 번째로 에너지 송신 안테나(502)와 커패시터(504)에 의해 생성된 균일한 에너지 송신 자계는 에디 전류 루프(506) 내에서 에디 전류(il')로 인해 환자(500)의 일반적인 가온(warming)을 야기할 것인데, 상기 에디 전류(il')는 송신 자계의 강도와 주파수의 곱의 제곱에 의존한다. 그러나 주어진 흡수 영역에 대해, 사용 가능한 유도 전압은 이러한 곱에 또한 비례한다. 이는 미리 한정된 전역 SAR 값에 대해, 오직 특정 출력 전압만이 주파수와 무관하게 가능함을 의미한다.
전류(i2)가 환자(500)의 근처에서 로컬 코일 시스템의 에너지 수신 안테나(508)로부터 취해질 때, 에너지 수신 안테나(508)는 제 2 HF 자계들에 의해 둘러싸이는데, 이러한 제 2 HF 자계들은 에너지 수신 안테나(508) 하에서 에디 전류 루프(510) 내의 추가적인 에디 전류(i2')를 초래한다. 이러한 국부적인 SAR 기여는 전류와 주파수의 곱의 제곱에 의존한다. 이것은, 주어진 허용 가능한 SAR 값에 대해, 사용 가능한 부하 전류와 따라서 사용 가능한 전력은 선택된 주파수의 감소에 비례하여 증가함을 의미한다.
제 1 및 제 2 자계가 저항 부하의 결과로서 대략 90°의 위상 이동을 나타내기 때문에, SAR 기여들은 산술급수적으로 더해질 수 있다. 최적의 부하 저항값을 유도하는 것이 가능하고, 이러한 최적의 부하 저항값에서 두 가지 SAR 기여들은 대략 동일하다. 이러한 부하 저항값은 공진 품질에 의해 결정되는 에너지 수신 안테나의 내부 저항값보다 전형적으로 상당히 더 높다. 낮은 부하가 걸린 전압원으로서의 동작이 선호된다. 공진 단락 회로라면, 전력에 적응되는 동작은 회피되어야 하는데, 왜냐하면 이러한 동작은 제 2 HF 자계로 인한 SAR 노출의 초비례적인 상승을 초래할 수 있기 때문이다. 예컨대, 이러한 에러로부터 임의의 잠재적인 위험을 방지하기 위하여 안전 휴즈가 사용될 수 있다. 더욱이, 상대적으로 높은 저항값의 부하(512, 514)의 결과로서, 복수의 에너지 수신 안테나들(508)은 상당한 상호 영향이 없이 서로 나란히 동작될 수 있다.
환자에 의한 전력의 가장 낮은 흡수(SAR 기여)를 보장하기 위하여, 가능한 가장 낮은 에너지 전달 주파수를 사용하는 것이 유리하다. 그러나, 더 높은 자계 강도와 더 높은 송신 코일 전류(il)는 특정 유도 전압을 위하여 제공되어야만 한다. 그러므로, 에너지 송신 안테나의 효율은 더 낮은 에너지 전달 주파수에서 더 낮다. 결과적으로, 소산되는 열로 변환되는 더 높은 전력이 에너지 송신 안테나를 위해 필요하다. 그러나, 호환성의 이들 조건들은 에너지 전달 주파수들에 대한 소개에서 지정된 본 발명의 바람직한 범위들에 의해 완전히 충족된다.
주파수의 적합한 선택의 추가 설명은, 스펙트럼 분포를 개략적으로 도시하고, 자계 강도(임의의 단위)가 주파수 f(MHz)에 대해 그려진, 도 14를 참조한다. 도 14에 도시된 주파수들과 스펙트럼들은 다음의 구성요소들에 의해 생성된다:
520 : 에너지 전달 주파수
522 : 아날로그/디지털 변환기의 클록 주기
524, 526, 528 : 에너지 전달 주파수의 배수들
530 : B0 = 1.5 T인 라모 주파수 대역
532 : B0 = 1.5 T에 대한 로컬 발진기
534 : B0 = 3 T인 라모 주파수 대역
536 : B0 = 3 T에 대한 로컬 발진기
여기에서 도시된 바와 같이, 에너지 전달 주파수는 따라서, 에너지 전달 주파수의 어떠한 배수들 또는 고조파들도 MR 수신 주파수 대역에 들지 않는 방식으로 선택될 수 있다. 이를 통해 예컨대 정류 도중에 생성되는 고조파들이 MR 수신을 중단시키는 것을 방지하는 것이 가능하다. 그러므로, 대략 63.2 MHz에서 대략 74 MHz 까지의 대역은 간섭이 없이 남아 있어야 한다.
임의의 내부 간섭을 방지하기 위하여, 아날로그/디지털 변환기의 샘플링 주파수와 주파수 변환에 사용된 발진기들의 모든 주파수들은 기본 시스템 주파수 예컨대 2.5 MHz의 정수 배수인 것이 바람직하고, 이러한 배수들은 마찬가지로 MR 수신 대역들 중 하나의 대역에 들지 않아야 한다.
에너지 공급 주파수는 또한 수신기들과 디지털화를 위한 기준 주파수로서 사용될 수도 있다. 발진기들의 필요한 주파수들은 주파수 배율기 또는 PLL 회로를 통해 에너지 전달 주파수로부터 유도될 수 있다.
예컨대, 환자의 움직임들로 인해 수신 안테나들의 공진의 약간의 디튜닝(detuning)이 발생할 수 있어, 아마도 수신된 기준 주파수 내에서 따라서 수신된 신호들 내에서 유해한 위상 변화를 초래하는 것을 고려하여야만 한다. 그러나, 이러한 효과는 유리하게 SAR로 인해 어느 경우든 바람직한 높은 부하 저항값에 의해 최소화되는데, 왜냐하면 공진 회로의 유효한 악화 품질은 상당히 감소되고, 대역폭은 이에 따라 증가하기 때문이다.
수신 채널들과 무선 주파수들의 구성과 같은 부가적인 정보는 예컨대 에너지 공급 주파수를 변조함으로써 수신시의 일시정지 도중에 로컬 코일 시스템에 전달될 수 있다.
따라서, 도 15에 도시된 로컬 코일 시스템(600)의 제 5 실시예는 커패시터를 특징으로 하고 대역 필터(608)에 연결된 에너지 수신 안테나(600)를 포함한다. 커패시터를 특징으로 하는 정류기 엘리먼트(612)는 에너지 공급 전류를 생성하기 위하여 대역 필터(608)에 연결된다. 대역 필터에 부착되는 것은 또한 증폭기(616)인데, 이 증폭기는 에너지 공급 주파수를 클록 생성 유닛(618)에 전달하고, 클록 생성 유닛은 적어도 하나의 발진 신호를 생성할 수 있다. 대역 필터(608)에 부착되는 것은 또한 변조기(620)인데, 이 변조기는 변조된 에너지 공급 주파수 데이터로부터 제어 데이터를 생성한다.
본 발명에 따라, 유도 에너지 전달은 MR 주파수에 비해 비교적 낮은 주파수에서 발생한다. 균일한 전달은 원형으로 극화된 횡 또는 세로 자계들에 의해 이루어진다. 다중-공진 송신 및 수신 안테나들은 에너지 전달을 위해 제공될 수 있다. 에너지 수신 안테나의 내부 저항값과 비교하여, 높은 부하 저항값이 에너지 수신 안테나에 연결될 수 있다. 복수의 수신 안테나들은 여분의 다이버시티 수신을 위한 하나 이상의 정류기들에 부착될 수 있다. 에너지 전달 주파수로부터 간섭을 방지하기 위하여, 에너지 전달 주파수는 시스템 기본 클록의 배수들로 설정된다. 덧붙여, 에너지 전달은 클록 주기 신호들과 제어 신호들을 제공하기 위하여 동시에 사용될 수 있다.
결론으로서, 위에서 기술된 방법들 및 설계들은 예시적인 실시예들에 관한 것들이고, 청구항들에서 규정된 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이, 기본 원리는 당업자에 의해 넓은 영역들에서 변할 수도 있음이 다시 언급된다. 완전을 위해, 단수로 표기된 특징은 관련된 다수의 특징들의 예들의 가능성을 배제하지 않음이 또한 언급된다. 마찬가지로, 용어 "유닛"은 적용 가능하다면 물리적으로 배포될 수 있는 복수의 구성성분들로 이루어질 수 있는 가능성을 배제하지 않는다.
1 : 자기 공진 시스템 2 : 단층 사진 촬영 장치
3 : 전신 송신 안테나 어레인지먼트 4 : 측정 챔버
5 : 침상 6 : 제어 디바이스
7 : 대량 저장 장치 8 : 단층 사진 촬영 장치 인터페이스
9 : 영상 획득 인터페이스 10 : 시퀀스 제어 유닛
11 : MR 신호 처리 디바이스 13 : 터미널 인터페이스
14 : 인터페이스 15 : 터미널
17 : 통신 네트워크 20 : 수신 시스템
22 : 로컬 코일 제어 디바이스 24 : 로컬 코일 송신 디바이스
26 : 로컬 코일 송신 안테나 28 : 에너지 명령 송신 디바이스
29 : 에너지 명령 수신 디바이스 30 : 로컬 코일 어레인지먼트
32 : 수신 안테나 33 : 수신기
40 : 전달 신호 수신 모듈 41 : 환자
42 : 신호 준비 디바이스 44,56,64 : 에너지 공급 디바이스
46,48 : 안테나들 50 : 에너지 수신 안테나
52,54 : 안테나들 58 : 자기 공진 시스템
60 : 신호 처리 디바이스 62 : 제어 디바이스
66 : 스크린 68 : 플러그 커넥터
100, 100a, 100b, 100c, 100d : 로컬 코일 시스템
102 : 로컬 코일, 로컬 코일들과 에너지 수신 안테나들의 조합
103 : 로컬 코일 104 : 제 1 커패시터
106 : 코일 108 : 제 2 커패시터
110 : 제 3 다이플렉서, 필터 회로 112 : 오프-공진 설정 스위치
114,116 : 정류기 118 : 제 3 커패시터
120 : 전치증폭기 130 : 에너지 수신 안테나
132,134,136 : 커패시터 138,140 : 고역 필터
142 : 저역 필터 144 : 정류기
146,148 : 수신기 150,152 : 에너지 수신 안테나
158,160,170,172 : 정류기 엘리먼트 162,166 : 에너지 수신 안테나
200 : 송신 디바이스 202 : MR 송신 증폭기
204 : 에너지 증폭기 206 : 제 1 하이브리드 디바이스
208 : 종단 임피던스 210 : 제 2 하이브리드 디바이스
212 : 종단 임피던스 214 : 제 1 다이플렉서
216 : 제 2 다이플렉서 218 : 새장형 안테나
220,222,224,226,228,230,231 : 안테나 길이방향 엘리먼트
232,234,236,238 : 제 1 필터 242,244,246,248 : 제 1 필터
254,258,262 : 다이오드 252,256,260 : 제 2 필터
262,264 : 커패시터 265 : 발진기
266 : 코일
300 : 송신 디바이스 302,304 : 고역 필터
306 : 전신 송신 안테나 어레인지먼트 308 : 에너지 송신 안테나
310,312 : 커패시터들 314,316 : 저역 필터
318 : 하이브리드 디바이스 320 : 임피던스
400 : 송신 디바이스 404 : 새장형 안테나
406,408 : 헬름홀츠 쌍 410 : 커패시터
500 : 환자 502 : 에너지 송신 안테나
504 : 커패시터 506 : 에디 전류 루프
508 : 에너지 수신 안테나 510 : 에디 전류 루프
512,514 : 부하 520 : 에너지 전달 주파수
522 : 아날로그/디지털 변환기의 클록 주기
524,526,528 : 에너지 전달 주파수의 배수들
530 : B0 = 1.5T인 라모 주파수 대역
532 : B0 = 1.5T에 대한 로컬 발진기
534 : B0 = 3 T인 라모 주파수 대역
536 : B0 = 3T에 대한 로컬 발진기
600 : 로컬 코일 시스템 602 : 에너지 수신 안테나
608 : 대역 필터 612 : 정류기 엘리먼트
616 : 증폭기 618 : 클록 생성기 유닛
620 : 복조기 il : 송신 코일 전류
il' : 에디 전류 i2 : 전류
i2' : 에디 전류들 LC1, ..., LCn : 로컬 코일들
Z1, Z2 : 필터
3 : 전신 송신 안테나 어레인지먼트 4 : 측정 챔버
5 : 침상 6 : 제어 디바이스
7 : 대량 저장 장치 8 : 단층 사진 촬영 장치 인터페이스
9 : 영상 획득 인터페이스 10 : 시퀀스 제어 유닛
11 : MR 신호 처리 디바이스 13 : 터미널 인터페이스
14 : 인터페이스 15 : 터미널
17 : 통신 네트워크 20 : 수신 시스템
22 : 로컬 코일 제어 디바이스 24 : 로컬 코일 송신 디바이스
26 : 로컬 코일 송신 안테나 28 : 에너지 명령 송신 디바이스
29 : 에너지 명령 수신 디바이스 30 : 로컬 코일 어레인지먼트
32 : 수신 안테나 33 : 수신기
40 : 전달 신호 수신 모듈 41 : 환자
42 : 신호 준비 디바이스 44,56,64 : 에너지 공급 디바이스
46,48 : 안테나들 50 : 에너지 수신 안테나
52,54 : 안테나들 58 : 자기 공진 시스템
60 : 신호 처리 디바이스 62 : 제어 디바이스
66 : 스크린 68 : 플러그 커넥터
100, 100a, 100b, 100c, 100d : 로컬 코일 시스템
102 : 로컬 코일, 로컬 코일들과 에너지 수신 안테나들의 조합
103 : 로컬 코일 104 : 제 1 커패시터
106 : 코일 108 : 제 2 커패시터
110 : 제 3 다이플렉서, 필터 회로 112 : 오프-공진 설정 스위치
114,116 : 정류기 118 : 제 3 커패시터
120 : 전치증폭기 130 : 에너지 수신 안테나
132,134,136 : 커패시터 138,140 : 고역 필터
142 : 저역 필터 144 : 정류기
146,148 : 수신기 150,152 : 에너지 수신 안테나
158,160,170,172 : 정류기 엘리먼트 162,166 : 에너지 수신 안테나
200 : 송신 디바이스 202 : MR 송신 증폭기
204 : 에너지 증폭기 206 : 제 1 하이브리드 디바이스
208 : 종단 임피던스 210 : 제 2 하이브리드 디바이스
212 : 종단 임피던스 214 : 제 1 다이플렉서
216 : 제 2 다이플렉서 218 : 새장형 안테나
220,222,224,226,228,230,231 : 안테나 길이방향 엘리먼트
232,234,236,238 : 제 1 필터 242,244,246,248 : 제 1 필터
254,258,262 : 다이오드 252,256,260 : 제 2 필터
262,264 : 커패시터 265 : 발진기
266 : 코일
300 : 송신 디바이스 302,304 : 고역 필터
306 : 전신 송신 안테나 어레인지먼트 308 : 에너지 송신 안테나
310,312 : 커패시터들 314,316 : 저역 필터
318 : 하이브리드 디바이스 320 : 임피던스
400 : 송신 디바이스 404 : 새장형 안테나
406,408 : 헬름홀츠 쌍 410 : 커패시터
500 : 환자 502 : 에너지 송신 안테나
504 : 커패시터 506 : 에디 전류 루프
508 : 에너지 수신 안테나 510 : 에디 전류 루프
512,514 : 부하 520 : 에너지 전달 주파수
522 : 아날로그/디지털 변환기의 클록 주기
524,526,528 : 에너지 전달 주파수의 배수들
530 : B0 = 1.5T인 라모 주파수 대역
532 : B0 = 1.5T에 대한 로컬 발진기
534 : B0 = 3 T인 라모 주파수 대역
536 : B0 = 3T에 대한 로컬 발진기
600 : 로컬 코일 시스템 602 : 에너지 수신 안테나
608 : 대역 필터 612 : 정류기 엘리먼트
616 : 증폭기 618 : 클록 생성기 유닛
620 : 복조기 il : 송신 코일 전류
il' : 에디 전류 i2 : 전류
i2' : 에디 전류들 LC1, ..., LCn : 로컬 코일들
Z1, Z2 : 필터
Claims (17)
- MR 신호들을 포착하기 위한 자기 공진 시스템(1)을 위한 로컬 코일 시스템(100, 100a, 100b, 100c, 100d, 600)으로서,
상기 로컬 코일 시스템(100, 100a, 100b, 100c, 100d, 600)을 위한 에너지를 시간적으로 변하는 자계로부터 유도적으로 수신하기 위한 에너지 수신 안테나(102, 130, 150, 152, 162, 166, 602)를 포함하고, 상기 에너지 수신 안테나(102, 130, 150, 152, 162, 166, 602)는 포착될 상기 MR 신호들의 라모(Larmor) 주파수(530, 534)보다 낮고 대략 20 kHz보다 높은 에너지 전달 주파수(520)에 동조되거나 또는 동조될 수 있는,
로컬 코일 시스템. - 제 1항에 있어서,
상기 에너지 전달 주파수(520)는, 상기 라모 주파수(530, 534)의 범위 내에 어떠한 고조파들도 갖지 않고, 및/또는 대략 1 MHz보다 높도록, 선택되는,
로컬 코일 시스템. - 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 에너지 수신 안테나(130)는 횡 및 원형으로 극화된 자계를 수신하도록 설계되는,
로컬 코일 시스템. - 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 에너지 수신 안테나(130)는, 상기 자기 공진 시스템(1)의 기본 자계의 자계 방향으로 이어지는 길이방향 및 선형으로 극화된 자계를 수신하도록 설계되는,
로컬 코일 시스템. - 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 에너지 수신 안테나(130)는 상기 로컬 코일 시스템(100, 100a, 100b, 100c, 100d, 600)의 적어도 하나의 로컬 코일(102) 위에 배열되는,
로컬 코일 시스템. - 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 에너지 수신 안테나(130)는 상기 로컬 코일 시스템(100b)의 적어도 하나의 로컬 코일(102, 103)보다 큰 윤곽을 갖고, 상기 적어도 하나의 로컬 코일은 평면도 상에서 상기 에너지 수신 안테나 내에 배열되는,
로컬 코일 시스템. - 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
복수의 상호연결된 에너지 수신 안테나들(150, 152, 162, 166)을 특징으로 하는,
로컬 코일 시스템. - 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
클록 생성 디바이스(618)는 상기 에너지 수신 안테나(602)에 연결되고, 상기 자계의 상기 에너지 전달 주파수로부터 상기 로컬 코일 시스템을 위한 클록킹 신호를 생성하는,
로컬 코일 시스템. - 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
복조기(620)는 상기 에너지 수신 안테나(602)에 연결되고, 변조된 자계로부터 초래되는 신호를 복조하는,
로컬 코일 시스템. - 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 로컬 코일 시스템(100a)의 적어도 하나의 로컬 코일(102)은 에너지 수신 안테나와 일체형이 되도록 설계되어, 로컬 코일들과 에너지 수신 안테나들(102)의 조합을 형성하는,
로컬 코일 시스템. - 제 10항에 있어서,
로컬 코일들과 에너지 수신 안테나들의 상기 조합은 필터 회로(110)에 연결되고, 상기 필터 회로(110)는 상기 MR 신호들과 공급된 에너지를 분리하도록 설계되는,
로컬 코일 시스템. - 제 10항에 있어서,
로컬 코일들과 에너지 수신 안테나들(102)의 상기 조합은 로컬 코일들과 에너지 수신 안테나들의 상기 조합을 적어도 두 개의 공진 주파수들에 동조시키기 위한 동조 회로(104, 106, 108)를 특징으로 하는,
로컬 코일 시스템. - 에너지를 로컬 코일 시스템(100, 100a, 100b, 100c, 100d, 600)에 송신하도록 설계된 자기 공진 시스템을 위한 송신 디바이스(200, 300, 400)로서,
미리정의된 에너지 전달 주파수로 시간적으로 변하는 자계를 방출하는 에너지 송신 안테나(218, 308, 406, 408)와,
상기 에너지 송신 안테나(218, 308, 406, 408)에 연결되어 상기 에너지 송신 안테나(218, 308, 406, 408)를 동작시키기 위한 신호를 생성하는 발진기 디바이스(265)
를 포함하고,
상기 신호는 상기 로컬 코일 시스템(100, 100a, 100b, 100c, 100d, 600)에 의해 포착될 MR 신호들의 라모 주파수보다 낮고 대략 20 kHz보다 높은 에너지 전달 주파수를 갖는,
송신 디바이스. - 제 13항에 있어서,
상기 에너지 송신 안테나(218)는 전신 코일(306, 402)과 일체형이 되거나 또는 상기 전신 코일 주위에 형성되도록 설계되는,
송신 디바이스. - 자기 공진 시스템(1)으로서,
제 1항 또는 제 2항에 따른 로컬 코일 시스템(100, 100a, 100b, 100c, 100d, 600) 및/또는 제 13항 또는 제 14항에 따른 송신 디바이스(200, 300, 400)을 포함하는,
자기 공진 시스템. - 자기 공진 시스템(1)의 로컬 코일 시스템(100, 100a, 100b, 100c, 100d, 600)에 에너지를 전달하는 방법으로서,
에너지는 시간적으로 변하는 자계들을 통해 상기 로컬 코일 시스템(100, 100a, 100b, 100c, 100d, 600)의 에너지 수신 안테나(102, 130, 150, 152, 162, 166, 602) 안에서 유도되고, 상기 자계는 상기 로컬 코일 시스템(100, 100a, 100b, 100c, 100d, 600)에 의해 포착될 MR 신호들의 라모 주파수보다 낮고 대략 20 kHz보다 높은 주파수에서 변하는,
자기 공진 시스템의 로컬 코일 시스템에 에너지를 전달하기 위한 방법. - 제 16항에 있어서,
상기 로컬 코일 시스템(100, 100a, 100b, 100c, 100d, 600)에 의한 MR 신호들의 수신과 상기 로컬 코일 시스템(100, 100a, 100b, 100c, 100d, 600)로의 에너지의 전달이 동시에 발생하는,
자기 공진 시스템의 로컬 코일 시스템에 에너지를 전달하기 위한 방법.
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