KR20160118754A - Srr 루프형 rf 공진기 - Google Patents

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    • H01P7/08—Strip line resonators

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Abstract

본 발명은 SRR 루프형 RF 공진기로서, 일반적인 루프 공진기에 메타 물질(metamaterials) 특성을 가지는 분할고리공진기(SRR: Spilt-Ring Resonator)를 함께 배열하여 설계하였고, 그 구조는 기판의 가장자리에 루프 공진기인 제1 공진기, 상기 제1 공진기 내에 SRR 공진기인 제2 공진기가 형성되는 구조이다. 그리고 상기 제1 공진기와 상기 제2 공진기의 하부에 무선주파차폐 및 접지를 위해 형성되는 금속판이 구성된다. 이와 같은 본 발명에 따르면, 기존의 루프형 공진기보다 약 10% 이상의 강한 B1 필드 특성을 제공하기 때문에, 높은 신호대 잡음비 및 해상도를 가진 3T MRI를 사용할 수 있는 이점이 있다.

Description

SRR 루프형 RF 공진기{SRR Loop type RF resonator}
본 발명은 RF 공진기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 일반적인 구조를 가지는 루프형 RF 공진기에 평면형의 사각(Square) SRR 구조를 삽입되게 설계하여 B1 필드 특성이 향상되도록 한 SRR 루프형 RF 공진기에 관한 것이다.
자기공명영상장치(MRI, Magnetic Resonace Imaging)는 자기장을 이용하여 신체 단층에 대한 정보를 영상화하는 장치로서, 자기장(자속 밀도)의 크기(Tesla)가 커질수록 높은 해상도의 영상을 획득할 수 있다.
현재 병원에서 사용 가능한 가장 높은 자장의 세기를 가지는 자기공명영상장치는 3T(3 Tesla) MRI가 일반적이다. 물론 최근에 초고자기장(Ultra-High-Field) 자기공명영상장치로서 상기 3T MRI 대비 우수한 신호대 잡음비 및 해상도를 지원하는 7T 이상의 자기공명영상장치를 개발하고 있으나, 아직까지 임상용으로 승인을 받기 위한 연구중에 있는 실정이다. 그리고 상기 7T MRI가 승인받는다 하더라도 구입 및 운영 비용 등을 고려하면 1.5T 처럼 3T MRI가 계속적으로 사용될 것이 예측된다.
그렇기 때문에 3T MRI의 해상도를 향상시킬 필요가 있다. MRI에서 신호대 잡음비를 향상시키는 방법은 2가지 있다. 하나는 정자장(static magnetic field, B0)을 세게 하는 방법이고, 다른 하나는 RF 코일(Radio Frequency Coil)에서 발생하는 자장(이하 'B1 필드' 함)을 크게 하는 방법이다. 그 중 상기 B1 필드를 크게 하는 방법은 환자가 착용하는 RF 코일(Radio Frequency Coil)을 효율적으로 디자인하면 되기 때문에 상기 정자장(B0)을 세게 하는 방법에 비해 기술적으로 부담이 적다.
현재 병원에서는 다양한 RF 코일이 사용된다. 특히 심장, 유방 등과 같은 몸통에 이용되는 루프형 코일(Loop type Coil)이 대표적이다.
하지만, 루프형 코일로만 구성되는 일반적인 루프 공진기의 경우 RF 코일에 의해 상기 B1 필드를 어느 정도 크게 할 수 있지만, 소정 자기장의 세기를 제공하는 MRI 장치의 경우 미리 정해진 해상도보다 높은 해상도를 제공하지 못하고 있다. 즉 3T MRI 장치의 경우 4T MRI 및 5T MRI가 제공하는 해상도를 전혀 지원하지 못하고 있다.
그렇지만, 상술한 바와 같이 상기 3T MRI 시스템이 현재 임상 진료 및 진단에 중요하게 사용되고 있기 때문에, 사용중인 상기 3T MRI 시스템의 성능을 개선하고자 하는 요구가 있었다.
따라서 3T MRI 장치에서도 더 높은 해상도를 획득할 수 있도록 효율적인 B1 필드 특성을 제공할 수 있는 RF 공진기가 필요하다. 그러지 않은 경우 고가의 MRI 장치를 설치해야 하기 때문에, 이에 따른 비용 부담이 발생한다.
한국등록특허 10-1451705호(2014. 10. 10. 음의 투자율 특성을 갖는 메타 물질을 이용한 다중 스플리트 링 공진기)
따라서 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, B1 필드 특성을 더 향상시키도록 루프 공진기에 메타 물질(metamaterials) 특성을 가지는 분할고리공진기(SRR: Spilt-Ring Resonator)를 함께 배열/설계하는 SRR 루프형 RF 공진기를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 소정 크기의 기판; 상기 기판의 가장자리에 형성되는 제1 공진기; 상기 제1 공진기 내에 형성되는 제2 공진기; 및 상기 제1 공진기와 상기 제2 공진기의 하부에 무선주파차폐 및 접지를 위해 형성되는 금속판을 포함하여 구성되는 SRR 루프형 RF 공진기를 제공한다.
상기 기판은, 유전체 기판이고, 특히 상기 유전체 기판은, 유전상수(εr) 2.08, 유전체 손실(loss tan) 0.004 값을 가지는 테프론(Teflon) 기판이 채용된다.
상기 제1 공진기는, 복수 지점이 절곡되게 형성되는 제1 금속 도체 패턴; 및 상기 제1 금속 도체 패턴과 제1 스플리트 갭을 형성하도록 위치하는 제2 금속 도체 패턴을 포함하고, 상기 제1 금속 도체 패턴과 상기 제2 금속 도체 패턴의 두께는 동일하고, 상기 제2 금속 도체 패턴의 길이와 상기 제1 스플리트 갭의 길이는 동일하게 형성된다. 이러한 상기 제1 공진기는, 루프 공진기이다.
상기 제2 공진기는, 상기 제1 금속 도체 패턴 내에 위치하는 링 구조의 제3 금속 도체 패턴; 상기 제3 금속 도체 패턴 내에 위치하는 링 구조의 제4 금속 도체 패턴을 포함하며, 상기 제3 금속 도체 패턴과 상기 제4 금속 도체 패턴은 서로 반대되는 방향에 제2 스플리트 갭 및 제3 스플리트 갭을 각각 형성하고 있으며, 상기 제2 공진기는 SRR 공진기이다.
그리고 상기 제 1 금속 도체 패턴 내지 상기 제4 금속 도체 패턴은 서로 길이가 다르게 형성되되, 상기 제1 금속 도체 패턴이 길이가 가장 길게 형성된다.
그리고 본 발명의 상기 SRR 루프형 RF 공진기는, 127.7MHz 및 147MHz에서 공진 현상이 발생한다.
이와 같은 본 발명에 따른 SRR 루프형 RF 공진기는 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명은 일반적인 루프 공진기에 메타 물질(metamaterials) 특성을 가지는 분할고리공진기(SRR: Spilt-Ring Resonator)를 함께 배열하여 SRR 루프형 RF 공진기를 설계하였다.
이를 3T MRI 시스템에 RF 코일의 공진 주파수가 127.7MHz를 가지는 구조를 인체 팬텀 모형과 함께 모델링하였고, 그 모델링 결과 기존의 루프형 RF 공진기 대비 약 10% 이상 센 B1 필드 특성을 얻을 수 있음을 확인하였다.
따라서 3T MRI 시스템으로도 그 3T 이상의 MRI 시스템에서 제공하는 신호대 잡음비 및 해상도를 제공할 수 있기 때문에, 향후 7T 이상의 MRI 시스템이 임상용으로 승인받더라도 지속적으로 3T MRI 시스템을 사용할 수 있는 여건을 조성할 수 있는 효과가 있다.
그 결과 현재보다 MRI 시스템을 구축하지 않고서도 현재 사용중인 3T MRI 시스템을 사용할 수 있어, 구매 비용 등을 절감할 수 있는 기대도 있다.
도 1a는 일반적인 평면형 SRR의 구조를 보인 도면
도 1b는 도 1a의 분포 인덕턴스 성분 및 분포 커패시턴스 성분을 설명하는 예시도
도 2는 도 1a의 평면형 SRR 구조의 유효 투자율 값을 보인 그래프
도 3은 일반적인 루프 공진기 구조 도면
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 SRR 루프형 RF 공진기를 보인 평면도
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 SRR 루프형 RF 공진기의 모의 실험 모델을 보인 도면
도 6은 본 발명에 따른 SRR 루프형 RF 공진기와 일반적인 루프 공진기의 주파수 응답 특성을 보인 그래프
도 7은 본 발명의 SRR 루프형 RF 공진기와 일반 루프 공진기의 정규화된 표면 전류 밀도 분포를 보인 도면
도 8은 본 발명의 SRR 루프형 RF 공진기와 일반 루프 공진기의 RF 투과 자기장 세기를 보인 그래프
도 9는 본 발명의 SRR 루프형 RF 공진기와 일반 루프 공진기의 RF 투과 자기장 분포를 보인 도면
도 10은 본 발명의 SRR 루프형 RF 공진기를 3T 및 1.5T에 적용했을 때의 주파수 응답 특성을 보인 그래프
본 발명은 일반적인 루프형 RF 공진기와 메타 물질로 이루어진 SRR이 함께 배열되게 설계하는 SRR 루프형 RF 공진기를 제안함으로써 기존의 루프형 RF 공진기 대비 B1 필드 특성이 약 10% 이상 향상되게 하여 기존의 3T MRI 장치에서도 높은 신호대 잡음비 및 해상도를 제공하도록 하는 것을 기본적인 기술적 요지로 한다.
이하 본 발명에 의한 SRR 루프형 RF 공진기의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 SRR 루프형 RF 공진기를 설명하기에 앞서 분할고리공진기(SRR: Spilt-Ring Resonator)의 음의 투자율을 갖는 특성이 RF 공진기에 어떤 효과를 제공하는지 살펴보기로 한다.
도 1a는 일반적인 평면형 SRR의 구조를 보인 도면이고, 도 1b는 도 1a의 분포 인덕턴스 성분 및 분포 커패시턴스 성분을 설명하는 예시도이다.
이를 보면, 제1 도체선(10)과 제2 도체선(20)에 의한 인덕턴스 성분은 L1 및 L2로 표현되며, 제1 도체선(10)과 제2 도체선(20) 사이의 결합 현상에 의한 상호 인덕턴스 LM이 발생하고 있다. 그리고 제1 도체선(10)과 제2 도체선(20)의 갭(cap)에 의해 발생되는 커패시턴스 성분은 C1 및 C2로 표현되며, 제1 도체선(10)과 제2 도체선(20) 사이에도 커패시턴스 성분 C3이 존재한다. 따라서 이러한 인덕턴스와 커패시턴스 성분에 의해 SRR은 LC 공진기로 동작하게 된다.
그리고 상기 도 1a의 구조를 가지는 SRR의 유효 투자율 값은 도 2에 도시하였다. 상술한 바와 같이 도체선(10)(20) 갭의 커패시턴스 성분으로 인해 도 2를 보면 3T MRI 장치에서의 라머(Larmor) 주파수인 127.7 MHz에서 공진이 일어나고 있다. 그 결과, 라머 주파수에서 음의 투자율을 갖는 것을 확인할 수 있다.
이처럼 사각 단일의 SRR 구조는 음의 유효 투자율 값을 가지는바, 본 발명은 이를 이용하여 SRR 루프형 RF 공진기를 설계하였다. 즉 메타 물질의 대표적인 특성 중의 하나가 음의 투자율(Permaability)을 나타내는 것으로서 음의 투자율을 갖는 메타 물질은 음의 투자율과 같은 특성을 이용하여 공진기의 크기를 임의로 제어할 수 있는 것이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 SRR 루프형 RF 공진기를 보인 평면도로서, 즉, 도 3에 도시하고 있는 일반적인 루프 공진기에 평면형의 사각 SRR를 삽입한 구조이다.
이를 보면, SRR 루프형 RF 공진기(100), 기판(101)과, 제1 공진기(110) 및 제2 공진기(120)를 포함한다.
기판(101)은 소정의 유전율을 갖는 유전체 기판으로서 RF 신호의 매질에 해당하고, 유전상수(εr)는 2.08이고, 유전체 손실(loss tan)은 0.004 값을 가지는 테프론(Teflon) 기판이 사용된다. 물론 전도성이 매우 낮은, 즉 절연체에 가까운 전기적인 특성만 만족한다면 필요에 따라 다른 다양한 기판의 활용도 가능할 것이다.
제1 공진기(110) 및 제2 공진기(120)는 서로 다른 길이의 링 구조로 이루어지는 복수 개의 금속 도체패턴이 동심을 가지고 일정한 간격으로 이격 배치되어 형성된다. 즉 제1 공진기(110) 및 제2 공진기(120)는 사각 형상의 링 구조이다. 그리고 이를 구성하는 금속 도체 패턴은 전도성이 우수한 금속으로 제조될 수 있다. 제1 공진기(110) 및 제2 공진기(120)의 구성을 구체적으로 살펴본다.
제1 공진기(110)는 루프 공진기이고 복수 개의 금속 도체패턴 중 최 외각에 위치하는 제1 금속 도체패턴(112)을 포함하여 구성된다. 그리고 도시된 바와 같이 제1 두께(t1)를 가지며 4개 지점(a, b, c, d)이 절곡되어 형성된다. 또한 일 단면에는 제2 금속 도체패턴(114)과 제1 스플리트 갭(112a)을 형성한다. 제1 금속 도체패턴(112)과 제2 금속 도체패턴(114)의 두께는 동일한 두께(t1)이고, 또한 제2 금속 도체패턴(114)의 길이(L2)는 상기 제1 스플리트 갭(L1)의 길이와 같다.
제2 공진기(120)는 SRR 공진기로서, 제2 공진기(120)는 제3 금속 도체패턴(124)과 제4 금속 도체패턴(122)으로 구성된다. 제3 금속 도체패턴(124)은 제1 금속 도체패턴(112) 내에 위치하며 제1 금속 도체패턴(112)과 두께는 동일하고 길이는 짧게 형성된다. 그리고 일부가 제1 방향으로 절단되고, 절단된 부분은 제2 스플리트 갭(124a)을 형성한다. 제4 금속 도체패턴(122)은 제3 금속 도체패턴(124) 내에 위치하는 것으로서 복수 개의 금속 도체패턴 중 가장 안쪽에 위치하며 제3 금속 도체패턴(124)보다 길이는 짧다. 그리고 일부가 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 절단되고, 절단된 부분은 제3 스플리트 갭(122a)을 형성한다.
그리고 도면에는 미 도시하고 있지만 하부에는 무선주파차폐(RF Shielding) 및 접지를 위한 금속판이 위치한다.
이렇게 구성된 본 발명은 금속 도체패턴(112, 114, 122, 124)이 인덕터의 역할을 하고 제1 스플리트 갭 내지 제3 스플리트 갭(112a, 122a, 124a)은 캐패시터의 역할을 하기 때문에 전기적 신호의 공진을 유도할 수 있다.
특히 도 4의 SRR 루프형 RF 공진기(100)는 3T MRI장치에서의 라머 주파수인 127.7MHz에서 공진에 필요한 정합 조건은 다음과 같다. 즉, 제1 공진기(110)의 입력단 및 종단에 병렬 캐패시터를 이용하여 정합하고, 이때 캐패시터 값은 각각 155pF, 12.3pF이다. 그리고 제2 공진기(120)의 입력단에는 직렬 캐패시턴스와 병렬 인덕턴스를 이용하여 정합하되, 캐패시터 값은 12pF, 인덕터 값은 400nH이고, 종단에는 병렬 캐패시턴스로 정합하되, 그 값은 600pF이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 SRR 루프형 RF 공진기(100)의 모의 실험 모델을 보인 도면이다. 모의 실험 모델은 구형 팬텀을 이용하였다. 그리고 모의 실험 모델은 유한차분시간(Finite Difference Time Domain) 기법의 상용 소프트웨어 SEMCAD X를 사용하였다. 그리고 구형 팬텀은 루프 공진기에서 10mm 떨어져 있으며 인체 머리와 유사하게 모델링을 하기 위해 유전 상수(εr) 및 전도도(σ)는 각각 58.1, 0. 539[S/m]으로 설정하였고, 반경은 100mm이다.
상기한 모의 실험 결과는 도 6에 도시하였다. 도 6은 본 발명에 따른 SRR 루프형 RF 공진기(100)와 일반적인 루프 공진기의 주파수 응답 특성을 보인 그래프이다. 여기서 일반적인 루프 공진기는 도 3에 도시한 루프 공진기를 말한다.
이를 보면, 도 3의 루프 공진기 및 도 4의 SRR 루프형 RF 공진기(100)는 라먼 주파수인 127.7MHz에서 반사계수가 -20dB 이상으로 공진이 잘 일어나고 있으며, 특히 SRR 루프형 RF 공진기(100)는 147MHz에서도 공진이 일어나는 것을 확인할 수 있다. 이는 일반적인 루프 공진기의 고차 모드에서 일어나는 공진이다.
도 7은 본 발명의 SRR 루프형 RF 공진기와 일반 루프 공진기의 정규화된 표면 전류 밀도 분포를 보인 도면이다. (a)는 일반적인 루프 공진기의 표면 전류 밀도 분포이고, (b)는 본 발명에 따라 SRR이 삽입된 루프 공진기(100)의 표면 전류 밀도 분포이다.
이를 보면 일반적인 루프 공진기 (즉, 제1 공진기)와 SRR 루프형 RF 공진기(즉, 제2 공진기) 사이를 보면, 루프 공진기의 제1 금속 도체패턴은 제3 금속 도체패턴과는 결합이 잘 이루어지고 있으나, 반면 제4 금속 도체패턴과는 상대적으로 결합이 약한 것을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 SRR 루프형 RF 공진기(100)와 일반 루프 공진기의 RF 투과 자기장 세기를 보인 그래프이다. SRR 루프형 RF 공진기(100)가 구형 팬텀 중앙에서의 투과 자기장 세기의 최대값이 일반 루프 공진기보다 투과되는 자기장의 세기가 더 큰 것을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 SRR 루프형 RF 공진기와 일반 루프 공진기의 RF 투과 자기장 분포를 보인 도면이다. SRR 루프형 RF 공진기(b)(100)가 구형 팬텀 중앙으로 투과되는 자장의 세기가 일반 루프 공진기(a)에 비해 더 큰 것을 알 수 있다.
이는 다음 표 1을 보면 더 확실하게 알 수 있다. 즉 표 1은 일반적인 루프 코일과 본 발명의 SRR이 삽입된 루프 코일에 대해 구형 팬텀 중앙으로 투과되는 깊이에 따른 RF 자기장의 세기를 나타내고 있다.
20 40 60 80 100mm
루프 코일 3.143 1.893 0.994 0.561 0.350 A/m
SRR이 삽입된 루프 코일 5.738 2.506 1.166 0.622 0.375 A/m
한편, 도 10은 본 발명의 SRR 루프형 RF 공진기를 3T 및 1.5T에 적용했을 때의 주파수 응답 특성을 보인 그래프이다.
이를 보면, 상술한 도 6에서 설명한 바와 같이 SRR 루프형 RF 공진기(100)는 3T에서는 라먼 주파수인 127.7MHz에서 반사계수가 -20dB 이상으로 공진이 잘 일어나고 있음을 확인할 수 있었으며, 또한 1.5T에 적용할 경우에도 -20dB 이상으로 공진이 일어나고 있음을 알 수 있다.
이와 같이 본 발명은 현재 3T MRI 시스템에서 널리 사용되고 있는 루프형 공진기에 메타 물질 특성이 있는 SRR 구조를 추가하여 B1 특성을 향상시킴으로써, 3T MRI 시스템에서도 높은 신호대 잡음비 및 해상도를 제공할 수 있도록 구성됨을 기술적 요지로 제공한다.
이상과 같이 본 발명의 도시된 실시 예를 참고하여 설명하고 있으나, 이는 예시적인 것들에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 요지 및 범위에 벗어나지 않으면서도 다양한 변형, 변경 및 균등한 타 실시 예들이 가능하다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적인 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100 : SRR 루프형 RF 공진기 110 : 제1 공진기(루프 공진기)
112, 114, 124, 122 : 제1 금속 도체 패턴 내지 제4 금속 도체 패턴
112a, 124a, 122a : 제1 스플리트 갭 내지 제3 스플리트 갭

Claims (9)

  1. 소정 크기의 기판;
    상기 기판의 가장자리에 형성되는 제1 공진기;
    상기 제1 공진기 내에 형성되는 제2 공진기; 및
    상기 제1 공진기와 상기 제2 공진기의 하부에 무선주파차폐 및 접지를 위해 형성되는 금속판을 포함하여 구성되는 SRR 루프형 RF 공진기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은,
    유전체 기판인 것을 특징으로 하는 SRR 루프형 RF 공진기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 유전체 기판은,
    유전상수(εr) 2.08, 유전체 손실(loss tan) 0.004 값을 가지는 테프론(Teflon) 기판인 것을 특징으로 하는 SRR 루프형 RF 공진기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 공진기는,
    복수 지점이 절곡되어 형성되는 제1 금속 도체 패턴; 및
    상기 제1 금속 도체 패턴과 제1 스플리트 갭을 형성하도록 위치하는 제2 금속 도체 패턴을 포함하고,
    상기 제1 금속 도체 패턴과 상기 제2 금속 도체 패턴의 두께는 동일하고, 상기 제2 금속 도체 패턴의 길이와 상기 제1 스플리트 갭의 길이는 동일하게 형성된 것을 특징으로 하는 SRR 루프형 RF 공진기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 공진기는,
    루프 공진기인 것을 특징으로 하는 SRR 루프형 RF 공진기.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제2 공진기는,
    상기 제1 금속 도체 패턴 내에 위치하는 링 구조의 제3 금속 도체 패턴;
    상기 제3 금속 도체 패턴 내에 위치하는 링 구조의 제4 금속 도체 패턴을 포함하며,
    상기 제3 금속 도체 패턴과 상기 제4 금속 도체 패턴은 서로 반대되는 방향에 제2 스플리트 갭 및 제3 스플리트 갭을 형성하는 것을 특징으로 하는 SRR 루프형 RF 공진기.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 제2 공진기는,
    SRR 공진기인 것을 특징으로 하는 SRR 루프형 RF 공진기.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 금속 도체 패턴 내지 상기 제4 금속 도체 패턴은 서로 길이가 다르게 형성되되,
    상기 제1 금속 도체 패턴이 길이가 가장 긴 것을 특징으로 하는 SRR 루프형 RF 공진기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 SRR 루프형 RF 공진기는,
    127.7MHz 및 147MHz에서 공진 현상이 발생하는 것을 특징으로 하는 SRR 루프형 RF 공진기.
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