KR20190041327A

KR20190041327A - 양방향의 모노폴 안테나 구조의 자기공명 영상장치

Info

Publication number: KR20190041327A
Application number: KR1020170132763A
Authority: KR
Inventors: 김한중; 김경남; 류연철; 정준영
Original assignee: 가천대학교 산학협력단; (의료)길의료재단
Priority date: 2017-10-12
Filing date: 2017-10-12
Publication date: 2019-04-22
Also published as: KR102003017B1

Abstract

본 발명은 체적 코일의 자기장 균일도를 높일 수 있는 양방향의 모노폴 안테나 구조를 갖는 자기공명 영상장치에 관한 것으로, 실린더몸체(300)와; 상기 실린더몸체(300)의 표면에 등각으로 배치되는 복수개의 제1모노폴 안테나(110)와, 상기 제1모노폴 안테나(110) 각각과 이격되어 상기 실린더 몸체(300)에 배치되는 제1접지링(120)을 포함하는 제1모노폴 안테나 유닛(100)과; 상기 제1모노폴 안테나(110) 사이에 각각 위치하여 상기 실린더몸체(300)의 표면에 등각으로 배치되는 복수개의 제2모노폴 안테나(210)와, 상기 제2모노폴 안테나(210) 각각과 이격되어 상기 제1접지링과 평행하도록 상기 실린더몸체(300)에 배치되는 제2접지링(220)을 포함하는 제2모노폴 안테나 유닛(200)과; 신호선이 상기 제1모노폴 안테나(110)와 각각 대응되어 연결되고 접지선이 상기 제1접지링(120)과 연결되며, 복수의 제1동축 케이블(130)과; 신호선이 상기 제2모노폴 안테나(110)와 각각 대응되어 연결되고 접지선이 상기 제1접지링(120)과 연결되며, 복수의 제2동축 케이블를 포함한다.

Description

양방향의 모노폴 안테나 구조의 자기공명 영상장치{BILATERAL MONOPOLE ANTENNA FOR MAGNETIC RESONANCE IMAGING}

본 발명은 자기공명 영상장치에 관한 것으로, 특히 체적 코일의 자기장 균일도를 높일 수 있는 양방향의 모노폴 안테나 구조를 갖는 자기공명 영상장치에 관한 것이다.

자기 공명 영상(magnetic resonance imaging, MRI)은 균일한 주자기장(main magnetic field) 내에서 인체 내에 존재하는 핵종(수소, 인, 나트륨, 탄소 등)의 자화벡터(magnetization vector)에 대해 고주파 RF(radiofrequency) 펄스를 인가하여 특정 핵종(수소 등)을 공명시켜 수직평면으로 자화벡터가 재정렬되면서 발생되는 자기공명 신호를 수신하여 얻어서 컴퓨터를 통해 재구성하여 영상화하는 기술이다.

일반적으로 자화벡터를 공명시키기 위한 펄스 송신과 발생된 자기공명 신호의 수신은 RF 코일에 의해 이루어지며, 이때 RF 코일은 자화벡터를 공명시키기 위한 RF 신호를 송신(RF 송신 모드)하는 코일과 자기공명 신호를 수신(RF 수신 모드)하는 코일이 각각 따로 마련될 수 있으며, 또는 하나의 RF 코일에 의해 RF 송신 모드와 RF 수신 모드가 같이 수행될 수 있다.

일반적으로 주자기장의 크기가 클수록 MRI의 감도(sensitivity)는 증가하게 되며, 대략 S/N비(signal to noise ratio)는 주자기장의 크기와 비례하는 것으로 알려져 있다. 따라서 보다 세밀한 구조의 영상을 얻기 위하여 큰 자기장의 영상 시스템에서의 연구와 개발이 활발히 이루어지고 있으며, 특히 뇌과학 분야와 같이 고해상도 영상의 필요성으로 인하여 현재는 인체용 7T의 초고자장 자기공명영상 시스템까지 나와 있다.

한편, 이와 같이 초고자장 자기공명영상 시스템에서의 여러 장점에도 불구하고 해결해야 될 기술적인 문제점이 있으며, 그 중에서 주요한 이슈는 RF 코일과 관련된 문제이다.

구체적으로는 초고자장 MRI에서는 고주파 RF 신호가 사용됨에 따라서 RF 파장이 짧아지며, 따라서 RF 코일 설계 시에 위상 이동(phase shift), 기생 용량(parasitic capacitance), 복사 손실(radiative loss) 등이 고려되어야 하므로 RF 코일 설계가 상당히 복잡해지는 문제점이 있으며, 특히 RF 코일에 의해 발생되는 자기장(일반적으로, "B1" 필드로도 칭함)의 균일도는 자기공명 영상의 균일도에 많은 영향을 미치게 된다.

초고자기장 MRI를 위한 RF 코일로서 다양한 형태의 정상파 안테나(standing-wave antenna)가 연구되고 있으며, 많은 정상파 안테나 중에서 다이폴 안테나는 가장 간단하면서도 기본적인 안테나로 알려져 있다.

한편 7T 자기공명 영상의 동작 주파수에서 1/2파장 다이폴 안테나의 길이는 약 50㎝이며, 이는 인체의 머리 등의 국소부위의 영상에는 너무 커서 부적합하여 1/2파장의 다이폴 안테나의 사이즈(길이)를 줄이기 위한 연구가 있다. 또한 1/4파장 모노폴 안테나는 기존 1/2파장 다이폴 안테나에 비해 길이가 반으로 줄어드는 장점이 있지만 그라운드 영역에서 RF 신호가 집중되는 단점이 있다.

등록특허공보 제10-1437777호(공고일자: 2014.09.17) 등록특허공보 제10-1714454호(공고일자: 2017.03.10)

본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 개선하고자 하는 것으로, 자기공명 시스템용 볼륨코일의 자기장 균일도를 높일 수 있는 양방향의 모노폴 안테나 구조를 갖는 자기공명 영상장치를 제공하고자 하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 실린더몸체와; 상기 실린더몸체의 표면에 등각으로 배치되는 복수개의 제1모노폴 안테나와, 상기 제1모노폴 안테나 각각과 이격되어 상기 실린더 몸체에 배치되는 제1접지링을 포함하는 제1모노폴 안테나 유닛과; 상기 제1모노폴 안테나 사이에 각각 위치하여 상기 실린더몸체의 표면에 등각으로 배치되는 복수개의 제2모노폴 안테나와, 상기 제2모노폴 안테나 각각과 이격되어 상기 제1접지링과 평행하도록 상기 실린더몸체에 배치되는 제2접지링을 포함하는 제2모노폴 안테나 유닛과; 신호선이 상기 제1모노폴 안테나와 각각 대응되어 연결되고 접지선이 상기 제1접지링과 연결되며, 복수의 제1동축 케이블과; 신호선이 상기 제2모노폴 안테나와 각각 대응되어 연결되고 접지선이 상기 제1접지링과 연결되며, 복수의 제2동축 케이블을 포함한다.

바람직하게는, 상기 제1모노폴 안테나 유닛과 상기 제2모노폴 안테나 유닛은 서로 인접한 모노폴 안테나 사이의 각도(θ2)가 서로 동일하다.

바람직하게는, 상기 제1모노폴 안테나 및 상기 제1모노폴 안테나는 상기 제1접지링과 상기 제2접지링 사이에 배치된다.

바람직하게는, 상기 제1모노폴 안테나 유닛과 상기 제2모노폴 안테나 유닛은 일정 각도(θ2)만큼 오프셋되어 상하 대칭되며, 상기 오프셋 각도(θ2)는 360°/n(n은 제1모노폴 안테나와 제2모노폴 안테나의 총합)이다.

본 발명에 따른 자기공명 영상장치는, 접지링을 공통 접지로 하는 복수의 모노폴 안테나로 구성된 모노폴 안테나 유닛이 일정 각도만큼 오프셋되어 상하 대칭되게 구성된 양방향의 모노폴 안테나 구조로 구성되어 일반적인 체적형 RF 코일들과 대비하여 비균일도를 개선하면서도 상대적으로 제작이 용이한 장점이 있다.

도 1의 (a)(b)는 각각 본 발명에 따른 자기공명 영상장치를 보여주는 사시 구성도,
도 2의 (a)(b)(c)는 각각 컴퓨터 시뮬레이션에 사용된 본 발명과 비교예의 RF 코일과 휴먼 팬텀을 보여주는 도면,
도 3은 본 발명과 비교예의 |B1+| 분포를 보여주는 도면,
도 4의 (a)(b)는 각각 본 발명과 비교예의 각 코일 중심 위치에서의 x축과 y축에 대해 계산된 |B1+| 프로파일을 보여주는 그래프.

본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하도록 한다.

도 1의 (a)(b)는 각각 본 발명에 따른 자기공명 영상장치를 보여주는 사시 구성도로서, (a)는 링형태의 모노폴 안테나를 보여주며, (b)는 두 개의 링형태의 모노폴 안테나로 구성된 양방향의 모노폴 안테나 구조를 보여주는 도면이다.

도 1의 (a)를 참고하면, 단위 유닛의 모노폴 안테나(100)는 링 형상의 접지링(120)과, 이 접지링(120)에 이격되어 접지링(120)의 평면과 수직하게 배치되는 복수의 모노폴 안테나(110)로 구성된다.

접지링(120)은 복수의 모노폴 안테나(110)의 공동 접지로 사용되며, 각 모노폴 안테나(110)와 대응되어 복수의 동축 케이블(130)이 구비된다. 도 1의 (a)에서는 하나의 동축 케이블만을 도시하고 있으며, 동축 케이블(130)의 신호선(131)은 제1모노폴 안테나(110)와 연결되고 접지선(132)은 접지링(120)와 연결된다. 모노폴 안테나(110)는 서로 동일한 원호각(θ1)으로 배치된다.

다음으로 도 1의 (b)를 참고하면, 본 발명은 이러한 모노폴 안테나 유닛(100)(200)이 상하 대칭되게 배치되며, 바람직하게는, 제1모노폴 안테나 유닛(100)과 제2모노폴 안테나 유닛(200)은 일정 각도(θ2) 만큼 오프셋되어 상하 대칭되게 구성된다. 따라서 인접한 한 쌍의 제1모노폴 안테나(110) 사이에 제2모노폴 안테나(210)가 배치되어 제1모노폴 안테나(110)와 제2모노폴 안테나(210)는 서로 번갈아서 배치된다.

한편 오프셋 각도(θ2)는 360°/n이 되며, 이때 n은 제1모노폴 안테나와 제2모노폴 안테나의 총합이 된다. 예를 들어, 16채널 RF 코일 영상장치는 제1모노폴 안테나(110)와 제2모노폴 안테나(210)가 각각 8개로 구성되며, 제1모노폴 안테나(110)와 제2모노폴 안테나(210) 사이의 각도는 22.5°를 갖고 등각(equal angle)으로 배치되고 각 포트(동축 케이블)은 일정 위상차(22.5°)를 갖는 원형-편파(circularly polarized)에 의해 구동이 이루어진다.

도면부호 300은 중공형상의 원통형 실린더몸체이며, 실린더몸체(300)는 전기적 절연체의 구조물로서, 예를 들어 아크릴 등의 수지가 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

실린더몸체(300)는 전도성의 모노폴 안테나 및 접지링을 고정하여 지지하게 되며, 이때 모노폴 안테나와 접지링은 테이핑 또는 접착제에 의해 실린더몸체(300)에 고정될 수 있다.

따라서 제1접지링(120)과 제2접지링(220)은 서로 이격되어 실린더몸체(300)의 중심축(C)과 동일 축을 갖고 실린더몸체(300)에 고정되고, 제1접지링(120)와 제2접지링(220) 사이에 제1모노폴 안테나(110)와 제2모노폴 안테나(210)가 수직 방향으로 서로 번갈아서 실린더몸체(300)에 고정된다. 앞서 설명한 것과 같이, 각 모노폴 안테나는 해당 접지링과 동축 케이블에 의해 연결되어 채널을 구성한다.

실시예

Sim4Life(ZMT, Zurich, Switzerland)을 이용하여 최적화된 구조를 얻기 위하여 전자기(EM) 계산을 수행하였으며, 각 모노폴 안테나 유닛의 접지링의 직경은 300㎜이고 모노폴 안테나의 길이는 200㎜이다. 실험에는 Siemens의 상용 팬텀(phantom)(Per 1000 g H₂Odist.:1.25 g NiSO₄·6H₂O+5 g NaCl)을 사용하였으며, 사용된 RF 코일의 직경 80%가 사용되었다. Siemens 팬텀의 상온에서의 유전체 특성은 DAK (SPEAG, Zurich, Switzerland) 시스템을 사용하여 측정하였으며, 전도도는 1 S/m, 상대 유전율 78.4의 결과 값을 얻었다. 동작 주파수는 7T에서 H1의 공진주파수인 297.2 MHz에서 이루어졌다.

실험에 사용된 코일 중심에서의 |B1+|은 3ms 사각파 RF 펄스(rectangular RF pulse)를 갖는 H1의 90°플립각(flip angle)의 자기장 세기로서, 1.957μT로 정규화(normalized)하였다. 최적화 후에는 시뮬레이션에 의한 본 발명과 비교예의 |B1+| 비균일도(nonuniformity)를 비교하였으며, 비교예로는 일반적인 수신 배열 코일(transceiver array coil)과 새장형 코일(birdcage coil)을 사용하였다. 비교예의 RF 코일은 본 발명과 동일한 채널(16채널), 크기(직경, 높이)와, 조건에서 3D 휴먼 팬텀 시뮬레이션이 이루어졌다.

도 2의 (a)(b)(c)는 각각 컴퓨터 시뮬레이션에 사용된 16채널의 본 발명과 비교예의 RF 코일과 휴먼 팬텀을 보여주는 도면으로서, (a)는 본 발명에 해당되며, (b)는 수신 배열 코일이며, (c)는 새장형 코일이다.

결과

본 발명의 모노폴 안테나의 길이를 변화시키면서 |B1+| 분포와 비균일도를 계산하였으며, 접지링의 크기가 고정된 상태에서 모노폴 안테나의 길이가 증가할수록 본 발명은 비교예와 대비하여 현저히 우수한 성능을 발휘하는 것을 확인할 수 있었으며, 이하에서는 길이가 최적화된 상태의 본 발명과 비교예를 비교하여 설명한다.

도 3은 본 발명과 비교예의 시상면(sagittal), 관상면(coronal) 및 횡단면(axial)의 |B1+| 분포를 보여주는 도면으로서, 점선은 코일의 중심을 나타내며 콘투어 스텝(contour step)은 0.2μT이다.

도 4의 (a)(b)는 각각 본 발명과 비교예의 각 코일 중심 위치에서의 x축 성분과 y축 성분에 대해 계산된 |B1+| 프로파일을 보여주는 그래프며, 시뮬레이션 결과의 수치적인 결과는 [표 1]에 나와 있다.

[표 1]에서 비균일도(nonuniformity)는 변화비율(CV)로 나타내었으며, x축, y축, 및 z축 프로파일 값의 표준편차를 백분율로 표시하였다.

[표 1]에서 확인할 수 있듯이, 비균일도에 있어서 본 발명은 새장형 코일(Birdcage coil)과 대비하여 30% 개선되며, 수신 배열 코일(Transceiver array)과 대비하여 20% 개선되는 것을 알 수 있다.

이와 같이 본 발명은 일반적인 λ/2 파장의 다이폴 안테나와 λ/4 파장의 모노폴 안테나의 단점을 개선할 수 있으며, 일반적인 RF 코일(수신 배열 코일, 새장형 코일)과 비교하여 |B1+| 균일도를 개선하면서도 상대적으로 제작이 용이한 장점이 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

100 : 제1모노폴 안테나 유닛 110 : 제1모노폴 안테나
120 : 제1접지링 200 : 제2모노폴 안테나 유닛
210 : 제2모노폴 안테나 220 : 제2접지링
300 : 실린더몸체 130 : 동축 케이블
131 : 신호선 132 ; 접지선

Claims

실린더몸체와;
상기 실린더몸체의 표면에 등각으로 배치되는 복수개의 제1모노폴 안테나와, 상기 제1모노폴 안테나 각각과 이격되어 상기 실린더 몸체에 배치되는 제1접지링을 포함하는 제1모노폴 안테나 유닛과;
상기 제1모노폴 안테나 사이에 각각 위치하여 상기 실린더몸체의 표면에 등각으로 배치되는 복수개의 제2모노폴 안테나와, 상기 제2모노폴 안테나 각각과 이격되어 상기 제1접지링과 평행하도록 상기 실린더몸체에 배치되는 제2접지링을 포함하는 제2모노폴 안테나 유닛과;
신호선이 상기 제1모노폴 안테나와 각각 대응되어 연결되고 접지선이 상기 제1접지링과 연결되며, 복수의 제1동축 케이블과;
신호선이 상기 제2모노폴 안테나와 각각 대응되어 연결되고 접지선이 상기 제1접지링과 연결되며, 복수의 제2동축 케이블;를 포함하는 양방향의 모노폴 안테나 구조의 자기공명 영상장치.
제1항에 있어서, 상기 제1모노폴 안테나 유닛과 상기 제2모노폴 안테나 유닛은 서로 인접한 모노폴 안테나 사이의 각도(θ2)가 서로 동일한 것을 특징으로 하는 양방향의 모노폴 안테나 구조의 자기공명 영상장치.
제1항에 있어서, 상기 제1모노폴 안테나 및 상기 제1모노폴 안테나는 상기 제1접지링과 상기 제2접지링 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 모노폴 안테나 구조의 자기공명 영상장치.
제1항에 있어서, 상기 제1모노폴 안테나 유닛과 상기 제2모노폴 안테나 유닛은 일정 각도(θ2)만큼 오프셋되어 상하 대칭되는 것을 특징으로 하는 양방향의 모노폴 안테나 구조의 자기공명 영상장치.
제4항에 있어서, 상기 오프셋 각도(θ2)는 360°/n(n은 제1모노폴 안테나와 제2모노폴 안테나의 총합)인 것인 것을 특징으로 하는 양방향의 모노폴 안테나 구조의 자기공명 영상장치.