KR20210013567A - 저자계 mri 시스템용 무선 주파수 코일 신호 체인 - Google Patents

저자계 mri 시스템용 무선 주파수 코일 신호 체인 Download PDF

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하드리안 에이. 디본
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Abstract

저자계 자기 공명 이미징 시스템에 대한 RF 신호 체인 회로부의 노이즈를 감소시키기 위한 방법 및 장치가 제공된다. RF 신호 체인 회로부의 스위칭 회로는 10 MHz 미만의 동작 주파수에서 RF 스위치로서 동작하도록 구성되는 적어도 하나의 전계 효과 트랜지스터(FET)를 포함할 수도 있다. 디커플링 회로는 증폭기의 입력에 걸쳐 커플링되는 튜닝 회로부 및 증폭기의 출력과 증폭기의 입력 사이에서 커플링되는 능동 피드백 회로부를 포함할 수도 있는데, 능동 피드백 회로부는, 증폭기에 커플링되는 RF 코일의 품질 인자를 감소시키도록 구성되는 피드백 커패시터를 포함한다.

Description

저자계 MRI 시스템용 무선 주파수 코일 신호 체인
관련 출원
본 출원은, 35 U.S.C. §119(e) 하에서, 2018년 5월 21일자로 출원되고 발명의 명칭이 "Radio-frequency Coil Signal Chain for a Low-field MRI System"인 미국 가출원 번호 제62/674,458호 및 2018년 6월 29일자로 출원되고 발명의 명칭이 "Radio-frequency Coil Signal Chain for a Low-field MRI System"인 미국 가출원 번호 제62/692,454호에 대한 우선권을 주장하는데, 이들 가출원의 각각의 전체 내용은 참조에 의해 본원에 통합된다.
자기 공명 이미징(Magnetic resonance imaging; MRI)은 많은 응용 분야에 중요한 이미징 방식(imaging modality)을 제공하며, 인체 내부의 이미지를 생성하기 위한 임상 및 연구 환경에서 널리 활용되고 있다. 일반적으로, MRI는, 인가된 전자기장으로부터 유래하는 상태 변화에 응답하여 원자에 의해 방출되는 전자기파인 자기 공명(magnetic resonance; MR) 신호를 검출하는 것에 기반을 둔다. 예를 들면, 핵 자기 공명(nuclear magnetic resonance; NMR) 기술은, 이미징 대상(object) 내의 원자(예를 들면, 인체 조직 내의 원자)의 핵 스핀의 재정렬 또는 이완시 여기 원자의 핵으로부터 방출되는 MR 신호를 감지하는 것을 수반한다. 검출된 MR 신호는, 의학적 응용의 맥락에서, 진단, 치료 및/또는 연구 목적을 위해 체내의 내부 구조 및/또는 생물학적 과정을 연구할 수 있는 이미지를 생성하도록 프로세싱될 수도 있다.
MRI는, 다른 방식의 안전 염려 없이(예를 들면, 환자(subject)를 이온화 방사선, 예를 들면, x 선에 노출시킬 필요 없이, 또는 신체에 방사성 물질을 도입할 필요 없이) 상대적으로 높은 분해능 및 콘트라스트를 갖는 비침습성 이미지를 생성하는 능력으로 인해 생물학적 이미징을 위한 매력적인 이미징 방식을 제공한다. 추가적으로, MRI는 연조직 콘트라스트(soft tissue contrast)를 제공하기에 특히 적합한데, 이것은 다른 이미징 방식이 만족스럽게 이미징할 수 없는 소재(subject matter)를 이미징하는 데 활용될 수 있다. 더욱이, MR 기술은, 다른 방식이 획득할 수 없는 구조체 및/또는 생물학적 프로세스에 대한 정보를 캡쳐할 수 있다. 그러나, 주어진 이미징 애플리케이션에 대해, 상대적으로 높은 비용의 기기, 제한된 가용성 및/또는 임상의 MRI 스캐너에 대한 접근성을 획득함에 있어서의 어려움 및/또는 이미지 획득 프로세스의 길이를 수반할 수도 있는 다수의 결점이 MRI에 있다.
스캔 시간, 이미지 해상도 및 이미지 콘트라스트 중 하나 이상을 향상시키기 위해 MRI 스캐너의 자계 강도(field strength)를 증가시키는 것이 임상의 MRI의 추세였고, 이것은, 결국 비용 상승을 지속시킨다. 설치된 대부분의 MRI 스캐너는 1.5 또는 3 테슬라(T)에서 동작하는데, 이것은 주 자기장(B0)의 자계 강도(field strength)를 가리킨다. 임상 MRI 스캐너에 대한 대략적인 비용 추산액은 테슬라 당 약 백만 달러인데, 이것은 이러한 MRI 스캐너를 동작시키는 데 수반되는 실질적인 운영, 서비스 및 유지 보수 비용을 계산에 넣지 않은 것이다.
추가적으로, 종래의 고자계(high-field) MRI 시스템은, 통상적으로, 강하고 균일한 정적 자기장(static magnetic field)(B0) - 그 안에서 대상(예를 들면, 환자)이 이미징됨 - 을 생성하기 위해, 대형의 초전도 자석 및 관련 전자기기를 필요로 한다. 이러한 시스템의 사이즈는, 자석, 전자기기, 열 관리 시스템 및 제어 콘솔 영역을 위한 다수 개의 방을 포함하는 통상적인 MRI 설치에서 상당하다. MRI 시스템의 사이즈와 비용은, 일반적으로, 그들을 구매하고 유지하기 위한 충분한 공간과 리소스를 갖는 병원이나 학술 연구 센터와 같은 시설로 그 사용을 제한한다. 고자계 MRI 시스템의 높은 비용과 상당한 공간 요건은, MRI 스캐너의 제한된 가용성으로 나타난다. 그러한 만큼, MRI 스캔이 유익하지만, 그러나 상기에서 논의되는 제한점 중 하나 이상으로 인해, 하기에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 실용적이지 않거나 또는 불가능한 임상 상황이 빈번하게 존재한다.
몇몇 실시형태는 저자계 자기 공명 이미징 시스템(low-field magnetic resonance imaging system)의 무선 주파수(radio-frequency; RF) 코일에 커플링되도록 구성되는 스위칭 회로를 포함한다. 스위칭 회로는 10 MHz 미만의 동작 주파수에서 RF 스위치로서 동작하도록 구성되는 적어도 하나의 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor; FET)를 포함한다.
몇몇 실시형태는, 저자계 자기 공명 이미징 시스템에서 무선 주파수 스위치로서 동작하도록 구성되는 적어도 하나의 전계 효과 트랜지스터(FET)에 게이트 전압을 인가하도록 구성되는 구동 회로를 포함한다. 구동 회로는 적어도 하나의 FET로부터 전압 소스를 분리하도록 구성되는 적어도 하나의 분리 엘리먼트(isolation element)를 포함한다.
몇몇 실시형태는 저자계 자기 공명 이미징 시스템의 증폭기에 커플링되는 무선 주파수(radio frequency; RF) 코일을 튜닝하도록 구성되는 회로를 포함한다. 회로는 증폭기의 입력에 걸쳐 커플링되는 튜닝 회로부(tuning circuitry), 및 증폭기의 출력과 증폭기의 입력 사이에서 커플링되는 능동 피드백 회로부(active feedback circuitry)를 포함한다.
몇몇 실시형태는 저자계 자기 공명 이미징 시스템의 증폭기에 커플링되는 무선 주파수(RF) 코일을 튜닝하도록 구성되는 회로를 포함한다. 회로는 RF 코일의 품질 인자(quality factor)를 감소시키기 위해 증폭기의 출력과 증폭기의 입력 사이에서 커플링되는 능동 피드백 회로부를 포함한다.
몇몇 실시형태는 저자계 자기 공명 이미징 시스템의 증폭기에 커플링되는 무선 주파수(RF) 코일을 튜닝하는 방법을 포함한다. 방법은 증폭기의 제1 및 제2 입력에 걸쳐 튜닝 회로부를 배열하는 것, 및 증폭기의 출력과 증폭기의 입력 사이에서 능동 피드백 회로부를 커플링하는 것을 포함한다.
몇몇 실시형태는 저자계 자기 공명 이미징 시스템에서 사용되는 무선 주파수(RF) 코일을 포함한다. RF 코일은 제1 측 및 제2 측을 구비하는 기판, 및 제1 측과 제2 측 사이에서 이격되는 제1 복수의 위치에서 제1 측으로부터 제2 측으로 기판 주위에 감기는 제1 부분 및 제1 측과 제2 측 사이에서 이격되는 제2 복수의 위치에서 제2 측으로부터 제1 측으로 기판 주위에 감기는 제2 부분을 포함하는 도체를 포함하는데, 여기서 제1 복수의 위치는 제1 측과 제2 측 사이에서 이격되는 제2 복수의 위치와 엇갈린다.
몇몇 실시형태는 저자계 자기 공명 이미징 시스템에서 사용되는 무선 주파수(RF) 코일을 제조하는 방법을 포함한다. 방법은 복수의 레벨 - 각각의 레벨은 기판의 제1 측으로부터 상이한 거리에 배열됨 - 로 형성되어 있는 원주 홈(circumferential groove) 및 복수의 레벨 중 인접한 레벨을 연결하는 연결 홈(connecting groove)을 구비하는 기판을 제공하는 것, 원주 홈의 제1 부분 및 연결 홈 내부에서, 도체의 제1 부분을 기판의 제1 측으로부터 기판의 제2 측으로 감는(winding) 것, 및 원주 홈의 제2 부분 및 연결 홈 내에서, 도체의 제2 부분을 기판의 제2 측으로부터 기판의 제1 측으로 감는 것을 포함하는데, 여기서 원주 홈의 제1 부분은 원주 홈의 제2 부분과 중첩되지 않는다.
몇몇 실시형태는 저자계 자기 공명 이미징 시스템에서 사용되는 무선 주파수(RF) 코일을 포함한다. RF 코일은 제1 측 및 제2 측을 구비하는 기판, 및 균형 잡힌 권선 패턴(balanced winding pattern)으로 기판 주위에 감기는 도체를 포함하는데, 여기서, 균형 잡힌 권선 패턴에서, 제1 측으로부터 제2 측으로 기판 주위에 감기는 도체의 제1 부분은 제2 측으로부터 제1 측으로 기판 주위에 감기는 도체의 제2 부분 위로 교차한다.
전술한 장치 및 방법 실시형태는 상기에서 또는 하기에서 더 상세하게 설명되는 양태, 피쳐, 및 액트(act)의 임의의 적절한 조합으로 구현될 수도 있다. 본 교시의 이들 및 다른 양태, 실시형태, 및 피쳐는 첨부의 도면과 연계한 다음의 설명으로부터 더욱 완전하게 이해될 수 있다.
개시된 기술의 다양한 양태 및 실시형태가 다음의 도면을 참조하여 설명될 것이다. 도면은 반드시 일정한 비율로 그려지는 것은 아니다는 것이 인식되어야 한다.
도 1은 자기 공명 이미징 시스템의 예시적인 컴포넌트를 예시한다;
도 2는 자기 공명 이미징 시스템을 위한 RF 신호 체인(RF signal chain)의 컴포넌트를 예시한다;
도 3은 자기 공명 이미징 시스템의 RF 신호 체인에서 사용되는 디커플링 회로부(decoupling circuitry)를 예시한다;
도 4a 및 도 4b는 도 3의 디커플링 회로부와 관련되는 시뮬레이션 데이터를 도시한다;
도 5는 몇몇 실시형태에 따른 증폭기 피드백을 사용하는 디커플링 회로부를 예시한다;
도 6은 몇몇 실시형태에 따른 코일 튜닝을 제공하기 위해 단일의 커패시터가 사용되는 도 5의 디커플링 회로부를 예시한다;
도 7a 및 도 7b는 도 6의 디커플링 회로부와 관련되는 시뮬레이션 데이터를 도시한다;
도 8은 몇몇 실시형태에 따른 코일 튜닝을 제공하기 위해 튜닝/매칭 네트워크가 사용되는 도 5의 디커플링 회로부를 예시한다;
도 9는 자기 공명 이미징 시스템의 RF 신호 체인에서 사용되는 다이오드 기반의 스위치에 대한 회로부를 예시한다;
도 10은 몇몇 실시형태에 따른 자기 공명 이미징 시스템의 RF 신호 체인에서 사용되는 FET 기반의 스위치에 대한 회로부를 예시한다;
도 11a 내지 도 11c는 도 10의 FET 기반의 스위치에서의 FET의 동작 조건을 예시한다;
도 12는 몇몇 실시형태에 따른 자기 공명 이미징 시스템의 RF 신호 체인에서 사용되는 GaN FET 기반의 스위치에 대한 회로부를 예시한다;
도 13은 몇몇 실시형태에 따른 자기 공명 이미징 시스템의 RF 신호 체인에서 사용되는 GaN FET 기반의 스위치에 대한 회로부를 예시한다;
도 14a는 RF 코일에 대한 단일 패스 권선 설계(single-pass winding design)를 예시한다;
도 14b는 도 14a의 단일 패스 권선 설계의 상면도를 예시한다;
도 15a는 몇몇 실시형태에 따른 저자계 MRI 시스템에서의 사용을 위해 증폭기에 연결되는 RF 코일의 개략도를 예시한다;
도 15b는 몇몇 실시형태에 따른 RF 코일에 대한 대상의 기생 커플링과 관련되는 임피던스를 표현하기 위한 임피던스 모델을 예시한다;
도 16a는 몇몇 실시형태에 따른 RF 코일에 대한 인터레이스 권선 설계(interlaced winding design)를 예시한다;
도 16b는 도 16a의 인터레이스 권선 설계의 상면도를 예시한다;
도 17a는 몇몇 실시형태에 따른 RF 코일에 대한 대안적인 인터레이스 권선 설계를 예시한다;
도 17b는 도 17a의 인터레이스 권선 설계의 상면도를 예시한다;
도 18a는 몇몇 실시형태에 따른 RF 코일에 대한 이중 루프 권선 설계(double loop winding design)를 예시한다;
도 18b는 도 18a의 이중 루프 권선 설계의 상면도를 예시한다;
도 19는 몇몇 실시형태에 따른 RF 코일에 대한 역 나선형 권선 설계(reverse helix winding design)의 상면도를 예시한다;
도 20은 몇몇 실시형태에 따른 RF 표면 코일에 대한 균형 잡힌 권선 설계(balanced winding design)를 예시한다;
도 21은 몇몇 실시형태에 따른 균형 잡힌 권선 패턴을 갖는 RF 코일을 생성하기 위한 프로세스를 예시한다;
도 22a 내지 도 22l은 몇몇 실시형태에 따른 인터레이스 권선 패턴을 갖는 RF 코일을 생성하기 위한 프로세스에서의 액트를 예시한다;
도 23a 내지 도 23h는 몇몇 실시형태에 따른 대안적인 인터레이스 권선 패턴을 갖는 RF 코일을 생성하기 위한 프로세스에서의 액트를 예시한다; 그리고
도 24는 몇몇 실시형태에 따른 상호 유도 피드백을 사용하는 디커플링 회로부를 예시한다;
MRI 스캐너 시장은 고자계 시스템(high-field system)에 의해 압도적으로 지배되는데, 특히 의학 또는 임상의 MRI 응용 분야의 경우에 고자계 시스템에 의해 압도적으로 지배된다. 상기에서 논의되는 바와 같이, 점점 더 큰 자계 강도를 가진 MRI 스캐너를 제작하는 것이 의료용 이미징에서의 일반적인 추세였는데, 대부분의 임상의 MRI 스캐너는 1.5 T 또는 3 T에서 동작하고, 연구 환경에서는 7 T 및 9 T의 더 높은 자계 강도가 사용된다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "고자계(high-field)"는 임상 환경에서 현재 사용 중인 MRI 시스템, 및 특히, 비록 .5 T와 1.5 T 사이에서 동작하는 임상 시스템이 종종 "고자계"로서 또한 종종 특성 묘사되기는 하지만, 1.5 T 이상의 주 자기장(즉, B0 자계)을 가지고 동작하는 MRI 시스템을 가리킨다. 대략 .2 T와 .5 T 사이의 자계 강도는 "중간 자계"로서 특성 묘사되었으며, 고자계 체계(regime)에서의 자계 강도가 계속 증가됨에 따라, .5 T와 1 T 사이의 범위 내의 자계 강도도 또한 중간 자계로서 특성 묘사되었다. 대조적으로, "저자계"는, 고자계 체계의 하이 엔드에서의 증가된 자계 강도의 결과로서 비록 .2 T와 대략 .3 T 사이의 B0 자계를 갖는 시스템이 저자계로서 종종 특성 묘사되기는 하지만, 대략 약 0.2 T 이하의 B0 자계를 가지고 동작하는 MRI 시스템을 일반적으로 가리킨다. 저자계 체계 내에서, .1 T 미만의 B0 자계를 가지고 동작하는 저자계 MRI 시스템은, 본원에서, "매우 낮은 자계(very low-field)"로 지칭되며, 10 mT 미만의 B0 자계를 가지고 동작하는 저자계 MRI 시스템은 본원에서 "초저자계"로 지칭된다.
상기에서 논의되는 바와 같이, 종래의 MRI 시스템은 특수한 시설을 필요로 한다. MRI 시스템이 동작하기 위해서는 전자기적으로 차폐된 방이 필요하게 되고 방의 바닥은 구조적으로 보강되어야만 한다. 고전력 전자기기 및 스캔 기술자의 제어 영역을 위한 추가적인 방이 제공되어야만 한다. 사이트에 대한 보안 액세스도 또한 제공되어야만 한다. 또한, 전자기기에 대한 전력을 제공하기 위해서는, 전용 3상 전기 연결이 설치되어야만 하는데, 전자기기는, 결국에는, 냉각된 급수부에 의해 냉각된다. 통상적으로, 추가적인 HVAC 용량이 또한 제공해야만 한다. 이들 사이트 요건은 비용이 많이 들 뿐만 아니라, MRI 시스템이 배치될 수 있는 위치를 상당히 제한한다. 종래의 임상 MRI 스캐너는 또한, 동작 및 유지 둘 모두를 위한 상당한 전문 지식을 필요로 한다. 이들 고도로 트레이닝된 기술자 및 서비스 엔지니어는 MRI 시스템 운영하는 데 큰 지속적인 운영 비용을 추가한다. 결과적으로 종래의 MRI는 종종 비용 때문에 제한되고 접근성에서 크게 제한되고, 그 결과, MRI가 필요한 모든 곳에서 그리고 필요할 때마다 광범위한 임상 이미징 솔루션을 제공할 수도 있는 널리 이용 가능한 진단 도구가 되는 것을 방해한다. 통상적으로, 환자는 제한된 수의 시설 중 하나를 미리 스케줄링된 시간 및 장소에서 방문해야만 하고, 그 결과, 진단, 수술, 환자 모니터링, 및 등등을 지원함에 있어서 MRI가 고유하게 효과가 있는 수많은 의료 애플리케이션에서 MRI가 사용되는 것을 방해한다.
상기에서 논의되는 바와 같이, 고자계 MRI 시스템은 이들 시스템의 사이즈, 중량, 전력 소비, 및 차폐 요건을 수용하기 위해 특별히 적응된 시설을 필요로 한다. 예를 들면, 1.5 T MRI 시스템은, 통상적으로, 4-10 톤 사이의 중량을 갖고, 3 T MRI 시스템은 통상적으로 8-20 톤 사이의 중량을 가진다. 또한, 고자계 MRI 시스템은 일반적으로 상당한 양의 무겁고 값 비싼 차폐를 필요로 한다. 다수의 중간 자계 스캐너는, 부분적으로, 매우 큰 영구 자석 및/또는 요크의 사용에 기인하여 더욱더 무거운데, 그 결과, 10-20 톤 사이의 중량이 나간다. 상업적으로 이용 가능한 저자계 MRI 시스템(예를 들면, .2 T의 B0 자기장을 가지고 동작함)도 또한, B0 자계를 생성하기 위해 사용되는 많은 양의 강자성 재료에 기인하여, 통상적으로 10 톤 이상의 범위 내에 있고, 차폐에서 추가적인 톤수(tonnage)를 갖는다. 이 중장비를 수용하기 위해, 방(통상적으로 30-50 평방 미터의 최소 사이즈를 가짐)은 보강된 바닥(예를 들면, 콘크리트 바닥)을 가지고 지어져야 하며, 전자기 방사선이 MRI 시스템의 동작과 간섭하는 것을 방지하도록 특별히 차폐되어야만 한다. 따라서, 이용 가능한 임상 MRI 시스템은 이동 불가능하고 병원 또는 시설 내에서 대형의 전용 공간의 상당한 비용을 필요로 하며, 운영을 위한 공간을 준비하는 것에 대한 상당한 비용 외에, 시스템을 동작시키고 유지함에 있어서의 전문적 기술에서 또 다른 추가적인 지속적 비용을 필요로 한다.
또한, 현재 이용 가능한 MRI 시스템은 통상적으로 많은 양의 전력을 소비한다. 예를 들면, 일반적인 1.5 T 및 3 T MRI 시스템은 동작 동안 통상적으로 20-40 kW 사이의 전력을 소비하고, 한편, 이용 가능한 .5 T 및 .2 T MRI 시스템은 5-20 kW 사이의 전력을 일반적으로 소비하는데, 각각은 전용의 특수한 전원(power source)을 사용한다. 달리 명시되지 않는 한, 전력 소비는 주목하는 간격 동안 소비되는 평균 전력으로서 참조된다. 예를 들면, 상기에서 언급되는 20-40 kW는 이미지 획득의 과정 동안 종래의 MRI 시스템에 의해 소비되는 평균 전력을 나타내는데, 이미지 획득의 과정은, 평균 전력 소비를 상당히 초과하는 피크 전력 소비의 상대적으로 짧은 기간(예를 들면, 그래디언트 코일(gradient coil)이 및/또는 RF 코일은 펄스 시퀀스의 상대적으로 짧은 기간에 걸쳐 펄스화되는(pulsed) 때)을 포함할 수도 있다. 피크(또는 큰) 전력 소비의 간격은 통상적으로 MRI 시스템 그 자체의 전력 저장 엘리먼트(예를 들면, 커패시터)를 통해 다루어진다. 따라서, 평균 전력 소비는, 디바이스를 동작시키는 데 필요한 전력 연결의 타입을 일반적으로 결정하기 때문에 관련성이 더 많은 숫자이다. 상기에서 논의되는 바와 같이, 이용 가능한 임상 MRI 시스템은 전용 전원을 가져야만 하며, 통상적으로 MRI 시스템의 컴포넌트에 전력을 공급하기 위한 그리드에 대한 전용의 3 상 연결을 필요로 한다. 그 다음, 3 상 전력을 MRI 시스템에 의해 활용되는 단상 전력으로 변환하기 위해 추가적인 전자기기가 필요하게 된다. 종래의 임상 MRI 시스템을 배치하는 데 필요한 많은 물리적 요건은, 가용성의 심각한 문제를 생성하고 MRI가 활용될 수 있는 임상 애플리케이션을 심각하게 제한한다.
따라서, 고자계 MRI의 많은 요건은 많은 상황에서 설치를 금지하게 만들고, 그 결과, 대형 기관 병원 또는 전문 시설에 대한 그들의 배치를 제한하고 그들의 사용을 빈틈없이 스케줄링된 예약으로 제한하고, 그 결과, 환자가 미리 스케줄링된 시간에 전용 시설을 방문하는 것을 필요로 한다. 따라서, 고자계 MRI에 대한 많은 제약은 MRI가 이미징 방식으로서 완전히 활용되는 것을 방해한다. 상기에서 언급되는 고자계 MRI의 결점에도 불구하고, 더 높은 자계에서 SNR의 현저한 증가의 매력은 임상 및 의료 MRI 애플리케이션에서의 사용을 위해 업계를 점점 더 높은 자계 강도로 계속 몰고 가서, MRI 스캐너의 비용 및 복잡성을 더욱 증가시키고, 그들의 가용성을 더욱 제한하고 범용의 및/또는 일반적으로 이용 가능한 이미징 솔루션으로서의 그들의 사용을 방해한다.
저자계 체계에서(특히 매우 낮은 자계 체계에서) 생성되는 MR 신호의 낮은 SNR은 상대적으로 낮은 비용, 저전력 및/또는 휴대용 MRI 시스템의 개발을 방해하였다. 종래의 "저자계" MRI 시스템은 유용한 이미지를 달성하기 위해 저자계 범위(예를 들면, 임상적으로 이용 가능한 저자계 시스템은 대략 .2 T의 바닥값을 가짐)로서 통상적으로 특성 묘사되는 것의 하이 엔드에서 동작한다. 고자계 MRI 시스템보다 다소 저렴하지만, 종래의 저자계 MRI 시스템은 동일한 결점 중 많은 것을 공유한다. 특히, 종래의 저자계 MRI 시스템은 대형이고, 고정식이며, 이동 불가능한 설치물이고, 상당한 전력을 소비하며(전용 3 상 전력 연결을 필요로 함) 특수하게 차폐된 방 및 대형의 전용 공간을 필요로 한다. 저자계 MRI의 도전 과제는, 유용한 이미지를 생성할 수 있는 상대적으로 저비용, 저전력 및/또는 휴대용 MRI 시스템의 개발을 방해하였다.
본 발명자들은, 병원 및 연구 시설에서의 현재의 MRI 설치를 넘어, 다양한 환경에서의 MRI 기술의 광범위한 배치 가능성을 향상시킬 수 있는, 휴대용의, 저자계의, 저전력의 및/또는 더 낮은 비용의 MRI 시스템을 가능하게 하기 위한 기술을 개발하였다. 결과적으로, MRI는 응급실, 소규모 클리닉, 의사 사무실, 이동 유닛, 현장, 등등에서 배치될 수 있고, 환자에게(예를 들면, 침대 옆에) 이동하여 아주 다양한 이미징 프로시져 및 프로토콜을 수행하였을 수도 있다. 몇몇 실시형태는 휴대용, 저비용, 저전력 MRI를 용이하게 하여, 임상 환경에서 MRI의 가용성을 상당히 증가시키는 매우 낮은 자계 MRI 시스템(예를 들면, .1 T, 50 mT, 20 mT, 등등)을 포함한다.
저자계 체계에서 임상 MRI 시스템을 개발하는 데에는 수많은 도전 과제가 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 임상 MRI 시스템은, 임상적으로 유용한 이미지를 생성하는 MRI 시스템을 지칭하는데, 임상적으로 유용한 이미지는, 특정한 이미징 애플리케이션이 주어지면, 자신의 의도된 목적을 위해 의사 또는 임상의에게 유용하기에 충분한 해상도 및 적절한 획득 시간을 갖는 이미지를 지칭한다. 그러한 만큼, 임상적으로 유용한 이미지의 해상도/획득 시간은, 이미지가 획득되고 있는 목적에 의존할 것이다. 저자계 체계에서 임상적으로 유용한 이미지를 획득함에 있어서의 수많은 도전 과제 중에는, 상대적으로 낮은 SNR이 있다. 특히, SNR과 B0 자계 강도 사이의 관계는 .2 T를 초과하는 자계 강도에서 대략 B0 5/4이고, .1 T 미만의 자계 강도에서 대략 B0 3/2이다. 그러한 만큼, SNR은 자계 강도의 감소에 따라 실질적으로 하락하는데, 매우 낮은 자계 강도에서는 SNR의 더욱 더 상당한 하락을 겪는다. 자계 강도를 감소시키는 것으로부터 유래하는 SNR의 이러한 상당한 하락은, 매우 낮은 자계 체계에서 임상 MRI 시스템의 개발을 방해한 중요한 요인이다. 특히, 매우 낮은 자계 강도에서의 낮은 SNR의 도전 과제는, 매우 낮은 자계 체계에서 동작하는 임상 MRI 시스템의 개발을 방해하였다. 결과적으로, 더 낮은 자계 강도에서 동작하려고 시도하는 임상 MRI 시스템은, 종래에는, 대략 .2 T 범위 이상의 자계 강도를 달성하였다. 이들 MRI 시스템은 여전히 대형이고, 무겁고 비용이 많이 들고, 그 결과, 일반적으로, 고정된 전용 공간(또는 차폐된 텐트) 및 전용 전원을 필요로 한다.
본 발명자들은 임상적으로 유용한 이미지를 생성할 수 있는 저자계 및 매우 낮은 자계 MRI 시스템을 개발하였고, 그 결과, 최신 기술을 사용하여 달성 가능하지 않은 휴대용의, 저비용의, 그리고 사용이 용이한 MRI 시스템의 개발을 허용하였다. 몇몇 실시형태에 따르면, MRI 시스템은, 일반적으로, 필요할 때마다 그리고 필요한 곳마다, 아주 다양한 진단, 수술, 모니터링 및/또는 치료 프로시져를 제공하기 위해 환자에게 운반될 수 있다.
도 1은 MRI 시스템(100)의 통상적인 컴포넌트의 블록도이다. 도 1의 예시적인 예에서, MRI 시스템(100)은, 컴퓨팅 디바이스(104), 컨트롤러(106), 펄스 시퀀스 저장소(108), 전력 관리 시스템(110), 및 자기 컴포넌트(120)를 포함한다. 시스템(100)은 예시적인 것이다는 것 및 MRI 시스템은 도 1에서 예시되는 컴포넌트에 추가하여 또는 그 컴포넌트 대신 임의의 적절한 타입의 하나 이상의 다른 컴포넌트를 구비할 수도 있다는 것이 인식되어야 한다. 그러나, 하기에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 특정한 MRI 시스템에 대한 이들 컴포넌트의 구현이 크게 상이할 수도 있지만, MRI 시스템은 일반적으로 이들 하이 레벨의 컴포넌트를 포함할 것이다.
도 1에서 예시되는 바와 같이, 자기 컴포넌트(120)는 B0 자석(122), 심 코일(shim coil; 124), RF 송신 및 수신 코일(126), 및 그래디언트 코일(128)을 포함한다. 자석(122)은 주 자기장(B0)을 생성하기 위해 사용될 수도 있다. 자석(122)은 소망되는 주 자기장(B0)을 생성할 수 있는 임의의 적절한 타입 또는 조합의 자기 컴포넌트일 수도 있다. 상기에서 논의되는 바와 같이, 고자계 체계(high field regime)에서, B0 자석은 솔레노이드 기하학적 형상으로 일반적으로 제공되는 초전도 재료를 사용하여 통상적으로 형성되고, 그 결과, B0 자석을 초전도 상태로 유지하기 위해서는 극저온 냉각 시스템을 필요로 한다. 따라서, 고자계 B0 자석은 비싸고 복잡하며 많은 양의 전력을 소비하고(예를 들면, 극저온 냉각 시스템은 B0 자석을 초전도 상태로 유지하는 데 필요한 극저온을 유지하기 위해 상당한 전력을 필요로 함), 큰 전용 공간을 필요로 하고, 특수한 전용 전력 연결(예를 들면, 전력 그리드에 대한 전용 3 상 전력 연결)을 필요로 한다. 종래의 저자계 B0 자석(예를 들면, .2 T에서 동작하는 B0 자석)도 또한, 초전도 재료를 사용하여 종종 구현되며, 따라서, 이들 동일한 일반적인 요건을 갖는다. 다른 종래의 저자계 B0 자석은 영구 자석을 사용하여 구현되는데, 영구 자석은, 종래의 저자계 시스템이 (예를 들면, 더 낮은 자계 강도에서 유용한 이미지를 획득할 수 없다는 것에 기인하여 .2 T와 .3 T 사이에서) 제한되는 자계 강도를 생성하기 위해, 5-20 톤의 중량이 나가는 매우 큰 자석이 될 필요가 있다. 따라서, 종래의 MRI 시스템의 B0 자석은 단독으로 휴대 가능성(portability) 및 구입 가능성(affordability) 둘 모두를 방지한다.
그래디언트 코일(128)은 그래디언트 자계(gradient field)를 제공하도록 배열될 수도 있고, 예를 들면, 세 개의 실질적으로 직교하는 방향(X, Y, Z)으로 B0 자계 내에 그래디언트를 생성하도록 배열될 수도 있다. 그래디언트 코일(128)은, 수신된 MR 신호의 공간적 위치를 주파수 또는 위상의 함수로서 인코딩하기 위해 B0 자계(자석(122) 및/또는 심 코일(124)에 의해 생성된 B0 자계)를 체계적으로(systematically) 변경시키는 것에 의해, 방출된 MR 신호를 인코딩하도록 구성될 수도 있다. 예를 들면, 비선형 그래디언트 코일을 사용하는 것에 의해 더욱 복잡한 공간적 인코딩 프로파일이 또한 제공될 수도 있지만, 그래디언트 코일(128)은 특정 방향을 따라 공간적 위치의 선형 함수로서 주파수 또는 위상을 변경시키도록 구성될 수도 있다. 예를 들면, 제1 그래디언트 코일은 제1(X) 방향으로 B0 자계를 선택적으로 변경시켜 그 방향으로 주파수 인코딩을 수행하도록 구성될 수도 있고, 제2 그래디언트 코일은, 제1 방향에 실질적으로 직교하는 제2(Y) 방향으로 B0 자계를 선택적으로 변경시켜 위상 인코딩을 수행하도록 구성될 수도 있고, 제3 그래디언트 코일은, 제1 및 제2 방향에 실질적으로 직교하는 제3(Z) 방향으로 B0 자계를 선택적으로 변경시켜 입체적 이미징 애플리케이션에 대한 슬라이스 선택을 가능하게 하도록 구성될 수도 있다. 상기에서 논의되는 바와 같이, 종래의 그래디언트 코일은 또한 상당한 전력을 소비하고, 하기에서 더 상세하게 논의되는 바와 같이, 크고, 값 비싼 그래디언트 전원에 의해 통상적으로 작동된다.
MRI는, 송신 및 수신 코일(종종 무선 주파수(RF) 코일로 지칭됨)을 각각 사용하여, 방출된 MR 신호를 여기 및 검출하는 것에 의해 수행된다. 송신/수신 코일은, 송신 및 수신을 위한 개별 코일, 송신 및/또는 수신을 위한 다수의 코일, 또는 송신 및 수신을 위한 동일한 코일을 포함할 수도 있다. 따라서, 송신/수신 컴포넌트는, 송신을 위한 하나 이상의 코일, 수신을 위한 하나 이상의 코일 및/또는 송신 및 수신을 위한 하나 이상의 코일을 포함할 수도 있다. 송/수신 코일은 또한, MRI 시스템의 송신 및 수신 자기 컴포넌트에 대한 다양한 구성을 일반적으로 나타내기 위해 Tx/Rx 또는 Tx/Rx 코일로 종종 칭해진다. 이들 용어는 본원에서 상호 교환적으로 사용된다. 도 1에서, RF 송신 및 수신 코일(126)은, RF 펄스를 생성하여 발진 자기장(B1)을 유도하기 위해 사용될 수도 있는 하나 이상의 송신 코일을 포함한다. 송신 코일(들)은 임의의 적절한 타입의 RF 펄스를 생성하도록 구성될 수도 있다.
전력 관리 시스템(110)은 저자계 MRI 시스템(100)의 하나 이상의 컴포넌트에 동작 전력을 제공하기 위한 전자기기를 포함한다. 예를 들면, 하기에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 전력 관리 시스템(110)은 하나 이상의 전력 공급부(power supply), 그래디언트 전력 컴포넌트(gradient power component), 송신 코일 컴포넌트, 및/또는 저자계 MRI 시스템(100)의 컴포넌트에 에너지를 공급하기 위해 그리고 저자계 MRI 시스템(100)의 컴포넌트를 동작시키기 위해 적절한 동작 전력을 제공하는 데 필요한 임의의 다른 적절한 전력 전자기기를 포함할 수도 있다. 도 1에서 예시되는 바와 같이, 전력 관리 시스템(110)은 전력 공급부(112), 전력 컴포넌트(들)(114), 송신/수신 스위치(116), 및 열 관리 컴포넌트(118)(예를 들면, 초전도 자석을 위한 극저온 냉각 기기)를 포함한다. 전력 공급부(112)는 MRI 시스템(100)의 자기 컴포넌트(120)에 동작 전력을 제공하기 위한 전자기기를 포함한다. 예를 들면, 전력 공급부(112)는 저자계 MRI 시스템에 대한 주 자기장을 생성하기 위해 하나 이상의 B0 코일(예를 들면, B0 자석(122))에 동작 전력을 제공하기 위한 전자기기를 포함할 수도 있다. 송신/수신 스위치(116)는 RF 송신 코일 또는 RF 수신 코일이 동작되고 있는지의 여부를 선택하기 위해 사용될 수도 있다.
전력 컴포넌트(들)(114)는, 하나 이상의 RF 수신 코일(예를 들면, 코일(126))에 의해 검출되는 MR 신호를 증폭하는 하나 이상의 RF 수신(Rx) 전치 증폭기(pre-amplifier), 하나 이상의 RF 송신 코일(예를 들면, 코일(126))에 전력을 제공하도록 구성되는 하나 이상의 RF 송신(Tx) 전력 컴포넌트, 하나 이상의 그래디언트 코일(예를 들면, 그래디언트 코일(128))에 전력을 제공하도록 구성되는 하나 이상의 그래디언트 전력 컴포넌트, 및 하나 이상의 심 코일(shim coil)(예를 들면, 심 코일(124))에 전력을 제공하도록 구성되는 하나 이상의 심 전력 컴포넌트(shim power component)를 포함할 수도 있다.
종래의 MRI 시스템에서, 전력 컴포넌트는 대형이고, 고가의 상당한 전력을 소비한다. 통상적으로, 전력 전자기기는 MRI 스캐너 그 자체와는 별개인 공간을 차지한다. 전력 전자기기는 상당한 공간을 필요로 할 뿐만 아니라, 상당한 전력을 소비하고 벽 장착 랙이 지원되는 것을 필요로 하는 고가의 복잡한 디바이스이다. 따라서, 종래의 MRI 시스템의 전력 전자기기도 MRI의 휴대 가능성 및 구입 가능성을 방해한다.
도 1에서 예시되는 바와 같이, MRI 시스템(100)은, 전력 관리 시스템(110)으로 명령어를 전송하고 전력 관리 시스템(110)으로부터 정보를 수신하는 제어 전자기기를 갖는 컨트롤러(106)(콘솔로 또한 지칭됨)를 포함한다. 컨트롤러(106)는 하나 이상의 펄스 시퀀스를 구현하도록 구성될 수도 있는데, 하나 이상의 펄스 시퀀스는, 자기 컴포넌트(120)를 소망되는 시퀀스로 동작시키기 위해 전력 관리 시스템(110)으로 전송되는 명령어(예를 들면, RF 송신 및 수신 코일(126)을 동작시키기 위한 파라미터, 그래디언트 코일(128)을 동작시키기 위한 파라미터, 등등)를 결정하기 위해 사용된다. 도 1에서 예시되는 바와 같이, 컨트롤러(106)는 또한, 수신된 MR 데이터를 프로세싱하도록 프로그래밍되는 컴퓨팅 디바이스(104)와 상호 작용한다. 예를 들면, 컴퓨팅 디바이스(104)는, 수신된 MR 데이터를 임의의 적절한 이미지 재구성 프로세스(들)를 사용하여 프로세싱하여 하나 이상의 MR 이미지를 생성할 수도 있다. 컨트롤러(106)는, 컴퓨팅 디바이스에 의한 데이터의 프로세싱을 위해 컴퓨팅 디바이스(104)에 하나 이상의 펄스 시퀀스에 관한 정보를 제공할 수도 있다. 예를 들면, 컨트롤러(106)는 하나 이상의 펄스 시퀀스에 관한 정보를 컴퓨팅 디바이스(104)에 제공할 수도 있고 컴퓨팅 디바이스는 제공된 정보에 적어도 부분적으로 기초하여 이미지 재구성 프로세스를 수행할 수도 있다. 종래의 MRI 시스템에서, 컴퓨팅 디바이스(104)는, MR 데이터에 대해 계산 비용이 많이 드는 프로세싱을 상대적으로 빠르게 수행하도록 구성되는 하나 이상의 고성능 워크스테이션을 통상적으로 포함한다. 그러한 컴퓨팅 디바이스는 단독으로 상대적으로 비싼 기기이다.
전술한 내용으로부터 인식되어야 하는 바와 같이, 현재 이용 가능한 임상 MRI 시스템(고자계, 중간 자계 및 저자계 시스템을 포함함)은, 상당한 전용의 그리고 특수하게 설계된 공간뿐만 아니라, 전용의 전력 연결을 필요로 하는 대형이고 고가인 고정된 설치물이다. 본 발명자들은, 더 낮은 비용의, 더 낮은 전력의 및/또는 휴대용인, 매우 낮은 자계를 비롯한 저자계 MRI 시스템을 개발하였고, 그 결과, MRI의 가용성 및 적용 가능성을 상당히 증가시켰다. 몇몇 실시형태에 따르면, MRI 시스템이 환자에게 이동하여 필요한 위치에서 활용되는 것을 허용하는, 휴대용 MRI 시스템이 제공된다.
상기에서 논의되는 바와 같이, 몇몇 실시형태는, MRI 디바이스가 필요한 위치(예를 들면, 응급실 및 수술실, 1차 진료실, 신생아 집중 치료실(neonatal intensive care unit), 전문 부서, 비상 및 이동 운송 차량 및 현장)로 이동할 수 있는 휴대용 MRI 시스템을 포함한다. 사이즈, 중량, 전력 소비 및 상대적으로 제어되지 않는 전자기 노이즈 환경(예를 들면, 특수하게 차폐된 방 외부)에서 동작하는 능력을 비롯한, 휴대용 MRI 시스템의 개발에 직면하는 수많은 도전 과제가 존재한다.
휴대 가능성의 양태는 다양한 위치 및 환경에서 MRI 시스템을 동작시키는 성능을 수반한다. 상기에서 논의되는 바와 같이, 현재 이용 가능한 임상 MRI 스캐너는, 디바이스의 올바른 동작을 허용하기 위해 특수하게 차폐된 방 안에 위치하는 것을 필요로 하는데, 이것은 현재 이용 가능한 임상 MRI 스캐너의 비용, 가용성의 부족 및 휴대 불가능성(non-portability)에 기여하는 이유 중 (많은 것 중) 하나이다. 따라서, 특수하게 차폐된 방 외부에서 동작하기 위해, 그리고, 특히, 일반적으로 휴대 가능한, 실어 나를 수 있는 또는 다르게는 운반 가능한 MRI를 허용하기 위해, MRI 시스템이 다양한 노이즈 환경에서 동작할 수도 있어야만 한다. 본 발명자들은, MRI 시스템이 특수하게 차폐된 방 외부에서 동작되는 것을 허용하는 노이즈 억제 기술을 개발하였고, 그 결과, 특수하게 차폐된 방을 필요로 하지 않는, 휴대 가능한/운반 가능한 MRI뿐만 아니라 고정된 MRI 설치 둘 모두를 용이하게 하였다. 노이즈 억제 기술이 특수하게 차폐된 방 외부에서의 동작을 허용하지만, 이들 기술은 차폐된 환경, 예를 들면, 덜 비싼, 느슨하게 또는 특별하게 차폐하는 환경에서 노이즈 억제를 수행하기 위해 또한 사용될 수 있고, 따라서, 제한된 차폐를 갖춘 영역과 연계하여 사용될 수 있는데, 이 관점에서는 양태가 제한되지 않기 때문이다.
휴대 가능성의 또 다른 양태는 MRI 시스템의 전력 소비를 수반한다. 상기에서 또한 논의되는 바와 같이, 현재의 임상 MRI 시스템은 많은 양의 전력을 소비하고(예를 들면, 동작 동안 20 kW부터 40 kW까지의 범위에 이르는 평균 전력 소비), 따라서 전용 전력 연결(예를 들면, 필요한 전력을 전달할 수 있는 그리드에 대한 전용 3 상 전력 연결)을 필요로 한다. 전용 전력 연결의 요건은, 적절한 전력 연결을 특별히 갖춘 고가의 전용 방 이외의, 다양한 위치에서 MRI 시스템을 동작시키는 것에 대한 또 다른 장애물이다. 본 발명자들은 표준 벽 콘센트(예를 들면, 미국에서는 120 V/20 A 연결) 또는 일반 대형 가전 콘센트(예를 들면, 220-240 V/30 A)와 같은 메인 전기(mains electricity)를 사용하여 동작할 수도 있는 저전력 MRI 시스템을 개발하였고, 그 결과, 일반 전력 콘센트가 제공되는 임의의 곳에서 디바이스가 동작되는 것을 허용한다. "벽에 플러그 연결"되는 능력은, 3 상 전력 연결과 같은 특수한 전용 전력을 필요로 하지 않으면서, 휴대 가능한/운반 가능한 MRI뿐만 아니라 고정된 MRI 시스템 설치를 용이하게 한다.
상기에서 논의되는 바와 같이, 본원에서 설명되는 기술에 따라 설계되는 휴대용 MRI 디바이스는, 송신 동작 동안 B1 자기장을 생성하도록 그리고 수신 동작 동안 이미징 대상에 의해 생성되는 MR 신호로부터 자속을 수집하도록 구성되는 RF 송신 및 수신 코일(126)을 포함한다. RF 수신 코일에 의해 감지되는 신호는 MR 이미지로의 변환 이전에 증폭되고 프로세싱된다. RF 수신 코일(126)에 의해 레코딩되는 신호의 제어 및 프로세싱에서 수반되는 회로부는 본원에서 "RF 신호 체인" 회로부로 지칭된다. 종래의 고자계 MRI 시스템에서 사용되는 RF 신호 체인 회로부의 컴포넌트는 본원에서 설명되는 기술에 따라 설계되는 저자계 MRI 시스템에서의 사용에 대해 적합하지 않고 또/또는 최적화되지 않는다는 것을 본 발명자들은 인식하였다. 이 목적을 위해, 몇몇 실시형태는 휴대용 저자계 MRI 시스템에서 사용되는 향상된 RF 신호 체인 회로부에 관한 것이다.
도 2는 몇몇 실시형태에서 포함되는 RF 신호 체인 회로부(200)의 몇몇 컴포넌트를 개략적으로 예시한다. RF 신호 체인 회로부(200)는, RF 송신/수신 코일(210) 및, RF 코일(210)이 송신하도록 동작되고 있는지 또는 수신하도록 동작되고 있는지의 여부에 따라, RF 코일(210)을 RF 수신 회로부에 선택적으로 커플링하도록 구성되는 송신/수신 회로부(212)를 포함한다. 최적으로 동작하기 위해, RF 코일은 Larmor(라머) 주파수로 칭해지는 특정한 주파수에 가능한 한 가깝게 공진하도록 종종 튜닝된다. Larmor 주파수(ω는 다음 관계:
Figure pct00001
에 따라 B0 자계의 강도에 관련되는데, 여기서 γ는 MHz/T 단위의 이미징된 동위 원소(예를 들면, 1H)의 자기 회전 비율(gyromagnetic ratio)이고, B는 테슬라(Tesla) 단위의 B0 자계의 강도이다. 고자계 MRI에서 사용되는 일반적으로 사용된 Larmor 주파수의 예는, 1.5 T MRI 시스템의 경우 대략 64 MHz이고, 3 T MRI 시스템의 경우 대략 128 MHz이다. 저자계 MRI 시스템의 경우, Larmor 주파수는 고자계 MRI 시스템보다 상당히 더 낮다. 예를 들면, 64 mT MRI 시스템에 대한 Larmor 주파수는 대략 2.75 MHz이다. RF 신호 체인 회로부(200)는, 성능을 최적화하기 위해 RF 코일(210)의 임피던스를 변환하도록 구성되는 튜닝/매칭 회로부(214)를 더 포함한다. 튜닝/매칭 회로부(214)의 출력은, 이미지 신호로의 변환 이전에 RF 신호를 증폭하는 증폭기(216)(예를 들면, 저노이즈 증폭기)에 제공된다. 저자계 MRI 시스템에서 RF 코일을 사용하는 것에 있어서의 어려움 중 하나는 전자 컴포넌트의 노이즈에 대한 그러한 코일의 취약성이다는 것을 본 발명자들은 인식하였다. 몇몇 실시형태에 따르면, 컴포넌트(210, 214, 및 216) 중 하나 이상은 RF 신호 체인에서 노이즈를 감소시키도록 구성된다.
몇몇 실시형태는 RF 코일 네트워크에 의해 검출되는 신호의 신호 대 노이즈 비(signal-to-noise ratio; SNR)를 향상시키기 위해 다수의 RF 코일을 포함한다. 예를 들면, RF 코일의 콜렉션(collection)은 포괄적인 RF 자계를 검출하기 위해 상이한 위치 및 방위에서 배열될 수도 있다. 몇몇 실시형태에 따르면, 휴대용 MRI 시스템은 이미지 획득의 SNR을 향상시키기 위해 다수의 RF 송신/수신 코일을 포함한다. 예를 들면, 휴대용 MRI 시스템은 MR 신호 검출의 SNR을 향상시키기 위해 2, 4, 8, 16, 32 개 이상의 RF 수신 코일을 포함할 수도 있다.
상기에서 논의되는 바와 같이, 일반적으로, RF 코일은 주목하는 주파수(예를 들면, Larmor 주파수)에서 코일 감도를 증가시키도록 튜닝된다. 그러나, 인접한 또는 이웃하는 코일(예를 들면, 서로 충분히 근접하는 RF 코일) 사이의 유도 커플링은, 튜닝된 코일의 감도를 저하시키고 RF 코일의 콜렉션의 효율성을 크게 감소시킨다. 이웃하는 코일을 기하학적으로 디커플링하기 위한 기술이 존재하지만, 그러나, 공간에서의 코일 방위 및 위치에 대해 엄격한 제약을 가하고, 그 결과, RF 자계를 정확하게 검출하기 위한 RF 코일의 콜렉션의 능력을 감소시키고, 결과적으로, 신호 대 노이즈 성능을 저하시킨다.
코일 사이의 유도 커플링의 부정적인 영향을 다루기 위해, 본 발명자들은 다중 코일 송신/수신 시스템에서 무선 주파수 코일 사이의 유도 커플링의 효과를 감소시키는 코일 디커플링 기술을 활용하였다. 예를 들면, 도 3은 다중 코일 송신/수신 시스템에서 무선 주파수 코일 사이의 유도 커플링을 감소시키도록 구성되는 수동 디커플링 회로(300)를 예시한다. 회로(300)는 (예를 들면, RF 송신 코일로부터의) B1 송신 자계에 노출될 수도 있는 RF 코일을 디커플링하도록 구성된다. 디커플링 회로의 목적은 Larmor 주파수에서 주어진 AC 여기 전압에 대해 RF 코일을 통과하는 전류를 최소화하는 것이다. 특히, 인덕터(L1)는 MRI 시스템의 시야 내에서의 RF 신호 코일을 나타낸다. 커패시터(C1 및 C2)는, 노이즈 성능 임피던스를 최적화하기 위해 코일의 인덕턴스를 저노이즈 증폭기(LNA)의 입력에 매칭시키는 튜닝 회로를 형성한다. 인덕터(L2) 및 커패시터(C3)는, 다른 코일에 대한 RF 코일의 커플링을 방지하기 위해, L1, C1 및 C2를 포함하는 루프에서 흐르는 전류를 감소시키는 탱크 회로를 형성한다. 도 4a는, 도 3의 회로(300)의 시뮬레이션에 기초한 RF 코일의 공진 주파수에서의 LNA 입력에서의 전압의 플롯을 예시한다. 도 4a는 도 3의 회로(300) 시뮬레이션에 기초한 RF 코일을 통과하는 전류의 플롯을 예시한다. 도시하는 바와 같이, 2.75 MHz의 공진 주파수에서, LNA 전압은 약 26 dB(도 4a)이고 코일 전류는 -37 dB(도 4b)이다. 도 4a 및 도 4b의 각각에서, 측정된 양의 크기는 실선으로서 표현되고 측정된 양의 위상은 점선으로서 표현된다.
RF 코일에서 전류를 감소시키기 위한 튜닝된 매칭 필터를 사용하는 디커플링은, 다수의 컴포넌트(예를 들면, 커패시터(C1, C2 및 C3))를 코일의 동작 주파수로 튜닝할 필요성을 포함하는 몇몇 결점을 갖는다는 것을 본 발명자들은 인식하였다. 추가적으로, 인덕터(L2)에서의 손실은 SNR의 손실로 나타난다. 그러한 만큼, 디커플링 효율성은 SNR 효율성과의 절충이다. 더구나, 도 4b에서 도시되는 바와 같이, 비록 튜닝된 매칭 필터가 공진 주파수에서 코일 전류를 실질적으로 감소시키지만, 전류 파형에서의 급격한 밸리(valley)는, RF 코일을 통한 전류 감소가 공진 주파수를 둘러싸는 제한된 대역폭에 대해서만 작다는 것을 입증한다.
몇몇 실시형태는, 증폭기의 출력으로부터의 피드백을 사용하여 코일 응답을 감쇠시키는 것에 의해 RF 코일에서의 전류를 감소시키도록 구성되는 향상된 디커플링 회로에 관한 것이다. 도 5는 몇몇 실시형태에 따른 피드백 디커플링을 제공하도록 구성되는 디커플링 회로(400)의 한 예를 도시한다. 회로(400)는 증폭기 LNA의 출력으로부터 LNA의 입력까지의 능동 피드백 경로를 포함한다. 도 5에서 도시되는 예에서, 능동 피드백 경로는 단일의 피드백 경로를 포함한다. 그러나, 능동 피드백 경로는, 선택되는 경우 상이한 타입의 피드백 디커플링을 각각 제공하는 복수의 피드백 경로로서 대안적으로 구현될 수도 있다는 것이 인식되어야 한다. 예를 들면, 몇몇 실시형태에서, 능동 피드백 경로는, 제1 피드백 신호를 제공하도록 구성되는 제1 피드백 경로 및 제2 피드백 신호를 제공하도록 구성되는 제2 피드백 경로를 포함한다.
피드백 신호의 위상은 튜닝 주파수에서 증폭 이득에 영향을 끼친다는 것을 본 발명자들은 인식하였다. 예를 들면, 능동 피드백 경로에서 다수의 피드백 경로를 포함하는 몇몇 실시형태에서, 제1 피드백 경로는 RF 코일의 공진 주파수와는 위상이 90 도 또는 270 도 벗어난 제1 피드백 신호를 제공할 수도 있고, 제2 피드백 경로는 RF 코일의 공진 주파수와는 위상이 180 도 벗어난 제2 피드백 신호를 제공할 수도 있다. 대안적으로, 증폭기의 이득은 코일의 공진 주파수와는 위상이 90 도 또는 270 도 벗어나도록 튜닝될 수도 있다. 270 도의 위상이 사용되는 경우, 튜닝 주파수에서의 증폭 이득은 최대일 수도 있다. 단일의 피드백 경로가 사용되는 다른 실시형태에서, 피드백 신호의 위상은 코일의 더 적은 전류에 기인하여 더욱 효율적인 디커플링을 제공하기 위해 180 도로 설정될 수도 있다.
회로(400)에 의해 제공되는 피드백 디커플링은 코일 응답을 감쇠시키기(코일의 품질(Q) 인자를 감소시키는 것으로 또는 코일을 "디큐잉하는(de-Qing)" 것으로 또한 지칭됨) 위해 그에 의해 RF 코일에서 흐르는 전류를 감소시키기 위해 활성 네거티브 피드백을 사용한다. 도시되는 바와 같이, 회로(400)는 RF 코일과 LNA 사이에서 배열되는 튜닝/매칭 회로를 또한 포함한다. 임의의 적절한 튜닝/매칭 회로가 몇몇 실시형태에 따라 사용될 수도 있는데, 그 예가 하기에서 설명된다.
도 6은 단일의 커패시터 C1을 사용하여 튜닝/매칭 회로를 구현하는 피드백 기반의 디커플링 회로(500)를 예시한다. 디커플링 회로(300)와는 대조적으로, 디커플링 회로(500)는 튜닝할 단일의 컴포넌트(즉, 커패시터(C1))만을 포함한다. 추가적으로, 회로(500)가 반응성 컴포넌트(C1 및 C2)만을 포함하고 튜닝/매칭 회로에서 인덕터를 포함하지 않기 때문에, 디커플링 회로는 회로(300)에서의 인덕터(L1)의 포함에 기인하여 회로(300)와 관련되는 SNR 손실을 도입하지는 않는다.
커패시터(C1)는 고정된 값을 갖는 커패시터를 사용하여 구현될 수도 있다. 대안적으로, 커패시터(C1)는 가변 값을 갖는 커패시터(예를 들면, 버랙터 다이오드(varactor diode))를 사용하여 구현될 수도 있다. 또 다른 실시형태에서, 커패시터(C1)는 가변 값을 갖는 커패시터와 병렬로 배열되는 고정 값(예를 들면, 300pF)을 갖는 커패시터를 사용하여 구현될 수도 있다. 그러한 배열은 피드백 루프에서의 가변 커패시터의 사용에 의해 도입되는 AC 손실의 영향을 감소시킨다.
도 7a는 도 5의 회로(500)의 시뮬레이션에 기초한 RF 코일의 공진 주파수에서의 LNA 입력에서의 전압의 플롯을 예시한다. 도 7b는 도 6의 회로(500) 시뮬레이션에 기초한 RF 코일을 통과하는 전류의 플롯을 예시한다. 도시되는 바와 같이, 2.75 MHz의 공진 주파수에서, LNA 입력 전압은 약 8 dB(도 7b)이고 코일을 통과하는 전류는 약 -35 dB이다. 그러나, 코일의 공진 주파수에서 급격한 밸리를 도시하는 도 4b에서 도시되는 코일 전류 플롯과는 대조적으로, 도 7b는 회로(300)와 비교하여 디커플링 회로(500)를 사용할 때 훨씬 더 넓은 대역폭에 걸쳐 코일 전류가 감소된다는 것을 도시한다. 따라서, 회로(300)와 비교하여, 회로(500)는 더 넓은 대역폭에 걸쳐 RF 코일 디커플링을 제공한다.
도 8은, 도 6에서 도시되는 회로(500)의 단일의 커패시터 튜닝/매칭 회로가 컴포넌트(C1, C3 및 L2)를 포함하는 튜닝/매칭 네트워크로 대체되는 대안적인 피드백 기반의 디커플링 회로(600)를 예시한다. 회로(600)에서, 튜닝/매칭 네트워크는, 커패시터(C2)를 포함하는 능동 피드백 경로에 의해 제공되는 피드백 기반의 디커플링을 갖는 것 외에도, RF 코일(L1로 표현됨)을 튜닝하기 위해 사용된다.
몇몇 실시형태에서, 예를 들면, 도 5, 도 6, 및 도 8의 회로(400, 500, 및 600)의 피드백 컴포넌트에 의해 각각 제공되는 용량성 피드백 회로부는 상호 유도 피드백 회로부로 대체된다. 도 24는, 예를 들면, 도 6의 회로(500)에서 도시되는 용량성 피드백 회로부가 컴포넌트(R1, R2 및 L2)를 포함하는 상호 유도 피드백 회로부로 대체되는 대안적인 피드백 기반의 디커플링 회로(2400)를 예시한다. 회로(2400)에서, 인덕터(L1 및 L2)는, 예를 들면, 변압기(transformer)를 사용하여 또는 공기를 통해 상호 커플링된다.
몇몇 실시형태에 따른 RF 코일 디커플링을 제공하기 위한 다른 기술은, RF 신호 체인에서 송신/수신 스위치를 제공하는 것이다. 송신/수신 스위치는, RF 신호가 하나 이상의 RF 송신 코일에 의해 송신되고 있을 때 증폭기로부터 RF 코일을 분리하도록 구성된다. 구체적으로, 송신/수신 스위치는 RF 송신 사이클 동안 민감한 전자기기를 보호하기 위해 튜닝/매칭 네트워크를 두 개의 네트워크 부분으로 분할한다. 몇몇 종래의 MRI 시스템(예를 들면, 고자계 MRI 시스템)에서, 송신/수신 스위치(312)는 통상적으로 PIN 다이오드와 같은 다이오드를 사용하여 구현된다. 다이오드(D1)를 포함하는 송신/수신 스위치 회로부의 한 예가 도 9에서 회로(700)로서 도시되어 있다. 송신 펄스 동안, 다이오드(D1)는 턴온되어 단락 회로를 생성하고, 그 결과, 수신 전자기기로부터 RF 신호 코일을 분리한다. 회로(300)와 관련하여 상기에서 설명되는 바와 같이, 형성되는 네트워크는, RF 코일의 전류가 작게 유지되는 것을 보장하는 높은 임피던스를 갖는 탱크 회로를 제공한다. 수신 사이클 동안, 다이오드(D1)는 턴오프되어 RF 코일이 증폭기에 연결되는 것 및 RF 코일을 통한 전류를 제한하도록 구성되는 탱크 회로에 의해 튜닝되는 것으로 나타나고, 동시에 증폭기의 출력에서 충분한 신호가 검출되는 것을 허용한다. 따라서, RF 코일은 송신 사이클 동안 제1 탱크 회로에 연결되고 펄스 시퀀스의 수신 사이클 동안 제2 탱크 회로에 연결된다.
도 9에서 도시되는 것과 같은 종래의 디커플링 회로는, 종종, RF 신호 코일로부터 수신 전자기기를 분리하기 위해 PIN 다이오드를 사용한다. 그러나, 디커플링 회로에서 이 기능을 수행하는 데 적절한 PIN 다이오드는, 다이오드를 턴온시키기 위해 대략 0.1 A의 전류를 필요로 한다. 예를 들면, 여덟 개의 수신 코일을 갖는 송신/수신 코일 시스템은, 이미지 획득 펄스 시퀀스의 각각의 송신 및 수신 사이클 동안 RF 신호 코일(들)로부터 수신 코일을 디커플링하기 위해 대략 0.8 A의 전류를 필요로 할 수도 있다. 따라서, 이미지 획득 프로토콜의 범위에 걸쳐, RF 송신/수신 시스템의 디커플링 회로에 의해 상당한 전력이 소비된다. 추가적으로, PIN 다이오드가 사용되는 경우, 바이어싱 저항기(R1) 및 컴포넌트(L1 및 C1)를 포함하는 AC 차단 필터가 필요로 되며, 다이오드가 오프 상태에 있을 때 회로의 접지는 분리되지 않는다. 더구나, PIN 다이오드가 고자계 MRI 시스템에서 사용되는 더 높은 주파수에서 잘 작동하지만, PIN 다이오드는 저자계 또는 매우 낮은 자계 MRI 시스템에서 사용되는 낮은 동작 주파수(예를 들면, 10 MHz 미만)에서는 잘 작동하지 않는다. 그러한 낮은 주파수에서, PIN 다이오드는 신호를 차단하기 보다는 그것을 정류한다. 예를 들면, DC 바이어스 전류(Ibias)는, 심지어 음의 신호가 인가되는 경우에도, 다이오드가 순방향 바이어싱되는 것을 허용한다. 주파수(f) 및 피크 전류(Ipeak)의 AC 신호의 경우, PIN 다이오드가 신호를 차단하도록 적절히 기능하기 위해서는, 비율(Ipeak/f)은 다음의 관계:
Figure pct00002
에 따라 DC 바이어스 전류(Ibias) 및 캐리어 수명(τ)의 곱보다 더 낮을 필요가 있다. 그러나, 몇몇 저자계 MRI 애플리케이션은 다음의 파라미터, Ipeak = 10 A, f = 2.75 MHz, Ibias = 100 mA를 가질 수도 있다. 상기의 관계에 따르면, 이들 파라미터의 경우, PIN 다이오드는 37 μs보다 더 긴 캐리어 수명(τ)을 갖는 것을 필요로 할 것인데, 이것은 상업적으로 이용 가능한 PIN 다이오드의 특성이 아니다.
본 발명자들은, RF 송신/수신 시스템의 전력 소비를 감소시키는 것을 포함하는 저자계 MRI 시스템의 RF 송신/수신 회로에서 PIN 다이오드를 사용하는 것의 단점 중 일부를 다루기 위해, 디커플링 회로에서 통상적으로 사용되는 PIN 다이오드가 갈륨 질화물(Gallium Nitride; GaN) 전계 효과 트랜지스터(FET)로 대체될 수도 있다는 것을 인식하였다. 특히, GaN FET는 턴온하기 위해 대략 수 마이크로암페어를 필요로 하고, 그 결과, 전력 소비를 엄청나게(by several orders of magnitude) 감소시킨다. 또한, 턴온되었을 때 GaN FET의 저항은 PIN 다이오드와 비교하여 작고, 그 결과, 탱크 회로에 대한 부정적인 영향을 감소시킨다. 몇몇 실시형태에 따르면, 회로(700)의 다이오드(D1)은 하나 이상의 GaN FET로 대체되고, 그에 의해, RF 송신/수신 시스템의 전력 소비를 감소시킨다.
도 10은, 회로(700)의 다이오드(D1)가 한 쌍의 미러링된 FET(예를 들면, GaN FET)(F1 및 F2)로 대체된, 몇몇 실시형태에 따른 RF 송신/수신 스위치 회로(412)를 예시한다. 비록 회로(412)가 한 쌍의 미러링된 FET를 포함하지만, 몇몇 실시형태에서, RF 송신/수신 스위치 회로(412)는 단일의 FET를 포함하는, 그러나 이것으로 제한되지는 않는 임의의 적절한 수의 FET를 포함할 수도 있다. PIN 다이오드와는 달리, GaN FET는 모든 주파수에서 잘 동작하고, 무시 가능한 전력 소비를 가지며, 오프 상태에서 접지 분리되고, PIN 다이오드보다 더 낮은 온 상태 저항(예를 들면, 0.1 옴 미만)을 갖는다.
도 11a 내지 도 11c는 몇몇 실시형태에 따른 RF 송신/수신 시스템에서 스위치로서 사용되는 FET의 동작 상태를 예시한다. 도 11a는 드레인 노드(D)와 소스 노드(S) 사이에서 스위치로서 구성되는 GaN FET를 예시한다. GaN FET의 게이트(G)는 온과 오프 사이의 스위치의 상태를 제어하기 위해 사용된다. 도 11b는, 오프 상태에서, GaN FET가 세 개 묶음의 커패시터(C_ds, C_gs 및 C_gd)를 가지고 모델링될 수 있다는 것을 예시한다. 그러한 구성에서, 드레인(D)은, C_ds의 값이 작다면(예를 들면, 10-100pF), 소스(S)로부터 분리된다. 몇몇 실시형태에서, 송신/수신 스위치에 포함되는 적어도 하나의 GaN FET의 드레인-소스 커패시턴스는 적어도 15 pF이다. 도 11c는 온 상태에서, 드레인-소스 커패시턴스(C_ds)가 단락 회로로 대체된다는 것을 예시한다.
도 12는 몇몇 실시형태에 따른 RF 송신/수신 스위치로서 동작하도록 배열되는 GaN FET(U1 및 U2) 상에서 게이트 전압을 구동하기 위한 회로(1000)를 예시한다. GaN FET는 RF 코일로부터 수신 전자기기를 커플링 및 디커플링하도록 구성된다. 도시되는 바와 같이, 인덕터(L5 및 L6)는, 접지 분리를 제공하면서, 제어 신호(V2)를 FET(U1 및 U2)의 게이트에 커플링하도록 구성되는 변압기로서 배열된다. 다이오드(D3)는, 커패시터(C7) 양단의 게이트에서 DC 온/오프 전압을 생성하기 위해 제어 신호를 정류하도록 동작한다. 저항기(R11)는 커패시터(C7) 및 FET의 게이트 커패시턴스를 방전하도록 구성된다. R11 및 C7 + Cgates의 시상수(time constant)는 송신/수신 스위치가 얼마나 빨리 턴오프되는지를 결정한다. 몇몇 실시형태에서, 제어 신호(V2)는 FET를 구동하기 위해 인덕터(L5)에 커플링되는 10 MHz 사인파일 수도 있다. 동작에서, 10 MHz 신호는 FET 게이트를 충전하기 위해 턴온/오프될 수도 있고 그 다음 턴오프될 수도 있다. 그 다음, 저항기(R11)는 게이트 드라이브를 방전시켜 스위치를 개방한다. 도 12의 예에서, 인덕터(L5와 L6) 사이의 커플링은 불량할 수도 있고 인덕턴스는 작을 수도 있다. 예를 들면, L5/L6은 몇몇 실시형태에서 소형 공심 변압기(air-core transformer)로서 또는 RF 변압기로서 구현될 수도 있다.
도 13은 몇몇 실시형태에 따른 RF 송신/수신 스위치로서 동작하도록 배열되는 GaN FET(U1 및 U2) 상에서 게이트 전압을 구동하기 위한 구동 회로(1100)를 예시한다. 회로(1100)에서, (회로(1000)에서와 같이) 외부에서 제공된 제어 신호(V2)를 사용하기 보다는, RF 송신 펄스 그 자체가 송신/수신 스위치를 게이트 제어하기 위한 제어 신호로서 사용된다. 도 13의 예에서, 인덕터(L6)에 의해 표현되는 코일은 RF 송신 펄스를 수신하도록, 그리고 응답으로, GaN FET의 게이트를 구동하는 전압을 생성하도록 구성된다. 몇몇 실시형태에서, RF 코일 어레이 내의 RF 코일의 각각은 그 코일에 대한 RF 송신 펄스를 수신하도록 구성되는 코일(L6)과 관련될 수도 있다. 다른 실시형태에서, 다중 코일 어레이 내의 RF 코일의 서브세트(예를 들면, 하나)는 RF 송신 펄스를 수신하도록 구성되는 코일(L6)과 관련될 수도 있고, 송신 펄스를 수신하는 것에 응답하여 코일(L6)에 의해 생성되는 스위치 신호는 어레이 내의 다른 RF 코일과 관련되는 회로부에 분배될 수도 있다. 회로(1100)는 별개의 제어 신호 생성기가 필요하지 않기 때문에 회로(1000)보다 덜 복잡한 구동 회로부를 사용한다. 그러나, 제어 신호로서 송신 펄스를 사용하는 것의 결과는, RF 송신이 시작된 약간 이후까지 스위치가 닫히지 않고 RF 송신 펄스가 펄스 수신기 코일(L6)에 의해 검출될 수 있다는 것이다.
몇몇 실시형태는 저자계 MRI 시스템에서 사용되는 무선 주파수(RF) 코일에 대한 신규의 설계와 관련된다. MRI 시스템에서 사용되는 몇몇 종래의 RF 코일 설계는, 나선형 패턴으로 이미징 대상을 감싸는 솔레노이드로서 구성된다. 예를 들면, MRI 시스템에서 일반적으로 사용되는 헤드 코일은, 사람의 머리가 솔레노이드 내부에 삽입될 수 있도록 솔레노이드 구성으로 형성되는 도체를 포함한다. 도 14a는, 도체가 기판의 제1 측으로부터 제1 측과는 반대 위치에 있는 기판의 제2 측으로의 단일의 패스에서 기판 주위에 복수의 루프로 감기는 솔레노이드 RF 코일 설계를 개략적으로 예시한다. 기판의 제2 측에 도달되는 경우, 도체는, 도시되는 바와 같이, 추가적인 루프를 형성하지 않고 제1 측으로 복귀될 수도 있다. 도 14b는, 도체의 루프가 수직선에 의해 표현되는 도 14a의 코일 배열의 상면도를 도시한다. 포인트(V+ 및 V-)는, 레코딩된 신호를 증폭하도록 구성되는 증폭기(예를 들면, 저노이즈 증폭기)에 MRI 시스템이 연결되는 코일의 도체 단부를 표현한다.
이상적인 경우, RF 코일의 출력에서 레코딩되는 전위는 코일에서 기전력(electromotive force; emf)이 없을 때 V+ - V- = 0이 되도록 균형을 이룬다. 그러나, 사람의 머리와 같은 대상이 솔레노이드 코일 안으로 삽입되는 경우, V+와 V-가 균형이 맞지 않게 되는 것 및 증폭기 입력에서 전압을 생성하는 것으로 나타날 수도 있는 기생 커플링이 대상과 코일 내의 도체 사이에서 발생한다. 전압은 코일이 MRI 시스템에서 사용될 때 레코딩된 MR 신호에서 노이즈 신호로서 나타난다. RF 코일 내의 헤드의 위치에 따라, 기생 커플링은 포인트(V+ 및 V-)에서 레코딩되는 신호에 상이하게 영향을 끼칠 수도 있다. 예를 들면, 대상이 코일의 한쪽 단부에서 삽입되는 경우, 기생 커플링에 기인하여 레코딩된 신호에 도입되는 노이즈의 크기는, 코일에서 노이즈가 도입되었던 포인트와 V+ 사이의 더 짧은 도체 거리 때문에, 포인트(V-)에 비교하여 포인트(V+)에서 더 클 수도 있다. 대안적으로, 대상이 포인트(V+와 V-) 사이에서 코일의 중심에 또는 그 근처에 배열되는 경우, 코일에 도입되는 노이즈는 포인트(V+ 및 V-) 둘 모두에서 검출되는 전압에 동등하게 영향을 끼칠 것이다. 또 다른 구현예에서, 대상이 포인트(V-)에 더 가깝게 배열되는 경우, 포인트(V+)보다 포인트(V-)에서 더 많은 노이즈가 검출될 것이고, 그 결과, 균형이 맞지 않은 출력(즉, V+ - V- ≠ 0)으로 나타난다.
도 15a는, 대상(전압 소스(V0)로서 표현됨)이 특정한 위치에서 솔레노이드 코일에 삽입되는 경우, 코일의 단일의 포인트에서 기생 커플링(임피던스(ZC)로서 표현됨)이 코일에 도입된다는 것을 개략적으로 예시한다. 실제로는, 대상으로부터 코일 권선으로의 기생 커플링은 분산될 것이다는 것이 인식되어야 한다. 도 15b는, 기생 커플링의 도입이 도체의 단부에서 측정되는 전압(V+, V-)에 어떻게 영향을 끼치는지에 대한 임피던스 모델을 예시한다. ZC는 대상과 코일 사이의 기생 커플링을 나타내고, Z+는 기생 커플링이 도입되는 포인트와 포인트(V+) 사이의 도체에서의 임피던스를 나타내고, Z-는 기생 커플링이 도입되는 포인트와 포인트(V-) 사이의 도체에서의 임피던스를 나타내고, ZG는 도체의 단부(즉, V+ 및 V-)의 각각과 접지 사이의 임피던스를 나타낸다. 대상과 코일 사이에 약한 기생 커플링(예를 들면,
Figure pct00003
)이 존재하는 경우, 다음의 관계는 도체의 두 단부(V+ 및 V-)에서의 전위차를 설명한다:
Figure pct00004
V+ 및 V-에서의 코일의 출력이 균형이 맞지 않을 수도 있기 때문에, 몇몇 종래의 RF 코일은, 균형이 맞는 출력을 제공하기 위해 그리고 코일에 도입되는 공통 모드 노이즈를 제거하기 위해, RF 코일과 증폭기 사이에 발룬(balun)을 포함한다. RF 코일에 도입되는 공통 모드 노이즈를 제거하기 위한 발룬의 사용은 코일에 의해 수신되는 작은 크기의 신호 및 발룬의 손실 특성에 기인하여 저자계 MRI 시스템에서 바람직하지 않는다는 것을 본 발명자들은 인식하였다. 이 목적을 위해, 몇몇 실시형태는, 공통 모드 노이즈를 감소시키도록 설계되는 권선 패턴을 사용하여, 발룬을 사용할 필요성을 완화하는 RF 코일 설계에 관한 것이다.
도 16 내지 도 19는 몇몇 실시형태에 따른 RF 코일 설계를 개략적으로 예시한다. 도 16 내지 도 19에 도시되는 코일 설계의 경우, 결과는 도 14a에서 도시되는 종래의 코일 권선 패턴과 유사한 자기 속성(property)을 갖는 솔레노이드 코일이다. 예를 들면, 서로 가까이 위치되는 코일의 턴(turn)은 유사한 자속(magnetic flux)을 검출한다. 그러나, 도 16 내지 도 19에서 도시되는 RF 코일 설계의 전기적 속성은 도 14a의 코일 설계에 대한 것들과는 상이하다. 특히, 도 16 내지 도 19에서 도시되는 권선 설계는, 이미징 대상이 코일에 삽입될 때 향상된 균형 및 공통 모드 제거로 나타난다. 도시되는 바와 같이, 이미징 대상이 코일에 삽입되면, 대상과 도체 사이의 기생 커플링은 대상 근처에 위치한 도체의 턴에서 전압이 유도되는 것으로 나타난다. 도 16 내지 도 19에서 도시되는 권선 패턴의 경우, 인접한 턴이 각각의 포인트(V+ 및 V-)로부터 유사한 거리에 위치하기 때문에, 도체에 전압이 인가될 때 도체의 인접한 턴은 유사한 인덕턴스 및 전위를 갖는다. 따라서, 도체에 대한 코일에 삽입되는 대상의 기생 커플링에 기인하여 도체에서 유도되는 전압은, 코일에서의 대상의 위치에 관계없이, 출력(V+ 및 V-) 둘 모두에서 유사하게 노이즈 신호로서 나타나고, 그 결과, V+ - V- ~ 0이 되고, 그럼으로써 공통 모드 노이즈를 감소시킨다.
도 14a에서 도시되는 바와 같이 RF의 한쪽 단부에서부터 다른 쪽 단부까지 단일 패스의 루프로 도체를 감는 대신, 도체는, 몇몇 실시형태에서, 단부에서부터 단부까지의 다수의(예를 들면, 두 번의) 패스의 루프 또는 부분 루프를 사용하여 균형이 맞는 패턴으로 감긴다. 도 16a는, 기판의 한쪽 단부에서 시작하는 도체가 제1 패스에서 권선 방향을 따라 도체의 제1 단부로부터 이격되는 상이한 레벨의 기판의 부분을 스킵하는 것에 의해 기판 주위에 감기는 "인터레이스" 권선 패턴을 도시한다. 도체가 제2 패스에서 기판의 다른 쪽(제2) 단부에서 감겨질 때, 도체는 제1 패스에서 스킵된 기판의 그들 부분 주위로 감긴다. 도 16b는 도 16a에서 예시되는 인터레이스 권선 패턴의 상면도를 도시한다.
도 16a에서 도시되는 인터레이스 권선 패턴은 제1 패스에서 완전 턴(complete turn)(예를 들면, 360° 회전)을 스킵하고 반대 방향의 제2 패스에서 그들 스킵된 턴을 채운다. 그러나, 대안적인 인터레이스 권선 패턴도 또한 고려된다는 것이 인식되어야 한다. 예를 들면, 도 17a는, 제1 패스에서 완전 턴(예를 들면, 360°)을 스킵하는 대신, 제1 패스에서 턴의 나머지 절반을 스킵하는 동안, 권선 패턴이 기판의 제1 단부에서부터 복수의 레벨의 각각에서 기판 주위에서 일련의 절반 턴(half turn)(예를 들면, 180°)을 완료하는 인터레이스 패턴을 도시한다. 그 다음, 스킵된 절반 턴은 기판의 제2 단부에서부터 제1 단부로의 제2 패스 동안 채워지고, 그 결과, 완전한 솔레노이드 코일 구성으로 나타난다. 도 17b는 도 17a의 절반 턴 스킵 인터레이스 권선 설계의 상면도를 도시한다. 하기에서 더 자세하게 설명되는 도 22a-l은, 도 17a에서 예시되는 절반 턴 스킵 설계를 구현하기 위한 프로세스를 예시한다.
도 18a는 몇몇 실시형태에 따른 대안적인 균형 잡힌 권선 패턴의 예를 예시한다. 도 18a에서 도시되는 권선 패턴에서, 제1 패스에서 어떠한 레벨도 스킵하지 않으면서 제1 단부로부터 제2 단부까지 도체의 제1 복수의 루프가 기판 주위에 감긴다. 제2 단부에서부터 제1 단부로의 제2 패스에서, 제1 복수의 루프 근처에 위치하는 제2 복수의 루프가 기판 주위에 감겨 "이중" 권선 패턴을 생성한다. 도 18b는 도 18a에서 예시되는 권선 패턴의 상면도를 도시한다.
도 19는 몇몇 실시형태에 따른 인터레이스 구성을 갖는 다른 균형 잡힌 권선 패턴의 상면도를 도시한다. 도 19에서 도시되는 권선 패턴에서, (예를 들면, 도 16a에서 도시되는 바와 같이) 기판의 제1 단부로부터 기판의 제2 단부까지 일련의 레벨에서 루프를 형성하는 대신, 도체는 제1 패스에서 기판의 제1 단부로부터 제2 단부까지 나선형 구성으로 감기고, 제2 패스에서 기판의 제2 단부로부터 제1 단부까지 역 나선형 구성으로 감긴다. 기판 주위에서 임의의 소망되는 수의 턴을 갖는 임의의 적절한 각도가 사용될 수도 있기 때문에, 나선형 권선 구성을 형성하기 위한 특정한 각도는 본 발명의 실시형태의 제한이 아니다.
도 16 내지 도 19와 관련하여 상기에서 설명되는 균형 잡힌 권선 패턴은, 대상(예를 들면, 환자의 머리)이 솔레노이드 내에 삽입되는 솔레노이드 구성을 갖는 RF 코일에 관한 것이다. 본 발명자들은 본원에서 설명되는 균형 잡힌 권선 기술이 솔레노이드 코일 이외의 코일 구성에 대해서도 또한 사용될 수도 있다는 것을 인식하였다. 예를 들면, 도 20은 균형 잡힌 권선 패턴을 사용하여 RF 표면 코일을 생성하는 것의 예를 예시한다. 표면 코일은 서로 근접하게 배열되는 두 개의 도체 권선을 포함한다. 도시되는 바와 같이, 두 개의 권선 사이의 거리(h)는, 다수의 권선이 단일의 권선을 갖는 코일과 유사한 자기 속성을 가지도록 작게 만들어질 수도 있다(예를 들면, 0에 가까운 거리에 근접함). 몇몇 실시형태에서, 두 개의 권선은 서로 위상이 180° 벗어나도록 구성될 수도 있다.
도 21은 몇몇 실시형태에 따른 RF 코일을 제조하기 위한 프로세스(2100)를 예시한다. 액트(2110)에서, 도체가 주위에 감기게 될 기판이 제공된다. 기판은 임의의 적절한 비자성 재료로 만들어질 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 기판은, 예를 들면, 적층 가공 프로세스(additive manufacturing process)(예를 들면, 3D 프린팅)를 사용하여 제조되는 플라스틱 재료를 포함한다. 그 다음, 프로세스(2130)는 복수의 홈이 기판에 형성되는 액트(2112)로 진행한다. 예를 들면, 기판은 상단(top) 및 저부(bottom)를 포함할 수도 있고, 복수의 홈은 기판의 상단으로부터 기판의 저부까지 이격되는 위치에 형성될 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 기판은 사람의 머리가 배치될 수 있는 헬멧의 형상으로 형성되고, 홈은 상단에서부터 저부까지 헬멧의 원주 주위의 복수의 원주 홈 또는 "링"으로서 형성된다. 몇몇 실시형태에서, 복수의 링은, 기판의 상단에서부터 저부까지 동일한 간격을 사용하여 분리되어, 내부에 도체가 감겨질 수도 있는 복수의 레벨을 생성한다. 복수의 홈은 또한 원주 홈을 연결하는 복수의 연결 홈을 포함할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 기판에 홈을 형성하는 별개의 액트가 필요하지 않도록, 홈은 (예를 들면, 적층 가공 프로세스를 사용하여) 기판을 제조하는 것의 일부로서 기판에 형성될 수도 있다.
그 다음, 프로세스(2100)는 액트(2114)로 진행하는데, 여기서 기판에 형성되는 홈의 제1 부분 내에 도체의 제1 부분이 감겨진다. 도 17a와 관련하여 상기에서 논의되는 바와 같이, 몇몇 실시형태에서, 두 레벨마다 하나를 스킵하는 것에 의해 교호 레벨로 위치하는 홈에서 기판의 상단으로부터 저부로 도체의 제1 부분이 감겨질 수도 있다. 다른 실시형태에서, 각각의 레벨 상의 홈의 다른 부분을 스킵하면서 각각의 레벨 상의 홈의 일부(예를 들면, 절반 턴) 내에 도체의 제1 부분이 감겨질 수도 있다. 그 다음, 프로세스(2100)는 액트(2116)로 진행하는데, 여기서 전도체의 제2 부분이 기판에 형성되는 홈의 제2 부분 내에서 감기게 된다. 예를 들면, 기판의 저부로부터 상단으로 감겨질 때 기판의 제2 부분은, 도체의 제1 부분이 상단에서부터 저부로 감겨졌을 때 스킵되었던 홈의 부분을 사용하여 감겨질 수도 있다. 저부에서부터 상단으로 도체의 제2 부분을 감을 때, 도체의 제2 부분은 상단에서부터 저부로 감겨지는 도체의 제1 부분의 일부 위로(또는 아래로) 교차할 수도 있다. 구리 와이어 및 리츠 와이어(litz wire)를 포함하는, 그러나 이들로 제한되지는 않는 임의의 적절한 도체가 사용될 수도 있다. 도체는 단일 가닥일 수도 있거나 또는 전도성 재료의 다수의 가닥을 포함할 수도 있다. 도체의 단부는, 이미징 대상으로부터 MR 신호를 수신하기 위한 저자계 MRI 시스템에서 사용될 때, RF 코일에 의해 레코딩되는 신호를 증폭하는 증폭기에 커플링되도록 구성될 수도 있다.
도 22a 내지 도 22l은 몇몇 실시형태에 따른 저자계 MRI 시스템에서 사용되는 송신/수신 RF 헤드 코일을 제조하는 프로세스에서의 액트를 예시한다. 도 22a는, 코일 권선이 번호가 매겨진 화살표에 따라 기판(예를 들면, 그 내부에 홈이 형성된 플라스틱 헬멧)의 상단에서부터 시작한다는 것을 도시한다. 예를 들면, 도체는 기판의 상단을 제1 원주 홈에 연결하는 연결 홈에서 배열된다(1). 그 다음, 도체를 제1 원주 홈의 절반 턴 주위에서 시계 방향으로 감겨진다(2). 도 22b는, 제1 원주 홈의 절반 턴의 완료(3) 이후, 도체가 제1 원주 홈 및 제1 원주 홈보다 상단으로부터 더 멀리 이격되는 제2 원주 홈을 연결하는 연결 홈에 배열된다(4)는 것을 도시한다. 그 다음, 도체는 제2 원주 홈의 반대쪽 절반 턴 주위에서 또한 시계 방향으로 감겨진다(5). 도 22c는, 제2 및 제3 원주 홈을 연결하는 연결 홈이 도 22d에서 도시되는 바와 같이 도달될 때까지(7) 도체가 제2 원주 홈 내에서 감겨진다(6)는 것을 도시한다. 그 다음, 도체는 제2 원주 홈과 제3 원주 홈 사이의 연결 홈 내에 배열된다(8). 도 22e는, 제3 및 제4 원주 홈을 연결하는 연결 홈에 도 22f에서 도시되는 바와 같이 도달할 때까지(10) 절반 턴 주위에서 시계 방향으로 제3 원주 홈 내에서 권선(9)이 계속된다는 것을 도시한다. 그 다음, 도체는 제3 원주 홈과 제4 원주 홈 사이의 연결 홈 내에서 배열된다(11). 도 22g는, 최저부 원주 홈이 도달될 때까지 상기에서 설명되는 절반 턴 패턴에서 권선이 계속된다는 것을 도시한다. 몇몇 실시형태에서, 도 22h에서 도시되는 바와 같이 헬멧의 후방 측 상에서는 도체의 어떠한 교차도 존재하지 않는다.
도 22i는, 최저부 원주 홈 상에서의 권선의 완료 이후, 상단으로부터 저부로의 권선에서 스킵되었던 원주 홈의 부분 내에서 저부에서부터 상단으로의 도체의 권선이 계속된다는 것을 도시한다. 예를 들면, 도체는 최저부 원주 홈에서 감겨지고(12), 도체는, 최저부 원주 홈과 그 위의 원주 홈을 연결하는 연결 홈 내에서 도체의 일부 위로 배열되어(13) 교차한다. 권선(14)은 상단 및 저부 권선에서 스킵되었던 부분의 원주 홈에서 계속된다. 도 22j에서 도시되는 바와 같이, 권선(15)은 다음 번 연결 홈과 조우할 때까지 계속되고, 도체는 그 연결 홈 내에서 도체 위로 배열되어(16) 교차하고, 그 다음, 가장 높은 원주 홈에서 계속된다(17). 도 22k는, 기판 상단까지 권선이 동일한 패턴으로 계속된다는 것을 도시하는데, 그 이후, 도체는, 도 22l에서 도시되는 바와 같이, 인터레이스 권선을 갖는 송신/수신 RF 코일에 대한 코일 권선을 마무리하도록 절단된다. 비록 권선이 시계 방향에 있는 것으로 설명되었지만, 권선은, 대안적으로, 반시계 방향으로 진행될 수도 있다는 것이 인식되어야 한다. 추가적으로, 비록 도 22a-l에서 설명되는 프로세스가 복수의 원주 홈의 각각에서의 권선 절반 턴을 도시하지만, 상단에서부터 저부까지 두 개의 원주 홈마다 하나씩 스킵되고 그 다음, 저부에서부터 상단으로 채워지는 권선 패턴이 또한 사용될 수도 있다는 것이 인식되어야 한다.
도 23a는 몇몇 실시형태에 따른 인터레이스 권선 패턴을 사용하여 수신 전용 RF 코일을 제조하기 위한 프로세스를 도시한다. 도시되는 바와 같이, 코일 권선은 연결 홈 내의 기판(예를 들면, 내부에 형성되는 홈을 갖는 플라스틱 헬멧)의 상단으로부터 기판의 일측(예를 들면, 좌측)으로 도체를 배열하는 것(1)에 의해 시작된다. 도 23b는, 도체가 좌측 상의 링 홈에 도달하는 경우(2), 도체가 링 홈 주위에 감겨지는(3) 것을 도시한다. 도 23c는, 링 홈 주위의 도체의 권선(4)이 완료되면, 도체는 링 홈과 기판의 상단을 연결하는 연결 홈 내에서 도체 위로 배열되어(5) 교차하는 것을 도시한다. 도 23d에서 도시되는 바와 같이, 권선(6)은 헬멧의 좌측 절반에서 형성되는 만곡된 홈에서 계속된다. 도 23e는, 헬멧의 좌측 절반에서의 권선이 완료된 이후, 도체가 헬멧의 상단 위로 교차하여 도 23f에서 도시되는 바와 같이 헬멧의 우측 절반 상에서 도체의 권선을 시작하도록 배열되는 것을 도시한다. 도 23g 및 도 23h는, 헬멧의 우측 절반에서의 권선이 헬멧의 우측 절반에 있는 홈 주위에서 계속되고, 헬멧의 우측 절반 상의 링 홈 및 헬멧의 상단을 연결하는 연결 홈 내에서 도체 위로 배열되어 교차하는 것을 도시한다.
따라서, 본 개시에서 기술되는 기술의 여러 가지 양태 및 실시형태를 설명하였지만, 기술 분야의 숙련된 자라면 다양한 변경예, 수정예 및 향상예를 쉽게 떠올릴 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 그러한 변경예, 수정예 및 향상예는, 본원에서 설명되는 기술의 취지 및 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 예를 들면, 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 본원에서 설명되는 하나 이상의 이점 및/또는 결과를 획득하기 위한 및/또는 기능을 수행하기 위한 다양한 다른 수단 및/또는 구조를 쉽게 구상할 것이고, 그러한 변형예 및/또는 수정예의 각각은 본원에서 설명되는 실시형태의 범위 내에 있는 것으로 간주된다. 기술 분야의 숙련된 자는, 일상적인 실험만을 사용하여, 본원에서 설명되는 특정한 실시형태에 대한 많은 등가예를 인식할 것이고, 또는 확인할 수 있을 것이다. 따라서, 전술한 실시형태는 단지 예로서 제시된다는 것, 및 첨부하는 청구범위 및 그 등가물의 범위 내에서, 본 발명의 실시형태는 구체적으로 설명된 것과는 다르게 실시될 수도 있다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 본원에서 설명되는 둘 이상의 피쳐, 시스템, 물품, 재료, 키트, 및/또는 방법의 임의의 조합은, 이러한 피쳐, 시스템, 물품, 재료, 키트, 및/또는 방법이 상호 불일치하지 않는 경우, 본 개시의 범위 내에 포함된다.
상기에서 설명된 실시형태는 임의의 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 프로세스 또는 방법의 수행을 수반하는 본 개시의 하나 이상의 양태 및 실시형태는, 그 프로세스 또는 방법을 수행하기 위해, 또는 그 프로세스 또는 방법의 수행을 제어하기 위해, 디바이스(예를 들면, 컴퓨터, 프로세서, 또는 다른 디바이스)에 의해 실행 가능한 프로그램 명령어를 활용할 수도 있다. 이와 관련하여, 다양한 독창적인 개념이, 하나 이상의 컴퓨터 또는 다른 프로세서 상에서의 실행시, 상기에서 설명되는 다양한 실시형태 중 하나 이상을 구현하는 방법을 수행하는 하나 이상의 프로그램으로 인코딩되는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체(또는 다수의 컴퓨터 판독 가능 저장 매체)(예를 들면, 컴퓨터 메모리, 하나 이상의 플로피 디스크, 컴팩트 디스크, 광학 디스크, 자기 테이프, 플래시 메모리, 필드 프로그래머블 게이트 어레이 또는 다른 반도체 디바이스에서의 회로 구성, 또는 다른 유형의(tangible) 컴퓨터 저장 매체)로서 구체화될 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체 또는 매체들은, 그 상에 저장되는 프로그램 또는 프로그램들이 하나 이상의 상이한 컴퓨터 또는 다른 프로세서 상에 로딩되어 상기에서 설명되는 양태 중 다양한 양태를 구현할 수 있도록, 운반 가능할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 컴퓨터 판독 가능 매체는 비일시적 매체일 수도 있다.
용어 "프로그램" 또는 "소프트웨어"는, 상기에서 설명되는 바와 같은 다양한 양태를 구현하기 위해 컴퓨터 또는 다른 프로세서를 프로그래밍하도록 활용될 수 있는 임의의 타입의 컴퓨터 코드 또는 컴퓨터 실행가능 명령어의 세트를 가리키기 위한 일반적인 의미로 본원에서 사용된다. 추가적으로, 하나의 양태에 따르면, 실행시 본 개시의 방법을 수행하는 하나 이상의 컴퓨터 프로그램은, 단일의 컴퓨터 또는 프로세서 상에 상주할 필요는 없고, 다수의 상이한 컴퓨터 또는 프로세서 사이에서 모듈 방식으로 분산되어 본 개시의 다양한 양태를 구현할 수도 있다는 것이 인식되어야 한다.
컴퓨터 실행 가능 명령어는, 하나 이상의 컴퓨터 또는 다른 디바이스에 의해 실행되는, 프로그램 모듈과 같은 많은 형태로 존재할 수도 있다. 일반적으로, 프로그램 모듈은, 특정 태스크를 수행하는 또는 특정 추상 데이터 타입을 구현하는, 루틴, 프로그램, 오브젝트, 컴포넌트, 데이터 구조, 등등을 포함한다. 통상적으로, 프로그램 모듈의 기능성은 다양한 실시형태에서 소망되는 대로 결합 또는 분산될 수도 있다.
또한, 데이터 구조는, 임의의 적절한 형태로 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장될 수도 있다. 예시의 간략화를 위해, 데이터 구조는, 데이터 구조에서의 위치를 통해 관련되는 필드를 갖는 것으로 보일 수도 있다. 그러한 관계는, 필드 사이의 관계를 전달하는 컴퓨터 판독 가능 매체 내에서의 위치를 가지고 필드에 대한 저장을 할당하는 것에 의해 마찬가지로 달성될 수도 있다. 그러나, 포인터, 태그 또는 데이터 요소 사이의 관계를 확립하는 다른 메커니즘의 사용을 통하는 것을 비롯하여, 데이터 구조의 필드에 있는 정보 사이의 관계를 확립하기 위해 임의의 적절한 메커니즘이 사용될 수도 있다.
본 발명의 상기에서 설명된 실시형태는 임의의 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 예를 들면, 실시형태는 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합을 사용하여 구현될 수도 있다. 소프트웨어로 구현되는 경우, 소프트웨어 코드는, 단일 컴퓨터에서 제공되든 또는 다수의 컴퓨터 사이에서 분산되든 간에, 임의의 적절한 프로세서 또는 프로세서의 콜렉션 상에서 실행될 수 있다. 상기에서 설명되는 기능을 수행하는 임의의 컴포넌트 또는 컴포넌트의 콜렉션은, 상기 논의된 기능을 제어하는 컨트롤러로서 일반적으로 간주될 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 컨트롤러는 다양한 방식으로, 예컨대 전용 하드웨어를 사용하여, 또는 상기에서 열거되는 기능을 수행하도록 마이크로코드 또는 소프트웨어를 사용하여 프로그래밍되는 범용 하드웨어(예를 들면, 하나 이상의 프로세서)를 사용하여 구현될 수 있고, 컨트롤러가 시스템의 다수의 컴포넌트에 대응하는 경우, 조합의 방식으로 구현될 수도 있다.
또한, 컴퓨터는, 비제한적인 예로서, 랙 탑재형 컴퓨터, 데스크탑 컴퓨터, 랩탑 컴퓨터, 또는 태블릿 컴퓨터와 같은 다수의 형태 중 임의의 형태로 구현될 수도 있다는 것이 인식되어야 한다. 추가적으로, 컴퓨터는, 개인 휴대형 정보 단말(Personal Digital Assistant; PDA), 스마트 폰 또는 임의의 다른 적절한 휴대형 또는 고정식 전자 디바이스를 비롯한, 일반적으로 컴퓨터로 간주되지 않는 그러나 적절한 프로세싱 성능을 갖는 디바이스에 임베딩될 수도 있다.
또한, 컴퓨터는 하나 이상의 입력 및 출력 디바이스를 구비할 수도 있다. 이들 디바이스는, 다른 것들 중에서도, 유저 인터페이스를 제시하기 위해 사용될 수 있다. 유저 인터페이스를 제공하기 위해 사용될 수 있는 출력 디바이스의 예는, 출력의 시각적 표현을 위한 프린터 또는 디스플레이 스크린 및 출력의 가청의 표현을 위한 스피커 또는 다른 소리 발생 디바이스를 포함한다. 유저 인터페이스를 위해 사용될 수 있는 입력 디바이스의 예는, 키보드, 및 포인팅 디바이스, 예컨대 마우스, 터치 패드, 및 디지타이징 태블릿을 포함한다. 다른 예로서, 컴퓨터는 음성 인식을 통해 또는 다른 가청 포맷으로 입력 정보를 수신할 수도 있다.
그러한 컴퓨터는, 근거리 통신망 또는 광역 네트워크, 예컨대 기업 네트워크, 및 지능형 네트워크(intelligent network; IN) 또는 인터넷을 비롯한, 임의의 형태의 하나 이상의 네트워크에 의해 상호 접속될 수도 있다. 그러한 네트워크는 임의의 적절한 기술에 기초할 수도 있으며, 임의의 적절한 프로토콜에 따라 동작할 수도 있고, 무선 네트워크, 유선 네트워크 또는 광섬유 네트워크를 포함할 수도 있다.
또한, 상기에서 설명되는 바와 같이, 몇몇 양태는 하나 이상의 방법으로서 구현될 수도 있다. 방법의 일부로서 수행되는 액트는 임의의 적절한 방식으로 순서가 정해질 수도 있다. 따라서, 예시된 것과는 상이한 순서로 액트가 수행되는 실시형태가 구성될 수도 있는데, 그 상이한 순서는, 비록 예시적인 실시형태에서는 순차적인 액트로서 나타내어지지만, 몇몇 액트를 동시에 수행하는 것을 포함할 수도 있다.
본원에서 정의되고 사용되는 바와 같은 모든 정의는, 사전적 정의, 참조에 의해 통합되는 문헌에서의 정의, 및/또는 정의된 용어의 일반적인 의미를 제어하는 것으로 이해되어야 한다.
본원의 본 명세서 및 청구범위에서 사용되는 바와 같은 부정 관사 "a(한)" 및 "an(한)"은, 그렇지 않다고 명확하게 나타내어지지 않는 한, "적어도 하나"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
본원의 본 명세서 및 청구의 범위에서 사용되는 바와 같은 어구 "및/또는"은, 그렇게 결합되는 엘리먼트, 즉 몇몇 경우에 접속적으로(conjunctively) 존재하는 그리고 다른 경우에 이접적으로(disjunctively) 존재하는 엘리먼트의 "어느 하나 또는 둘 다"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. "및/또는"과 함께 열거되는 다수의 엘리먼트는, 동일한 방식으로 해석되어야 한다, 즉, 그렇게 결합되는 엘리먼트 중 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석해야 한다. 명시적으로 식별되는 그들 엘리먼트에 관련되든 또는 관련되지 않든 간에, "및/또는" 절에 의해 명시적으로 식별되는 엘리먼트 이외의 다른 엘리먼트가 옵션 사항으로(optionally) 존재할 수도 있다. 따라서, 비제한적인 예로서, "A 및/또는 B"에 대한 언급은, "포함하는(comprising)"과 같은 확장 가능한 언어(open-ended language)와 연계하여 사용되는 경우, 하나의 실시형태에서는, A만을(옵션 사항으로 B 이외의 엘리먼트를 포함함); 다른 실시형태에서는, B만을(옵션 사항으로 A 이외의 엘리먼트를 포함함); 또 다른 실시형태에서는, A 및 B 둘 다를(옵션 사항으로 다른 엘리먼트를 포함함); 등등을 가리킬 수 있다.
본원의 본 명세서 및 청구의 범위에서 사용되는 바와 같이, 하나 이상의 엘리먼트의 목록에 대한 참조에서 어구 "적어도 하나"는, 엘리먼트의 목록 내의 엘리먼트 중 임의의 하나 이상으로부터 선택되는 적어도 하나의 엘리먼트를 의미하는 것으로 이해되어야 하지만, 그러나 엘리먼트의 목록 내에서 명시적으로 열거되는 각각의 그리고 모든 엘리먼트 중 적어도 하나를 반드시 포함하는 것은 아니며 엘리먼트의 목록 내의 엘리먼트의 임의의 조합을 배제하는 것은 아니다. 이 정의는 또한, 명시적으로 식별되는 그들 엘리먼트에 관련되든 또는 관련되지 않든 간에, 어구 "적어도 하나"가 참조하는 엘리먼트의 목록 내에서 명시적으로 식별되는 엘리먼트 이외의 엘리먼트가 옵션 사항으로 존재할 수도 있다는 것을 허용한다. 따라서, 비제한적인 예로서, "A 및 B 중 적어도 하나"(또는, 등가적으로, "A 또는 B 중 적어도 하나", 또는, 등가적으로 "A 및/또는 B 중 적어도 하나")는, 하나의 실시형태에서는, B는 없이(그리고 옵션 사항으로 B 이외의 엘리먼트를 포함함), 옵션 사항으로 하나보다 많은 A를 포함하는 적어도 하나의 A; 다른 실시형태에서는, A는 없이(그리고 옵션 사항으로 A 이외의 엘리먼트를 포함함), 옵션 사항으로 하나보다 많은 B를 포함하는 적어도 하나의 B; 또 다른 실시형태에서는, 옵션 사항으로 하나보다 많은 A를 포함하는 적어도 하나의 A, 및 옵션 사항으로 하나보다 많은 B를 포함하는 적어도 하나의 B(및 옵션 사항으로 다른 엘리먼트를 포함함); 등등을 가리킬 수 있다.
또한, 본원에서 사용되는 문체 및 전문용어는 설명의 목적을 위한 것이며 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다. 본원에서의 "포함하는(including)", "포함하는(comprising)" 또는 "구비하는(having)", "함유하는(containing)", "수반하는(involving)", 및 이들의 변형어의 사용은, 그 이후에 열거되는 항목 및 그 등가물뿐만 아니라 추가적인 항목을 포함하도록 의도된다.
청구범위에서 뿐만 아니라, 상기의 명세서에서, "포함하는(comprising)", "포함하는(including)", "지니는(carrying)", "구비하는(having)", "함유하는(containing)", "수반하는(involving)", "보유하는(holding)", "로 구성되는(composed of)", 및 등등과 같은 모든 이행 어구(transitional phrase)는 개방형인 것으로, 즉 포함하지만 제한되지는 않는 것을 의미하도록 이해되어야 한다. 오로지 이행 어구 "로 구성되는(consisting of)" 및 "본질적으로 ~로 구성되는(consisting essentially of)"만이, 각각, 폐쇄형 또는 반폐쇄형 이행 어구(semi-closed transitional phrase)일 수 있을 것이다.

Claims (60)

  1. 저자계 자기 공명 이미징 시스템(low-field magnetic resonance imaging system)의 증폭기에 커플링되는 무선 주파수(radio frequency; RF) 코일을 튜닝하도록 구성되는 회로에 있어서,
    상기 증폭기의 입력에 걸쳐 커플링되는 튜닝 회로부(tuning circuitry); 및
    상기 증폭기의 출력과 상기 증폭기의 입력 사이에서 커플링되는 능동 피드백 회로부(active feedback circuitry)를 포함하는, 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 능동 피드백 회로부는 적어도 하나의 피드백 커패시터를 포함하는, 회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 튜닝 회로부는 상기 증폭기의 입력에 걸쳐 커플링되는 튜닝 커패시터를 포함하는, 회로.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 튜닝 회로부는 적어도 하나의 커패시터 및 적어도 하나의 인덕터를 포함하는 튜닝/매칭 네트워크를 포함하는, 회로.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 능동 피드백 회로부는 상기 RF 코일의 중심 주파수와는 위상이 90 도 또는 270 도 벗어나는 제1 피드백 신호를 제공하도록 구성되는, 회로.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 증폭기의 이득은 상기 RF 코일의 중심 주파수와는 위상이 90 도 또는 270 도 벗어나도록 튜닝되는, 회로.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 능동 피드백 회로부의 하나 이상의 컴포넌트는 상기 RF 코일의 중심 주파수와는 위상이 90 도 또는 270 도 벗어나는 제1 피드백 신호를 생성하도록 구성되는, 회로.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 능동 피드백 회로부는 상기 RF 코일의 중심 주파수와는 위상이 180 도 벗어나는 제2 피드백 신호를 제공하도록 구성되는, 회로.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 능동 피드백 회로부는 상기 RF 코일의 중심 주파수와는 위상이 180 도 벗어나는 피드백 신호를 제공하도록 구성되는, 회로.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 능동 피드백 회로부는 적어도 하나의 인덕터를 포함하는 상호 유도 회로부를 포함하는, 회로.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 인덕터는 상기 RF 코일에 상호 커플링되도록 구성되는, 회로.
  12. 저자계 자기 공명 이미징 시스템의 증폭기에 커플링되는 무선 주파수(RF) 코일을 튜닝하도록 구성되는 회로에 있어서,
    상기 RF 코일의 품질 인자(quality factor)를 감소시키기 위해 상기 증폭기의 출력과 상기 증폭기의 입력 사이에서 커플링되는 능동 피드백 회로부를 포함하는, 회로.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 능동 피드백 회로부는 적어도 하나의 피드백 커패시터를 포함하는, 회로.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 능동 피드백 회로부는 상기 RF 코일의 중심 주파수와는 위상이 90 도 또는 270 도 벗어나는 제1 피드백 신호를 제공하도록 구성되는, 회로.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 증폭기의 이득은 상기 RF 코일의 중심 주파수와는 위상이 90 도 또는 270 도 벗어나도록 튜닝되는, 회로.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 능동 피드백 회로부의 하나 이상의 컴포넌트는 상기 RF 코일의 중심 주파수와는 위상이 90 도 또는 270 도 벗어나는 제1 피드백 신호를 생성하도록 구성되는, 회로.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 능동 피드백 회로부는 상기 RF 코일의 중심 주파수와는 위상이 180 도 벗어나는 제2 피드백 신호를 제공하도록 구성되는, 회로.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 능동 피드백 회로부는 상기 RF 코일의 중심 주파수와는 위상이 180 도 벗어나는 피드백 신호를 제공하도록 구성되는, 회로.
  19. 저자계 자기 공명 이미징 시스템의 증폭기에 커플링되는 무선 주파수(RF) 코일을 튜닝하는 방법에 있어서,
    상기 증폭기의 제1 및 제2 입력에 걸쳐 튜닝 회로부를 배열하는 단계; 및
    상기 증폭기의 출력과 상기 증폭기의 입력 사이에서 능동 피드백 회로부를 커플링하는 단계를 포함하는, 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 능동 피드백 회로부를 사용하여, 상기 RF 코일의 중심 주파수와는 위상이 180 도 벗어나는 피드백 신호를 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  21. 저자계 자기 공명 이미징 시스템의 무선 주파수(RF) 코일에 커플링되도록 구성되는 스위칭 회로에 있어서,
    10 MHz 미만의 동작 주파수에서 RF 스위치로 동작하도록 구성되는 적어도 하나의 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor; FET)를 포함하는, 스위칭 회로.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 FET는 적어도 하나의 갈륨 질화물(GaN) FET를 포함하는, 스위칭 회로.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 GaN FET는 제1 GaN FET 및 제2 GaN FET를 포함하며, 상기 제1 GaN FET 및 상기 제2 GaN FET는 동일한 게이트 전압을 수신하도록 배열되는, 스위칭 회로.
  24. 제21항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 FET는 1 옴 미만의 온 상태 저항을 갖는, 스위칭 회로.
  25. 제21항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 FET는 15 피코패럿(picoFarad) 미만의 기생 드레인-소스 커패시턴스를 갖는, 스위칭 회로.
  26. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 FET에 게이트 전압을 인가하도록 구성되는 구동 회로부를 더 포함하며, 상기 구동 회로부는 상기 적어도 하나의 FET로부터 전압 소스를 분리하도록 구성되는 적어도 하나의 분리 엘리먼트(isolation element)를 포함하는, 스위칭 회로.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 분리 엘리먼트는 변압기(transformer)를 포함하는, 스위칭 회로.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 변압기는 공심 변압기(air core transformer)인, 스위칭 회로.
  29. 제26항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 분리 엘리먼트는 적어도 하나의 저항기를 포함하는, 스위칭 회로.
  30. 제26항에 있어서,
    상기 구동 회로부는 적어도 하나의 저항기를 통해 상기 적어도 하나의 FET의 게이트에 커플링되는 H 브리지 회로(H-bridge circuit)를 포함하는, 스위칭 회로.
  31. 제26항에 있어서,
    상기 구동 회로부는 변압기를 통해 상기 적어도 하나의 FET의 게이트에 커플링되는 AC 전압 소스를 포함하는, 스위칭 회로.
  32. 제26항에 있어서,
    상기 구동 회로부는 상기 적어도 하나의 분리 엘리먼트와 상기 적어도 하나의 FET의 게이트 사이에서 커플링되는 다이오드를 포함하며, 상기 다이오드는 상기 적어도 하나의 FET의 게이트에 DC 전압을 제공하기 위해 입력 AC 전압을 정류하도록 구성되는, 스위칭 회로.
  33. 제26항에 있어서,
    상기 구동 회로부는 상기 RF 코일에 커플링되는 인덕터를 포함하며, 상기 인덕터는 상기 인덕터에 의해 감지되는 송신 펄스에 기초하여 상기 적어도 하나의 FET의 게이트를 구동하도록 구성되는, 스위칭 회로.
  34. 저자계 자기 공명 이미징 시스템에서 무선 주파수 스위치로서 동작하도록 구성되는 적어도 하나의 전계 효과 트랜지스터(FET)에 게이트 전압을 인가하도록 구성되는 구동 회로에 있어서,
    상기 적어도 하나의 FET로부터 전압 소스를 분리하도록 구성되는 적어도 하나의 분리 엘리먼트를 포함하는, 구동 회로.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 분리 엘리먼트는 공심 변압기를 포함하는, 구동 회로.
  36. 제34항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 분리 엘리먼트는 적어도 하나의 저항기를 포함하는, 구동 회로.
  37. 제34항에 있어서,
    적어도 하나의 저항기를 통해 상기 적어도 하나의 FET의 게이트에 커플링되는 H 브리지 회로를 더 포함하는, 구동 회로.
  38. 제34항에 있어서,
    변압기를 통해 상기 적어도 하나의 FET의 게이트에 커플링되는 AC 전압 소스를 더 포함하는, 구동 회로.
  39. 제34항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 분리 엘리먼트와 상기 적어도 하나의 FET의 게이트 사이에서 커플링되는 다이오드를 더 포함하며, 상기 다이오드는 상기 적어도 하나의 FET의 게이트에 DC 전압을 제공하기 위해 입력 AC 전압을 정류하도록 구성되는, 구동 회로.
  40. 제34항에 있어서,
    상기 RF 코일에 커플링되는 인덕터를 더 포함하며, 상기 인덕터는 상기 인덕터에 의해 감지되는 송신 펄스에 기초하여 상기 적어도 하나의 FET의 게이트를 구동하도록 구성되는, 구동 회로.
  41. 저자계 자기 공명 이미징 시스템에서 사용되는 무선 주파수(RF) 코일에 있어서,
    제1 측 및 제2 측을 구비하는 기판; 및
    상기 제1 측과 상기 제2 측 사이에서 이격되는 제1 복수의 위치에서 상기 제1 측으로부터 상기 제2 측으로 상기 기판 주위에 감기는 제1 부분 및 상기 제1 측과 상기 제2 측 사이에서 이격되는 제2 복수의 위치에서 상기 제2 측으로부터 상기 제1 측으로 상기 기판 주위에 감기는 제2 부분을 포함하는 도체를 포함하고, 상기 제1 복수의 위치는 상기 제1 측과 상기 제2 측 사이에서 이격되는 상기 제2 복수의 위치와 엇갈리는, 무선 주파수(RF) 코일.
  42. 제41항에 있어서,
    상기 제1 부분은 상기 제1 측으로부터 상기 제2 측으로 상기 기판의 원주 주위에 감기는 일련의 완전 턴(full turn)을 포함하고, 상기 제2 부분은 상기 제2 측으로부터 상기 제1 측으로 상기 기판의 원주 주위에 감기는 일련의 완전 턴을 포함하는, 무선 주파수(RF) 코일.
  43. 제41항에 있어서,
    상기 제1 부분은 상기 제1 측으로부터 상기 제2 측으로 상기 기판의 원주 주위에 감기는 제1 부분 턴(partial turn)을 포함하고, 상기 제2 부분은 상기 제2 측으로부터 상기 제1 측으로 상기 기판의 원주 주위에 감기는 제2 부분 턴을 포함하는, 무선 주파수(RF) 코일.
  44. 제43항에 있어서,
    상기 제1 부분 턴 및 상기 제2 부분 턴은 180 도 턴인, 무선 주파수(RF) 코일.
  45. 제41항에 있어서,
    상기 제1 복수의 위치 및 상기 제2 복수의 위치는 동일한 간격을 사용하여 상기 기판의 제1 측으로부터 이격되는, 무선 주파수(RF) 코일.
  46. 제41항에 있어서,
    상기 도체는, 전류가 상기 도체를 통과할 때, 배열내 대칭성이 공통 모드 전압의 적어도 일부를 상쇄하도록 상기 기판 상에 배열되는, 무선 주파수(RF) 코일.
  47. 저자계 자기 공명 이미징 시스템에서 사용되는 무선 주파수(RF) 코일을 제조하는 방법에 있어서,
    복수의 레벨 - 각각의 레벨은 기판의 제1 측으로부터 상이한 거리로 배열됨 - 로 형성되어 있는 원주 홈(circumferential groove) 및 상기 복수의 레벨 중 인접한 레벨을 연결하는 연결 홈(connecting groove)을 구비하는 상기 기판을 제공하는 단계;
    상기 원주 홈의 제1 부분 및 상기 연결 홈 내부에서, 도체의 제1 부분을 상기 기판의 제1 측으로부터 상기 기판의 제2 측으로 감는(winding) 단계; 및
    상기 원주 홈의 제2 부분 및 상기 연결 홈 내에서, 상기 도체의 제2 부분을 상기 기판의 제2 측으로부터 상기 기판의 제1 측으로 감는 단계를 포함하고, 상기 원주 홈의 제1 부분은 상기 원주 홈의 제2 부분과 중첩되지 않는, 방법.
  48. 제47항에 있어서,
    상기 원주 홈의 제1 부분은 상기 복수의 레벨의 교호 레벨로 배열되는, 방법.
  49. 제47항에 있어서,
    상기 원주 홈의 제1 부분은 상기 복수의 레벨의 각각의 일부로서 배열되는, 방법.
  50. 제47항에 있어서,
    상기 원주 홈은 상기 기판의 제1 측으로부터 상기 제2 측까지 서로 동일한 거리로 이격되는, 방법.
  51. 제47항에 있어서,
    상기 원주 홈의 제1 부분 내에서 감는 것은 상기 제1 측으로부터 상기 제2 측으로 상기 기판의 원주 주위에서 일련의 완전 턴을 감는 것을 포함하고,
    상기 원주 홈의 제2 부분 내에서 감는 것은 상기 제2 측으로부터 상기 제1 측으로 상기 기판의 원주 주위에서 일련의 완전 턴을 감는 것을 포함하는, 방법.
  52. 제47항에 있어서,
    상기 원주 홈의 제1 부분 내에서 감는 것은 상기 제1 측으로부터 상기 제2 측으로 상기 기판의 원주 주위에서 제1 부분 턴을 감는 것을 포함하고,
    상기 원주 홈의 제2 부분 내에서 감는 것은 상기 제2 측으로부터 상기 제1 측으로 상기 기판의 원주 주위에서 제2 부분 턴을 감는 것을 포함하는, 방법.
  53. 제52항에 있어서,
    상기 제1 부분 턴 및 상기 제2 부분 턴은 180 도 턴인, 방법.
  54. 제47항에 있어서,
    상기 도체의 제1 및 제2 부분을 감는 것은, 전류가 상기 도체를 통과할 때 배열내 대칭성이 공통 모드 전압의 적어도 일부를 상쇄하도록 상기 도체를 배열하는 것을 포함하는, 방법.
  55. 저자계 자기 공명 이미징 시스템에서 사용되는 무선 주파수(RF) 코일에 있어서,
    제1 측 및 제2 측을 구비하는 기판; 및
    균형 잡힌 권선 패턴(balanced winding pattern)으로 상기 기판 주위에 감기는 도체를 포함하고, 상기 균형 잡힌 권선 패턴에서, 상기 제1 측으로부터 상기 제2 측으로 상기 기판 주위에 감기는 도체의 제1 부분은 상기 제2 측으로부터 상기 제1 측으로 상기 기판 주위에 감기는 도체의 제2 부분 위로 교차하는, 무선 주파수(RF) 코일.
  56. 제55항에 있어서,
    상기 균형 잡힌 권선 패턴은 상기 제1 측으로부터 상기 제2 측으로 상기 기판의 원주 주위에 감기는 제1 일련의 완전 턴 및 상기 제2 측으로부터 상기 제1 측으로 상기 기판의 원주 주위에 감기는 제2 일련의 완전 턴을 포함하는, 무선 주파수(RF) 코일.
  57. 제55항에 있어서,
    상기 균형 잡힌 권선 패턴은 상기 제1 측으로부터 상기 제2 측으로 상기 기판의 원주 주위에 감기는 제1 부분 턴 및 상기 제2 측으로부터 상기 제1 측으로 상기 기판의 원주 주위에 감기는 제2 부분 턴을 포함하는, 무선 주파수(RF) 코일.
  58. 제57항에 있어서,
    상기 제1 부분 턴 및 상기 제2 부분 턴은 180 도 턴인, 무선 주파수(RF) 코일.
  59. 제55항에 있어서,
    상기 균형 잡힌 권선 패턴은 상기 제1 측으로부터 상기 제2 측까지 복수의 레벨을 포함하고, 상기 복수의 레벨은 상기 제1 측으로부터 상기 제2 측까지 동일하게 이격되는, 무선 주파수(RF) 코일.
  60. 제55항에 있어서,
    상기 도체는, 전류가 상기 도체를 통과할 때, 배열내 대칭성이 공통 모드 전압의 적어도 일부를 상쇄하도록 상기 기판 상에 배열되는, 무선 주파수(RF) 코일.
KR1020207034056A 2018-05-21 2019-05-21 저자계 mri 시스템용 무선 주파수 코일 신호 체인 KR20210013567A (ko)

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US201862674458P 2018-05-21 2018-05-21
US62/674,458 2018-05-21
US201862692454P 2018-06-29 2018-06-29
US62/692,454 2018-06-29
PCT/US2019/033269 WO2019226624A1 (en) 2018-05-21 2019-05-21 Radio-frequency coil signal chain for a low-field mri system

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