KR20210058324A - 새장형 코일과 다이폴 안테나 조합을 기반으로 하는 자기공명영상용 rf 코일 - Google Patents

Abstract

본 발명은 새장형 코일과 다이폴 안테나를 조합하여 자기장(B1)의 민감도와 균질도를 개선할 수 있는 자기공영 영상용 RF 코일에 관한 것으로, 중심축(Z축)에 나란하게 이격되어 배치되는 한 쌍의 엔드링(111)(112)과, 상기 엔드링(111)(112)을 서로 연결하는 복수 개의 레그(113)를 포함하는 새장형 코일 유닛(110)과; 상기 새장형 코일 유닛(110)의 중심축(Z축)과 나란하게 일정 반경 상에 배치되는 복수 개의 다이폴 안테나(121)(122)로 구성된 다이폴 안테나 유닛(120)을 포함하며, 상기 다이폴 안테나 유닛(120)은 상기 새장형 코일 유닛(110)의 수직 높이 구간 범위 내에 배치됨을 특징으로 한다.

Description

새장형 코일과 다이폴 안테나 조합을 기반으로 하는 자기공명영상용 RF 코일{RF coil based on birdcage coil and dipole antenna for MRI}

본 발명은 새장형 코일과 다이폴 안테나를 조합하여 자기장(B1)의 민감도(sensitivity)와 균질도(homogeneity)를 개선할 수 있는 자기공영 영상용 RF 코일에 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.

이러한 RF 코일은 검사 대상체에 따라서 다양한 코일이 나와 있으나, 개별 코일만으로 신호대 잡음비(SNR)을 개선하는 것에는 한계가 있다.

공개특허공보 제10-2009-0053181호(공개일자: 2009.05.27.) 등록특허공보 제10-1765649호(공고일자: 2017.08.07.)

본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 개선하고자 하는 것으로, 새장형 코일과 다이폴 안테나를 조합하여 자기장(B1)의 민감도와 균질도를 개선할 수 있는 자기공영 영상용 RF 코일을 제공하고자 하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자기공영 영상용 RF 코일은, 중심축(Z축)에 나란하게 이격되어 배치되는 한 쌍의 엔드링과, 상기 엔드링을 서로 연결하는 복수 개의 레그를 포함하는 새장형 코일 유닛과; 상기 새장형 코일 유닛의 중심축(Z축)과 나란하게 일정 반경 상에 배치되는 복수 개의 다이폴 안테나로 구성된 다이폴 안테나 유닛을 포함하며, 상기 다이폴 안테나 유닛은 상기 새장형 코일 유닛의 수직 높이 구간 범위 내에 배치됨을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 다이폴 안테나은 중앙부가 상기 엔드링 중의 어느 하나와 동일한 높이에 배치된다.

바람직하게는, 상기 새장형 코일 유닛과 상기 다이폴 안테나가 고정되어 지지되는 원통형의 몸체부를 더 포함한다.

보다 바람직하게는, 상기 다이폴 안테나를 구성하는 한 쌍의 도체 스트립 중의 하나는 중심축(Z축)에 대해 일정 각도(θ)의 경사를 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 자기공영 영상용 RF 코일은, 새장형 코일 유닛과, 새장형 코일 유닛의 중심축(Z축)과 나란하게 일정 반경 상에 배치되는 복수 개의 다이폴 안테나로 구성된 다이폴 안테나 유닛을 포함하며, 다이폴 안테나 유닛은 새장형 코일 유닛의 수직 높이 구간 범위 내에 배치됨으로써, 정상파(standing wave)를 기반으로 하는 새장형 코일 유닛과 진행파(traveling wave)를 기반으로 하는 다이폴 안테나 유닛이 조합되어 RF 자기장의 민감도와 균질도를 개선할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 자기공명 영상용 RF 코일의 사시 구성도,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 자기공명 영상용 RF 코일의 측면도,
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 자기공명 영상용 RF 코일의 측면도,
도 4의 (a)(b)(c)는 각각 비교예와 본 발명의 실시예의 자기공영 영상용 RF 코일에 대한 전자기장 시뮬레이션을 통해 얻은 자기장 분포도 결과를 보여주는 도면.

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.

어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 또는 "직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에"또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함한다" 또는 "가지다"등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

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

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 자기공명 영상용 RF 코일의 사시 구성도이며, 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 자기공명 영상용 RF 코일(이하, "RF 코일"로도 약칭함)의 측면도이다. 도 2에서는 도 1의 원통형 몸체부(130)가 생략되어 있다.

도 1 및 도 2를 참고하면, 제1실시예의 RF 코일(100)은, 나란하게 이격되어 배치되는 한 쌍의 엔드링(111)(112)과, 엔드링(111)(112)을 서로 연결하는 복수 개의 레그(113)를 포함하는 새장형 코일 유닛(110)과; 새장형 코일 유닛(110)의 중심축(Z축)과 나란하게 일정 반경 상에 배치되는 복수 개의 다이폴 안테나(121)(122)로 구성된 다이폴 안테나 유닛(120)을 포함하며, 바람직하게는, 다이폴 안테나 유닛(120)은 새장형 코일 유닛(110)의 수직 높이 구간 범위 내에 배치된다. 한편, 각 코일 유닛(110)(120)이 고정되어 지지되는 중공의 원통형 몸체부(130)를 더 포함할 수 있다.

새장형 코일 유닛(110)은 제1엔드링(111)과 제2엔드링(112)이 서로 동일 축(Z축) 상에서 서로 이격되어 나란하게 배치되며, 제1엔드링(111)과 제2엔드링(112) 사이에 직각 방향(Z축)으로 복수의 레그(113)가 연결된다. 제1엔드링(111), 제2엔드링(112), 및 각 레그(113)는 공진주파수를 갖도록 튜닝 캐패시터(미도시)가 구비된다.

다이폴 안테나 유닛(120)은 복수의 다이폴 안테나가 새장형 코일 유닛(110)과 대략 동일 반경 상에 배치되며, 각 다이폴 안테나(121)(122)는 상하에 대칭되는 한 쌍의 도체 스트립으로 구성된다. 각 다이폴 안테나(121)(122)를 구성하는 두 개의 도체 스트립은 각각 동축 케이블(미도시)의 신호선과 접지선에 연결된다. 각 다이폴 안테나의 길이는 동작 주파수(공진 주파수)의 반 파장(λ/2) 내지 한 파장(λ)으로 결정된다. 7T의 자기공명 영상장치에서 수소(H)의 공진주파수(300㎒)에 대한 반파장은 약 50㎝이다.

이러한 다이폴 안테나 유닛(120)은 새장형 코일 유닛(110)의 수직 높이 구간의 범위 내에서 배치되며, 바람직하게는, 각 다이폴 안테나(121)(122)의 중앙부가 제1엔드링(111) 또는 제2엔드링(112) 중의 어느 하나와 동일 높이에 배치되며, 본 실시예에서 다이폴 안테나 유닛(120)의 중앙부가 제1엔드링(111)과 대략 동일 높이에 배치된 것을 보여주고 있다.

원통형 몸체부(130)는 대략 새장형 코일 유닛(110)과 동일한 반경을 갖는 절연 소재의 부재에 의해 제공될 수 있으며, 예를 들어, 투명한 아크릴 등의 절연성 소재가 사용될 수 있다. 원통형 몸체부(130)는 각 코일 유닛(110)(120)이 고정되어 지지되는 구조물의 역할을 하며, 예를 들어, 새장형 코일 유닛(110)은 원통형 몸체부(130)의 내측면에 마련되고 다이폴 안테나 유닛(120)은 원통형 몸체부(130)의 외측면에 마련되어 새장형 코일 유닛(110)과 다이폴 안테나 유닛(120)은 서로 전기적으로 절연된다.

도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 자기공명 영상용 RF 코일의 측면도이다.

도 3을 참고하면, 제2실시예의 RF 코일(200)은, 한 쌍의 엔드링과, 엔드링을 서로 연결하는 복수 개의 레그를 포함하는 새장형 코일 유닛(210)과; 엔드링 중의 어느 하나에 축방향(Z)으로 배치되는 복수 개의 다이폴 안테나(221)(222)로 구성된 다이폴 안테나 유닛(220)을 포함하는 것은 제1실시예와 동일하며, 이하 중복되는 설명은 생략한다.

바람직하게는, 제2실시예에서 각 다이폴 안테나(121)(122)은 중앙부가 제1엔드링(211)과 동일한 높이에 배치되며, 상단에 위치하게 되는 제1도체 스트립(221)은 중심축(Z축)에 대해 일정 각도(θ)의 경사를 갖는 것을 특징으로 한다. 바람직하게는, 제1도체 스트립(221)은 중심축(Z축)에 대해 90°이하의 경사각을 갖는 것을 특징으로 한다. 한편, 각 다이폴 안테나(221)(222) 중에서 제2도체 스트립(222)은 중심축(Z축)과 나란하게 배치된다.

제2실시예의 RF 코일(200)은 두부용 자기공명 영상에서 두부의 상부를 감싸도록 제1도체 스트립(221)이 경사를 갖고 마련되어 RF 코일의 사이즈(높이)를 줄일 수 있으며, 최적의 자기장 분포를 얻어 고해상도 자기공명 영상신호를 얻을 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명은 정상파(standing wave)를 기반으로 하는 새장형 코일 유닛과 진행파(traveling wave)를 기반으로 하는 다이폴 안테나 유닛이 조합됨으로써 자기장의 민감도와 균질도를 높일 수 있다.

도 4의 (a)(b)(c)는 각각 비교예와 본 발명의 실시예의 자기공영 영상용 RF 코일에 의한 전자기장 시뮬레이션에 의한 자기장 분포도 결과를 보여주는 도면으로, (a)는 새장형 코일 유닛 단독에 대한 실시예(비교예1)이며, (b)는 다이폴 안테나 유닛 단독에 대한 실시예(비교예2)이며, (c)는 제1실시예이며, (d)는 제2실시예에 대한 결과를 보여주고 있다. 각 시뮬레이션 결과는 7T의 동일 조건에서 수행되었다.

도 4의 (a)를 참고하면, 비교예1(새장형 코일 유닛 단독)에서 전체 두부 영역에 대한 자기장 분포의 균일도가 떨어지는 것을 알 수 있으며, 도 4의 (b)에서 비교예2(다이폴 안테나 단독)에서는 RF 침투깊이가 비교예1과 대비하여 개선된 것을 확인할 수 있으나, 다이폴 안테나 단독으로 사용하는 경우에는 SNR의 저하를 야기하여 영상획득 시간의 단축과 고해상도 자기공영영상 신호 획득에 불리하다.

다음으로 도 4의 (c)와 (d)에서 확인할 수 있듯이, 비교예1,2와 대비하여 자기장 분포의 균일도와 민감도가 개선된 것을 알 수 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, 200 : RF 코일 110, 210 : 새장형 코일 유닛
111, 112 : 엔드링 113 : 레그
111, 112, 211, 222 : 다이폴 안테나
120, 220 : 다이폴 안테나 유닛 130 : 원통형 몸체부

Claims (4)

1. 중심축(Z축)에 나란하게 이격되어 배치되는 한 쌍의 엔드링과, 상기 엔드링을 서로 연결하는 복수 개의 레그를 포함하는 새장형 코일 유닛과;
   상기 새장형 코일 유닛의 중심축(Z축)과 나란하게 일정 반경 상에 배치되는 복수 개의 다이폴 안테나로 구성된 다이폴 안테나 유닛을 포함하며,
   상기 다이폴 안테나 유닛은 상기 새장형 코일 유닛의 수직 높이 구간 범위 내에 배치됨을 특징으로 하는 자기공명 영상용 RF 코일.
2. 제1항에 있어서, 상기 다이폴 안테나은 중앙부가 상기 엔드링 중의 어느 하나와 동일한 높이에 배치됨을 특징으로 하는 자기공명 영상용 RF 코일.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 새장형 코일 유닛과 상기 다이폴 안테나가 고정되어 지지되는 원통형의 몸체부를 더 포함하는 자기공명 영상용 RF 코일.
4. 제2항에 있어서, 상기 다이폴 안테나를 구성하는 한 쌍의 도체 스트립 중의 하나는 중심축(Z축)에 대해 일정 각도(θ)의 경사를 갖는 것을 특징으로 하는 자기공명 영상용 RF 코일.

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