KR20220040977A - Apparatus for generating Field Free, Apparatus and Method for Nano Magnetic Particle Image - Google Patents

Apparatus for generating Field Free, Apparatus and Method for Nano Magnetic Particle Image Download PDF

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Abstract

An embodiment discloses a nanomagnetic particle imaging device using a three-dimensional small magnet array. A field-free generating device according to the embodiment may install a pair of square magnets wherein a hexahedral housing having an opening formed on one side surface thereof is formed so that a measuring head is inserted into a separation part, and each installed on two opposite side surfaces among four side surfaces perpendicular to one side surface in the housing; and a pair of magnet arrays wherein a plurality of small magnets are arranged at the edge of the opening each on one side surface of the housing and the other side surface facing the one side surface. Therefore, the present invention is capable of increasing a degree of freedom in the movement of a sample.

Description

필드프리 생성 장치, 나노 자성 입자 영상화 장치 및 방법{Apparatus for generating Field Free, Apparatus and Method for Nano Magnetic Particle Image} Apparatus for generating Field Free, Apparatus and Method for Nano Magnetic Particle Image

기재된 실시예는 시료에 포함된 특정 물체에 대한 영상화 기술에 관한 것으로, 특히 나노 자성 입자(Nano Magnetic Particle, NMP) 물질의 공간상의 분포를 영상화하는 기술에 관한 것이다. The described embodiment relates to an imaging technique for a specific object included in a sample, and more particularly, to a technique for imaging the spatial distribution of a nano-magnetic particle (NMP) material.

초상자성입자(Superparamagnetic iron oxide nano particle, SPIOs)를 이용한 자성 입자 영상화(Magnetic Particle Imaging, MPI)는 PET(Positron Emission Tomography)를 대체하는 의료 영상 장비의 기술로써 2005년 원리가 발표 이후에 많은 연구 개발이 진행되고 있는 차세대 의료 영상 기법이다. Magnetic particle imaging (MPI) using superparamagnetic iron oxide nano particles (SPIOs) is a medical imaging equipment technology that replaces PET (Positron Emission Tomography). This is an ongoing next-generation medical imaging technique.

이는 3차원 공간으로 확장 가능한 MPI 장비를 만들기 위해서는 공간의 지점, 선, 면에서 자기장의 세기가 0(zero)에 가까운 필드프리 영역인 필드프리 포인트(Field Free Point, FFP) 또는 필드프리 라인(Field Free Line, FFP)을 생성할 필요가 있다. 여기서, FFP 또는 FFL에서 자기장의 기울기가 급격하면 급격할수록 해상도가 좋아지기 때문에 공간상에 이러한 영역을 생성하는 것이 MPI에서 핵심 기술이다. This is a field free point (FFP) or field free line (Field Free Point), which is a field-free area where the magnetic field strength is close to 0 (zero) at points, lines, and planes in space in order to make MPI equipment that can be expanded into three-dimensional space. You need to create a Free Line (FFP). Here, the sharper the steepness of the magnetic field in the FFP or FFL, the better the resolution, so creating such a region in space is a key technique in MPI.

그런데, 현재까지 제안된 방법은 다른 모든 전자기장 생성 방법과 마찬가지로 크게 전자석을 이용하는 방법과 영구자석을 이용하는 방법의 두 가지로 나눌 수 있다. However, the method proposed so far, like all other electromagnetic field generation methods, can be largely divided into two types: a method using an electromagnet and a method using a permanent magnet.

이중, 전자석을 이용하는 방법은 전류의 세기와 코일의 위치를 가지고 전자기자의 발생 위치를 제어할 수 있다. 하지만 현재까지 상용화되어 있거나 연구용으로 제작된 전자석 기반의 MPI 장비는 수십~수백 Kw까지 전력을 소모함에도 불구하고 실험용 마우스와 같이 비교적 매우 작은 시료 외에는 측정이 불가능하다는 단점이 있다. Among them, the method using the electromagnet can control the position of the electromagnetic field with the strength of the current and the position of the coil. However, although the electromagnet-based MPI equipment that has been commercialized or manufactured for research so far consumes power up to several tens to hundreds of kilowatts, it has a disadvantage in that it is impossible to measure except for relatively very small samples such as mice for experiments.

한편, 영구 자석을 이용하는 방법은 전력 소모가 거의 없고 장비를 소형화할 수 있다는 장점에도 불구하고 FFL 또는 FFP를 생성하기 위해 대형 자석을 사용할 수 밖에 없다. 이러한 대형 자석은 제작하기도 어려울 뿐만 아니라 표면 자력의 세기가 고르지 못하다는 점과 아울러, 강한 자력으로 인하여 대형 안전 사고의 위험이 있고 실제 많은 사고가 발생 가능성이 있다. On the other hand, the method using a permanent magnet has no choice but to use a large magnet to generate the FFL or FFP, despite the advantages of little power consumption and downsizing of equipment. Such a large magnet is difficult to manufacture, and the strength of the surface magnetic force is not uniform, and there is a risk of a large safety accident due to the strong magnetic force, and there is a possibility that many accidents may actually occur.

실시예에 따라 대형 자석이 아닌 소형 자석들의 배열과 중형 크기의 사각자석을 이용하여 영구 자석을 이용한 MPI에서의 필드 프리 영역을 생성시켜, 대형 자석이 가지는 단점을 극복하는데 그 목적이 있다. According to the embodiment, the field-free region in the MPI using a permanent magnet is created using an arrangement of small magnets, not a large magnet, and a medium-sized square magnet, thereby overcoming the disadvantages of the large magnet.

실시예에 따른 필드프리 생성 장치는, 측정 헤드가 이격 영역 내에 삽입되도록 일 측면에 개구가 형성된 육면체의 하우징이 형성되고, 하우징에서 일 측면에 수직한 네 측면들 중 마주하는 두 측면들에 각각에 설치되는 한 쌍의 사각 자석들 및 하우징의 일측면 및 일측면에 마주보는 다른 측면 각각에 복수의 소형 자석 들이 개구의 가장 자리에 배열된 한 쌍의 자석 어레이들이 설치될 수 있다. In the field-free generating device according to the embodiment, a hexahedral housing having an opening formed on one side thereof is formed so that the measuring head is inserted into the spaced area, and on each of the two opposite sides of the four sides perpendicular to one side of the housing. A pair of installed square magnets and a pair of magnet arrays in which a plurality of small magnets are arranged at the edge of the opening on one side of the housing and the other side facing the one side may be installed.

이때, 복수의 소형 자석들은, 개구 가장자리에 원형으로 배열될 수 있다. In this case, the plurality of small magnets may be arranged in a circle at the edge of the opening.

이때, 필드프리 영역은, 필드프리 점(Field Free Point, FFP) 또는 필드프리 라인(Field Free Line, FFL)일 수 있다. In this case, the field free area may be a field free point (FFP) or a field free line (FFL).

실시예에 따른 필드프리 생성 장치는, 한 쌍의 사각 자석들을 선형 이동 또는 회전시키는 제1 구동부를 더 포함할 수 있다.The field-free generating apparatus according to the embodiment may further include a first driving unit that linearly moves or rotates the pair of square magnets.

실시예에 따른 나노 자성 입자 영상화 장치는, 나노 자성 입자를 포함하는 시료가 수용되는 관통공이 형성되고, 여기 코일 및 검출 코일이 설치되는 측정헤드, 대면하는 동일한 자기극들간의 이격 영역 내에 자기장이 희박한 필드프리 영역을 형성하는 필드프리 생성부, 측정헤드가 필드프리 생성부의 이격 영역 내에 위치됨에 따라, 여기 코일에 신호를 인가하고, 필드프리 영역이 시료 내에서 이동되도록 제어하여, 검출 코일로부터 출력되는 검출 신호를 기반으로 시료에 포함된 나노 자성 입자의 3차원 위치 분포를 영상화하는 제어부를 포함하되, 필드프리 생성부는, 한 쌍의 사각 자석들 및 복수의 소형 자석들이 배열된 한 쌍의 자석 어레이들을 포함할 수 있다. In the magnetic nanoparticle imaging apparatus according to the embodiment, a through hole in which a sample containing the magnetic nanoparticle is accommodated is formed, a measurement head in which an excitation coil and a detection coil are installed, and a magnetic field in a spaced region between the same facing magnetic poles As the field-free generator and the measuring head that form the field-free region are positioned within the spaced region of the field-free generator, a signal is applied to the excitation coil, and the field-free region is controlled to move within the sample, which is output from the detection coil. A control unit for imaging the three-dimensional position distribution of the nano magnetic particles included in the sample based on the detection signal, wherein the field-free generation unit generates a pair of magnet arrays in which a pair of square magnets and a plurality of small magnets are arranged may include

이때, 필드프리 생성부는, 측정 헤드가 이격 영역 내에 삽입되도록 일 측면에 개구가 형성된 육면체의 하우징을 포함하되, 하우징에서 일 측면에 수직한 네 측면들 중 마주하는 두 측면들에 각각에 한 쌍의 사각 자석들이 설치되고, 하우징의 일측면 및 일측면에 마주보는 다른 측면 각각에 복수의 소형 자석 들이 개구의 가장 자리에 배열된 한 쌍의 자석 어레이들이 설치될 수 있다. In this case, the field-free generator includes a hexahedral housing having an opening formed on one side so that the measuring head is inserted into the spaced area, and a pair of Square magnets are installed, and a pair of magnet arrays in which a plurality of small magnets are arranged at the edge of the opening may be installed on one side of the housing and the other side facing one side, respectively.

이때, 복수의 소형 자석들은, 개구 가장자리에 원형으로 배열될 수 있다. In this case, the plurality of small magnets may be arranged in a circle at the edge of the opening.

이때, 필드프리 영역은, 필드프리 포인트(Field Free Point, FFP) 또는 필드프리 라인(Field Free Line, FFL)일 수 있다. In this case, the field free area may be a field free point (FFP) or a field free line (FFL).

이때, 제어부는, 검출 신호를 기반으로 시료의 단면에 포함된 나노 자성 입자의 2차원 위치 분포인 2차원 영상을 생성하고, 서로 수평한 복수의 단면들에 상응하는 복수의 2차원 영상들을 합성하여 3차원 영상을 생성할 수 있다. At this time, the controller generates a two-dimensional image that is a two-dimensional position distribution of the magnetic nanoparticles included in the cross-section of the sample based on the detection signal, and synthesizes a plurality of two-dimensional images corresponding to a plurality of cross-sections that are horizontal to each other. A 3D image can be created.

실시예에 따른 나노 자성 입자 영상화 장치는, 한 쌍의 사각 자석들을 선형 이동 또는 회전시키는 제1 구동부를 더 포함할 수 있다. The magnetic nanoparticle imaging apparatus according to the embodiment may further include a first driving unit for linearly moving or rotating the pair of square magnets.

이때, 제어부는, 제1 구동부를 제어하여 한 쌍의 사각 자석들의 일 방향으로 선형 이동 및 일 방향과 소정 각도만큼 회전을 반복 수행하여, 필드프리 영역 이동에 따라 검출 신호로부터 출력된 신호로 사이노그램을 생성하고, 생성된 사이노그램을 역 라돈 변환하여 2차원 영상을 생성할 수 있다. At this time, the control unit controls the first driving unit to repeatedly perform linear movement in one direction and rotation in one direction and a predetermined angle of the pair of square magnets, so that the signal output from the detection signal according to the movement of the field-free area is converted into a cyno A gram may be generated, and the generated sinogram may be inversely radon-transformed to generate a two-dimensional image.

실시예에 따른 나노 자성 입자 영상화 장치는, 측정헤드를 필드프리 생성부의 개구를 통해 이격 영역으로 이동시키는 제2 구동부를 더 포함할 수 있다. The magnetic nanoparticle imaging apparatus according to the embodiment may further include a second driving unit for moving the measuring head to the spaced area through the opening of the field-free generating unit.

이때, 제어부는, 측정헤드를 시료의 단면에 수직한 방향으로 소정 단위 길이만큼 이동시키면서 2차원 영상을 생성을 반복할 수 있다. In this case, the controller may repeat the generation of the two-dimensional image while moving the measuring head by a predetermined unit length in a direction perpendicular to the cross-section of the sample.

실시예에 따른 나노 자성 입자 영상화 방법은, 나노 자성 입자를 포함하는 시료를 수용한 측정헤드에 설치된 여기 코일에 신호를 인가하는 단계 및 대면하는 동일한 자기극들간의 이격 영역 내에 발생하는 자기장이 희박한 필드프리 영역을 시료 내에서 이동시켜, 측정헤드의 검출 코일로부터 출력되는 검출 신호를 기반으로 시료에 포함된 나노 자성 입자의 3차원 위치 분포를 영상화하는 단계를 포함하되, 필드프리 영역은, 한 쌍의 사각 자석들 및 복수의 소형 자석들이 배열된 한 쌍의 자석 어레이들에 의해 생성될 수 있다. The magnetic nanoparticle imaging method according to the embodiment includes the steps of applying a signal to an excitation coil installed in a measurement head that accommodates a sample containing nanomagnetic particles, and a field in which a magnetic field generated within a spaced region between the same magnetic poles facing each other is sparse. moving the free area in the sample to image the three-dimensional position distribution of the magnetic nanoparticles included in the sample based on the detection signal output from the detection coil of the measuring head, wherein the field free area includes a pair of Square magnets and a plurality of small magnets may be created by a pair of arranged magnet arrays.

이때, 한 쌍의 사각 자석들은, 측정 헤드가 이격 영역 내에 삽입되도록 일 측면에 개구가 형성된 육면체의 하우징에서 일 측면에 수직한 네 측면들 중 마주하는 두 측면들에 각각에 설치되고, 한 쌍의 자석 어레이들은, 하우징의 일측면 및 일측면에 마주보는 다른 측면 각각에 복수의 소형 자석들이 개구의 가장 자리에 배열될 수 있다. At this time, the pair of square magnets are installed on each of the two opposing sides of the four sides perpendicular to one side in the housing of a hexahedron having an opening formed on one side so that the measuring head is inserted into the spaced area, and the pair of In the magnet arrays, a plurality of small magnets may be arranged at the edge of the opening on one side of the housing and the other side opposite to the one side, respectively.

이때, 복수의 소형 자석들은, 개구 가장자리에 원형으로 배치될 수 있다. In this case, the plurality of small magnets may be arranged in a circle at the edge of the opening.

이때, 필드프리 영역은, 필드프리 포인트(Field Free Point, FFP) 또는 필드프리 라인(Field Free Line, FFL)일 수 있다. In this case, the field free area may be a field free point (FFP) or a field free line (FFL).

이때, 3차원 위치 분포를 영상화하는 단계는, 검출 신호를 기반으로 시료의 단면에 포함된 나노 자성 입자의 2차원 위치 분포인 2차원 영상을 생성하는 단계 및 서로 수평한 복수의 단면들에 상응하는 복수의 2차원 영상들을 합성하여 3차원 영상을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.In this case, the imaging of the three-dimensional position distribution includes generating a two-dimensional image that is a two-dimensional position distribution of the nanomagnetic particles included in the cross-section of the sample based on the detection signal and corresponding to a plurality of cross-sections that are horizontal to each other. The method may include generating a 3D image by synthesizing a plurality of 2D images.

이때, 2차원 영상을 생성하는 단계는, 한 쌍의 사각 자석들을 일 방향으로 선형 이동시키거나, 일 방향과 소정 각도를 가지도록 회전시키면서, 필드프리 영역 이동에 따라 검출 신호로부터 출력된 신호로 사이노그램을 생성하고, 생성된 사이노그램을 역 라돈 변환하여 2차원 영상을 생성할 수 있다.In this case, the step of generating the two-dimensional image includes moving a pair of square magnets linearly in one direction or rotating to have a predetermined angle with one direction, while moving between the detection signal and the output signal according to the movement of the field-free area. A two-dimensional image may be generated by generating a nogram and performing inverse radon transformation on the generated sinogram.

이때, 2차원 영상을 생성하는 단계는, 측정헤드를 시료의 단면에 수직한 방향으로 소정 단위 길이만큼 이동시키면서 반복될 수 있다.In this case, the generating of the two-dimensional image may be repeated while moving the measuring head by a predetermined unit length in a direction perpendicular to the cross-section of the sample.

실시예에 따라, 소형 자석들을 이용한 공간 구성의 자유도가 증가하여 시료를 필드 프리 영역에 위치시키기가 용이해진다. 즉, 종래에는 필드프리 영역을 생성하기 위해 대형 영구 자석 쌍이나 코일 쌍이 사용되어 왔다. 그런데, 사각형 영구자석의 경우 필드 프리 영역 부근에 시료를 위치시키려 할 경우 시료를 삽입하는 영역의 확보가 어려웠다. 실시예에 따른 필드 프리 발생 장치는 시료 삽입부에 일정한 크기의 윈도우(Window)를 제공하여 시료의 움직임에 자유도를 크게 할 수 있다. According to the embodiment, the degree of freedom in spatial configuration using small magnets is increased, so that it is easy to place the sample in the field-free area. That is, a large pair of permanent magnets or a pair of coils has been conventionally used to create a field-free region. However, in the case of a rectangular permanent magnet, it was difficult to secure an area for inserting the sample when trying to position the sample near the field-free area. The field-free generator according to the embodiment may provide a window of a predetermined size to the sample insertion unit to increase the degree of freedom in movement of the sample.

실시예에 따라, 자석의 크기가 줄어 자기장 세기의 편차가 줄어든다. 즉, 기존에는 필드프리 영역을 발생시키기 위해 대형 자석을 이용하는 경우, 균일한 자기장 세기를 갖는 자석을 확보하는 것이 어려웠다. 이는 자석의 크기가 커질수록 균일한 자기장 세기를 갖는 자석을 만드는 것이 현저히 어려워지기 때문이다. 실시예에 따른 소형 자석들의 배열로 이루어진 할바흐 어레이(Halbach array) 자석 기반의 필드 프리 발생 장치는 균일한 자기장을 발생시키는 자석을 확보하기가 용이하다. According to the embodiment, the size of the magnet is reduced to reduce the deviation of the magnetic field strength. That is, conventionally, when a large magnet is used to generate a field-free region, it has been difficult to secure a magnet having a uniform magnetic field strength. This is because as the size of the magnet increases, it becomes significantly more difficult to make a magnet having a uniform magnetic field strength. The field-free generating device based on a Halbach array magnet consisting of an arrangement of small magnets according to an embodiment makes it easy to secure a magnet that generates a uniform magnetic field.

실시예에 따라, 대면적 자석에 비해 더 적은 무게로 더 강한 필드프리 자기장 구배를 생성할 수 있다. 즉, MPI 기술에서 해상도는 필드 프리의 자기장 기울기에 비례한다. MPI 기술에서 FOV가 커질수록 높은 필드프리 영역을 얻기 위해서는 매우 큰 자석을 사용하거나, 매우 높은 전류를 코일에 인가하여 필드프리 영역을 발생시켜야 했다. 실시예에 따른 소형 자석들의 배열로 이루어진 할바흐 어레이(Halbach array) 자석 기반의 필드 프리 생성 장치를 사용할 경우 상대적으로 가벼우면서 전임상 연구에서 요구하는 수준의 강한 필드 프리 영역을 발생시킬 수 있다. According to an embodiment, a stronger field-free magnetic field gradient may be generated with less weight compared to a large-area magnet. That is, in MPI technology, the resolution is proportional to the field-free magnetic field gradient. In MPI technology, in order to obtain a high field-free area as the FOV increases, it is necessary to use a very large magnet or apply a very high current to the coil to generate a field-free area. When a field-free generating device based on a Halbach array magnet consisting of an arrangement of small magnets according to the embodiment is used, it is possible to generate a field-free region that is relatively light and strong at a level required for preclinical research.

실시예에 따라, 고비용의 전력 공급이나 불필요한 발열없이 필드 프리 영역을 형성할 수 있다. 즉, 기존에 필드 프리 영역을 생성하기 위해 코일 쌍을 사용할 경우 영구자석에 대응될 만큼의 강한 자기장을 형성하기 위해서는 통상적으로 매우 높은 전력이 요구되었다. 따라서, 고비용의 전력 공급이 요구되고, 상당한 열이 코일에서 발생하였다. 실시예에 따라, 소형 자석들의 조합으로 필드 프리 영역을 형성하면 전력 공급 비용 및 열의 발생을 감소시킬 수 있다. According to an embodiment, the field free region may be formed without expensive power supply or unnecessary heat generation. That is, when a coil pair is used to create a field-free region in the prior art, very high power is typically required to form a magnetic field strong enough to correspond to a permanent magnet. Therefore, an expensive power supply is required, and considerable heat is generated in the coil. According to an embodiment, forming a field-free region with a combination of small magnets may reduce power supply cost and heat generation.

실시예에 따라, 작은 자석들의 배열을 통해, 더 높은 분해능의 MPI 장비를 더 가볍고, 작고, 저렴하게 제작할 수 있다. 즉, 자석의 크기가 50mm x 50mm의 초과되는 경우 상용 자석(자석 전문 도소매 업체를 통해서 직접 구매 가능한 자석)을 구하기 어려우며, 자석 제작 공장에 요청하여 제작을 의뢰해야 해서 상용 자석을 이용하는 경우와 비교하였을 때 비용이 수배에서 수십 배로 폭증한다. According to an embodiment, through the arrangement of small magnets, higher resolution MPI equipment may be manufactured lighter, smaller, and cheaper. That is, when the size of the magnet exceeds 50mm x 50mm, it is difficult to obtain a commercial magnet (a magnet that can be purchased directly through a magnet wholesaler and retailer), and it is difficult to obtain a commercial magnet by requesting it from a magnet manufacturing factory. When the cost explodes from several times to several tens of times.

도 1은 실시예에 따른 나노 자성 입자 영상화 장치의 개략적인 블록 구성도이다.
도 2는 실시예에 따른 나노 자성 입자 영상화 장치의 구조의 예시도이다.
도 3은 실시예에 따른 필드프리 생성부의 하우징의 일면 예시도이다.
도 4는 실시예에 따른 필드프리 생성부의 사각 자석 및 소형 자석 어레이 배치도이다.
도 5는 실시예예 따른 필드프리 생성부의 사각 자석 및 소형 자석 어레이 배치에 따른 자기장 방향 예시도이다.
도 6은 실시예에 따른 필드프리 생성부의 사각 자석 및 소형 자석 어레이 배치에 따른 필드프리 생성 예시도이다.
도 7은 실시예에 따른 나노 자성 입자 영상화 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 8 내지 12는 실시예에 따라 한 쌍의 사각 자석들이 일 방향으로 이동함에 따른 필드프리 라인의 이동을 도시한 도면이다.
도 13 내지 22은 실시예에 따라 한 쌍의 사각 자석들이 회전함에 따른 필드프리 라인의 회전을 도시한 도면이다.
도 23 내지 도 26은 실시예에 따른 필드프리 생성부가 적용된 소형 MPI 스캐너의 성능 예시도이다.
도 27 내지 도 30은 실시예에 따른 필드프리 생성부가 적용된 뇌 MPI 스캐너의 구조 예시도이다.
도 31는 실시예에 따른 컴퓨터 시스템 구성을 나타낸 도면이다.
1 is a schematic block diagram of a magnetic nanoparticle imaging apparatus according to an embodiment.
2 is an exemplary diagram of a structure of a nanomagnetic particle imaging apparatus according to an embodiment.
3 is an exemplary view of one side of the housing of the field-free generator according to the embodiment.
4 is a layout diagram of a square magnet and a small magnet array of a field-free generator according to an embodiment.
5 is a diagram illustrating a magnetic field direction according to the arrangement of the square magnet and the small magnet array of the field-free generator according to the embodiment.
6 is an exemplary view illustrating field-free generation according to the arrangement of a square magnet and a small magnet array of a field-free generation unit according to an embodiment.
7 is a flowchart for explaining a method for imaging nanomagnetic particles according to an embodiment.
8 to 12 are diagrams illustrating movement of a field-free line as a pair of square magnets move in one direction according to an embodiment.
13 to 22 are diagrams illustrating rotation of a field-free line as a pair of square magnets rotate according to an embodiment.
23 to 26 are diagrams illustrating performance of a small MPI scanner to which a field-free generator is applied according to an embodiment.
27 to 30 are diagrams illustrating the structure of a brain MPI scanner to which a field-free generator is applied according to an embodiment.
31 is a diagram showing the configuration of a computer system according to an embodiment.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention and methods of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in a variety of different forms, and only these embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the technical field to which the present invention belongs It is provided to fully inform the possessor of the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout.

비록 "제1" 또는 "제2" 등이 다양한 구성요소를 서술하기 위해서 사용되나, 이러한 구성요소는 상기와 같은 용어에 의해 제한되지 않는다. 상기와 같은 용어는 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용될 수 있다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있다.Although "first" or "second" is used to describe various elements, these elements are not limited by the above terms. Such terms may only be used to distinguish one component from another. Accordingly, the first component mentioned below may be the second component within the spirit of the present invention.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 또는 단계가 하나 이상의 다른 구성요소 또는 단계의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다는 의미를 내포한다.The terminology used herein is for the purpose of describing the embodiment and is not intended to limit the present invention. In this specification, the singular also includes the plural unless specifically stated otherwise in the phrase. As used herein, “comprises” or “comprising” implies that the stated component or step does not exclude the presence or addition of one or more other components or steps.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein may be interpreted with meanings commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. In addition, terms defined in a commonly used dictionary are not to be interpreted ideally or excessively unless specifically defined explicitly.

이하에서는, 도 1 내지 도 19를 참조하여 실시예에 따른 필드프리 생성 장치, 나노 자성 입자 영상화 장치 및 방법이 상세히 설명된다.Hereinafter, a field-free generating apparatus, a nanomagnetic particle imaging apparatus, and a method according to an embodiment will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 19 .

도 1은 실시예에 따른 나노 자성 입자 영상화 장치의 개략적인 블록 구성도이고, 도 2는 실시예에 따른 나노 자성 입자 영상화 장치의 구조의 예시도이다. 1 is a schematic block diagram of an apparatus for imaging nanomagnetic particles according to an embodiment, and FIG. 2 is an exemplary diagram of a structure of an apparatus for imaging nanomagnetic particles according to an embodiment.

도 1을 참조하면, 실시예에 따른 나노 자성 입자 영상화 장치(1)는 측정헤드(110), 필드프리 생성부(120), 제어부(130), 제1 구동부(140) 및 제2 구동부(150)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1 , an apparatus 1 for imaging nanomagnetic particles according to an embodiment includes a measurement head 110 , a field-free generator 120 , a controller 130 , a first driver 140 , and a second driver 150 . ) may be included.

측정헤드(110)는 나노 자성 입자를 포함하는 시료가 수용되는 관통공이 형성되고, 여기 코일(Excitation Coil)(111) 및 검출 코일(Detection Coil)(112)이 설치된다. 이때, 여기 코일(111)은 나노 자성 입자가 포함된 시료가 삽입된 측정헤드(110)에서 자기장을 발생시킨다. 이때, 검출 코일(112)는 측정헤드(110)의 관통공 내부에 존재하는 시료로부터 검출 신호를 획득할 수 있다. The measurement head 110 has a through hole in which a sample containing magnetic nanoparticles is accommodated, and an excitation coil 111 and a detection coil 112 are installed. At this time, the excitation coil 111 generates a magnetic field in the measurement head 110 in which the sample containing the magnetic nano particles is inserted. In this case, the detection coil 112 may acquire a detection signal from the sample existing inside the through hole of the measurement head 110 .

필드프리 생성부(120)는 대면하는 동일한 자기극들간의 이격 영역 내에 자기장이 희박한 필드프리 영역을 형성한다. The field-free generator 120 forms a field-free region in which a magnetic field is thin in a spaced region between the same magnetic poles facing each other.

여기서, 자성 입자 영상화(Magnetic Particle Imaging, MPI)에서 신호 획득의 기본 원리는 나노 자성 입자(Nano Magnetic Particle, NMP)이 구배 자기장(Gradient Magnetic Field) 내에서 가지는 비선형적인 자성 특성으로 인한 고조파(Harmonic) 신호를 기반으로 하고 있다. 이때, 두 개의 동일한 자기극을 마주보게 하여 비선형 자화 현상이 발생되지 않고 포화(Saturation)되도록 하여, 이격 영역의 소정 영역에 자기장이 희박한 영역을 생성한다. 부연 설명하면, 필드프리 영역을 공간상에서 이동시켜 고조파(Harmonic) 신호가 발생되는 공간상의 위치를 이용하여 영상화가 이루어진다.Here, the basic principle of signal acquisition in Magnetic Particle Imaging (MPI) is a harmonic due to the nonlinear magnetic properties of a Nano Magnetic Particle (NMP) in a gradient magnetic field. It is signal based. At this time, the two identical magnetic poles are made to face each other so that the nonlinear magnetization phenomenon does not occur and is saturated (saturation), thereby creating a region in which a magnetic field is sparse in a predetermined region of the spaced apart region. In more detail, imaging is performed using a spatial location where a harmonic signal is generated by moving the field-free region in space.

이때, 필드프리 영역은, 필드프리 포인트(Field Free Point, FFP) 또는 필드프리 라인(Field Free Line, FFL)일 수 있다.In this case, the field free area may be a field free point (FFP) or a field free line (FFL).

실시예에 따라, 필드프리 생성부(120)는, 한 쌍의 사각 자석들 및 복수의 소형 자석들이 배열된 한 쌍의 자석 어레이들을 포함하여, 높은 자기 경사를 가지는 FFL을 형성할 수 있다. According to an embodiment, the field-free generator 120 may include a pair of magnet arrays in which a pair of square magnets and a plurality of small magnets are arranged to form an FFL having a high magnetic inclination.

즉, 전술한 바와 같이 실시예는 종래의 자성 마그네틱 이미징 시스템에서의 문제점인 전력 소모 및 장비 설계의 복잡도를 해결하기 위해, 영구 자석을 기반으로 FFL을 생성하되, 이때 영구 자석을 할바흐 어레이(Hallbach array)로 대체하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 할바흐 어레이(Hallbach array)는, 다수의 소형 자석들을 소정 어레이 형태로 배열된 것으로, 자기장의 세기와 방향을 조절될 수 있다. That is, as described above, the embodiment generates an FFL based on a permanent magnet in order to solve the problems of power consumption and equipment design, which are problems in the conventional magnetic magnetic imaging system, but in this case, the permanent magnet is used in a Hallbach array It is characterized by replacing it with an array). Here, in the Hallbach array, a plurality of small magnets are arranged in a predetermined array form, and the strength and direction of a magnetic field can be adjusted.

제어부(130)는 구성 요소들을 제어하여 나노 자성 입자 영상화의 전체 과정을 제어한다. 여기서, 제어부(130)는 프로세서(processor)와 같이 데이터를 처리할 수 있는 모든 종류의 장치를 포함할 수 있다. 여기서, '프로세서(processor)'는, 예컨대 프로그램 내에 포함된 코드 또는 명령으로 표현된 기능을 수행하기 위해 물리적으로 구조화된 회로를 갖는, 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치를 의미할 수 있다. The controller 130 controls the entire process of imaging the magnetic nanoparticles by controlling the components. Here, the controller 130 may include all kinds of devices capable of processing data, such as a processor. Here, the 'processor' may refer to a data processing device embedded in hardware having a physically structured circuit to perform a function expressed as, for example, a code or an instruction included in a program.

실시예에 따라, 제어부(130)는 측정헤드(110)가 필드프리 생성부(120)의 관통 영역 내에 위치됨에 따라, 여기 코일(111)에 신호를 인가하고, 필드프리 영역이 시료 내에서 이동되도록 제어하여, 검출 코일(112)로부터 출력되는 검출 신호를 기반으로 시료에 포함된 나노 자성 입자의 3차원 위치 분포를 영상화할 수 있다. 실시예에 따라, 제어부(130)는 FFP 또는 FFL이 지속적으로 이동되도록 제어하여, 시료가 FFP 또는 FFL에 중첩하면서 검출된 검출 신호들을 정렬하여 나타냄으로써 나노 자성 입자에 상응하는 3차원 영상 정보를 획득할 수 있다. 예컨대, 3차원 영상 정보는 등고선(contour plot) 형태의 입체적인 영상 정보를 포함할 수 있다. According to an embodiment, the controller 130 applies a signal to the excitation coil 111 as the measurement head 110 is positioned within the penetration region of the field-free generator 120 , and the field-free region moves within the sample. By controlling so as to be, the three-dimensional position distribution of the magnetic nanoparticles included in the sample may be imaged based on the detection signal output from the detection coil 112 . According to an embodiment, the controller 130 controls the FFP or FFL to continuously move, aligning and displaying the detection signals detected while the sample overlaps the FFP or FFL, thereby obtaining 3D image information corresponding to the magnetic nanoparticle. can do. For example, the three-dimensional image information may include three-dimensional image information in the form of a contour plot.

이때, 제어부(130)는, 검출 신호를 기반으로 시료의 단면에 포함된 나노 자성 입자의 2차원 위치 분포인 2차원 영상을 생성하고, 서로 수평한 복수의 단면들에 상응하는 복수의 2차원 영상들을 합성하여 3차원 영상을 생성할 수 있다. 이때, 시료의 단면은 예컨대, 도 2에 도시된 XY 평면과 평행할 수 있다. In this case, the controller 130 generates a two-dimensional image that is a two-dimensional position distribution of the nano-magnetic particles included in the cross-section of the sample based on the detection signal, and generates a plurality of two-dimensional images corresponding to a plurality of cross-sections that are horizontal to each other. By synthesizing them, a 3D image can be generated. In this case, the cross section of the sample may be parallel to the XY plane shown in FIG. 2 .

이때, 제어부(130)는, 필드프리 영역을 시료의 단면에서 일 방향으로 선형 이동시킨 후, 필드프리 영역을 일 방향과 소정 단위 각도를 가지는 다른 방향으로 선형 이동시키되, 필드프리 영역 이동에 따라 검출 신호로부터 출력된 신호로 사이노그램(Sinogram)을 생성하고, 생성된 사이노그램을 역 라돈 변환(Inverse Radon Transformation)하여 2차원 영상을 생성할 수 있다. At this time, the controller 130 linearly moves the field-free area in one direction in the cross section of the sample, and then linearly moves the field-free area in one direction and another direction having a predetermined unit angle, and detects according to the movement of the field-free area. A sinogram may be generated with a signal output from the signal, and the generated sinogram may be subjected to inverse Radon transformation to generate a two-dimensional image.

이때, 사이노그램(Sinogram)이란 한 방향에서 획득한 투사 데이터를 투사 방향에 따라 순차적으로 배열한 것으로서 각 행이 갖는 화소값들은 해당 프로파일의 해당 위치에서의 크기(amplitude)와 같다. 이러한 사이노그램(Sinogram)은 주지된 기술로 상세한 설명을 생략하기로 한다. 또한, 역 라돈 변환(inverses radon transform)은 CT 등에서 널리 사용되는 사이노그램을 이용한 2차원 영상 생성 기법으로 "Kak, A. C., and M. Slaney, Principles of Computerized Tomographic Imaging, New York, NY, IEEE Press, 1988"에 공지된 기술이므로, 여기서는 상세한 설명을 생략하기로 한다. In this case, a sinogram is a sequential arrangement of projection data acquired in one direction along the projection direction, and pixel values of each row are equal to the amplitude at the corresponding position of the corresponding profile. Such a sinogram (Sinogram) is a well-known technique and detailed description thereof will be omitted. In addition, the inverse radon transform is a two-dimensional image generation technique using sinograms widely used in CT, etc. "Kak, AC, and M. Slaney, Principles of Computerized Tomographic Imaging, New York, NY, IEEE Press , 1988", since it is a known technique, a detailed description thereof will be omitted.

예컨대, 도 2를 참조하면, 필드프리 영역은 XY 평면에서 소정 단위 각도만큼 회전하거나, 회전된 상태에서 선형 이동될 수 있다. 이를 T-ROUND STAGE 이동이라 칭할 수 있다. For example, referring to FIG. 2 , the field-free area may be rotated by a predetermined unit angle in the XY plane or may be linearly moved in a rotated state. This may be referred to as a T-ROUND STAGE movement.

따라서, 실시예에 따른 나노 자성 입자 영상화 장치(1)는, 필드프리 생성부(120)를 회전 또는 선형 이동시키는 제1 구동부(140)를 포함하는 것을 특징으로 한다. Accordingly, the magnetic nanoparticle imaging apparatus 1 according to the embodiment includes the first driving unit 140 for rotating or linearly moving the field-free generating unit 120 .

또한, 제어부(130)는, 측정헤드(110)를 시료의 단면에 수직한 방향으로 소정 단위 길이만큼 이동시키면서 2차원 영상 생성을 반복할 수 있다. 즉, 측정헤드(110)가 Z축 방향으로 선형 이동됨에 따라, 필드프리 영역이 지나가는 단면들 각각에 대한 2차원 영상들이 획득될 수 있다. Also, the controller 130 may repeat the 2D image generation while moving the measuring head 110 by a predetermined unit length in a direction perpendicular to the cross-section of the sample. That is, as the measurement head 110 is linearly moved in the Z-axis direction, two-dimensional images of each of the cross-sections through which the field-free area passes may be obtained.

이를 위해, 실시예에 따른 나노 자성 입자 영상화 장치(1)는, 측정헤드(110)를 필드프리 생성부(120)의 이격 영역으로 이동시키는 제2 구동부(150)를 포함할 수 있다.To this end, the magnetic nanoparticle imaging apparatus 1 according to the embodiment may include a second driving unit 150 that moves the measurement head 110 to a spaced region of the field-free generator 120 .

다음으로, 실시예에 따른 필드프리 생성부(120)에 대해 상세히 설명하기로 한다. Next, the field-free generator 120 according to the embodiment will be described in detail.

도 3은 실시예에 따른 필드프리 생성부의 하우징의 일면 예시도이고, 도 4는 실시예에 따른 필드프리 생성부의 사각 자석 및 소형 자석 어레이 배치도이고, 도 5는 실시예예 따른 필드프리 생성부의 사각 자석 및 소형 자석 어레이 배치에 따른 자기장 방향 예시도이고, 도 6은 실시예에 따른 필드프리 생성부의 사각 자석 및 소형 자석 어레이 배치에 따른 필드프리 생성 예시도이다. 3 is an exemplary view of a housing of the field-free generator according to the embodiment, FIG. 4 is a layout view of a square magnet and a small magnet array of the field-free generator according to the embodiment, and FIG. 5 is a square magnet of the field-free generator according to the embodiment. And it is an exemplary view of the magnetic field direction according to the arrangement of the small magnet array, FIG. 6 is an exemplary view of the field-free generation according to the arrangement of the square magnet and the small magnet array of the field-free generating unit according to the embodiment.

도 3을 참조하면, 필드프리 생성부(120)는, 측정 헤드가 이격 영역 내에 삽입되도록 일 측면에 개구(123)가 형성된 육면체의 하우징을 포함한다. Referring to FIG. 3 , the field-free generator 120 includes a hexahedral housing in which an opening 123 is formed on one side so that the measuring head is inserted into the spaced region.

하우징에서 일 측면에 수직한 네 측면들 중 마주하는 두 측면들에 각각에 한 쌍의 사각 자석들(121a, 121b)이 설치되고, 하우징의 일측면 및 일측면에 마주보는 다른 측면 각각에 복수의 소형 자석들을 개구의 가장 자리에 배열된 한 쌍의 자석 어레이들(122a)이 설치될 수 있다. A pair of square magnets 121a and 121b are installed on two opposite sides of the four sides perpendicular to one side of the housing, respectively, and a plurality of square magnets are installed on one side of the housing and the other side facing the one side, respectively. A pair of magnet arrays 122a in which small magnets are arranged at the edge of the opening may be installed.

실시예에 따라, 도 4에 도시된 바와 같이 복수의 소형 자석들(122a, 122b)은, 개구 가장자리에 링 구조으로 배열될 수 있다. 이로써, 필드프리 영역에 나노 자성 입자를 위한 이미징 샘플이 삽입될 수 있는 통로가 형성될 수 있다. According to an embodiment, as shown in FIG. 4 , the plurality of small magnets 122a and 122b may be arranged in a ring structure at the edge of the opening. Accordingly, a passage through which an imaging sample for nano magnetic particles can be inserted may be formed in the field-free region.

이때, 한 쌍의 사각 자석들(121a, 121b) 및 한 쌍의 소형 자석 어레이들(122a, 122b)은, 네오듐 마그넷(NEODIUM magnet)(n 30 grade)일 수 있다. 그러나, 이는 일 예일 뿐, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 즉, 소형 자석들은 자성이 더 센 자석이 사용될 수 있는데, 자성의 세기에 비례하여 더 사프(sharp)한 필드프리가 획득될 수 있다. In this case, the pair of square magnets 121a and 121b and the pair of small magnet arrays 122a and 122b may be neodymium magnets (n30 grade). However, this is only an example, and the present invention is not limited thereto. That is, as the small magnets, a magnet having a stronger magnetism may be used, and a sharper field free may be obtained in proportion to the magnetic strength.

이때, 한 쌍의 사각 자석들(121a, 121b) 및 한 쌍의 소형 자석 어레이들(122a, 122b)는 도 5에 도시된 바와 같은 자기장을 형성할 수 있다. 이때, 자석의 자화 방향은 한 쌍의 소형 자석 어레이들(122a, 122b)은 k=0일 수 있다. At this time, the pair of square magnets 121a and 121b and the pair of small magnet arrays 122a and 122b may form a magnetic field as shown in FIG. 5 . In this case, the magnetization direction of the magnet may be k=0 for the pair of small magnet arrays 122a and 122b.

또한, 한 쌍의 사각 자석들(121a, 121b) 및 한 쌍의 소형 자석 어레이들(122a, 122b)에 의해 형성된 자기장에 따라 도 6에 도시된 시뮬레이션 영상과 같은 필드프리가 생성될 수 있다. In addition, according to the magnetic field formed by the pair of square magnets 121a and 121b and the pair of small magnet arrays 122a and 122b, a field-free image such as the simulation image shown in FIG. 6 may be generated.

전술한 바와 같이 한 쌍의 사각 자석들(121a, 121b) 및 한 쌍의 소형 자석 어레이들(122a, 122b)의 내부 중심으로 필드프리 영역이 형성될 수 있다. As described above, a field-free region may be formed as an inner center of the pair of square magnets 121a and 121b and the pair of small magnet arrays 122a and 122b.

또한, 실시예에 따라, 한 쌍의 소형 자석 어레이들(122a, 122b)은 고정되고, 제1 구동부(140)에 의해 한 쌍의 사각 자석들(121a, 121b)이 일 방향으로 선형 이동 및 일 방향과 소정 각도

Figure pat00001
만큼 회전시킬 수 있다. 즉, MPI 이미징을 위한 필드프리 영역의 이동은 한 쌍의 사각 자석들(122a, 122b)를 XY 평면에서 좌우 및
Figure pat00002
만큼씩 180도 반복 회전하면서 필드프리 영역이 좌우 및
Figure pat00003
만큼 180도 회전되도록 할 수 있다. In addition, according to the embodiment, the pair of small magnet arrays 122a and 122b are fixed, and the pair of square magnets 121a and 121b are linearly moved in one direction by the first driving unit 140 and work direction and angle
Figure pat00001
can be rotated as much as That is, the movement of the field-free area for MPI imaging moves the pair of square magnets 122a and 122b to the left and right and left and right in the XY plane.
Figure pat00002
The field free area rotates left and right and
Figure pat00003
It can be rotated 180 degrees.

도 7은 실시예에 따른 나노 자성 입자 영상화 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 7 is a flowchart for describing a method for imaging nanomagnetic particles according to an embodiment.

도 7을 참조하면, 실시예에 따른 나노 자성 입자 영상화 방법은, 나노 자성 입자를 포함하는 시료를 수용한 측정헤드에 설치된 여기 코일에 신호를 인가하는 단계(S210) 및 대면하는 동일한 자기극들 간의 이격 영역 내에 발생하는 자기장이 희박한 필드프리 영역을 시료 내에서 이동시켜, 측정헤드의 검출 코일로부터 출력되는 검출 신호를 기반으로 시료에 포함된 나노 자성 입자의 3차원 위치 분포를 영상화하는 단계(S220~S230)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 7 , in the method for imaging nanomagnetic particles according to the embodiment, the step of applying a signal to an excitation coil installed in a measurement head containing a sample containing the nanomagnetic particles ( S210 ) and between the same magnetic poles facing each other Moving the field-free region in which the magnetic field generated within the separation region is rare within the sample, and imaging the three-dimensional position distribution of the nano-magnetic particles included in the sample based on the detection signal output from the detection coil of the measuring head (S220~ S230) may be included.

이때, 3차원 위치 분포를 영상화하는 단계(S220~S230)는, 검출 신호를 기반으로 시료의 단면에 포함된 나노 자성 입자의 2차원 위치 분포인 2차원 영상을 생성하는 단계(S220) 및 서로 수평한 복수의 단면들에 상응하는 복수의 2차원 영상들을 합성하여 3차원 영상을 생성하는 단계(S230)를 포함할 수 있다.In this case, the imaging of the three-dimensional position distribution (S220 to S230) includes generating a two-dimensional image that is a two-dimensional position distribution of the nano-magnetic particles included in the cross section of the sample based on the detection signal (S220) and horizontal to each other. The method may include generating a 3D image by synthesizing a plurality of 2D images corresponding to a plurality of cross-sections ( S230 ).

이때, 2차원 영상을 생성하는 단계(S220)에서, 한 쌍의 사각 자석들을 일 방향으로 선형 이동(도 8 내지 12 참조)시키거나, 일 방향과 소정 각도를 가지도록 회전(도 13 내지 도 22 참조)시키면서, 필드프리 영역 이동에 따라 검출 신호로부터 출력된 신호로 사이노그램을 생성하고, 생성된 사이노그램을 역 라돈 변환하여 2차원 영상을 생성할 수 있다.At this time, in the step (S220) of generating a two-dimensional image, the pair of square magnets are linearly moved in one direction (see FIGS. 8 to 12) or rotated to have a predetermined angle with one direction ( FIGS. 13 to 22 ). ) while generating a sinogram with a signal output from the detection signal according to the movement of the field-free region, and inverse Radon transform on the generated sinogram, a two-dimensional image may be generated.

도 8 내지 12는 실시예에 따라 한 쌍의 사각 자석들이 일 방향으로 이동함에 따른 필드프리 라인의 이동을 도시한 도면이다. 8 to 12 are diagrams illustrating movement of a field-free line as a pair of square magnets move in one direction according to an embodiment.

도 8을 참조하면, 필드프리 라인이 샘플 중앙에 위치하고 있는 상태에서, 한 쌍의 사각 자석들(122a, 122b)이 우측으로 이동함에 따라, 도 8 내지 12와 같이 필드프리 라인이 우측으로 1 step씩 점차적으로 이동됨이 도시되어 있다. Referring to FIG. 8 , as the pair of square magnets 122a and 122b moves to the right in a state where the field free line is located in the center of the sample, the field free line moves to the right by 1 step as shown in FIGS. 8 to 12 . A gradual shift is shown.

도 13 내지 22은 실시예에 따라 한 쌍의 사각 자석들이 회전함에 따른 필드프리 라인의 회전을 도시한 도면이다. 13 to 22 are diagrams illustrating rotation of a field-free line as a pair of square magnets rotate according to an embodiment.

도 13를 참조하면, 필드프리 라인이 샘플 중앙에 위치하고 있는 상태에서, 한 쌍의 사각 자석들(122a, 122b)이

Figure pat00004
(예컨대, 20deg)만큼 반시계 방향으로 회전함에 따라, 도 13 내지 22와 같이 필드프리 라인도
Figure pat00005
만큼 반시계 방향으로 회전되어 180도 회전되는 것이 도시되어 있다. Referring to FIG. 13 , in a state where the field-free line is located in the center of the sample, a pair of square magnets 122a and 122b
Figure pat00004
As it rotates counterclockwise by (eg, 20deg), the field free line is also shown as in FIGS. 13 to 22
Figure pat00005
Rotated counterclockwise by 180 degrees is shown.

이때, 2차원 영상을 생성하는 단계는, 측정헤드를 시료의 단면에 수직한 방향으로 소정 단위 길이만큼 이동시키면서 반복될 수 있다.In this case, the generating of the two-dimensional image may be repeated while moving the measuring head by a predetermined unit length in a direction perpendicular to the cross-section of the sample.

전술한 바와 같은 실시예에 따른 필드 프리 생성부(120)는 소형 MPI 스캐너에 활용될 수 있다. The field-free generator 120 according to the above-described embodiment may be utilized in a small MPI scanner.

이때, 시료의 직경이 20mm이하인 샘플을 측정할 때, FFL의 경사장(gradient field)가 10T/m인 스캐너로 분해능이 1mm이하인 고분해능 스캐너로 활용 가능하다. At this time, when measuring a sample with a sample diameter of 20 mm or less, it can be used as a high-resolution scanner with a resolution of 1 mm or less as a scanner with a gradient field of FFL of 10 T/m.

도 23 내지 도 26은 실시예에 따른 필드프리 생성부가 적용된 소형 MPI 스캐너의 성능 예시도이다. 23 to 26 are diagrams illustrating performance of a small MPI scanner to which a field-free generator is applied according to an embodiment.

도 23은 xy-plane 자기장 측정 결과이고, 도 24는 xz-plane 자기장 측정 결과이고, 도 25는 z축 자기 경사도 측정 결과(10T/m)이고, 도 26은 y축 자기 경사도 측정 결과(10T/m)를 나타낸다. 즉, 실시예에 따라, 임상연구에 필요한 자기 경사를(2T/m 이상) 가지는 FFL을 현실적인 조건으로 만들 수 있다. 23 is an xy-plane magnetic field measurement result, FIG. 24 is an xz-plane magnetic field measurement result, FIG. 25 is a z-axis magnetic gradient measurement result (10T/m), and FIG. 26 is a y-axis magnetic gradient measurement result (10T/m) m) is shown. That is, according to the embodiment, an FFL having a magnetic inclination (2T/m or more) required for clinical research can be made under realistic conditions.

한편, 실시예에 따른 필드 프리 생성부(120)는 사람 및 동물의 뇌를 스캔할 수 있는 MPI 장비 제작이 용이해질 수 있다. Meanwhile, the field-free generator 120 according to the embodiment may facilitate the manufacture of MPI equipment capable of scanning human and animal brains.

도 27 내지 도 30은 실시예에 따른 필드프리 생성부가 적용된 뇌 MPI 스캐너의 구조 예시도이다. 27 to 30 are structural exemplary diagrams of a brain MPI scanner to which a field-free generator according to an embodiment is applied.

도 27 내지 도 30에 도시된 바와 같이, 홀바흐 배열 자석의 안쪽에 사람의 뇌 및 기타 동물이 지나갈 수 있도록 하고 그에 맞는 사각 자석을 좌우에 배치하여, 사람 및 동물의 뇌를 스캔할 수 있는 장비를 개발할 수 있다. 이와 같은 방법으로 기타 다른 인체 부위를 스캔하는 장비로도 응용이 가능할 수 있다.27 to 30, a device capable of scanning human and animal brains by allowing human brains and other animals to pass inside of the Holbach array magnet, and placing square magnets that fit it on the left and right can be developed In this way, it can be applied to equipment that scans other parts of the human body.

도 31은 실시예에 따른 컴퓨터 시스템 구성을 나타낸 도면이다.31 is a diagram showing the configuration of a computer system according to an embodiment.

실시예에 따른 제어부(130)는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체와 같은 컴퓨터 시스템(1000)에서 구현될 수 있다.The controller 130 according to the embodiment may be implemented in the computer system 1000 such as a computer-readable recording medium.

컴퓨터 시스템(1000)은 버스(1020)를 통하여 서로 통신하는 하나 이상의 프로세서(1010), 메모리(1030), 사용자 인터페이스 입력 장치(1040), 사용자 인터페이스 출력 장치(1050) 및 스토리지(1060)를 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨터 시스템(1000)은 네트워크(1080)에 연결되는 네트워크 인터페이스(1070)를 더 포함할 수 있다. 프로세서(1010)는 중앙 처리 장치 또는 메모리(1030)나 스토리지(1060)에 저장된 프로그램 또는 프로세싱 인스트럭션들을 실행하는 반도체 장치일 수 있다. 메모리(1030) 및 스토리지(1060)는 휘발성 매체, 비휘발성 매체, 분리형 매체, 비분리형 매체, 통신 매체, 또는 정보 전달 매체 중에서 적어도 하나 이상을 포함하는 저장 매체일 수 있다. 예를 들어, 메모리(1030)는 ROM(1031)이나 RAM(1032)을 포함할 수 있다.Computer system 1000 may include one or more processors 1010 , memory 1030 , user interface input device 1040 , user interface output device 1050 , and storage 1060 that communicate with each other via bus 1020 . can Additionally, the computer system 1000 may further include a network interface 1070 coupled to the network 1080 . The processor 1010 may be a central processing unit or a semiconductor device that executes programs or processing instructions stored in the memory 1030 or storage 1060 . The memory 1030 and the storage 1060 may be a storage medium including at least one of a volatile medium, a non-volatile medium, a removable medium, a non-removable medium, a communication medium, and an information delivery medium. For example, the memory 1030 may include a ROM 1031 or a RAM 1032 .

이상에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings in the above, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can implement the present invention in other specific forms without changing the technical spirit or essential features. You can understand that there is Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.

Claims (20)

측정 헤드가 이격 영역 내에 삽입되도록 일 측면에 개구가 형성된 육면체의 하우징이 형성되고,
하우징에서 일 측면에 수직한 네 측면들 중 마주하는 두 측면들에 각각에 설치되는 한 쌍의 사각 자석들; 및
하우징의 일측면 및 일측면에 마주보는 다른 측면 각각에 복수의 소형 자석 들이 개구의 가장 자리에 배열된 한 쌍의 자석 어레이들이 설치되는 것을 특징으로 하는 필드프리 생성 장치.
A hexahedral housing having an opening formed on one side thereof is formed so that the measuring head is inserted into the separation region,
a pair of square magnets respectively installed on two opposite sides of the four sides perpendicular to one side of the housing; and
A field-free generating device, characterized in that a pair of magnet arrays arranged at the edge of the opening in which a plurality of small magnets are installed on one side of the housing and the other side facing the one side, respectively.
제2 항에 있어서, 복수의 소형 자석들은,
개구 가장자리에 원형으로 배열되는 것을 특징으로 하는 필드프리 생성 장치.
According to claim 2, wherein the plurality of small magnets,
Field-free generating device, characterized in that arranged in a circle at the edge of the opening.
제 1항에 있어서, 필드프리 영역은,
필드프리 포인트(Field Free Point, FFP) 또는 필드프리 라인(Field Free Line, FFL)인 것을 특징으로 하는 필드프리 생성 장치.
The method of claim 1, wherein the field-free area comprises:
Field-free generation device, characterized in that the field-free point (Field Free Point, FFP) or field-free line (Field Free Line, FFL).
제 5항에 있어서,
한 쌍의 사각 자석들을 선형 이동 또는 회전시키는 제1 구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 필드프리 생성 장치.
6. The method of claim 5,
Field-free generating device, characterized in that it further comprises a first driving unit for linearly moving or rotating the pair of square magnets.
나노 자성 입자를 포함하는 시료가 수용되는 관통공이 형성되고, 여기 코일 및 검출 코일이 설치되는 측정헤드;
대면하는 동일한 자기극들간의 이격 영역 내에 자기장이 희박한 필드프리 영역을 형성하는 필드프리 생성부;
측정헤드가 필드프리 생성부의 이격 영역 내에 위치됨에 따라, 여기 코일에 신호를 인가하고, 필드프리 영역이 시료 내에서 이동되도록 제어하여, 검출 코일로부터 출력되는 검출 신호를 기반으로 시료에 포함된 나노 자성 입자의 3차원 위치 분포를 영상화하는 제어부를 포함하되,
필드프리 생성부는,
한 쌍의 사각 자석들 및 복수의 소형 자석들이 배열된 한 쌍의 자석 어레이들을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 장치.
a measuring head in which a through hole in which a sample containing magnetic nanoparticles is accommodated is formed, and an excitation coil and a detection coil are installed;
a field-free generator for forming a field-free region in which a magnetic field is thin in a spaced region between the same facing magnetic poles;
As the measuring head is positioned within the spaced region of the field-free generator, a signal is applied to the excitation coil, and the field-free region is controlled to move within the sample, and the nano-magnetism included in the sample is based on the detection signal output from the detection coil. Including a control unit for imaging the three-dimensional position distribution of the particles,
Field-free generator,
A nanomagnetic particle imaging apparatus comprising a pair of magnet arrays in which a pair of square magnets and a plurality of small magnets are arranged.
제5 항에 있어서, 필드프리 생성부는,
측정 헤드가 이격 영역 내에 삽입되도록 일 측면에 개구가 형성된 육면체의 하우징을 포함하되,
하우징에서 일 측면에 수직한 네 측면들 중 마주하는 두 측면들에 각각에 한 쌍의 사각 자석들이 설치되고,
하우징의 일측면 및 일측면에 마주보는 다른 측면 각각에 복수의 소형 자석 들이 개구의 가장 자리에 배열된 한 쌍의 자석 어레이들이 설치되는 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 장치.
The method of claim 5, wherein the field-free generator comprises:
Comprising a hexahedral housing having an opening formed on one side so that the measuring head is inserted into the spaced area,
A pair of square magnets are installed on each of two opposite sides of the four sides perpendicular to one side of the housing,
Nanomagnetic particle imaging apparatus, characterized in that a pair of magnet arrays arranged at the edge of the opening in which a plurality of small magnets are disposed on one side of the housing and the other side facing the one side, respectively.
제6 항에 있어서, 복수의 소형 자석들은,
개구 가장자리에 원형으로 배열되는 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 장치.
The method of claim 6, wherein the plurality of small magnets,
Nanomagnetic particle imaging device, characterized in that it is arranged in a circle at the edge of the opening.
제5 항에 있어서, 필드프리 영역은,
필드프리 포인트(Field Free Point, FFP) 또는 필드프리 라인(Field Free Line, FFL)인 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 장치.
The method of claim 5, wherein the field-free area comprises:
Field-free point (Field Free Point, FFP) or field-free line (Field Free Line, FFL), characterized in that the nano-magnetic particle imaging apparatus.
제6 항에 있어서, 제어부는,
검출 신호를 기반으로 시료의 단면에 포함된 나노 자성 입자의 2차원 위치 분포인 2차원 영상을 생성하고,
서로 수평한 복수의 단면들에 상응하는 복수의 2차원 영상들을 합성하여 3차원 영상을 생성하는 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 장치.
The method of claim 6, wherein the control unit,
Based on the detection signal, a two-dimensional image is generated, which is a two-dimensional position distribution of the nano-magnetic particles included in the cross section of the sample,
An apparatus for imaging nanomagnetic particles, characterized in that a 3D image is generated by synthesizing a plurality of 2D images corresponding to a plurality of cross-sections that are horizontal to each other.
제9 항에 있어서,
한 쌍의 사각 자석들을 선형 이동 또는 회전시키는 제1 구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 장치.
10. The method of claim 9,
Nanomagnetic particle imaging apparatus, characterized in that it further comprises a first driving unit for linearly moving or rotating the pair of square magnets.
제10 항에 있어서, 제어부는,
제1 구동부를 제어하여 한 쌍의 사각 자석들의 일 방향으로 선형 이동 및 일 방향과 소정 각도만큼 회전을 반복 수행하여,
필드프리 영역 이동에 따라 검출 신호로부터 출력된 신호로 사이노그램을 생성하고, 생성된 사이노그램을 역 라돈 변환하여 2차원 영상을 생성하는 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 장치.
11. The method of claim 10, wherein the control unit,
By controlling the first driving unit, linear movement of the pair of square magnets in one direction and rotation in one direction and a predetermined angle are repeatedly performed,
An apparatus for imaging nanomagnetic particles, characterized in that a sinogram is generated with a signal output from the detection signal according to the movement of the field-free region, and a two-dimensional image is generated by inverse radon-transformation of the generated sinogram.
제11 항에 있어서,
측정헤드를 필드프리 생성부의 개구를 통해 이격 영역으로 이동시키는 제2 구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 장치.
12. The method of claim 11,
Nanomagnetic particle imaging apparatus, characterized in that it further comprises a second driving unit for moving the measuring head to the spaced area through the opening of the field-free generator.
제12 항에 있어서, 제어부는,
측정헤드를 시료의 단면에 수직한 방향으로 소정 단위 길이만큼 이동시키면서 2차원 영상을 생성을 반복하는 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 장치.
The method of claim 12, wherein the control unit,
An apparatus for imaging nanomagnetic particles, characterized in that the two-dimensional image is repeatedly generated while the measuring head is moved by a predetermined unit length in a direction perpendicular to the cross-section of the sample.
나노 자성 입자를 포함하는 시료를 수용한 측정헤드에 설치된 여기 코일에 신호를 인가하는 단계; 및
대면하는 동일한 자기극들간의 이격 영역 내에 발생하는 자기장이 희박한 필드프리 영역을 시료 내에서 이동시켜, 측정헤드의 검출 코일로부터 출력되는 검출 신호를 기반으로 시료에 포함된 나노 자성 입자의 3차원 위치 분포를 영상화하는 단계를 포함하되,
필드프리 영역은,
한 쌍의 사각 자석들 및 복수의 소형 자석들이 배열된 한 쌍의 자석 어레이들에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 방법.
applying a signal to an excitation coil installed in a measurement head containing a sample containing magnetic nanoparticles; and
The three-dimensional position distribution of the nanomagnetic particles included in the sample is based on the detection signal output from the detection coil of the measuring head by moving the field-free area where the magnetic field generated within the spaced area between the same facing magnetic poles is rare within the sample. Including the step of imaging,
Field free area,
A method for imaging nanomagnetic particles, characterized in that a pair of square magnets and a plurality of small magnets are generated by a pair of arranged magnet arrays.
제14 항에 있어서, 한 쌍의 사각 자석들은,
측정 헤드가 이격 영역 내에 삽입되도록 일 측면에 개구가 형성된 육면체의 하우징에서 일 측면에 수직한 네 측면들 중 마주하는 두 측면들에 각각에 설치되고,
한 쌍의 자석 어레이들은,
하우징의 일측면 및 일측면에 마주보는 다른 측면 각각에 복수의 소형 자석 들이 개구의 가장 자리에 배열되는 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 방법.
15. The method of claim 14, wherein the pair of square magnets,
The measuring head is installed on two opposite sides of the four sides perpendicular to one side in the housing of a hexahedron having an opening formed on one side so as to be inserted into the spaced area,
A pair of magnet arrays,
A nanomagnetic particle imaging method, characterized in that a plurality of small magnets are arranged at the edge of the opening on each of one side of the housing and the other side facing the one side.
제15 항에 있어서, 복수의 소형 자석들은,
개구 가장자리에 원형으로 배치되는 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 방법.
16. The method of claim 15, wherein the plurality of small magnets,
Nanomagnetic particle imaging method, characterized in that it is arranged in a circle at the edge of the opening.
제15 항에 있어서, 필드프리 영역은,
필드프리 포인트(Field Free Point, FFP) 또는 필드프리 라인(Field Free Line, FFL)인 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 방법.
The method of claim 15, wherein the field-free area,
Nanomagnetic particle imaging method, characterized in that the field free point (Field Free Point, FFP) or field free line (Field Free Line, FFL).
제 15항에 있어서, 3차원 위치 분포를 영상화하는 단계는,
검출 신호를 기반으로 시료의 단면에 포함된 나노 자성 입자의 2차원 위치 분포인 2차원 영상을 생성하는 단계;
서로 수평한 복수의 단면들에 상응하는 복수의 2차원 영상들을 합성하여 3차원 영상을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 방법.
The method of claim 15, wherein imaging the three-dimensional position distribution comprises:
generating a two-dimensional image that is a two-dimensional position distribution of magnetic nanoparticles included in a cross section of a sample based on the detection signal;
A method for imaging nanomagnetic particles, comprising: generating a three-dimensional image by synthesizing a plurality of two-dimensional images corresponding to a plurality of cross-sections that are horizontal to each other.
제 18항에 있어서, 2차원 영상을 생성하는 단계는,
한 쌍의 사각 자석들을 일 방향으로 선형 이동시키거나, 일 방향과 소정 각도를 가지도록 회전시키면서,
필드프리 영역 이동에 따라 검출 신호로부터 출력된 신호로 사이노그램을 생성하고, 생성된 사이노그램을 역 라돈 변환하여 2차원 영상을 생성하는 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 방법.
The method of claim 18, wherein generating a two-dimensional image comprises:
While linearly moving a pair of square magnets in one direction or rotating to have a predetermined angle with one direction,
A method for imaging nanomagnetic particles, characterized in that a sinogram is generated with a signal output from a detection signal according to field-free region movement, and a two-dimensional image is generated by inverse radon transformation of the generated sinogram.
제 19항에 있어서, 2차원 영상을 생성하는 단계는,
측정헤드를 시료의 단면에 수직한 방향으로 소정 단위 길이만큼 이동시키면서 반복되는 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 방법.
The method of claim 19, wherein the generating of the two-dimensional image comprises:
A method for imaging nanomagnetic particles, characterized in that it is repeated while moving the measuring head by a predetermined unit length in a direction perpendicular to the cross-section of the sample.
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