KR20220162887A - 단일의 두꺼운 루프를 갖는 자기 공명 영상 - Google Patents

단일의 두꺼운 루프를 갖는 자기 공명 영상 Download PDF

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하데이브 에스. 카반다
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제이.에스.파스리챠 엔터프라이지스, 엘엘씨
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Abstract

전도성 루프(conducting loop)는 두꺼운 단면을 가지고, 매우 높은 전류들을 생성할 수 있는 하나의 전압원에 의해 가동된다. 루프의 반평행 세그먼트들은 서로 매우 근접하게 되며, 이러한 루프에서 쌍이 아닌(unpaired) 세그먼트들은 총칭하여 균질 B0 자기장을 형성하도록 형상화(shaped)된다. 전압원들은 두꺼운 루프(thick loop) 내의 전류의 생성된 재분배가 동시에 B0 자기장 이외에 필요한 경사 자기장들(gradient fields) 및/또는 보정 자기장들(shimming fields)을 확립시키도록 두꺼운 루프의 한 포인트에서 다른 포인트로 전류를 션트(shunt)한다.

Description

단일의 두꺼운 루프를 갖는 자기 공명 영상{MAGNETIC RESONANCE IMAGING WITH A SINGLE THICK LOOP}
본 발명은 전기 전류들의 인가를 통한 자기장 패턴들의 확립(establishment)에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 자기 공명 영상 촬영(MRI: magnetic resonance imaging) 스캐너들과 관련하여, 그리고 피사체로부터의 정보의 추출을 위한 정확한 자기장 패턴들의 확립을 또한 필요로 하는, 핵 자기 공명 분광법(nuclear magnetic resonance spectroscopy), 전자 상자성 공명 영상 촬영(electron paramagnetic resonance imaging), 및 전자 상자성 공명 분광법(electron paramagnetic resonance spectroscopy)과 같은 다른 시스템들과 관련하여 전류들의 적용을 통한 자기장 패턴들의 확립에 관한 것이다.
자기 공명 영상(MRI) 스캐너 및 다른 유사한 장치들은 피사체 내에 본래 존재하는 자기 모멘트들의 방향들을 정확하게 조작하기 위해 자기장들을 확립하는 시스템들이다. 이러한 자기장들에 의해 정확하게 지향되는(oriented) 자기 모멘트들은 스캐너 내에 전기 신호들을 생성하고, 이러한 신호들은 결과적으로 피사체의 내부 구성의 상세한 영상들을 구성하는데 사용된다.
영상 촬영의 주어진 시점에서, 영상 촬영을 위해 구체적으로 지정된 MRI 스캐너의 볼륨(volume) 내에서 스캐너 내에 확립된 자기장은 일반적으로 스캐너에 의해 지정된 영상 촬영 볼륨 내에서 생성된 둘 이상의 매우 상이한 자기장 패턴들의 합이다. 이러한 패턴들은 이들의 순 효과(net effect)가 시간의 특정 시점에 원하는 자기 모멘트 지향들을 야기하도록 주의하여 설계되고 시간이 정해져야 한다. MR 영상 획득에 중요한 것으로 고려되는 자기장 패턴들은 매우 강하고 균질인 B0 자기장; 무선 주파수에서 발진하는 B1 자기장과; x-경사(gradient) 자기장, y-경사 자기장 및 z-경사 자기장이며, 이러한 경사 자기장의 각각의 크기는 각각 x-방향, y-방향 및 z-방향에서 대략 선형으로 변화한다. 보정 자기장들(shimming magnetic fields)은 또한 매우 종종 B0 자기장의 균질성의 향상을 위해 사용된다.
선형 보정 자기장들을 제외하고, 위의 자기장 패턴들 각각은 일반적으로 그러한 자기장 패턴에 전용되는 스캐너 내의 하나 또는 2개의 구조들에 의해 생성되고, 각각의 이러한 구조는 전류들의 구성 또는 영구 자석들의 구성 중 하나이다. 저항성 MRI 스캐너들의 경우에, 비-초전도 전기 구성들이 원하는 자기장 패턴들 모두의 생성에 통상적으로 수반된다.
MR 영상 촬영은 질병 진단에 상당히 성공적으로 적용되었다. 그러나, 암 검진을 포함하는 질병 검진으로의 MRI의 확장은 불행하게도 상대적으로 제한되어 있다. 검진을 위한 MRI의 사용을 상당히 제한하는 두 가지 요인들은 일반적으로 스캐너 구성과 관련된 비교적 높은 비용과, MRI 스캐너들 내에서 발견되는 통상적으로 작은 환자 공간과 일반적으로 관련되는 불편함이다.
스캐너들을 더 저렴하고 넓게 하고, 따라서 특히 질병 검진으로 지향된 스캐너를 개발하기 위한 하나의 접근 방식은 자기장 패턴들 각각의 전기 전류들의 합을 운반하는 구성을 가진 MRI에 사용되는 복수의 자기장 패턴들을 동시에 생성하는 것이다. 원칙적으로, B0 자기장, 경사 자기장들 및 보정 자기장들의 전류들을 합산하는 것을 생각할 수 있는데, 그 이유는 이러한 자기장들 모두의 벡터들은 주로 단일 방향, 관례상 z 방향으로 지향되기 때문이다.
그러나, 합산된 전류 구성으로 복수의 경사 자기장들 및/또는 보정 자기장들을 생성할 시에 매우 성공적인 것으로 나타나는 방법들이 개발되었지만, 구체적으로 합산된 전류 구성을 통해 경사 자기장들 및/또는 보정 자기장들과 B0 자기장을 결합하기 위한 실제적인 수단이 아직 도입되지 않았다. 예를 들면, 겝 하르트 등에 의한 미국 특허 제6,492,817호의 도 14는 상이한 자기장 패턴들을 동시에 확립할 수 있고, 루프들의 평면들에 수직으로 지향되는 규칙적으로 이격된 라인 세그먼트들에 의해 연결된 일련의 평행 동축 루프들로 이루어지는 전기적 구성을 보여준다. 루프 권선이 사용되지 않는 경우에 B0 자기장에 필요한 전류들이 대략 수만 암페어 정도이기 때문에, 가상의 B0 자기장에 기여하는 이러한 구조의 각 루프는 매우 큰 전류들을 전달할 수 있는 전압원을 가져야 한다. 충분히 균질한 B0 자기장에 대해 최소 4개의 루프들을 가정하면, 매우 큰 전류들에 대한 4개의 전압원들은 이러한 구조가 자신의 다른 자기장 패턴들 중에서 B0 자기장을 생성하는데 필요하다.
왓킨스 등에 의한 미국 특허 제6,933,724호의 도 1은 개개의 루프들이 독립적인 전압원들을 가진 별도의 루프 세그먼트들 또는 아크들(arcs)로 대체된 전기적 구성을 개시하고 있다. 각 세그먼트된 루프에서, 그리고 전체적으로 그러한 구조에서, 전류 패턴은 상이한 MRI 자기장 패턴들과 관련된 전류 패턴들의 합을 명백히 나타낼 수 있다. 그러나, 여기에서 가상의 B0 자기장에 기여하는데 사용되는 각 세그먼트는 수만 암페어를 생성할 수 있는 전압원을 필요로 한다. 다시 B 0 자기장에 대해 최소 4개의 루프들의 조립을 가정하고, 추가로 왓킨스 등의 구조의 각 세그먼트된 루프가 적어도 4개의 세그먼트들로 구성된다고 가정하면, 매우 높은 전류의 16개의 소스들은 이러한 구조가 자신의 다른 자기장 패턴들과 함께 동시에 B 0 자기장을 생성하는 경우에 요구될 것이다. 이러한 매우 비실용적인 요구 사항을 넘어서, B0 자기장에 기여하는 각 세그먼트와 관련된 매우 높은 리턴 전류는 에너지의 낭비로 이어지고, 추가적으로 스캐너의 영상 촬영 볼륨(imaging volume) 내에서 자기장을 상당히 왜곡시킬 가능성을 가진다.
본 발명의 목적은 매우 높은 전류의 복수의 전압원들을 요구하거나 또는 상술한 다른 문제들을 처리해야할 필요없이 합산된 전류 구성을 통해 하나 이상의 다른 자기장 패턴들과 함께 B0 자기장을 확립할 수 있는 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 두꺼운 단면을 가진 전도성 루프(conducting loop)와 매우 높은 전류들을 생성할 수 있는 단일 전압원을 포함하는 실시예를 통해 본 발명에 따라 달성된다. 루프의 반평행 세그먼트들은 서로 매우 근접(close proximity)하게 되며, 이는 루프가 하나 이상의 위치들에서 효과적으로 "핀치(pinched)"되고, 반평행 세그먼트들의 각 쌍은 스캐너의 영상 촬영 볼륨 내에 대략 0 자기장을 제공한다. 이러한 루프에서 쌍이 아닌(unpaired) 세그먼트는 총칭하여 균질 B0 자기장을 형성하도록 형상화(shaped)된다. 그 후, 전압원들은 두꺼운 루프(thick loop)의 한 포인트에서 다른 포인트로 전류를 션트(shunt)하며 그 결과 두꺼운 루프 내의 전류의 결과적인 재분배는 전류로 하여금 B0 자기장 이외에 필요한 경사 자기장들 및/또는 보정 자기장들을 동시에 확립시키도록 한다.
B0 자기장 및 단일의 두꺼운 루프를 가진 다른 자기장 패턴들을 동시에 확립하기 위한 개시된 시스템 및 방법의 더 나은 이해는 도면들을 참조로 이루어질 수 있다.
도 1은 B0 자기장, x-경사 자기장, y-경사 자기장 및 z-경사 자기장을 생성할 수 있는, 부착(attach)된 전류 션트들을 가진, 두꺼운 라인으로서의 단일의 두꺼운 루프를 도시하는 개략적인 회로도이다.
도 2는 도 1의 단일의 두꺼운 루프 내의 원형 구조들 중 어느 하나와 연관될 수 있는 실제 전류들을 도시하는 개략적인 회로도이다.
도 3은 도 1에 의해 나타낸 개략적인 회로도의 실시예가 실제로 MRI 스캐너에 나타날 수 있는 방법을 보여준다.
도 4 및 도 5는 또한 공유 전류 구성을 통해 B0 자기장 및 다른 자기장 패턴들을 동시에 생성하는 도 1에 대한 대안적 실시예들을 제공한다.
도 6a는 단일의 얇은 루프가 z-경사 자기장을 형성하는데 사용될 수 있고, 부착된 전류 션트들은 단일의 얇은 루프가 또한 x-경사 자기장 및 y-경사 자기장을 확립하도록 하는 도 1과 유사한 구조를 도시한다. 도 6b 및 도 6c는 도 6a의 구조의 음향 진동이 어떻게 감소될 수 있는지를 나타낸다.
도 1은 두꺼운 검은 선으로 표시되고, 매우 높은 전류 Ipolarizing를 생성할 수 있는 단일의 전압원 VHIGH I로부터 전력을 수신하는 단일의 두꺼운 전도성 루프(100)를 도시하는 개략적인 회로도이다. 두꺼운 루프(100)는 반평행 전류의 다수의 세그먼트들(110)이 일반적으로 전압원 VHIGH I에 부착되는 것으로 예상되는 반평행 전류 들 외에도 쌍을 이루도록 구부려진다. 이러한 세그먼트 쌍의 각각은 예를 들어 세그먼트들을 서로 매우 가까이 쌓거나, 하나의 세그먼트를 다른 세그먼트 내에 텔레스코핑(telescoping)하거나, 두 세그먼트들을 서로 뒤얽힘(intertwining)하는 것을 통해 주어진 세그먼트 쌍에 대해 달성될 수 있는 영상 촬영을 위해 지정된 스캐너의 볼륨에서 거의 0과 동일한 결합된 자기장을 갖는 것으로 이해된다. 절연 및/또는 에어 갭은 쌍으로 있는 세그먼트들이 서로 직접 물리적 접촉을 하거나 서로 직접 전기를 전송하는 것을 방지한다. 4개의 원형 구조들(부분 루프들(partial loops))을 형성하는 100의 쌍을 이루지 않은 세그먼트들은 원형 구조들이 적절히 크기 및 위치가 정해질 때 전류 Ipolarizing로 B 0 자기장을 생성한다. 3개의 전류 션트들(20)은 100의 4개의 원형 구조들의 각각에 부착된다. 각각의 전류 션트(20)는 전압원 V로부터 전력을 수신하고, 전류 션트들(20)의 적절한 활성화는 x-경사 자기장, y-경사 자기장 및/또는 z-경사 자기장이 100에 의해 생성된 B0 자기장에 추가되도록 두꺼운 루프(100)에 전류를 재분배할 것이다. 션트들은 이들이 시각적으로 서로에 대하여 구별되는데 도움이 되도록 본 출원에 걸쳐 실선들 및 점선들 둘 다를 이용하여 그려진다.
도 2는 도 1의 두꺼운 루프(100) 내의 원형 구조들 중 어느 하나와 연관될 수 있는 실제 전류들을 도시하는 개략적인 회로도이다. 도 2에 도시된 축들과 일치하여, 도 2의 원형 구조는 x-y 평면에 평행이고 z-축에 대해 중심을 이루는 것으로 이해된다. 션트 A(40)는 y-축 상의 점(42)에서 y-축 상의 점(44)으로 전류를 보내고, 션트 B(60)는 x-축 상의 점(62)에서 x-축 상의 점(64)으로 전류를 보내고, 션트 C(80)는 도 2의 수직 세그먼트 쌍의 하나의 세그먼트(110) 상의 점(82)에서 수직 세그먼트 쌍의 다른 세그먼트(110) 상의 점(84)으로 전류를 보낸다. 당업자는 전압원들에 의해 생성되는 전류들 β, γ 및 δ가 각각 스캐너의 영상 촬영 볼륨 내에서 x-경사 자기장, y-경사 자기장 및 z-경사 자기장에 기여하는 것으로 인식할 것이다. 당업자는 추가적으로 키르히호프의 접합 규칙(junction rule) 및 루프 규칙(loop rule)이 도 2에 도시된 전류들 β, γ 및 δ에 필요한 션트 전압들에 대해 쉽게 해결하기 위해 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 이러한 전압들은:
Figure pat00001
Rq는 원형 구조의 각 쿼터(quarter)의 저항이고, RA는 션트 A와 관련된 총 저항이고, RB는 션트 B와 관련된 총 저항이며, RC는 션트 C와 관련된 총 저항이다.
도 3은 도 1의 개략적인 실시예가 실제로 MRI 스캐너에 물리적으로 나타날 수 있는 방법을 보여준다. 도 3a는 도 3b에 대한 예비 도면이고, 도 1의 수직 세그먼트 쌍들이 제거된 것을 나타낸다. 도 1의 수직 세그먼트 쌍들이 실제로 B 0 자기장을 생성하는 100의 쌍을 이루지 않은 세그먼트들로부터 쌍을 이룬 세그먼트들(110)을 더욱 명확하게 시각적으로 분리함으로써 실시예를 더욱 잘 이해하는데 도움을 줄지라도, 이들은 이러한 실시예의 동작을 위해 필요하지 않으며, 사실상 이들의 전류들은 에너지의 낭비를 나타낼 가능성이 있다. 도 3b는 각 원형 구조가 도 2의 원형 구조와 동일한 지향을 갖는 도 1의 개략적인 회로의 실제 물리적인 표명(manifestation)을 도시한다. 당업자는 도 3b의 처음 두 개의 원형 구조들 및 마지막 두 개의 원형 구조들과 각각 관련된 대향 δ 전류들이 z-경사 자기장의 생성과 일치하며, 중간의 두 개의 부분 루프들의 평행 β 전류들 및 중간의 두 개의 부분 루프들의 평행 γ 전류들은 x-경사 자기장 및 y-경사 자기장의 각각의 생성과 일치한다는 것을 인식할 것이다.
도 3b에 관한 여러 실제 주석들(notes)은 본 명세서에서 행해질 수 있다. 첫째로, 각각의 β 션트 및 각각의 γ 션트는 z-축에 수직으로 이동할 때 두 브랜치들로 분할하는 것으로 보여질 수 있다. 이러한 브랜칭과 관련된 정확한 구성은 스캐너에 의해 생성된 x-경사 자기장 및 y-경사 자기장 패턴들을 유지하도록 보여질 수 있다. 당업자는 본 발명과 관련된 션트들이 일반적으로 스캐너의 영상 촬영 볼륨 내에서 원하는 자기장 패턴들을 왜곡하지 않기 위해 구조화된다는 것을 확신할 수 있다. 둘째로, 도 3b의 두꺼운 루프는 그것 내의 와전류들의 형성을 방지하는 슬롯들을 포함해야 할 수 있다. 이러한 슬롯들은 루프로부터 발생하는 자기장 패턴들의 전체 정밀도에 영향을 주지 않도록 하기 위해 설계되어야 한다. 셋째로, 션트들 내의 전류를 구동하는 전압원들은 두꺼운 루프의 인덕턴스를 극복하기 위해 사용될 수 있으며, 따라서 두꺼운 루프에 의해 확립된 자기장이 통상적으로 MRI 스캐닝을 위해 요구되는 만큼 빠르게(즉, 밀리초의 약 절반) 변경되도록 할 수 있다는 것을 알 수 있다. 넷째로, 관련된 전압원 VHIGH I은 구체적으로 두꺼운 루프와 관련된 매우 높은 전류 및 매우 낮은 저항을 처리하도록 구성될 수 있다. 이것은 예를 들어 서로 병렬로 연결되고, 절연-게이트 바이폴라 트랜지스터들(IGBTs: insulated-gate bipolar transistors), 사이리스터들 또는 다른 반도체 기술들을 채용하는 정류-제어 유닛들의 스택의 사용을 통해 달성될 수 있다.
도 3c는 도 3b의 원형 구조들이 총괄하여 도 1의 수평 세그먼트 쌍들에 대응하는 도 3b의 관형 구조에 의해 서로 연결되는 수단을 도시한다. 명확히, 단지 이러한 구조들이 구축되는 도체의 두께 때문에, 도 3a를 통해 도시된 수직 세그먼트 쌍들을 제거하더라도 관형 구조와 도 3b의 각 원형 구조 사이에 짧은 역류(countercurrent) 세그먼트 쌍이 존재할 것이다.
도 3d는 도 1의 수평 세그먼트 쌍들에 대응하는 전류들이 스캐너의 영상 촬영 볼륨 내에서 거의 제로로 합산하는 것을 돕기 위해 텔레스코핑의 사용을 도시한다. 당업자는 전류 소거의 최고 정도를 달성하기 위한 방법들을 알고 있으며, 이러한 전류 소거의 정밀도는 스캐너의 영상 촬영 볼륨 내에서 허용된 대응하는 자기장 오염의 최대 임계값의 관점에서 특정될 수 있다(예를 들어, 다른 선택들 중에서 B0 자기장의 크기에 대하여 1 ppm (part per million), 5 ppm, 10 ppm, 또는 50 ppm).
도 4a는 동일한 원형 구조 내에서와는 반대로 션트들이 상이한 원형 구조들 사이의 포인트들을 연결하는 도 1의 실시예에 대한 변형을 도시한다. 도 4b는 4개의 원형 구조들에 의해서와 반대로 B0 자기장이 6개의 반원형 구조들과 한개의 원형 구조에 의해 생성되는 도 1의 실시예에 대한 변형을 도시한다.
도 5a는 2개의 별도의 션트들이 두꺼운 루프의 동일한 포인트에 연결될 수 있음을 나타내는 도 1의 실시예에 대한 변형이다. 도 5b는 션트가 두꺼운 루프의 둘보다 많은 포인트들에 연결될 수 있음을 나타내는 변형이다. 도 5c는 당업자가 구체적으로 두꺼운 루프가 B0 자기장 및 경사 자기장들 이외에 보정 자기장들을 생성하도록 허용하는 것으로 인식하는 변형이다. 도 5d는 2개의 션트들이 노드에서 교차할 수 있음을 나타내고, 도 5e는 2개의 션트들이 원, 다각형, 또는 더 복잡한 구조를 통해 교차할 수 있음을 더 제시한다.
도 5f는 실제로 두꺼운 루프 또는 매우 큰 전류들을 생성시킬 수 있는 전압원을 사용하지 않고 합산된 전류 구조로 B0 자기장 및 다른 자기장 패턴들을 달성하기 위한 방법을 도시하는 도 1의 실시예에 대한 변형이다. 특히, 도 1의 두꺼운 루프는 단지 대략 수십 암페어 정도의 전류를 운반하는 얇은 루프로 대체된다. 더욱이, 도 1에서와같이, 각각 강체 원형 구조를 형성하는 루프의 쌍을 이루지 않은 세그먼트들 대신에, 각각의 쌍을 이루지 않은 세그먼트는 병렬로 여러번 감겨질 수 있는 매우 긴 유연한 세그먼트이다. 도 5f의 최상부에서의 3개의 얇은 원형 구조들은 이러한 하나의 긴 유연한 세그먼트의 개개의 권선들을 나타내는 것으로 되어있다. 각각의 감긴 긴 유연한 세그먼트와 연관된 암페어 턴들(Amp-turns)의 총수는 도 1과 관련된 B0 자기장과 비슷한 B0 자기장을 생성하기 위해 도 5f의 쌍을 이루지 않은 세그먼트들에 대해 충분히 크다. 더욱이, 각 권선과, 도 5f의 최하부 근처에 있는 수직 세그먼트 쌍에 부착된 션트들은 x-경사 자기장, y-경사 자기장 및/또는 z-경사 자기장이 B0 자기장과 동시에 생성되도록 허용한다.
도 6a는 도 5f와 같이 매우 큰 전류들을 운반하지 않는 얇은 루프(100´)를 사용하는 도 1에 대한 변형이다. 그러나, 도 5f의 구조가 긴 유연한 세그먼트들 및 권선들을 포함하는 것처럼 도 6a의 구조는 길고, 유연한 세그먼트들 및 권선들을 포함하지 않으며, 따라서 도 6a의 회로는 B0 자기장을 생성하도록 전혀 의도되지 않는다. 대신에, 도 6a는 메인 얇은 루프(100´)가 비-B0 자기장 패턴을 확립하고, 메인 얇은 루프(100´)에 부착된 션트들(20)이 다른 자기장 패턴들 상에서 초기 비-B0 자기장 패턴에 추가하는데 사용되는 도 1의 아날로그를 입증하도록 의도된다. 도 6a의 특정 경우에, 메인 얇은 루프(100´)는 z-경사 자기장을 생성할 수 있고, 그리고 나서 루프(100´)에 연결된 션트들(20)은 x-경사 자기장 및/또는 y-경사 자기장을 z-경사 자기장에 추가한다.
당업자에게 공지된 바와 같이, 매우 강한 자기장에 노출되고 또한 시간이 흐르면서 변하는 전류를 포함하는 구조는 일반적으로 로렌츠 힘들로부터 진동하며 이에 의해 음향 잡음을 생성시킬 것이다. 변하는 전류들을 갖는 두꺼운 루프(100)의 세그먼트들은 일반적으로 두꺼운 루프가 몇천 킬로그램과 비슷한 무게일 가능성이 있기 때문에 간단히 두꺼운 루프의 다른 세그먼트들에서 나오는 자기장과 관련된 로렌츠 힘들의 영향을 받지 않는 것으로 예상된다. B0 자기장 생성 구조 근처에 배치된 얇은 루프(100´)는 한편으로는 로렌츠 힘들에 명백히 취약할 것이다. 이런 문제를 완화하기 위한 하나의 방법이 도 6b를 통해 도시된다. 도 6b에서, 얇은 루프(100´) 및 B0 자기장을 생성하는 구조(400) 모두는 원형 단면을 가지며, 얇은 루프(100´)의 부분은 B0 자기장을 생성하는 구조(400)의 부분에 대칭적으로 형성된 중공의(hollow) 원형 터널(402)에 대칭적으로 배치된다. 유사하게, 도 6c에서, 다시 얇은 루프(100´) 및 B0 자기장을 생성하는 구조(500)는 모두 원형 단면을 갖지만, 이때 B0 자기장을 생성하는 구조(500)의 부분은 얇은 루프(100´)의 부분에 대칭적으로 형성된 중공의 원형 터널(502)에 대칭적으로 배치된다. 도 6b 및 도 6c에 도시된 구성들의 대칭으로 인해, B0 자기장을 생성하는 구조의 부분 내에 배치되거나 이러한 부분을 엔벨로프(envelop)하도록 만들어지는 얇은 루프(100´)의 부분의 음향 진동은 100´의 부분이 단순히 B0 자기장을 생성하는 구조에 인접하게 남겨져 있다면 100´의 부분이 경험하는 진동에 비해 감소될 가능성이 있다는 것을 당업자는 이해할 것이다. 이러한 진동의 감소는 얇은 루프(100´)의 부분 및 동심으로 만들어진 B0 자기장을 생성하는 구조의 부분 모두가 비교적 큰 곡률 반경을 가질 경우에 더 중요할 것으로 예상된다.
당업자는 위의 도면들을 통해 제시된 것 이외에 본 발명과 관련된 많은 다른 변형들이 있다는 것을 이해할 것이다. 몇몇 실시예들에서, 두꺼운 루프는 분기하고 재결합하도록 만들어질 수 있거나, 또는 복수의 두꺼운 루프들이 함께 배치될 수 있지만, 전류들의 전체 구조는 도 1의 실시예에 대해 설명된 것과 여전히 동등할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 두꺼운 루프는 스캐너에 필요한 B0 자기장의 부분만을 생성할 수 있지만, 도 1에 도시된 바와 같이 달리 나타날 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 각각의 전류 션트는 두꺼운 루프 내에 필요한 전류 분포를 달성하는데 도움을 주기 위해 자신의 전압원에 더하여 사용될 수 있는 약간의(some) 가변 저항을 가질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 각각의 전류 션트는 두꺼운 루프의 여러 포인트들로부터 전류를 픽업하고, 전류를 두꺼운 루프의 여러 포인트들로 반환하거나, 둘다를 할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 예를 들어 두꺼운 루프 스캐너의 루프를 가동하는데 사용되는 높은-전류 전압원에 대한 경우일 수 있는 바와 같이, 상술한 임의의 주어진 전압원은 직렬 및/또는 병렬로 연결된 전압원들의 그룹으로 대체될 수 있다. 본 발명은 명확하게 자기장 패턴들을 생성하는 MRI 스캐너들과 다른 시스템들에 사용될 수 있다. 핵 자기 공명 분광법, 전자 상자성 공명 분광법, 및 전자 상자성 공명 영상은 본 발명이 적용될 수 있는 비-MRI 방법들의 3개의 예들이다.
장점들
여기까지 개시되었던 본 발명의 시스템 및 방법에서, 당업자는 다음의 단락들에서 설명되는 이점들의 일부 또는 전부가 가능해질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 다음의 단락들에서, 도 1에 도시된 회로의 물리적 실시예는 "두꺼운 루프 스캐너(thick-loop scanner)"로 지칭될 것이다.
두꺼운 루프 스캐너의 제 1 장점은, B0 자기장 패턴의 정밀도가 MRI에서 특히 중요하다는 것을 고려하면, 두꺼운 루프 스캐너의 부분 루프들이, 전기적으로 오직 자신의 B0 자기장을 생성하는, 저항성 MRI 스캐너에서의 통상의 B0 자기장-생성 권선들(windings)의 위치들, 직경들 및 두께들과 같거나 또는 거의 같은 위치들, 직경들 및 두께들을 갖는 것으로 설계될 수 있다는 사실로부터 보여질 수 있다. 이것은, 션트들의 경로들이 도 3b에서와 같이 두꺼운 루프에 의해 둘러싸인 볼륨의 외부에 있도록 설정된다고 가정하면, 넓은 공간의 관점에서 두꺼운 루프 스캐너는 단지 B0 자기장- 및 B1 자기장-생성 구조들만을 포함하는 MRI 스캐너와 동등할 것임을 의미한다. 무선 주파수 코일 세트의 크기는 두꺼운 루프 스캐너 내에 확보된 공간으로 인해 보통보다 더 크게 될 수 있다. 넓은 공간의 크게 증가된 느낌은 질병 검진을 일반 인구에게 더욱 흡족스럽게 할 수 있고, 또한 비만 개인들의 영상 촬영, 밀실 공포증을 가진 개인들의 영상 촬영, 동물 영상 촬영, 및 중재 또는 수술 절차들 중의 영상 촬영을 위한 기회들을 증가시킨다.
두꺼운 루프 스캐너의 제 2 장점의 특징은 비교적 낮은 제조 비용이 예상된다는 것이다. B1 자기장-생성 구조가 아닌 단지 하나의 상당한 자기장-생성 구조가 스캐너를 위해 제조되어야 한다. 더욱이, 두꺼운 루프는 추측가능하게 성형품들(molded pieces)로부터 조립되고, 결과적으로 세심한 반복된 와이어들의 권선으로부터 형성된 구조들에 비해 더욱 비용 효율적이게 될 것이다. 성형된 구조들은 또한 감겨진 구조들보다 기계적 수송 스트레스들로부터 발생하는 오류들에 덜 민감할 수 있으며, 이런 이유로 다수의 권선들을 가진 스캐너에 대한 경우보다 두꺼운 루프 스캐너를 분해하여, 그것을 예를 들어 개발 도상국(developing nation)에 기부하기 위해 다른 곳에서 다시 조립하는 것이 더 경제적일 수 있다. 전류 션트들은 두꺼운 루프 스캐너의 두꺼운 루프와 함께 제조되고, 이러한 두꺼운 루프에 부착되어야 하지만; 두꺼운 루프 자체처럼 전류 션트들이 비교적 간단한 구조들임은 사실이다.
두꺼운 루프 스캐너의 제 3 장점의 특징은 비교적 조용한 작동을 제공하기 위한 두꺼운 루프 스캐너의 능력이다. 표준 MRI에서, 상이한 구조들이 단단하게 끼운 동심 실린더들(tightly-fitting concentric cylinders)의 형태로 종종 서로 내에 배치되지만; 상술된 바와 같이, 두꺼운 루프 스캐너는 비교적 많은 양의 자유 공간을 갖는 것으로 예상될 것이다. 이러한 증가된 공간의 부분은 전류 션트들 주변에 가는 진공관들(slender evacuated tubes)의 배치에 사용될 수 있으며, 이는 이들의 전류들의 값이 변할 때 션트들에 작용하는 로렌츠 힘들로부터 생성된 소음 전달을 상당히 감소시킨다. 션트들이 도 3b에 도시된 배치를 가진다면, 션트들은 두꺼운 루프에 의해 둘러싸인 볼륨의 바깥쪽에 위치하도록 보여지며, β 및 γ 션트들을 둘러싸는데 사용되는 진공관들은 간단하게 8개의 직선 진공관들 및 2개의 원형 진공 링들로 구성될 수 있다. 진공관들은 두꺼운 루프가 대개 1000kg과 비슷한 무게일 것이기 때문에 두꺼운 루프 자체의 임의의 부분 주위에 배치될 필요가 없을 것이며, 따라서 그것의 전류들이 변할 때에 상당하게 진동할 가능성이 낮다.
이제 B0 자기장 및 다른 자기장 패턴들의 동시 확립을 위해 개시된 시스템 및 방법을 읽고 이해하면, 당업자는 상술한 개시물에 의해 가능해지는 다른 장점들, 변형들 및 실시예들을 인식할 것이다. 이러한 장점들, 변형들 및 실시예들은 첨부된 청구항들 및 이의 법적 등가물들의 범위 및 의미의 부분으로 간주되어야 한다.
특정 실시예들이 상술되었지만, 이들 실시예들은 단지 하나의 실시예가 특정 특징에 대해 설명되는 경우에도 본 발명의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다. 본 개시 내용에서 제공되는 특징들의 예들은 달리 언급되지 않는 한 제한보다는 예시적인 것으로 의도된다. 위의 설명은 본 발명의 이점을 갖는 당업자에게는 자명하듯이 이러한 대안들, 수정들 및 등가물들을 커버하도록 의도된다.
본 발명의 범위는, 본 명세서에서 다루어진 문제들 중 임의의 문제 또는 모든 문제들을 완화하는지 여부에 대한, 본 명세서에서 (명시적으로 또는 암시적으로) 개시된 임의의 특징 또는 특징들의 조합, 또는 이의 임의의 일반화를 포함한다. 본 발명의 다양한 장점들은 본 명세서에 설명되었지만, 청구항들에 의해 커버되는 실시예들은 이러한 장점들의 일부 또는 모두를 제공할 수 있거나 전혀 제공하지 않을 수도 있다.

Claims (23)

  1. 균질인 B0 자기장의 부분 또는 모두의 생성 및 영상 촬영 볼륨(imaging volume) 내에 필요한 경사(gradient) 자기장들 및/또는 보정(shimming) 자기장들의 동시 생성을 위한 장치에 있어서,
    상기 장치는,
    메인 전도성 루프(main conducting loop)와;
    분극 전류들(polarizing currents)을 생성할 수 있는 단일 전압원, 또는 분극 전류들을 생성할 수 있는 단일의 유효한(effective) 전압원을 포함하고,
    상기 분극 전류들을 생성할 수 있는 단일의 유효한 전압원은 직렬 및/또는 병렬로 연결되는 전압원들의 그룹으로 구성되고,
    상기 분극 전류들을 생성할 수 있는 단일 전압원 또는 단일의 유효한 전압원은 상기 메인 전도성 루프와 직렬로 연결되고,
    상기 메인 전도성 루프는,
    하나 이상의 소거(canceling) 세그먼트 쌍들 및
    둘 이상의 기여(contributing) 세그먼트들을 포함하도록 형상화(shaped)되고,
    각각의 상기 소거 세그먼트 쌍의 두 소거 세그먼트들은
    서로 가깝게 근접(close proximity)해 있는 상기 메인 전도성 루프의 반평행 세그먼트들이고
    그리고
    상기 장치의 상기 영상 촬영 볼륨 내에 거의 0의 자기장을 기여시키며,
    각각의 상기 기여 세그먼트는
    상기 메인 전도성 루프의 쌍이 아닌(unpaired) 세그먼트이고,
    상기 기여 세그먼트들은 복수의 불완전한 루프들(incomplete loops)로 그룹화되고, 각각의 개별적인 상기 불완전한 루프는
    하나 이상의 상기 기여 세그먼트들로 구성되고,
    자신의 원주에 하나 이상의 작은 갭들을 가진 완전한 루프(complete loop)와 동등하고,
    그리고
    공통 축에 대해 중심을 이루며,
    상기 불완전한 루프들의 전체는,
    총괄하여(collectively) 상기 장치의 상기 영상 촬영 볼륨 내에 상기 균질인 B0 자기장의 부분 또는 모두를 형성하도록 형상화되며,
    각각의 상기 소거 세그먼트 쌍의 상기 두 소거 세그먼트들은,
    적어도 하나의 기여 세그먼트에 의해 상기 메인 전도성 루프의 길이를 따라 분리되고,
    둘 다 상기 메인 전도성 루프의 길이의 개별적인 단부들에 위치되지는 않으며,
    상기 장치는 복수의 전류 션트들을 포함하며,
    각각의 상기 전류 션트는 하나 이상의 션트 도체 세그먼트들 및 상기 하나 이상의 션트 도체 세그먼트들 내에 삽입되는 적어도 하나의 션트 전압원을 포함하고,
    상기 션트 도체 세그먼트들은 상기 메인 전도성 루프와는 별개이고,
    상기 적어도 하나의 션트 전압원은 분극 전류들을 생성할 수 있는 상기 단일 전압원 또는 단일의 유효한 전압원과는 별개이고 물리적으로 분리되며, 그리고
    각각의 상기 전류 션트는 상기 메인 전도성 루프의 하나 이상의 포인트들로부터 상기 메인 전도성 루프의 하나 이상의 다른 포인트들로 전류를 션트하도록 배치되고,
    각각의 상기 불완전한 루프에 대해서는,
    상기 불완전한 루프의 원주에 있는 하나의 상기 작은 갭의 양 측면들이 션트 도체 세그먼트 엔드포인트들에 연결되고,
    상기 불완전한 루프들 중 적어도 2개의 불완전한 루프들의 각각의 불완전한 루프에 대해서는,
    상기 불완전한 루프의 원주 상의 4개의 위치들이 션트 도체 세그먼트 엔드포인트들에 연결되고, 상기 4개의 위치들은 상기 공통 축에 의해 정의된 좌표계 내의 900의 방위각 분리들(azimuthal separations)을 가지며,
    상기 불완전한 루프들 중 상기 적어도 2개의 불완전한 루프들 모두에 대해,
    상기 4개의 위치들의 개별적인 방위각들은 동일하고,
    상기 장치는 이에 의해
    분극 전류들을 생성할 수 있는 상기 단일 전압원 또는 단일의 유효한 전압원으로부터의 전류로 자기 공명 영상 촬영 또는 분광법, 또는 전자 상자성 공명 영상 촬영 또는 분광법을 위한 상기 균질인 B0 자기장의 부분 또는 모두를 생성하고,
    그리고
    상기 션트 전압원들을 통해 상기 메인 전도성 루프 내에서 전류의 재분배를 통해 상기 균질인 B0 자기장의 부분 또는 모두와 동시에 상기 필요한 경사 자기장들 및/또는 보정 자기장들을 확립(establish)할 수 있는, 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각각의 상기 불완전한 루프는 정확히 하나의 상기 기여 세그먼트로 구성되는, 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 불완전한 루프들 중 하나를 제외한 모든 불완전한 루프들은 하나보다 많은 상기 기여 세그먼트로 구성되는, 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    각각의 개별적인 상기 불완전한 루프는 수직인 상기 소거 세그먼트 쌍을 갖거나 또는 하나의 상기 소거 세그먼트 쌍 밑에 위치되는 상기 소거 세그먼트 쌍의 수직 부분을 갖는, 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 공통 축에 의해 정의된 좌표계 내에서 900의 방위각 분리들을 갖는 4개의 위치들이 션트 도체 세그먼트 엔드포인트들에 연결되어 있는 각각의 상기 불완전한 루프에 대해,
    제 1 전류 션트는 상기 4개의 위치들 중에서 제 1 위치 및 제 2 위치 사이에 결합되고, 상기 제 1 및 제 2 위치들은 상기 불완전한 루프 상에서 서로 정반대이며,
    제 2 전류 션트는 상기 4개의 위치들 중에서 제 3 위치 및 제 4 위치 사이에 결합되고, 상기 제 3 및 제 4 위치들은 상기 불완전한 루프 상에서 서로 정반대이고, 그에 의해 상기 제 3 및 제 4 위치들이 놓인 라인은 상기 제 1 및 제 2 위치들이 놓인 라인에 대해 900 회전되는, 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 위치들 사이에 있는 상기 제 1 전류 션트의 일부는 두 브랜치들로 분할되고,
    상기 제 3 및 제 4 위치들 사이에 있는 상기 제 2 전류 션트의 일부는 또한 두 브랜치들로 분할되는, 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    각각의 상기 불완전한 루프는
    원형으로 형상화되고 그리고 상기 공통 축에 수직인 평면에 놓이는, 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 션트들 중 적어도 하나는 약간의(some) 가변 저항을 가지는, 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 션트들 중 적어도 하나는 진공관들(evacuated tubes) 내에 배치되는, 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 션트들은 상기 메인 전도성 루프에 의해 둘러싸인 볼륨의 바깥쪽에 위치하는, 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    분극 전류들을 생성할 수 있는 상기 단일의 유효한 전압원은 병렬로 연결되고 절연-게이트 바이폴라 트랜지스터들(IGBTs: insulated-gate bipolar transistors)을 채용하는 복수의 정류-제어 유닛들로부터 형성되는, 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    분극 전류들을 생성할 수 있는 상기 단일의 유효한 전압원은 병렬로 연결되고 사이리스터들을 채용하는 복수의 정류-제어 유닛들로부터 형성되는, 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인 전도성 루프의 길이를 따라서, 임의의 2개의 이웃한 기여 세그먼트들은 2개 또는 3개의 소거 세그먼트 쌍들에 속하는 소거 세그먼트들에 의해 분리되는, 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인 전도성 루프의 길이를 따라서, 임의의 2개의 이웃한 기여 세그먼트들은 단일의 소거 세그먼트에 의해 분리되는, 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 기여 세그먼트들의 기하학적 중심들은 모두 상기 공통 축 상에 정렬되는, 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 기여 세그먼트들의 기하학적 중심들 모두가 상기 공통 축 상에 정렬되지는 않는, 장치.
  17. 제 1 항에 있어서,
    하나의 상기 소거 세그먼트 쌍의 2개의 소거 세그먼트들의 자기장 소거는 상기 소거 세그먼트들 중 하나의 소거 세그먼트 내의 상기 소거 세그먼트들 중 다른 하나의 소거 세그먼트의 텔레스코핑을 수반하는, 장치.
  18. 제 1 항에 있어서,
    하나의 상기 소거 세그먼트 쌍의 2개의 소거 세그먼트들의 자기장 소거는 상기 2개의 소거 세그먼트들의 뒤얽힘(intertwining)을 수반하는, 장치.
  19. 제 1 항에 있어서,
    모든 상기 소거 세그먼트 쌍들과 관련된 전류 소거의 정도(degree)는 상기 장치의 상기 영상 촬영 볼륨 내의 자기장 오염의 특정 최대 임계치를 초과하지 않는 자기장 오염의 레벨에 대응하는, 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 자기장 오염의 특정 최대 임계치는 상기 B0 자기장의 크기에 대해 1 ppm(part per million)과 50 ppm 사이의 값인, 장치.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인 전도성 루프는 성형품들(molded pieces)로부터 조립되는, 장치.
  22. 균질인 B0 자기장의 부분 또는 모두를 생성하고, 스캐너의 영상 촬영 볼륨 내에 필요한 경사 자기장들 및/또는 보정 자기장들을 동시에 생성하기 위한 방법에 있어서,
    상기 방법은,
    분극 전류들을 생성할 수 있는 단일 전압원, 또는 직렬 및/또는 병렬로 연결되는 전압원들의 그룹을 메인 전도성 루프와 직렬로 연결하는 단계와;
    하나 이상의 소거 세그먼트 쌍들 및
    둘 이상의 기여 세그먼트들을 포함하도록 상기 메인 전도성 루프를 형상화하는 단계를 포함하고,
    각각의 상기 소거 세그먼트 쌍의 두 소거 세그먼트들은
    이미 서로 가깝게 근접(close proximity)해 있지 않았으나 서로 가깝게 근접하게 되거나, 또는 유효하게 함께 핀치(pinched)되는 상기 메인 전도성 루프의 반평행 세그먼트들이고,
    그리고
    상기 스캐너의 상기 영상 촬영 볼륨 내에 거의 0의 자기장을 기여시키며,
    각각의 상기 기여 세그먼트는
    상기 메인 전도성 루프의 쌍이 아닌 세그먼트이고,
    그리고
    상기 기여 세그먼트들이 총괄하여 상기 스캐너의 상기 영상 촬영 볼륨 내에서 상기 균질인 B0 자기장의 부분 또는 모두를 형성하도록 형상화되며,
    상기 방법은,
    션트 전압원들을 상기 메인 전도성 루프에 부착(attach)하는 단계를 포함하고, 각각의 상기 션트 전압원은 상기 메인 전도성 루프의 하나 이상의 포인트들로부터 상기 메인 전도성 루프의 하나 이상의 다른 포인트들로 전류를 션트하도록 배치되며,
    그에 의해 상기 방법은,
    분극 전류들을 생성할 수 있는 상기 단일 전압원 또는 단일의 유효한 전압원으로부터의 전류로 자기 공명 영상 촬영 또는 분광법, 또는 전자 상자성 공명 영상 촬영 또는 분광법을 위한 상기 균질인 B0 자기장의 부분 또는 모두를 생성하고,
    그리고
    상기 션트 전압원들을 통해 상기 메인 전도성 루프 내에서 전류의 재분배를 통해 상기 균질인 B0 자기장의 부분 또는 모두와 동시에 상기 필요한 경사 자기장들 및/또는 보정 자기장들을 확립할 수 있는, 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 메인 전도성 루프의 하나 이상의 포인트들로부터 상기 메인 전도성 루프의 하나 이상의 다른 포인트들로의 전류의 상기 션트는 가변 저항을 수반하는, 방법.
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