KR880000475Y1 - 핵자기 공명 현상을 이용한 전산화단층 촬영기 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

핵자기 공명 현상을 이용한 전산화단층 촬영기

제1도는 본 고안의 장치에 사용되는 자계의 좌표를 예시한 도면.

제2도는 스핀(SPIN)의 선행을 예시한 도면.

제3도는 회전좌표계에서 본 유효 자장을 예시한 도면.

제4도는 고주파 펄스가 가해졌을때 스핀의 여기를 예시한 도면.

제5도는 후술할 위상감응 검파기에 검출된 FID신호를 예시한 도면.

제6도는 이완 선행의 순차적인 모습을 표시한 도면.

제7도는 한(HANN)스핀 에코기법의 원리를 예시한 도면.

제8도는 카르퍼셀 및 메이붐 길(CARR-PURCELL AND MEIBOOM-GILL)방법을 예시해주는 도면.

제9도는 공지의 핵자기 공명현상 전산화 단층 촬영기를 전반적으로 예시한 블럭 다이어 그램.

제10(a)도, 제10(b)도, 제10(c)도, 제10(d)도, 제10(e)도는 X, Y, Z경도 코일 및 고주파 코일의 공간구성 매열 및 그 단면도.

제11도는 제9도의 주파수 종합기를 보다 상세하게 도시한 블럭 다이어그램.

제12도는 경도 반전방법(KWE)에 따라 경도코일 및 고주파 코일에 인가되는 파형도.

제13도는 새로운 허치슨(HUTCHISON)방법에 따라 경도코일 및 고주파코일에 인가되는 파형도.

제14도는 제9도의 경도 코일 전력 증폭기를 상세하게 표시한 블럭 다이어그램.

제15도는 제9도 고주파 여기 및 위상감응 검파기의 상세 회로도.

제16도는 제9도 결합기의 상세 회로도.

제17도는 제9도 수신기의 상세 회로도.

제18도는 제9도 데이타 수집기의 상세 회로도.

제19도는 본 고안의 NMR-CT구성도.

제20도는 본 고안의 NMR콘트롤러.

제21도는 본 고안의 파형 합성기

제22도는 본 고안의 시켄서.

제23도는 본 고안의 PIO.

제24도는 본 고안의 X, Y자기 경도용 분포 코일.

제25(a)도는 본 고안의 "曰"자형 링 레져네이터(RING RESONATOR).

제25(b)도는 본 고안의 2중 주파수 코일.

제25(c)는 본 고안의 2중 주파수 결합기.

제26(a)도는 본 고안의 나선형 주사방법에 의한 고속 영상법에 대한 펄스 시켄스 다이어그램.

제26(b)도는 본 고안의 나선형 경도자계의 모양.

제27도는 본 고안의 동시 다원소 영상법의 시켄스 다이어그램.

제28도는 본 고안의 3차원 유속 영상법중 Z방향 유속 촬영법의 시켄스.

제29(a)도, 제29(b)도는 본 고안의 쿼드러츄어 멀티프렉스드 듀얼 스라이스(QUADRATURE MULTIPLEXED DUAL SLICE)영상법의 시켄스 및 위상 모양.

제30도-제32도는 본 고안의 NMR스펙트로스코픽(SPECTROSCOPIC)영상의 시켄스.

제33도-제34도는 본 고안의 시분할 다층 촬영법의 시켄스.

제35도는 본 고안의 IR영상법의 시켄스.

제36도는 본 고안의 콘트라스트(CONTRAST)역전 현상.

제37도는 본 고안의 심전계(ECG)신호동기에 의한 심장 영상법에서의 심전계 신호와 트리지(TRIGGER)신호.

제38도는 제37도의 심전계 신호의 R파를 검지하는 회로도.

본 고안은 핵자기 공명 현상을 이용하여 외부에서 인체에 손상을 주지않고 인체의 내부를 3차원으로 촬영할 수 있게한 핵자기 공명 전산화 단층촬영기(NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE COMPUTERIZED TOMOGRAPHY : 이하 NMR-CT라 칭한다)에 관한 것이다.

외부로부터 신체내부를 보기 위한 의학적인 필요성은 수십년동안 X선의 편차적인 흡수를 기록함으로서 충족되어 왔으나, 이러한 종래의 방사선 사진법은 중첩하는 구조를 판별할 수 없는 결점이 있었다.

이러한 결점은 최근 상이한 많은 방향으로부터 수집된 X선 데이타가 수학적으로 재구성 처리되어 인체의 어떤 부위의 선택 영역의 횡단 영상을 재구성할 수 있는 기법인 X선 전산화 단층 촬영기 즉 CT스캔닝의 개발에 의해 해소되고 있으므로 이 CT스캔닝이 극히 유용한 진단상의 도구임이 입증되고 있지만, 그 영상이 주는 정보가 근본적으로 해부학적일 뿐 내부 기관의 기능적 또는 병리학상의 상태에 대해선 거의 말해주지 못했으며, 더우기 몇몇 병리학적 증상부위는 주위 조직의 X선 흡수 특성과 아주 유사한 특성을 지니고 있어서 이들 부위가 기관의 크기나 형상을 변화시킬 수 있을 만큼 충분히 크지 않는 경우에는 검출할 수 없는 결점이 있었으며, 또한 X선은 그 조사량이 소량이라 할지라도 인체에 병리학적인 해를 가할 수 있는 위험을 지니고 있다.

이러한 점을 감안하여 환자가 이온화 방사선에 노출됨이 없이 신체를 통하여 횡단 사진을 얻기 위한 새로운 기술이 임상에 응용되고 있는데, 바로 이것을 핵자기 공명(NMR)영상법이라 한다.

이 NMR영상법은 여러면에서 CT스캔에 의해 공급되는 정보에 비교될 수 있는 해부학적 정보를 마련할 뿐만 아니라 건강한 조직과 병든 조직을 보다 민감하게 판별할 수 있게 해 준다.

또한 이 NMR영상 형상은 유기체 분자의 복잡한 구조를 밝히고 동적인 화학적 처리단계로의 통찰력을 마련해 줄수 있고 또 이미 널리 알려져 있는 NMR분광학의 기능에 토대를 두고 있다.

생화학자들은 수년동안 이러한 NMR기법을 실험용 동물 및 인간의 신진대사 작용을 모니터하기 위해 이용해 왔으며, 또한 이 NMR기법을 이용하여 사진형태로 NMR정보를 제공하기 위한 방법이 개발되어 임상가들에게 강력한 새로운 진단도구를 마련해 주고 있다.

NMR에 의한 영상 재구성방법은 십여년전부터 연구되어 왔으나, 만족스런 기기가 완성되지 못하다가 최근 본 출원인의 선출원 발명(특허공고번호 84-2157번 "핵자기 공명현상을 이용한 전산화 단층 촬영기 및 그 방법")이 제품화되어 실제 진료에 사용되고 있다.

그러나 이 발명은 개선될 여지가 많이 있으므로 더욱 개량 발전시킨 것이 본 출원이다.

본 고안의 목적은 이미 특허공고된 NMR단층 촬영기를 더욱 개량하고 보다 진보된 새로운 촬영기로 제공하려는 것이다.

즉 본 고안은, 초전도자석, 즉 강자장에 맞는 고주파 전자회로 등 전반에 걸쳐 성능향상 및 보완이 갖춰진 시스템으로서 콘트롤러를 특히 다양한 영상법 등을 가능하게 하기 위한 구조로 하고 자기경도 코일의 중앙 원호부분을 둘로 나눔으로서 2가지 경도 코일에서 가장 중용한 선형도를 향상 시키며, 선 특허 발명은 저주파용 상자석 NMR-CT에 관한 것이나 본 고안은 고주파용 초전도 NMR-CT에 대한 것으로서 고주파 신호는 전혀 새로운 타입의 코일로서만 신호를 받을 수 있으며, 두 코일을 결합하여 두가지 원소를 동시에 얻기 위한 장치를 창출하고 강자장 초전도 자석을 이용하며 두가지 원소를 동시에 영상화 하기 위해 새로운 DBM 및 강자장 NMR-CT에 적합하게 새로 보완제작된 콘트롤러 등을 새로이 창출한 것이다.

그러므로 선 특허 발명의 원리를 이용하되 더욱 완벽한 장치를 창출한 것이다.

본 고안은 구체적인 설명에 앞서 NMR의 기본원리와 기존발명의 단층촬영기에 관하여 설명한다.

모든 물질은 생체이거나 사체이거나 간에 양자 또는 중성자 또는 이 2개로 된 핵을 내포한다.

수개의 양자 또는 중성자 또는 이 2개의 결합을 내포한 핵은 "스핀 자기모멘트"를 소유하는데 이러한 상태는 작은 자석과 등가적이다.

지구상에 현존하는 많은 물질은 이러한 핵으로 구성되는데, 가장 중요한 핵들¹H,²H,⁷Li,¹³C,⁴N,¹⁹F,²³Na,³¹P 및²⁷I 등이다.

한편, 우수개의 양자 및 중성자를 지닌 모든 핵은 이러한 특성을 소유하지 않아서 NMR적용이 불가능하다.

그러나, 물질이 우수개의 양자 또는 중성자를 지닌 핵을 내포하고 있을지라도 이들은 흔히 기수개의 양자 또는 중성자를 지닌 핵을 내포하고 있으므로 실제로는 거의 모든 고상 및 액상 물질에도 NMR을 적용시킬 수 있다.

알려진 250개의 안정한 핵중에서 100개 이상의 핵이 스핀자기 모멘트를 지니고 있고, 또 다른 800개의 방사성 동위원소 핵이 NMR의 표적이 될 수 있다.

물질이 자장의 힘을 받는 다는 것은 핵이 자장의 힘을 받는 다는 것과 마찬가지이며, 이 경우 핵의 자기 모멘트는 외부의 자기 토오크를 받아 인가된 자장의 방향과 평행하게 정열된다.

이러한 핵스핀 때문에, 핵은 외부 자장에 반응하여 자장 방향을 중심으로 세차운동을 하며, (자이로스코우프 선행운동과 같은)이들 스핀의 회전주파수 즉, 선행주파수는 보통 라모아선행(LARMOR PRECESSION) 주파수로 명명된다.

NMR의 다른 중요 현상은 외부 자장을 인가함으로서 통계학적 관점에서 볼때 에너지 "흡수상태 "를 유발하고, 양자는 고유의 각 운동량 즉의 스핀을 지니고 있으므로(는 프랑크 상수 h의 2π로 나눈 값), 양자의 핵을 자장내에 놓을 때, 핵은 2개 에너지상태 즉, +μH 및 -μH상태(ZEEMAN SPLITTING) (여기서, μ, H는 각각 핵자기 모멘트 및 가해진 자장)에 있게 된다.

따라서 -μH에너지 상태의 핵 또한 양자는, 2μH에 해당하는 △E의 전자가 에너지를 받으면 양자의 에너지 상태가 +μH로 올라가고, 또한 NMR에 있어서 실내온도에서는 더욱 많은 양자가 볼츠만 분포(BOLZMAN DISTRIBUTION )를 따라서 낮은 에너지의 상태에 존재한다.

여기서 △E에 등가하는 에너지는 보통 외부에서 고주파 자장 H₁에 의해 공급된다.

여기(EXCITATION)된 양자가 낮은 에너지 상태로 복귀하면서 우리가 얻고자 하는 신호의 기본적인 형태인 "자유 유도감쇄(FREEINDUCTION DECAY, FID)"신호를 생성한다.

이 NMR에 수반된 몇개의 기본적인 처리 단계를 좀더 상세히 살펴보기로 한다.

계의 에너지

물체에 대해 외부 자장이 없으면, 핵의 스핀 자기 모멘트는 대개 임의 방향으로 배향하여 결과적으로 아무런 순수자화가 없게 되고, 외부에서 자장을 가하면, 스핀은 자장의 방향으로 스스로 정렬되게 되므로 물체는 순수한 자화를 갖게 된다.

이런 형상을 제1도와 같이 도시할 수 있으며, 다음의 수식으로 표현될 수 있다.

여기서,은 평형자화 이고,은 자장이며, θ는와사이의 각도이고과는 각각 M과 H의 크기를 나타낸다.

계에 공명을 일으키는 외부 에너지가 없을 경우, 이 계는 자화벡터이에 평향할때 가장 낮은 에너지 상태가 된다.

평향자화

상술 하였듯이 핵스핀은방향으로 강제적으로 정열된다.

그러나, 열적인 동요 때문에 핵의 극히 일부분만 정열하거나 자화된다.

실내온도에서 이렇게 작은 확률은 NMR에 있어서 효율을 떨어뜨리는 주요 이유중의 하나이다.

평형자화는 다음의 식으로 표시될 수 있다.

여기서, N은 스핀수이고,는 자기 회전비,=γ/2π, K는 볼츠만 상수, h는 플랑크 상수, I는 스핀 양자수, 그리고 T₀는 물체의 절대온도이다.

상기 식(2)는 자장 H₀를 증가시켜 자화의 확률을 보다 높일 수 있을 뿐만 아니라, 물체온도 T₀낮추어도 평형자화를 개선 할 수 있음을 시사하고 있다.

운동방정식

외부의 정자장는 다음의 방정식에 따라 자화 또는 스핀에 토오크를 준다.

식(3)의 해는 제2도에 도시하였듯이 스핀의 선행이고, 선행 주파수는 다음의 식으로 주어진다.

여기서 ω₀는 각각의 핵에 고유한 라모아 주파수이다.

선행에 있어서 -표시는 양의 γ에 대해 시계방향임을 의미한다.

자장내에서 핵자기 모멘트의 라모아 선행은 앞서 간단히 언급한 바와 같은 양자 역학적인 관점에서라기보다는 고전적인 역학의 관점에서 나왔다.

회전 좌표계의 편리성

회전 좌표기로 핵자기 모멘트의 선행을 고려하는 것이 편리하다.

각 주파수의 회전 프레임에서 자장, 소위 유효자장은 다음과 같이 주어진다.

여기서, 아무런 고주파 신호가 가해지지 않을 경우이다.

따라서 공명시, 허위 자장(fictitious field)은 정확히를 상쇄하게 되어 Heff는 "0"이 된다.

정자장이 z 방향에 있고 고주파 장이 x-y 평면에서 시계바늘 회전방향으로 회전하고 있을 때, 전체적인 자장는 다음과 같이 주어진다.

식(5)에 식(6)을 대입시키면,는 다음과 같이 된다.

공명시에는 다시가 된다.

이러한 상태는 제3도에 도시하였다.

회전 프레임에 있어서 유효자장은 X'방향이 있고,은 주파수 γH₁에 따라 X' 측 주의를 선행한다.

경사각도(tipping angle)즉, 선행과 θ은 다음과 같이 주어진다.

θ=γH₁t_p(8)

여기서 t_p는 고주파 펄스 지속기간이다. 자화을 x-y평면으로 경사지게 하는 고주파 펄스를 인가함으로서 제4도에 도시된 바와 같이 스핀의 여기를 가져온다.

FID신호

z측에서 y'측을 향하여 각 θ만큼 기울이기 위하여 펄스 지속시간 t_p동안 자장을 x'축을 따라 가했을 때를 관찰한다.

일반적으로, θ는 여기 모우드 및 NMR실험의 유형에 따라서 π/2 또는 π로 설정된다.

가장 간단한 경우에 있어서는 θ=π/2로 설정하여 자화의 최대 횡단성분을 관찰한다.

H₁이 "턴 오프"된 후에는, 회전자화는 물체를 에워싸고 있는 픽업코일(pickup-coil)로 전류를 유도하기 때문에 전압이 이 픽업 코일에 유기된다.

이때 자화는 인접스핀 및 환경에 의해 열적 평형으로 이완 즉, 스핀이 원래의자장 방향으로 다시 정열된다.

2개의 주요한 이완 메카니즘이 존재하는데, 이것은 횡단 이완(스핀-스핀이완) 및 중단 이완(스핀-격자이완)이다.

자화의 횡단성분은 스핀-스핀의 상호작용에 의해 야기된 위상감소(dephasing)효과에 의해 감쇄되고, 이 감쇄시간 T₂를 스핀-스핀이완 시간이라 부른다.

고유의 스핀-스핀 이완 이외에, 자장의 불균일성 때문에 또 다른 위상 감소 효과가 있다.

사실상 이러한 불균일성은 몇개의 라모아 주파수를 생성하여 종국적으로 합성 사인파 신호를 원래의 T₂보다 더 빠르게 감쇄시키는 위상 비간접성을 가져온다. 유효 횡단 이완시간은 다음과 같이 표시한다.

여기서, △H는 자장의 불균일성이다.

NMR 영상법에 있어서, 자기경도를 가함으로서 공간상의 스핀 밀도분포를 결정한다. 이 경우에 T₂ ^*는 대폭 줄어들어, 방정식(9)은 다음과 같이 수정된다.

여기서, G는 자기 경도 R은 물체의 반경이다.

유효횡단 이완시간 T₂ ^**에 따라 감쇄하는 합성정형파 신호를 FID 신호라 한다.

보통 FID 신호는 후술하게될 위상 반응검파기로 검출되고, 그 결과는 제5도에 도시한 바와 같이 감쇄되어 복조된 AM신호와 유사하다.

종단 즉 스핀-격자 이완과정은 스핀들이(즉 z)방향에서 정열하게 되는데, 그것은 정열된 상태가 가장 낮은 에너지 상태 즉 열적 평형 상태이기 때문이다.

이것은 격자를 통해 에너지 확산을 수반하기 때문이 이완 과정은 다소 느리다. 보통 종판 이완시간 T₁은 T₂보다 더 크며 다음과 같이 자화의 z성분과 관련되어 있다.

여기서, Mz'는 이완이 시작할 때의 자화의 z성분이다.

이러한 과정들은 동시에 작용하고, 물질의 상태 및 조성에 따라 크게 변동하며, 외부 자장의 세기에 따라서도 변화한다.

예를 들어, 조직의 경우에 T₁및 T₂는 각기 0.5sec, 50msec 범위내에 있다. (약 1.5KGauss 외부자장이 걸렸을 때)

T₁은 T₂보다 작을 수는 없는데, 그것은 모든 스핀이 z방향에서 정열할 겨우 더 이상 횡단 성분이 없기 때문이다.

보통 유효 횡단 이완시간 T₂ ^**는 가한 자장의 불균일성 및 자기 경도에 따라서 T₂보다 훨씬 짧다.

제6도에서 이러한 이완과정을 순차적으로 표시하였다.

대개, T₁, T₂, T₂ ^*및 T₂ ^**는 다음과 같은 관계식을 갖고 있다.

T₂ ^**≤T₂ ^*≤T₂≤T₁(11)

T₁은 에너지 안정을 수반하는 이완인 반면, T₂는 계의 엔트로피에 관계되어 있다.

이완 메카니즘이 가해졌을 때, 블로크(Blocn)방정식은 다음과 같이 표시할 수 있다.

방정식(12)은 자화 성분 Mz 및 Mxy가 독립적으로 이완시간 T₁, T₂에 관련되어 있음을 표시하고 있다.

스펜에코 기법

몇몇 형태의 스핀에코 기법은 NMR 영상법에 있어서 중요한 역할을 한다. 특히 신속한 의학적 영상법을 위해서는, 스핀에코 기법이 본질적인 요소이다.

NMR 영상법에 응용할 수 있는 스핀에코 기법에는 2가지 본격적인 형태가 있는데, 그것은 한(Hahn)스핀에코와, 카르-피셀 및 메이봄-길(carr-Purcell and Meiboom-Gill;CPMG)기법이다.

한 스핀에코 기법의 원리는 다음과 같다.(제7조 참조)

먼저, 적절한 펄스 길이를 지닌 90˚가 고주파 펄스를 가해 자화벡터 M을 y'축으로 플립(flip)시킨다.

그후 스핀자화는 불균일한 자장 및 일시적으로 자기 경도가 가해졌기 때문에 이와 때를 맞춰 위상이 감소한다.

또한 X'을 따라 가해진 180˚펄스도 제7(c)도에 도시한 바와 같이 X'축 주위로 스핀들을 회전시킨다.

이때 스핀 자화가 선행을 계속하지만 위상이 복귀(rephasing)한다.

이러한 과정은 FID신호의 재성장과 같다.

어떤 점(t'가 위상감소 시간기간일 경우 t=2t')에서, 모든 스핀들을 y'축을 따라 완전히 위상이 복귀한다.

위상 복귀가 완료된 후에, 스핀들은 다시 위상 감소를 계속한다.

X'축을 따라서 180˚펄스를 인가하는 대신, 180˚펄스를 제8도에 도시한 바와 같이 스핀플립을 가져오는 y'축을 따라 가할 수 있다.

이러한 나중의 방법은 카트-퍼셀 및 메이봄-길 방법이라 부르는데, 몇몇 경우에 이점이 있다.

이들 2가지 기법이 주로 T1에 의해 제한된 데이타 수집시간을 줄이고 NMR데이타의 통계적인 요동(搖動)감소에 의한 신호대잡음비를 증대시키기 위해 NMR영상법의 모든 국면에 적극적으로 사용되고 있다.

NMR단층촬영 영상법의 기본원리

화학에의 응용에 있어서, NMR은 불필요한 공간의존 푸우리에 변환작용 효과를 줄이기 위해 가능한한 균일한 자장을 필요로 한다.

푸우리에 영상법에 있어서, 자기경도를 조심스럽게 가해 공간 분포를 푸우리에도메인 성분으로 만든다.

푸우리에 변환 NMR의 기본형태는 다음과 같이 표현될 수 있다.

S(t)=M₀ ρ(x,y,z)exp(iγ∫_o ^t{ xG_x(t')+zG_z(t')+zG_z(t')}d_xd_yd_z(13)

여기서, ρ(x,y,z)는 3차원적인 스핀 밀도분포이고, 발생된 FID신호 즉, S(t)는 사실상 스핀 밀도분포의 푸우리에 도메인 표시이다.

이미 알려져 있는 2차원 영상 재구성법에 의하면, S(t)는 다음의 식으로 표시되는 투시의 투영 데이타의 푸우리에 변환인 F(ω,θ)와 등가적이다.

이때 재구성된 영상은 다음과 같다.

후술할 선전분에 따른 2차원적인 NMR 영상 재구성에 있어서, 투영 데이타는 다음과 같다.

P₁(ω_x)=F〔S(t)〕 (16)

여기서,

S(t)=M₀∬ρ(x,y)exp〔ir(xG_x+yG_y)t〕d_xd_y

=M₀∬ρ(x',y')exp(irx'G_xt)d_x'd_y' (17)

방정식(16) (17)은 2차원 평면이 선택되었다는 사실에 기초하고 있다.

방정식(15)는 푸우리에 컨버루숀형의 공지의 영상 재구성 앨거리즘이다. 선이 어떤 수단에 의해 선택된 후, 그 선을 따라서 자기 경도를 가하면 라인 스캔닝 또는 선을 따른 엘리먼트의 맵핑(mapping)을 얻을 수 있다.

이러한 기법을 라인스캔닝 방법이라 부른다.

마찬가지로, 어떤 물체의 전체부피는 평면적분과 등가적인 데이타에 따라 여기할 수 있거나 영상화 될 수 있다.

이러한 기법을 NMR에 있어서 전체부피 여기 방법이라 부른다.

상술한 NMR 영상법 이론 및 원리를 구현하여 미리 실현한 공개된 발명의 전산화 단층촬영기를 설명하면 다음과 같다.

제9도는 핵자기 공명 단층촬영기를 전반적으로 표시한 블럭 다이어그램으로서, 이에 도시한 바와 같이 핵자기 공명 단층촬영기는 주컴퓨터(100) 및 마이크로컴퓨터(200), 디지탈 신호를 아날로그 산호로 변화시켜 파형을 만들어 내는 파형종합기(300), (600), 파형종합기(300) 에서 출력된 신호를 x, y, z 코일에 인가할 수 있게 큰 전력으로 변화시키는 자기경도 전력 공급회로(400), 촬영대상에 자장을 걸어 데이티를 획득하기 위한 자기 경도코일, x, y, z(501) 및 고주파 코일(503), 상기 고주파 코일(503)을 구동시키기 위해 파형종합기(600) 및 주파수 종합기(700)로부터의 신호입력을 기초로 하여 고주파 신호를 발생시키는 여기회로(800), 고주파 송수신 신호를 분리시키는 결합기(900), 고주파 코일(503)에 가해진 고주파 신호의 반향신호인 약한 FID신호를 증폭시키는 수신기(1000), 이 수신기(1000)로 인가되는 FID신호중 반송파를 제거시키는 위상 감응 검파기(1100), 그리고 아날로그 신호를 디지탈화하여 마이크로 컴퓨터(200)로 인입시키는 데이타 수집기(1200)등으로 구성된다.

주 컴퓨터(100)는 얻어진 데이타를 빠른 속도로 처리해야 하는데, 일반적으로 미니 컴퓨터를 사용하고, 이 미니컴퓨터를 보조하는 특수 고속계산기 등의 보조기를 사용, 영상 재구성법을 써서 영상처리를 하게 된다.

즉, 주 컴퓨터(100)는 핵자기 공명 영상 재구성법에 알맞도록 계획 되어 있으며, 미리 계산된 데이타를 마이크로 컴퓨터(200)에 보내어 마이크로 컴퓨터(200)가 전체 시스템을 제어하고 데이타를 얻을 수 있도록 하며, 이때 얻은 데이타를 받아 분석처리 즉, FET(Fast fourier Transform)를 수행한 후 그 결과를 다시 마이크로 컴퓨터(200)로 보내 표시장치(1300)를 동작시켜 얻어진 영상이 표시되게 한다.

또한 마이크로 컴퓨터(200)는 주컴퓨터(100)가 계산한 데이타를 받아 시스템 전체를 동작시키고 데이타 획득시간 등을 주변장치에 전달하여 전체 시스템을 제어하는 것으로, 제9도에 도시된 바와 같이, 마이크로 컴퓨터(200)의 기능은 크게 자기 경도 제어, 고주파 펄스 형상 제어, 주파수 종합기(700)제어, 데이타 수집기(1200)제어, 주 컴퓨터(100)와의 대화, 그리고 표시장치(1300)제어 등이다.

마이크로 컴퓨터(200)가 일련의 적절한 형상의 펄스를 파형종합기(300)에 보내면, 이 파형종합기(300)는 제11도와 관련하여 펄스를 RAM에 저장하고, 또 이 펄스를 종합하여 x,y,z 경도 전력공급회로(400)에 보낸다.

x,y,z 경도의 펄스의 형상, 길이 및 순서는 소프트웨어에 의해 제어되고, 경도 전력공급회로(400)는 인입되는 펄스를 증폭시켜 해당 경도 코일(501)을 구동한다.

다형종합기(600)는 고주파 펄스의 형상을 제어한다.

고주파 펄스는 거의 이상적인면을 선택하여 기타 불필요한 면들의 여기를 예방하게 적절한 형상으로 변조되어야 한다.

고주파 펄스 형상의 분석은 후술한다.

마이크로 컴퓨터(200)는 고주파 펄스의 형상을 밀 계산하여 파형종합기(600)에 보낸다.

파형종합기(600)는 이들을 RAM에 저장하고 또 마이크로 컴퓨터(200)의 제어하에 기준 고주파를 변조하게 DBM(810A)에 보낸다.

기존 고주파는 프로그램 가능한 주파수 종합기(700)에 의해 발생된다. 이상기(802)를 통한 고주파의 일부분은 DBM(810A)에 보내져 파형종합기(600)로 부터의 함수에 따라 변조된다.

기준 고주파의 다른 부분은 90˚위상차를 가지고 둘로 나누어져 쿠어드러처(quadrature)검파를 위해 위상 감응검파기에 보내진다.

DBM(810A)에서 변조된 고주파 펄스는 전력증폭기(818)에 의해 증폭되어 결합기(900)로 보내진다.

이 결합기(900)는 펄스를 고주파 코일(503)에 보냄과 동시에 고주파 펄스가 공급되는 동안 수신기(1000)에 과부하가 걸리지 않도록 한다.

고주파 코일(503)에 고주파 펄스가 인가된 후에, 이 고주파 코일(503)로부터 나온 FID 신호가 결합기(900)를 경유해서 수신기(1000)에 가해진다.

수신기(1000)는 약한 FID 신호를 위상감응 검파에 적합한 수준으로 증폭시킨다.

증폭된 신호는 위상감응 검파됨에 따라 반송파가 제거된다.

그후 이 신호는 데이타 수집기(1200)에서 디지탈되어 마이크로 컴퓨터(200)를 경유하여 주컴퓨터(100)에 인입, 분석 처리된다.

제10(a)도, 제10(b)도, 제10(c)도, 제10(d)도, 제10(e)도는 각기 기존 발명에 사용되는 x,y,z 코일 및 고주파 코일의 공간배열구조 및 그 단면을 예시한 것이다.

부호 501c로 표시되는 2개의 코일(제10도의 c참조)은 2개의 평행한 전류 루우프를 구성하여 z 경도 코일로 사용되는 헬름홀츠(Helmholtz)코일인데, 전류가 반대방향으로 흐르는 평행한 전류 루프로 구성되어 있어, 대상물의 삽입방향이 z 방향인 경우 z경도 코일로 사용되어 고주파 코일(503)과 함께 대상물의 임의단면을 선택하는 기능을 수행한다.

이 코일의 최적기하 구조는이다.

부호(501a) (501b)로 표시되는 코일(제10도의 d참조)은 본 발명의 x,y 경도 코일로 사용되는 골레이(Golay)코일이다.

이 코일은 x-y 경도자계를 제공하는 것으로, 호각형태를 가지며 중심에서 한쪽 끝까지의 거리가 2.19ℓ로 되어 있으나, 이 코일의 길이는 선형성 특성을 크게 저하시키지 않고 조절될 수 있다.

부호(503)로 표시되는 코일은 고주파 코일로 사용되는 안장형 코일이다.(제10(e)도 참조)

이 코일의 이상적인 기하구조는 H/D=2 이고, ψ=120˚이다.

그러나 보통 H/F는 주자석(제9도의 502)의 기하구조에 따라 조정된다.

이 코일의 중심자계 B₀는 다음과 같이 표현된다.

여기서,는 X 방향의 단위벡터, N은 권선수, I는 전류, 그리고 S=1+(H/D)²이다.

본 실시예에 있어서, N=2이다.

제11도는 x,y,z 경도 코일(501), 및 고주파 코일(503)에 적절한 형상을 지닌 펄스를 공급하는 파형종합기(300) (600)를 보다 상세하게 도시한 것이다.

제11도에서, 디코더(301)는 마이크로 컴퓨터(200)로부터 받은 어드레스 신호중 하측 어드레스(A₀-A₇)를 디코딩하여 칩 선택라인(302) (303)을 통해 프로그램 가능한 카운터(304) 및 PIO(305)를 제어한다.

이때 프로그램 가능한 카운터(304)는 시스템을 제어할 수 있는 8비트 데이타를 마이크로 컴퓨터(200)로부터 버퍼(306)를 통하여 받으며, PIO(305)는 데이타 수집기(1200)와 등기를 맞추기 위하여 데이타 수집기(1200)로부터 클럭 Φ 및 시동펄스 SP를 받아 동작한다. 이 PIO(305)는 버퍼(306)를 통하여 마이크로 컴퓨터(200)로부터 8비트 데이타를 2번 받아 그중 12비트를 어드레스로 하여 멀리 플랙서(326)로 보낸다음 같은 방법으로 12비트를 받아 데이타를 RAM(307)에 기억시킨다.

RAM(307)의 기억을 위해 프로그램 가능한 카운터(304)로부터 READ/WRITE 신호과 RAM(307)에 인가되는데, 처음에 RAM(307)의 READ/WRITE 신호는 WRITE 하는 상태로 되어 있다.

이에 따라 RAM(307)에 기억된 데이타는 여러가지 파형을 만들수 있게 된다.

그후 프로그램 가능한 카운터(304)는 어드레스 발생기(325)를 통하여 12비트 어드레스를 발생시켜 멀티플랙서(326)로 하여금 RAM(307)의 번지를 지정케하여 필요한 데이타 즉 필요한 파형을 읽어낸다.

읽혀진 데이타는 멀티플랙서(308)를 통하여 래치되는 것을 제어한다.

래치(309)는 D/A 변환이 끝날 때까지 데이타를 유지시켜 준다.

그후 래치된 신호가 버퍼(311)를 통하여 D/A 변환기(312)에 인가됨에 따라 12비트 디지탈 데이타가 아날로그 데이타로 변환된다.

이 아날로그 신호는 이득 1인 버퍼증폭기(313)를 통하고, 다시 저역통과 필터(314)에서 고주파 잡음이 제거된 후, 증폭기(315)에서 일정 수준으로 증폭되어 경도 전력 증폭기(400)로 인가된다.

이때 일정한 파형을 출력하고 난후에는 제로세팅부(317)의 제로 데이타를 선택하여 출력을 제트로 만든다.

상술한 파형종합기(300)는 고주파 발생용의 파형종합기(600)와 본질적으로 동일하기 때문에 상술한 동작과정 이후, 출력이 후술할 여기회로(800)의 DBM(810A)에 인가된다고 생각해야 한다.

상술한 파형종합기(300) (600)에서 후술할 여러가지 알고리즘 중경도 반전법(KWE)와 새로운 허치슨 KWE법의 경우를 비교하면서 실제적인 펄스형태를 살펴본다.

즉, 제12도에서 경도반접법(KWE)을 도시하였는데, 이 과정에서 y경도 펄스길이 ty는 변동하고, 제1상한 데이타는 p₃영역에서 얻어진다.

그후 경도는 반전되어 신호는 스핀에코와 유사하게 다사 촛점을 이루게 된다.

p₅영역에서 제2상한 데이타가 얻어진다.

x 경도 펄스 및 y 경도 펄스의 과도시간 효과중 x 경도 과도시간의 효과는 보다 특별한 것으로 실제 촬영에 의해 밝혀졌다.

이러한 효과를 극복하기 위해, 제13도에 도시한 바와 같은 새로운 펄스 순서가 제의되었는 바(Hutchison KWE), 여기서는 y 경도 펄스가 고정되고 그 크기가 변동한다.

y 경도 펄스가 "온"되고 있는 p₂영역에서, x 경도 펄스가 음으로 인가된다.

이때 x 경도는 반전되고, 데이타 수집이 시작된다.

p₃영역에서. 제1 및 제2 상한 데이타가 얻어진다.

이 고정에 있어서, y 경도 펄스 과도시간의 효과는 그 길이가 충분히 크기 때문에 도시하지 않았다.

마찬가지로, x 경도 펄스 과도시간의 효과는 제13도에 도시한 바와같이 x경도 펄스가 편평한 p₃영역에서 데이타가 얻어지기 때문에 제거된다.

따라서 펄스 과도시간의 효과는 시뮬레이션에 관한 한 완전히 제거된다.

제14도는 출력전류가 입력전압에 비례하게 경도 코일을 구도시키는 전력증폭기(400)를 보다 상세하게 도시한 것이다.

입력전압은 파형 종합기(300)로부터 인입된다.

이와같이 파형 종합기(300) 및 전류 제어 전력증폭기(400)를 합성시키면 모든 영상 재구성법에 필요한 어떤 형태의 경도 펄스도 발생시킬 수 있고, 또 소프트 웨어로 제어할 수 있기 때문에 면적분 재구성, 선적분 재구성, 선주사법, 직접 푸우리에 재구성법 등을 수행할 수가 있다.

x,y,z 경도 코일 구동전력증폭기는 x,y,z 각각에 제14도에 도시한 바와 같은 회로가 마련되는데, 버퍼(402) (410) 이후에 4단으로 구성된다. FET 차동 증폭기(403) (411)를 NPN 차동 증폭기 (405) (413)에 직접 결합시키는 것으로 약간의 전압이득을 얻는다. NPN 차동 증폭기(405) (413) 는 다음의 구동단에 충분한 전류를 공급하는데, 그 동작범위가 ±75V이다.

싱글엔디드 푸시폴 증폭기(406) (414) 는 구동단으로서, 평형식 무변압기 시스템으로 전력을 증가시키고 펄스상승시간을 저감한다.

저항기(408) (416)는 적정한 전류를 코일(501)에 공급하기 위한 것이며, 스위치(417)는 부하 "온" 스위치이다.

또한 코일(501)는, x,y,z 코일로 생각할 수 있고, 이들의 실제적인 공간상의 구성형태는 제10도에 도시한 바와 같다.

제15도는 고주파 코일(503)에 고주파 신호를 가하기 위한 여기부(800)와 고주파 코일(503)에서 결합기(900) 및 수신기(1000)를 통해 인입되는 FID 신호에서 반송파를 제거시키는 위상 감응검파기(1100)를 함께 도시한 것이다.

여기부(800)에서, 이상기(802)는 단자(801)를 통해서 주파수 종합기(700)로부터 인입되는 반송주파수를 받아 위상이 90˚다른 2개의 반송파주파수로 나누어, DBM(810A)의 전력분리기(806)로는 주파수 종ㅅ합기(700)로부터 받은 반송파 주파수를 그대로 보내고 (0˚반송파 주파수) 위상감응검파기(1100)의 DBM(1140)으로는 위상 90˚전이된 반송파 주파수를 보낸다.

주파수 종합기(700)가 내보내는 반송파주파수는 마이크로컴퓨터(200)에 의하여 제어되는 주파수로서 각각의 알고리즘에 따라서도 바뀌며 한개의 알고리즘에서도 선택부위에 따라 다르게 바뀐다.

전력분리기(806)는 분리문제를 해결하기 위한 코일(808)과 임피던스정합용 저항기(809)를 병렬로 연결하여 구성한 것으로 이상기(802)로부터의 반송파주파수는 전력분리계(806)의 코일(808)의 중간탭(807)으로 인가된다.

DBM(810A)은 반송파 주파수의 극성에 따라 다이오드(811-814)를 온/오프시켜 고주파 신호를 변조시키는 소자이다.

전력분리기(806)로부터 DBM(810A)으로 인가된 반송파 주파수와 단자(821)을 통하여 파형종합기(600)로부터 인가된 파형이 DBM(810A)에서 혼합된 후 고주파 증폭기(819)를 통해 증폭되고, 증폭된 이 고주파 신호는 단자(820)를 경유하여 결합기(900)에 인가된다.

제16도에 상세히 도시한 결합기(900)는 전력증폭기(819)로 부터의 고주파 신호를 고주파 코일(503)로만 보내고, 고주파 코일(503)에서 유도된 전류(FID 신호)는 수신기 (1000)로만 보내는 기능을 한다.

전력증폭기(819)로부터 고주파 신호가 인가되면 교차결합된 다이오드(903)들이 통전하게 되고 코일(908)과 커패시터(909)가 병렬공진회로를 형성하기 때문에, 고주파 신호는 커패시터(905) (907) 및 저항기(906)로 된 고주파 코일 동조 및 임피던스 정합회로(916)를 통하여 고주파 코일(503)에 인가된다.

이때 고주파 신호가 수신기(1000)측으로 넘어가지 않는 것은 코일(908)과 커패시터(909)가 병렬공진되면 임피던스가 최대로 크되 때문이다.

한편 전력증폭기(819)로부터 고주파 펄스가 인가되지 않을때는 모든 다이오드(903) (911) (912)가 "오프"상태로 되어, 이때의 FID 신호는 직렬공진된 코일(980) 및 커패시터(913)를 통하여 증폭기(914)에서 증폭된 후 단자(915)를 통하여 제12도의 수신기(1000)에 인가되는 것이다.

특히 고주파 코일(503)은 커패시터(905) (907) 및 저항기(906)와 동조 및 임피던스 정합회로를 구성하고 있으므로 고주파 코일(503)은 효과적인 고주파 전력전송 및 FID 검출을 위해 라모아주파수 ω₀에 동조하고 있다.

그 임피던스는 송신 및 수신단의 임피던스에 정합되어야 한다.

즉, 커패시터(907)는 고주파 코일(503)과 공진회로를 구성하여 코일(503)을 공진주파수 ω₀에 동조시킨다.

상술한 회로동작을 거쳐서, 고주파 코일(503)에 인가되는 고주파 펄스의 형상은 다음과 같이 이루어진다.

NMR 영상법의 잇점중의 하나는 횡축은 물론 종단면(SAGITTAL) 및 횡단면(CORONAL SECTION)의 영상뿐만 아니라 어떠한 단면의 영상도 얻을 수 있다는 것이다.

더우기 핵자기 공명현상을 이용한 영상 재구성법에 있어서는 다단면 영상법을 수행할 수 있으며, 이것은 적절한 형태의 고주파 펄스 및 경도자계를 인가함으로서 달성된다.

고주파 펄스의 형태는 다음과 같이 푸우리에 변환에 의한 여기 스펙트럼과 연관된다.

여기서, P(t)는 펄스형태이고, 여기될 대역은 -ω₁와 ω₁사이이다.

그러나, 고주파 펄스를 가하는 동안 스핀들은 선행하고, 위상이 감소된다.

이러한 효과를 보상하기 위해 상기식(19)는 다음과 같이 수정되어야 한다.

여기서, t_p는 펄스길이 이다.

한편, t=o 및 t=t_p에서의 절두효과(TRUNCATION EFFECT)는 여기된 스펙트럼의 링잉을 초래한다.

더우기 앞의식(19)은 푸우리에 변환관계를 가정한 상태에서 유도된 것이므로 이러한 2가지 효과를 보상하기 위해서는 다음과 같이 사인곡선적항이 추가되어야 한다.

여기서, a_k및 b_k는 최적선택을 할 수 있도록 조정한다.

블러크(BLOCH) 방정식을 풀면 몇개의 펄스형태에 대한 여기 스펙트럼을 계산할 수 있다.

제17도는 수신기(1000)를 상세하게 도시한 것으로, 결합기(900)로부터 약한 FID 신호를 수신하여 증폭한 후 둘로 나누어 위상감응검파기(1100, 제15도)에 인가하는 기능을 한다.

단자(1001)를 통하여 결합기(900)로부터 인가되는 약한 FID신호를 증폭시켜, 다음단인 위상감응검파기(1100)에서 신호를 검파하기에 필요한 정도의 크기로 만들기 위해, 증폭기(1002) (1003) (1008) (1020)를 구성하고, 커패시터(1011) (1014) (1015), 코일(1013) 등으로된 대역통과 여과기(1010)를 구성하였다.

여기서, 증폭기(1002) (1003)는 저잡음용으로 20dB의 증폭을 얻고, 다음의 증폭기(1008)는 TV중간주파 증폭기와 동일한 것으로 상기 증폭율에다 40dB를 더한다 .

그후 광대역 차동증폭기(1020)에서 대역여파 기인 공진회로(1010)에 의한 감쇄-20dB를 보상해주어 전체 60dB의 증폭율을 얻게 된다.

또한 가변저항기(1023)에 의해 TV중간 주파증폭기(1008)의 인가전압을 조정하여 증폭율을 20dB에서 70dB까지 조정할 수 있어, 후술할 각종 영상 재구성법에 적합하게 동작시킬 수 있다.

상술한 수신기(1000)에서 적합하게 증폭된 신호는 단자(1021) (1022)를 통하여 제15도에 도시한 DBM(1110) 및 DBM(1140)에 인가된다. DBM(1110) 및DBM(1140)은 전술했던 여기회로(800)의 DBM(810A)과 동일한 구성이나 기능은 반대기능을 수행하는 것으로 DBM(1110)의 변압기(1117)의 중간탭(1116)과 DBM(1140)의 변압기(1147)의 중간탭(1146)에서는 위상이 90˚다른 변조된 순수한 FID 신호가 얻어지는데, 이는 DBM(1110)으로는 주파수 종합기(700)으로부터 이상기(800) 및 전력분리계(806)의 코일(808)을 통하여 0˚의 반송파 주파수가 인가되고, DBM(1140)으로는 이상기(802)에서 위상이 90˚이상된 반송파주파수가 인가되기 때문이다.

이와 같이 위상이 90˚다른 반송파주파수를 DBM(1110) (1140)으로 인가하는 것은 FID 신호가 반송파주파수와 동일한 위상의 신호와 90˚차이나는 신호로 구성되어 있어 이들을 분리하여 각각을 분석하지 않으면 선택된 면의 정보를 완전하게 분석할 수 없기 때문이다.

DBM(1110) (1140)의 중간탭(1116) (1146)에서 나온 순수한 FID 신호는 각기 저항기(1121, 1151)와 커패시터(1122, 1152)로 된 능동저역여파기(1120) 및 (1150)를 각각 통해 버퍼 및 전압증폭기(1130) 및 (1160)에 인입된다.

이들 버퍼 및 전압증폭기(1130) 및 (1160)에서는 FID 신호를 후술할 데이타 수집기(1200)에 인가하는 데 필요한 만큼 증폭시킨다.

상술한 위상감응검파기(1100)는 수신기(1000)로부터 인가되는 신호에서 반송파를 제거하는데, 이것을 수학적으로 다음과 같이 표시할 수 있다.

수신기(1000)로부터 인가되는 신호를 S(t)라고 하면 S(t)는 영상 재구성 방법에서 다음과 같이 표시된다.

여기서 p(ω)는 뽑아낼 투영 데이타이며, 반송파를 제거하기 위해 S(t)는 반송파와 곱해진다.

S₁(t)=S(t)cos(ω₀t+ψ) (23)

여기서, ψ는 물체에서 전송하는 동안의 위상지연이다.

식(22)을 (23)에 대입시키면,

제15도의 저역통과 여파기(1120) (1150)에서 고주파 부분을 제거시키면, S₁(t)는 다음과 같이 된다.

다음, 위상이 90˚다른 반송파에 따라 S(t)를 체배시키면, S₂(t)는 다음과 같이된다.

S₂(t)=s(t)sin(ω_ot+ψ) (26)

식(26)은 상기 식(22)-(24)와 유사한 방법에 의하여.

가 된다.

고주파수가 5MHz 이하가 되면, 위상지연의 효과가 나타나지 않으며, 식(24) (26)은 다음과 같이 된다.

S₁(t)와 S₂(T)를 결합시키면, 복합 FID 신호 S₁(t)는,

이것이 후술할 데이타 수집기(1200)에서 디지탈화 되고, 마이크로 컴퓨터(200)를 경유하여 주 컴퓨터(100)에서 푸우리에 변환되어 영상데이타가 얻어진다.

상술한 분식은 영상 재구성 방법의 경우에 대해서 간단히 설명한 것으로 영상 재구성 방법에 따라 조금씩 수정될 수 있다.

제18도는 상술한 위상감응검출기(1100)로부터 신호를 받아 디지탈화한후, 마이크로 컴퓨터(200)에 보내는 기능을 하는 데이타 수집기(1200)를 상세하게 도시한 것이다.

제18도에서 디코더(1201)는 마이크로 컴퓨터(200)에서 받은 어드레스 신호중 하측 어드레스(A₀-A₇)신호를 디코딩하여 단안정 멀티바이브레이터(1203), 프로그램 가능한 카운터(1204) 및 PIO(1205)를 제어한다.

프로그램 가능한 카운터(1204)는 시스템을 제어할 수 있는 8비트 데이타를 마이크로 컴퓨터(200)로부터 버퍼(1202)와 라인(1206)을 통하여 받는다.

클럭발생기(1207)에서는 시스템 동작을 위한 클럭 Φ를 발생시켜 라인(1208)을 통해 전술한 파형종합기(300) (600)로 보낸다.

프로그램 가능한 카운터(1204) 및 단안정 멀터바이브레이터(1203)는 디코더 (1201)에서 받은 신호에 의하여 동작하는데, 단안정 멀티바이 브레이터(1203)에서 나온 신호가 시스템을 동작시키는 시작 신호가 된다.

이 신호는 라인(1209) 및 (1210)을 통하여 파형종합기 (300) (600) 및 프로그램 가능한 카운터(1204)에 인가된다.

한편, 위상감응검파기(1100)로부터 라인(1211) (1212)을 통해 인입되는 실수부 및 허수부는 각기 이득 1인 연산증폭기인 버퍼(1213) (1214)을 통하여 A/D 변화기(1215) (1216) 로 입력된후, A/D 변환기(1215) (1216)에서는 프로그램 가능한 카운터(1204)에서 라인(1217)을 통해 보낸 변환시각 신호에 의해 A/D 변환을 시작한다.

A/D 변환기(1215) (1216)는 아날로그 데이타를 12비트의 디지탈 데이타로 변환하게 되는데, 이 데이타는 2²=4096 레벨의 해상도를 가진다.

변환된 디지탈데이타는 버퍼(1218) (1219)를 통하여 RAM(1220) (1221)에 기억되는 바, 그 용량은 각기 12비트의 데이타를 2K(2048)개 기억시킬 수가 있다.

RAM(1220) (1221)의 어드레스는 멀티 플렉서(1222)에 의하여 결정 되는데, 변환된 데이타를 기억시키기 위한 라이트(WRITE) 어드레스는 멀티플렉서(1222)에 들어오는 2개의 어드레스중 어드레스 발생기(1223)에서 발생된 어드레스를 프로그램 가능한 카운터(1204)에서 들어오는 셀렉트 제어신호에 의하여 선택된다.

어드레스 발생기(1223)는 또한 프로그램 가능한 카운터(1204)에 의해 동작하고, RAM(1220) (1221)은 항상 리드(READ)할 수 있는 상태에 있으나 라인(1226)을 통해 라이트 할 수 있는 신호가 프로그램 가능한 카운터(1204)에 의하여 제어된다.

상술한 바와 같이 데이타 수집후 RAM(1220) (1221)에 기억된 데이타가 마이크로 컴퓨터(200)에 의하여 읽혀지는 과정은 다음과 같다.

마이크로 컴퓨터(200)에서 들어오는 8비트 데이타 2개(16비트)를 가지고 12비트의 어드레스만을 사용하여 PIO(1205)에서 라인(1225)을 통해 어드레스를 발생시키고 멀티플렉서(1222)에 의해 RAM(1220) (1221)의 어드레스를 지정한다.

이때 읽혀진 데이타는 실수부와 허수부가 있는데, 이들 데이타는 다시 멀티플렉서(1227)를 통해 셀렉트 되는 바, 처음에 실수부만 읽기 시작하여 실수부를 모두 읽은후 허수부를 읽는다.

이들 12비트의 데이타는 PIO(1205)를 통하여 마이크로 컴퓨터(200)가 8비트씩 읽어간다.

2번째 8비트는 4비트만을 사용하여 전치 12비트를 이용하는 데, 이것은 마이크로 컴퓨터(200)가 데이타를 8비트만 수용하기 때문이고, 또한 마이크로 컴퓨터(200)가 고속도로 동작 할수 없기 때문에 우선 고속도 데이타를 RAM(1220) (1221)에 기억시킨후 마이크로 컴퓨터(200)가 천천히 읽어가기 위한 것이다.

그후 상술한 과정을 통하여 데이타 수집기(1200)에서 마이크로 컴퓨터(200)에 읽혀진 데이타는 주 컴퓨터(100)에 보내져서 재구성 수식으로 계산되고, 패스트 푸우리에 변환되어 영상이 형성된 후 다시 마이크로 컴퓨터(200)을 경유해서 표시장치(1300)에 영상으로 나타나게 된다.

지금까지 설명한 것이 이미공지된 NMR단층촬영기에 관한 기술이다. 이상에서 공지기술에 관하여 상세히 설명하였으므로 다음에는 본 고안의 NMR-CT를 설명한다.

본 고안의 CT 구성요건중에서 이미 설명한 공지기술과 동일한 구성과 작용효과를 가지고 있는 부분은 그 설명을 생략한다.

제19도는 본 고안의 NMR-CT 구성도이다.

제19도는 공지의 CT구성에서 데이타 수집기(1200), 마이크로 컴퓨터(200), 파형종합기(300, 600)를 합하여 NMR 코트롤러를 만듦으로서 회로를 보다 단순화하고 능률성과 정확성을 향상시키고 있다.

이 NMR 콘트롤러는 주컴퓨터와 정보를 교환하면서 고주파 펄스를 합성하고 각종 경도자계의 형태를 결정하며, 피측물체에 경도 자계를 가하고 고주파 펄스를 가하여 측정신호를 얻기 위하여 적합한 시간을 결정하고 있으며, 또한 얻은 신호를 처리하여 주컴퓨터에 공급 저장시키거나 주 컴퓨터에서 영상정보로 가공된 신호를 받아 표시장치를 구동시키는등의 역활을 담당 하고 있다.

제20도는 NMR 콘트롤러를 보다 자세하게 세분한 회로이다.

NMR콘트롤러는 CPU(210), 시켄서(230), 파형합성기(240), PIO(250)으로 구성되어 있다.

CPU는 BUS(220)를 통하여 시켄서, 파형합성기, PIO와 각각 연결되어 주컴퓨터와 필요한 정보의 교환을 콘트롤한다.

CPU는 Z-80을 사용하고 6K RAM, PIO, SIO, DISC DRIVE CONTROLLER를 내장하고 있으며, 사용자와 주컴퓨터 사이의 교통을 가능케하여 주고 있다.

파형합성기, 시켄서및 PIO의 세부블럭다이어그램을 각각 제21도 제22도, 및 제23도에 도시하였다.

파형합성기는 각종 펄스들을 발생시키기 위한 것이며, 주컴퓨터로부터 전달되는 데이타에 의해 고주파 펄스 경도자계 펄스등을 발생시킨다.

파형 기억장치에 소정 형태의 파형정보가 디지탈 정보로서 기억되었으며, 시켄서의 제어에 따라 필요한 정보를 독출하여 DAC(DIGITAL TO ANALOG CONVERTER)에서 아날로그 형태의 파형을 만든후 MDAC(248) (MULTIPLYING DAC)를 통하여 지시된 펄스 크기의 형태로 증폭시켜 파형형태들을 발생시키는 것이다.

이 DAC는 CPU에서 임의로 제어할 수있게 되어있다.

이러한 파형들을 발생시키기 위하여 제20도에서 보는 바와같이 RF-R, FR-I, G_x, G_y, G_z, G_A를 발생시키기 위해 제21도와 같은 합성기 6개조가 있다.

파형 기억장치는 CPU가 직접 악세스(ACCESS)할 수도 있고 자체 어드레스 카운터를 증가시켜 파형을 만들 수도 있다.

시켄서는 게이팅(GATING), DATA수집, 그리고 파형합성기를 제어하는 기능을 가지고 있다.

클럭 발생기(233)에 필요한 클럭을 제공하고 PIO(231)과 파형 합성 타이밍(234)회로가 파형합성에 필요한 샘플링 타임을 제어한다.

또한 PIO(232)와 PIO/데이타 수집 타이밍(235) 회로로서 데이타 수집 타이밍을 제어한다.

또, FID 신호 R(실수)와 I(허수)를 ADC를 통하여 디지탈 신호로 변환시켜 기억장치로 보내고 있다.

PIO는 주컴퓨터와의 인터페이스를 위한 것이며, 버퍼용으로 54K 기억장치를 갖고 있다.

이 기억장치는 주컴퓨터로부터 받은 데이타를 일시 저장 하거나 ADC에서 샘플링한 데이타를 주컴퓨터로 보내기 위하여 일시 저장하기 위하여 사용되며, CPU가 직접 ACCESS가능하게 되어 있다.

이 PIO는 어드레스와 데이타용 MUX를 2개 가지고 있으며 MUX 콘트롤러를 제어하며 이 기억장치를 주컴퓨터, CPU로 연결 시키거나 데이타 수집에 연결시켜서 필요한 데이타를 기억 혹은 독출하여 전송하고 있다.

제24도는 본 고안의 촬영기에 있어서 X-Y자기 경도용분포 코일(501T)이다.

이것은 제10(d)도의 코일의 중심부분에 A로 표시된 원호코일을 추가한 것이다.

이렇게 하는 목적은 양호한 선형성을 얻기 위함이다.

집중이되어 있던 코일대신 2개 부분으로 하여 그림과 같이 전류를 분포시키면 적합한 비율로 자속이 넓게 분포되므로 선형성이 향상되는 것이다.

또한 본 고안의 NMR 단층 촬영기에서는 더 좋은 영상을 얻기 위하여 여러가지 다양한 외부원통형 자석을 사용한다. 이 자석은 촬영할 대상물체에 전반적인 강한 자장을 걸어 주기 위한 것이다.

NMR-CT의 자석이 갖추어야 할 가장 중요한점은 균일하고 강한 자장을 제공할 수 있어야 한다는 것이다.

본 고안에서 사용되는 자석은 자장의 크기가 0.5KG-2KG까지 쓸수 있으며, 자석의 구멍크기는 인체를 수용할 수 있을정도여야 한다.

자장이 균일할수록 또 자장의 세기가 안정되어 있을수록 영상이 해상도(RESOLUTION)가 좋아진다. 그리고 자장의 세기가 세질수록 인체로부터 얻어지는 신호의 크기가 Ho□의 관계를 가지고 커지기 때문에 큰 신호를 얻기 위하여는 큰자장을 이용하여야 한다.

이러한 조건들을 어느정도 만족시키는 마그네트 들로는 상자석(RESISTIVE MAGNET), 초전도자석(SUPER CONDUCTING MAGNET), 철심자석(IRON CORE MAGNET), 영구자석(PERMANENT MAGNET)등이 있는데, 이중에서 특히 NMR-CT에 쓰일 수 있는 대형의 마그네트로는 상자석과 초전도자석을 꼽을수 있는데, 이에대한 장단점, 이용분야는 다음과 같다.

1) 상자석(RESISTIVE MAGNET)

인체 영상을 얻는데 이용되는 상자석은 그 세기가 약 2.0KGAUSS까지 제약되어 있는데, 그 이유는 약 300A정도의 전류를 흘려 줌으로서 생기는 열을 물로 식혀주는데 한계가 있기 때문이다.

또한 계속 직류전류를 흘려주어야 하기 때문에 직류전류가 조금씩 변화하든지 열을 식혀주기 위한 물(냉각수)의 온도가 변화하면 자장의 세기가 변화하는 문제점이 있다.

이러한 상자석으로는 일반적인 프로톤(PROTON) 영상들을 할 수가 있으며 대체로 운전하기가 쉬운 편이다.

이 마그네트에서 물(냉각수)의 온도를 ±0.5℃이내로 유지 시켜주면 자장의 시간에 대한 변화도 최대한으로 줄일수가 있다. 자장의 균일도는 우리가 영상을 얻고자 하는부분(30㎝직경의구)에서 수십 PPM 이내로 일반적인 영상에 대해서는(SPECTROSCOPIC IMAGIXG 제외)좋은 해상도를 얻을 수 있다.

2) 초전도자석(SUPERCONDUCTIVE MAGNET)

앞서 설명한 마그네트가 갖추어야 할 자장의 균일도와 자장의 안정도, 세기 등을 모두 만족시키는 자석으로 단지 운전하는데 어려움이 따른다.

자장의 세기는 2KG 이상에서 약 20KG까지이며, 상자석에 비해 10배이상의 세기를 얻어낼 수 있으며, 그 안정도는 수십년동안 자장의 세기가 변하지 않을만큼 안정되어 있어서 스펙트로코픽 이메이징(SPECTROSCOPIC IMAGING)이나 프론톤(PROTON)이 아닌²³Na,¹⁹F,³¹P등과 같은 인체에 많이 포함되어 있지 않은 원소에 대해서도 영상을 얻을 수가 있다.

이 마그네트의 원리는 초전도코일의 온도를 영하 약 270˚정도(4.2˚K)로 낮추어서 코일이 초전도 상태(저항이0)가 되게 함으로서 계속 전류를 공급하지 않고도 큰 세기의 자장을 얻게 된다. 이때 COIL의 온도를 4.2˚K 정도로 낮추기 위해 액체 질소와 액체 헬륨이 그 냉매로 이용되는데 이러한 냉매를 이용하는데는 특별한 조심이 요구된다.

그림 제25(a)도는 발명의 NMR-CT에서 사용하는 "曰"자형 공진 고주파 코일(RING RESONATOR)이다. 초전도 자석에서는 자장이 현재보다 훨씬 커지는 이유로 해서 물체에서 나오는 신호의 주파수도 또한 증가한다.

이때문에 훨씬 높은 주파수에서도(우리의 경우 현재 85.1MHZ임) 라디오 주파수(RF)의 신호를 전달시켜 주고, 받는 코일이 필요하게 되는데, 바로 이것이 환영 공진 고주파 코일이다.

이 코일은 기본적으로 전송선로의 공진현상을 이용하는 것인데, 공진시 나타나는 전류 정지파의 최대치를 이용하기 위해서 도면에서 보여진 것처럼 기하학적인 배열을 해줌으로서, 신호의 전달 및 수신을 할 수 있게끔 했다.

또한 전송선로의 길이를 조절함으로서 코일이 동작할 수 있는 주파수대는 변화시킬수가 있다.

원하는 핵자기 공명주파수에서 공명하는 환형코일을 구성해주기 위해, 복사 전송선로의 두개의 짧은 두부분이 두개의 차단된 전송선로와 서로 연결되어 있다.

이런 타입의 코일중 간단한 경우의 구조가 도면에 있다. 주파수가 높아짐에 따르는 전자기파의 위상변화에 기인한 문제가 있긴 하지만, 4테스타(TESLA)용 인체코일(BODY COIL)까지 사용할 수 있다는 특징이 있다.

이 코일에서 중요한 특징은 안테나(241)에서 공급되는 고주파 전력이 공진부분(243과 244 사이부분) 코일에서 작용한후(244)에서 (245)부분까지의 차례된 도선을 통과하며, 이 도선을 통과하는 도중에 위상이 180˚지연되도록 설계되야 한다는 점이다.

그림 제25(b)도는 본 발명의 특수한 2중 주파수 고주파 코일의 형태이다.

후에 설명된 동시다원소 촬영법에서 사용되는 코일이며, 앞서 설명한 공진 고주파 코일과 그림과 같은 안장형 코일(SADDLE SHAPED COIL)을 발생 자계 방향이 90˚가 되게 배치한 것이다.

이 코일의 목적은 서로 다른 두개의 주파수(라모아 주파수)를 이용하여 각기 다른 두개의 원소에 관한 영상정보를 한꺼번에 얻기 위함이다.

이 코일을 이용한 영상법은 후술한다.

그림 제25(c)도는 본 고안의 새로운 2중 주파수 결합기와 이것을 제어하기 위한 스위치들을 보여주고 있다.

이 스위치 S₁, S₂및 S₃는 고주파 부분회로(고주파코일 D₄, D₅, D₆, 프리앰프, 필터, 고주파 앰프로 연결되 회로)또는 저주파 부분회로(저주파코일, D₁, D₂, D₃, 앰프들과 필터등으로 구성된 회로)를 DBM과 연결 또는 분리시키는 작용을 한다.

여기서 D₁-D₆는 고전력은 통과시키고 저전력을 저지하는 작용을 하며, D₂, D₃및 D₅, D₆은 고주파 및 저주파 코일과 각각및의 위치에 접속되어야 한다. 이렇게 해야만, 여기전력은 DBM₁에 코일로 공급되고 각 코일에서 발생된 고주파신호(고주파수 및 저주파수의 신호)들은 DBM₂로 공급될 수 있게 된다.

고주파코일은 제25(b)도의 공진고주파코일(RING RESONATOR)를 사용하고 저주파 코일은 안장형 코일을 사용한다.

이 회로는 동시 다원소 촬영법을 실현가능케 하는 회로이다.

이 회로의 동작은 다음과 같다. 먼저 고주파 부분을 설명한다. 주파수종합기(700)로부터 고주파 발진신호를 S₁을 통하여 DBM₁에 연결시켜 파형 합성기(240)로부터온 신호와 결합시켜 고주파펄스를 발생시킨다.

전력증폭기는 이 신호를 증폭시켜며 S₂는 D₄쪽으로 연결 시킨다. D₄는 고전력(전압이 0.6V보다 높음)이므로 통과시키고, D₅는 단락상태이고거리에 있으므로 D₅쪽 푀로는 OPEN된 것과 같이 작용하여 고주파 펄스전력은 전부 고주파 코일쪽으로 전달된다.

이 펄스가 끝나면 고주파 코일에는 공진 주파수에 해당되는 기전력이 유기되고 이것은 매우 약한 신호이여서 다이오드들은 모두 OFF 상태로 동작되므로 프리앰프를 통하여 필터를 거쳐 고주파 앰프로 전달되며, 복조가능한 전력으로 증폭되어 DBM₂에 전달되고 본 발명의 시켄서 회로의 ADC의 실수 및 허수 측 FID 신호로 공급된다.

스위스 S₁, S₂, S₃가 반대로 되면 저주파 부분의 신호가 같은 과정으로 전달된다.

이에 대한 자세한 설명은 생략한다.

본 고안의 NMR-CT를 동자시켜 새로운 영상법을 개발 하였는데, 다음은 NMR 단층 촬영법을 설명한다.

NMR 영상화 방법의 기본 개념은 다음과 같은 스핀 밀도와 FID 영역의 푸리에 변환 관계식에 의해서 표현된다.

S(T)=S(K_x(T), K_y(T)=p(X,Y)EXP〔-J(XK_x(T)+YK_y(T)〕d_xd_y)

P(X,Y) : OBJECT SPIN DENSITY FUNCTION

K_x-K_y좌표계에서 제26(b)도와 같이 나선형으로 데이터를 받으려면

K_x(t)=γAT COS(Bt) (3.1)

K_y(t)=γAT SIN(Bt) (3.2)

의 좌표의 데이터를 읽어내면 된다. (2)의 관계에 의해서

G_x(t)=A'COS(Bt)-ABT'SIN(Bt) (4.1)

G_y(t)=A'SIN(Bt)-ABT'COS(Bt) (4.2)

로 경사자계의 파형이 결정된다.

이 파형의 모양을 포함한 NMR 펄스 시켄스가 그림제26(a)도와 같이 주어진다.

180˚ RF 펄스후의 ECHO 파형을 선형 증가 정현파로서 코딩하면 그때 얻어지는 데이타가 위치 주파수 영역에서 나선 궤적 상에 있는 T₂감쇄된 2D FID 신호의 집합이 된다.

한줄로 얻어진 데이터를 재구성하기 위해서 등각 등위 방향으로 재배열한 후 콘벌류션 백 프로젝션(CONVOLUTION BACK PROJECTION)방법에 의해서 최종 영상을 얻게된다.

X경사자계와 Y경사자계에 의한 합성 경사자계의 나선 궤적은 그림 제26(b)도와 같이 된다.

동시 다원소 영상기법(同時 多元素 映像技法)

최근 NMR 마그네트의 고자장화와 영상공학의 발전은 인체내, 수소(¹H)원자의 영상뿐 아니라 그 외의 나트륨(²³Na), 인(³¹P)등의 영상화도 가능하게 되었다.

특히²³Na 영상은 수소영상에서 나타나지 않을수도 있는 인체의 생리적, 병리적 정보를 줄수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.²³Na 영상의 연구를 위해서는 수소영상과의 비교검토가 요구되는데 각 원소의 영상화에 필요한 영상시간 때문에 인체로부터 두 영상을 추출하기 위해서는 매우 긴시간을 요하고 따라서 두원소 영상은 동시적 정보를 가질 수 없게 된다.

그러므로 주어진 영상시간내에 두 영상기법을 혼합하여 2개 영상을 얻는 다중 영상기법이 개발되었다.

이 동시 다원소 영상기법은 상이한¹H,²³Na의 NMR 파라메타(PARAMETER)를 최대한 이용하고 있다 ; (1)¹H 와²³Na의 공진주파수는 1.5 테스라(TESLA)에서 각각 64MHZ, 17 MHZ로서 각 원소의 여기(EXCITATION)와 신호 수신은 서로 간섭을 주지 않는다.

(2)²³Na의 T₁완화시간은¹H 에 비해 매우 짧으므로, 상대적으로 긴¹H의 TR 사이에 많은 펄스를 삽일할 수 있다.

²³Na은 원자자체의 현격히 낮은 신호감도 뿐만 아니라 인체내의 적은 함량으로 인하여,¹H신호에 비해 매우 감도가 낮으나 짧은 TR로서 많은 신호를 평균하여 단위시간당 신호감도를 증진시킬수도 있다.

따라서 그림1에서 보인바와 같이¹H 영상 펄스 사이사이에 독립적인²³Na 펄스를 다수 삽입하여¹H 영상과 동시에 부가적인²³Na 영상도 얻을 수 있다.

위와 같이 시간다중 영상기법을 실현하기 위해서는 그림 제25(c)도와 같은 시스템의 제작이 요구된다.

그림에서와 같이 RF코일과 그 전송, 수신채널은¹H,²³Na을 위하여 각기 설치되고 그 스위칭을 위하여 스위치 3개가 필요하다. 이러한 시스템으로¹H과²³Na원소를 번갈아 가며 여기(EXCITATION), 수신할 수 있다.

그림 제25(c)도에서 두원소를 위한 RF코일은 그림 제25(b)도와 같이 실현되었다.

64MHZ의¹H에는 고주파 특성을 이용한 공진고주파 코일이 채낵되고 17MHZ의²³Na에 말안장 코일이 사용되었다. 서로 다른 주파수 대역과 90˚로 놓여진 위치로 인하여 두 코일의 분리도가 우수하다.

이와동시 다원소 영상기법은 상술한 예에서¹H,²³Na를 그예로 들었지만 이와 유사한 다른 원소 즉 라모아 주파수가 고주파인것과 상대적으로 라모아 주파수가 낮은 저주파인 원소를 동시에 촬영 할 수 있음은 물론이다.

제27도는 본 영상 기법의 펄스 시켄스를 보여주는 도면이다.

제28(0)도의 스위치를 고주파(f₁)쪽으로 접속시키고 고주파 원소를 여기시켜 자료를 수집한후 스위치를 저주파쪽으로 전환하여 저주파쪽 원소에 관한 자료를 수집하여 각각 신호를 처리하여 영상을 얻는 것이다.

3차원 유속의 영상화

이미 공개된 기술로 플로우 영상법이 있지만, 그러한 방법으로는 바른 유속에 대한 정확한 영상을 얻을수가 없었다.

본 발명은 이점을 개선한 새로운 영상법이다.

NMR 이메이징시스템에서는 표본에 위치좌표를 부과하기 위해 상호 수직을 이루는 경사자계들을 정자장 B₀에 첨가하여 신호를 얻게되며 이때 좌표상의 위치는 다음과 같이 대응시킬 수 있다.

△ωγ=γGγ△γ (1)

여기서 γ는 상수로서 자어로 마그네틱 레이쇼(GYROMAGNETIC RATIO)를 나타내며, γ은 공간상의 위치(X 또는 Y,Z), ωγ은 주파수 공간에서의 위치(ω_x또는 ω_y, ω_z)에 해당되며, G_y은 경사자계의 세계(S/㎝)이다.

따라서 경사자계 G_x에 의한 위치 X의 스핀(SPIN) 위상은 다음과 같이 ψ_x, ψ_vx로 주어진다.

ψ_x=γ_x∫_txG_x(t)dt (2)

ψV_x=γV_x∫_txG_x(t)tdt (3)

여기서 V_x는 X위치의 스핀속도, △t_x는 경사자계가 가해진 시간을 나타낸다.

NMR유속영상을 얻기 위해서는 그림 30과 같은 펄스 시켄스를 사용하는데 각 경사자계와 RF 펄스에 의하여 코딩(CODING)되는 위상은 다음과 같다.

1. Z 방향 유속

Z-방향 유속은 Gz뿐만 아니라 RF 펄스 Hx(t)가 가해졌을때 z방향속도 Vz로 움직이는 스핀들의 마그네티제이션(MAGNETIZATION) M은로 주어진다.

이때 은 스핀의 세차운동을 상쇄시키는 회전좌표계의 축들이다.

윗식을 풀면와 같은 꼴로 주어지는데 스핀의 속도에 의해 코딩된 위상은

로 구할 수 있다.

2. Y 방향 유속

그림 의 Y 경사자계에서 Gvy로 표시된 경사자계는 FID 데이타의 센터(t'=0)에서 위상이 0˚가 되게하며, 유속코팅은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

ψvy=rvy Uvy (4)

여기서 Uvy는 (4)식에 그림 의 Y-경사자계와 펄스타임을 적용하여 계산한 결과로

와 같이 된다.

3.¹X방향 유속 코딩

식(3)에 그림 의 X-경사자계 펄스를 적용하면 위상 코딩양은,

로 주언진다.

제28도는 3차원유속의 영상법의 펄스시켄스를 나타내고 있다.

먼저 90˚고주파 펄스를 가하여 스핀을 여기 시킨후 G_x와 G_y를 방향을 번갈아 반대 방향으로 가하여 X방향 및 Y방향 성분을 억제시킨후 T_A시간만큼 G_y를 가하고 T_x시간동안 G_x를, 가한후 G₂를 T₂시간동안 가하고 동시에 180˚ 고주파 펄스를 가한후 G_y를 가한상태에서 에코 신호를 얻는다.

이상 순서대로 G_x를 변화시키면서 다수의 자료를 수집한다.

이 자료는 Z방향의 속도에 따라 위상이 변화되므로 이것을 푸리에 변환하여 위상에 관한 정보만 추출하면 Z방향 유속에 대한 영상이 얻어지는 것이다.

Y방향 유속이나 X방향 유속도 유사한 방법으로 얻을 수 있다. 쿼드레이춰 멀티프렉스드 듀얼 스라이스(QUADRATURE MULTIPLEXED DUAL SLICE)영상법

NMR 영상법에서 불가피한 한계는 영상속도 즉, 스핀격자 완화시간 T₁, 으로 연하여 결과는 긴 영상시간이다.

이 한계를 극복하고 긴 영상시간을 효과적으로 이용하기 위하여 사분할다층 영상법이 널리 쓰여왔다.

이 방법에 추가하여 영상면의 수를 두배로 늘릴 수 있는 쿼드레이춰 멀티프렉스드 듀얼 스라이스 영상법이 새로이 고안되었다. 이 새로운 방법의 펄스 시켄스는 제29(a)도에 나타나 있다. 경도자계 펄스는 종래의 영상법과 똑 같으나 RF의 모양이 다르다. 즉 SLICE Ⅰ을 여기시키기 위한 RF 펄스와 스라이스 Ⅱ를 여기시키기 위한 RF 펄스가 서로 90˚위상 차이가 나도록 하여 더한 것이다.

이 RF PULSE로 여기시킨 SPIN들은 제29(b)도와 같은 상태에서 운동을 한다.

그리하여 측정된 NMR 신호는 다음과 같은 수식으로 표현될 수 있다.

S_q(t_x,t_y)=∬d_xd_y{ρ,(x,y)+iρ₂=)x,y)}

ρ_xp{iγ(_xG_xt_x+yG_yt_y)}

여기서 ρ1와 ρ2는 각각 스라이스Ⅰ와 스라이스Ⅱ에서 얻어진 영상 함수이다.

윗식을 2D 푸리어 변환하면 얻어진 영상함수 S_q(ω'_x+ω_y)는 다음과 같이 복소수 함수가 된다.

f_q(ω_x,ω_y)=f₂[s_q(t_x,t_y) : t_x→ω_x, t_y→ω_y]

f₁(ω_x,ω_y)+if₂(ω_x,ω_y)

여기서 ω_x=γG_xX이고, ω_y=γG_yy이다.

그러므로 스라이스Ⅰ과 스라이스Ⅱ에서의 각 스라이스의 영상은 fq(ω_x,ω_y)의 실수와 허수 부분으로 각각 나타내어진다.

따라서 위 방법으로부터 동시에 2장의 영상을 얻을 수 있고 종래의 시분할 방법과 병행될 경우 2개의 영상들을 얻을 수 있다.

180˚RF 펄스타임 엔코딩(PULSE TIME ENCODING)을 이용한 NMR 스펙트로스코픽 영상 NMR 영상의 대상인¹H,¹³C,³¹P등의 원자핵들은 생체 조직내의 생화학 연구에 중요한 정보가 되는 케미칼 스펙트럼(CHEMICAL SPECTRUM)을 중첩하여 가지고 있다. 따라서 NMR-CT에서의 케미칼 스펙트로스코픽 영상법은 단층 촬영기법에서 큰 발전이라고 할 수 있다.

단층 촬영기에서의 스펙트로스코픽 영상은 X,Y,Z측 에서의 공간 정보뿐만 아니라 케미칼 스펙트라(CHEMICAL SPCTRA)정보까지 얻고자 하는 것이다.

여기서 케미칼 시프ㅌ(CHEMICAL SHIFT)δx는 다음과 같이 정의된다.

여기서 γ는 공명 주파수이고, 첨자 "K"는 "ref"는 표본과 기준 물질을 각각 뜻한다.

공간축 X,Y,Z축에 수직한 ωk를 케미칼 시프트 축으로 잡으면 FID 신호 S(t,tx)는 X축만 생각할 때 그림 제30(a)도에서 다음과 같이 쓸 수 있다.

여기서 X는 공간 좌표, ( )는 X위치에서 케미칼 시프트 정보를 지닌 스핀 밀도 분포이다.

또 γ는 자이로 마그네틱 레이쇼(GYROMANETIC RATIO), △t는 90˚RF 펄스에서 Gx가 시작되는 시각 간격이고, t는 Gx가 시작 후의 시간이다.

케미칼 시프트 텀(TERM) ωk는 표본 외부 자장 B₀에 대해

ωK=γδk B₀×10^-6rad/sec

로 주어진다.

그림 33(b)는 tk=t+△t인 t와 △t 평면에서의 FID의 스캔 패턴(SCAN PATTERN)을 보여주고 있다.

는 실수 값이므로 t와 t_k영역에서 콘주게이트(CONJUGATE)대칭이다.

따라서 4사분면중 2사분면의 데이타만 얻으면 FID 데이타 S(titk)로 부터 영상을 재구성할 수 있다.

그러기 위해서 스핀-에코 기법이 사용된다.

제31도는 2-D 선적분 프로젝션(PROJECTION)재구성 알고리즘의 펄스 순서도를 나타낸다.

이때 공간 좌표 X축으로부터의 뷰(VIEW) 각도 θ에서의 FID신호 Sθ(t, t_k)는,로 쓸수 있으며,는 위치 U=X COSθ+Y SINθ(U,V)에서 케미칼 시프트 ωk를 포함한 2-D 공간 스핀 밀도분포이다.

또, tk=t+△t, Gu=Gx cosθ+Gy simθ

Sθ(t, t_k)를 △t→ωt로 하여 2-D FOURIER 트랜스폼(TRANSFORM)한 프로젝션 데이타(PROJECTION DATA)는,로 C는 상수이다.

캐미칼 스펙트로스코픽(CHEMICAL SPATROSCOPIC)영상은 각 0-π의 뷰(VIEW)선의 프로젝션 데이타를 백-프로젝션(BACK-PROJECTION)재구성 방법으로 얻을 수 있다.

제32도는 디렉트 푸리어(DIRECT FOURIER)방법의 케미칼 스펙트로 스코픽 영상 펄스 순서도를 보이고 있다.

이때의 FID 신호 S(t_x, t_v, t_k)는,

로 주어진다.

여기서 t_k=t_z+△t이다.

영상함수는,

로 계산된다.

여기서 C'는 상수이다.

따라서 그림 31, 그림32에서의 새로운 펄스 순서도에 의해 캐미칼 스팩트로스코픽 영상을 얻을 수 있음을 보였다.

인버션 리커버리(INVERSION RECOVERY) 영상법

NMR 영상법중에서 인버션 리카버리(IR) 영상법은 NMR의 중요한 파라메타(PARAMETER)중의 하나인 T₁에 대하여 콘트래스트(CONTRAST)가 가장 뚜렷한 영상을 제공하여 줄 수 있으며, 따라서 종양과 같은 비정상적인 조직의 발견에 유용하게 쓰일 수 있다.

그러나 이 TR 영상법은 T₁회복시간으로 인하여 그 영상시간이 비교적 길고 종래에 통사적으로 사용해오던 영상 데이타 처리방법으로 영상을 재구성하면 극성에 대한 정보를 상실하여 콘트래스트가 왜곡되는 현상을 보여주어 왔다.

이러한 두가지 결점을 개선 보완하기 위하여 다음과 같은 새로운 방법이 제시된다.

(1) 시분할 다층 촬영법

불가피하게 긴 영상시간의 효율적인 사용을 위하여 종래에 SR 영상법에서 사용해오던 시분할 다층 촬영법과 새로이 고안된인터리빙(INTERLEAVING)방법을 합성하면 동일한 시간내에 많은 슬라이스의 영상을 얻음으로 하여 결국 전체 영상시간을 줄이는 효과를 볼 수 있다.

그림 33은 종래에 써오던 시분할 다층 촬영법을 위한 펄스 시켄스이며, 그림 34는 새로이 고안된 인터리빙 시분할 펄스 시켄스이다.

이 두가지 방법을 동시에 적용할 경우 통상적인 TR 영상시간인 8분내에 약 12스라이스 이상의 영상을 얻을 수 있다.

2. 콘트라스트 역전 현상을 제거하기 위한 위상보정 방법

1) 인버젼 리카브리(INVERSION RECOVERY) 영상법의 이론인버젼 리카버리 영상을 위하여 일반적으로 쓰이는 펄스 시켄스는 그림 35도에 나타나 있다.

우선 Z축을 따라 배열되어 있는 자화들은 180˚ 인버젼 고주파 펄스에 의하여 Z방향으로 180˚회전한다.

180˚ 인버젼 고주파 펄스와 90˚고주파 펄스 사이에 시간 T₁동안 자화의 스핀-래티스 리렉세이션 타임 콘스탄트(SPIN-LATTICE RELAXATION TIME CONSTANT) T₁에 따라 외부자장 방향인 Z방향의 평형 상태로 되돌아 간다.

90˚RF 펄스를 가하기 직전의 스핀들의 자화 Mz은 각 스핀들의 T₁값의 함수가 되며 90˚펄스와 스핀-에코 테크니크(SPIN-ECHO TECHNIQVE)을 위한 180˚ RF펄스를 가한후에 측정된 FID 신호는 다음과 같은 T₁의 영향을 받는다.

S₁(t_x,g_x)=∬d_xd_rP₁(X,Y)EXP(irrg_yT_y) (1)

이식에서 ρ(X,Y)는 2차원 공간에서의 스핀 밀도함수, γ는 자이로 마그네틱 레이쇼(GYROMAGNETIC RATIO)이며, T_R, T_I, T_E, G_X, g_y, t_x와 t_Y는 그림에 정의되어 있다.

이 측정된 FID 신호를 푸리에(FOURIER) 변환하여 T₁에 의해 영향받은 영상 ρ'(X,Y)를 구할 수 있으며, 그 값은 T₁과 T₁에 따라 양의 값 또는 음의 값을 갖는다.

그러나 이 계산에 있어서 전자적인 시스템의 의상지연과 경사자계 펄스로 인한 와전류 효과에 의해 유발된 위상차를 보정해 주어야만 한다.

이 위상차를 보정하는 방법을 다음 절에서 설명하기로 한다.

2) 위상보정방법

식(1)ㅣ에서 실제 측정된 FID신호는 제로스오더(ZEROTH ORDER) (α)와 퍼스트오더(FIRST ORDER) (β) 위상 에러(ERROR)향으로 표현되는 위상 에러를 가지고 있다,

위상 에러로 인해 왜곡된 FID 신호 다음과 같다.

이 왜곡된 FID 신호에 푸리어 변환을 취하면,

=CP₁(X,Y)e^{-i( )}(C는 상수) (4)

정확한 IR 영상 P1 I (X,Y)를 얻기 위하여 식(4)의위상에러 항이 보정되어야 하며, 이 위상 보정 방법에 NMR 영상에 있어서 가장 큰 단점은 영상 데이타를 얻는데 일반적으로 수분의 시간이 걸리므로 움직이는 물체의 영상을 얻을 경우 영상이 좌우 상하로 퍼지는 모션 아티팩트(MOTION ARTIFACT)가 나타나는 것이다.

따라서 심장과 같이 움직이는 물체를 얻고자 할 경우에는 ECG 신호와 같이 반복적이고 주기적인 심장운동에 따라 나타나는 신호에 동기시켜서 NMR 데이타를 받아야 한다.

그림1은 심전계의 신호이고, 그 아래의 화살표는 심전계 신호의 R파로부터 동기시켜 각 화살표 만큼 지연 시간을 가한후 NMR영상 데이타(DATA)를 받고자 하는 트리거(TRIGGER)신호이다.

그림2는 심전계의 신호의 R파를 감지하는 회로이다.

이 회로에서 나오는 신호 시간부터의 지연시간은 컴퓨타에서 정해진다.

이 방법을 이용한 실험방법은 앞에의 기존 영상방법과 동일하며 단지 신호를 얻기 위한 90˚고주파 펄스를 가해주는 시간을 ECG 신호와 동기시켜준다는 점만 다르다.

Claims (1)

1. NMR콘트롤러(200)가 주컴퓨터(100)와 표시장치에 연결되고 NMR콘트롤러에 경도전력 공급장치(400), DBM(810 A), 주파수종합기(700), 및 증폭기(1130 및 1160)가 연결되며, 경도 전력공급장치(400)에 X-Y자기 경도 코일 및 Z자기 경도코일(501)을 연결하며, 고주파 전력을 공급 및 수신하기 위한 고주파 코일 및 주파수 결합기를 증폭기를 거쳐서 DBM(810A, 1110, 1140)에 각각 연결하여 주파수 종합기(700)에 연결된 이상기(802)에서 인가되는 신호로서 각각 DBM을 동작 시키도록 하고 DBM(1110, 1140)은 증폭기(1130, 1160)에 필터를 통하여 연결되도록 하며, 자장을 공급하는 자석은 X,Y,Z 경도 코일 및 고주파 코일 외부에 원통형으로 설치하여, 피측 물체에 고정자기가 경도자기 및 고주파 전력을 정한 시간에 따라 공급하고 고주파 신호를 수신 가공처리하여 NMR단층 영상을 생성, 표시하는 NMR-CT에 있어서 X, Y자기 겨도용 분포코일(501)은 중앙 원호부분에서 3/10 I 및 7/10 I 씩 전류가 흐르도록 간격을 두어 코일을 분포시킨 것과 2중 주파수 코일에 높은 측 주파수(f₁)용으로 "□"자 형태의 공진기 일측단(244)에서 이것과 나란히 서있는 또다른 "□"자형 공진기의 다른방향 일측만(245)까지 차폐된 도선으로 연결시키고 이 폐도선을 진행하는 신호가 공진주파수의 180˚ 위상차가 되게끔 그 길이를 설정하여 공진기 타측단(243)은 또 다른 공진기의 타측단(242)와 같은 방법으로 연결 하여서된 공진 고주파 코일(RING RESONATOR)를 사용하는 것과 2중 고주파 코일은 공진 고주파 코일과 안장형 코일을 발생 자계방향이 90˚방향이 되게 결합하여서된 것과(제25(b)도 참조) 외부 원통형 자석은 영하 270˚정도의 극저온에서 동작하는 강자장 초전도자석인 것과 2중 주파수 결합기는 DBM에서 전력증폭기가 연결되고 이것에 스위치 S₂가 연결되며, 상호 역방향으로 연결된 다이오드(D₁, D₄)가 연결되고, 다시 고주파 코일을 통하여 접지되도록 연결되고, 코일 일단에서되는 곳에 다이오드(D₂, D₅)를 통하여 접지시키고, 다시 여기서되는 곳에 다이오드(D₃, D₆)를 통하여 접지시키며, 이끝단에서 프리앰프를 연결하고 밴드 페스필터와 고주파 앰프를 연결하고 다시 스위치 S₃을 통하여 DBM₂에 연결되도록 구성한 것과 NMR콘트롤러는 CPU(210), 시켄서(230), 파형합성기(240), 및 PIO(250)로 구성되어 고주파펄스 및 자기경도 펄스생성 공급, 스위치 및 데이타 수집등을 제어하는 것과 펴형 합성기(240)는 SYSTEM BUS에 래치, 어드레스 카운터 MUX, 파형 기억장치, 래치, DAC, MDAC 순으로 연결하고 MDAC는 다시 래치를 통하여 BUS에 연결하여 버퍼(248)을 통하여 파형을 출력토록 하는 것과 시켄서(230)은 시스템버스(SYSTEM BUS)로부터 PIO(231), 파형합성 타이밍 회로순으로 연결하여 파형 합성기 신호로 보내고 또한 PIO(232), PIO/데이타수집 타이밍, ADC순으로 연결하여 DAT ACQ 및 DAQ 신호를 PIO(250)로 보내며, 클럭 발생기(233) 및 시켄서 메모리, 래티(238)을 상호연는 종래에 NMR 영상에 널리 쓰이던 절대치 방법과 본 발명의 위상측정 보정방법이 있다.

   절대치방법

   절대치 방법은 SR 영상방법에서 뿐아니라 IR 영상에서도 위상보정을 위해 쓰여왔다.

   식(4)에 절대치를 취하면 결과에 주어지는 식에는 다음과 같이 위상 에러항이 없어지게 된다.

   그러나 이 방법은 모든 P_S'(X,Y)가 양수인 SR에서와는 달리 양수와 음수가 존재하는 IR에서는 문제점을 가지고 있다.

   즉 양의 값과 음의 값을 구별하지 못함으로서 T₁과 T₁값에 따라 영상의 콘트라스트가 역전될 수 있다.

   그림 36도는 절대치 방법을 사용하는 Ih 영상에서 T₁과 T₁값에 따른 콘트라스트 종속성을 보여주고 있다.

   T₁과 T₁₀보다 착다면 긴 T₁의 물질이 짧은 T₁의 물질보다 더 큰 값을 갖게된다.

   이러한 T₁의 값에 따른 콘트라스트의 역전현상을 극복하기 위하여 몇가지 방법이 발표되어 있으나 이 방법들은 여러가지 T₁의 값에 따른 영상을 요구함으로써 장시간을 필요로 한다.

   따라서 본 발명의 방법은 이 같은 문제점을 해결 하기 위한 새로운 위상 보정 방법을 개발하였다.

   위상 측정 방법

   식(4)에서 α와 β를 알수만 있다는 ρ_I(X,Y)로부터 ρ_I(X,Y)를 정확하게 구해낼 수 있다.

   SR에서 α와 β의 측정은 IR에서보다 쉬우며, 다음과 같이 이루어진다.

   먼저 식(3)에서 절대치를 취하면 α항을 제거할 수 있다.

   그림 35도에서 180˚인버전 RF 펄스와 그와 동시에 가해지는 세렉션 경사자계 펄스를 제거한 펄스 시켄스로 행하여 지는 SR에서 ρ_S'(X,Y)는 다음과 같다.

   여기서 ρ'_S(X,Y)는 단지 양의 값뿐이므로 FID에코 중심의 절대치는 g_y=0에서 최대값을 갖는다.

   따라서 다음식으로부터 β를 측정할 수 있다.

   SS(0,0)은 양의 값이므로 위 식으로부터 β를 구해낼 수 있고 α 역시 다음과 같이 구해진다.

   SR 영상에서는 위와같은 방법으로 α와 β를 측정함으롯 위상 ERROR를 보정할 수 있으나 IR에서는 ρ'_I(X,Y)가 양의 값과 음의 값을 동시에 가질 수 있으므로 식(8)을 사용할 수 없다.

   IR 영상에서 위상 에러항을 측정하기 위한 새로운 방법은 IR에서만 위상에러 항으루 위와같은 방법으로 측정할 수 없음으로 IR 펄스 시켄스에서 180˚인버젼 RF 펄스만을 제거한 SR 펄스 시켄스 얻어진 FID로부터 α와 β를 측정한다.

   페이스에러(PHASE ERROR) 항은 시스템의 위상지연, 와전류 효과, 반복시간 T_R등에 민감하므로(t_x,0)가 IR에서와 똑같도록 180˚인버젼 RF 펄스만을 제외한 모든 조건을 똑같이 한 SR 펄스 시켄스가 사용되어야 한다.

   이렇게 측정된 위상 에러로서 IR 영상에서 얻어진 모든 신호의 위상을 보정할 수 있다.

   이 방법에 의한 위상 보정된 영상은 절대치 방법에 의한 콘트라스트 역전현상을 완전히 극복할 수 있다.

   심전계(ECG) 신호동기에 의한 심장 영상

   결하여 스위치 제어신호를 공급하는 것과 병렬입출력장치 PIO(250)은 기억장치, MUX, MUX콘트롤러 어드레스 카운타 등으로 구성되어 주컴퓨터와 CPU와의 연결 및 수집 데이타의 전달 제어장치로 구성함을 특징으로 하는 전산화 단층 촬영기(NMR-CT).