KR900007543B1 - 기본 자장을 펄스식으로한 핵자기공명 영상형성 장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

기본 자장을 펄스식으로한 핵자기공명 영상형성 장치

제1도는 본 발명을 도시한 개략도.

본 발명은 핵자기공명(NMR)을 이용한 의료용 영상형성 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 개선된 신호대 잡음비와 낮은 비용으로 NMR 영상을 발생시키는 것에 관한 것이다.

NMR 또는 NMR 영상형성은 최근에 상업적으로 이용할수 있게 되었는바, 이온화복사선을 수반하지 않음과 아울러 미세한 병상을 시각화시킬 수 있는 탁월한 능력으로 인해서 각광을 받고는 있으나, 그 비용관계상 대형의 의료센터에서만 이용되고 있는 실정이다.

NMR에 의한 영상을 형성하는데 쓰이는 장치의 구성과 그 일반적인 이론에 관해서는 동경의 이가꾸-쇼인(Igaku-Shoin)사에서 1981년에 출판한 "의학용 NMR 영상형성(Nuclear Magnetic Resonance Imaging in Medicine)이라는 제하의 서적을 참고할 수 있다.

NMR 장치는 매우 강한 기본자장과 아울러 이보다 작은 다양한 그래디언트(gradient)자장을 필요로한다. 초기의 NMR 장치는 저항성 전자석을 사용해서 0.5-1.5킬로가우스 정도의 기본 자장을 형성시켰다. 이들은 관심을 끌만한 영상을 제공하였으나 적당치못한 신호대 잡음비로 인해서 몇가지 조사에는 충분한것이 못되었다. 자장의 세기를 제한하는 것은 저항성 자석의 전력손실이다. 이 문제를 해결하기 위해서 초전도성 자석을 이용해서 기본자장을 공급한 바 있다. 이 초전성 자석은 전력손실이라는 문제를 해결하여 필요한 만큼의 높은 자장을 제공하였지만 대단히 비싸고 동작시키기가 어려움은 물론 비교적 다량의 액체헬륨냉각제를 소비하여야만 했다. 그러나 이 초전도성 자석으로서는 5.0킬로가우스 정도의 강한 자장을 얻어낼수 있으며, 이렇게 강한 자장은 모든 NMR 영상형성에 있어서 아주 필요로 하는 것인데, 왜냐하면 신호대 잡음비는 대략 자장의 자승에 비례하기 때문이다.

영상형성과 아울러 종종 필요한것은 예컨대, 인대사(phosphorus metabolism)와 같은 것을 조사하기 위해서 작은 부피의 물질성분을 대표하는 스펙트럼을 제공하는 일이다. 그러나, 이를 위해서는 통상 10킬로가우스 이상되는 매우 강한 자장을 형성시키지 않으면 안된다. 그러나 이렇게 강한 자장으로서는 조직의 감쇄현상으로 인해서 영상형성이 불가능하지는 않지만 극히 어렵다. 그러므로 하나의 기계로서 영상을 형성시키고 조직분석을 효과적으로 하기 위해서는 자장의 세기를 일정한 값으로 해서는 안된다.

조직분석을 위해서 단일의 박슬(voxel)을 분리하는 방식은 여러가지로 할수 있다. 그 일례로서 이.알.앤드루(E.R. Andrew)씨의 NMR 영상형상 : 다중 감응점 방법(Nuclear Magnetic Resonance Imaging : The Multiple Sensitive Point Method)"이라는 제하의 논문(핵과학에 관한 전기전자 공학회보(IEEE Transactions on Nuclear Science) 1980년 6월호, 제 NS-27권 1232-1238페이지)을 들수 있다. 이 시스템에서는 시간에 따라서 변하는 서로 다른 주파수의 그래디언트를 세 직교축선방향으로 가한다. 따라서 작은박슬만 제외하고는 모든 부위가 시간에 따라서 변하여 평균 영(0)으로 된다. 그러므로, 최종신호는 단지문제의 박슬에 의한 것으로만 나타나게 된다. 대사표시는 파라미터를 나타내는 미세한 스펙트럼선들을 분리 해내기 위해서는 긴 적분시간이 필요하다.

한가지 유용한 용도로서 NMR 영상형성시스템을 병의 부위를 가려내는데 사용해 작은 부위의 분광분석을 통해서 병의 종류를 알아낼 수 있다. 그러나 이를 위해서는 영상형성 및 분광 분석능력을 모두 갖추어야하며 자장도 변화될 수 있어야 한다.

본 발명의 목적은 저항성 전자석으로 하여금 과도한 전력손실없이 높은 자장으로 동작할 수 있도록 하는데에 있다.

본 발명의 또한 목적은 동일한 장치로 영상형성과 작은 부위의 분광분석을 할수 있도록 하자는데에 있다.

본 발명에 관해서 첨부한 도면을 예로들어 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도는 본 발명에 관한 것으로서, 대상물(10), 보통 인체의 NMR 영상을 형성시키는 것으로 도시하였다. 기본 자장코일은 통상 일련의 솔레노이드로서 비교적 균일한 자장을 형성시키는 것이다. 도면에는 두개의 직렬로 연결시킨 솔레노이드(11,12)가 도시되어 있다. 공지의 시스템에 있어서는 이를 솔레노이드에 직류전원이 공급되는데 이때 전류는 코일자체의 전력손실에 의해서 제한된다.

본 발명에서는 코일을 펄스전원(13)으로 여자시킨다. 시간간격(T)에 대응하는 데이타 포착기간중에 전류는 도시한 바와 같이 "I_peak"로 증가된다. 시간간격(T)이 코일시스템의 열시간상수, 즉 열관성에 비해 적은 한 자석은 그 최종온도에 이르지못하게 된다. 그대신 온도는 그 최대전력입력보다 오히려 평균전력입력에 의존하게 된다. 그러므로 펄스의 듀티 사이클이 비교적 작을수록 그 최대전류(I_peak)와 이로인한 자장은 공지의 경우보다 훨씬 더 높아지게 되므로 3.0-5.0킬로가우스 범위정도의 필요한 자장을 비교적 값싼 시스템으로 얻어낼 수 있게 된다.

NMR 영상형성 시스템들에 관해서는 전기한 "의학용 NMR 영상형성"이라는 책과 아울러 문헌을 보면 잘알수 있으므로 본문에서는 상세하게 설명하지 않을 것이다. 그러나 모든 시스템에 대하여 공통적인 것은 고주파코일(17 및 18)로서 기본자장에 대해서 직각으로 자장을 형성시키는 것으로 핵스핀을 여기시켜 이로인한 신호를 얻어내기 위한 것이다. 데이타 포착장치(l4)는 일반적으로 적당한 시간간격으로 고주파 코일에 대해 신호를 송신하고 그것에 의한 최종적인 신호를 수신하는 역할을 한다. 이 최종적인 신호를 데이타 처리장치(15)로 처리해서 대상물(10)의 특정부위에 관한 영상정보를 얻어내는 것이다. 몇가지 예의 경우에는 수신신호를 푸리에 변환시켜 공간정보를 얻어내 재구성시스템에서 각각의 투영에 이용한다. 이렇게 해서 재생된 영상정보가 표시기(16)상에 나타나게 되는 것이다.

데이타 포착기간(T)은 여러가지 방법으로 정의될 수 있다. 상기한 "의학용 NMR 영상형성"이라는 책에서 기술되어 있는 바와 같이, 대부분의 영상형성시스템에 있어서는 필요한 부위에 관해서 일련의 투영을 얻어낸다. 각 투영은 일련의 고주파 자장 여기펄스 열에의한 핵스핀으로 부터의 신호를 받아서 형성된다. 특정한 용도에 따라서 약 2-5분간의 문제의 부위에대한 총 데이타포착시간에 해당하는 상기 투영 200개 정도를 약 1초의 간격으로 얻어낸다. 몇분간의 상기 총간격이 포착기간(T)에 해당된다. 이 시간간격은 대부분의 사용자석의 열시간 상부보다 작다. 이 몇분간의 간격중에 그 부분에 관해서 모든것을 동시에 얻어내는 멀티플-슬라이스 시스템에 있어서는, 이것이 각 환자에 대해서 걸리는 총시간이 된다. 따라서 환자를 교체하는데 드는 표준시간 그 자체로서 충분히 낮은 듀티사이클을 확실하게 얻을 수 있게 된다. 단일 슬라이스장치에 있어서는 슬라이스간에 충분한 시간이 존재하게되므로 평균전력입력이 낮아져서 과도한 전력손실을 방지할 수 있게 된다.

한가지 다른 방식은 포착기간(T)을 매번의 투여간격과 일치시키는 것이다. 각 투영의 여기 및 수신주기는 10밀리초, 또는 일초 간 반복율의 대략 1%정도된다. 펄스를 바로 이 간격중에 발생시켜 완화간격중에 중단시킴으로써 충분히 낮은 듀티 사이클을 얻을 수 있다. 그러나 이 비교적 짧은 펄스는 분포용량을 감소시켜 자기공명주파수를 증가시키는 권선을 필요로함과 아울러 펄스발생기의 조건을 더욱 까다롭게 만든다.

제1도에 펄스가 발생되어 사라질때까지의 파형을 도시하였는데, 이것은 기본 솔레노이드(11,12)에 과도하게 높은 전압이 걸리지 않게끔 하기 위한 것이다. 각 솔레노이드 걸리는 전압은 다음식,

e=L di/dt+iR

으로서 표시할 수 있는바, 식중 "i"는 순시전류, "L 및 R"은 각각 코일의 인덕턴스 및 저항을 의미한다. 그러므로 최대전압은 과도시의 전류 변화율(di/dt)을 필요이상으로 커지지 못하도록 함으로써 감소된다. 필요한 데이타 포착기간중에만 완전한 펄스가 존재하도록 하는한, 전류펄스의 상승 및 하강시간이 비교적 길어도 문제가 생기지 않는다.

파형에 점선부로 도시한 바와 같이 데이타 포착주기간에 반드시 펄스가 영(0)으로 감소될 필요는 없다. 여러가지 이유에서 바람직하기로는 전류를 제1도에 도시한 바와 같이 최소값(I_min)까지만 감소시키는 것이다. 그러나 그로인한 연속적인 전력손실

)은 자석코일(11,12)의 최대 손실보다 작게 해야 한다. I_mln을 쓰는 한 이유는 안정성 때문이다. 균일성을 깨뜨릴 우려가 있는 자석형상의 칫수변화를 최소화시키기 위해서 "I_mln"을 이용하면 온도변화를 최소로 할수 있으므로 자석의 안정을 보조할 수 있게 된다. "I_mln"을 쓰는 또 한 이유는 영상형성 시간 때문이다. 기본 자장의 부재시에는 자화현상이 사라지게 되므로 조사할 대상을 다시 자화시키기 위해서는 부수적인 시간이 필요하게 된다. 그러나, "I_mln"을 존재시키면 어느정도 최소의 수준으로 자화현상을 확실하게 지속시킬수 있게 된다.

자석을 일정한 안정온도로 동작시키는 또 한가지 방법은 반복적인 펄스파형을 이용하는 것이다. 따라서 제 1도의 펄스(13)를 일정한 간격으로 반복시키는 것이다. 이렇게하면 자석의 전력과 손실을 일정한 평균으로 유지시킬 수 있음과 아울러 "I_peak"에 의해서 바람직하게는 높은 최대 자장도 얻을 수 있다. 종전과 같이 펄스간의 전류는 영(0) 또는 "I_min"으로 될수 있다. 이때 데이타 포착작용시간은 최대 전류기간과 일치되도록 정해진다.

펄스전원사용시 발생될 수도 있는 부정확한 자장의 문제를 최소화하기 위해서 각종의 감시 시스템을 사용할 수 있다. 이 감시시스템으로 자장을 감시하여 정확한 값으로 유지시킨다. 자장이 부정확할 경우에는 자장을 정확하게 유지시키기 위해서 전류를 변화시키거나 이와는 달리 영상시스템에 사용하는 주파수를 그 바뀐 자장에 맞게끔 적절하게 변화시킬 수 있다.

자장의 감시에 관한 좋은 일예로서 1981년도 이엠아이(EMI)사의 고드프리 하운스필드(Godfrey Hounsfield)씨에 의한 "NHR 영상형성 장치(NMR Imaging Apparatus)란 명칭의 영국특허출원 제 GlN2076542호를 들수 있다. 이것에 의하면 대상물의 양쪽에 일조의 코일을 배치하여 어느 한쪽의 문제의 평면상에서 발생된 주파수를 감지해낸 다음, 이 신호를 이용해서 문제의 평면상의 정보를 해독하여 어떠한 일시적인 자장변화를 자동적으로 보정한다는 것이다.

이러한 일반적인 이론에 따라서 다양한 변화가 가능한바, 단지 펄스지속시간(T)을 열시간 상수보다 짧게하고 긴 기간에 걸쳐서 적분한 평균전력을 허용 전력손실 미만으로 유지시키기만 하면 된다. 상기 긴 기간은 열시간 상수보다 길다. 이 방법은 어떠한 데이타 포착 및 처리장치에도 사용될 수 있는바, 특히 "저널오브 매그네틱 레즈넌스(Journal of magnetic Rescnance)" 1978년 제29권 355-373페이지에 실린 피. 맨스필드 및 아이.엘.피케트(P. Mansfield and I. L. Pykett) 제씨의 "생물학 및 의학용 NMR 영상(Biological and Medical Imaging by NMR)"으로 소개된 에코 플레이너 시스템과 같은 짧은 데이타포착 기간을 포함하는 시스템에 적합하다.

상술한 바와 같이, 동일한 장치로서 작은 체적의 영상형성과 분광분석을 모두 할 수 있도록 하는 것이 바람직하나 지금까지 불가능했던 이유는 시스템에 이용하는 기본자장을 일정하게 하였기 때문이다. 또한 초전도성 자석은 변화시킬 수가 없다.

제1도에서, 상술한 바와 같이 영상을 형성시키기 위해서 시스템을 동작시키면 "I_peak"에 의해서 영상형성에 알맞는 약 3-5킬로가우스의 기본 자장이 형성된다. 이 보다 높은 자장은 감쇄작용과 아울러 결과적으로 영상의 질을 떨어뜨리는 결과를 초래한다. 이렇게해서 형성된 영상을 분석해서 병소를 찾아낸다. 이 병소의 본질을 파악하기 위해서는 "I_peak"를 증가시켜 10-20킬로가우스의 자장을 형성시키는데, 물론 이때에도 손실되는 평균전력을 일정한 범위내로 유지시켜야 함과 아울러 지속시간(T)을 자석의 열시간 상수 미만으로 해야한다. 이 시간동안에 전술한 바와 같이 그래디언트 코일(도시않했음)을 교류신호와 바이어스로 함께 여자시켜 병소부위만 시간에 따라 변하지않게해 출력신호를 발생시키도록 한다. 이 신호를 데이타 처리장치(l5)에 의해서 푸리에 변환시켜 그 스펙트럼이 표시기(16)상에 표시되도록 한다. 이 스펙트럼에 의해서 병소의 본질을 파악할 수 있는바, 예컨대 악성종양과 양성종양을 구별해 낼수 있게 된다.

Claims (8)

1. 신체의 임의 부위의 핵자기영상을 형성시키기 위한 장치로서, 영상시스템의 기본자장을 형성하며 인체를 둘러싸기에 충분히 큰 전자석과, 그래디언트 자장을 가하기 위한 수단과, NMR 영상데이타 포착수단과, 영상을 형성시키기 위한 MNR 영상데이타 처리수단, 그리고 여기 및 수신 기간을 포함한 영상데이타 포착기간에는 전자석의 열시간 상수 보다 짧은 시간동안 기본 자장의 진폭을 증가시키고 영상데이타를 포착하지 않을 때는 기본 자장의 진폭을 감소시켜 신호대 잡음비를 개선하는 기본 자장의 진폭을 제어하는 수단을 포함하는 기본 자장을 펄스식으로 한 핵자기공명 영상 형성장치.
2. 제1항에 있어서, 영상테이타를 포착하지 않을 때는 기본 자장의 발생이 중단되도록 하는 것을 특징으로 하는 기본 자장을 펄스식으로 한 핵자기공명 영상 형성장치.
3. 제1항에 있어서, 영상데이타를 포착하지 않을 때는 기본 자장이 전자석의 허용 최대 전력손실 보다 작은 평균 전력손실을 초래하는 값으로 감소되는 것을 특징으로 하는 기본 자장을 펄스식으로 한 핵자기공명 영상 형성장치.
4. 제1항에 있어서, 기본 자장이 증가된 레벨로 존재하는 시간은 임의 부위에 대한 모든 데이타를 수집하는데 요하는 시간과 일치하는 것을 특징으로 하는 기본 자장을 펄스식으로 한 핵자기공명 영상 형성장치.
5. 제1항에 있어서, 기본 자장이 증가된 레벨로 존재하는 시간은 여기 및 수신기간을 포함한 하나의 투영기간에 대한 데이타를 얻어내는 시간과 일치하는 것을 특징으로 하는 기본 자장을 펄스식으로 한 핵자기공명 영상 형성장치.
6. 제1항에 있어서, 증가 및 감소하는 자장의 변화속도는 전자석에 과도한 전압이 걸려서 브레이크 다운이 발생되는 현상이 방지되는 값으로 제한되는 것을 특징으로 하는 기본 자장을 펄스식으로 한 핵자기공명 영상 형성장치.
7. 제1항에 있어서, 영상데이타를 수집하는데 사용되는 값보다 더 높은 값으로 자장을 증가시키는 수단과, 영상화될 임의 부위 보다 사실상 작은 일부 부위로부터 NMR 데이타를 얻어내는 수단, 그리고 상기 일부 부위로부터의 NMR 데이타를 분광분석하여 상기 일부 부위의 특성을 나타내는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 기본 자장을 펄스식으로 한 핵자기공명 영상 형성장치.
8. 제1항에 있어서, 기본 자장의 진폭을 제어하는 수단은 일정한 반복율로 주기적으로 자장을 증가시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 기본 자장을 펄스식으로 한 핵자기공명 영상 형성장치.

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