KR910005916B1 - 다수의 표면 코일을 구비한 핵자기공명(nmr)결상 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

[발명의 명칭]

다수의 표면 코일을 구비한 핵자기공명(NMR)결상 방법 및 장치

[도면의 간단한 설명]

제1a도 및 제1b도는 각각 단일 원형 표면 코일의 개략적 평면도 및 표면 코일 감도(s)대 그 주파수(f) 응답곡선에 대한 그래프이다.

제1c도 및 제1d도는 각각 한쌍의 결합된 원형 표면 코일의 평면도 및 감도(s)대 그 주파수(f) 응답곡선에 대한 그래프이다.

제2a도 및 제2b도는 각각 실질적으로 서로에 대한 상호작용을 최소로 하도록 위치된 원형 및 사각형의 표면 코일쌍을 나타낸 평면도이다.

제3도는 형성된 배열에서 임의의 2개의 인접 표면 코일의 결합을 최소화하기 위하여 그 2차원적 배치 방법을 설명하는 다수의 원형 표면 코일의 평면도이다.

제4a도는 4개의 대체로 사각형인 중첩된 표면 코일 및 이들과 함께 사용하기 위한 동수의 전치증폭기의 배열을 나타낸 개략적 블록도이다.

제4b도는 본 발명의 원리에 따라 그 다중배열에서 사용되는, 그리고 몇 개의 차원 및 다른 특징들을 설명하는 사각형 표면 코일의 평면도이다.

제5도는 본 발명의 원리를 이해하는데 유용한, 제4a도의 표면 코일들중 하나와 같이 사용되는 전치증폭기와 함께 한쌍의 표면 코일간의 결합을 설명하는 개략도이다.

제6도는 상관집 잡음을 계산할 목적으로 다수의 표면 코일을 상호 결합하는 방식을 설명하는 개략도이다.

제7도 및 제8도는 각각 적어도 하나의 표면 코일의 여러 가지 구성의 세트를 나타낸 도면 및 감도(s) 대 주파수(f) 응답곡선의 관계를 보인 그래프이다.

제9a도 및 제9b도는 표면 코일을 관련 전치증폭기에 결합하는 여러 가지 방법을 보인 개략도이다.

제10도는 결상을 위하여 다수의 표면 코일 배열의 출력을 NMR 레시버의 직각위상 입력에 연결하는 장치에 대한 개략적 블록도이다.

제11도는 본 발명에 따른 핵자기 공명(NMR) 신호포착장치의 투시도이다.

제12도는 제11도의 장치의 일부를 형성하는 PREDAMP 회로에 대한 개략도이다.

제13도는 제11도의 PREDAMP 회로에 대한 다른 구성을 보인 개략도이다.

[발명의 상세한 설명]

[발명의 배경]

본 발명은, 핵자기공명(NMR) 결상에 관한 것으로, 특히 밀접하게 위치된 다수의 무선주파수(RF)코일 각각으로부터 실질적으로 이들 사이의 상호작용을 감소시키면서, 서로 다른 NMR 응답신호를 동시에 수신하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

최근 NMR 결상 시스템은 결상되어야 할 샘플(예를 들면 인간 환자) 전체를 둘러싸는 레시버 코일을 사용한다. 이 ＂리모트 코일＂은 개개의 스핀에 대한 감도가 결상될 전체영역에 걸쳐 첫 번째 근사치에 대해 실질적으로 일정하게되는 장점을 갖는다. 비록 이 균일성이 리모트 코일의 직접적인 특성은 아니지만 실질적으로 대부분의 최근 재건 기술에 있어서 코일감도가 일정하다고 가정할 만큼 충분히 일정하다. 이들은 그 크기가 방대하기 때문에 이 리모트 코일은 두가지의 단점을 갖는다. 그 하나는 개개의 스핀에 대한 상대성 무감각이고 두 번째는 비교적 큰 인덕턴스로 인하여 자기 공명주파수가 낮다는 것이다. 표면 코일은 그 영역내에서 개개의 스핀에 대하여 균일한 감도를 갖지 않은 것으로 알려져 있으며, 표면 코일을 사용하여 형성된 상은 그러한 이질성에 대한 추가적인 보상을 필요로 한다. 그러나 표면코일을 기하학적인 면에서 리모트 코일보다 훨씬 작게 만들 수 있고, 의학적인 진단시에는 환자의 신체 표면상에서 또는 그 근처에서 사용할 수도 있다. 이것은 전반적은 해부단면보다는 신체의 작은 부분을 결상하고자 하는 경우에 특히 중요하다. 표면 코일 수납소자는 관심부분(spin of interest)에 더 밀접하게 위치될 수 있으므로, 주어진 스핀은 리모트 코일보다는 표면 코일의 주어진 라모어 회전수에서 더 큰 EMF를 발생한다. 표면 코일을 사용하면 원하는 신호를 최대화하면서도 대응 리모트 코일에 대해 신체의 전기 손실로부터 일어나는 잡음을 또한 감소시킬 수 있다.

따라서 NMR 결상 시스템은 국지적 고 해상도 결상을 위하여 전형적으로 작은 표면 코일을 사용한다.

직경 D인 하나의 표면 코일은 무한한 도전성 반 공간 내에서 깊이가 약 D인 체적에 대하여 가능한 최고의 신호대 잡음비(SNR)를 제공한다. 그러나, 하나의 표면 코일은 그 영역을 표면 코일의 직경(D)에 필적하는 측면 크기를 가지고 효과적으로 결상할 수 있을 뿐이다. 그러므로 표면 코일을 사용하면 필요에 따라 시야를 제한하고 필연적으로 해상도와 시야 사이의 평균(trade-off)을 유도한다. 표면 코일의 SNRDP 대한 기본적인 제한 사항은 그 고유의 신호대 잡음비가 되며, 여기에서 잡음저항은 무선주파수(RF) 수신 코일에 의하여 샘플(예를들면, 의학적 NMR 결상 상태에 있는 화자)에서 유기되는 전류에 영향을 줄 수 있다. 더 큰 코일은 더 큰 환자 샘플 손실을 초래하여 잡음 저항이 더 커지며, 더 작은 코일은 잡음저항이 더 낮지만 시야를 더 작은 영역으로 제한한다.

시야를 중첩하면서 배열된 1세트의 표면 코일을 제공함으로서 시야를 확장하는 것이 크게 요망되어 오고 있다. 그러나, 동시에, 모든 가능한 경우 하나의 표면 코일에 대하여 높은 SNR을 유지하는 것이 요망되고 있으며, 이것은 코일간의 상호작용이 완화되는 것을 필요로 한다, 특히 2 또는 2 이상의 코일로부터 동시에 신호를 얻을 경우, 각 코일에서의 잡음 전압이 가능한 한 비상관적으로 되어야 한다는 것은 중요하다. 코일에 공통잡음원을 공유하면 어떤 피할 수 없는 잡음 상관성이 불필요하게 될 수도 있다. 또한 배열되어 있는 다수의 표면 코일 각각의 부분영상 데이터로부터 하나의 최적영상을 구성할 수 있는 것이 강하게 요망되고 있으며, 상기 하나의 최적 영상은 합성된 하나의 영상의 각 화소(pixel)에서 신호대 잡음비를 최대로 한다.

[발명의 개요]

본 발명에 따르면, 밀접하게 위치된 다수의 표면 코일 각각으로부터 서로 다른 NMR 응답신호를 동시에 수신하는 방법은 각각 모든 인접 표면 코일과의 실질적인 상호관계를 갖지 않도록 위치된 다수의 표면 코일 배열을 제공한다. 서로 다른 NMR 응답신호는 배열에 의하여 한정된 영상체적내에 봉합된 샘플의 관련부분으로부터 표면 코일중 서로 다른 코일 각각에서 수신된다. 서로 다른 NMR 응답신호는 샘플의 다수의 NMR 영상중 다른 하나를 구성하기 위해 사용되고, RM 다음 상기 다수의 다른 영상들은 한 항목씩 결합되어 NMR 응답신호 기여가 표면 코일 배열의 어떤 것에 의하여 수신되는 전체 샘플부분의 하나의 합성 NMR 영상을 만든다

본 발명의 양호한 실시예에서는 각 표면 코일의 유사한 다수의 저입력 임피던스 전치증폭기들 중의 관련된 증폭기의 입력에 연결되며, 상기 전치증폭기는 어떤 표면 코일과 그 코일에 가까이 인접되지 않은 다른 표면 코일간의 상호작용을 최소화한다. 어떤 기하, 예를들면, 원형이나 사각형등의 표면 코일도 사용될 수 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 동시 수신용으로 구성된 다수의 표면 코일 안테나를 사용하는 새로운 NMR 결상 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또하나의 목적은 동시 수신용으로 구성된 다수의 표면 코일 안테나를 사용하는 NMR 픽업 결상장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 핵자기공명(NMR) 신호 포착장치는 제1코일과 제1정합수단 및 제1전치증폭기로 구성된다. 제1코일은 전원 임피던스(R_S)응 갖는다. 제1전치증폭기는 최적 전원 임피던스(R_opt) 및 입력 인피던스(R_in)를 가지며, 여기에서 R_in은 R_opt보다 적다. 제1정합수단은 제1코일을 제1전치증폭기에 연결하여 제1ㅋ일의 전원 임피던스(R_s)가 제1정합수단과 제1전치 증폭기 사이의 접속점에서의 최적 전원 임피던스(R_opt)와 거의 같도록 정합수단에 의하여 변환되게 한다. 동시에 제1전치 증폭에의 저입력 임피던스는 제1정합수단과 제1코일 사이의 접속점에서의 최적 전원 임피던스(R_opt)보다 더 높은 값이 되도록 제1정합수단에 의하여 변환된다.

본 발명의 하나의 목적은 공명 NMR 레시버 코일에서 순환하는 잡음전류의 제방사를 감소시키는 것이다. 그러나 감소가 없으면 하나의 코일에서의 잡음은 시스템의 다른 코일에 결합될 수 있으며, 이로서 시스템의 잡음 성능이 감소한다. 본 발명에 있어서, 제1정합수단은 전치증폭기 입력 임피던스(R_in)의 변환된 값인 제1코일을 가로질러 연결된 임피던스를 제공한다. 그 임피던스는 최적 전원 임피던스(R_opt)보다 필요에 따라 더 높은 값이며, 이로서 제1코일에서의 순환전류 특히 잡음 전류는 감소된다.

본 발명의 하나의 양상은 제1전치증폭기의 입력 임피던스 자체가 제1코일에 주어진 임피던스의 조작에 관여한다는 것이다. 그러므로 제1코일에서 잡음전류를 감소시키면서 동시에 최적의 잡음 성능을 유지할 수가 있는 것이다. 제1정합 수단은 NMR 신호 주파수의 파장의 약 1/4에 해당하는 길이를 갖는 전송선 세그멘트를 구비한다. 전원 임피던스(R_s)를 최적 전원 임피던스(R_opt)에 정합시키기 위하여 1/4파장 전송선 세그멘트는 다음 식에 의하여 결정되는 특성 임피던스(Z_o)를 가질 수 있다.

발명의 또하나의 양상에 있어서, 전치증폭기는 NMR 신호 주파수에서 전치 증폭기의 입력 임피던스 설정을 위한 인덕터-캐패시터(L-C)망을 포함한 입력 스테이지를 구비한다. 최적 전원 임피던스(R_opt)대 입력 임피던스(R_in)의 비는 20이상일 수 있다.

발명의 또 하나의 목적은 NMR 신호 포착의 전송단계중에 좌우되는 대 전압의 클램핑에 대비하는 것이다. 본 발명의 장치는 제1정합수단과 제1전치 증폭기 사이에 배치된 적어도 하나의 반파장 전송선 세그멘트 및, 상기 반파장 전송선 세그멘트의 적어도 한 끝에 부착된 클램핑 수단을 구비할 수 있다. 클램핑 수단은 소망하는 감소를 제공한다. 반파장 전송선 세그멘트는 잡은 감소를 목적으로 최적의 정합 효율을 유지하기 위해 최적 전원 임피던스(R_opt)와 거의 같은 특성 임피던스를 갖는다.

본 발명의 다른 하나의 목적은 다중영상을 동시 포착하기 위한 코일 배열을 제공하는 것이다. 이 경우에 각 코일은 전술한 본 발명에 따른 것과 유사한 전치증폭기 및 정합수단에 연결된다. 그 다음, 배열내의 모든 코일은 관련 코일에 대한 각각의 정합수단에 의하여 나타난 고 임피던스에 기인하여 잡음 전류가 감소되며, 코일간의 잡은 결합은 결국 감소된다.

본 발명의 이러한 목적 및 다른 목적들은 첨부 도면을 참조하여 이하의 상세한 설명을 읽어봄으로써 명료해질 것이다.

먼저, 제1a도 및 제1b도를 참조하면, 표면 코일(10)은 제1단(10a)에서 제2단(10b)으로 연장되고, 중심(10c) 주위로 반경이 r인 대체로 원형을 구성한다. 도전성 코일소자(10d)는 다수의 임피던스 소자(10x), 여기에서는 전기 캐패시턴스(10x₁~10x₄)와 직렬 연결된다. 넓은 주파수 스펙트럼에 걸쳐 실질적으로 일정한 진폭을 갖는 무선 주파수(RF)에너지가 표면 코일(10)에 가해지면, 코일단(10a, 10b) 사이에 제공된 수신에너지 신호의 진폭은 감도(s)대 주파수(f) 응답곡선(11)을 가지며, 표면 코일(10)의 자기공명 주파수(f₀)에서 감도 최고치를 갖는다.

이제 제1c도 및 제1d도를 참조하면, 제1표면 코일(10-1)은 표면 코일 도체(10-1d, 10-2d)사이에 유도 결합정도(M)을 가지면서 제2표면 코일(10-2) 부근에 위치될 수 있다. 단일 코일의 단순 공명은 두 코일의 두 공명형식으로 변화되는데 그 하나의 형식은 동일 방향으로 진행하는 두 코일의 전류에 대응하고, 다른 형식은 반대방향으로 진행하는 전류에 대응한다. 이러한 형식의 공명주파수들은 본래의 공명으로부터 분리되는데, 하나의 공명주파수는 본래의 공명위에 있고, 다른 하나는 그 아래에 있으며, 응답곡선은 ＂이중융기＂의 모양으로 표시된다. 이 시프트 감도(s)대 주파수(f) 응답곡선(12)에서 나타나며, 제1정점(12a)은 자기공명주파수(f_o) 아래에서 나타나고, 제2정점(12b)은 자기공명주파수(f_o)위에서 나타난다. 최소골(12c)은 자기공명주파수(f_o)에서 나타난다. 정점(12a, 12b)의 정상적인 진폭은 하나의 표면 코일 정점의 정상적인 유니트 진폭보다 적다. 정점(12a)-정점(12b) 이격(

f)뿐만 아니라 오프 공명 정점(12a, 12b)의 진폭에 관하여 골(12c)의 깊이(T)는 적어도 부분적으로는 유도성 결합(M)에 의존하고, 이로서 코일중심(10-1c, 10-2c)간 거리(Dc)에 의존한다.

이제 제2a도 및 제2b도를 참조하면, 일차원 배열에서 한쌍의 인접된 코일들의 중심간의 코일에서 코일까지의 이격거리(D_s)는 상호 유도 결합(M)이 최소화되도록 나타날 수 있다. 실질적으로 반경이 동일한(r=r') 한쌍의 원형 표면 코일(10-1, 10-2)에 대하여 이격거리(D_s)는 약 0.75d 또는 D_s=1.5r(제2a도)이다.

표면 코일들은 비원형일 수도 있으며, 한쌍의 비원형 코일(10'-1, 10'-2)은 측면길이가 s'인 사각형일 수 있다. 상호 인덕턴스(M)를 최소화하기 위하여 제1사각형 코일의 중심(10'-1c)은 코일에서 코일까지의 이격거리(L)가 약 0.9s'가 되도록 인접사각형 코일의 중심(10'-2c)에서 이격된다. 상호 인덕턴스는 실제로 제로로 감소될 수 있고, 이로서 인접코일들간의 상호결합 및 가장 가까운 표면 코일의 공명 분할의 문제는 제거되어지지만, 각각의 실제 코일에 있어서의 경미한 결함 때문에 상기 공식으로부터 대략적인 중첩만을 계산할 수 있으며, 정확한 중첩의 크기는 경험적으로 결정될 수 밖에 없음을 알아야 한다. 또한 코일 끝간의 갭, 예를들면, 코일(10'-1)의 끝(10'-1b)간의 갭이 있기 때문에 간격 및 위치 결정에 있어서의 추가적인 경미한 차이가 요구될 수 있으며, 또 갭이 제1 및 제2위치, 예를 들면 제2a도와 같이 양측위치로부터 제2b도에서의 동일측 위치로 변화되면 이격거리(L)(또는 원형 코일에 대한 거리(D_s))의 경험적인 정밀조정이 요구될 수 있음을 알아야 한다.

이제 제3도를 참조하면, 일차원 배열에 있는 한쌍의 인접 표면 코일간의 선형 이격에 적용된 규칙은 이차원 배열의 일부를 형성하는 다수의 인접 표면 코일의 중심에서 중심까지의 거리(D')에 또한 적용될 수 있다. 여기에서 3개의 상호 인접한 원형 표면 코일들(10-1, 10-2, 10-3)은 그들의 중심(10-1c, 10-2c, 10-3c)의 한변의 길이 D'인 등변 삼각형의 다른 꼭지점에 각각 위치되도록 배열되며, 이격거리(D')는 표면코일의 각 반경의 약 1.5배이다. 유사하게 3개의 상호 인접한 원형 표면 코일들(10-1, 10-2, 10-4)은 한변의 길이가 D인 등변 삼각형의 다른 꼭지점에서 각각 그들의 중심(10-1c, 10-2c, 10-4c)을 갖는다. 배열의 가상부분(phantom portion)을 형성하는 2점 쇄선의 원으로 나타낸 바와 같이, 추가적인 원형 표면 코일들이 부가될 수 있다. 각각의 부가된 코일은 그 중심이 배열의 실제 또는 가상 표면 코일의 중심들로 형성되는 다른 등변 삼각형의 꼭지점에 위치된다.

표면 코일들의 3차원적 배열은 피라미드형, 입방체형등의 부분집합으로 또한 사용될 수 있으며, 또한 샘플체를 배열＂표면＂에 의해 봉입된 체적내에 봉입하기 위하여 3차원 물체(예를들면 인간 해부체등의 일부)위에서 적어도 하나의 2차원 시트 배열을 감싸므로써 얻어질 수도 있다.

코일(10-3)과 상호작용하는 코일(10-4)등 다음 것에서 가장 가까운 근처의 코일들 또는 더 멀리 떨어진 코일과 상호작용하는 코일들 사이의 상호작용은 각각의 표면 코일의 출력을 비교적 낮은 입력 임피던스(대표적으로는 10오옴 이하)를 갖는 전치증폭기에 연결함으로써 무시할 수 있을 정도로 감소될 수 있다. 이 코일 배열-전치증폭기 세트 결합은 제4a도에 도시되어 있으며, 여기에서 4개의 코일로 구성된 하나의 배열(10＂), 특히 인간 척추 결상용 전신체 NMR 결상기에 사용되는 배열은 제1내지 제4a의 사각형 표면 코일(10＂-1∼10＂-4)을 구비하며, 이들 각각은 측면길이가 s＂, 인접코일(들)과 상호 결합하는 상호작용을 제거하기 위한 중첩거리가 약 0.1s＂이다. 각 표면 코일들의 끝(10＂-ia, 10＂-ib(1≤i≤4))은 동수의 저임피던스 RF 전치증폭기 수단(14)들중의 하나의 관련 입력단(14-ia, 14-ib)에 연결된다. 따라서, 제1표면 코일의 반대측 끝(10＂-ia, 10＂-ib)은 각각 제1전치증폭기(14-1) 각 입력단 (14-1a, 14-1b)에 연결되며, 제1전치증폭기(14-1)는 출력단(14-1c)에서 제1의 전치증폭된 표면 코일 신호를 제공한다. 제2표면 코일(10＂-2)은 제2의 전치증폭기수단(14-2)의 각 입력단(14-1a, 14-1b)에 연결되며, 제1전치 증폭기(14-1)는 출력단(14-1c)에서 제 1의 전치증폭된 표면 코일 신호를 제공한다. 제2표면 코일(10＂-2)은 제2의 전치증폭기수단(14-2)의 각 입력단(14-2a,14-2b)에 각각 연결된 제1 및 제2의 단자(10＂-2a, 10＂-2b)를 가지며, 상기 전치증폭기 수단(14-2)은 출력단(14-2c)에서 제2의 전치증폭된 표면코일 신호를 발생한다. 제3의 표면 코일(10＂-3)은 제3의 전치증폭기수단(14-3)의 각 입력단(14-3a, 14-3b)에 각각 연결된 제1 및 제2단자(10＂-3a, 10＂-3b)를 가지며, 상기 전치증폭기수단(14-3)은 출력단(14-3c)에서 제3의 전치증폭된 표면 코일 신호를 발생한다. 제4의 표면 코일(10＂-4)은 제4의 전치증폭기 수단(14-4)의 각 입력단(14-4a, 14-4b)에 각각 연결된 제1 및 제2단자(10＂-4a, 10＂-4b)를 가지며, 상기 전치증폭기 수단(14-4)은 출력단(14-4c)에서 제4의 전치증폭된 표면 코일 신호를 발생한다.

표면 코일들(10＂-1 내지 10＂-4) 각각은, 제4b도에서 포면 코일(10＂-i)로 나타낸 바와 같이, 폭 W(이 예에서는 약 0.5인치)의 도전성 테이프로 내부 간격 L(이예에서는 약 4.25인치)이 되도록 제조될 수 있으며, 여기에서 중간부에 중간부까지의 거리(s＂)는 약 4.5인치이다. 각 레그는 한 묶음으로 된 캐패시턴스 소자에 의하여 거의 그 중간 지점에서 분리된다. 코일 접속을 위하여 분리도지 않은 3개의 레그에 있어서, 이들 묶음으로 된 캐패시턴스 소자들(10＂×1 10＂×2, 10＂×3)은 실질적으로 같은 용량값(C_a)(약 1,5 테슬라의 정자계(B₀)룰 갖춘 시스템에서 1H 결상을 위해 사용되는 코일에 대하며 91pF이고 라모어 또는 공명주파수(f_o)는 약 63.9MHz을 갖는다. 단부 접속(10＂a, 10＂b)을 갖는 표면 코일 측면은 다른 용량값(C_b)(dir 150pF)의 단자 연결 캐패시턴스 소자(10＂×4)와 제3의 값(C_c)(약 300pF)의 측면 캐패시턴스소자(10＂×5)를 가진다.

이제 제5도를 참조하면, 변압기(16)의 1차권선(16p) 및 2차권선(16s)이 되는 2개의 표면 코일을 고려함으로서 저입력 임피더스 전치증폭기를 다음의 가장 가까운 근처의 표면 코일에 접속하는 표과를 분석할 수 있다. 권선(16p, 16s)사이에는 결합계수(k)가 존재한다. 1차권선 및 2차권선은 모두 동일 인덕턴스(L)를 가지며 상호결합 M=kL인 것으로 생각된다. 두 권선의 잔류저항(R_p또는 R_s)은 실질적으로 비슷하여 R_p=R_s=R₁이다. 제1표면 코일(직렬 캐패시턴스 C₁및 직렬저항 R₁을 가진 인덕턴스 L의 권선(16p))은 전원(17)에 의하여 구동되며, 우리는 그 전원을 제거하고(a) 전원단자(17a, 17b) 양단에서 본 임피던스가 실질 적으로 변경되는지의 여부 및 (b) 추가적인 분산 및 잡음이 제2표면 코일(권선(16s), 다른 저항(R_s) 및 표면코일 캐패시터쌍(C2a, C2b)으로 표시됨) 의 존재에 의하여 유지되는지의 여부를 결정할 수 있다. 제 2 표면 코일이 없으면 1차 루프의 임피던스는 간단히 R₁=R_p가 된다. 제 2의 표면 코일이 부가되면 단자(17a-17b)간의 임피던스(Z_A)는 다음과 같다.

Z_{A =}R₁ω²M²/Z_S(1)

여기에서 Z_S는 2차 표면 코일루프의 직렬 임피던스이다. 2차 루프는 복수의 캐패시터로 동조되는데 캐패시터 C2a 와 C2b로 감소될 수 있다. 저 임피던스 전치증폭기(14)의 입력 임피던스(R_p)는 제2루프 출력 캐패시턴스(C2b)의 야단에 병렬 접속된다. 일반적으로 이 출력 캐패시턴스는 네트 코일 시리즈 캐패시턴스(C2a)보다 훨씬 크며, 따라서, 캐패시턴스 관계를 C2b=(N-1). C2a로 정할 수 있다. 그러므로, 2차 표면 코일 회로의 네트 시리즈 캐패시턴스는 약 C2b/N이다. 17a와 17b 사이의 정확한 임피던스(Z_A)는 다음과 같이 계산된다.

Z_A=R₁[1+K²Q²/1+[Q/N](X_C/R_p-jX_C)))] (2)

여기에서 1차 및 2차회로 각각의 저항은 약 R₁이고, 회로 특성인자 Q=L/R₁이며 X_C는캐패시터(C2b)의 저항값이다.

여기에서 2개의 제한 사항을 살펴보는 것이 유용하다. 첫번째 제한은 전치증폭기가 캐패시터(C2b)에 부착되지 않고 제2루프가 공명일 경우에 발생하며, 이때 전치증폭기의 임피던스(R_p)는 무한대고 되고,

Z_A=R₁(1+K²Q²) (3)

이 된다. 여기서 k값이 작더라도 특성인자(Q)는 커질 수 있으며, (3)식에서 k²Q²항은 중요하다. 두 번째 제한에서, 전치증폭기 입력 임피던스 R_p=0이고 식 (2)는

Z_a=R₁(1-jk²QN) (4)

으로 된다. 식(3)과 (4)를 비교하면, 제1루프에서 제2루프 임피던스 효과는 공명하는 제2루프와 비교하였을 때 전치증폭기의 입력 임피던스를 제로로 함으로서, 실질적으로 1보다 큰 Q/N의 인자만큼 감소될 수 있다. 반사 임피던스는 이제 허수가 되며 1차 루프에서 명백한 추가 손실 대신에, 최악의 경우에도, 제1루프 주파수 시프트를 발생한다. 실상황을 분석하기 위해, 제4a도에 도시한 사각형 코일(64MHz에서 4코일 척추결상 배열에 사용됨)은 N=6.45, X_c=16.6오옴, Q=261무부하 및 Q=24 부하의 파라메터를 갖는다. 다음의 표는 전치 증폭기가 2차 표면 코일 단자 양단에 위치될때에 2차 표면 코일로부터 1차 표면 코일로 반사된 임피던스에 대한 값을 포함한다. 표 엔트리는 공명하는 1차 표면 코일만이 존재할 경우에 정상적으로 알게되는 손실저항(R1)에 대하여 1차 코일단자(17a/17b)에서 보여지는, 전체 임피던스(Z_A)의 비율의 항으로 주어진다. 따라서, 임피던스 비는 실수성분과 허수성분을 갖는다. 1차 표면 코일에서의 저항, 즉 잡음전력이 제2코일의 존재에 의하여 7%만큼 증가되었음을 나타내는, 예를 들면, (2차 코일에 부착된 10오옴 전치증폭기를 가진 무부하 코일에 대하여) 1.07의 잡음, 즉, 비율이 상대적으로 증가하는 것을 나타내는 것은 실수성분이다. 그러므로, 시스템 잡음 수치는 비교적 작은 양인 약 0.3db만큰 증가된다. 무부하 코일의 예에서는 전치증폭기가 제2의 표면 코일에 접속되지 않을 경우에도 잡음의 큰 증가가 없음을 알 수 있다.

50오옴의 입력 임피던스를 가진 전치증폭기가 설치된 경우 또는 전치증폭기가 없는 경우 무부하 표면 코일에 대하여 단지 중대한 효과가 발생한다. 임피던스의 허수부는 공명 주파수의 작은 시프트에 대응하며, 이것은 대부분의 시리즈 손실 저항(R1)의 10%에 불과한 값(R1/10)을 갖는 모든 허수부 임피던스 비율과 마찬가지로 그다지 중요치 않게 여겨지며, 따라서 전체 주파수 시프트를 공명폭의 0.1 이하로 제한해야 한다.

[표 1]

Z_A/R1의 표

for k=0.007, X_C=15.4, N=6.45 일 때

우리는 또한 리모트 코일에서 흐르는 전류에 기인하여 관련 코일에서 발생된 전류의 크기를 계산하였다.

제1 및 제2코일의 전압 때문에 제1코일에서의 전류는 다음과 같다.

I1 = (-jωMV2-V1Z2)/Z1Z2+ω²M²) (5)

여기서 V₁은 제1표면 코일 전압이고, Z₁및 Z₂는 각각 제 1 및 제 2 표면 코일 임피던스이다. 전압 1에 의하여 발생된 전류에 대한 제 2코일 전압 2에 의하여 발생된 코일 1에서의 전류의 비는 다음과 같다.

I1(2)I1(1) = (jωM/Z2)(V2/V1) = (jωLk/Z2)(V2/V1) (6)

제2표면 코일 임피던스를 대입하면 다음과 같다.

I1(2)I1(1) = (V2/V1)(jkQ) / (1+Q/N)[jX_C/X_C+jR_p)] (7)

용량성 리액턴스(X_C)보다 작거나 같은 전치증폭기 입력 임피던스(R_p)에 대해서는

I1(2)I1(1) = kN[(X_C+jR_p)/X_C](V2/V1) (8a)

또는

I1(2)I1(1) = kN[1+(jR_p)/X_C](V2/V1) (8b)

k=0.007, N=6.45라고 하면,

I1(2)I1(1) = 0.045 (9)

가 된다. 따라서 표면 코일(1)에 나타나는 신호는 표면 코일(2)의 신호 때문에 표면 코일(2)의 신호에 대하여 22의 인자만큼 감소된다. 즉 표면 코일(2) 신호는 표면 코일(2)의 강도보다 더 낮은 표면 코일(1) 강도의 22배 이상이 된다.

다수(N)의 표면 코일 배열의 중첩 시야로부터 단일합성영상의 구성이 매우 요망되더라도, 다수의 표면 코일 각각으로부터의 개개의 영상은 유용하다. 양호하게 구성되었으면, 그러한 합성영상은 직각 성분을 포함하고 가능한 최대의 신호대 잡음비(SNR)를 갖는다. 인접 코일의 상호 인덕턴스를 실질적으로 제거하기 위하여 필요한 코일 중첩량은 또한 중요한 시야 중첩을 만들어내는 중첩량에 해당하는 크기이고 이는 단일 합성 영상이 최소의 SNR 변동을 갖도록 구성되게 한다. 일단 실현되면, 증가된 SNR은 여러 가지의 표면 코일로부터의 영상이 표면 코일간의 상관 및 비상관 잡은 뿐만아니라 모든 표면 코일의 자계에 대한 자세한 지식을 활용하여 한 지점씩 결합되는 것을 요구한다. 단일 코일의 일반적인 감도는 주어진 전류에 대해 코일이 어떤 지점에서 발생하는 횡자계에 비례한다. 즉, 코일 잡은 전압은 코일 단자 저항의 제곱근에 비례한다. 점(x, y, z)에 위치하는 체적요소(voxel)에서의 SNR은

SNR=ωMVB_t(x, y, z)/(4KTR)^1/2(10)

이 되며, 여기에서 B_t(x, y, z)는 표면 코일에 단위전류가 흐를 때 점(x, y, z)에서 표면 코일에 의하여 발생된 횡자계, M은 단위 체적당 자화량, V는 voxel 체적, ω는 공명 주파수, R은 잡은 저항(R_n)이다. 상기 잡음저항(R_n)은 오오믹 손실에 대해 평균시간 간격의 항목으로 다음과 같이 표시될 수 있다.

여기에서

는 코일에서의 단위 전류에 대하여 샘플에서의 유기된 전류밀도이고 δ는 샘플 도전율이다. 유기된 전류가 전계의 항목으로 표시되면 잡음 저항(R_n)은 다음과 같다.

여기에서

는 표면 코일에서의 단위 전류에 대하여 발생된 전계를 나타낸다.

제6도에 도시된 바와 같이 배열(20)의 다수(N)의 표면 코일(20-1 내지 20-n)은 같은 수(N)의 위상시프트 장치(21)에 의하여 위상시프트된 출력전압들을 가질 수 있으며, 같은 수(N)의 변압기(22)에 의해 선형 결합되어 배열단자(20a, 20b)사이에서 단일 출력(Vout)을 형성한다. 이상형의 무손실 변압기로 간주하는 변압기 각각은 i번째(여기에서 1≤i≤N) 변압기(22-i)에 대하여 1 : n₁의 권수비를 갖는다. 각 코일은 다음식으로 주어지는 순간 출력 전압 V₁(t)를 갖는다.

여기에서 Q₁은 실험실의 어떤 고정된 기준치로부터 측정된 RF 자계의 각도이고 Ψ_m은 회전 중심의 임의 위상이다. 어떤 점(x, y, z)에서 자화때문에 표면 코일 배열(20)로부터 결합된 신호(Vout)는 다음과 같이 표현된다.

이 전압의 첨두 진폭인 소망하는 신호가 되며 다음과 같이 주어진다.

배열 출력 단자(20a-20b)로부터 알 수 있는 바와 같이, 전체 잡음 저항은 변압기의 2차측에 단위량의 전류를 인가하고 결상될 샘플(환자등)의 체적에 대하여 종합된 손실의 평균시간을 취함으로서 얻어진다. 단위 진폭 cos(ωt)의 전류가 직렬 접속된 변압기(22)의 2차 권선에 인가되면 전류(-ø₁만큼위상 시프트되고 전폭이 n₁인 것)는 어떤 코일(20-i)로 흐른다. 그 셈플은 전체 전계는 다음식으로 주어진다.

여기에서는

로 주어지는 전계의 공간 의존성과 시간 의존성으로 분리되었다. 식(12)와 (16)을 결합하고 적부분와 가산부의 차수를 변경하며 초과시간을 평균화하면 손실저항은, 변압기의 2차측으로부터 알 수 있는 것처럼, 다음과 같이 주어진다.

여기에서 상호 잡음 저항은 다음과 같다.

따라서 잡은 저항 매트릭스는 표면 코일간의 상관 및 비상관 잡음에 대한 모든 정보를 포함한다. 즉, R_ij(여기에서 i=j)는 격리 상태로 유지되는 코일(20i)의 잡음 저항이고, 잡음 저항 R_ij(여기에서 i≠j)는 코일 20i와 코일 20j가 함께 사용될 경우의 가산 저항이며, 따라서 코일(20i, 20j)간의 상관 잡음을 나타낸다. 전계가 90° 위상 시프트되면 잡음은 완전히 비상관 상태이다. 따라서 결합된 표면 코일 세트의 점(x, y, z)에서의 신호대 잡음비는 다음과 같다.

여기에서, V_tot와 R_tot는 식(15)와 (17)로서 주어진다. 최적의 위상시프트는 각각의 i값에 대하여 편미분(

SNR/

ø_i)을 취하고 그 결과를 제로로 함으로서 결정된다. 결과적인 등식 세트는 ø_i=-ø_i일 때에 만족되는 것으로 나타났다. 따라서 외부 위상시프트에 할당하기 위한 최적치는 유기된 NMR 전압의 위상 시프트를 정확하게 제거한다. 이 값(ø_i)을 식(19)의 V_tot에 대입하면,

를 얻는다. 이 신호대 잡음 방정식은 연결된 무손실 위상시프트 장치 및 변압기를 통하여 연결된 코일에서 유도되더라도 영상 가산을 위해 사용하는 어떤 방법에도 동일하게 적용된다. 단일의 최적 영상을 얻기 위하여 신호들을 결합할 경우, 권수비는 결합된 영상에서 각각의 표면 코일 데이터를 결합하기 위한 상대 중량으로서 해석되고 계산된다. 따라서 우리는 개선된 NMR이 영상의 모든 지점에서 실현되어야 한다면 한점 한점씩 방정식(20)을 최대화하기 위하여 표면 코일의 상대 중량(n_i)을 선택해야 한다. 마찬가지로, 결합된 신호레벨을 일정하게 유지하면서 전체 잡음 저항을 최소화함으로서 SNR이 최대화된다. 그러므로 우리는 함수 F를 최소화하고자 하며, 여기에서

로 주어진다. 여기에서 λ는 신호레벨을 억제하는 라그레인지 승수(Lagrange multiplier)이다. 식(21)을 최소화하는 값(n_i)은 그 값(n_i)에 대한 편도함수(F)를 각 값(n_i)에 대하여 0으로 설정함으로서 얻어진다. 그 결과는

으로 주어지며, 여기에서,

이다. R^-1은 잡은저항 매트릭스[R_n]의 역수이고,

표면 코일에 의하여 점(x, y, z)에서 발생된 횡자계의 크기를 포함하는 백터이며,

은 최적 권수비 또는 중량을 포함하는 벡터이다. λ의 정확한 값은 크게 중요하지 않은데, 이는 식(22)를 계산한 최적중량을 식(20)에 대입하여 최적의 SNR 값을 얻는 때에 λ를 생략할 수 있기 때문이다. 즉, λ의 값은 최종합성영상의 화소강도를 측정할 때에만 중요하다. 최적무게함수 또는 세트는 일반적으로 화수위치함수임을 알 수 있다. 따라서 각 코일로부터의 NMR 신호는 따로 따로 얻어져야 하고 모든 개별적으로 얻어진 신호가 어떤 방식으로 외부에서 부가되면, 최상의 경우 하나의 점에서만 SNR의 최대화를 허용할 뿐이다. 그러므로, 각각의 별도의 취득후에, 각각의 표면 코일에 대하여 별도의 영상이 재구성되어야 하고, 그 다음 식(22)에 따라 화소마다 개개의 영상 결과를 부가함으로서 하나의 단일 결합 영상이 구성되어야 한다

코일에 순간 NMR 신호의 위상시프트가 있다해도 코일에서 RF 자계의 방향이 다르기 때문에 중량측정된 크기의 영상들을 결합하므로서 단일 영상을 형성하는 것은 아직까지 정확하다. 위상시프트는 식(18)에서 ø_i=-ø_i로 할 경우 잡음 저항 매트릭스에서 고려되며, 여기에서 θ_i는 점(x, y, z)에서의 자계방향이다. 잡음저항 매트릭스 값은 측정 또는 계산에 의할 수 있는데, 측정된 값이 더 좋으며 이는 실제의 측정된 값이 표면 코일의 작은 손실 및 어떤 관련 보호회로를 고려하고 있기 때문이다. 이 손실들은 코일간의 상관성을 나타내지 않는 손실등 잡음 저항 매트릭스의 대각선항(diagonal term)에 기여하는 것으로 보여진다. 4코일 배열(10＂)(제4a도)에 대한 계산된 매트릭스는 식(20)에 의하여 계산된 상호 저항[Rn] (코일 전류가 동위상일 때 식(18)으로부터 계산된 것)과 코일이 도전재료의 무한 반 평면(infinite half plane)에 대항되게 위치되었을 때 샘플 손실에 대응하는 잡음저항 매트릭스를 가진 상호 인덕턴스(L_m)의 매트릭스로부터 유도된다.

코일 중첩이 인접 코일간의 상호 인덕턴스를 제로로 만든다 해도 접음 저항 매트릭스의 비제로 비대각선(off-diagonal) 소자에 의하여 표시된 중요한 상관 잡음이 있음을 알아야 한다.

이제 제7도와 제8도를 참조하면, 많은 표면 코일 배열에 대한 계산된 신호대 잡음비가 비교되어 있다.

제7a도의 경우에, 실질적으로 사각형인 단일의 표면 코일(25)은 Z=O에서 1.0의 정상화된 신호대 잡음비를 갖는 SNR 곡선(26)(제8도)을 제공하도록 균일체의 제로 중심 주변에 위치된다. 실질적으로 인접표면 코일간에 상호작용이 없는 중첩거리만큼 분리된 한 쌍의 실질적으로 사각형으로 된 표면 코일(25a, 25b)의 배열(25')은 Z는 약 -S로부터 +S까지의 범위에 걸쳐 일정한 SNR을 갖는 감도대 위치곡선(27)(제8도)을 갖는다. 제4a도에 도시한 바와 같이 배열된 4개의 실질적으로 사각형인 표면 코일(25a∼25b) 배열(25＂)은 대략 Z=-1.6S~Z=+1.6S의 범위에 걸쳐 싱ㄹ질적으로 일정한 신호대 잡음비를 갖는 SNR대 위치곡선(28)을 갖는다. 반대로 배열(25＂)의 측면길이(S)와 동일한 폭 및 배열(25＂)의 전체 길이와 동이한 약 3.6S의 길이를 갖는 하나의 직사각형 표면 코일(30)은 4개의 표면 코일로 된 배열(25＂)의 최대 상대 SNR 값이 약 0.5인 SNR대 위치곡선(32)을 갖는다. 그러므로, 다수의 표면 코일 합성체는 더 큰 단일 코일(더 낮은 감도를 갖는)의 시야를 가진 거의 단일 표면 코일의 감도를 갖는다. 우리는 관련된 전치증폭기 수단(14)으로부터 상당한 거리에 위치된 NMR 시스템의 고자계 영역 내에 있는 표면 코일과 고자계 영역내에 있지 않은 표면 코일(10)을 갖는 것을 제안한다. 제9a도에서 알 수 있는 바와 같이, 표면 코일(10)의 등가물은 리액턴스 -jX_c1과 -jX_c2를 갖는 조정 및 정합 캐패시턴스(35, 36)에 직렬연결된 인덕턴스(34a)(리액턴스+jX_L1)와 저항(34b)(저항치 R_c)으로 표시된다. 표면 코일 양단에 나타난 신호 및 잡음 전압은 신호 전압(V_s) 원(37)과 잡음 전압(V_n) 원(38)으로 표시된다. 표면 코일 단자(10a, 10b)는 길이가 사용중에 있는 NMR 공명주파수에서 반파장의 적분 수치와 같은 동축 케이블(39)의 첫 번째 끝에 연결되고 반대 쪽 케이블 끝은 관련된 전치증폭기의 입력단자(14a, 14b)에 연결된다. 표면 코일은 단자(10a, 10b)사이에서 부하조건하에서 케이블(39)의 특성 임피던스(Z_o)와 동일한 잡음 저항으로 조정되어 케이블에 최소화된 잡음 에너지 양이 부가된다.

전치증폭기(14)는 캐패시터(43)(리액턴스 -jX_c2)와 인덕턴스(44)(리액턴스 +jX_L2)로 구성된 일련의 공명성 잡음 정합 회로망을 포함하며, 이것은 잡음저항을 GaAsFET 등 전치 증폭기 능동소자(45)의 입력을 잡음정합하는데 필요한 저항으로 변화시킨다. 매우 낮은 잡음 수치, 낮은 입력 임피던스 및 비교적 넓은 밴드폭을 갖는 전치증폭기는 주어진 주파수에서 실질적으로 전치증폭기의 잡음수치를 감퇴시킴이 없이 조정되지 않은 입력 캐패시터(43)를 가질 수 있다. 따라서, 정상 상태에서는 저항성이고 조정되었을 때 매우 낮은 저항치(약 5오옴 이하)를 갖는 전치 증폭기(14)의 입력 임피던스(Z_in)는 캐패시터(43)를 적절히 조정함으로서 리액턴스+jX_C2의 유도성을 나타내도록 할 수 있다. 따라서, 전치증폭기를 유도성으로 복귀시킴으로서, 케이블의 전치증폭기단에서의 전치증폭기 입력 임피던스(Z_in)는 케이블(39)의 표면 코일단에서의 유도성 리액턴스(46)(점선으로 도시)로서 나타나며, 표면 코일(10)에 흐르는 전류를 최소화하도록 수납하는 동안에는 능동성인 병렬 공명 방해회로를 형성하기 위하여 표면 코일 출력 캐패시터(36)로서 공명한다. 따라서 하나의 표면 코일에 의해 수신된 잡음( 및 신호)이 상호 인덕턴스를 통하여 다른 코일과 결합되는 것이 방지된다. 그러므로 각 전치 증폭기(14) 및 관련 케이블(39)을 관련된 표면 코일에 병렬 공명 인덕턴스를 제공하도록 함으로서, 표면 코일 배열에서 취한 영상들은 고 SNR을 유지할 수 있고 실질적으로 다른 노일과 결합했다는 징후를 나타내지 않는다.

전술한 사항에서는 특정 전치증폭기(14)에 대하여 특정 케이블(39)을 사용할 것을 요구하기 때문에 전치증폭기 입력 회로(42)를 공명성으로 조정하고 저입력 임피던스의 전치증폭기와 직렬 연결된 외부 인덕턴스(47 또는 48)를 사용하는 것이 좋다. 상기 외부 인덕턴스(리액턴스+jX_L3)는 표면 코일 단자(10a)와 동축 케이블(39)의 입력중심 도체 사이에 연결된 인덕턴스(47)나 출력단에 있는 동축케이블(39)의 중심과 관련 저잡음 증폭기(LNA) 입력단자(14a) 사이에 연결된 실체적으로 분리된 인덕턴스(48)(리액턴스+jX_L4)일 수 있다. 만일 필요하면 상기 두 인덕턴스(47, 48)의 결합형을 또한 사용할 수 있다. 적어도 하나의 외부 인덕턴스를 제기된 바와 같이 사용하면 전치증폭기는 복귀없이 교체될 수 있으며 인덕터를 한쌍의 비병렬 연결된 보호 다이오드(49)와 함께 전송중에 방해회로를 형성하기 위해 사용할 수 있다.

이제 제10도를 참조하면, 관련된 표면 코일 배열(10＂)의 다수(N)의 표면 코일과 같은 수인 다수(N)의 전치증폭된 NMR 응답신호에 대해 동작하고 공지수단에 의한 영상처리 및 발생용의 한 쌍의 베이스밴드 직각신호를 발생하기 위한 레시버 전단 어셈블리(50)가 도시되어 있다. 따라서, 표면 배열 코일(10＂)은 N=4개의 표면 코일(10＂-1 내지 10＂-4) 및 관련된 저잡음 증폭기 LAN(14-1 내지 14-4)을 구비하며, 이들 각각은 NMR 레시버 입력(50a-50d)중 다른 관련 입력에 다른 전치증폭된 신호를 제공한다. 입력(50a-50d)들 중 하나에서 단일 증폭된 신호는 관련된 분열수단(51-1∼51-4)의 신호 입력단에 인가된다.

각각의 분열수단은 그 출력쌍 (51-1a 와 51-1b, 51-2a 와 51-2b, 51-3a 와 51-3b, 또는 51-4a 와 51-4b)에서 한쌍의 동상신호를 제공한다. 각 분열신호는 다수(2N)의 신호 믹서수단(53)중의 관련된 하나의 RF 입력에 인가된다. 국부발진기수단(55)은 연구중에 있는 분자의 라모어 공명주파수에서 RF 신호를 직각신호 분열수단(57)의 입력(57a)에 공급한다. 한쌍의 직각위상 출력(57B, 57C)의 각각은 기준(0°)신호와 직각(90°)신호를 출력한다. 출력(56)에서의 기준(θ°) 신호는 분열기(51)중의 관련된 것의 같은 출력에 연결된 각쌍의 믹서수단(53)중 첫 번째쌍의 분사입력에 결합되고, 분열기 출력(57c)에서의 직각(90°) 신호는 나머지 다수(N)의 믹서수단의 분사입력에 연결되다. 따라서 모든 ＂a＂계열 믹서(53-1a, 53-2a, 53-3a, 54-4a)는 기준 국부 발진 신호를 수신하고, ＂b＂계열 믹서(53-1b, 53-2b, 53-3b, 54-4b) 각각의 분사 입력은 직각 국부 발진 신호를 수신한다.

베이스밴드 신호는 기준(0°) 국부 발진 신호를 수신하고 동상의 신호를 제공하는 각각의 ＂a＂계열 믹서와 직각(90°) 국부발진 신호를 수신하고 직각위상(Q) 신호를 제공하는 각각의 ＂b＂계열 믹서를 구비한 각각의 믹서 수단(53)의 출력에 제공된다. 따라서, 동상의 베이스 밴드 신호(I₁∼I₄)는 각각 믹서들(53-1a, 내지 53-4a)중의 관련된 하나에 의하여 제공되며, 각각의 직각위상 신호(Q₁∼Q₄)는 믹서들(53-1b 내지 53-4b)중의 관련된 하나의 출력단에서 제공된다. 각각의 2N 베이스밴드신호는 저역통과 필터수단(59)중의 관련된 수단에서 개별적으로 여파되고, 여파된 신호는 다수(2N)의 샘플 및 홀드(S＆H) 수단(61)의 관련된 수단의 신호 입력단에 인가된다. 샘플 및 홀드수단(61)은 각각 전단 입력(50e)으로부터 스트로브 신호를 수신하는 샘플(S) 입력단을 또한 갖는다. 모든 샘플(S) 입력단이 병렬 연결되어도 샘플 및 홀드수단의 각 신호입력단은 다른 베이스 밴드신호를 수신한다. 즉, 수단(61-1)은 여파된 첫 번째 동상의 I'₁신호를 수신하고, 수단(61-b)은 첫 번째의 직각 위상 여파신호(Q'₁)를 수신하며, 수단(61-2a)은 두 번째의 여파된 동상의 I'₂신호를 수신하고, 네 번째 수단(61-2b)은 두 번째의 직각위상 Q'₂신호를 수신하는 등이다.

각 샘플 및 홀드수단(61)의 출력(O)은 다른 다수(M)의 k:1 다중 송신(MUX)수단(63)중 하나의 관련 입력 포트에 연결된다. MUX(63)의 숫자(M)는 M=2N/k로 주어지며, N=4이고 k=4일때에 M=2개의 수단(63-1, 63-2)이 된다. 각각의 수단(63-1 또는 63-2)의 단일 출력 수단(63-1e 또는 63-2e)(및 전단수단(50)의 I출력(50-i) 또는 Q출력(50-q))에 연결되는 K개의 입력들(63-1a 내지 63-1d, 또는 63-2a 내지 63-2d)중 특정한 하나의 입력은 전단수단 선택신호 입력단자(50f 또는 50g)로부터 MUX 수단의 각 선택 입력 단자(63-1s1 과 63-2s1, 또는 63-s2 와 63-1s2)에 인가되는 2개의 다중 송신 제어신호(M1, M2)의 2진 신호 상태에 의하여 결정된다.

동작시에는, 전단수단(50)은 다수(N)의 개개의 입력단자(50a)중 관련된 하나에서 다수(N)의 전치증폭된 응답신호 각각을 연속적으로 수신한다. 각 표면 코일의 전치 증폭된 신호는 2개의 실질적으로 같은 진폭부로 분리되고 동상 또는 직각 위상 국부 발진 신호와 혼합되며 각 표면 코일 안테나로부터 연속적인 동상 및 직각위상 베이스밴드신호를 제공하기 위하여 실질적으로 저역 여파된다. 신호들은 공통 스트로브 신호에 응답하는 각각의 샘플 및 홀드수단(61)의 작용에 의하여 실질적으로 같은 순간에 모드 샘플된다. 2개의 N신호들 각각의 유지된 아날로그 진폭치는 스트로브 주피수의 K배에서 동작하는 수단(63)에 의해 다중송신되며 이로서 시분할 다중 송신된 I 또는 Q 아날로그 신호들은 다음 처리시스템(비도시)으로 전송된다. 배열에서 표면 코일은 그 수를 증가 또는 감소시킬 수 있고, 채널이나 다중송신 비등의 수를 비슷하게 할 수 있음을 알아야 한다. 스트로브 신호는 신호처리 기술에서 잘 알려진 수단에 의하여 다중 송신된 선택신호에 직접 동기될 수도 있고 소트로브 신호의 주파수 및 모양은 잘 알려진 신호처리 구속을 만족하도록 선택된다.

제11도를 참조하면, 코일 어셈블리(110)는 원통상 코일형(112)의 표면에 위치된 4개의 개별 코일(111a∼111d)(제11도에는 111a∼111c만 도시됨)을 구비한다. 코일형(112)은 직경이 약 6인치, 길이가 약 5인치이고 적절한 절연재로 형성된다. 코일(111a∼111d)은 대략적인 사각형을 형성하고, 각 코일(111a∼111d)은 원통상 코일형(112) 주변에 약 111°도로 배치된다. 결국 각 코일(111a∼111d)의 길이방향 모서리는 다음의 가장 가까운 코일과 중첩된다. 각 코일(111a∼111d)은 캐패시터(115)와 직렬 연결된 유도성으로 작용하는 도체(114)를 구비한다. 그러므로 각 코일(111a∼111d)은 본질적으로 LC 회로를 구성한다. 도체(114)는 코일형(112)의 표면상에 고착된, 폭 3/8인치의 구리테이프로 형성된다. 각 코일(111a∼111d)의 코너에서는 코일간의 교차선이 직각이 되도록 비스듬하게 지나간다. 도체(114)가 교차되는 지점에서 도체들중 하나는 다른 도체(114) 상에서 소형 직각 교량과 같이 지나간다. 각 코일(111a∼111d)은 서로 간격을 두고 분리된 4개의 도체(114)를 구비한다. 그 간격들 중 3개는 구리테이프상에서 납땜된 캐패시터(115)에 의해 연결된다. 다른 간격(117)은 개방되어 후술하는 처리회로의 접속점으로 사용한다.

표면 코일 배열을 NMR신호 수신에 사용한다는 것은 기술분야에서 잘 알려져 있다. 그러한 코일 배열에 있어서 공통적인 문제점은 배열내의 코일사이에서 잡음결합이 있다는 것이다. 이 현상은 한 코일의 입사신호의 일부가 본질적으로 재방사될 수 있을 때에 잡음전류로서 발생하고 근처의 상호 결합된 코일에서 추가적인 잡음전류를 발생한다. 코일간의 상호결합은 그들간의 관련배치, 예를들면 직교배치 또는 어느정도의 중첩에 의하여 어느 정도 완화시킬 수 있다. 그러나, 각각의 코일을 이상적으로 배치하면, 가끔 특수응용에 의하여 요구되고 항상 이상적인 방법으로 달성되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 목적은 특히 배열내의 코일이 같은 평면내에 있지 않을 때 시야를 중첩시키는 다수의 코일로부터 얻어진 별도의 영상들을 새롭게 결합하여 증강된 합성영상을 제공하는 것이다. 예를들어 제11도의 코일구조는 인간 몸체의 수족을 영상화하는데 적합하며, 코일(111a∼111d)간의 상호 결합은 그 배치만으로 제거될 수 없다.

배열되어 있는 코일간의 잡음결합을 더욱더 감소시키기 위하여, 본 발명의 하나의 양상은 각각의 개별적인 코일(111a∼111d)에서 유기된 잡음 전류를 감소시키는 것이고, 이로서 배열내의 다른 코일에 대하여 그 잡음의 제 방사를 크게 감소시킨다. 그러한 기능을 제공하는 회로는 각 코일(111a∼111d)에 대한 전치증폭단계로 통합되고 이하 PREDAMP 회로(120)라 한다. PREDAMP 회로(120)는 간격(117)을 통하여 코일(111a)에 결합되고, 이하 상세히 설명되는 바와 같이, 코일(111a)에서 전류와 신호 및 잡음의 계산치가 최소로 되는 그러한 방식으로 코일(111a)에 유입되는 신호를 증폭한다.

증폭된 신호 NMR시스템의 나머지에 의하여 처리되도록 선로(121)상에 출력된다. 제11도에는 단지 하나의 PREDAMP 회로(120)가 코일(111a)에 연결되어 표시되어 있으나 각각의 다른 코일(111a∼111d)들도 역시 각각의 자신의 PREDAMP 회로(120)에 연결된 것으로 이해하여야 하며, 이로서 모든 4개의 코일(111a∼111d)에 대응하는 신호(121)를 동시에 받아들일 수 있게 된다.

제12도를 참조하면, 각 코일(111a∼111d)은 등가의 직렬 R-L-C회로로 만들어질 수 있다. 이것은 이하 코일(124)이라 한다. 코일＂L＂성분(125)은, 이 실시예에서는 약 64MHz인 샘플의 라모어 주파수에서 도체(114)의 인덕턴스에 대응한다. ＂C＂성분은 도체(114) 사이의 간격 양단에 형성된 캐패시터(115)에 대응한다. 코일(124)의 ＂R＂항은 코일(124)의 순수 전원 임피던스를 나타내며, 이것은 일반적으로 완전한 손실 매체인 사람 환자등, 연구중에 있는 샘플에 의해 야기된 부하에 주로 기인한다.

종래의 코일-전치증폭기 결합형에 있어서는 주로 캐패시터(비도시)에 의해 직렬 코일 소자들이 단락되고, 사용되는 전치증폭기 및 진송선에 대하여 최적의 임피던스 정합을 제공한다. 그러므로 종래의 코일에 있어서는 정합 캐피시터에서 발생된 신호를 최대화하기 위하여 상당히 높은 특성인자 또는 ＂Q＂를 유지하는 것이 중요하였다. PREDAMP 회로(120)는 코일단자(117) 양단에 높은 임피던스가 존재함으로서 실질적으로 다른 방식으로 동작하고, 실질적으로 코일(124)의 Q값을 저하시킨다. 결국, 코일(124)에서 계산되는 전류는 억제되고 이들 전류에 의해 발생된 제방사는 마찬가지로 감소된다.

NMR 전체 증폭기로서 대표적으로 사용되는 증폭기들은 그들은 입력임피던스, 예를들면 회로부하와 최적전원 임피던스에 특징이 있다. 최적 전원 임피던스는 전치 증폭기(130)를 구동하기 위하여 신호대 잡음비(SNR)의 면에서 최상의 잡음성능을 제공하는 전원 임피던스를 설명하기 위해 사용된다. 예를 들면 체적이외의 불균형 전원 임피던스를 가진 전치증폭기(130)의 구동은 전치 증폭기(130)의 잡음 성능의 감퇴를 가져온다. 그러므로 코일(24)의 Q값 저하에 따른 하나의 문제점은 이것은 전치증폭기(130)의 최적 전원 임피던스를 정합하는 방식으로 행해져야 한다는 것이다. 코일(124)의 Q값 저하에 관한 두 번째 문제점은 직렬 또는 병렬로 저항을 부가함으로서 간단히 그렇게 되어질 수 없다는 것이다. 비절대온도 0℃에서 저항을 도입하면 그 자체로서 부가적인 잡음을 야기하게 되며, 일반적으로 코일의 Q값을 저하시킴으로서 더 크게 제거할 수 있다. PREDAMP 회로를 실행하는데 대한 문제점은 (1) 코일단자(117)에 고임피던스를 부여하는 것과, 동시에 (2) 전치증폭기(130)에 최적 전원 임피던스를 부여하는 것 2가지이다. 이들 2가지의 목적은 본 발명에 따라 코일(124)의 Q값을 처리하는 정합 회로망의 일로서 전치증폭기(130)의 입력 임피던스 장치를 이용함으로서 PREDAMP 회로(120)에서 달성되어진다.

다시 제12도를 참조하면, 본 발명에 따른 PREDAMP 회로는 매우 낮은 입력 임피던스를 갖는 전치 증폭기(130)를 구비한다. 사실상, 입력 임피던스는 최적 전원 임피던스보다 훨씬 더 적은 것, 예를 들면 입력 임피던스에 대한 최적 전원 임피던스의 비율이 최대인 것이 좋다. 상기 비율을 최대로 하는 이유는 입력 임피던스 그 자체가 코일(124)에 고임피던스를 부가하기 위해 정합회로망을 거쳐 전송될 수 있고, 동시에, 코일(124)의 비교적 낮은 전원 임피던스(127)가 전치 증폭기(130)의 더 높은 최적 전원 임피던스에 정합되도록 하기 위함이다.

예시한 실시예에서와 같이, 전치 증폭기(130)는 비소화 칼륨(GaAs) 전계효과 트랜지스터(FET)에 기초한 입력 스테이지(131)를 구비한다. 전치 증폭기(130)의 입력선(133)은 조정가능한 L-C회로(135)를 거쳐 GaAs FET(132)의 게이트에 연결된다. 결과적인 입력 스테이지(131)는 약 50오옴의 최적 전원 임피던스를 나타내고 L-C회로(135)는 실제만큼 낮은 중요주파수에서 입력 임피던스를 제공하도록 조정된다. 이 예에서는 약 1.5오옴의 입력 임피던스가 가정된다. GaAs FET(132)의 출력은 그 다음 다른 스테이지(136)에서 증폭되어 출력신소(121)를 발생한다.

코일(124)에 대한 전치 증폭기(130)의 정합은 전송선 세그멘트(137)에 의하여 수행된다. 전송선 세그멘트(137)는 중요주파수에서 1/4파장(λ/4)과 같은 길이를 갖는다. 기술에서 공지된 바와 같이 1/4파 전송선 세그멘트는 일단(R_end2)에 연결된 임피던스에 관하여 다음식(23)에 따라 타단(R_end1)에서 본 임피던스를 변형한다.

또는 등가적으로

여기에서 : Z_O는 1/4파 전송선 세그멘트의 특성 임피던스이다.

코일(124)의 전원 임피던스(127)의 대표적인 값은 약4오옴이다. 상기 4오옴의 전원 임피던스를 증폭기(130)의 50오옴의 최적 전원 임피던스에 정합시키기 위하여 식(24)은

또는 14.14오옴의 값을 만든다. 그 다음 14.14오옴의 값으로, 코일(124)의 간격(114) 양단에서 본 임피던스는 식(23)을 133오옴의 값이 되도록 적용함으로서 얻어진다. 그러므로 코일(124) 양단에 연결된 유효 임피던스는 133오옴이고 이것은 종래의 코일/전치증폭기 혼합형을 사용하였던 통상의 50오옴보다 약 2.6배 큰 값이다. 유사하게 2.6의 인자만큼 증가된 임피던스는 코일(124)의 전류 계산에 있어서 대응하는 만큼의 감소를 가져오는 효과를 발생한다.

제13도를 참조하면, PREDAMP 회로(120)의 다른 실시예는 앞의 실시예에서와 같은 저임피던스, 저잡음 전치증폭기(130) 및 1/4파 전송선 세그멘트(137)를 구비한다. 제13도의 실시예는 또한 반파 전송선 세그멘트(138, 139)를 구비하며, 이들은 전치증폭기의 최적 전원 임피던스와 같은 특성임피던스(이 경우는 50오옴)를 갖는다. 그러므로 반파 전송선 세그멘트(138, 139)는 일단에서 전치증폭기(130)에 정합되고 타단에서 1/4파 전송선 세그멘트(137)에 정합되며, 이로서 전술한 바와 같은 임피던스 변환 또는 PREDAMP효과를 일으키지 않는다.

반파 전송선 세그멘트(138, 139)의 한 목적은 전송위상중에 고전압을 약화시키기 위하여 클램핑 P/N 다이오드(140, 141)를 삽입할 수 있는데에 있다.

세 번째의 P/N 다이오드(142)는 인덕터(144)를 통하여 전치증폭기 입력(133)에 연결된다. 인덕터(144)는 전손/수신(T/R)구동 신호에 의하여 구동되며, 전송중에 전치증폭기(130)에 대하여 입력측(133)에서 약 0.25오옴의 매우 낮은 임피던스 클램프를 나타낸다. 클램프 되었을 때 상기 낮은 임피던스는 상기의 식(23), (24)에 따라 코일(124)(제13도에는 도시되지 않음)의 단자(117)사이에서 약 800오옴으로 되고, 이것은 전송중에 코일에서 전류를 감소시킴에 있어 더욱 효과적이다.

최적 전원 임피던스 대 입력 임피던스 비를 증가시킴으로서 유효 코일 임피던스의 더 큰 증가가 가능하여짐을 알아야 한다. 그 비를 더 높게 함으로서 그리고 Z_O를 적합하게 조정함으로서, 코일(124)에서의 전류흐름은 더욱 감소될 수 있다. 그 비율이 충분히 높아지면, 다른 코일에 대한 잡은 전류의 결합은 코일의 상대성 위치 결정에 관계없이 PREDAMP 회로(120)만으로 효과적으로 제거되어진다. 이 후자의 양상은 코일의 상대성 위치결정이 미리 알려지지 않고 환자마다 변화하는 유연성 코일 배열에서 사용할 때에 특히 유용하다.

제11도를 다시 참조하면, 각 코일(111a∼111d)에 연결된 PREDAMP 회로(120)를 사용함으로서 전술한 바와 같이 코일간의 잡음 결합을 크게 감소시킬 수 있다. 그러므로, 본 발명을 사용함으로서 각 코일(111a∼111d)로부터 높은 SNR영상을 독립적으로 동시에 받아들이는 것이 가능하여진다.

본 발명의 다른 목적은, 이하 설명되는 바와 같이, 이와같이 얻어진 독립영상들을 단일 코일에 비교하였을 때 증강된 시야를 제공하고 또는 증대된 SNR을 갖는 합성영상으로 결합하는 것이다.

코일(111a∼111d)로 부터의 독립영상들은 종래의 직각위상 검출기 및 각 코일에 대한 베이스 밴드 처리장치(비도시)를 사용함으로서 형성된다. 그 결과는 영상에서 각 체적 요소(voxel)를 설명하고 종래의 처리장치(비도시)에 저장된 한세트의 복소수로 되며, 이것은 이하 설명하는 방법에 따라 처리된다.

특히 본 발명의 방법은 코일들이 모두 동일 평면상에 있지 않은 코일 배열에 대하여 매우 유효하다. 그 경우에, 제 11도의 배열에서와 마찬가지로, 그 배열의 공통시야에서 발생된 신호는 그 배열의 다른 코일에서 위상시프트를 변화시키면서 수신된다. 본 발명의 하나의 목적은 이들 신호를 결합하여 공간의존성 위상시프트의 장점을 취함으로서 다중 표면 코일 배열의 모든 위치에서 최적 SNR을 달성하는 것이다. 코일 근처의 어떤 위치에서도

이상의 잡음 개선(즉, 직각 수신 잇점)이 가능하다.

전술한 바와 같이 얻어진 복합영상 데이터에 있어서는 고정 화소에 대하여 영상에서 영상으로의 공간변화 뿐만 아니라 주어진 개개의 영상에서 화소로부터 화소로의 공간적인 위상변화가 있다. 이들 위상 변화들은 상관된 잡음이 합성영상에서 어떻게 통합되는지를 나타낸다.

일반적으로, 신호(121)가 높은 SNR을 가질 경우에 그 신호는 잡음의 위상검출을 위한 기준으로서 사용된다. 즉, 신호와 순간적으로 동상이 되는 잡음 성분만이 영상의 크기를 바꾸는 경향이 있다. 그 신호와 이상(out of phase)인 잡음 성분은 위상을 변경시키고 영상의 크기는 변경하지 않는 경향이 있다. 각각의 개별적인 코일의 단위 전류에 의하여 발생된 B₁필드의 이질성으로 부터는 특수한 효과가 발생한다. 주어진 체적요소에 의하여 코일에 유기된 신호(E)는 다음[25]으로 주어진다.

여기에서

은 체적요소의 핵자기 모멘트이고

는 B1의 xy 벡터 성분이다.

모체코일(비도시)을 핵의 여기에 사용할 경우,

은 초기에 모든 체적요소에 대하여 같은 방향을 지적한다. 즉, 이들은 실험실 골격에서의 y축등의 공통위상 기준을 갖는다. 스칼라 적은 체적요소에서 체적요소로, 그리고 코일에서 코일로의 B1_xy방향의 변화에 기인하여 위상인자를 유도한다. 따라서, 2개의 인접표면 코일에 대하여, 주어진 화소에 대한 신호는 두 영상에서 매우 다른 위상을 가질 수 잇다. 그러므로 두 코일에서 유기된 상관 잡음은 두 영상의 주어진 화소에 대하여 동위상 기준을 가지고 검출할 필요가 없다. 상관잡음의 처리는 합성영상에서 화소마다 다를 수 있다. 어떤 경우에는 상관성은 어떤 화소에서 영으로 되거나 역으로 될 수 있다. 예를 들어, 한 코일의 B1이 다른 코일의 B1과 반 평형(anti-paralle)인 화소에서 신호들은 180°이상되며, 따라서 상관 잡음은 하나의 코일 영상의 크기에 가산되고 다른 코일 영상의 크기로부터 감산된다. 두 영상을 결합하면 그 화소에서의 상관 잡음을 제거할 수 있다. 본 발명의 방법은 각 체적요소로 부터의 크기 및 위상 정보를 사용함으로서 배열의 각 코일(111a∼111d)로부터 동시에 들어오는 영상을 결합한다. 이하에 설명하는 실시예에 있어서 코일(111a∼111d)들중 2개로부터 나온 두 영상의 결합은 첨자(i=1,2)를 사용하여 상세히 설명된다. 나중에, 2개의 대표적인 코일케이스가 임의 번호의 코일로부터의 영상을 결합하기 위하여 어떻게 연장될 수 있는가를 설명한다.

각 코일은 다음식(26)으로 주어지는 신호(S₁)와 잡음(n₁)을 갖는다.

S₁=S₁ejθ n₁=N₁ejø₁(26)

si

은 B1_xy의 크기에 비례하고 따라서 회소의 위치(r)에 의존한다. θ

은 B1_xy와

의 초기방향 사이의 각도이다. 잡음은 이것이 본질적으로 샘플 체적의 통합으로부터 야기되기 때문에 이떤 뚜렷한 공간 의존성도 가지지 않는다. n₁와 ø₁는 하나의 데이터 취득으로부터 다음 데이터 취득으로 변화하는 각각의 무작위 변수이다. N과 ø에 대한 대표적인 가능성 분표는 예를들면

이 될 수 있다.

이것은 N의 실수 및 허수 성분에 대한 가우스 분포 및 N과 무관한 ø의 균일분포와 일치한다. 이 경우에 〈N²〉=σ2이고, 기호 〈 〉은 다수의 데이터 취득에 대한 전체적 조화 평균을 나타낸다. n₁및 n₂가 무작위 변수라 해도 이들은 상관관계를 갖는다. 두 잡음 전압의 합에 대한 평균 잡음 전력은 다음과 같다.

식(6)에서 마지막 항2〈n₁n₂cos(ø₁-ø₂)〉는 두 잡음간의 어떤 상관 관계를 나타낸다.

본 발명에 따르면 복합 영상 데이터를 화소별로 결합하는 데에는 몇가지 방법이 있다. 이하 평균영상이라하는 가장 간단한 방법은 각 화소에 대하여 영상크기의 가중합(weighted sum)을 취하는 것이다. 잡음이 포함된 합성신호는 다음과 같이 주어진다.

여기에서 η는 무게인자이다.

이하 rms 영상이라하는 두 번째 방법은 2개의 영상크기를 제곱한 가중합의 제곱근을 취하는 것이다. 즉

여기에서 ＊은 복소공역 동작을 나타낸다.

복합영상에서의 잡음 효과를 결정하기 위하여 각 화소의 크기의 변화량은 다음식에 따라 계산된다.

변화량 = 〈mag²〉 - 〈mag²〉 (31)

여기에서 mag = (평균영상) 또는 (rma 영상)이다. 신호대 잡음비(SNR)는 변화량의 제곱근으로 승산한 무잡음 신호로서 주어진다. 그 다음 SNR은 무게인자(η)에 관한 최대치를 찾아냄으로서 최고로 활용된다. 계산된 SNR과 ηopt로 표시되는 최적 η는 높은 SNR을 가상했을 때 상기 식으로부터 구해질 수 있다. 간단히 하기 위하여 이들 계산을 생략하면, 그 결과는 평균영상 및 rms영상에 대하여 다음과 같이 나타난다.

평균영상방법을 사용하면 그 계산은 다음과 같다.

여기에서 :

rms영상방법에 대하여, 그 결과는 다음과 같다.

rms 영상에 대한 ηopt는 평균 영상에 대한 최적 η의 s1/s2배와 같음을 알아야 한다. 식(32)와 (33)을 합하면 합성 영상에 대하여 식(34)와 (35)의 합과 같은 SNR이 산출될 수 있다.

X로 나타낸 표현은 두 코일의 잡음 상관관계를 포함한다. 각도(θ₁-θ₂)는 주어진 체적 요소에서 코일의

벡터간의 각도와 같다. 〈N₁N₂cos(ø₁-ø₂)〉항은 식(6)에서와 마찬가지로 대표적인 상관관계항을 제공한다. 〈N₁N₂cos(ø₁-ø₂)〉항은 0이 되는 것으로 가정한다. 이 가정에 의하여 상관잡음은 cos(ø₁-ø₂)인자에 의하여 코일형상(geometry)에 따라 제어된다. 두 코일로부터의 자속선이 수직인 지점에서 cos(θ₁-θ₂)는 0이 되며 두 코일은 체적요소에 대한 직각 수신 때문에 SNR이 개선된다. 자속선이 역 평행이며, cos(θ₁-θ₂) = -1이고 SNR은 직각 방향(양성 잡음 상관관계가 있음)에 관한 것보다 더 좋다. X = 0 일 때 rms영상에 대한 최적치는 1이고 최적영상은 개개의 SNR을 제곱한 것의 합의 제곱근과 같다.

최적 SNR을 가진 합성영상을 구성하기 위하여, 무게인자(η)는 각각의 화소에 대하여 평가되어야 한다.

및

에 대한 상대치는 전송기 전력이 없는 선주사(prescan)기간동안 몇 개의 데이터 취득을 취함으로서 얻어질 수 있다. S₁, θ₁, S₂및 θ₂의 값은 그 크기로부터 취할 수 있고 균일하지 않은 위상시프트가 제공되지 않은 각각의 개별적인 코일에 대하여 재구성된 영상의 위상은 레시버 채널에 의하여 유도된다.

이 절차는 각 화소에 대한

의 값 및 방향을 계산할 필요성을 배제한다. 후자의 계산은 위치 및 형상이 환자마다 변화될 수 있는 코일 배열에 대하여 중요하다. 저 신호대 잡음 영역에 대하여, η는 rms영상 방법을 사용할 때 좋은 초기 근사치가 된다.

모든 코일이 동일 평면에 위치되는 코일배열은 모든 화소에 대하여, θ₁= θ₂로 하는 것과 같다. Z축을 따라 코일의 단일 열로 만들어진 척추탐침의 특수한 경우에는 θ₁= θ₂이고 최적영상은 전술한 본 발명의 방법에 따라 얻어진다. 그러나, 특히, 몸체 또는 머리 주변에 접선적으로 연장되는 코일 배열에 대하여는 -1≤cos(θ_1-θ₂)≤+1이고, 본 발명의 방법에 의하여 얻어진 SNR을 항상 같거나 공간적으로 배치된 위상시프트를 고려하지 않은 다른 종래의 방법에 의하여 얻어진 SNR을 초과한다. SNR의 개선된 양은 상대성 신호 강도, 잡음 상관관계 정도 및 위상인자(cos(θ_1-θ₂))에 의존한다.

이 경우에,

이고, 식(12)와 (13)을 합하면,

식(40)의 첫 번째 인자는 단지 하나의 코일만을 사용할때에 얻어진 SNR이다. 두 번째 인자는 제2코일 신호의 최적가산에 기인한 증가분이다. 아래의 표는 β와 c의 범위에 대해 ρ의 두 값에 대한 증분 인자를 제공한다.

cos(θ_1-θ₂) = 0일 때 상관계수(ρ)의 의존성은 없어지고 같은 신호에 대하여 엔헌스멘트는

에서 시작하며 제22신호 강도(또는 (SNR)가 감소함에 따라 감소한다. cos(θ_1-θ₂) 가 0보다 클때에 다중 코일 엔헌스멘트는 상관관계의 증가에 따라 덜 효과적으로 된다. 그 역은 cos(θ_1-θ₂)의 음의 값에 대해 진실이다. 즉, 엔헌스멘트인자는 직각 수신에 의하여 주어진

값을 초과할 수 있다. 그러므로 SNR은 영상의 어떤 영역에서 합성영상 재구성의 유기된 코일 위상시프트를 통합함으로서 실질적으로 개선될 수 있다. 상기 표에서, SNR의 54%이상의 개선은 코사인 인자가 무시되지 않을때에 발생한다.

cos(θ_1-θ₂)항과, 몸체 또는 머리 주변을 감싸는 코일의 크기 및 간격에 대한 최상의 선택을 통하여 각 화소의 SNR의 추가적인 기하학적 의존성을 고려하면, 다수 코일 배열은 경험적으로 결정될 필요가 있다. 코일의 교차 결합을 방지하기 위하여, 전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 PREDAMP 회로를 사용하면 상호 인덕턴스를 줄이기 위해 코일을 중첩할 필요성은 감소된다. 소망하는 결상체적에 대하여 평균화한 계산된 SNR은 배열내의 개개의 코일 구성을 변화함으로서 실질적으로 최적화될 수 있다. SNR계산은 코일 부하 및 잡음상관을 각 코일의 B1벡터의 공간 의존으로부터 발생하는 기하학적 인자에 결합하는 것이다.

기술에 숙련된 사람들은 본 발명의 방법이 예에서 주어진 특정의 두 코일 대신에 적절하 매트릭스 동작을 사용함으로서 다수의 코일로 늘릴 수 있음을 알 것이다. 예를 들어, N개의 표면 코일에 대하여,

를 N개의 표면 코일로부터 주어진 체적요소에 대한 신호에 대응하는 N차원 벡터(S₁, S₂,··· S_N)라고 한다. ρ는 ij요소가 다음식으로 주어지는 NxN매트릭스라고 한다.

ρij = N₁N₂cos(ø_i-ø_j)〉cos(θ_i-θ_j)

이때 합성신호는 다음과 같다.

합성신호 = {S.(ρ^-1).S}^1/2

비 상관 잡음에 대하여, 이것은 각 코일에 대한 SNR의 제곱의 합을 제곱근한 값으로 감소한다.

지금까지 새로운 다수의 표면 코일 배열에 대한 몇가지 양호한 실시예와 그 배열을 가진 NMR 결상 및 그 배열의 소자간 상호작용을 감소시키는 방법에 대하여 설명하였으나. 기술에 숙련된 사람이라면 여러 가지로 변화 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를들어, 위치가 결상될 환자 및 해부체에 의존하는 유연성의 주변에 둘러싸인 코일배열등 상세한 코일위치(따라서 이들의 대응하는 자계)를 알 수 없는 경우가 있다. 이러한 상황에서는 코일배열로부터 수신하는 대부분의 잇점은 코일감도의 측정으로서 개개의 영상을 사용함으로써, 그리고 코일간의 잡음상관성을 무시함으로써 실현될 수 있다. 따라서 식(20)과 (22)에 따르면, 각 영상에서의 각 화소강도는 그 자체에 의하여 가중되어야하고 그 다음 결합되어 하나의 영상을 형성한다. 그러므로 본 발명은 여기에서 상술한 실시예의 설명에 의하여 주어진 수단 및 상세한 설명으로 한정되는 것이 아니고 첨부된 청구범위에 의해서만 한정되는 것으로 한다.

Claims (31)

1. 서로 밀접하게 위치된 다수(N)의 무선주파수 표면 코일 각각으로부터 서로 다른 NMR 응답신호를 동시에 수신하는 방법에 있어서, (a) 모든 인접 표면 코일과의 상호작용을 갖지 않고, 다수 (N)의 표면 코일로 이루어진 것으로, 영상 체적을 한정하는 적어도 일차원적 배열을 제공하는 단계와; (b) 영상 체적에 봉입된 샘플의 관련부로부터 각각 발생된 동수(N)의 NMR 응답신호의 서로 다른 신호를 다수(N)의 표면코일 각각에서 수신하는 단계와; (C) 관련된 표면 코일에 의하여 수신된 NMR 응답신호로부터 동수(N)의 샘플 부분의 NMR 영상들중 각각 다른 영상을 구성하는 단계와; (d) NMR 응답신호가 표면 코일들중 어느 하나에 의하여 수신되어지는 모든 샘플 부분의 하나의 최종 NMR 영상을 만들기 위하여 다수(N)의 다른 영상들을 한 항목씩 결합하는 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 수신방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 (d)단계는 인접된 각 쌍의 표면 코일 사이에서 적어도 상관 잡음과 비상관 잡음의 크기에 의하여 결정된 인자에 의하여 각 영상의 각화소를 가중시키는 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 수신방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 (d)단계는 최종적이고 서로 다른 영상들중 적어도 하나의 화소위치에 의해 결정된 인자에 의하여 각 영상의 각 화소를 가중시키는 단계를 아울러 포함한 것을 특징으로 하는 수신방법.
4. 제1에 있어서, 각각의 표면 코일을 원형상으로 형성하는 단계를 아울러 포함한 것을 특징으로 하는 수신방법.
5. 제4항에 있어서, 어떤 쌍의 인접 표면 코일들의 중심을 그 쌍의 표면 코일중 하나의 반경의 1.5배에 해당하는 거리만큼 이격된 지점에 위치시키는 단계를 아울러 포함한 것을 특징으로 하는 수신방법.
6. 제5항에 있어서, 배열을 표면상에 정열시키는 단계와; 3개의 인접 표면 코일군의 서로 다른 각 표면 코일의 중심을 등변 삼각형의 다른 꼭지점에 위치시키는 단계를 아울러 포함한 것을 특징으로 하는 수신방법.
7. 제6항에 있어서, 2개의 치수로만 연장되도록 표면을 정열하는 단계를 아울러 포함한 것을 특징으로 하는 수신방법.
8. 제1항에 있어서, 각각의 표면 코일을 사각형으로 형성하는 단계를 아울러 포함한 것을 특징으로 하는 수신방법.
9. 제8항에 있어서, 어떤 쌍의 인접 표면 코일의 중심을 그 쌍의 표면 코일중 하나의 측면 길이의 약 9/10의 거리만큼 이격된 지점에 위치시키는 단계를 아울러 포함한 것을 특징으로 하는 수신방법.
10. 제9항에 있어서, N = 4로 설정하고, 전체길이가 공통의 길이의 약 3.7배에 해당하도록 4개의 표면 코일을 선형 정열시키는 단계를 아울러 포함한 것을 특징으로 하는 수신방법.
11. 제1항에 있어서, 서로 인접하지 않은 적어도 한쌍의 표면 코일을 배열에 제공하는 단계와; 그 쌍의 각각의 비인접 표면 코일 사이의 상호작용을 최소화하는 단계를 아울러 포함한 것을 특징으로 하는 수신방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 최소화 단계는 NMR 응답 주파수에서 약 5오옴의 입력 임피던스를 각각 갖는 다수의 전치증폭기를 각각의 표면 코일에 제공하는 단계와; 쌍을 구성하는 비 인접 표면 코일중 서로 다른 코일 각각의 출력을 서로 다른 전치 증폭기의 입력에 연결하는 단계와; 관련된 표면 코일에 대한 출력으로부터 최소화된 상호작용 신호를 추출하는 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 수신방법.
13. 제12항에 있어서, 전체 배열의 서로 다른 표면 코일 각각의 출력을 서로 다른 관련 증폭기의 입력에 연결하는 단계를 아울러 포함한 것을 특징으로 하는 수신방법.
14. 샘플의 소정 부분내의 핵으로부터 NMR 응답신호를 동시에 수신하는 장치에 있어서, 다수의 표면 코일 안테나와; 샘플을 둘러싸는 표면을 따라 적어도 일차원적으로 연장되는 배열에 다른 모든 인접 표면 코일들과 상호 작용을 갖지 않도록 표면 코일을 위치시키는 위치결정 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 수신장치.
15. 제14항에 있어서, 상기 각각의 표면 코일은 원형상인 것을 특징으로 하는 수신장치.
16. 제15항에 있어서, 상기 위치결정수단은 어떤상의 인접 표면 코일들의 중심을 그쌍의 표면 코일들중 하나의 반경의 1.5배 거리만큼 상호간 이격되게 하는 것을 특징으로 하는 수신장치.
17. 제14항에 있어서, 상기 각각의 표면 코일들은 사각형상인 것을 특징으로 하는 수신장치.
18. 제17항에 있어서, 상기 위치결정 수단은 어떤 쌍의 인접 표면 코일들의 중심을 그 쌍의 표면 코일들 중 하나의 측면 길이의 약 9/10만큼 상호간 이격되게 하는 것을 특징으로 하는 수신장치.
19. 제18항에 있어서, N = 4이고 4개의 표면 코일들은 전체 길이가 공통 측면 길이의 약 3.7배가 되도록 선형 배열된 것을 특징으로 하는 수신장치.
20. 제14항에 있어서, 상기 배열은 서로 인접되지 않은 적어도 한쌍의 표면 코일들을 포함하고, 그 쌍의 비 인접된 각 표면 코일간의 상호 작용을 최소화시키는 수단을 아울러 구비한 것을 특징으로 하는 수신장치.
21. 제20항에 있어서, 상기 최소화 수단은 NMR 응답주파수에서 약 5오옴의 입력 임피던스를 각각 갖는 다수의 전치증폭기를 포함하고, 하나의 전치 증폭기는 비 인접 표면 코일들 중 다른 하나의 출력에 연결되고 관련된 표면 코일에 대한 출력으로부터 최소화된 상호작용 신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 수신장치.
22. 제21항에 있어서, 각각의 다른 전치증폭기에 의하여 동작되고, 사실상 신호대 잡음비를 변화시킴이 없이 신호수신중에 관련된 표면 코일에 흐르는 전류를 감소시키는 수단을 아울러 구비한 것을 특징으로 하는 수신장치.
23. 제21항에 있어서, 전치 증폭기의 수는 배열의 표면 코일의 수와 동일하며, 서로 다른 각 표면 코일의 출력은 서로 다른, 관련된 전치증폭기의 입력에 연결된 것을 특징으로 하는 수신장치.
24. 제23항에 있어서, 모든 전치증폭기의 출력에서 신호들을 동시에 추출하고 상기 추출된 신호를 다음 사용을 위하여 소정의 연속순서로 제공하는 수단을 아울러 구비한 것을 특징으로 하는 수신장치.
25. 핵자기 공명(NMR)신호 포착 장치에 있어서, 전원 임피던스(R_S)를 갖는 제1코일과; 최적 전원 임피던스(R_opt) 및 입력 임피던스(R_in)를 가지는데 R_in은|R_opt보다 더 작은 제1전치 증폭기와 L 상기 제1코일을 상기 제1전치증폭기와 연결하여 제1코일의 전원 임피던스(R_S)가 제1정합수단과 제1전치증폭기 사이의 접속점에서 최적 전원 임피던스(R_opt)보다 더 큰 값이 되도록 제1정합 수단에 의하여 변형되게 하는 상기 제1정합수단을 포함한 것을 특징으로 하는 NMR 신호 포착장치.
26. 제25항에 있어서, 상기 제1정합수단은 그 길이가 NMR 신호 주파수에서 1/4 파장과 거의 같은 전송선 세그멘트를 구비한 것을 특징으로 하는 NMR 신호포착장치.
27. 제26항에 있어서, 상기 1/4파장 전송선 세그멘트는

    

    로 주어지는 특성 임피던스(Z_O)를 갖는 것을 특징으로 하는 NMR 신호포착장치.
28. 제26항에 있어서, 상기 제1전치 증폭기는 NMR 신호 주파수에서 전치 증폭기의 입력 임피던스를 설정하기 위한 인덕터-캐패시터(L-C)망을 포함한 입력 스테이지를 구비한 것을 특징으로 하는 NMR 신호포착장치.
29. 제27항에 있어서, 상기 제1정합수단과 상기 제1전치 증폭기 사이에 배치된 적어도 하나의 반파장 전송선 세그멘트와 상기 반파장 전송선 세그멘트의 적어도 일단에 부착되어 상기 NMR 신호 포착의 전송 사이클 중에 발생한 고전압을 클램핑하는 클램핑 수단을 아울러 구비하고, 상기 반파장 전송선 세그멘트는 최적 전원 임피던스(R_opt)와 거의 같은 특성 임피던스를 갖는 것을 특징으로 하는 NMR 신호포착장치.
30. 제25항에 있어서, 입력 임피던스(R_in)에 대한 최적 전원 임피던스(R_opt)의 비는 20이상인 것을 특징으로 하는 NMR 신호포착장치.
31. 제25항에 있어서, 상기 장치는 적어도 하나의 추가 코일, 적어도 하나의 추가 정합수단 및 적어도 하나의 추가 전치증폭기로 이루어진 배열을 구비하고, 각각의 추가코일, 추가정합수단 및 추가 전치증폭기는 각각 제1코일, 제1정합수단 및 제1전치증폭기와 같은 것이며, 이로써 코일간 잡음전류의 상호 결합은 각각의 정합수단에 의하여 관련 코일에 공급된 고 임피던스에 의해 감소되는 것을 특징으로 하는 NMR 신호포착장치.

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