KR101932070B1 - Active shimming system of magnetic resonance spectrometer apparatus and magnetic resonance imaging apparatus for improving uniformity of magnetic field and active shimming method using it - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 자기공명 분광장치(Magnetic Resonance spectrometer, 이하, "MR"이라 함) 및 자기공명 영상장치(Magnetic Resonance Imaging, 이하, 'MRI'라 함)에 관한 것으로, 더 상세하게는, 종래, MR이나 MRI를 이용한 신호분석의 정확도를 높이기 위해 MR이나 MRI의 자기장 분포 및 공간 균일도를 개선하기 위하여 행해지는 액티브 쉬밍(active shimming) 작업에 있어서, 심코일(shim coil)을 이용한 필드매핑(field mapping) 절차가 필요하여 이를 위한 장비(field mapper)나 매핑을 위한 시간이 소요되는 데 더하여, 측정오차나 계산상의 오차로 인해 정확성이 떨어지는 단점이 있었던 종래기술의 액티브 쉬밍 방법 및 장치들의 문제점을 해결할 수 있도록 구성되는 자기공명 분광장치 및 자기공명 영상장치의 자기장 균일도 개선을 위한 액티브 쉬밍 시스템 및 이를 이용한 액티브 쉬밍 방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE
또한, 본 발명은, 상기한 바와 같이 필드매핑 작업이 필요하여 시간과 비용이 소요되고 정확성이 떨어지는 단점이 있었던 종래기술의 액티브 쉬밍 방법 및 장치들의 문제점을 해결하기 위해, 유전 알고리즘을 이용한 최적화 기술 및 자동화 기술을 통해 필드매핑 작업이 필요 없이 액티브 쉬밍 작업을 수행할 수 있도록 구성됨으로써, 보다 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 신속하고 정확하게 효율적으로 쉬밍 작업을 수행할 수 있도록 구성되는 자기공명 분광장치 및 자기공명 영상장치의 자기장 균일도 개선을 위한 액티브 쉬밍 시스템 및 이를 이용한 액티브 쉬밍 방법에 관한 것이다. Further, in order to solve the problems of the prior art active shimming methods and apparatuses, which require a field mapping operation as described above and require time and cost and are inferior in accuracy, the optimization technique using a genetic algorithm A magnetic resonance spectroscopy apparatus and a magnetic resonance imaging apparatus configured to perform an active shimming operation without requiring a field mapping operation through automation technology, To an active shimming system for improving magnetic field uniformity of an apparatus and an active shimming method using the same.
최근, 여러가지 질병 여부나 병변을 보다 명확하게 확인하고 판단하기 위해 인체 내부를 시각적으로 볼 수 있도록 구성되는 자기공명 분광장치(MR) 및 자기공명 영상장치(MRI)가 널리 사용되고 있다. In recent years, magnetic resonance spectroscopy (MR) and magnetic resonance imaging (MRI) devices have been widely used, which are designed to visually observe the inside of a human body to more clearly identify and diagnose various diseases and lesions.
이러한 MR 및 MRI는, X선을 이용하는 기존의 X-ray 검사나 컴퓨터 단층촬영(Computerized Tomography ; CT) 등과 달리, 인체에 자기장을 인가하여 체내의 수소 원자핵이 공명하는 신호를 이용하여 영상을 얻는 것으로, 근육이나 연골 등 연부 조직 질환이나 암 진단을 위해 주로 사용된다. Unlike conventional X-ray examination using X-ray or computed tomography (CT), such MR and MRI are obtained by applying a magnetic field to a human body and obtaining images using a signal resonating with a hydrogen nucleus in the body , Muscle and cartilage, soft tissue disease and cancer diagnosis is mainly used.
여기서, MR 및 MRI는, 일반적으로, 최초 사용시 자기장의 균일도를 조정하는 과정이 필요하며, 또한, 자기장은 주변환경에 존재하는 여러 가지 금속물질들에 의해 왜곡되는 경우가 발생하는 데 더하여, 기존에 설치되어 있던 장비와도 서로 영향을 받게 되므로, 보다 정확한 영상을 얻기 위하여는 MR이나 MRI의 주자장을 보다 더 균질하게 만드는 쉬밍(shimming) 작업이 필요하다. Here, MR and MRI generally require a process of adjusting the uniformity of the magnetic field at the time of initial use, and the magnetic field may be distorted by various metallic materials existing in the surrounding environment. In addition, In order to obtain more accurate images, it is necessary to shimming the MR or MRI to make the field of view more homogeneous.
더 상세하게는, 쉬밍이란, MR이나 MRI의 주자장 균질도를 향상시키기 위한 작업으로, 패시브 쉬밍(passive shimming)과 액티브 쉬밍(active shimming)의 두 가지 방법이 있으며, 일반적으로 두 가지 방법중 하나를 수행하게 되나 경우에 따라서는 두 가지 방법을 모두 수행할 수도 있다. More specifically, shimming is a task to improve the homogeneity of the magnetic field of MR or MRI. There are two methods of passive shimming and active shimming, and generally one of the two methods However, in some cases, both methods can be performed.
먼저, 패시브 쉬밍은 마그넷 보어 안쪽에 철이나 강철과 같은 금속 또는 강자성체 펠릿 조각들을 규칙적인 패턴으로 특정 위치에 삽입하여 자장을 보정하고, 정해진 균질도에 도달할 때까지 이러한 과정을 반복하는 방법으로, 추가적인 전원이 필요 없고 적은 비용으로 모든 자장성분을 보정할 수 있는 장점이 있으나, 철편과 같은 물질은 온도에 민감하므로 보어가 열을 받았을 때 자장의 변화를 초래할 수 있고 시간이 오래 걸리는 단점이 있다. First, passive shimming is a method of inserting metal or ferromagnetic pellets such as iron or steel inside a magnet bore into a specific pattern in a regular pattern to correct the magnetic field and repeating this process until a predetermined homogeneity is reached, Although there is no need for an additional power source and it is possible to calibrate all the magnetic field components at a low cost, materials such as iron pieces are temperature-sensitive, which can cause a change in magnetic field when the bore is heated.
반면, 액티브 쉬밍은 필드매핑(field mapping) 작업을 통해 자속밀도(magnetic field density)를 성분별로 분류하고, 각 성분을 조정할 수 있도록 특별히 제작된 전용의 심(shim) 코일에 직접적으로 전류를 인가하여 자기장을 조정하는 방법으로, 패시브 시밍에 비해 보다 향상된 균질도를 구현할 수 있고 각각의 불균일 자장 성분에 대하여 독립적으로 보정을 수행할 수 있는 장점이 있어 최근 많이 사용되고 있다. Active shimming, on the other hand, classifies magnetic field densities by field mapping and applies a direct current to a specially designed shim coil to adjust each component As a method of adjusting the magnetic field, it is possible to realize more improved homogeneity than passive seaming, and to perform correction independently for each non-uniform magnetic field component.
여기서, 상기한 바와 같이 MR이나 MRI의 자기장 분포 및 공간 균일도를 개선하기 위하여 행해지는 액티브 쉬밍 장치 및 방법에 대한 종래기술의 예로는, 예를 들면, 한국 공개특허공보 제10-1767214호에 따르면, 적어도 하나의 자석 및 RF 코일을 포함하는 자기공명 영상장치의 보어를 통하여 대상체에 자장 및 고주파를 인가하고 보어에 형성된 자장에 대응되는 정자장 필드맵(static magnetic field map)을 획득하는 단계; 정자장 필드맵에 기초하여 다수개의 쉼채널(shim channel)을 이용한 쉬밍을 수행하는 단계; RF 코일로부터 FID(free induction decay) 신호를 수신하는 단계; 및 FID 신호가 소정의 기준을 충족하는지의 여부에 근거하여 자장의 상태를 판단하고 쉬밍의 중단 여부를 제어하는 단계를 포함하여, 쉬밍의 횟수를 감소시키면서 자기장의 균질도를 향상시킬 수 있도록 구성되는 자기공명 영상장치 및 그에 따른 자기공명 영상장치의 쉬밍방법이 제시된 바 있다. As an example of the prior art for the active shimming apparatus and method for improving the magnetic field distribution and the spatial uniformity of MR or MRI as described above, for example, in Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-1767214, Applying a magnetic field and a high frequency to a subject through a bore of a magnetic resonance imaging apparatus including at least one magnet and an RF coil and obtaining a static magnetic field map corresponding to a magnetic field formed in the bore; Performing shimming using a plurality of shim channels based on a sperm field field map; Receiving a free induction decay (FID) signal from an RF coil; And determining whether the FID signal satisfies a predetermined criterion to determine the state of the magnetic field and controlling whether or not to stop the shimming so as to improve the homogeneity of the magnetic field while reducing the number of times of shimming A magnetic resonance imaging apparatus and a shimming method of the magnetic resonance imaging apparatus have been proposed.
또한, 상기한 바와 같이 MR이나 MRI의 자기장 분포 및 공간 균일도를 개선하기 위하여 행해지는 액티브 쉬밍 장치 및 방법에 대한 종래기술의 다른 예로는, 예를 들면, 한국 공개특허공보 제10-1767214호에 따르면, 트랜스시브(transceive) 코일을 이용하여 피검체를 향하여 RF 신호들을 인가하고 피검체에서 발생되는 자기공명 신호들을 획득하는 단계; 하나 이상의 리시브(receive) 코일들을 이용하여 피검체에서 발생되는 자기공명 신호들을 획득하는 단계; 리시브 코일들이 획득한 자기공명 신호들의 위상오프셋(offset)을 보정(calibration)하는 단계; 및 트랜스시브 코일이 획득한 자기공명 신호들 및 보정된 자기공명 신호들을 이용하여 트랜스시브 코일이 인가할 RF 신호들을 생성하는 단계를 포함하여, 자기공명 신호를 수신하는 과정에서 리시브 코일을 추가로 이용함으로써 고품질의 쉬밍결과를 획득할 수 있고, 쉬밍을 위한 영상 획득시간을 단축시킬 수 있도록 구성되는 RF 트랜스시브 코일 및 RF 리시브 코일을 이용한 B1 자기장의 쉬밍방법 및 장치가 제시된 바 있다. As another example of the prior art for the active shimming apparatus and method for improving the magnetic field distribution and the spatial uniformity of MR or MRI as described above, for example, according to Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-1767214 Applying RF signals to the subject using a transceive coil and obtaining magnetic resonance signals generated in the subject; Acquiring magnetic resonance signals generated in the subject using one or more receive coils; Calibrating a phase offset of the magnetic resonance signals acquired by the receive coils; And generating RF signals to be applied by the transceiver coil using the magnetic resonance signals acquired by the transceiver coil and the corrected magnetic resonance signals so as to further utilize the receive coil in the process of receiving the magnetic resonance signal A method and an apparatus for shimming the B1 magnetic field using the RF transceiver coil and the RF receive coil, which are configured to obtain high-quality shimming results and shorten the image acquisition time for shimming, have been proposed.
상기한 바와 같이, 종래, MR이나 MRI의 액티브 쉬밍 장치 및 방법에 관한 여러 가지 기술내용들이 제시된 바 있으나, 상기한 바와 같은 종래기술의 내용들은 다음과 같은 문제점이 있는 것이었다. As described above, various technologies related to the active shimming apparatus and method of MR or MRI have been proposed. However, the above-described conventional arts have the following problems.
즉, 더 상세하게는, 기존의 액티브 쉬밍 장치 및 방법들은, 각각의 불균일 자장 성분에 대하여 독립적으로 보정을 수행할 수 있는 장점이 있으나, 추가로 전원이 필요하고 고차의 자장 성분을 보정하기 위해서는 그만큼 부피가 커지고 고비용이 요구되는 단점이 있다. More specifically, the existing active shimming apparatuses and methods have the advantage of being able to perform correction independently for each of the non-uniform magnetic field components, but in order to further correct the higher-order magnetic field components, Which is disadvantageous in that it is bulky and expensive.
아울러, 기존의 액티브 쉬밍 장치 및 방법들은, 심코일(shim coil)을 이용한 필드매핑(field mapping)을 통하여 자기장 성분을 분석하는 과정이 필요하므로, 이를 위한 장비(field mapper)가 필요하고 필드매핑을 위한 시간이 소요되는 데 더하여, 필드매핑시의 측정오차나 계산상의 오차로 인해 정확성이 떨어지는 단점 또한 가지는 것이었다. In addition, existing active shimming apparatuses and methods require a process of analyzing magnetic field components through field mapping using a shim coil, so a device (field mapper) is required and a field mapping In addition, it has a disadvantage in that accuracy is degraded due to measurement errors or computational errors in field mapping.
여기서, 이러한 문제점을 해결하기 위해 수작업으로 일일이 심코일의 전류값을 조정하면서 균일도를 맞추는 것에 의해 필드매핑 과정 없이 액티브 쉬밍 작업을 수행하는 방법이 있으나, 이러한 경우는 시간이 오래 걸리는 데 더하여 매우 숙련된 기술자가 필요하다는 문제점이 있다. Here, in order to solve such a problem, there is a method of manually performing an active shimming operation by adjusting the current value of the shim coil and adjusting the uniformity thereof without the field mapping process. However, in such a case, There is a problem that a technician is needed.
더욱이, 고온 초전도(대략 77K ~ 90K) 자석을 이용한 MR이나 MRI의 경우, 고온 초전도 선재의 차폐전류로 인해 자기장의 시간 안정도가 낮아지고 시간에 따라 자기장 분포가 변화하게 되므로 이를 극복하기 위해서는 기존의 저온 초전도(대략 10K 이하) MR이나 MRI의 경우보다 쉬밍 주기가 짧아질 필요가 있으나, 쉬밍시마다 매핑을 하거나 기술자를 호출하는 것은 매우 비생산적인 문제도 있다. Furthermore, in the case of MR or MRI using a high-temperature superconducting magnet (approximately 77K to 90K), the time stability of the magnetic field is lowered due to the shielding current of the high-temperature superconducting wire and the magnetic field distribution changes with time. Superconductivity (approximately 10K or less) It is necessary to shorten the shimming cycle compared to MR or MRI, but it is very unproductive to map each time shim or call a technician.
이에, 상기한 바와 같은 종래기술의 액티브 쉬밍 장치 및 방법들의 문제점을 해결하기 위하여는, 필드매핑 작업이 필요 없이 자동화 기술을 이용하여 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 신속하고 정확하게 액티브 쉬밍 작업을 수행할 수 있도록 구성되는 새로운 구성의 액티브 쉬밍 장치 및 방법을 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제시되지 못하고 있는 실정이다. In order to solve the problems of the conventional active shimming apparatuses and methods as described above, there is a need for an automatic shimming apparatus that can perform quick and accurate active shimming operations at a low cost, It is desirable to provide an active shimming apparatus and method of a new configuration. However, a device or a method that satisfies all of such requirements has not been proposed yet.
[선행기술문헌] [Prior Art Literature]
1. 한국 공개특허공보 제10-1767214호 (2017.08.04.) 1. Korean Patent Publication No. 10-1767214 (Apr.
2. 한국 공개특허공보 제10-2014-0103770호 (2014.08.27.) 2. Korean Patent Publication No. 10-2014-0103770 (Aug.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 심코일(shim coil)을 이용한 필드매핑(field mapping)을 통하여 자기장 성분을 분석하는 과정이 필요하므로 이를 위한 장비(field mapper)가 필요하고 필드매핑을 위한 시간이 소요되는 데 더하여, 필드매핑시의 측정오차나 계산상의 오차로 인해 정확성이 떨어지는 단점이 있으며, 필드매핑 과정 없이 액티브 쉬밍 작업을 수행하기 위하여는 시간이 오래 걸리고 매우 숙련된 기술자가 필요하다는 문제점이 있었던 종래기술의 액티브 쉬밍 장치 및 방법들의 문제점을 해결하기 위해, 유전 알고리즘을 이용한 최적화 기술 및 자동화 기술을 통해 필드매핑 작업이 필요 없이 액티브 쉬밍 작업을 수행할 수 있도록 구성됨으로써, 보다 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 신속하고 정확하게 효율적으로 쉬밍 작업을 수행할 수 있도록 구성되는 자기공명 분광장치 및 자기공명 영상장치의 자기장 균일도 개선을 위한 액티브 쉬밍 시스템 및 이를 이용한 액티브 쉬밍 방법을 제공하고자 하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a method of analyzing a magnetic field component through field mapping using a shim coil, In addition to the time required for field mapping, field mapping is required. In addition, there is a disadvantage in that accuracy is degraded due to measurement errors or calculation errors in field mapping. In order to perform active shimming without field mapping, In order to solve the problems of the prior art active shimming apparatuses and methods in which a long time consuming and highly skilled engineer is required, there is a need for an active shimming apparatus So that a simpler configuration and lower cost can be achieved. An active shimming system for improving magnetic field uniformity of a magnetic resonance spectroscopy apparatus and a magnetic resonance imaging apparatus configured to perform shimming operations quickly and accurately, and an active shimming method using the same.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기한 바와 같이 자동화 기술을 이용하여 필드매핑 작업이 필요 없이 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 신속하고 정확하게 액티브 쉬밍 작업을 수행할 수 있도록 구성됨으로써, 절대온도(0K, -273℃) 보다 높은 임계온도에서 초전도 특성을 나타내는 초전도 자석 중 액체헬륨(4.2K, -269℃)에서 초전도 특성을 나타내는 저온 초전도(대략 10K 이하)가 요구되는 종래기술의 액티브 쉬밍 방법 및 장치들의 단점을 개선하여, 액체질소(-196℃)에서 초전도 현상이 일어나는 고온 초전도(대략 77K ~ 90K)에도 적용 가능한 장점을 가지는 자기공명 분광장치 및 자기공명 영상장치의 자기장 균일도 개선을 위한 액티브 쉬밍 시스템 및 이를 이용한 액티브 쉬밍 방법을 제공하고자 하는 것이다. It is another object of the present invention to provide an automatic shimming apparatus capable of performing an active shimming operation quickly and accurately with a simple configuration and a low cost without requiring a field mapping operation using an automation technology as described above, Disadvantages of prior art active shimming methods and apparatuses requiring superconducting low-temperature superconductivity (approximately 10K or less) exhibiting superconductivity in liquid helium (4.2K, -269 ° C) among superconducting magnets exhibiting superconducting characteristics at a critical temperature higher than the threshold temperature And an active shimming system for improving the magnetic field uniformity of a magnetic resonance imaging apparatus and a magnetic resonance imaging apparatus having an advantage of being applicable to high temperature superconductivity (about 77K to 90K) in which superconducting phenomenon occurs at liquid nitrogen (-196 ° C) And to provide an active shimming method using the same.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 자기공명 분광장치(Magnetic Resonance spectrometer ; MR) 및 자기공명 영상장치(Magnetic Resonance Imaging ; MRI)의 자기장 균일도 개선을 위한 액티브 쉬밍 시스템에 있어서, MR이나 MRI의 초전도 자석 내외부의 공간에 삽입되는 액티브 심코일; 상기 액티브 심코일에 전류를 공급하는 전류공급부; 상기 전류공급부를 통하여 상기 액티브 심코일에 인가된 전류에 의해 상기 MR이나 상기 MRI로부터 발생되는 자기공명(MR 또는 MRI) 신호를 검출하는 신호검출부; 및 상기 전류공급부를 통하여 상기 액티브 심코일에 인가되는 전류값을 제어하고 상기 액티브 쉬밍 시스템에 의해 수행되는 액티브 쉬밍 과정의 전체적인 동작을 제어하는 제어부를 포함하여 구성되며, 상기 제어부의 제어에 의해 상기 전류공급부를 통하여 상기 액티브 심코일에 미리 설정된 전류값을 인가하여 자기장을 발생시키고, 상기 액티브 심코일에 의해 발생된 자기장에 따른 응답으로 발생된 자기공명(MR 또는 MRI) 신호를 상기 신호검출부를 통해 검출하며, 검출된 자기공명 신호의 스펙트럼을 분석하고, 분석결과에 따라 자기장의 균일도가 미리 설정된 목표값으로 수렴될 때까지 반복작업을 수행하는 처리가 자동으로 수행되도록 구성됨으로써, 기존의 액티브 쉬밍 방법에 비하여 필드매핑(field mapping) 과정이 필요없이 보다 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 신속하고 정확하게 쉬밍작업이 이루어질 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 액티브 쉬밍 시스템이 제공된다. According to an aspect of the present invention, there is provided an active shimming system for improving magnetic field uniformity of a magnetic resonance spectrometer (MR) and a magnetic resonance imaging (MRI) An active core coil inserted in a space inside and outside of a superconducting magnet of MR or MRI; A current supplier for supplying a current to the active center coil; A signal detector for detecting a magnetic resonance (MR or MRI) signal generated from the MR or the MRI by a current applied to the active heart coil through the current supply unit; And a control unit for controlling the current value applied to the active shim coil through the current supply unit and for controlling the overall operation of the active shimming process performed by the active shimming system, (MR or MRI) signal generated in response to a magnetic field generated by the active core coil is detected through the signal detection unit by applying a predetermined current value to the active center coil through a supply unit, The process of analyzing the spectrum of the detected magnetic resonance signal and performing the iterative operation until the uniformity of the magnetic field converges to the preset target value is automatically performed according to the analysis result, In comparison with the field mapping process, Swiming the active system being configured to be made is provided, and working swiming quickly and accurately as ryeomhan cost.
여기서, 상기 액티브 심코일은, 구리 또는 초전도선으로 형성되고 상기 초전도 자석의 각각의 자기장 성분에 대응하는 채널 수만큼 미리 정해진 패턴으로 형성되는 복수의 코일이 구비되어, 상기 전류공급부를 통해 공급되는 전류값에 따라 각각의 채널별로 상기 초전도 자석의 각각의 자기장 성분에 대응하는 자기장을 각각 발생시키도록 구성되는 것을 특징으로 한다. Here, the active seam coil includes a plurality of coils formed of copper or superconducting lines and formed in a predetermined pattern by the number of channels corresponding to the respective magnetic field components of the superconducting magnets, And generates a magnetic field corresponding to each magnetic field component of the superconducting magnet for each channel according to the value of the magnetic field.
또한, 상기 제어부는, 상기 액티브 심코일에 형성된 채널 수만큼 최적화 변수를 설정하고, 각각의 최적화 변수에 대하여 임의의 값을 설정하여 복수의 초기해 그룹(population)을 설정하는 초기해 그룹 설정단계; 상기 초기해 그룹 설정단계에서 설정된 각각의 초기해 그룹의 해들에 대응하는 자기공명(MR 또는 MRI) 신호를 각각 검출하는 신호검출단계; 상기 신호검출단계를 통해 검출된 자기공명 신호에 스펙트럼 분석을 행하여 선폭을 산출하는 것에 의해 각각의 해들에 대한 적합도를 나타내는 목적함수(object function)를 도출하는 목적함수 도출단계; 상기 목적함수 도출단계에서 도출된 적합도(선폭)에 근거하여 각각의 해집합의 순위를 결정하고, 각각의 해집합들을 순위에 따라 정렬하는 순위선정단계; 상기 순위선정단계에서 순위별로 정렬된 해집합들 중 일정 순위 이내의 상위 해집합들에 유전 알고리즘 기법을 적용하여 다음 세대의 해집합을 새로 구성하는 해집합 재구성단계; 및 상기 해집합 재구성단계에서 생성된 다음 세대의 해집합을 이용하여 미리 설정된 목표값이나 세대수에 도달할 때까지 상기 신호검출단계, 상기 목적함수 도출단계, 상기 순위선정단계 및 상기 해집합 재구성단계의 처리과정을 반복 수행하는 반복처리단계를 포함하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. The control unit may further include an initial seed group setting step of setting an optimization variable for the number of channels formed in the active shim coil and setting a plurality of initial population groups by setting an arbitrary value for each optimization variable; A signal detection step of detecting magnetic resonance (MR or MRI) signals corresponding to solutions of each initial solution group set in the initial solution group setting step, respectively; An objective function derivation step of deriving an object function representing a fitness for each of the solutions by performing spectral analysis on the magnetic resonance signal detected through the signal detection step to calculate a line width; Determining a ranking of each solution set based on the fitness (line width) derived in the derivation of the objective function, and arranging the solution sets according to the ranking; A solution set reconstruction step of constructing a solution set of a next generation by applying a genetic algorithm technique to a set of higher-order solutions within a certain rank among the solution sets sorted in order in the ranking step; And deriving the objective function, the ranking step, and the solution set reconstruction step until reaching a preset target value or a household number using the solution set of the next generation generated in the solution set reconstruction step And a processing including an iterative processing step of repeating a processing procedure is performed.
여기서, 상기 초기해 그룹 설정단계는, 상기 액티브 심코일의 각각의 채널에 대응하는 초기해들의 그룹을 하나의 해집합으로 하여, 미리 정해진 수만큼의 해집합을 생성하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. Here, the initialization group setting step may be configured to perform a process of generating a predetermined number of solution sets by using a group of initial solutions corresponding to each channel of the active control channel as one solution set .
아울러, 상기 신호검출단계는, 상기 초기해 그룹 설정단계에서 설정된 각각의 초기해 그룹의 해들에 대응하는 값의 전류를 상기 전류공급부를 통하여 상기 액티브 심코일에 차례로 인가하고, 인가된 전류에 의해 발생되는 자기공명(MR 또는 MRI) 신호를 상기 신호검출부를 통하여 각각 검출하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. The signal detection step sequentially applies a current having a value corresponding to the solution of each initial solution group set in the initial solution group setting step to the active heart coil through the current supply unit, (MR or MRI) signal is detected through the signal detecting unit, respectively.
더욱이, 상기 목적함수 도출단계는, 상기 신호검출부를 통해 검출된 자기공명(MR 또는 MRI) 신호의 스펙트럼 분석을 행하여 스펙트럼상 최대값의 절반에 해당하는 X축 위치의 거리값(최대반값폭, Full Width at Half Maximum ; FWHM)에 해당하는 선폭을 계산하고, 상기 선폭을 각 해집합에 포함된 각각의 해에 대한 적합도를 나타내는 목적함수로서 도출하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. Further, the deriving the objective function may include performing a spectral analysis of a magnetic resonance (MR or MRI) signal detected through the signal detecting unit to calculate a distance value (maximum full width at half maximum, Width at Half Maximum (FWHM), and deriving the line width as an objective function indicating a fitness for each solution included in the set.
또한, 상기 순위선정단계는, 상기 목적함수 도출단계에서 도출된 적합도에 근거하여, 선폭이 작은 순서대로 각각의 해집합의 순위를 결정하고 각각의 해집합들을 순위대로 재정렬하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. The ranking step may be configured to determine the order of each solution set in order of decreasing linewidth and to rearrange the solution sets in order based on the fitness derived from the objective function derivation step .
아울러, 상기 목적함수 도출단계 및 상기 순위선정단계는, 상기 선폭에 더하여, 자유유도감쇠(Free Induction Decay ; FID)를 함께 비교 분석하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. In addition, the objective function deriving step and the ranking step are configured to perform a process of comparing and analyzing free induction decay (FID) together with the linewidth.
더욱이, 상기 해집합 재구성단계는, 상기 순위선정단계에서 순위별로 정렬된 해집합들 중 미리 정해진 일정 순위 이내의 상위 해집합들에 대하여 선택, 교배 및 변이를 포함하는 유전 알고리즘 기법을 적용하여, 초기해 그룹의 해집합 수만큼에 해당하는 다음 세대의 해집합을 새로이 구성하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. Further, in the above-mentioned solution reconstruction step, a genetic algorithm technique including selection, mating and mutation is applied to the higher-order solution sets within a predetermined predetermined rank among the solution solutions sorted in order in the ranking step, And a process of newly constructing a solution set of the next generation corresponding to the number of sets of solutions of the solution group is performed.
또한, 상기 반복처리단계는, 상기 해집합 재구성단계에서 생성된 다음 세대의 해집합을 이용하여 미리 설정된 목표값이나 세대수에 도달할 때까지 상기 신호검출단계, 상기 목적함수 도출단계, 상기 순위선정단계 및 상기 해집합 재구성단계의 처리과정을 반복 수행하고, 설정된 목표값이나 세대수에 도달하면 처리를 종료하여 쉬밍 작업을 완료하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. In addition, the iterative processing step may include a step of performing the signal detection step, the objective function deriving step, the ranking step, and the step of deriving the target signal, until reaching a preset target value or a household number by using a solution set of the next generation generated in the solution- And the process of the solution reconstruction step is repeatedly performed. When reaching the set target value or the number of households, the processing is terminated and processing for completing the chiming operation is performed.
아울러, 상기 제어부는, 상기 액티브 심코일의 각 채널별 전류값의 집합을 각각의 해집합으로 설정하고, 상기 액티브 심코일의 각 채널별 코일전류의 한계값을 각 해의 경계값으로 설정하도록 구성되는 것을 특징으로 한다. The control unit sets the set of current values for each channel of the active shim coil to each set of solutions and sets the limit value of the coil current for each channel of the active shim coil to the boundary value of each year .
더욱이, 상기 액티브 쉬밍 시스템은, 사용자 인터페이스(User Interface ; UI)를 통하여 초기값이나 목적값을 포함하는 기초적인 설정을 입력하면, 각각의 해값에 따라 상기 전류공급부의 출력을 제어하여 자기공명 스펙트럼을 검출하고, 각 해집합 내의 해들에 대한 자기공명 신호를 분석하여 유전 알고리즘을 통해 새로운 해집합을 생성하는 과정을 반복하여 최종적으로 구해진 해집합의 값들을 자기장의 공간 균일도를 개선하는 최적의 심코일 전류값으로 결정하는 처리과정이 상기 제어부에 의해 자동으로 수행되도록 구성됨으로써, 필드매핑 절차가 필요하여 장비(field mapper) 및 시간이 소요되는 데 더하여, 측정오차나 계산상의 오차로 인해 정확성이 떨어지는 단점이 있었던 종래기술의 액티브 쉬밍 방법 및 장치들에 비하여 필드매핑 과정이나 숙련된 기술자가 필요 없이 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 신속하고 정확하게 쉬밍작업이 이루어질 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다. Further, the active shimming system may be configured such that, when a basic setting including an initial value or a target value is inputted through a user interface (UI), the output of the current supply unit is controlled according to each solution value to obtain a magnetic resonance spectrum And the magnetic resonance signals for the solutions in each set are analyzed to generate a new solution set through a genetic algorithm, and finally the values of the solution set are multiplied by the optimum coils Current value is automatically performed by the control unit, it is necessary to provide a field mapper and a time to perform a field mapping procedure. In addition, the accuracy of the measurement is reduced due to a measurement error or a calculation error Compared with the prior art active shimming methods and apparatuses, So that the shimming operation can be performed quickly and accurately at a low cost with a simple configuration without requiring a technician.
또한, 본 발명에 따르면, 상기에 기재된 자기공명 분광장치 및 자기공명 영상장치의 자기장 균일도 개선을 위한 액티브 쉬밍 시스템을 이용하여 액티브 쉬밍 작업을 수행하도록 구성되는 액티브 쉬밍 방법에 있어서, 상기 액티브 쉬밍 시스템의 액티브 심코일에 형성된 채널 수만큼 최적화 변수를 설정하고 각각의 최적화 변수에 대하여 임의의 값을 설정하는 것에 의해, 상기 액티브 심코일의 각각의 채널에 대응하는 초기해들의 그룹을 하나의 해집합으로 하여 미리 설정된 수만큼의 해집합을 생성하여 복수의 초기해 그룹(population)을 설정하는 처리가 수행되는 초기해 그룹 설정단계; 상기 액티브 쉬밍 시스템의 전류공급부를 통하여 상기 초기해 그룹 설정단계에서 설정된 각각의 초기해 그룹의 해들에 대응하는 값의 전류를 상기 액티브 심코일에 차례로 인가하고, 인가된 전류에 의해 발생되는 자기공명(MR 또는 MRI) 신호를 상기 액티브 쉬밍 시스템의 신호검출부를 통하여 각각 검출하는 것에 의해, 상기 초기해 그룹 설정단계에서 설정된 각각의 초기해 그룹의 해들에 대응하는 자기공명(MR 또는 MRI) 신호를 각각 검출하는 처리가 수행되는 신호검출단계; 상기 액티브 쉬밍 시스템의 제어부를 통하여, 상기 신호검출단계를 통해 검출된 자기공명(MR 또는 MRI) 신호의 스펙트럼 분석을 행하여 스펙트럼상 최대값의 절반에 해당하는 X축 위치의 거리값(최대반값폭, Full Width at Half Maximum ; FWHM)에 해당하는 선폭을 계산하고, 상기 선폭을 각 해집합에 포함된 각각의 해에 대한 적합도를 나타내는 목적함수(object function)로서 도출하는 처리가 수행되는 목적함수 도출단계; 상기 액티브 쉬밍 시스템의 제어부를 통하여, 상기 목적함수 도출단계에서 도출된 적합도(선폭)에 근거하여 선폭이 작은 순서대로 각각의 해집합의 순위를 결정하고, 각각의 해집합들을 순위에 따라 정렬하는 처리가 수행되는 순위선정단계; 상기 액티브 쉬밍 시스템의 제어부를 통하여, 상기 순위선정단계에서 순위별로 정렬된 해집합들 중 미리 정해진 일정 순위 이내의 상위 해집합들에 대하여 선택, 교배 및 변이를 포함하는 유전 알고리즘 기법을 적용하여 초기해 그룹의 해집합 수만큼에 해당하는 다음 세대의 해집합을 새로이 구성하는 처리가 수행되는 해집합 재구성단계; 및 상기 액티브 쉬밍 시스템의 제어부를 통하여, 상기 해집합 재구성단계에서 생성된 다음 세대의 해집합을 이용하여 미리 설정된 목표값이나 세대수에 도달할 때까지 상기 신호검출단계, 상기 목적함수 도출단계, 상기 순위선정단계 및 상기 해집합 재구성단계의 처리과정을 반복 수행하고, 미리 설정된 목표값이나 세대수에 도달하면 처리를 종료하여 쉬밍 작업을 완료하는 처리가 수행되는 반복처리단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 액티브 쉬밍 방법이 제공된다. According to the present invention, there is also provided an active shimming method for performing an active shimming operation using an active shimming system for improving magnetic field uniformity of a magnetic resonance spectroscopy apparatus and a magnetic resonance imaging apparatus described above, An optimization parameter is set for the number of channels formed in the active center coil and an arbitrary value is set for each optimization variable so that a group of initial solutions corresponding to each channel of the active center coil is set as one set of solutions An initial solution group setting step in which a process of generating a predetermined number of solution sets and setting a plurality of initial solution groups is performed; Wherein the active shimming system is configured to sequentially apply currents corresponding to the solutions of the initial solution group set in the initial solution group setting step to the active shim coil through the current supply unit of the active shimming system, (MR or MRI) signals corresponding to solutions of each initial solution group set in the initial solution group setting step are detected by the signal detection unit of the active shimming system, respectively, A signal detecting step in which a process of detecting each signal is performed; Spectrum analysis of the magnetic resonance (MR or MRI) signal detected through the signal detection step is performed through the controller of the active shimming system to calculate a distance value (maximum half width, FWHM), and deriving the line width as an object function representing a fitness for each solution included in the set, and performing an objective function derivation step ; The order of the respective solution sets is determined in order of the linewidths based on the fitness (line width) derived in the derivation of the objective function through the controller of the active shimming system, and the process of sorting the solution sets according to the ranking Is performed; Through the control section of the active shimming system, a genetic algorithm technique including selection, mating and mutation is applied to the higher-order solution sets within a predetermined rank order among the solution solutions sorted in the ranking order in the ranking step, A set reconstruction step of performing a process of newly constructing a set of solutions of the next generation corresponding to the number of sets of solutions of the group; And a control unit of the active shimming system, the signal detection step, the objective function deriving step, the ranking step, and the step of calculating the target function are repeated until a predetermined target value or household number is reached, using the solution set of the next generation generated in the solution- And a repetitive processing step of repeating the process of the selecting step and the collective reconstitution step and completing the shimming operation when the preset target value or the number of households reaches a predetermined number of times. An active shimming method is provided.
여기서, 상기 목적함수 도출단계 및 상기 순위선정단계는, 상기 선폭에 더하여, 자유유도감쇠(Free Induction Decay ; FID)를 함께 비교 분석하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. Here, the objective function deriving step and the ranking step are configured to perform a process of comparing and analyzing free induction decay (FID) together with the linewidth.
아울러, 상기 액티브 쉬밍 방법은, 상기 액티브 심코일의 각 채널별 전류값의 집합을 각각의 해집합으로 설정하고, 상기 액티브 심코일의 각 채널별 코일전류의 한계값을 각 해의 경계값으로 설정하도록 구성되는 것을 특징으로 한다. The active shimming method may further include setting a set of current values for each channel of the active shim coil as a set of solutions and setting a limit value of the coil current for each channel of the active shim coil as a boundary value of each solution .
더욱이, 상기 액티브 쉬밍 방법은, 사용자 인터페이스(User Interface ; UI)를 통하여 초기값이나 목적값을 포함하는 기초적인 설정을 입력하면, 각각의 해값에 따라 상기 전류공급부의 출력을 제어하여 자기공명 스펙트럼을 검출하고, 각 해집합 내의 해들에 대한 자기공명 신호를 분석하여 유전 알고리즘을 통해 새로운 해집합을 생성하는 과정을 반복하여 최종적으로 구해진 해집합의 값들을 자기장의 공간 균일도를 개선하는 최적의 심코일 전류값으로 결정하는 처리과정이 자동으로 수행되도록 구성됨으로써, 필드매핑 절차가 필요하여 장비(field mapper) 및 시간이 소요되는 데 더하여, 측정오차나 계산상의 오차로 인해 정확성이 떨어지는 단점이 있었던 종래기술의 액티브 쉬밍 방법 및 장치들에 비하여 필드매핑 과정이나 숙련된 기술자가 필요 없이 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 신속하고 정확하게 쉬밍작업이 이루어질 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다. The active shimming method may further include the steps of controlling the output of the current supply unit according to each solution value to input a basic setup including an initial value or a target value through a user interface (UI) And the magnetic resonance signals for the solutions in each set are analyzed to generate a new solution set through a genetic algorithm, and finally the values of the solution set are multiplied by the optimum coils Current value is automatically performed so that the field mapping process is required to provide a field mapper and time, and the accuracy of the measurement is reduced due to a measurement error or a calculation error. The field shuffling process or the skilled technician is not needed in comparison with the active shimming method and apparatus of So that the shimming operation can be performed quickly and accurately at a low cost and at a low cost.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 유전 알고리즘을 이용한 최적화 기술 및 자동화 기술을 통해 필드매핑 작업이 필요 없이 액티브 쉬밍 작업을 수행할 수 있으므로 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 신속하고 정확하게 효율적으로 쉬밍 작업을 수행할 수 있도록 구성되는 자기공명 분광장치 및 자기공명 영상장치의 자기장 균일도 개선을 위한 액티브 쉬밍 시스템 및 이를 이용한 액티브 쉬밍 방법이 제공됨으로써, 심코일(shim coil)을 이용한 필드매핑(field mapping)을 통하여 자기장 성분을 분석하는 과정이 필요하므로 이를 위한 장비(field mapper)가 필요하고 필드매핑을 위한 시간이 소요되는 데 더하여, 필드매핑시의 측정오차나 계산상의 오차로 인해 정확성이 떨어지는 단점이 있으며, 필드매핑 과정 없이 액티브 쉬밍 작업을 수행하기 위하여는 시간이 오래 걸리고 매우 숙련된 기술자가 필요하다는 문제점이 있었던 종래기술의 액티브 쉬밍 장치 및 방법들의 문제점을 해결할 수 있다. As described above, according to the present invention, since the active shimming operation can be performed without the field mapping operation through the optimization technique and the automation technology using the genetic algorithm, the shimming operation can be performed quickly and accurately at a low cost and simple structure The active shimming system for improving the magnetic field uniformity of the magnetic resonance imaging apparatus and the active shimming method using the magnetic resonance spectroscopy apparatus and the active shimming method using the same, (Field mapper) is required and time for field mapping is required. In addition, there is a disadvantage in that accuracy is degraded due to measurement error or calculation error in field mapping, and field mapping In order to perform active chiming without process, time It is possible to solve the problems of the prior art active shimming apparatuses and methods which have a problem that it takes a long time and requires a very skilled engineer.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 자동화 기술을 이용하여 필드매핑 작업이 필요 없이 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 신속하고 정확하게 액티브 쉬밍 작업을 수행할 수 있도록 구성되는 자기공명 분광장치 및 자기공명 영상장치의 자기장 균일도 개선을 위한 액티브 쉬밍 시스템 및 이를 이용한 액티브 쉬밍 방법이 제공됨으로써, 액체헬륨(4.2K, -269℃)에서 초전도 특성을 나타내는 저온 초전도(대략 10K 이하)가 요구되는 종래기술의 액티브 쉬밍 방법 및 장치들에 비하여 액체질소(-196℃)에서 초전도 현상이 일어나는 고온 초전도(대략 77K ~ 90K)에도 적용 가능한 장점을 가지는 것이다. According to the present invention, there is provided a magnetic resonance spectroscopy apparatus and a magnetic resonance imaging apparatus which are configured to perform a quick and accurate active shimming operation with a simple configuration and a low cost without requiring a field mapping operation using the above- The active shimming system and the active shimming method using the active shimming system for improving the uniformity of the magnetic field of the helium (4.2K, -269 ° C), the active shimming method of the prior art which requires low temperature superconductivity (About 77K to 90K) in which superconducting phenomenon occurs in liquid nitrogen (-196 DEG C) as compared with the devices.
도 1은 종래기술의 액티브 쉬밍 방법에 적용되는 필드매핑 작업을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자기공명 분광장치 및 자기공명 영상장치의 자기장 균일도 개선을 위한 액티브 쉬밍 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 액티브 쉬밍 시스템의 제어부에 의해 수행되는 액티브 쉬밍 방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
도 4는 도 3에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 액티브 쉬밍 방법을 컴퓨터나 전용의 하드웨어에 자동으로 실행시키도록 구성되는 프로그램의 사용자 인터페이스(UI) 구성예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 액티브 쉬밍 시스템의 성능을 평가하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 액티브 쉬밍 시스템을 이용하여 실제 쉬밍 작업을 수행한 결과를 나타낸 도면이다. 1 is a diagram schematically showing a field mapping operation applied to the active shimming method of the related art.
2 is a diagram schematically showing the overall configuration of an active shimming system for improving magnetic field uniformity of a magnetic resonance spectroscopy apparatus and a magnetic resonance imaging apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a flow chart schematically showing the overall configuration of an active shimming method performed by a controller of the active shimming system according to the embodiment of the present invention shown in FIG.
FIG. 4 is a diagram schematically showing an example of a user interface (UI) configuration of a program configured to automatically execute an active shimming method according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 3 on a computer or dedicated hardware.
FIG. 5 is a diagram illustrating a result of performing an actual shimming operation using an active shimming system according to an embodiment of the present invention to evaluate the performance of the active shimming system according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 자기공명 분광장치 및 자기공명 영상장치의 자기장 균일도 개선을 위한 액티브 쉬밍 시스템 및 이를 이용한 액티브 쉬밍 방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, an active shimming system and an active shimming method for improving magnetic field uniformity of a magnetic resonance spectroscopy apparatus and a magnetic resonance imaging apparatus according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다. Hereinafter, it is to be noted that the following description is only an embodiment for carrying out the present invention, and the present invention is not limited to the contents of the embodiments described below.
또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다. In the following description of the embodiments of the present invention, parts that are the same as or similar to those of the prior art, or which can be easily understood and practiced by a person skilled in the art, It is important to bear in mind that we omit.
즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 심코일(shim coil)을 이용한 필드매핑(field mapping)을 통하여 자기장 성분을 분석하는 과정이 필요하므로 이를 위한 장비(field mapper)가 필요하고 필드매핑을 위한 시간이 소요되는 데 더하여, 필드매핑시의 측정오차나 계산상의 오차로 인해 정확성이 떨어지는 단점이 있으며, 필드매핑 과정 없이 액티브 쉬밍 작업을 수행하기 위하여는 시간이 오래 걸리고 매우 숙련된 기술자가 필요하다는 문제점이 있었던 종래기술의 액티브 쉬밍 장치 및 방법들의 문제점을 해결하기 위해, 유전 알고리즘을 이용한 최적화 기술 및 자동화 기술을 통해 필드매핑 작업이 필요 없이 액티브 쉬밍 작업을 수행할 수 있도록 구성됨으로써, 보다 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 신속하고 정확하게 효율적으로 쉬밍 작업을 수행할 수 있도록 구성되는 자기공명 분광장치 및 자기공명 영상장치의 자기장 균일도 개선을 위한 액티브 쉬밍 시스템 및 이를 이용한 액티브 쉬밍 방법에 관한 것이다. That is, as described later, the present invention requires a process of analyzing a magnetic field component through field mapping using a shim coil, so a device (field mapper) is required for the field mapping, In addition to the time required, there is a disadvantage in that accuracy is degraded due to measurement errors and computational errors in field mapping, and it takes a long time to perform an active shimming operation without a field mapping process and requires a highly skilled engineer In order to solve the problems of the prior art active shimming apparatuses and methods, it is possible to perform an active shimming operation without requiring a field mapping operation through an optimization technique and an automation technique using a genetic algorithm, In order to be able to perform shimming operations quickly, accurately and cost effectively, Active swiming system for improving the magnetic field uniformity of the magnetic resonance apparatus and a magnetic resonance imaging apparatus and to a method using the same active swiming.
아울러, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 자동화 기술을 이용하여 필드매핑 작업이 필요 없이 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 신속하고 정확하게 액티브 쉬밍 작업을 수행할 수 있도록 구성됨으로써, 절대온도(0K, -273℃) 보다 높은 임계온도에서 초전도 특성을 나타내는 초전도 자석 중 액체헬륨(4.2K, -269℃)에서 초전도 특성을 나타내는 저온 초전도(대략 10K 이하)가 요구되는 종래기술의 액티브 쉬밍 방법 및 장치들의 단점을 개선하여, 액체질소(-196℃)에서 초전도 현상이 일어나는 고온 초전도(대략 77K ~ 90K)에도 적용 가능한 장점을 가지는 자기공명 분광장치 및 자기공명 영상장치의 자기장 균일도 개선을 위한 액티브 쉬밍 시스템 및 이를 이용한 액티브 쉬밍 방법에 관한 것이다. In addition, as described later, the present invention is configured to perform an active shimming operation quickly and accurately at a low cost with a simple configuration without requiring a field mapping operation by using an automation technology, (Approximately 10K or less) exhibiting superconducting properties in liquid helium (4.2K, -269C) among superconducting magnets exhibiting superconducting characteristics at a critical temperature higher than the critical temperature The present invention relates to an active shimming system for improving magnetic field uniformity of a magnetic resonance spectroscopy apparatus and a magnetic resonance imaging apparatus having an advantage of being applicable to high temperature superconductivity (approximately 77K to 90K) in which superconducting phenomenon occurs in liquid nitrogen (-196 ° C) To a shimming method.
계속해서, 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 자기공명 분광장치 및 자기공명 영상장치의 자기장 균일도 개선을 위한 액티브 쉬밍 시스템 및 이를 이용한 액티브 쉬밍 방법의 구체적인 내용에 대하여 설명한다. The active shimming system for improving the magnetic field uniformity of the magnetic resonance spectroscopy apparatus and the magnetic resonance imaging apparatus according to the present invention and the active shimming method using the same will be described with reference to the drawings.
먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 종래기술의 액티브 쉬밍 방법에 적용되는 필드매핑 작업을 개략적으로 나타내는 도면이다. Referring first to FIG. 1, FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a field mapping operation applied to the active shimming method of the related art.
즉, 기존의 액티브 쉬밍 방법은, MR 및 MRI의 공간 자기장 균일도를 높이기 위해 불균일도를 나타내는 자기장의 다양한 필드 그라디언트(field gradients) 성분들 중 가장 중심이 되는 Z0 성분을 제외한 나머지 성분들을 제거하여 자기장 분포를 균일하게 하는 것으로, 이와 같이 각 성분들을 계산하기 위해서는 도 1에 나타낸 바와 같은 필드매핑 절차가 필요하다. That is, in order to increase the uniformity of the spatial magnetic field of the MR and MRI, the existing active shimming method removes the remaining components except for the Z0 component, which is the most central among various field gradients of the magnetic field, So that the field mapping procedure as shown in FIG. 1 is required to calculate each component as described above.
더 상세하게는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 필드매핑 과정은, MR이나 MRI의 초전도 자석(11) 사이에 금속심(ferro shim)(12)을 삽입하고, 금속심(12)의 둘레를 따라 나선형으로 이동하면서 일정 간격으로 자기장을 각각 측정하여 초전도 자석(11)에 의해 형성되는 자기장의 각각의 위치에 대한 필드 그라디언트(field gradient)를 측정하는 과정이다. More specifically, as shown in FIG. 1, the field mapping process is performed by inserting a
또한, 상기한 바와 같이 하여 필드매핑 과정을 통해 도출된 각각의 필드 그라디언트에 대응되는 심코일들을 준비하여 설치하고, 각각의 심코일에 적절한 전류값을 인가하면 해당하는 필드 그라디언트 성분들이 감소하게 된다. In addition, as described above, the field coils corresponding to the respective field gradients derived through the field mapping process are prepared and installed, and when appropriate current values are applied to the respective coils, corresponding field gradient components are reduced.
따라서 원하는 수준에 도달할 때까지 상기한 과정을 반복하여 불필요한 필드 그라디언트 성분들을 제거하는 것에 의해 자기장을 균일화하는 것이 가능하나, 상기한 바와 같은 종래기술의 액티브 쉬밍 방법은 필드매핑을 수행하기 위한 필드매핑 장비(field mapper) 및 필드매핑을 수행하기 위한 시간이 요구되고, 필드매핑 장비의 측정상의 오차로 인해 필드 그라디언트 계산에 오차가 발생하여 정확도가 떨어지는 문제점이 있으며, 아울러, 필드매핑 과정이 없이 수동으로 심코일 전류를 조정하여 균일도를 맞추는 경우는 시간이 오래 걸리고 매우 숙련된 기술자가 필요하다는 문제점이 있다. Accordingly, it is possible to equalize the magnetic field by removing unnecessary field gradient components by repeating the above process until a desired level is reached. However, the active shimming method of the related art as described above requires a field mapping There is a problem in that time is required to perform field mapper and field mapping and error occurs in calculation of field gradient due to measurement error of field mapping equipment, If the uniformity is adjusted by adjusting the current of the core coil, it takes a long time and requires a highly skilled engineer.
더욱이, 고온 초전도(대략 77K ~ 90K) 자석을 이용한 MR이나 MRI의 경우는 고온 초전도 선재의 차폐전류로 인해 자기장의 시간 안정도가 낮아지고 시간에 따라 자기장 분포가 변화하므로 기존의 저온 초전도(대략 10K 이하) MR이나 MRI보다 쉬밍 주기가 짧아질 필요가 있으나, 매번 필드매핑을 수행하거나 기술자를 호출하는 것은 시간상으로나 비용상으로나 바람직하지 못하므로 고온 초전도 자석을 이용한 MR이나 MRI에는 기존의 액티브 쉬밍 방법을 적용하기 어려운 문제도 있었다. Further, in the case of MR or MRI using high-temperature superconducting magnets (approximately 77K to 90K), the time stability of the magnetic field is lowered due to the shielding current of the high-temperature superconducting wire and the magnetic field distribution changes with time. ) Shimming cycle needs to be shorter than MR or MRI. However, it is not preferable to perform field mapping or call a descriptor every time or cost. Therefore, the existing active shimming method is applied to MR or MRI using a high-temperature superconducting magnet There was also a difficult problem.
이에, 본 발명에서는, 상기한 바와 같은 종래기술의 액티브 쉬밍 방법 및 장치들의 문제점을 해결하기 위해, 후술하는 바와 같이 하여 필드매핑 과정이 필요없이 자동으로 액티브 쉬밍 작업을 수행할 수 있도록 구성되는 MR 및 MRI의 액티브 쉬밍 방법 및 장치를 제안하였다. In order to solve the problems of the conventional active shimming methods and apparatuses as described above, the present invention proposes an MR and MR system which can automatically perform an active shimming operation without requiring a field mapping process, MRI active shimming method and device have been proposed.
계속해서, 도 2를 참조하면, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자기공명 분광장치 및 자기공명 영상장치의 자기장 균일도 개선을 위한 액티브 쉬밍 시스템(20)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 2 is a block diagram schematically showing the overall configuration of an
도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 자기공명 분광장치 및 자기공명 영상장치의 자기장 균일도 개선을 위한 액티브 쉬밍 시스템(20)은, 크게 나누어, MR이나 MRI의 초전도 자석(21) 사이에 삽입되는 액티브 심코일(22), 액티브 심코일에 전류를 공급하는 전류공급부(23), 액티브 심코일(22)에 인가된 전류에 의해 MR이나 MRI로부터 발생되는 자기공명(MR 또는 MRI) 신호를 검출하는 신호검출부(24) 및 액티브 심코일(22)에 인가되는 전류값을 제어하고 액티브 쉬밍 시스템(20)과 액티브 쉬밍 과정의 전체적인 동작을 제어하는 제어부(25)를 포함하여 구성될 수 있다. As shown in FIG. 2, the
여기서, 상기한 액티브 심코일(22)은, 구리 또는 초전도선으로 형성되고 표면에는 미리 정해진 패턴으로 코일이 형성 또는 설치되어, 전류공급부(23)를 통해 공급되는 전류값에 따라 원하는 값의 자기장을 발생하도록 구성될 수 있다. The
또한, 상기한 전류공급부(23) 및 신호검출부(24)는, 제어부(25)의 제어에 따라 정해진 값의 전류를 액티브 심코일(22)에 공급하고, 그에 따라 발생되는 자기장 신호를 측정하여 제어부(25)에 전달하도록 각각 구성되는 것으로 기존의 액티브 쉬밍 장치의 구성을 이용하여 적절하게 구성될 수 있으며, 본 발명에서는, 상기한 바와 같이 종래기술의 문헌 등을 참조하여 당업자가 용이하게 이해하고 실시할 수 있는 내용에 대하여는 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다. The
아울러, 상기한 제어부(25)는, 액티브 심코일(22)의 전류를 실시간으로 제어하는 프로세서로서 구성될 수 있으며, 후술하는 바와 같이 하여 유전 알고리즘에 기반한 최적화 기법을 이용해 MR이나 MRI 신호의 선폭을 저감시키는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다. The
따라서 상기한 바와 같은 구성을 통하여, 제어부(25)의 제어에 의해 전류공급부(23)를 통하여 액티브 심코일(22)에 특정한 전류값을 인가하여 자기장을 발생시키고, 그에 따른 응답을 신호검출부(24)를 통해 검출하여 자기장의 스펙트럼을 분석하고, 분석결과에 따라 자기장의 균일도가 원하는 값으로 수렴될 때까지 반복작업을 수행하는 과정이 소프트웨어적인 처리를 통해 자동으로 수행되도록 구성됨으로써, 기존의 액티브 쉬밍 방법과 같이 필드매핑 과정이 필요없이 보다 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 신속하고 정확하게 MR 및 MRI의 쉬밍작업이 이루어질 수 있다. Therefore, through the above-described configuration, under the control of the
더 상세하게는, 도 3을 참조하면, 도 3은 도 2에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 자기공명 분광장치 및 자기공명 영상장치의 자기장 균일도 개선을 위한 액티브 쉬밍 시스템(20)의 제어부(25)에 의해 수행되는 액티브 쉬밍 방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다. 3, the
도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 액티브 쉬밍 시스템(20)의 제어부(25)에 의해 수행되는 액티브 쉬밍 방법은, 먼저, 액티브 심코일(22)에 형성된 채널 수만큼 최적화 변수를 설정하고, 각각의 최적화 변수에 대하여 임의의 값을 설정하여 복수의 초기해 그룹(population)을 설정하는 초기해 그룹 설정단계(S31)와, 상기한 초기해 그룹 설정단계(S31)에서 설정된 각각의 초기해 그룹의 해들에 대응하는 자기공명(MR 또는 MRI) 신호를 각각 검출하는 신호검출단계(S32)와, 상기한 신호검출단계(S32)를 통해 검출된 자기공명 신호에 스펙트럼 분석을 행하여 선폭을 산출하는 것에 의해 각각의 해들에 대한 적합도를 나타내는 목적함수(object function)를 도출하는 목적함수 도출단계(S33)와, 상기한 목적함수 도출단계(S33)에서 도출된 적합도(선폭)에 근거하여 각각의 해집합의 순위를 결정하고, 각각의 해집합들을 순위에 따라 정렬하는 순위선정단계(S34)와, 상기 순위선정단계(S34)에서 순위별로 정렬된 해집합들 중 일정 순위 이내의 상위 해집합들에 유전 알고리즘 기법을 적용하여 다음 세대의 해집합을 새로 구성하는 해집합 재구성단계(S34) 및 상기 해집합 재구성단계(S34)에서 생성된 다음 세대의 해집합을 이용하여 원하는 목표값이나 세대수에 도달할 때까지 상기한 단계들(S32 ~ S34)을 반복 수행하는 반복처리단계(S35)를 포함하여 구성될 수 있다. 3, in the active shimming method performed by the
여기서, 상기한 초기해 그룹 설정단계(S31)는, 액티브 심코일(22)의 각각의 채널에 대응하는 초기해들의 그룹을 하나의 해집합으로 하여, 미리 정해진 수만큼의 해집합을 생성하도록 하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다. Here, the above-mentioned initial solution group setting step S31 is a step of setting a group of initial solutions corresponding to each channel of the
즉, 상기한 초기해 그룹 설정단계(S31)는, 예를 들면, 액티브 심코일(22)의 채널이 10개인 경우를 가정하면(ch1 ~ ch10), 10개의 채널 성분에 각각 대응하는 10개의 초기값(x1 ~ x10)을 임의로 설정하여 1개의 해집합(X1)을 생성하고, 이러한 해집합을, 예를 들면, 10개(X1 ~ X10)와 같이, 미리 설정된 수만큼 생성하여 복수의 해집합(X1 = [x1 ~ x10], X2 = [x11 ~ x20], ... , X10 = [x91 ~ x100])을 생성하도록 구성될 수 있다. For example, assuming that the channel of the
또한, 상기한 신호검출단계(S32)는, 초기해 그룹 설정단계(S31)에서 설정된 각각의 초기해 그룹의 해들에 대응하는 값의 전류를 전류공급부(23)를 통하여 액티브 심코일(22)에 차례로 인가하고, 인가된 전류에 의해 발생되는 자기공명(MR 또는 MRI) 신호를 신호검출부(24)를 통하여 각각 검출하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다. The signal detection step S32 may include a step of detecting a current corresponding to the solution of each initial solution group set in the initial solution group setting step S31 through the
아울러, 상기한 목적함수 도출단계(S33)는, 신호검출부(24)를 통해 검출된 자기공명(MR 또는 MRI) 신호의 스펙트럼 분석을 행하여 스펙트럼상 최대값의 절반에 해당하는 X축 위치의 거리값(최대반값폭, Full Width at Half Maximum ; FWHM)에 해당하는 선폭을 계산하고, 이를 각 해집합에 포함된 각각의 해에 대한 적합도를 나타내는 목적함수로서 도출하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다. The derivation of the objective function S33 may be performed by performing spectral analysis of a magnetic resonance (MR or MRI) signal detected through the
더욱이, 상기한 순위선정단계(S34)는, 목적함수 도출단계(S33)에서 도출된 적합도에 근거하여, 선폭이 작은 순서대로 각각의 해집합의 순위를 결정하고 각각의 해집합들을 순위대로 재정렬하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다. Further, in the ranking step S34, the order of each solution set is determined in order of decreasing line width based on the fitness derived in the derivation step S33, and the respective solution sets are rearranged in order Processing may be performed.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 액티브 쉬밍 방법은, 상기한 바와 같이 상기한 목적함수 도출단계(S33) 및 순위선정단계(S34)가 선폭에만 근거하여 수행되는 것으로 한정되는 것이 아니라, 예를 들면, 자유유도감쇠(Free Induction Decay ; FID)를 함께 비교 분석하도록 구성될 수도 있는 등, 필요에 따라 다양한 형태로 구성될 수 있는 것임에 유념해야 한다. In addition, the active shimming method according to the embodiment of the present invention is not limited to being performed based on the line width only, as described above, in the deriving the objective function deriving step (S33) and the ranking step (S34) , And free induction decay (FID) may be configured to be comparatively analyzed together, and may be configured in various forms as needed.
아울러, 상기한 해집합 재구성단계(S34)는, 순위선정단계(S34)에서 순위별로 정렬된 해집합들 중 미리 정해진 일정 순위 이내의 상위 해집합들에 대하여 선택, 교배 및 변이 등의 유전 알고리즘 기법을 적용하여, 초기해 그룹의 해집합 수만큼에 해당하는 다음 세대의 해집합을 새로이 구성하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다. In addition, the above-mentioned solution reconstruction step S34 may be performed by selecting a genetic algorithm technique such as selection, mating, and mutation for a set of higher-order solutions within a predetermined rank order among the solution sets sorted in order in the ranking step S34 The process of newly constructing a solution set of the next generation corresponding to the solution set number of the initial solution group can be performed.
여기서, 유전 알고리즘은 최적화 기법의 하나로서, 최적화할 설계변수들의 집합을 해집합으로 하고, 여러 개의 해집합들에 대하여 목적함수 및 제약조건(constraints) 등을 고려하여 랭킹화하는 것에 의해 적합도를 판정하여 상위의 랭커들은 다음세대로 진화시키고 하위 랭커들은 도태시키며, 다음 세대로 진화한 해집합들에게 변이, 교배 등의 연산을 통해 더욱 우수한 해집합으로 발전시켜 나가면 가장 적합한 최적해가 도출된다는 이론으로서, 이와 같이 유전 알고리즘을 이용하여 최적해를 도출하는 과정에 대한 구체적인 구성이나 원리 등은 당업자에게 있어서 종래기술의 문헌 등을 통해 자명한 내용이므로, 이에, 본 발명에서는, 설명을 간략히 하기 위해 상기한 바와 같이 유전 알고리즘을 적용하여 최적해를 도출하는 과정에 대한 구체적인 설명은 생략하였음에 유념해야 한다. Here, the genetic algorithm is one of the optimization techniques. The genetic algorithm is a set of design variables to be optimized as a set, and the fitness is determined by ranking the plural sets of solutions considering the objective function and constraints. This is the theory that if the upper rankers evolve to the next generation, the lower rankers are culled, and the evolutionary sets that have evolved to the next generation are developed into a better set of solutions through operations such as mutation and mating, The specific structure and principle of the process of deriving the optimal solution using the genetic algorithm are self-explanatory in the literature of the prior art for those skilled in the art. Therefore, in the present invention, in order to simplify the explanation, A detailed description of the process of applying the genetic algorithm to derive the optimal solution We should keep in mind that we omitted.
더욱이, 상기한 반복처리단계(S35)는, 해집합 재구성단계(S34)에서 생성된 다음 세대의 해집합을 이용하여 상기한 단계(S32 ~ S34)들을 미리 설정된 목표값이나 세대수에 도달할 때까지 반복하고, 원하는 목표값이나 세대수에 도달하면 처리를 종료하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다. Further, the above-described iterative processing step S35 may be repeated until the predetermined number of steps or steps S32 to S34 are reached using a set of solutions of the next generation generated in the solution aggregation reconstruction step S34 And the process of ending the process is performed when the desired target value or the number of households is reached.
즉, 도 3에 나타낸 바와 같이 하여 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 액티브 쉬밍 방법에 있어서, 상기한 각각의 해집합은 액티브 심코일(22)의 각 채널별 전류값의 집합이 되고, 이때, 액티브 심코일(22)의 채널별 코일전류의 한계값이 각 해의 경계값으로 정해지며, 각각의 해값에 따라 전류공급부(23)의 출력을 설정하여 자기공명 스펙트럼을 검출하는 것에 의해 각 해집합 내의 해들에 대한 자기공명 신호를 분석하고, 이러한 과정을 반복하여 최종적으로 구해진 해집합의 값들이 자기장의 공간 균일도를 개선하는 최적의 심코일 전류값이 된다. In other words, in the active shimming method according to the embodiment of the present invention configured as shown in FIG. 3, each solution set is a set of current values for each channel of the
또한, 도 4를 참조하면, 도 4는 상기한 바와 같이 하여 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 액티브 쉬밍 방법을 자동으로 실행시키도록 구성되는 프로그램의 사용자 인터페이스(UI) 구성예를 개략적으로 나타내는 도면이다. 4 is a diagram schematically showing an example of a user interface (UI) configuration of a program configured to automatically execute the active shimming method according to the embodiment of the present invention configured as described above to be.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 액티브 쉬밍 시스템(20)은, 도 4에 나타낸 바와 같은 사용자 인터페이스를 통하여 초기값이나 목적값 등의 기초적인 설정을 입력하는 간단한 조작만으로 제어부(25)에 의해 도 3에 나타낸 바와 같은 처리과정이 자동으로 수행되도록 구성됨으로써, 필드매핑 과정을 거치지 않고 숙련된 기술자가 필요 없이 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 용이하고 정확하게 액티브 쉬밍 작업이 수행될 수 있다. In other words, the
아울러, 본 발명의 실시예에 따른 액티브 쉬밍방법은, 도 3을 참조하여 상기에 설명한 바와 같이 구성되는 각 단계의 처리과정을 컴퓨터나 전용의 하드웨어에 의해 실행시키도록 구성되는 프로그램의 형태로 구현될 수 있다. In addition, the active shimming method according to the embodiment of the present invention may be implemented in the form of a program configured to execute a process of each step constituted as described above with reference to FIG. 3 by a computer or dedicated hardware .
계속해서, 도 5를 참조하면, 도 5는 상기한 바와 같이 하여 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 액티브 쉬밍 시스템의 성능을 평가하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 액티브 쉬밍 시스템을 이용하여 실제 쉬밍 작업을 수행한 결과를 나타낸 도면이다. 5, in order to evaluate the performance of the active shimming system according to the embodiment of the present invention constructed as described above, the actual shimming system using the active shimming system according to the embodiment of the present invention, And FIG.
더 상세하게는, 본 발명자들은, 상기한 바와 같이 하여 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 액티브 쉬밍 시스템 및 방법의 성능을 검증하기 위해 600MHz 핵자기공명(Nuclear Magnetic Resonance; NMR) 장치에서 실제 쉬밍 작업을 수행하였으며, 그 결과, 도 5에 나타낸 바와 같이, 액티브 쉬밍 적용 전의 선폭은 1.45ppm이었으나 액티브 쉬밍 적용 후에는 0.14ppm으로 FID 및 선폭이 모두 크게 개선되는 것으로 확인되었으며, 더욱이, 액티브 쉬밍 작업의 실행시간도 약 10분 가량 소요되어 기존에 비해 비교적 짧은 시간 내에 액티브 쉬밍 작업이 이루어질 수 있음을 확인하였다. More particularly, the present inventors have found that, in order to verify the performance of the active shimming system and the method according to the embodiment of the present invention constructed as described above, in a 600 MHz Nuclear Magnetic Resonance (NMR) As a result, as shown in FIG. 5, it was confirmed that the line width before the application of active shimming was 1.45 ppm, but the FID and line width were greatly improved to 0.14 ppm after the application of the active shimming. Further, And it took about 10 minutes to confirm that the active shimming operation can be performed within a relatively short time.
따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 자기공명 분광장치 및 자기공명 영상장치의 자기장 균일도 개선을 위한 액티브 쉬밍 시스템 및 이를 이용한 액티브 쉬밍 방법을 구현할 수 있다. Therefore, the active shimming system for improving the magnetic field uniformity of the magnetic resonance spectroscopy apparatus and the magnetic resonance imaging apparatus according to the present invention and the active shimming method using the same can be implemented as described above.
또한, 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 자기공명 분광장치 및 자기공명 영상장치의 자기장 균일도 개선을 위한 액티브 쉬밍 시스템 및 이를 이용한 액티브 쉬밍 방법을 구현하는 것에 의해, 본 발명에 따르면, 유전 알고리즘을 이용한 최적화 기술 및 자동화 기술을 통해 필드매핑 작업이 필요 없이 액티브 쉬밍 작업을 수행할 수 있으므로 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 신속하고 정확하게 효율적으로 쉬밍 작업을 수행할 수 있도록 구성되는 자기공명 분광장치 및 자기공명 영상장치의 자기장 균일도 개선을 위한 액티브 쉬밍 시스템 및 이를 이용한 액티브 쉬밍 방법이 제공됨으로써, 심코일(shim coil)을 이용한 필드매핑(field mapping)을 통하여 자기장 성분을 분석하는 과정이 필요하므로 이를 위한 장비(field mapper)가 필요하고 필드매핑을 위한 시간이 소요되는 데 더하여, 필드매핑시의 측정오차나 계산상의 오차로 인해 정확성이 떨어지는 단점이 있으며, 필드매핑 과정 없이 액티브 쉬밍 작업을 수행하기 위하여는 시간이 오래 걸리고 매우 숙련된 기술자가 필요하다는 문제점이 있었던 종래기술의 액티브 쉬밍 장치 및 방법들의 문제점을 해결할 수 있다. As described above, according to the present invention, by implementing the active shimming system and the active shimming method for improving the magnetic field uniformity of the magnetic resonance spectroscopy apparatus and the magnetic resonance imaging apparatus according to the present invention, Optimization technology and automation technology can perform active shimming without field mapping, so magnetic resonance spectroscopy device and magnetic resonance imaging device that are configured to perform shimming operation quickly and accurately at low cost and simple configuration It is necessary to perform a process of analyzing magnetic field components through field mapping using a shim coil by providing an active shimming system for improving magnetic field uniformity of a magnetic field and an active shimming method using the same, ), And a field for field mapping In addition, there is a disadvantage in that accuracy is degraded due to measurement error or calculation error in field mapping, and it takes a long time to perform active shimming operation without a field mapping process, and a highly skilled engineer is required It is possible to solve the problems of the prior art active shimming apparatuses and methods.
아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 자동화 기술을 이용하여 필드매핑 작업이 필요 없이 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 신속하고 정확하게 액티브 쉬밍 작업을 수행할 수 있도록 구성되는 자기공명 분광장치 및 자기공명 영상장치의 자기장 균일도 개선을 위한 액티브 쉬밍 시스템 및 이를 이용한 액티브 쉬밍 방법이 제공됨으로써, 액체헬륨(4.2K, -269℃)에서 초전도 특성을 나타내는 저온 초전도(대략 10K 이하)가 요구되는 종래기술의 액티브 쉬밍 방법 및 장치들에 비하여 액체질소(-196℃)에서 초전도 현상이 일어나는 고온 초전도(대략 77K ~ 90K)에도 적용 가능한 장점을 가지는 것이다. According to the present invention, there is provided a magnetic resonance spectroscopy apparatus and a magnetic resonance imaging apparatus which are configured to perform a quick and accurate active shimming operation with a simple configuration and a low cost without requiring a field mapping operation using the above- The active shimming system and the active shimming method using the active shimming system for improving the uniformity of the magnetic field of the helium (4.2K, -269 ° C), the active shimming method of the prior art which requires low temperature superconductivity (About 77K to 90K) in which superconducting phenomenon occurs in liquid nitrogen (-196 DEG C) as compared with the devices.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 자기공명 분광장치 및 자기공명 영상장치의 자기장 균일도 개선을 위한 액티브 쉬밍 시스템 및 이를 이용한 액티브 쉬밍 방법의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. Therefore, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various changes, modifications and changes may be made by those skilled in the art depending on design requirements and various other factors. It is a matter of course that it is possible to combine and substitute.
11. 초전도 자석 12. 금속심(ferro shim)
20. 액티브 쉬밍 시스템 21. 초전도 자석
22. 액티브 심코일(shim coil) 23. 전류공급부
24. 신호검출부 25. 제어부 11.
20.
22.
24.
Claims (16)
MR이나 MRI의 초전도 자석 내외부의 공간에 삽입되는 액티브 심코일;
상기 액티브 심코일에 전류를 공급하는 전류공급부;
상기 전류공급부를 통하여 상기 액티브 심코일에 인가된 전류에 의해 상기 MR이나 상기 MRI로부터 발생되는 자기공명(MR 또는 MRI) 신호를 검출하는 신호검출부; 및
상기 전류공급부를 통하여 상기 액티브 심코일에 인가되는 전류값을 제어하고 상기 액티브 쉬밍 시스템에 의해 수행되는 액티브 쉬밍 과정의 전체적인 동작을 제어하는 제어부를 포함하여 구성되며,
상기 제어부는,
상기 액티브 심코일에 형성된 채널 수만큼 최적화 변수를 설정하고, 각각의 최적화 변수에 대하여 임의의 값을 설정하여 복수의 초기해 그룹(population)을 설정하는 초기해 그룹 설정단계;
상기 초기해 그룹 설정단계에서 설정된 각각의 초기해 그룹의 해들에 대응하는 자기공명(MR 또는 MRI) 신호를 각각 검출하는 신호검출단계;
상기 신호검출단계를 통해 검출된 자기공명 신호에 스펙트럼 분석을 행하여 선폭을 산출하는 것에 의해 각각의 해들에 대한 적합도를 나타내는 목적함수(object function)를 도출하는 목적함수 도출단계;
상기 목적함수 도출단계에서 도출된 적합도(선폭)에 근거하여 각각의 해집합의 순위를 결정하고, 각각의 해집합들을 순위에 따라 정렬하는 순위선정단계;
상기 순위선정단계에서 순위별로 정렬된 해집합들 중 일정 순위 이내의 상위 해집합들에 유전 알고리즘 기법을 적용하여 다음 세대의 해집합을 새로 구성하는 해집합 재구성단계; 및
상기 해집합 재구성단계에서 생성된 다음 세대의 해집합을 이용하여 미리 설정된 목표값이나 세대수에 도달할 때까지 상기 신호검출단계, 상기 목적함수 도출단계, 상기 순위선정단계 및 상기 해집합 재구성단계의 처리과정을 반복 수행하는 반복처리단계를 포함하는 처리가 수행되도록 구성됨으로써,
기존의 액티브 쉬밍 방법에 비하여 필드매핑(field mapping) 과정이 필요없이 보다 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 신속하고 정확하게 쉬밍작업이 이루어질 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 액티브 쉬밍 시스템.
An active shimming system for improving magnetic field uniformity of a magnetic resonance spectrometer (MR) and a magnetic resonance imaging (MRI)
An active core coil inserted in a space inside and outside of a superconducting magnet of MR or MRI;
A current supplier for supplying a current to the active center coil;
A signal detector for detecting a magnetic resonance (MR or MRI) signal generated from the MR or the MRI by a current applied to the active heart coil through the current supply unit; And
And a control unit for controlling the current value applied to the active shim coil through the current supply unit and controlling the overall operation of the active shimming process performed by the active shimming system,
Wherein,
An initial seed group setting step of setting an optimization variable for the number of channels formed in the active shim coil and setting a plurality of initial population groups by setting an arbitrary value for each optimization variable;
A signal detection step of detecting magnetic resonance (MR or MRI) signals corresponding to solutions of each initial solution group set in the initial solution group setting step, respectively;
An objective function derivation step of deriving an object function representing a fitness for each of the solutions by performing spectral analysis on the magnetic resonance signal detected through the signal detection step to calculate a line width;
Determining a ranking of each solution set based on the fitness (line width) derived in the derivation of the objective function, and arranging the solution sets according to the ranking;
A solution set reconstruction step of constructing a solution set of a next generation by applying a genetic algorithm technique to a set of higher-order solutions within a certain rank among the solution sets sorted in order in the ranking step; And
The process of deriving the signal detection step, the objective function derivation step, the ranking step, and the solution set reconstruction step until the predetermined target value or the household number is reached using the solution set of the next generation generated in the solution set reconstruction step The process including an iterative process step of performing the process repeatedly,
The active shimming method is configured such that a field mapping process is unnecessary compared with the existing active shimming method, and a shimming operation can be performed quickly and accurately at a low cost and in a simple configuration.
상기 액티브 심코일은,
구리 또는 초전도선으로 형성되고 상기 초전도 자석의 각각의 자기장 성분에 대응하는 채널 수만큼 미리 정해진 패턴으로 형성되는 복수의 코일이 구비되어, 상기 전류공급부를 통해 공급되는 전류값에 따라 각각의 채널별로 상기 초전도 자석의 각각의 자기장 성분에 대응하는 자기장을 각각 발생시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 액티브 쉬밍 시스템.
The method according to claim 1,
In the active shim coil,
A plurality of coils formed of copper or superconducting lines and formed in a predetermined pattern by the number of channels corresponding to respective magnetic field components of the superconducting magnets, And generate a magnetic field corresponding to each magnetic field component of the superconducting magnet, respectively.
상기 초기해 그룹 설정단계는,
상기 액티브 심코일의 각각의 채널에 대응하는 초기해들의 그룹을 하나의 해집합으로 하여, 미리 정해진 수만큼의 해집합을 생성하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 액티브 쉬밍 시스템.
The method according to claim 1,
The initialization group setting step includes:
Wherein a process of generating a predetermined number of solution sets is performed by using a group of initial solutions corresponding to each channel of the active simulator as one solution set.
상기 신호검출단계는,
상기 초기해 그룹 설정단계에서 설정된 각각의 초기해 그룹의 해들에 대응하는 값의 전류를 상기 전류공급부를 통하여 상기 액티브 심코일에 차례로 인가하고, 인가된 전류에 의해 발생되는 자기공명(MR 또는 MRI) 신호를 상기 신호검출부를 통하여 각각 검출하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 액티브 쉬밍 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the signal detection step comprises:
(MR or MRI) generated by an applied current in order to apply a current having a value corresponding to solutions of each initial solution group set in the initial solution group setting step to the active heart coil through the current supply unit, ) Signal is detected through the signal detecting unit, respectively.
상기 목적함수 도출단계는,
상기 신호검출부를 통해 검출된 자기공명(MR 또는 MRI) 신호의 스펙트럼 분석을 행하여 스펙트럼상 최대값의 절반에 해당하는 X축 위치의 거리값(최대반값폭, Full Width at Half Maximum ; FWHM)에 해당하는 선폭을 계산하고, 상기 선폭을 각 해집합에 포함된 각각의 해에 대한 적합도를 나타내는 목적함수로서 도출하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 액티브 쉬밍 시스템.
The method according to claim 1,
The objective function deriving step includes:
Spectrum analysis of the magnetic resonance (MR or MRI) signal detected through the signal detecting unit is performed to calculate a distance value (full width at half maximum (FWHM)) at the X-axis position corresponding to half of the spectrum maximum value And calculating the line width as an objective function representing the fitness for each solution included in the set of solutions.
상기 순위선정단계는,
상기 목적함수 도출단계에서 도출된 적합도에 근거하여, 선폭이 작은 순서대로 각각의 해집합의 순위를 결정하고 각각의 해집합들을 순위대로 재정렬하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 액티브 쉬밍 시스템.
The method according to claim 1,
In the ranking step,
And a process of determining the order of each solution set in order of decreasing linewidth and rearranging each solution set in order based on the fitness derived in the derivation of the objective function.
상기 목적함수 도출단계 및 상기 순위선정단계는,
상기 선폭에 더하여, 자유유도감쇠(Free Induction Decay ; FID)를 함께 비교 분석하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 액티브 쉬밍 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the objective function deriving step and the ranking step comprise:
And a process of comparing and analyzing the free induction decay (FID) together with the line width is performed.
상기 해집합 재구성단계는,
상기 순위선정단계에서 순위별로 정렬된 해집합들 중 미리 정해진 일정 순위 이내의 상위 해집합들에 대하여 선택, 교배 및 변이를 포함하는 유전 알고리즘 기법을 적용하여, 초기해 그룹의 해집합 수만큼에 해당하는 다음 세대의 해집합을 새로이 구성하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 액티브 쉬밍 시스템.
The method according to claim 1,
The reconstruction aggregation step includes:
In the ranking step, a genetic algorithm including selection, mating and mutation is applied to a set of higher harmonics within a predetermined predetermined rank among the harmonized set among the harmonized sets, And a process of newly constructing a solution set of the next generation is performed.
상기 반복처리단계는,
상기 해집합 재구성단계에서 생성된 다음 세대의 해집합을 이용하여 미리 설정된 목표값이나 세대수에 도달할 때까지 상기 신호검출단계, 상기 목적함수 도출단계, 상기 순위선정단계 및 상기 해집합 재구성단계의 처리과정을 반복 수행하고, 설정된 목표값이나 세대수에 도달하면 처리를 종료하여 쉬밍 작업을 완료하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 액티브 쉬밍 시스템.
The method according to claim 1,
The above-
The process of deriving the signal detection step, the objective function derivation step, the ranking step, and the solution set reconstruction step until the predetermined target value or the household number is reached using the solution set of the next generation generated in the solution set reconstruction step And the processing for terminating the processing and completing the shimming operation is performed when reaching the set target value or the number of households.
상기 제어부는,
상기 액티브 심코일의 각 채널별 전류값의 집합을 각각의 해집합으로 설정하고,
상기 액티브 심코일의 각 채널별 코일전류의 한계값을 각 해의 경계값으로 설정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 액티브 쉬밍 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein,
A set of current values for each channel of the active shim coil is set as a respective set of solutions,
And sets a limit value of a coil current for each channel of the active shim coil as a boundary value of each solution.
상기 액티브 쉬밍 시스템은,
사용자 인터페이스(User Interface ; UI)를 통하여 초기값이나 목적값을 포함하는 기초적인 설정을 입력하면, 각각의 해값에 따라 상기 전류공급부의 출력을 제어하여 자기공명 스펙트럼을 검출하고, 각 해집합 내의 해들에 대한 자기공명 신호를 분석하여 유전 알고리즘을 통해 새로운 해집합을 생성하는 과정을 반복하여 최종적으로 구해진 해집합의 값들을 자기장의 공간 균일도를 개선하는 최적의 심코일 전류값으로 결정하는 처리과정이 상기 제어부에 의해 자동으로 수행되도록 구성됨으로써,
필드매핑 절차가 필요하여 장비(field mapper) 및 시간이 소요되는 데 더하여, 측정오차나 계산상의 오차로 인해 정확성이 떨어지는 단점이 있었던 종래기술의 액티브 쉬밍 방법 및 장치들에 비하여 필드매핑 과정이나 숙련된 기술자가 필요 없이 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 신속하고 정확하게 쉬밍작업이 이루어질 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 액티브 쉬밍 시스템.
The method according to claim 1,
In the active shimming system,
When a basic setting including an initial value or a target value is input through a user interface (UI), the output of the current supply unit is controlled according to each solution value to detect a magnetic resonance spectrum, The process of repeating the process of generating a new solution set by analyzing a magnetic resonance signal for the genetic algorithm and finally determining the values of the solution set as the optimal coils current value for improving the spatial uniformity of the magnetic field And is automatically performed by the control unit,
Compared to the prior art active shimming methods and apparatuses, which require disadvantages of field mapper and time-consuming field measurement and error due to measurement errors or computational errors, So that the shimming operation can be performed quickly and accurately at a low cost with a simple configuration without requiring a technician.
상기 액티브 쉬밍 시스템의 액티브 심코일에 형성된 채널 수만큼 최적화 변수를 설정하고 각각의 최적화 변수에 대하여 임의의 값을 설정하는 것에 의해, 상기 액티브 심코일의 각각의 채널에 대응하는 초기해들의 그룹을 하나의 해집합으로 하여 미리 설정된 수만큼의 해집합을 생성하여 복수의 초기해 그룹(population)을 설정하는 처리가 수행되는 초기해 그룹 설정단계;
상기 액티브 쉬밍 시스템의 전류공급부를 통하여 상기 초기해 그룹 설정단계에서 설정된 각각의 초기해 그룹의 해들에 대응하는 값의 전류를 상기 액티브 심코일에 차례로 인가하고, 인가된 전류에 의해 발생되는 자기공명(MR 또는 MRI) 신호를 상기 액티브 쉬밍 시스템의 신호검출부를 통하여 각각 검출하는 것에 의해, 상기 초기해 그룹 설정단계에서 설정된 각각의 초기해 그룹의 해들에 대응하는 자기공명(MR 또는 MRI) 신호를 각각 검출하는 처리가 수행되는 신호검출단계;
상기 액티브 쉬밍 시스템의 제어부를 통하여, 상기 신호검출단계를 통해 검출된 자기공명(MR 또는 MRI) 신호의 스펙트럼 분석을 행하여 스펙트럼상 최대값의 절반에 해당하는 X축 위치의 거리값(최대반값폭, Full Width at Half Maximum ; FWHM)에 해당하는 선폭을 계산하고, 상기 선폭을 각 해집합에 포함된 각각의 해에 대한 적합도를 나타내는 목적함수(object function)로서 도출하는 처리가 수행되는 목적함수 도출단계;
상기 액티브 쉬밍 시스템의 제어부를 통하여, 상기 목적함수 도출단계에서 도출된 적합도(선폭)에 근거하여 선폭이 작은 순서대로 각각의 해집합의 순위를 결정하고, 각각의 해집합들을 순위에 따라 정렬하는 처리가 수행되는 순위선정단계;
상기 액티브 쉬밍 시스템의 제어부를 통하여, 상기 순위선정단계에서 순위별로 정렬된 해집합들 중 미리 정해진 일정 순위 이내의 상위 해집합들에 대하여 선택, 교배 및 변이를 포함하는 유전 알고리즘 기법을 적용하여 초기해 그룹의 해집합 수만큼에 해당하는 다음 세대의 해집합을 새로이 구성하는 처리가 수행되는 해집합 재구성단계; 및
상기 액티브 쉬밍 시스템의 제어부를 통하여, 상기 해집합 재구성단계에서 생성된 다음 세대의 해집합을 이용하여 미리 설정된 목표값이나 세대수에 도달할 때까지 상기 신호검출단계, 상기 목적함수 도출단계, 상기 순위선정단계 및 상기 해집합 재구성단계의 처리과정을 반복 수행하고, 미리 설정된 목표값이나 세대수에 도달하면 처리를 종료하여 쉬밍 작업을 완료하는 처리가 수행되는 반복처리단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 액티브 쉬밍 방법.
The magnetic resonance spectroscopy apparatus and magnetic resonance imaging apparatus according to claim 1, claim 2, claim 4 or claim 12, which are configured to perform an active shimming operation using an active shimming system for improving magnetic field uniformity In the active shimming method,
By setting an optimization variable as many as the number of channels formed in the active shim coil of the active shimming system and setting an arbitrary value for each optimization variable so that one group of initial solutions corresponding to each channel of the active shim coil An initial solution group setting step in which a process of setting a plurality of initial solution groups by generating a solution set of a predetermined number of solutions is performed;
Wherein the active shimming system is configured to sequentially apply currents corresponding to the solutions of the initial solution group set in the initial solution group setting step to the active shim coil through the current supply unit of the active shimming system, (MR or MRI) signals corresponding to solutions of each initial solution group set in the initial solution group setting step are detected by the signal detection unit of the active shimming system, respectively, A signal detecting step in which a process of detecting each signal is performed;
Spectrum analysis of the magnetic resonance (MR or MRI) signal detected through the signal detection step is performed through the controller of the active shimming system to calculate a distance value (maximum half width, FWHM), and deriving the line width as an object function representing a fitness for each solution included in the set, and performing an objective function derivation step ;
The order of the respective solution sets is determined in order of the linewidths based on the fitness (line width) derived in the derivation of the objective function through the controller of the active shimming system, and the process of sorting the solution sets according to the ranking Is performed;
Through the control section of the active shimming system, a genetic algorithm technique including selection, mating and mutation is applied to the higher-order solution sets within a predetermined rank order among the solution solutions sorted in the ranking order in the ranking step, A set reconstruction step of performing a process of newly constructing a set of solutions of the next generation corresponding to the number of sets of solutions of the group; And
Wherein the control unit of the active shimming system performs the signal detection step, the objective function deriving step, the ranking step, and the step selection step until reaching a predetermined target value or household number by using a solution set of the next generation generated in the solution- And a repetitive processing step of repeating a process of the step of reconstructing the solution and a process of repeating the process of the reconstruction of the solution and terminating the process when the preset target value or the number of households is reached, Shimming method.
상기 목적함수 도출단계 및 상기 순위선정단계는,
상기 선폭에 더하여, 자유유도감쇠(Free Induction Decay ; FID)를 함께 비교 분석하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 액티브 쉬밍 방법.
14. The method of claim 13,
Wherein the objective function deriving step and the ranking step comprise:
And a process of comparing and analyzing free induction decay (FID) together with the line width is performed.
상기 액티브 쉬밍 방법은,
상기 액티브 심코일의 각 채널별 전류값의 집합을 각각의 해집합으로 설정하고, 상기 액티브 심코일의 각 채널별 코일전류의 한계값을 각 해의 경계값으로 설정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 액티브 쉬밍 방법.
14. The method of claim 13,
In the active shimming method,
And sets a set of current values for each channel of the active shim coil as a set of solutions and sets a limit value of the coil current for each channel of the active shim coil as a boundary value of each solution. Shimming method.
상기 액티브 쉬밍 방법은,
사용자 인터페이스(User Interface ; UI)를 통하여 초기값이나 목적값을 포함하는 기초적인 설정을 입력하면, 각각의 해값에 따라 상기 전류공급부의 출력을 제어하여 자기공명 스펙트럼을 검출하고, 각 해집합 내의 해들에 대한 자기공명 신호를 분석하여 유전 알고리즘을 통해 새로운 해집합을 생성하는 과정을 반복하여 최종적으로 구해진 해집합의 값들을 자기장의 공간 균일도를 개선하는 최적의 심코일 전류값으로 결정하는 처리과정이 자동으로 수행되도록 구성됨으로써,
필드매핑 절차가 필요하여 장비(field mapper) 및 시간이 소요되는 데 더하여, 측정오차나 계산상의 오차로 인해 정확성이 떨어지는 단점이 있었던 종래기술의 액티브 쉬밍 방법 및 장치들에 비하여 필드매핑 과정이나 숙련된 기술자가 필요 없이 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 신속하고 정확하게 쉬밍작업이 이루어질 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 액티브 쉬밍 방법.
14. The method of claim 13,
In the active shimming method,
When a basic setting including an initial value or a target value is input through a user interface (UI), the output of the current supply unit is controlled according to each solution value to detect a magnetic resonance spectrum, The process of repeating the process of generating a new solution set by analyzing a magnetic resonance signal for the genetic algorithm and finally determining the values of the solution set as the optimal coils current value for improving the spatial uniformity of the magnetic field By being configured to perform automatically,
Compared to the prior art active shimming methods and apparatuses, which require disadvantages of field mapper and time-consuming field measurement and error due to measurement errors or computational errors, Characterized in that it is configured so that a shimming operation can be performed quickly and accurately at a low cost with a simple configuration without requiring a technician.
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|---|---|---|---|
| KR1020180065460A KR101932070B1 (en) | 2018-06-07 | 2018-06-07 | Active shimming system of magnetic resonance spectrometer apparatus and magnetic resonance imaging apparatus for improving uniformity of magnetic field and active shimming method using it |
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2018
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