KR19990079479A - Open cage high frequency coil for magnetic resonance imaging - Google Patents
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Abstract
본 발명은 중재 의학적 시술을 가능하게 하는 자기공명영상(MRI: Magnetic Resonance Imaging) 장치용 개방형 새장 고주파 코일에 관한 것이다. 본 발명에 따른 개방형 새장 고주파코일은 원통형의 원주면에 배치되는 고주파 코일의 도선에 개방부를 둠으로써, 중재적 시술이 가능할 정도로 보다 넓은 시야를 환자에게 제공한다.The present invention relates to an open cage high frequency coil for a magnetic resonance imaging (MRI) device that enables an interventional medical procedure. The open cage high frequency coil according to the present invention has an opening in the lead of the high frequency coil disposed on the cylindrical circumferential surface, thereby providing a patient with a wider field of view so that an interventional procedure is possible.
Description
본 발명은 자기공명영상(MRI: Magnetic Resonance Imaging) 장치용 고주파 코일에 관한 것으로, 특히 중재의학적 시술을 가능하게 하는 개방형 새장 고주파 코일에 관한 것이다.The present invention relates to a high frequency coil for a magnetic resonance imaging (MRI) device, and more particularly, to an open cage high frequency coil enabling interventional medical procedures.
일반적으로 자기공명영상장치는 각종 질병을 진단하기 위해 널리 쓰이고 있는 영상진단기기이다. 최근 폐쇄공포증이 있는 환자에게 보다 나은 안락감을 주기 위해서, 또는 자기공명 촬영을 하는 도중 환자에게 조직검사용 바늘을 투입하거나 간단한 수술을 하는 등의 중재의학적 응용(interventional studies)을 위해서 개방형 구조의 자기공명영상장치가 보급되고 있다. 개방형 자기공명영상장치를 만들기 위해서는 우선 주자계(main magnetic field)를 형성하는 주자석의 구조가 개방형이어야 한다. 현재 많이 쓰이고 있는 개방형 주자석은 주로 영구자석이다. 최근까지 소개된 개방형 주자석의 모양 중 가장 개방 면적이 큰 구조는 도 1에 도시된 바와 같은 "C"자형의 영구자석이다. 이 영구자석은 마주 보는 극면(pole face) 사이에 촬영 공간을 만들고, 이 두 극 사이의 자로(magnetic path)를 C형으로 만들어 촬영 공간을 전후좌우 4방향 중 3방향에서 접근할 수 있도록 하고 있다. 개방형 자기공명영상장치를 구성하기 위해서는 주자석 뿐만 아니라 인체에 고주파 자계를 인가하고 인체에서 발생하는 자기공명신호를 수신하는 고주파 코일도 개방형 구조를 가져야만 한다. 새장 고주파 코일(Birdcage RF coil)은 자기공명영상장치에서 가장 널리 쓰이고 있는 고주파 코일의 하나이다. 새장 고주파 코일은 다른 구조의 고주파코일에 비해 감도가 높고, 또한 고주파 자계의 균일도가 양호해 특히 고자장 자기공명영상장치에서 널리 쓰이고 있다.In general, the magnetic resonance imaging apparatus is an imaging apparatus widely used to diagnose various diseases. Magnetic resonance with open structure for better comfort in patients with recent phobia or for interventional studies such as inserting a biopsy needle or performing simple surgery during magnetic resonance imaging. Imaging devices are becoming widespread. In order to make an open magnetic resonance imaging apparatus, the structure of a main magnet forming a main magnetic field must first be open. The open main magnet which is used a lot now is mainly a permanent magnet. The structure of the largest open area among the shapes of the open main magnet introduced until recently is a permanent magnet of "C" shape as shown in FIG. The permanent magnet creates a shooting space between the opposite pole faces and a magnetic path between the two poles, making it C-shaped, allowing the shooting space to be approached in three directions: four directions. . In order to construct an open magnetic resonance imaging apparatus, not only the main magnet but also a high frequency coil that applies a high frequency magnetic field to the human body and receives a magnetic resonance signal generated from the human body should have an open structure. Birdcage RF coil is one of the most widely used high frequency coils in MRI. The cage high frequency coil has high sensitivity and high uniformity of high frequency magnetic field compared to other high frequency coils, and thus is widely used in high magnetic field magnetic resonance imaging devices.
도 2는 종래의 새장 고주파 코일을 도시하고 있다. 이러한 새장 고주파 코일은 1985년도 헤이즈(Hayes) 등에 의해 처음 제안된 것으로, 동작주파수를 조절하는데 쓰이는 캐패시터(8)가 직선형 도선(6)의 중앙 부근에 위치하는 저주파 통과형과 호형 도선(7)의 중앙 부근에 위치하는 고주파 통과형이 있으나 그 동작 원리는 동일하므로 편의상 여기서는 저주파 통과형만 논의한다. 도 2의 새장 고주파 코일은 저주파 통과형 새장 고주파 코일로서, 이 구조에서는 N개의 수직 도선(6)이 원통 표면에 등 간격으로 배치되어 있고, 수직 도선은 호형 도선(7)로 서로 연결되어 있다. 수직 도선의 중심 부분은 절단되어 있고, 절단 부분은 캐패시터(8)로 연결되어 있다. 이들 수직 도선에 i=1,,,N의 번호를 매기고 각각의 도선에 Ii=I0cos(2π/N)의 전류를 흐르게 하면 원통 내부에 매우 균일한 고주파 자계를 얻을 수 있다. 이러한 전류 분포를 얻기 위해서는 N개의 수직 도선 중 어느 하나를 선택하여 그 도선에 연결된 캐패시터에 새장 고주파 코일의 공명 주파수와 비슷한 주파수의 전압신호를 인가하는 방법이 많이 사용된다.2 illustrates a conventional cage high frequency coil. This cage high frequency coil was first proposed by Hayes et al. In 1985. The low frequency pass type and arc type lead (7) of the capacitor (8) used to adjust the operating frequency is located near the center of the straight lead (6). There is a high frequency pass type located near the center, but the operation principle is the same, so only the low pass type is discussed here for convenience. The cage high frequency coil of FIG. 2 is a low pass cage high frequency coil, in which N vertical conductors 6 are arranged at equal intervals on the cylindrical surface, and the vertical conductors are connected to each other by arc conductors 7. The center portion of the vertical lead is cut and the cut portion is connected by a capacitor 8. By numbering i = 1, and N to these vertical leads and passing a current of I i = I 0 cos (2π / N) to each lead, a very uniform high frequency magnetic field can be obtained inside the cylinder. In order to obtain such a current distribution, a method of selecting one of the N vertical wires and applying a voltage signal having a frequency similar to the resonance frequency of the cage high frequency coil to a capacitor connected to the wire is widely used.
이와 같이, 종래의 새장 고주파 코일은 원통형의 틀 위에 놓인 환형 구조의 LC 사다리 회로로 구현되고 있다. 이것은 LC 사다리 회로가 원통형 모양을 가질 때 가장 좋은 자계 균일도를 갖기 때문이다. 그러나 종래의 새장 고주파 코일은 원통 표면의 모든 각도에 도선과 전기 소자가 배치되어 있으므로 개방형 자기공명영상 장치에 응용하기 어렵다.As such, the conventional cage high frequency coil is implemented with an LC ladder circuit having an annular structure placed on a cylindrical frame. This is because the LC ladder circuit has the best magnetic field uniformity when it has a cylindrical shape. However, the conventional cage high frequency coil is difficult to be applied to the open magnetic resonance imaging apparatus because the conducting wire and the electrical elements are arranged at all angles of the cylindrical surface.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 창안된 것으로, 새장 고주파코일의 구조를 변경하여 중재적 시술이 가능하도록 하는 자기공명영상장치용 개방형 새장 고주파 코일을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to improve the above problems, and an object of the present invention is to provide an open cage high frequency coil for a magnetic resonance imaging apparatus that enables the interventional procedure by changing the structure of the cage high frequency coil.
도 1은 일반적인 개방형 자기공명영상장치의 개략적 측면도,1 is a schematic side view of a general open magnetic resonance imaging apparatus;
도 2는 종래의 새장 고주파 코일의 형상을 보여주는 도면,2 is a view showing the shape of a conventional cage high frequency coil,
도 3은 본 발명에 따른 개방형 새장 고주파 코일의 형상을 보여주는 도면,3 is a view showing the shape of an open cage high frequency coil according to the present invention;
도 4는 도 3의 개방형 새장 고주파 코일의 전기적 등가 회로도,4 is an electrical equivalent circuit diagram of the open cage high frequency coil of FIG.
그리고 도 5는 전송선으로 만들어진 전력분배기(임피던스 정합 회로)를 나타낸다.5 shows a power divider (impedance matching circuit) made of a transmission line.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1. 주자석 2. 경사자계코일1. Main magnet 2. Inclined field coil
3. 고주파코일 4. 환자3. High frequency coil 4. Patient
5. 환자이송체 6. 직선형 도선5. Patient carrier 6. Straight conductor
7. 호형 도선 8. 캐패시터7. Arc lead 8. Capacitor
9. 직선형 도선 10. 호형 도선9. Straight conductor 10. Arc conductor
11. 캐패시터 12. 임피던스 정합용 캐패시터11.Capacitor 12. Impedance Matching Capacitor
21. 특성임피던스가 21/2Zo 인 전송선21. Transmission line with characteristic impedance 2 1/2 Zo
22,23. 특성임피던스가 Zo인 전송선22,23. Transmission line with characteristic impedance Zo
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 자기공명영상장치용 개방형 새장 고주파 코일은, 원통형의 원주면에 대응하도록 배치되어 사다리형 회로망을 이루는 도선과 캐패시터를 포함하는 새장형 고주파 코일에 있어서, 상기 원주면 중 상기 원통의 중심으로부터 소정의 각도에 대응하는 원주면에 배치된 도선이 제거되어 개방부가 형성된 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, an open cage high frequency coil for a magnetic resonance imaging apparatus according to the present invention is provided in a cage high frequency coil including a conductor and a capacitor arranged to correspond to a cylindrical circumferential surface to form a ladder network. Among the circumferential surfaces, a conductive line disposed on a circumferential surface corresponding to a predetermined angle is removed from the center of the cylinder, and an opening is formed.
본 발명에 있어서, 상기 개방부의 양 끝단 도선에 임피던스 정합 회로를 더 접속하되, 상기 임피던스 정합 회로는, 인가되는 구동 신호의 주파수를
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 자기공명영상장치용 개방형 새장 고주파 코일을 상세하게 설명한다.Hereinafter, an open cage high frequency coil for a magnetic resonance imaging apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명에 따른 자기공명영상장치용 개방형 새장 고주파 코일의 구조를 보여준다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 개방형 새장 고주파 코일은 N개의 도선(9)이 한쪽이 각도 ψ만큼의 개방부를 갖도록 열려있는 원통의 원주면에 등 간격으로 부착된 구조를 가지며, 동작주파수를 조절하는데 사용되는 캐패시터(11)가 직선형 도선(9)의 중앙 부근에 위치하는 저주파 통과형 고주파 코일이다. 여기서, N개의 수직 도선(9)이 원통의 원주면에 등 간격으로 배치되어 있고, 수직 도선(9)은 호형 도선(10)으로 서로 연결된다. 수직 도선(9)의 중심 부분은 절단되어 있고 절단 부분은 캐패시터(11)로 연결된다. 도선(도선)은 동(Copper) 파이프나 동 판으로 만드는 것이 일반적이며 경우에 따라서는 성능을 향상시키기 위해 동 위에 은(silver)을 코팅하기도 한다. 동작주파수를 조절하는 캐패시터(11)은 마이카 캐패시터, 도자(Porcelain) 캐패시터 등을 사용할 수 있고, 미세한 조절을 위해서 진공 튜브형 캐패시터를 쓰기도 한다. 개방부의 열린 각도 ψ는 응용 목적에 따라 임의로 조정할 수가 있다. 개방부에는 두 개의 입력 단자를 만들 수 있으며, 이 단자들에는 두 개의 전압신호를 인가하여 고주파 코일을 여기할 수 있고, 또한 자기공명신호를 수신할 때는 두 개의 단자에서 신호를 관측할 수 있다. 고주파 코일을 여기할 때 인가되는 두개의 전압신호는 서로 동상, 혹은 역상일 수 있다. 일반적으로 열린 각도가 작은 경우에는 동상으로 인가하는 것이 자계의 균일도를높일 수 있으며, 열린 각도가 큰 경우에는 역상으로 인가하는 것이 자계의 균일도를 높일 수 있다. 자기공명신호를 수신할 때에도 마찬가지로 두 개의 단자에 발생하는 전압신호를 상호 동상으로, 혹은 역상으로 합할 수 있다.Figure 3 shows the structure of an open cage high frequency coil for a magnetic resonance imaging apparatus according to the present invention. As shown, the open cage high frequency coil according to the present invention has a structure in which the N conductors 9 are attached at equal intervals to the circumferential surface of the open cylinder so that one side has an opening with an angle ψ, and adjusts the operating frequency. The capacitor 11 used for this purpose is a low pass type high frequency coil located near the center of the straight conductor 9. Here, N vertical conductors 9 are arranged at equal intervals on the circumferential surface of the cylinder, and the vertical conductors 9 are connected to each other by an arc-shaped conductor line 10. The center portion of the vertical lead 9 is cut and the cut portion is connected to the capacitor 11. Lead wires are usually made of copper pipes or copper plates, and in some cases silver is coated on copper to improve performance. The capacitor 11 for adjusting the operating frequency may use a mica capacitor, a porcelain capacitor, or the like, and may use a vacuum tubular capacitor for fine adjustment. The opening angle ψ of the opening can be arbitrarily adjusted according to the application purpose. In the open part, two input terminals can be made, and two voltage signals can be applied to these terminals to excite the high frequency coil, and when receiving the magnetic resonance signal, the signals can be observed at the two terminals. The two voltage signals applied when exciting the high frequency coil may be in phase or inverted with each other. In general, when the open angle is small, applying in phase may increase the uniformity of the magnetic field. When the open angle is large, applying in reverse phase may increase the uniformity of the magnetic field. Similarly, when receiving the magnetic resonance signal, the voltage signals generated at the two terminals can be summed in phase with each other or in reverse phase.
도 4는 개방형 새장 고주파 코일의 등가회로를 나타낸다. 이 등가회로에서 수직형 도선(9)은 인덕턴스 L로 표시되고, 호형 도선(10)은 인덕턴스 I로 표시된다. 그리고 캐패시터(11)는 C로 표시된다. 이 등가회로의 양 단자에는 고주파 자계 송신시에 고주파 전력 증폭기로부터 전압신호 V1과 V2가 인가되고, 자기공명신호 수신시에 전압신호 V1과 V2가 고주파 신호 증폭기로 전달된다. 두 단자와 고주파 시스템의 전력 전달을 효율적으로 하기 위하여 임피던스 정합용 캐패시터(CM,12)를 양 단자에 접속한다. 등가회로의 양 단자에서 전압신호를 상호 동상으로 인가할 때 고주파코일의 동작주파수
여기서,,here, ,
이다. 위 식에서 Mi는 i-번째로 인접한 직선형 도선 사이의 상호 인덕턴스를 나타낸다. 위에서 구한 식들의 정확성을 알아보기 위해 실제로 개방형 새장 고주파 코일을 제작하여 공진주파수를 측정하여 보았다. 직경이 30cm인 원통에 새장 고주파 코일을 제작하였는데 도선의 수는 8개로 하였으며 도선으로는 너비가 1cm인 동판을 사용하였다. 직선형 도선의 길이는 30cm로 하였으며, 호형 도선의 길이는 11.5cm로 하였다. 직선형 도선과 호형 도선의 인덕턴스를 계산하고, 직선형 도선들의 상호 인덕턴스를 계산하여 개방형 고주파 코일의 두 단자에서 동상 및 역상으로 구동한 경우의 공진주파수를 계산해보면 아래의 표 1과 같다. 이 표 1에 실제 제작한 고주파 코일에서 측정한 공진주파수도 함께 기록하였는데 계산값과 측정값이 유사하게 나타남을 알 수 있다. to be. In the above equation, Mi represents the mutual inductance between the i-th adjacent straight conductors. In order to check the accuracy of the above equations, an open cage high frequency coil was fabricated and the resonance frequency was measured. A cage high frequency coil was fabricated in a 30cm diameter cylinder. The number of conductors was 8, and a copper plate with a width of 1cm was used. The length of the straight conductor was 30 cm and the length of the arc conductor was 11.5 cm. The inductances of the straight and arc conductors are calculated, and the mutual inductances of the straight conductors are calculated. Table 1 also records the resonant frequencies measured by the fabricated high frequency coils. It can be seen that the calculated values and the measured values are similar.
이 표 1에는 본 발명에 따른 개방형 새장 고주파 코일의 성능을 종래의 새장 고주파 코일과 비교해 보기 위하여 같은 크기, 같은 형상으로 제작된 폐쇄형 새장 고주파 코일에서의 공진주파수와 Q값의 실제 측정값도 기재되어 있다. 종래의 폐쇄형 새장 고주파 코일의 공진주파수와 개방형 새장 고주파 코일의 공진주파수를 13.65MHz로 같게 하여, 두 코일의 Q값을 측정한 결과로부터 두 코일의 성능은 거의 비슷함을 알 수 있다. 따라서 개방형 새장 고주파 코일은 종래의 고주파 코일과 비교하여 성능의 열화 없이 한쪽을 개방할 수 있다는 장점을 가진다. 개방형 새장 고주파 코일을 하나의 고주파 증폭기에 접속하여 사용하기 위해서는 도 5에 도시된 바와 같은 전력분배기 즉 임피던스 정합 회로가 필요하다. 이 임피던스 정합 회로는 특성임피던스가 21/2Zo [Ω]인 동축선(21)과 Zo [Ω]인 동축선(22, 23)을 조합하여 만든다. 임피던스가 21/2Zo [Ω]인 동축선의 길이는 동작 신호 파장 λ의 1/4로 해야한다. 두 개의 546'Table 1 also shows the actual measured values of the resonant frequency and Q value in the closed cage high frequency coil manufactured in the same size and same shape to compare the performance of the open cage high frequency coil according to the present invention with the conventional cage high frequency coil. It is. The resonance frequency of the conventional closed cage high frequency coil and the resonance frequency of the open cage high frequency coil are equal to 13.65 MHz, and the Q values of the two coils are measured, and the performances of the two coils are almost similar. Therefore, the open cage high frequency coil has an advantage that one side can be opened without deterioration of performance as compared with the conventional high frequency coil. In order to use the open cage high frequency coil connected to one high frequency amplifier, a power divider, that is, an impedance matching circuit as shown in FIG. 5 is required. This impedance matching circuit is made by combining a coaxial line 21 having a characteristic impedance of 2 1/2 Zo [Ω] and a coaxial line 22 and 23 having Zo [Ω]. The coaxial line with an impedance of 2 1/2 Zo [Ω] shall be 1/4 of the operating signal wavelength λ. Two 546 '
++
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 개방형 새장 고주파코일은 새장 고주파 코일에 개방부를 둠으로써, 촬영 중 환자에게 보다 넓은 시야를 제공할 수 있으며, 중재의학적 응용이 중요시 되는 개방형 자기공명영상장치에 응용할 수 있다.As described above, the open cage high frequency coil according to the present invention has an open portion in the cage high frequency coil, which can provide a wider field of view to the patient during imaging, and can be applied to an open magnetic resonance imaging apparatus in which an interventional medical application is important. have.
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