자기공명영상 장치(MRI, magnetic resonance imaging)는 인체 내부의 구조를 비침습적으로 시각화하는 의료영상기기입니다. MRI는 강한 자기장과 고주파(RF, radio-frequency) 신호를 활용하여 인체 내 수소 원자의 자기적 특성을 시각화합니다. MRI 시스템은 크게 주 자기장을 생성하는 초전도 자석, 주 자기장에 작은 공간적 변화를 주어 위치 정보를 제공하는 gradient 코일, 인체에 고주파 신호를 인가하거나 방출된 신호를 수신하는 RF 코일로 구성되어 있습니다.
MRI RF 코일은 다양한 종류가 있으며, 각각의 코일은 특정한 목적에 맞게 사용됩니다. RF 코일의 종류에는 새장형 코일(birdcage coil), 루프 코일(loop coil), 배열 코일(array coil) 등이 있습니다.
새장형 코일은 넓은 체적 영역에서 균일한 자기장을 생성하여 주로 몸통이나 머리 같은 큰 체적 부위를 스캔할 때 송신 또는 송/수신 코일로 사용됩니다. 루프 코일은 국소 부위를 집중적으로 스캔할 때 사용되며, 높은 민감도(sensitivity)를 제공합니다.
루프 코일은 단일 요소로 사용되기보다는 주로 여러 개의 코일을 배열하여 넓은 영역을 스캔할 수 있습니다.
또한 배열 코일은 병렬 영상(parallel imaging) 기법을 통해 MR 영상 획득 속도를 크게 향상시키거나 고해상도 이미지를 얻을 수 있습니다.
MRI RF 코일의 설계는 이미지 품질에 큰 영향을 미칩니다. RF 코일을 설계할 때 고려사항은 코일의 사용 목적에 따른 코일 종류, 코일의 민감도, 생성되는 필드의 균질도(field uniformity), 코일의 품질계수(quality factor), 코일 간 커플링 등이 있습니다. 전자기(EM, electromagnetic) 해석 소프트웨어를 이용하면 설계 단계에서 이런 요구 사항을 반영할 수 있어 RF 코일의 성능을 향상 시킬 수 있습니다.
- 새장형 코일(birdcage coil)
XFdtd(REMCOM, USA) 툴을 이용하여 MRI에서 사용되는 새장형 코일을 설계한 사례를 소개합니다.
1.5 T 두부용 새장형 코일을 설계하였습니다. 코일의 동작 주파수와 사용 목적에 따른 코일 크기를 정한 다음 birdcage builder(1)에서 공진 커패시터(tuning capacitor) 값을 계산하고 시뮬레이션 상에서 모델링하여 산란계수(S-parameter)를 계산하였습니다. 새장형 코일은 leg 개수에 따라 여러 공진 모드를 갖게 되는데 이 중에서 MRI에서 주로 사용되는 모드는 코일 내부 공간에서 균일한 송신 필드(|B1+|)를 갖는 모드입니다. 각각의 모드에서 송신 필드를 확인하여 균일한 필드를 갖는 모드를 찾습니다. 이렇게 해서 찾은 공진 모드가 동작주파수와 이격되어 있다면 이격된 주파수만큼 고려하여 공진 커패시터를 조정하고 XFdtd의 Schematic Editor에서 적절한 정합 회로(matching circuit)를 구현함으로써 새장형 코일의 입력 임피던스(input impedance)를 50옴에 정합할 수 있습니다.
2. 루프 코일(loop coil)과 중첩 디커플링(overlap decoupling)
XFdtd를 이용하여 단일 루프 코일과 루프 배열 코일에 중첩 디커플링(overlap decoupling) 기법을 적용한 최적화 사례를 소개합니다. 루프 코일의 크기는 SNR과 침투 깊이(penetration depth)를 결정짓는 중요한 요소입니다. 코일이 작아질수록 신호 세기와 SNR이 높아지지만, 거리에 따라 신호 세기가 급격히 감소합니다. 반면, 코일이 커지면 신호 세기는 다소 감소하지만 거리 증가에 따른 신호 세기 감소폭이 줄어듭니다. 뇌 심부 코일이나 사지 코일 등 코일의 사용 목적에 따라 코일 크기를 정하고 시뮬레이션에서 코일을 모델링합니다. 이후 매칭 회로를 구현하여 루프 코일의 입력 임피던스를 50옴에 정합합니다. 일반적으로 다수의 안테나를 배열로 구성할 때는 안테나 간 격리도를 확보하기 위해서 안테나 간 거리를 이격시키거나 안테나 사이에 격벽을 설치합니다. 하지만 루프 코일의 경우, 코일이 겹쳐지는 정도를 조절하여 디커플링을 비교적 쉽게 수행할 수 있습니다. 원형 루프코일의 겹침 정도에 따라 전달계수를 확인하였을 때 코일 간 이격 거리가 코일 지름의 80% 정도가 되면 최적의 디커플링을 갖는 것을 확인 할 수 있습니다.
3. 프리앰프 디커플링(Pre-amplifier decoupling)
수신 배열 코일은 병렬 영상 기술과 결합되어 MR 영상 획득 시간을 획기적으로 단축시킬 수 있습니다. 병렬 영상 성능을 향상시키기 위해서는 안테나의 구조와 배열도 중요하지만, 배열 안테나의 요소 간 격리도를 확보하는 것이 특히 중요합니다. 루프 코일의 디커플링 방법으로는 중첩 디커플링(overlap decoupling), 커패시티브 디커플링(capacitive decoupling), 트랜스포머 디커플링(transformer decoupling) 등이 있지만, 이 방법들은 모두 인접한 코일에만 적용 가능하다는 단점이 있습니다. 배열 코일에서 인접하지 않은 코일과의 격리도를 확보하기 위해서는 프리앰프 디커플링(preamplifier decoupling)이 필수적입니다. 프리앰프 디커플링은 저 입력 임피던스 프리앰프(low input impedance preamplifier)를 사용하고, 매칭 회로에 동축 케이블 또는 수동 소자 회로를 통해 코일에서 프리앰프를 바라볼 때 높은 임피던스를 갖게끔 함으로써 상호 커플링을 최소화하는 방법입니다. 이 방법은 정합 과정을 단순화하여 실제 배열 코일 제작 시간을 크게 단축시킬 수 있습니다. XFdtd 시뮬레이션을 통해 두 개의 루프 코일에서 중첩 디커플링만 적용한 경우와 중첩 디커플링과 프리앰프 디커플링을 동시에 적용한 경우를 비교했습니다. 중첩 디커플링만 적용했을 때 약 -15 dB의 격리도를 확보되었으며, 여기에 프리앰프 디커플링을 추가한 결과 약 -12 dB 더 향상된 격리 효과를 얻었습니다.
Reference
(1) https://dbnyu.github.io/OpenBirdcageBuilder/
(2) Roemer, P. B., & WA, E. (1990). Hayes CE, Souza SP. Mueller OM. The NMR phased array. Magn Reson Med, 16, 192-225.
RF 솔루션 XFdtd
XFdtd – (주)모아소프트 (moasoftware.co.kr)
관련문의 : 02-6945-2156
