자기공명영상 장치(MRI, Magnetic Resonance Imaging)는 강한 자기장과 고주파(RF) 신호를 이용해 인체 내부 구조를 비침습적으로 영상화하는 의료영상기기입니다.

MRI 시스템은 크게 주 자기장을 생성하는 초전도 자석, 위치 정보를 제공하는 Gradient Coil, 그리고 인체에 RF 신호를 인가하거나 인체에서 방출되는 신호를 수신하는 RF Coil로 구성됩니다.

이 가운데 MRI RF 코일의 설계는 영상 품질과 밀접하게 관련됩니다. 코일의 종류뿐 아니라 민감도(Sensitivity), 필드 균질도(Field Uniformity), 품질계수(Quality Factor), 코일 간 커플링 등을 함께 고려해야 합니다.

전자기(EM) 해석 소프트웨어를 활용하면 이러한 특성을 설계 단계에서 분석하고 RF 코일의 성능을 검토할 수 있습니다.

MRI RF 코일의 종류

MRI에 사용되는 대표적인 RF 코일에는 새장형 코일(Birdcage Coil), 루프 코일(Loop Coil), 배열 코일(Array Coil) 등이 있습니다.

새장형 코일은 비교적 넓은 체적에서 균일한 자기장을 형성할 수 있어 머리나 몸통처럼 넓은 부위를 촬영할 때 송신 또는 송·수신 코일로 활용됩니다.

반면 루프 코일은 국소 부위를 집중적으로 촬영할 때 높은 민감도를 확보하는 데 유리합니다. 여러 개의 루프 코일을 배열 형태로 구성하면 넓은 영역을 대상으로 사용할 수 있으며, 배열 코일은 병렬 영상(Parallel Imaging)을 통해 영상 획득 시간을 줄이거나 고해상도 영상을 얻는 데 활용됩니다.

1. XFdtd를 활용한 새장형 코일(Birdcage Coil) 설계

모아소프트는 Remcom의 XFdtd를 이용한 MRI 새장형 코일 설계 사례를 소개하고 있습니다.

사례에서는 1.5 T 두부용 새장형 코일을 대상으로 동작 주파수와 코일 크기를 설정한 후 공진 커패시터(Tuning Capacitor)를 계산하고 시뮬레이션 모델을 구성합니다.

이후 산란계수(S-Parameter)를 계산해 코일의 공진 특성을 확인합니다.

공진 모드와 B1+ 필드 확인

새장형 코일은 Leg 개수에 따라 여러 개의 공진 모드를 가질 수 있습니다.

MRI에서는 이 가운데 코일 내부 공간에서 균일한 송신 필드(|B1+|)를 형성하는 모드를 찾아야 합니다.

따라서 각각의 공진 모드에서 송신 필드를 확인하고, 원하는 동작 주파수와 공진 모드 사이에 차이가 있다면 그 차이를 고려해 공진 커패시터 값을 조정합니다.

이후 XFdtd의 Schematic Editor에서 적절한 정합 회로(Matching Circuit)를 구성해 새장형 코일의 입력 임피던스를 50Ω에 정합할 수 있습니다.

2. 루프 코일(Loop Coil) 설계와 임피던스 정합

루프 코일의 크기는 SNR(Signal-to-Noise Ratio)과 침투 깊이(Penetration Depth)를 결정하는 중요한 요소입니다.

코일이 작아지면 신호 세기와 SNR이 높아질 수 있지만 거리가 증가할수록 신호 세기가 빠르게 감소합니다. 반대로 코일이 커지면 신호 세기는 다소 감소하지만 거리에 따른 신호 감소폭은 상대적으로 줄어듭니다.

따라서 뇌 심부 코일이나 사지 코일 등 사용 목적에 따라 적절한 코일 크기를 결정한 뒤 XFdtd에서 코일을 모델링하고 매칭 회로를 구성해 입력 임피던스를 50Ω에 정합합니다.

3. 중첩 디커플링(Overlap Decoupling)

여러 개의 코일을 배열 형태로 구성하면 코일 간 상호 커플링을 줄이고 충분한 격리도를 확보하는 것이 중요합니다.

일반적인 배열 안테나는 요소 간 거리를 확보하거나 격벽 등을 이용할 수 있지만, MRI 루프 코일은 두 코일이 겹치는 정도를 조절하는 Overlap Decoupling을 적용할 수 있습니다.

원문의 시뮬레이션에서는 원형 루프 코일의 겹침 정도에 따른 전달계수를 확인했으며, 코일 간 이격 거리가 코일 지름의 약 80%가 되는 조건에서 최적의 디커플링을 확인했습니다.

4. 배열 코일과 Pre-amplifier Decoupling

수신 배열 코일은 병렬 영상 기술과 결합하면 MRI 영상 획득 시간을 크게 단축할 수 있습니다.

하지만 병렬 영상 성능을 높이려면 코일 구조와 배열뿐 아니라 각 코일 요소 사이의 격리도를 충분히 확보하는 것이 중요합니다.

루프 코일의 대표적인 디커플링 방식에는 다음과 같은 방법이 있습니다.

• Overlap Decoupling
• Capacitive Decoupling
• Transformer Decoupling

다만 이러한 방식은 주로 인접한 코일 사이에 적용할 수 있다는 한계가 있습니다.

따라서 배열 코일에서 인접하지 않은 코일과의 격리도까지 확보하려면 Pre-amplifier Decoupling을 고려할 수 있습니다.

Pre-amplifier Decoupling의 원리

Pre-amplifier Decoupling은 Low Input Impedance Preamplifier를 사용하고, 매칭 회로와 동축 케이블 또는 수동소자 회로를 이용해 코일에서 프리앰프 방향을 바라봤을 때 높은 임피던스를 갖도록 구성합니다.

이를 통해 코일 사이의 상호 커플링을 최소화할 수 있습니다.

XFdtd에서 수신 코일 모델 구성

두 개의 루프 코일을 이용해 실제 수신 배열 코일을 구성하고, 중첩 디커플링과 Pre-amplifier Decoupling 조건을 비교할 수 있습니다.

Pre-amplifier Decoupling 적용 결과

XFdtd 시뮬레이션에서는 두 개의 루프 코일에 대해 중첩 디커플링만 적용한 조건과 중첩 디커플링 + Pre-amplifier Decoupling을 함께 적용한 조건을 비교했습니다.

원문에 따르면 중첩 디커플링만 적용했을 때 약 -15 dB의 격리도를 확보했으며, Pre-amplifier Decoupling을 추가하면 약 -12 dB의 추가적인 격리 효과가 나타났습니다.

MRI RF 코일 설계에서 CAE를 활용하는 이유

MRI RF 코일은 단순히 코일 형상을 설계하는 것만으로 끝나지 않습니다.

공진 주파수 → 임피던스 정합 → B1+ 필드 균질도 → 코일 간 커플링 → 배열 코일 격리도를 함께 고려해야 합니다.

XFdtd와 같은 전자기 해석 소프트웨어를 활용하면 실제 코일 제작에 앞서 이러한 RF 특성을 시뮬레이션하고, 설계 조건을 비교·최적화할 수 있습니다.

특히 이번 사례에서는 Birdcage Coil의 공진 모드 및 B1+ 필드 분석, Loop Coil의 Tune & Match, Overlap Decoupling, Pre-amplifier Decoupling까지 단계적으로 검토할 수 있음을 확인할 수 있습니다.

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.

XFdtd를 활용한 MRI RF 코일 설계 문의

모아소프트는 Remcom XFdtd RF 전자기 해석 솔루션을 제공하고 있습니다.

MRI RF 코일의 모델링, S-Parameter 분석, 필드 분포, 임피던스 정합 및 코일 간 커플링 분석 등에 XFdtd를 활용할 수 있습니다.

• 대표 문의: 02-420-3203
• 홈페이지: 기술 문의하기