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The Comparison of Field Uniformity and SAR between TEM, Loop and Combined Elemented 16 Channel Transmit Arrays
The Comparison of Field Uniformity and SAR between TEM, Loop and Combined Elemented 16 Channel Transmit Arrays
The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers. 2014. Mar, 63(3): 404-408
Copyright © 2014, null
  • Received : January 15, 2014
  • Accepted : February 25, 2014
  • Published : March 01, 2014
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연철 류
Dept. of Radiology, Pennsylvania State University, PA, USA
영범 김
Corresponding Author : max-Planck-Institute for Neurological Research, Cologne, Germany E-mail :youngbeom@gmail.com

Abstract
In this research we evaluate the excitation homogeneity and SAR of three different Tx arrays after B1+ Shimming in the human body at 3T. Through the simulations, we compared the field properties that are standard deviation and mean value of transverse magnetization for 1) strip line TEM array, 2) rectangular loop array, 3) combined array of strip line element and rectangular loop and shown the utilities of B1+ shimming in human body model. After B1+ shimming, it is evaluated four different types of SAR for body mesh through whole body simulation; those are average, maximum 1-cell, maximum 1-gram, and maximum 10-gram SAR. It appears that in this particular comparison an array based on strip line elements can produce better homogeneity and lower SAR than an array of rectangular loops or an array of combined elements (strip line and loop). While many factors are considered in designing coils for production, it is hoped that methods and results like these will be used in the future to guide decisions and maximize benefit.
Keywords
1. 서 론
MRI (Magnetic Resonance Imaging; 자기공명 영상장치)는 인체에 강한 정자장 (Static Magnetic Field)을 인가하여 조 직 내부의 수소원자가 가지고 있는 Spin을 정렬시키고 이로 인하여 발생하는 세차운동 주파수에 해당하는 RF (Radio Frequency; 라디오 주파수) 에너지 교환을 통하여 물질의 공간분포 등의 정보를 획득하는 영상장치이다. 정자장의 세기가 강할수록 신호의 감도를 개선할 수 있어 고품질의 영상획득이 가능한 특성으로 인하여 자장의 세기를 강화하는 방향으로 시스템의 개발이 이루어지고 있다. 자장의 세기가 강할수록 세차운동의 주파수가 증가하기 때문에 외부에서 인가하는 RF 신호의 주파수 역시 증가하여야 하고 이를 위하여 해당 주파수 특성을 가지도록 MRI의 RF 송수신 하드 웨어들이 설계, 제작된다. 인체를 구성하는 조직은 유전률 특성 (Dielectric Property) 면에 있어 자유공간 혹은 공기 중에서 진행되는 RF 신호의 Wave Length (파장)을 더욱 단축하는 경향이 있다. 3T 시스템의 세차운동 주파수는 약 128 MHz로 그 파장은 자유공간상에서 약 2.3 m이나 인체내에서는 약 26 cm정도의 파장을 가지며 이로 인한 자기장의 불균일은 영상에 신호강도가 약한 부분이 발생하는 음영 효과 (Dielectric Shading)로 나타나게 되어 복부영상 등 대상체의 크기가 큰 영상에서는 고품질의 영상획득이 어렵다 [1] [2] [3] .
이러한 자장의 불균일 문제를 해결하기 위한 다양한 연구가 진행되었으며 최근 독립적으로 각 채널의 전송 RF 신호를 운용하는 pTx (Parallel Transmission; 독립신호전송) 형태를 통한 자장균일화 방식을 가장 효과적인 해결 방안으로 인정하고 있다 [4] [5] [6] . 2006년 Philips에 의하여 최초의 2 채널 pTx 시스템이 발표되었고 Siemens와 GE에서도 이에 상응하는 다채널 RF신호 전송 시스템을 상용화하였으며 화질의 균일도 면에서 많은 개선을 이루었다.
상용화된 다채널 전송 시스템의 경우 대영역 대상의 전송코일로 버드케이지(Birdcage)형의 구조가 이용되고 있다. 버드케이지형 다채널 전송코일은 사용되는 채널에 대비하여 생성되는 자기장이 큰 영역에 걸쳐 균일한 특성으로 인하여 단채널 송신방식을 이용하는 MRI시스템에서 Body코일로 이용되어 왔으나 자장의 균일도를 개선시키기 위하여 pTx 방식을 사용하는 다채널 전송방식을 위한 코일로 사용하기에는 RF 코일을 동작시키는 구동점 (Driving Point)의 수가 제한적이어서 자유도를 제한하는 근본적인 문제점이 있다. 버드케이지형의 pTx는 2 채널 4 구동점 방식이 전송 RF 신호 조작의 자유도 면에서 가장 발전된 방식이다. 다채널 전송 코일의 개발은 독립적으로 제어 가능한 채널의 수를 최대한 확보하는 방향으로 진행되고 있으며 3T 복부영상에서 채널당 구동전류의 크기와 페이즈 (phase)에 대한 독립성이 보장되는 경우 8채널 이상의 자유도가 필요하다는 것이 보고되었다 [3] [7] .
다채널 전송코일의 설계에서는 전송소자 (Transmit Coil Element)의 종류 결정, Array 구성에서 전송소자의 배치, 생성되는 자기장의 균일도, SAR (Specific Absorption Ratio; 전자파 흡수율)를 통한 안전도 점검 등이 검토되어야 한다. 다채널 전송코일의 자장생성 능력은 전송소자의 종류에 의해 결정되기 때문에 전송소자의 선택은 매우 중요하다. 다채널 코일에 많이 사용되는 전송소자로는 Loop형태와 TEM (Transverse Electro-Magnetic) 형태가 있다. 근거리 민감도가 뛰어나 수신코일에 주로 사용되는 Loop 형태는 단순한 구조로 다채널 송신코일과 소형의 전송코일에 주로 사용되고 있다. TEM 형태는 대영역에 대한 전송에서Loop 형태에 비해 효율이 높고 [8] 다채널 전송코일의 소자로의 유용성을 4T, 7T 등의 고자장 Whole Body 영상을 획득하여 발표된 바 있다 [9] .
본 논문에서는 서로 다른 전송소자를 이용한 다채널 전송코일의 성능 비교를 통하여 복부를 포함한 Body 전 영역의 고품질 영상화가 가능한 다채널 전송코일을 제안하려 한다. Loop 및 TEM 형태의 전송소자로 이루어진 세 가지 종류의 16 채널 전송코일에 대한 자기장 특성을 시뮬레이션 하였고 이를 이용하여 균일 자기장 생성 능력과 안전도를 비교하였다.
2. 방법 및 실험
- 2.1 다채널 전송코일의 구조
본 연구에서는 3T Body 영상을 얻기 위한 RF 신호 전송 코일로 16채널의 전송소자를 이용한 다채널 전송 코일을 설계하였다. 전송소자의 선택에 의하여 발생하는 성능비교를 위하여 3 종류의 서로 다른 전송소자의 구성으로 이루어진 다채널 전송코일의 구조를 대상으로 하였으며 전송코일의 각 전송소자들을 독립적으로 구동되는 pTx 방식을 이용하여 동작하도록 설계하였다. 사용된 세 가지 전송소자의 구조를 그림 1 에 나타내었다. Strip Line 구조의 TEM 형태 ( 그림 1 (a))와 직사각형 구조의 Loop 형태 ( 그림 1 (b))를 이용하였으며 이들 두 형태의 전송소자들을 동시에 사용하는 복합형태의 소자 ( 그림 1 (c))를 추가로 고려하였다.
전송소자의 설계 시 TEM형 소자의 경우 Return Path형성을 위하여 일반적으로 구성되는 슬롯 형태의 도판을 이용하지 않고 MRI 시스템에 설치되는 RF Shield Layer를 이용하였다. 이는 슬롯 형태의 도판이 RF Shield Layer와 가깝게 설계되는 경우 생성되는 자기장이 차이가 크지 않다는 이전의 연구결과 [7] 를 참고하여 결정하였다. 사용된 RF Shield Layer는 직경 68 cm, 길이 140 cm의 실린더 형태로 설계하였고 다채널 전송코일에 공통으로 사용하였다.
Loop형 전송소자는 50 cm × 5 cm의 외경으로, 구리 도판의 폭은 1 cm이고, 구리 소재의 도판을 사용하였다. RF Shield와 2 cm의 거리를 두고 Shield Layer의 내부에 등간격으로 위치하도록 설계하였다. TEM형 전송소자는 Conductor역할의 폭 1 cm, 길이 50 cm구리 도판 양 끝이 Return Path역할을 하는 RF Shield Layer와 연결되어 TEM 구조를 형성하도록 하였다. Shield와의 간격은 2 cm 로 Loop형의 전송소자와 같은 거리를 갖도록 설계하였다.
Loop형과 TEM형 전송소자를 모두 이용하는 복합형 전송소자는 두 소자를 번갈아 배치한 형태로 생성되는 자장의 방향을 보정하기 위하여 인접한 서로 다른 소자와 90도의 Phase Offset을 전류원에 반영하였다.
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다채널 전송코일에 이용된 전송소자 (a) Strip Line구 조의 TEM형태 전송소자, (b) 직사각형 구조의 Loop 형태 전송소자, (c) 두 형태의 전송소자를 모두 이용한 복합형태 전송소자 (Loop + TEM) Fig. 1 Used coil elements for transmit array (a) strip line TEM element, (b) rectangular loop element, (c) combined element (loop + TEM)
세 종류의 전송소자를 이용하여 구성된 다채널 전송코일을 그림 2 에서 나타내었다. 인체 내부에서의 자장특성을 고려하기 위하여 구성된 다채널 전송코일의 내부에 인체모델을 설치하였다. 인체모델은 실제 MRI 장비의 구성을 고려하여 Patient Table의 높이를 고려하여 위치를 조절하였다. 최외측의 실린더는 RF Shield Layer로 이해를 돕기 위해 반쪽을 제거한 형태로 도시하였다. 전송소자들은 모두 RF Shield Layer와 일정한 거리(conductor와 shield간의 간격: 20mm)를 두고 등간격으로 위치하고 있으며 구성된 다채널 전송코일은 인체모델의 심장이 그 중심에 위치되도록 배치가 설정되었다.
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제안된 세가지 16 채널 전송코일 (a) TEM형 전송소 자 구성, (b) Loop형 전송소자 구성, (c) 복합형 전송 소자 구성 Proposed three different 16 channel transmit arrays: (a) strip line TEM array, (b) rectangular loop array, and (c) combined array
- 2.2 전자기장 시뮬레이션
앞에서 제안한 다채널 전송코일의 특성을 파악하기 위한 시뮬레이션은 REMCOM사의 xFDTD 소프트웨어를 이용하여 수행하였다. RF 전원은 3T MRI의 동작 주파수인 128 MHz의 특성을 갖도록 설정하였으며 다채널 전송코일의 B1+ Field를 확인하기 위하여 각 전송소자가 발생하는 B1+ Field를 구하고 이를 제작한 Matlab 프로그램을 통하여 재연산하였다. B1+ Field는 Z축을 중심으로 128 MHz의 속도로 회전하는 Rotating Frame에서의 Transverse Magnetization의 값으로 벡터 수치를 갖는다. Mesh는 x, y, z 각 방향으로 193 × 193 × 493 의 크기를 갖도록 설계하였으며 단위 cell의 크기는 5 × 5 × 5 mm 3 이므로 시뮬레이션은 960 × 960 × 2460 mm 3 의 크기를 갖는 공간을 대상으로 실행하였다. 인체 내부에 형성되는 전자기적 특성을 파악하기 위하여 적용한 피사체는 5 × 5 × 5 mm 3 해상도를 갖는 남성 인체 모델 (Hugo, REMCOM)을 사용하였다. 다채널 전송코일의 중심은 인체 모델의 심장과 일치하도록 배치하고 이 점을 포함하는 Axial 2D 평면을 대상으로 균일도와 SAR 값을 계산하였다. 구리도판을 이용하여 설계된 부분에는 구리도판의 전기적 특성을 실제로 나타내기 위하여 Conductivity 5.96 × 10 7 , Resistivity 1.68 × 10 −8 의 특성값을 적용하였다. 모든 전송소자에는 두 개의 전류원을 포함하도록 구성하였다. 전압원 (Voltage Source)방식을 이용할 때와는 다르게Tune과 Matching을 위한 Feeding Board를 고려 하지 않았고 구조의 단순화를 위하여 인접 전송소자간의 간섭을 상쇄하기 위한 추가적인 Decoupling 회로 또한 고려하지 않았다. 각 전송소자의 전류원은 소자의 위치가 갖는 페이즈 (Geometric Phase)를 추가하였으며 이를 통하여 B1+ Field의 연산 시 추가적인 고려 없이 벡터가 합하여 질 수 있도록 하였다. Loop형 전송소자에는 Conductor 의 양 쪽에 전류원이 위치하고 TEM형 전송소자에서는 Conductor의 양 끝이 Shield Layer와 만나는 곳에 설치되었다.
- 2.3 쿼드러쳐 드라이빙 방식의 B1+ Field의 균일도 비교
제안된 세 종류의 다채널 전송코일의 특성을 파악하기 위하여 먼저 현재 버드케이지 형태의 전송코일에서 사용되고 있는 쿼드러쳐 드라이빙(Quadrature Driving) 방식의 CP(Circular Polarization)을 수행하였을 때와 같은 조건을 주어의 B1+ Field를 구하고 생성된 자장의 균일도를 비교하였다. 위에서 소개된 대로 각 전송소자의 전류원은 전송소자의 위치에 의한 페이즈가 고려되었기 때문에 시뮬레이션을 통하여 얻은 전송소자의 B1+ Field의 백터 합으로 다채널 전송코일의 B1+ Field를 구하였다. 균일도는 인체 중심에서의 Transverse Magnetization이 90도의 Flip Angle을 형성하도록 전송소자의 값들을 스케일링 한 상태에서 MT90(90도의 Flip Angle을 형성하도록하는 Transverse Magnetization)과의 비율인 MT를 구하고 그 값의 평균값과 표준편차를 통하여 비교하였다(MT값 1은 90도의 Flip Angle을 갖는 Transverse Magnetization을 의미). 또한 Mask를 이용하여 인체 내부의 자기장만을 고려하여 통계작업을 수행하였다.
- 2.4 B1+ Shimming 이후의 B1+ Field
B1+ Shimming은 Superposition 원리를 이용하여 각 전송소자에 포함된 전류원의 Amplitude와 페이즈 값을 조절하여 MT의 최대 최소값 차이를 최소화 하는 최적화로 제작한 Matlab 프로그램을 통하여 수행하였다. 최적화는 Single Pulse를 이용한 RF Shimming 방식을 이용하여 영역내의 MT 평균값이 1에 가깝도록 최적화를 진행하는 방식을 이용 하였다 [10] . 최적화 이후의 B1+ Field 균일도 분석을 위하여 2D 평면에서 MT의 평균과 표준편차를 이용하여 비교하였다.
- 2.5 안전도 측정 (SAR)
B1+ Shimming에 의하여 발생하는 Field의 안전성 검토를 위하여 각 전송소자의 최적화된 값을 이용하여 SAR값을 계산하였다. xFDTD의 다채널 송신코일 모델에 전송소자의 전류원 값으로 변경된 Amplitude와 페이즈를 적용하였으며 1g SAR, 10g SAR, whole body average SAR를 구하였다. B1+ Shimming은 2D 평면을 대상으로 하였으나 전기장과 인체구성물질의 특성에 의하여 결정되는 SAR 값은 그 분포가 Shimming된 자기장의 패턴과 다르고 최적화된 평면 이외의 위치에서 Peak SAR 값이 나올 수 있기 때문에 인체의 3D 모델 전체에 대하여 SAR 값을 구하여 안전도를 비교하였다.
3. 결 과
서로 다른 전송소자로 이루어진 세 종류의 다채널 전송코일이 쿼드러쳐 드라이빙에 의해 자장을 형성할 때 생성되는 B1+ Field의 패턴을 구하여 그 특성을 표 1 에 정리하였다. 생성된 B1+ Field의 균일도에서 TEM 전송소자를 이용한 다채널 전송코일이 가장 균일한 값을 보였다. TEM형 전송소자를 이용한 16채널 전송코일의 M T 값은 평균이0.858로 Loop형 전송소자를 이용할 경우(0.798)와 복합형 전송소자를 이용한 경우(0.851)에 비하여 좋은 결과를 보였고 생성된 자장의 균일도 면에서도 0.152의 가장 작은 표준편차를 보여 우수한 균일도 성능을 나타냈다.
쿼드러쳐 드라이빙을 통하여 획득한 세 가지 Tx Array의 전송자장의 자장세기 평균과 표준편차 비교Table 1 Comparison of B1+ Field property between three different Tx array by quadrature driving
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쿼드러쳐 드라이빙을 통하여 획득한 세 가지 Tx Array의 전송자장의 자장세기 평균과 표준편차 비교 Table 1 Comparison of B1+ Field property between three different Tx array by quadrature driving
B1+ Shimming 이후 형성되는 자장 특성을 을 그림 3 에서 보였고 표 2 에서 Shimming결과 형성된 MT의 특성값을 표시하였다. B1+ Shimming의 결과에서도 TEM 전송소자를 이용한 16채널 전송코일이 다른 두 종류의 전송코일에 비하 여 높은 자기장 균일도를 보임을 알 수 있다. B1+ Shimming은 쿼드러쳐 드라이빙 방식으로 생성되는 B1+ Field 의 자장 균일도를 향상시키며 이는 모든 다채널 전송 코일에서 관측되었다. 표 1 에 표시된 쿼드러쳐 드라이빙의 결과와 비교하면 Loop형 전송소자를 이용한 전송코일에서 자기장의 평균세기가 0.798에서 0.961로 20%로 개선되어 가장 많이 개선되었고 자기장의 균일도에서는 TEM형 전송소자를 이용한 전송코일이 MT표준편차 값에서 0.152에서 0.067로 개선되어 가장 큰 개선을 보였다.
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B1+ Shimming 의 결과 형성되는 MT (1에 가까울수 록 90도의 flip angle을 갖게 됨) (a) TEM형 전송소자를 이용한 전송코일의 MT, (b) Loop형 전송소자를 이용한 전송코일의 MT, (c)복합형 전송소자를 이용한 전송코일의 MT Fig. 3 B1+ field distribution of B1+ shimmed driving (a) TEM element transmit array, (b) loop element array, (c) combined element array
B1+ Shimming 이후 16채널 전송코일 별 MT특성표 (평균값, 표준편차)Table 2 Comparison of shimmed B1 field
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B1+ Shimming 이후 16채널 전송코일 별 MT 특성표 (평균값, 표준편차) Table 2 Comparison of shimmed B1 field
Shimming 과정을 통해 각 전송소자 별로 최적화된 RF source의 Amplitude와 페이즈를 적용하여 인체 모델 내부에서 계산된 SAR 수치를 표 3 에 정리하였다. Loop형 전송소 자를 이용한 전송코일은 Maximum 1 cell SAR와 1g SAR 에서 다른 전송소자를 이용한 전송코일의 경우보다 큰 수치를 보였다. Whole Body Average SAR와 Maximum 10g SAR에서는 복합형 전송소자를 이용한 전송코일이 가장 큰 값을 보였다. TEM형 전송소자를 이용한 경우 연산된 모든 SAR값에서 가장 작은 값을 보여 안전도가 가장 뛰어난 결과를 보였다.
B1+ Shimming에 의한 최적화 조건을 인체 모델에 적용하여 계산된 SAR 수치 비교Table 3 evaluated SAR values with B1+ shimmed driving parameters for body mesh through whole body simulation
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B1+ Shimming에 의한 최적화 조건을 인체 모델에 적용하여 계산된 SAR 수치 비교 Table 3 evaluated SAR values with B1+ shimmed driving parameters for body mesh through whole body simulation
4. 결 론
Loop형 혹은 복합형 (Loop+TEM) 전송소자로 구성된 다채널 전송코일에 비하여 TEM형 전송소자를 이용하여 구성된 다채널 전송코일이 인체를 대상으로 더 균일한 자장의 분포를 생성함을 확인하였다. 이는 이미 알려진 바와 같이 TEM형 16 채널 Body 코일은 기존의 단채널 (16-Rod) Birdcage 코일에 비하여 End-ring Current에 의한 자기장의 효율저하를 감소시킬 뿐만 아니라 [11] , Loop나 복합형 소자에 비해 자장의 균일도 개선 측면에서 Body 촬영 시 영상 품질의 개선이 가능함을 의미한다.
또한 본 논문에서 살펴본 세가지 전송코일 모두 다채널 전송 방식 (pTx 드라이빙)으로 동작할 경우, 채널 별 독립 구동에 의한 B1+ Shimming 이 가능해져 Body영상의 균일도가 모두 개선됨 (균일도 평균 45%, 자장세기 평균 15% 개선)을 확인하였다. 이는 단채널 Birdcage코일에 비해 자기장 제어 측면에서 높은 자유도를 확보할 수 있는 다채널 전송방식의 장점이다.
한편, 복합형 전송소자를 이용한 다채널 전송코일은 자장 균일도와 SAR에 있어서 TEM 전송소자를 이용한 전송코일의 성능에 미치지 못하였다. 복합형 전송소자의 경우 근거리와 원거리 모두에 전송효율이 좋아서 TEM형 전송소자보다 더 좋은 성능을 기대하였으나, TEM형 전송소자를 이용한 경우가 더 좋은 성능을 보인 것은 적용 대상이 동작주파수에 의한 파장에 비해 큰 Body였기 때문에 원거리 전송능력이 뛰어난 TEM형 전송소자를 더 많이 사용한 경우가 균일한 자장을 만드는데 유리하였던 것으로 판단된다. 또한 Loop전송소자의 전송효율이 Shield Layer 때문에 악화되어 Loop형 전송소자가 사용되는 두 전송코일의 성능이 낮아진 것이라 판단된다.
Shield가 있는 Loop형 전송소자는 Shield Layer와의 거리가 코일의 성능을 결정하는 요소가 되는데 본 연구에서 사용된 Loop형 전송소자는 실제 MRI 시스템에서 설계되는 규격을 고려하여 설계하였기 때문에 Shield Layer와 거리를 2 cm로 제한하였다. Loop형 전송소자를 이용한 다채널 전송 코일의 성능 개선을 위하여 Shield Layer와 전송소자간의 간격을 증가시켜보는 것을 고려할 수 있으나 이를 위하여 환자를 위한 공간이 줄어드는 단점을 감수해야 하는 단점이 있다. Loop형 전송소자가 사용되는 경우 근거리에 에너지의 대부분이 저장되는 전송소자의 전자기적 특성에 의하여 높은 전기장이 형성되며 이는 인체에 높은 SAR를 유발하는 원인이 되었다.
본 연구에서 사용된 B1+ Shimming은 2D Field Uniformity 개선만을 고려한 최적화였다. 따라서 최적화된 Field에서 일부 영역에 국부적인 전자기파 흡수율 특성이 좋지 않은 영역이 일부 존재하였다. 이 문제점은 SAR를 고려한 Shimming [10] 을 이용할 경우 개선할 수 있고 3D 영역에 대한 Field의 최적화가 이루어진다면 실제 임상 적용에 더욱 유용한 결과를 도출 할 수 있을 것으로 기대한다.
Acknowledgements
본 연구는 2012년도 미 국립보건원(NIH)의 지원에 의하여 이루어진 연구로서, 관계부처에 감사드립니다
BIO
류 연 철 (柳 延 澈) 고려대학교 응용전자공학과 (B.S.) 동 대학원 전자 및 정보공학과 의공학 전공 (M.S.) 동 대학원 전자 및 정보공학과 의용전자 공학 전공 (Ph.D.) Pennsylvania State University, CNMRR 연구소 (Post-Doc.)
김 영 범 (金 永 釩) 고려대학교 전기전자전파공학부 (B.S.) 한국과학기술원 전자전산학부 전기 및 전자공학 전공 (M.S.) 한국과학기술원 전자전산학부 전기 및 전자공학 전공 (Ph.D.) Max-Planck-Institute for Neurological Research, In-vivo-NMR Lab. (Post-Doc.)
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