http://dx.doi.org/10.5369/JSST.2017.26.4.245 pISSN 1225-5475/eISSN 2093-7563
소 동물 1 H 1.5 T 자기공명영상 장치용 유연인쇄기판 기반 새장형 수신 코일 센서
세이크 파이잘 아마드1 · 김현덕2,+
FPCB-based Birdcage-Type Receiving Coil Sensor for Small Animal 1 H 1.5 T Magnetic Resonance Imaging System
Sheikh Faisal Ahmad1 and Hyun Deok Kim2+
Abstract
A novel method to implement a birdcage-type receiving coil sensor for use in a magnetic resonance imaging(MRI) system has been demonstrated employing a flexible printed circuit board (FPCB) fabrication technique. Unlike the conventional methods, the two-dimen- sional shape of the coil sensor is first implemented as a FPCB and then it is attached to the surface of a cylindrical supporting structure to implement the three-dimensional birdcage-type coil sensor. The proposed method is very effective to implement object-specific MRI coil sensors especially for small animal measurements in research and preclinical applications since the existing well-developed FPCB- based techniques can easily meet the requirements on accuracies and costs during coil implement process. The performances of the coil sensor verified through
1H 1.5T MRI measurements for small animals and it showed excellent characteristics by providing a high spatial precision and a high signal-to-noise ratio.
Keywords: Flexible printed circuit board, Magnetic resonance imaging, Birdcage-type coil, Coil sensor, Small animal image
1. 서 론
자기공명영상(MRI) 장치는 높은 해상도의 3차원 영상을 제 공할 수 있으므로 의료 현장에서 가장 빈번하게 활용되는 의료 기기 중 하나이다[1,2]. 특히, 최근에는 의료 현장 뿐만 아니라 연구 및 전임상 실험에서도 다양한 종류의 MRI 장치가 활용 되 고 있다[3-5]. MRI 장치에는 측정 대상물의 원자로부터 방출되 는 미세한 전자파를 감지하기 위한 수신 코일(receiving coil) 센 서가 반드시 사용되어야 하며, 이 코일 센서는 전체 MRI 장치 의 성능을 결정하는 중요한 요소 부품 중 하나이다.
MRI 장치는 높은 공간 해상도(spatial resolution)와 우수한 신 호 대 잡음비(signal to noise ratio)를 제공하는 것이 바람직한
데, 의료 현장 또는 연구 및 전임상 실험에서 측정 대상물의 크 기에 맞춰 적절한 크기의 수신 코일 센서를 사용함으로써 동일 한 장치를 이용하더라도 상대적으로 더 선명한 측정 영상을 얻 을 수 있다. 즉, 의료 현장에서 인체의 일부분을 측정하거나, 연 구 또는 전임상 실험에서 소 동물(small animal)을 측정할 경우, 수신 코일 센서 크기를 측정 대상물에 맞게 줄임으로써 측정 대 상물에서 방출되는 약한 전자파를 보다 효과적으로 수신하여 높 은 공간 해상도와 우수한 신호 대 잡음비를 높일 수 있다[6,7].
특히, 측정 대상물 크기에 맞춰 수신 코일 센서만 선택적으로 교체하여 사용할 경우, 측정 대상물 별로 별도의 MRI 장치를 구비할 필요 없이 하나의 MRI 장치를 사용하여 크기가 다른 다 수의 대상물들을 효과적으로 측정할 수 있기에 장비 구축 및 운 영 비용을 줄이는 장점이 있다.
수신 코일 센서가 MRI 장치의 성능 및 가격 등에 중요한 영 향을 미치므로 다양한 종류의 수신 코일 센서가 개발되어 왔는 데, TEM(transverse electromagnetic) 코일, 표면(surface) 코일, 새 장형(birdcage-type) 코일 등이 대표적인 예이다[8]. 이러한 MRI 장치용 코일 센서들은 각각 고유 특장점이 있어 다수 제품이 혼 용되어 사용되고 있지만, 소 동물용 MRI 장치와 같이 측정 대 상물의 크기가 작은 경우에 사용하기 위해서는 몇 가지 고려해 야 할 문제들이 있다. 예를 들어, TEM 코일은 구조적 특성으로 인해 송신 코일과 수신 코일 센서가 하나로 제작[9] 되어야 하 기 때문에 측정 대상물의 크기에 맞춰 수신 코일 센서만 별도
1
경북대학교 첨단정보통신융합산업기술원(Institute of Advanced
Convergence Technology, Kyungpook National Unversity) 70 Dongnae-ro, Dong-gu, Daegu 41061, Korea
2
경북대학교 전자공학부(School of Electronics Engineering, Kyungpook National Unversity)
IT3-602, 80 Daehak-ro, Buk-gu, Daegu 41566, Korea
+
Corresponding author: [email protected]
(Received: May 31, 2017, Revised: July 20, 2017, Accepted: July 21, 2017)
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로 교체하는 것이 불가능한 문제점이 있다. 이에 반해 표면 코 일은 수신 전용 코일 센서로 구현 가능하기에 이 문제를 해결 할 있지만, 코일 센서를 구성하는 요소 루프(element loop) 소자 별로 별도의 수신 장치가 연결되어야 하고, 크기가 작아지면 인 접한 요소 루프 소자 사이의 간격이 좁아져서 상호 간섭이 발 생[10]할 수 있기에 소 동물용 MRI 장치에 사용하기 어려운 문 제점이 있다.
이와 달리 새장형 코일 센서는 구조가 대칭적이기 때문에 우 수한 공간적 균등성(homogeneity)를 보장하고, 높은 신호 대 잡 음비를 얻기 위해 직교위상(quadrature) 구조로 동작하더라도 최 대 두 개의 수신 단자만 필요로 하기에 구조가 간단한 특징이 있다[11]. 특히, 측정 대상물의 크기에 맞게 코일 센서를 작은 구조로 만들더라도 표면 코일과 달리 간섭에 따른 성능 열화가 발생하지 않으므로 소 동물용 MIR 장치의 수신 코일 센서로 적 합하다.
한편, 새장형 코일 센서는 단일 입체 형상 구조이기 때문에 이를 제작하기 위해서는 금속전선(wire) 등을 이용하여 정밀하 게 3차원 입체 구조를 형성하여야 한다. 특히, 입체 구조의 형 성 과정에서 코일 센서의 성능을 보장하기 위해 공간적 대칭성 이 유지되어야 하기에 숙련된 제작 기술이 필요하며, 코일 센서 구조가 작아 질수록 요구되는 정밀도가 높아 지므로 제작 과정 의 어려움이 더욱 가중되는 것은 당연하다. 따라서 소 동물용 새장형 수신 코일 센서를 구현하기 위해서는 기존 제작 과정의 문제점을 극복하는 것이 매우 중요하다.
본 논문에서는 유연인쇄기판을 이용하여 소 동물과 같은 작 은 측정 대상물에 적합한 1.5 T MRI장치용 수신 코일 센서 구 현 방법을 제시한다. 즉, 기존 방법과 달리 새장형 코일 센서 형 상을 먼저 유연인쇄기판에 구현 하고, 이를 원통형(cylindrical) 지지체(supporting structure) 겉면에 부착하여 간단하게 3차원 코일 센서를 구현하였다. 이 방법은 제작과정이 간단하고, 특히 소형 코일 센서에 중요한 높은 공간 정밀도를 제공하여 우수한 특성을 나타냄을 실험적으로 검증하였다.
2. 구조 및 설계
2.1 수신 코일 센서 구조
일반적으로 새장형 코일 센서는 다수의 레그(leg)들과 이 레 그들을 서로 연결하는 두 개의 엔드링(end-ring)으로 구성되는 데[12], 예를 들어 8 개의 레그를 가진 새장형 코일 센서 구조 는 Fig. 1(a)와 같다. 새장형 코일 센서에서 새장 구조를 구성하 는 레그와 엔드링은 전도도(conductivity)가 높은 금속 도체를 사용하여 구현하는데, 본 논문에서는 유연인쇄기판 상의 금속 박막 스트립(strip)을 사용하여 구현한 특징이 있다. 즉, Fig. 1(b) 에 보인 단면도와 같이 수신 코일 센서의 원통형 지지체 겉면
에 레그와 엔드링에 해당하는 금속 스트립이 형성된 유연인쇄 기판을 붙여서 3차원 코일 센서 형상을 구현한다. 또, 금속 스 트립의 일 부분에 커패시터와 같은 부품을 실장하여 코일 센서 를 완성하게 된다.
제안된 방법과 같이 유연인쇄기판을 사용하여 새장 구조를 구현하면 레그 및 엔드링의 인덕턴스를 정밀하게 조절하거 나, 새장형 수신 코일의 성능에 결정적 영향을 미치는 레그 들의 위치를 정밀하게 제어할 수 있다. 즉, 기존에 금속전선 등을 이용하여 입체 새장 구조를 형성하는 방법은 금속전선 의 길이나 굴곡 정도 등을 정밀하게 조절하는 것이 어려워 레그 및 엔드링의 인덕턴스를 제어하는 것이 쉽지 않았다. 하 지만, 제안된 방법은 2차원 유연인쇄기판을 먼저 제작한 후, 이를 원통형 지지체에 붙여 3차원 입체 구조를 형성하고, 보 편화된 유연인쇄기판 제작 기술을 이용하여 레그와 엔드링에 해당하는 금속 스트립의 굵기와 폭 그리고 상대 위치를 정밀 하는 제어하는 것이 어렵지 않으므로 제작 과정이 단순한 특 징이 있다.
일반적으로 모든 MRI장치용 수신 코일 센서는 자기장의
공간적 균등성을 제공하는 것이 매우 중요한데, 이를 위해
코일 센서 구조의 공간적 대칭성이 매우 중요하다. 따라서
수신기 센서를 구성하는 각 요소 부품이나 부분품은 정확한
위치에 자리 잡아야 하는데, 기존의 금속전선을 이용한 방법
Fig. 1. Configuration of 8-legs birdcage type receiving coil sensor
based on the FPCB. (a) 3D model, (b) Cross-sectional view
in the x-y plane
은 3차원 입체 구조를 직접 구성하므로 새장형 코일 센서의 입체 구조를 형성하는 과정에서 레그나 엔드링의 상대적인 위치를 정밀하게 제어하는 것도 어려웠고, 재현성도 매우 낮 은 문제점이 있었다. 하지만, 제안된 방법은 2차원 공간에서 정밀한 패턴을 형성한 후, 3차원 구조로 변환하기 때문에 기 존 방식에 비해 높은 공간적 정밀도를 보장할 수 있다. 특 히, 소 동물용 MRI 장치와 같이 수신 코일의 크기가 더 작 아 질수록 이러한 공간적 정밀도가 코일 센서의 성능에 미 치는 영향이 중요해 지므로 제안된 기술은 대형 수신 코일 뿐만 아니라 소 동물용 MRI 장치를 제작할 경우 그 장점이 더욱 뚜렷해 진다.
제안된 새장형 수신 코일 센서의 레그와 엔드링에 모두 커패 시터를 포함되어 있고, 이 구조는 대역통과(bandpass) 방식 새 장형 코일 센서로 알려져 있으며, 이를 등가 모델로 변환하면 Fig. 2 와 같다. 각 레그에는 하나 또는 둘 이상의 레그 커패시터 (C
L) 들을 포함하며, 레그 커패시터들은 유연인쇄기판의 금속 스 트립을 통해 서로 연결된다. 이때 금속 스트립은 인덕터로 작용 하므로 각 레그는 커패서터와 인턱터가 직렬로 연결된 형태가 된다. 새장형 코일 센서에서 각 레그의 양쪽 끝단은 두 개의 엔 드링에 연결되며, 인접한 두 레그들을 연결하는 하나의 엔드링 섹션(section)은 엔드링 커패시터(C
E) 와 금속 스트립으로 형성된 인덕터가 직렬로 연결된 구조이다.
한편, 특정 엔드링 섹션에는 MRI 장치의 수신단과 수신 코일 센서를 연결하기 위한 피드라인(feed line)이 연결되며, 이 피드 라인에는 임피던스 매칭을 위한 소자(C
MS, C
MP)들이 사용된다.
새장형 코일은 본질적으로 두 개의 피드라인을 사용하여 직교 위상으로 동작할 경우, 측정 대상물에서 방출되는 회전 편파 전 자파(circularly polarized wave)를 수신할 수고, 이를 통해 신호 대 잡음비를 배 증가시킬 수 있다. 본 논문에서는 간단한 구 조를 가정하여 일단 하나의 피드라인을 사용하는 것으로 가정 하며, 수신 전용 코일 센서에 사용되는 detuning 회로 등의 부 가적인 부품은 생략 하여 도시 하였다.
2.2 전산모의를 통한 설계 및 해석
새장형 수신 코일 센서의 동작 원리는 이미 잘 알려져 있으 며, 대역통과 방식 새장형 수신 코일 센서의 공진주파수는 다음 과 같이 주어진다[13].
(1)
여기서 N은 코일 센서의 레그 수, m은 공진모드를 의미하며, m 이 0인 경우는 엔드링 공진, 1인 경우는 레그 공진 중 우선 모 드(dominant mode)를 의미한다. 또 L
L과 L
E는 각각 레그와 엔 드링의 인덕턴스를 나타낸다.
제안된 수신 코일 센서가 높은 주파수에 동작하기 때문에 유 연인쇄기판의 금속 스트립에서 유기되는 인덕턴스가 전체 코일 센서의 구조 및 개별 스트립의 형상에 따라 달라지는 점과 소 자들의 기생효과(parasitic effect)를 고려하기 위해 고주파 특성 을 반영한 모델링과 전산모의(simulation)에 기반한 해석이 필요 하다. 특히, 대역통과 새장형 수신 코일 센서는 엔드링 커피시 터 및 인덕터와 레그 커패시터 및 인덕터의 조합에 따라 특성 을 조절할 수 있어 설계 자유도가 높은 장점이 있지만, 각 소자 값에 따라 공진주파수 변동이 심하기 때문에 특정 주파수(특정 자기장 세기)에서 동작하는 코일 센서를 설계하기 위해 전산모 의를 사용하는 것이 바람직하다. 설계 과정에서는 먼저 식(1)을 이용하여 소자의 대략적인 값을 얻고, 전산모의를 통해 반복적 으로 보정하는 방법으로 자기장의 세기가 1.5 T인 MRI장치용 대역통과 새장형 수신 코일 센서를 설계하였다.
전산모의에는 3차원 유한요소법(FEM : Finite Element Method) 에 기초한 설계 및 해석 솔루션인 ANSYS사의 HFSS를 사용하 였으며, 수신 코일의 동작주파수 및 코일 구조 등을 고려하여 메쉬의 크기 등을 설정하였다[14]. 설계된 수신 코일 센서는 소 동물 MRI 장치에 사용되는 것을 가정하여 측정 대상물의 최대 직경은 40 mm, 길이는 120 mm로 하였으며, 수소원자(
1H)1.5 T MRI 장치에 사용될 수 있도록 동작(공진) 주파수는 63.85 MHz 하였고, 나머지 상세 설계 파라미터는 Table 1과 같다.
설계된 수신 코일 센서의 특성을 분석하기 위해 먼저 전산모 2
E L
E m L
N L L m
C N m f C
+
⎟ ⎠
⎜ ⎞
⎝
⎛ +
⎟ ⎠
⎜ ⎞
⎝
⎛
= π
π
π
22
sin 2
sin 1 2 2
1
Fig. 2. Equivalent circuit model of the birdcage-type receiving coil sensor with 8 legs.
Table 1. Design parameters of the coil sensor
Parameter Value Comments
Coil sensor diameter(d) 40 mm Coil sensor operating length 120 mm
Thickness of strip 17 µm 0.5 oz
Width of all strips 5 mm Dielectric layer height of the FPCB 0.2 mm
Dielectric constant of the FPCB 4.5 FR4
Number of legs(N) 8
의를 통해 반사 특성(S11)을 분석한 결과를 Fig. 3에 나타내었 다. 이 때 레그에 3개의 집중 소자(lumped element) 커패시터를 직렬로 연결하여 사용하였는데, 하나의 커패시터를 사용하는 것 보다 우수한 특성을 얻을 수 있는 것으로 알려져 있기 때문이다[15].
대역통과 새장형 코일 센서에는 다수의 레그 공진과 하나의 엔드링 공진이 존재하며, 본 논문에서는 레그 공진 중 가장 주 파수가 가장 낮은 우선모드가 수소원자 감지를 위한 동작주파 수(63.85 HHz)가 되도록 설계하였다. 특히, 동작주파수보다 높 은 주파수 대역에 엔드링 공진이 존재하는데, 엔드링 공진이 동 작주파수의 고조파(harmonic wave) 근처에서 발생하여 코일 센 서의 성능을 열화 시키기 않도록 설계 과정에서 커패시터 값들 을 조절하였다. 특히, 수신 코일센서가 실제 사용되는 환경을 가 정하여 내부가 빈 상태(air)뿐만 아니라 물(water phantom)로 채 워진 상태도 고려하여 설계하였다.
3 차원 영상 측정 위해 MRI 장치 특성의 공간 균등이 매우 중 요하므로 설계된 수신 코일 센서의 자기장 세기 특성을 3차원 모델로 분석한 결과를 Fig. 4에 나타내었다. 이 때 수신코일 센 서가 실제 사용되는 환경을 가정하여 내부에 water phantom 이 존재하는 경우를 가정하였다. 종방향 자기장 세기 분포를 통해 확인한 결과, 코일 센서의 동작 영역 (-60 ~ +60 mm 영역)에서 설계된 코일은 매우 우수한 균일성을 나타내었으며, 이것은 3개 의 레그 커패시터를 사용하여 종방향 특성 균일도를 높였기 때문이다.
설계된 수신 코일 센서가 MRI 장치에서 사용될 경우, 안정성
등을 검증하기 위해 코일 센서의 종축방향(z-축) 위치에 따른 전 자파흡수율(SAR : Specific Absorption Rate)도 전산모의를 통 해 분석하였다. Fig. 5에 보인 바와 같이 코일 센서의 동작(-60
~ +60 mm) 영역에서 전자파흡수율은 각 국의 규제나 권고 기 준치 훨씬 낮은 0.05 W/kg이하인 것으로 분석되었다.
3. 구현 및 결과
3.1 코일 센서 구현
전산모의를 통해 설계한 결과들을 바탕으로 유전체(RF4) 두 께가 0.2 mm이고, 한 면에 두께가 17 mm인 금속 박막을 가진 유연박판(flexible laminate)에 인쇄기판 제작 기술을 적용하여 코일 센서 형상을 구현하였다. 즉, 기존에는 금속전선 등을 절 단, 결합, 성형하여 입체 새장 구조를 형성하였던데 반해, 설계 결과를 활용하여 유연박판의 일부 금속 박막을 에칭(etching)을 Fig. 3. Spectral response of the designed coil sensor
Fig. 4. Magnetic field distributions of the receiving coil sensor
Fig. 5. Specific absorption rate (SAR) along with z-location of the receiving coil sensor
Fig. 6. Photographs of the etching mask, the etched FPCB and the
implemented receiving coil sensor for use in small animal
MRI systems
통해 제거하여 2차원 새장 형상을 만들고, 이를 원통형 지지체 겉면에 부착한 후, 두 엔드링 스트립의 양 쪽 끝을 각각 하나의 엔드링 커패시터로 연결하여 엔드링 스트립이 폐경로를 형성하 도록 하여 수신 코일 센서 형상을 제작하였다. 또한, 금속 박막 의 일부분에 엔드링 커패스터, 레그 커패시터 등을 실장하고, 피 드라인에 커넥터를 연결하여 Fig. 6과 같이 수신 코일 센서를 구현하였다. 특히, 사용된 엔드링 및 커패시터 등의 오차 등을 고려하여 제작 과정에서는 일부 미세 보정(trim)을 실시하였고, detuning 회로 등도 포함하여 제작하였는데, 특성 비교를 위해 detuning 회로가 포함된 것과 그렇지 않은 코일 센서를 각각 제 작하였다.
3.2 특성 분석
제작된 새장형 수신 코일 센서의 특성 분석을 위해 먼저 네 트워크분석기를 이용하여 S-파라미터를 측정하였는데, Fig. 7은 detuning 회로를 포함하여 구현된 코일 센서의 반사계수(S11)를 측정한 결과이다. 측정 결과는 전산모의 결과와 잘 일치하였 고, 수소원자를 감지하기 위한 1.5 T MRI장치의 동작주파수인 63.85 MHz 에서 반사계수는 -20 dB 이하로서 강한 공진이 발생 함을 알 수 있다. 특히, 엔드링 공진주파수를 동작주파수의 고 조파와 떨어져 있도록 설계 결과 엔드링 공진주파수는 117 MHz 였다.
구현된 코일 센서의 성능을 보다 상세하게 분석하기 위해 코일 센서를 GE Healthcare사의 1.5T 전신(whole human body) MRI 장치에 결합하여 실험용 쥐(mouse)에 대한 MRI 촬영을 실시하였다.
Fig. 8 에 보인 바와 같이 구현된 코일을 MRI장치의 수신 코 일 센서로 사용하여 작은 측정 대상물에 대해서 선명한 3차원 영상을 을 획득할 수 있음을 확인하였다. 특히, 수신 코일의 구 현 과정에서 detuning 회로를 포함한 경우, 보다 선명한 영상을 획득할 수 있음을 실험적으로 검증하였다.
4. 결 론
본 논문에서는 유연인쇄기판 기술을 이용하여 소 동물 1.5 T MRI 장치용 새장형 수신 코일 센서를 제작하고, 그 성능을 실 험적으로 검증하였다. 제안된 방법은 유연인쇄기판에 2차원 코 일 센서 형상을 구현한 후, 지지체에 부착하여 입체 코일 센서 구조를 형성하게 된다. 이 기술은 금속전선 등을 절단, 결합, 성 형하여 직접 3차원 공간에 코일 센서를 구현하는 것보다 제작 과정이 간단하고, 높은 정밀도를 제공할 수 있어 우수한 성능의 코일 센서 제작을 가능케 한다.
제안된 방법은 측정 대상물의 크기나 사용 목적에 따라 다양 한 소형 코일이 요구되는 실험 및 전임상 분야에서 효과적으로 활용될 수 있다. 또한, 측정 대상물에 따라 맞춤형 코일 제작이 가능하여 자기장 세기가 약한 장비(저가 MRI 장치)를 사용하더 라도 선명한 3차원 영상을 얻을 수 있고, 하나의 MRI장치에서 코일 센서만 교체하면 다양한 용도로 응용할 수 있어 매우 경 제적이다. 이미 산업계에 보편화된 유연인쇄기판 기술을 적용하 여 간단하게 코일 센서를 구현할 수 있기 때문에 다양한 특수 코일 센서의 구현에도 활용될 것으로 기대 된다.
Fig. 7. S-parameter(S11) of the implemented coil sensor
Fig. 8. Magnetic resonance images measured with the implemented
coil sensor. (a) without detuning coil, (b) with detuning coil
감사의 글
이 연구는 산업통상자원부 ‘3D융합기술지원센터 구축’ 사업 및 교육부 ‘BK21플러스(21A20131600011)’ 사업 지원을 받아 수행 되었음.
REFERENCES
