【MRI 이론】 14강. 기기 장치

14강. 기기 장치(instrumentation)^]

 

추천글 : 【MRI 이론】 MRI 이론 목차

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1. 개요 [본문]

2. 구성 1. 컴퓨터 시스템 [본문]

3. 구성 2. 자석 시스템 [본문]

4. 구성 3. 그래디언트 시스템 [본문]

5. 구성 4. RF 시스템 [본문]

6. 구성 5. 데이터 수집 시스템 [본문]

7. 요약 [본문]

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1. 개요 [목차]

⑴ MR 시스템은 다양한 종류가 있지만 다음과 같은 공통 서브유닛을 공유함

 

 

2. 구성 1. 컴퓨터 시스템(computer system) [목차]

⑴ 개요

① MRI는 처음부터 computer-driven tech로 시작했음

② 최근 30년 간 컴퓨터가 점점 발전하면서 MRI가 hardware보다 software 중심으로 작동하게 됨

③ 이로 인해 MRI 결과에 대한 신뢰성과 융통성, 기능성이 증가함

⑵ 1-1. general scanner control computer (user interface) : 제조업자에 따라 하나일 수도 있고 여러 개일 수도 있음

① 1-1-1. main computer 또는 host computer : user interface 소프트웨어를 제어함

② 1-1-2. 키보드와 모니터(콘솔) : UI를 위한 컴퓨터와 연결됨

③ 1-1-3. 컴퓨터에 설치된 운영체제 : MR 스캐너의 모든 기능을 관장함

④ 1-1-4. 하드디스크 : 하나 또는 여러 개. 단기간 이미지 저장용

⑤ 1-1-5. CD 또는 DVD : 장기간 이미지 저장용

⑥ 1-1-6. hard copy camera : 네트워크와 연결될 수도 있음

⑦ 1-1-7. 여러 peripheral device

⑧ 스캔 파라미터가 user-defined 돼 있거나 고정돼 있을 수 있음

⑨ 환자의 이미지가 display 되거나 필름 또는 다른 미디어에 기록될 수 있음

⑩ ROI 측정이나 부분 확대와 같은 사후 처리가 이뤄질 수 있음

⑶ 1-2. image processing computer

① 기능 : 푸리에 변환, 기타 분석 등을 수행함

② image processing 모듈은 host computer 및 measurement controller와 동기화되어 있음

③ 스캔 동안 생성된 raw data는 수신기로부터 받아서 내장 메모리 또는 별도 하드디스크에 저장됨

④ 이 유닛은 다수의 CPU 혹은 GPU를 가지고 있어 병렬적 연산을 통해 image reconstruction을 가속화할 수 있음

⑷ 1-3. data collection computer (measurement controller)

① 기능 : operator-defined 스캔 파라미터와 펄스 시퀀스로부터 RF와 그레디언트 파형을 만드는 장치

② 정상 기능을 하는지 확인하기 위해 추가적인 모니터가 부착돼 있을 수 있음

③ 독립적인 프로세서로 존재하거나 1-1과 1-2에 의해 구동될 수 있음

⑸ 추가적인 콘솔

① 편의상의 이유나 이미지의 사후처리를 위하여 main computer에 추가적인 콘솔이 연결돼 있을 수 있음

② 네트워크를 통한 이미지 데이터 열람 등을 도모하기 위해서도 추가적인 콘솔이 많이 사용되고 있음

③ 추가적인 imaging modality와의 공조를 위해 필요하기도 함 : CT, 초음파, X-ray

⑹ PACS(picture archiving and communications system) unit

① 이미지 저장을 위한 추가적인 장기간 디지털 저장소

② 여러 명의 유저가 쉽게 이미지와 환자들의 데이터를 열람할 수 있음

⑺ 네트워크 설비

① high-speed Ethernet connection, router 등이 필요

② local network (intranet), internet 등을 고려해야 함

③ 컴퓨터 네트워크 통신 프로토콜 : TCP/IP (transmission control protocol / internet protocol)

⑻ 규격 및 프로토콜

① DICOM(digital imaging and communications in medicine)

○ ACR-NEMA(american college of radiology and the national electrical manufacturers association)에 의해 창안

○ 기기별 상이한 스캐너, 디지털 카메라, viewing station에 따른 차이 없이 공통적인 해석이 가능토록 함

○ DICOM 규격을 따르는 기기는 DICOM Conformance Statement를 기입하여야 함

○ DICOM-formatted image를 이용하는 프로그램은 DICOM Conformance Statement를 참조할 수 있음

② 데이터 전송 프로토콜

○ DICOM Basic_Print

○ 스캐너와 hard-copy 디바이스 (예 : 레이저 카메라) 간 데이터 전송 프로토콜

○ 이 프로토콜은 카메라가 스캐너로부터 떼어지도록 하고 시스템 네트워크를 통해 이미지를 수신·처리할 수 있음

○ DICOM Service Class User and Service Class Provider (Send/Receiver)

○ 컴퓨터 시스템 간 이미지 송·수신 프로토콜

○ MR to CT와 같이 서로 다른 imaging modality를 연결할 때 자주 사용됨

○ DICOM Query Service Class (Query/Retrieve)

○ 오퍼레이터의 개입 없어 원격의 컴퓨터에게 image database에 관해 문의하고 image를 받게 하는 프로토콜

○ 스캐너 - PACS 서버 또는 서로 같은 imaging modality를 연결할 때 사용됨

○ 위와 같은 DICOM connectivity는 AET(application entity title)에 의해 관장됨

○ 데이터 전송이 성공적이려면 통신을 하는 두 컴퓨터가 동일한 버전의 AET를 따를 것을 요함

 

 

3. 구성 2. 자석 시스템(magnet system) [목차]

⑴ 자석의 특징

① 자석은 MRI 스캐너의 가장 기본적인 요소임

② 자석은 자기장, 모양, 조성 등이 상이함

③ 자기장의 세기는 테슬라(tesla, T), 가우스(gauss, G) 등으로 나타냄 : 1 T = 10,000 G

④ low-field magnet : 일반적으로 0.5 T 미만의 자기장을 지칭함

⑤ medium-field magnet : 일반적으로 0.5 T ~ 1.5 T의 자기장을 지칭함

⑥ high-field magnet : 일반적으로 1.5 T ~ 3.0 T의 자기장을 지칭함

⑦ ultra-high-field magnet : 일반적으로 3.0 T을 초과하는 자기장을 지칭함

⑵ 자석의 종류

① 영구자석(permanent magnet) : 1년 이상으로 자기장이 유지되는 자석

○ 솔레노이드(tube 모양), C-arm, double-doughnut 등 형태가 다양함

○ 영구자석은 계속해서 자기장을 발생시키기 때문에 괸리비용이 거의 들지 않음

○ ferromagnetic material을 영구자석으로부터 이격시키는 것을 요함 : 한 번 붙으면 떼기 힘듦

○ 밀도가 높음 : 추가적인 구조적 지지물이 필요할 수도 있음

○ 온도가 일정할 것을 요함 : 온도 변화가 영구자석의 자기장을 변동시킬 수 있음

② 전자석(electromagnet) : 전류가 흐르면 전류에 수직한 방향으로 자기장이 생기는 현상을 이용한 자석

○ 전통적인 전자석은 구리 와이어를 이용함

○ 솔레노이드나 open-type design 등 형태가 다양함

○ 전원 장치는 일정한 전류를 제공할 수 있음

○ 구리 와이어는 많은 양의 전류를 수용할 수 없기 때문에 low-field magnet으로만 사용됨

○ 전자석도 또한 온도에 민감함

③ 액화 헬륨에 담긴 niobium-titanium alloy : 가장 자주 사용되는 초전도 자석

○ 초전도 현상 : 20K 이하의 온도에서 전기저항이 0이 됨

○ 초전도 현상을 이용하여 고 자기장을 형성하기 위한 상당한 양의 전류가 흐르게 할 수 있음

○ magnet cryostat : 액화 헬륨과 액화 질소를 이용한 Dewar 냉각기 또는 액화 헬륨만을 이용한 냉각기로 구분

○ 냉장 시스템을 구비하여 액화 헬륨의 비등을 방지해야 함

○ cryostat 및 헬륨 저장고는 자기장이 외부 온도의 변화에 덜 반응하도록 함

○ cryogen의 용량, 증발률, 안전성 등에 있어 주의를 요함

⑶ 자석의 품질 평가의 가장 중요한 척도 : 자기장의 균질성 또는 균일성

① proton들이 동일하게 공명하도록 하여 신호의 세기가 최대가 되도록 함

② 자기장의 균일성은 주 자기장에 대한 ppm 단위로 나타냄

③ 자기장의 불균일성은 fat saturation, 심지어 일반적인 imaging에 많은 문제를 일으킬 수 있음

④ 요인 1. 자석 디자인

○ large-bore solenoidal magnet은 큰 부피에서 최고로 균일한 자기장을 형성함

○ short-bore solenoidal magnet은 작은 부피에서 최고로 균일한 자기장을 형성함

○ open-design magnet은 좋은 homogeneity를 가지는 지점을 줄임

⑤ 요인 2. 스캔룸에 의한 영향

○ 근처에 있는 금속성 막대, 비대칭적인 금속 배열 등

⑥ 해결방법

○ 우선 magnet center로부터의 거리에 따른 자기장의 불균일성에 대해 추산

○ first-order correction 또는 linear correction : 각 방향에 대해 imaigng gradient coil을 이용

○ second-order correction 또는 high-order correction : shim 코일을 이용. 대부분의 MRI가 이용

○ shim 코일은 금속으로만 구성된 passive shim 코일과 전류를 흘리는 active shim 코일이 있음

○ passive shimming은 자석 설치 시 1회적으로만 진행됨

○ active shimming(electrical shimming)은 시스템 유지 및 환자 측정 시 계속 이용. 보통 second-order에만 이용

 

 

4. 구성 3. 그래디언트 시스템(gradient system) [목차]

⑴ 개요

① gradient field는 tissue slice selection 등에서 중요함

② x, y, z축 등 각 축을 대표하여 총 3가지 종류의 gradient field가 이용됨

③ 각 gradient field는 gradient coil에 의해 생성됨

④ 각 gradient coil에 흐르는 전류는 증폭기 또는 전원 장치에 의해 제공됨

⑤ gradient coil에 전류가 흘러서 발생한 열은 공기 또는 차가운 물에 의해 cooling됨

⑥ 그래디언트 자기장과 관련한 safety issue가 있을 수 있음

⑵ 평가요소 1. 그래디언트 시스템의 용량

① 1-1. 최대 그래디언트 세기

○ mT m^-1 또는 G cm^-1의 단위로 표시 (1 G cm^-1 = 10 mT m^-1)

○ 현재로서 최대 그래디언트 세기는 40-100 mT m^-1 (4.0-10.0 G cm^-1)

○ 최대 그래디언트 세기가 클수록 slice 두께가 얇아지거나 더 작은 FOV를 사용할 수 있게 됨

○ 최대 그래디언트 세기를 표시하는 대안적 방법으로 유효 그래디언트 세기가 있음

 

G_eff = (G_x² + G_y² + G_z²)^1/2

 

○ 유효 그래디언트 세기는 실제 그래디언트 세기와 차이가 있음

○ slice selection에서는 오직 한 축의 그래디언트 세기만을 이용함

○ double oblique slice에서만 RF trasmission 중에 세 방향의 그래디언트 자기장이 활성화될 것을 요함

② 1-2. rise time 또는 slew rate

○ 전류에 대한 그래디언트 코일의 반응은 즉각적이지 않음

○ 완전히 반응이 이루어지기까지 걸리는 시간을 rise time이라고 함

○ rise time은 일반적으로 0.1-0.3 ms 정도

○ 만일 목표 그래디언트 펄스 세기가 20 mT m^-1이고 rist time이 0.2 ms라면 slew rate는 100 mT m^-1 ms^-1

○ rise time은 그래디언트 증폭기 또는 전원 장치의 성능을 평가하는 데 종종 이용됨

○ 고성능 증폭기 : rise time ↓ (slew rate ↑), gradient pulse duration ↓, interpulse delay ↓, minimum TE ↓

③ 1-3. duty cycle

○ 정의 : 증폭기가 펄스 시퀀스의 요구에 대한 응답을 유지할 수 있는 시간

○ normal imaging 시퀀스를 위한 최신 그래디언트 증폭기의 경우 최대 그래디언트 세기에서 duty cycle이 100%임

○ 큰 duty cycle은 매우 짧은 interpulse delay와 함께 고강도 그래디언트 펄스가 사용될 수 있게 함

○ duty cycle이 낮다는 것은 그래디언트 증폭기가 표준 작동 상태로 돌아갈 수 있도록 스캔에 걸리는 TE 시간이 길어진다는 것을 의미함

④ 1-4. eddy current 보상 기법

○ eddy current : 시간에 따라 변하는 자기장에 의해 전도성 매질에서 발생한 전기장을 의미

○ 요인 1. 그래디언트 코일 내에 위치한 body coil에서의 ramping gradient coil

○ 요인 2. cryoshield : magnet cryostat에서 가장 안쪽 부분. 코일 외적인 요인

○ eddy current는 원래 그래디언트 펄스를 상쇄하거나 왜곡시킴

○ 일단 그래디언트가 안정적으로 형성이 되도 eddy current의 감소로 인해 요동치는 신호가 나올 우려가 있음

○ 해결방법 1. 그래디언트 펄스의 predistortion : 하드웨어 또는 소프트웨어로 달성될 수 있음

○ 해결방법 2. actively shielded gradient coil

○ 그래디언트 코일 주변에 부수적인 coil winding을 이용

○ 해결방법 1과 달리 코일 밖에 의한 eddy current 또한 효과적으로 제거할 수 있음

○ 최신 MRI 장치는 두 가지 해결방법 모두를 갖추고 있음

 

 

5. 구성 4. RF 시스템(radiofrequency system) [목차]

⑴ 개요 : RF 송신기는 라디오파를 생성시키고 전파시켜 proton을 excitation하는 데 이용됨

⑵ 요소 1. 주파수 합성기(frequency synthesizer)

① 기능 1. RF 펄스를 위한 center frequency 또는 carrier frequency를 생성

② 기능 2. 스캔 시 측정 하드웨어를 위한 master clock을 제공

③ 기능 3. 스캔의 phase reference로서 기능할 수도 있음

④ 위상 변조(phase modulation)

○ 많은 펄스 시퀀스는 180°로 위상을 반전시켜 펄스의 불완전성으로 인한 stimulated echo artifact 제거 가능

○ spin echo sequence는 위상을 90°로 반전시킴 (Carr-Purcell-Meiboom-Gill 기법, CPMG 기법)

○ 이들 위상의 변화는 carrier frequency modulation 또는 RF envelop modulation으로 달성 가능

○ 정교한 주파수 합성기는 1-2° 단위로 위상을 변조시킬 수 있음

○ 위와 같은 정교한 제어를 통해 spoiled gradient echo 기법에서 RF spoiling을 구현할 수 있음

○ RF spoiling : 송신기를 통해 점진적으로 위상 변화를 주어 spoiling이 일관성 있게 나타나게 하는 기법

⑶ 요소 2. RF 주파수의 envelop

① RF envelop은 discrete envelop 또는 일정 범위의 주파수를 포함하는 함수로 정의됨

② 이것은 아날로그로 만들어지고 carrier frequency와 합쳐짐

③ 그 뒤 목표 주파수를 중심으로 진폭 변조 펄스 또는 주파수 변조 펄스를 생성시킴

④ 경우 1. 최종 주파수는 주파수 합성기에 의해 만들어짐

⑤ 경우 2. 주파수 오프셋을 펄스에 포함하도록 RF envelop가 변조됨

⑥ 어느 경우이든 최종 주파수는 동일하게 결정되고 주파수 합성기와 동일한 위상을 가지게 됨

⑷ 요소 3. 고출력 증폭기

① RF 파워 증폭기는 proton을 excitation하는 데 충분한 파워를 제공하기 위해 이용됨

② 증폭기는 solid state이거나 tube type

③ 진폭과 위상에 대해서 비선형적인 증폭이 나타나 파형의 왜곡이 발생하게 됨

④ 이를 해결하기 위해 nonlinearity correction이 이루어짐

⑤ 전형적인 RF 증폭기는 ¹H에 대해 2-40 kW의 출력 파워를 가지고 다른 핵종의 경우 더 적은 파워를 요함

⑥ 출력 결정 요인 : 자기장의 세기, 코일 transmission 효율, 송신기 펄스 duration, excitation angle

⑦ RF energy deposition과 관련하여 safety issue가 있을 수 있음

⑸ 요소 4. 코일 또는 안테나

① 기능 : RF 펄스를 broadcast 하는 데 사용. 모든 MR 시스템에 들어 있음

② 2차 자기장 B₁을 기본 자기장 B₀와 수직하게 생성함

③ 대부분의 송신기는 원하는 지점에 균일한 RF excitation을 생성함

④ solenoidal coil design이나 birdcage coil design은 균일한 RF excitation을 생성함

⑤ 종류 1. LP(linear polarized)

 

Figure. 1. linear polarized

 

○ single coil system으로 존재하고 RF pulse가 평면파의 형태로 전파됨

○ ω_TR 주파수를 갖는 평면파는 원을 그리며 회전하는 두 개의 성분으로 구성

○ 즉, 위 두 개의 성분은 같은 ω_TR의 주파수를 가지지만 서로 반대 방향으로 회전함

○ 환자 내 proton과 같은 방향으로 회전하는 성분만 그 proton에 흡수됨 (in-phase)

○ 환자 내 proton과 반대 방향으로 회전하는 성분은 열만 발생시킬 뿐임 (out-of-phase)

⑥ 종류 2. CP(circularly polarized) : quadrature라고도 함

 

Figure. 2. circularly polarized

 

○ 두 개의 코일이 존재하고, 한 개의 성분이 다른 성분에 대해 90°의 위상을 가짐

○ 각 코일로부터 phase-shifted RF 펄스가 전파됨

○ out-of-phase 성분은 상쇄간섭으로 소멸하는 반면 in-phase 성분은 보강간섭으로 더 강해짐

○ 그 결과 환자 내 proton은 in-phase 성분의 RF 에너지를 흡수함

○ 동일한 proton rotation을 달성하는 데 있어 CP 시스템이 LP 시스템보다 40% 더 효율이 높음

⑦ 종류 3. parallel transmission

○ CP 시스템은 in-phase 성분에 phase shift가 있다는 단점이 있음

○ 이에 대체적인 방법으로서 두 개의 안테나로 다른 파형을 보내는 방법이 있음

○ 이때 합성파형이 목적하는 RF excitation이 되도록 파형을 설계해야 함

○ 이를 parallel transmission이라고 함

○ 조직 내 제한된 volume만을 excitation시킬 수 있어서 SAR을 감소시킬 수 있다는 장점이 있음

○ 그러나 여러 송신기가 필요하므로 비용과 복잡성이 증가함

○ parallel transmission을 이용하는 일반적인 시스템은 2 ~ 4개의 송신기를 사용

○ ultra-high field system의 경우 8개 이상의 송신기를 사용

 

 

6. 구성 5. 데이터 획득 시스템(data acquisition system) [목차]

⑴ 개요

① 기능 : proton으로부터 신호를 측정하고 사후처리를 위해 digitization을 수행

② 모든 MRI 시스템은 RF 펄스 후에 proton으로부터 유도된 전압을 측정하는 코일을 이용함

③ 이 코일은 특정 주파수만을 탐지하도록 tuning할 수 있음

④ 코일의 특성

○ 코일의 모양과 크기는 기기마다 상이하지만 2차 자기장은 반드시 기본 자기장과 수직이어야 함

○ 작은 코일은 더 민감하지만 오직 좁은 영역만을 커버한다는 단점이 있음

○ filing factor : 코일의 sensitive volume 내에 있는 조직의 양. sensitivity에 영향을 주는 인자

⑤ 경우 1. body imaging, head imaging과 같은 큰 규모의 영상에서는 송신기 코일이 수신기 코일로도 사용됨

⑥ 경우 2. 작은 규모의 영상에서는 전용 수신기 코일이 주로 사용됨

○ 소형, ring-shaped, 높은 sensitivity, 제한된 투과력

○ 환자의 표면 근처의 해부학적 구조만을 탐지할 수 있음

○ phased array coil은 둘 이상의 surface coil을 이용하여 더 큰 영역을 탐지하는 기법

○ 위 기법에 있어서 코일 간 간섭이 최소가 되도록 배열이 됨

○ phased array coil을 이용하는 최근 MRI는 4-128개의 개별 코일을 포함 : 각 코일을 element라고 부름

⑵ proton에 의해 생성된 신호의 진폭은 nV ~ μV 수준이고 주파수는 MHz 수준

① 그 신호를 처리하려면 신호 증폭 과정이 필요함

② 1단계. initial amplification : low-noise analog preamplifier를 이용. coil에 붙어 있거나 magnet room 안에 있음

③ 2단계. 추가적인 amplification : receiver module에 의해 수행됨

⑶ MRI 시스템에서는 두 가지 종류의 수신기가 사용됨

① 아날로그 수신기

○ 신호를 수신한 뒤 주파수 합성기의 입력 주파수에 대하여 상대적으로 복조하는 과정을 거침

○ 그 결과 실수부와 허수부로 이루어지는 quadrature 신호가 생성됨

○ 생성된 신호의 주파수 범위 : 1000 ~ 250,000 Hz (음향 주파수)

○ 생성된 신호는 bandpass filter를 통과한 뒤 ADC(analog-to-digital converter)로 digitization됨

○ ADC는 user에 의해 정의된 샘플링 시간과 data point의 개수에 의해 결정된 비율에 따라 아날로그 신호를 digitization

○ 일반적인 ADC는 0.1 μs / data point의 비율로 10 V의 신호를 16 bit로 digitization할 수 있음

② 디지털 수신기

○ 신호를 수신한 뒤 intermediate frequency로 복조하고 ADC를 통해 digitization하는 과정을 거침

○ 디지털 신호에 final signal amplification, low pass filter application, 음향주파수로의 복조, quadrature 형성 등을 거침

○ 디지털 수신기는 아날로그 수신기보다 더 나은 신뢰성이 있음

○ 디지털화된 데이터는 hard disk나 computer memory에 저장되어 추후 푸리에 분석을 거치게 됨

○ phased array coil은 각 코일마다 preamplifier와 ADC를 가지고 있음

⑷ RF shielding

① 데이터 획득 시스템의 공식적인 구성요소는 아니지만 중요한 역할을 수행함

② 지방 라디오나 TV 방송국의 라디오파가 분명히 MR 스캐너에도 잡히게 됨

③ 이러한 외인성 노이즈를 제거하기 위해 MRI 스캐너는 구리나 스테인리스 스틸로 shielding 됨

④ 위와 같은 shielding을 Faraday shield라고 함

 

 

7. 요약 : 고려사항 리스트. 특수한 소프트웨어는 미포함 [목차]

⑴ 컴퓨터 시스템

① main computer processor speed (GHz)

② short-term storage disk의 용량 (Gbytes)

③ archive device의 유형과 용량 (Mbytes)

④ image processor의 수와 속도 (s image^-1)

⑤ 콘솔의 수와 interconnection 방법

⑥ 네트워크 용량

⑦ filming capability

⑧ DICOM compliance의 수준과 종류

⑵ 자석 시스템

① 자기장 세기 (T)

② 특정 직경의 구형 부피(diameter of spherical volume; dsv)에 걸친 자기장 균일성 (ppm)

③ 모든 방향에 대하여 isocenter로부터 0.5 mT (5.0 G) 거리

④ cryogen 용량 및 증발률 (1 He day^-1)

⑶ 그래디언트 시스템

① 각 축에 대하여 최대 그래디언트 세기 (mT m^-1 또는 G cm^-1)

② duty cycle (percentage)

③ 최대 slew rate (T m^-1 s^-1)

④ eddy current correction 방법

⑷ RF 시스템

① RF spoiling 용량 (phase behavior)

② 최대 출력 파워 (kW)

③ 송신기 코일의 종류 (CP, LP)

④ 송신 시스템의 개수

⑤ 작동 주파수 범위 : 다핵종 이미징(multinuclear imaging) 또는 MRS에서 중요함

⑸ 데이터 수집 시스템

① 수신기 채널의 수와 개수

② ADC의 이진화 속도 (minimum μs/point)

③ 수신기 시스템의 동적 범위

④ 디지털 비트의 이용 가능한 최대 개수

⑤ raw data 저장 용량 (MGbytes)

⑥ 수신기 코일의 종류 (CP, LP, phased array)

⑦ RF shielding의 종류와 품질

 

입력: 2021.08.28 14:22