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문제 정의
- 본 연구에서는 코팅 재질의 어떤 특성이 구리도선의 표면저항을 결정하는지에 대한 규명이 이루어지지 않았으며, 따라서 이 부분에 대한 보다 근본적인 이해가 뒤따라야겠다. 도선의 표면저항을 포함한 전기적인 특성에 대한 구체적인 자료와의 비교분석은 이루어지지 않았으며.
가설 설정
- 따라서 다섯 가지 다른 코팅 재질로 피복을 입히기 전 각각의 구리 선이 동일한 조건에서 출발했다고 볼 수 있다. 또한[그림 1 가〕에 보이는 것처럼 테플론 틀과 축전지 위치 등을 동일하게 함으로써 최종적으로 만들어진 프로브 머리 부분에는 단지 코일 자체만 다르게 하여 그에 의한 효과만이 반영될 수 있도록 제작되었다고 가정하였다.
- 저항과는 반비례한다. 본 연구에서 사용된 코일들은 모두 형태와 모양이 동일하여 공명주파수와 인덕턴스가 동일하다고 가정할 수 있다. 그러므로 코일의 저항 값 차이가 각 코일의 Q 값 차이에 반영된다고 할 수 있다.
제안 방법
- 14.1 T 장비의 상업용 프로브 (Micro5; Bruker사, 독일)상단에 장착하여 RF 코일을 사용할 수 있도록 제작하였다. 직경이 0.
- RF 코일의 성능을 알아보기 위하여, 여기된 펄스의 진폭을 동일하게 하였을 때 90도 펄스의 길이가 어떻게 달라지는지를 살펴보았다. 같은 실험장비에서 하나의 RF 펄스 후에 주어지는자기공명신호의한 예인 자유유도감쇠 (free induction decay) 형태 및 크기를 관찰하여 각각의 RF 코일에 해당하는 90도 펄스 길이를 측정하였다.
- 2 mm, 절편 수 = 10이었다. Sine 함수 형태의 일정한 RF 펄스폭을 이용하였고, 사용한 RF 코일과 시료에 따라 자동으로 펄스의 높이 (power) 에 따른 90도와 180도 펄스가 만들어지도록 하였다. 획득한 시상면 영상의 중심 5개의 절편에서 관심영역 (ROI, region of interest)을 설정하여 신호대잡음비를 측정하였다.
- 같은 실험장비에서 하나의 RF 펄스 후에 주어지는자기공명신호의한 예인 자유유도감쇠 (free induction decay) 형태 및 크기를 관찰하여 각각의 RF 코일에 해당하는 90도 펄스 길이를 측정하였다. 코팅되지 않은 구리선으로 만들어진 경우 8.
- 본 연구에서는 RF 코일에 사용되는 코팅 재질이 고자기장 (14.1 T)에서 자기공명영상에서의 신호대잡음비에 어떤 영항을 미치는지를 Q 값과 비교하여 보여주었다. 폴리우레탄으로 코팅된 구리선으로 만들어진 코일의 경우 가장 우수한 결과를 보였고, 신호대잡음비 값은 코팅하지 않았을 때, 그리고 가장 작은 신호대잡음비 값을 보인 경우의 코팅 물질인 폴리에스테르 와 비교하여 30% 이상으로 나타나서 코팅 재질의 선택이 자기공명영상의 결과에 중요하게 작용함을 확인할 수 있었다.
- 본 연구에서는 솔레노이드 형태의 RF 코일을 내경이 1.7 nun인 크기로 구성하고, 구리선 코팅재질을 달리했을 때 RF 코일의 Q 값과 자기공명영상 실험을 수행하여 획득한 영상에서의 신호대잡음비를 비교/분석하였다.
- 그림 3. 신호대잡음비와 비교하여 코팅 재질에 따라 측정한 Q값을 시료가 있는 경우(loaded)와 없는 경우(unloaded)로 비교하였는데, Q 값이 신호대잡음비의 제곱에 비례하는지를 맞춤(실선 unloaded, 점선 loaded Q에 대한 것임)으로 표시하였다.
- 0309 MHz)에 정확히 일치시킨 후, Q 값을 측정하였다. 작은 유리관 (내경 1.3 mm)에 담긴 시료 (CuSO4 수용액; CuSO4/H2。= 1 g/L)를 RF 코일에 넣고 (loaded),그리고 시료 없이 (unloaded) 측정하여 비교하였다.
- 다섯 가지 다른 코팅 재질의 구리 선으로 제작한 프로브 머리 부분들을 찍은 사진(a)과 Bruker 프로브에 장착한 사진(b). 직경 이 1.7 mm인 유리관 안에 시료를 넣어서 사용할 수 있도록 하였으며 , 보통 1.3 mm 이하의 생체시료(예를 들면 개구리알) 에 대한 MRI 영상용으로 활용할 수 있도록 제작하였다. 기존의 Bruker 프로브에는 수소핵(1H)비과 불소핵 ('F) 용도로 안장형 코일(saddle coil)이 장착되도록 되어 있는데, 높이를 같이 하고 유사한 구조로 고안하여 손쉽게 장착하여 사용할 수 있도록 하였다.
- 코일의 특성을 파악하는 다른 하나의 방법으로, 600 MHz 장비에서 동일 시료에 대한 자기공명영상 실험을 수행하여 신호 대 잡음 비를 측정하였다. 스핀에코 펄스열을 이용한 양성자 밀도측정 방법으로 영상을 얻었는데, 사용한 펄스열은 스핀에코(spin echo) 펄스열이고, 파라미터로는 center frequency = 600.
- 표 2. 코팅 재질이 다른 구리선으로 제작한 RF코일과, 코팅을 벗겨내어 (uncoated) 만든 코일을프로브 머리부분 형태로 구성된 후측정한 Q와 신호대잡음비 값의 비교. 코팅을 벗겨낸 경우에는 오차범위에서 24.
- 또한 코팅된 구리 선을 사포로 문질러서 벗긴 후 동일한 방법으로 제작하여 코팅이 되지 않은 경우를 비교할 수 있도록 준비하였다. 테프론지지대의 아래 부분에 직경 3.2 mm인 소켓 핀을 고정시켜 프로브 머 리부분을 프로브에 장착하여 사용할 수 있도록 제작하였다 (그림 1).
- 코일의 Q값을 측정하기 위하여 제작한 프로브 머리부분을 프로브에 고정하여 장착하였다. 프로브를 네트워크 분석기(network analyzer; Agilent 8712ET, 300 ~1300 MHz)에 연결하고, 프로브 내의 가변축전지를 조절하여 원하는 공명주파수 (600.0309 MHz)에 정확히 일치시킨 후, Q 값을 측정하였다. 작은 유리관 (내경 1.
- Sine 함수 형태의 일정한 RF 펄스폭을 이용하였고, 사용한 RF 코일과 시료에 따라 자동으로 펄스의 높이 (power) 에 따른 90도와 180도 펄스가 만들어지도록 하였다. 획득한 시상면 영상의 중심 5개의 절편에서 관심영역 (ROI, region of interest)을 설정하여 신호대잡음비를 측정하였다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용한 솔레노이드형 RF 코일은 수직형 초전도 자석이 갖추어진 마이크로 자기공명영상시스템에서 수 mm 이하의 아주 작은 생체시료에 대한 자기공명영상 연구를 위하여 실험실에서 만들어 사용하고 있다. 솔레노이드형 RF 코일은 안장형 (saddle), 새장형 (birdcage) 또는 표면형 (surface) 코일보다 국소적으로 균일한 RF 자기장을 만들어 주고, 따라서 보통 10 mm 이내의 작은 시료용으로 사용될 때 유리하다 (6, 9,10).
- 본 연구는 한국기초과학지원연구원 오창캠퍼스에 설치되어있는 14.1 T (600 MHz. DMX600, Bruker사, 독일) 자기공명미세영상 장비를 사용하여 수행하였다.
- 측정하였다. 스핀에코 펄스열을 이용한 양성자 밀도측정 방법으로 영상을 얻었는데, 사용한 펄스열은 스핀에코(spin echo) 펄스열이고, 파라미터로는 center frequency = 600.0309 MHz, field of view (FOV) = 3×3 mm2, matrix = 64x64, spectral bandwidth = 50 kHz, 반복 시간 (repetition time) = 5 sec, 에코 시간 (echo time) =1.908 ms, 전체 스캔시간 = 5분 20초, 절편 두께 (slice thickness) = 0.2 mm, 절편 수 = 10이었다. Sine 함수 형태의 일정한 RF 펄스폭을 이용하였고, 사용한 RF 코일과 시료에 따라 자동으로 펄스의 높이 (power) 에 따른 90도와 180도 펄스가 만들어지도록 하였다.
- 1 T 장비의 상업용 프로브 (Micro5; Bruker사, 독일)상단에 장착하여 RF 코일을 사용할 수 있도록 제작하였다. 직경이 0.4 mm인 구리선을 솔레노이드 형태로 코일 내경이 1.7 mm이고, 도선간의 간격이 0.2 mm가 되도록 5번 감고, 높이 34 mm, 직경 13 mm의 테프론 지지대에 고정하여 프로브 머리 부분 (insert)을 제작하였다. 폴리에스테르 (PE), 폴리우레탄 (PU), 폴리이미드 (PI), 폴리아마이드이미드 (PAD, 폴리에스테르아마이드이미드 (PEAI)의 다른 코팅 재질로 만들어진 구리 선을 이용하였고, 1.
- 2 mm가 되도록 5번 감고, 높이 34 mm, 직경 13 mm의 테프론 지지대에 고정하여 프로브 머리 부분 (insert)을 제작하였다. 폴리에스테르 (PE), 폴리우레탄 (PU), 폴리이미드 (PI), 폴리아마이드이미드 (PAD, 폴리에스테르아마이드이미드 (PEAI)의 다른 코팅 재질로 만들어진 구리 선을 이용하였고, 1.0 pF의 축전지를 사용하여 공진회로를 구성하였다. 자세한 사양을〔표 1〕에 제시하였다.
성능/효과
- 1.2 mm 이하의 작은 생체시료에 적합한 솔레노이드형 RF 코일을 상용 프로브에 장착하여 사용할 수 있도록 손쉽게 제작하였으며, 이런 솔레노이드형 RF 코일을 사용하여 자기공명 영상을 얻고자 할 때에는 코일의 코팅 재질 선택이 매우 중요하고, 코팅 재질에 따라서 신호대잡음비가 30% 이상 차이가 날수 있음을 확인하였다. 따라서 같은 신호대잡음비의 영상을 얻기 위해서는 코팅 재질에 따라서 2배 이상의 전체 스캔 시간을 필요로 한다는 것을 확인할 수 있었다.
- 3±L2의 평균값을 보이며, 코팅 재질에 따라 신호대잡음비가 다르고 PU인 경우 가장 큰 값을 보인다. PU와 PI, 그리고 PI와 PEAI의 비교에서 p < 0.05인 유의수준에서 차이를 보였고, 코팅을 벗겨 낸 경우와 비교하여 PU, PI, PEAI의 경우 p< 0.05인 유의수준에서의 차이를 보였다 (*).
- 구입한 각각의 구리선으로부터 코팅 물질을 가는 사포로 문질러서 벗겨내는 방법으로 코팅하지 않은 구리선을 만들었으며, 이렇게 만들어진 구리선으로 제작한 코일로 측정한 신호 대 잡음 비는 비교적 고르게 오차범위내에서 일치하는 것으로 나타났다. 따라서 다섯 가지 다른 코팅 재질로 피복을 입히기 전 각각의 구리 선이 동일한 조건에서 출발했다고 볼 수 있다.
- 2 mm 이하의 작은 생체시료에 적합한 솔레노이드형 RF 코일을 상용 프로브에 장착하여 사용할 수 있도록 손쉽게 제작하였으며, 이런 솔레노이드형 RF 코일을 사용하여 자기공명 영상을 얻고자 할 때에는 코일의 코팅 재질 선택이 매우 중요하고, 코팅 재질에 따라서 신호대잡음비가 30% 이상 차이가 날수 있음을 확인하였다. 따라서 같은 신호대잡음비의 영상을 얻기 위해서는 코팅 재질에 따라서 2배 이상의 전체 스캔 시간을 필요로 한다는 것을 확인할 수 있었다.
- 또한 자기공명영상 실험을 수행하여 획득한 시상면 영상 중심 에서 의 신호대잡음비 를 측정한 결과에서 도 폴리 우레탄으로 코팅된 구리선으로 만들어진 RF 코일의 경우에 31.0±1.4로서 가장 크게 나타났으며, 폴리에스테르 코팅된 경우의 값인 23.2 ±1.1 와 비교하여 34% 정도의 차이를 보였다. 코팅되지 않은 구리 선으로 만들어진 RF 코일에서는 평균값이 24.
- 4 ㎛으로서 신호대잡음비에서의 결과와 유사하게 특별한 변화 경향이 관찰되지 않았다. 이에 반하여, 코팅을 하였을 때에는 8.9 ㎛ ~ 7.9 ㎛ 영역에서 Q 값과 신호 대 잡음 비가 큰 코팅 재질의 경우 10% 정도 상대적으로 짧은 90도 펄스 길이를 갖는 것을 확인할 수 있었다 (PE, PAI, PEAI, PI, PU의 경우 90도 펄스의 길이가 각각 8.7, 8.9, 7.8, 8.2, 7.9 ㎛.
- 이 값은 코팅재질별로 3개씩 프로브 머 리 부분를 제작하여 3번의 반복실험을 통해서 얻은 결과이다. 측정한 Q 값은 시료를 넣지 않았을 때가 넣었을 때와 비교하여 5% 정도 크고, 폴리에스테르 (PE), 폴리아마이드이미드 (PAD, 폴리에스테르아마이드이미드 (PEAI), 폴리 이미드 (PI), 그리고 폴리우레탄 (PU)의 순서로 그 값이 크게 나타났으며. 가장 큰 폴리우레탄의 경우 146±6으로 가장 작은 폴리에스테르의 경우인 105±7보다 40% 정도로 큰 Q 값을 보여주었다.
- 2로서 벗겨낸 코팅재질에 따라 그 크기 변화가 비교적 적게 나타났다. 폴리에스테르의 경우에는 코팅 유무에 따라 거의 변화를 보이지 않은 데 반하여 Q 값이 큰 경우일수록 코팅에 의한 신호 대 잡음 비의 증대 효과가 크고, 폴리에스테르아마이드이미드, 폴리 이미드, 폴리우레탄의 경우 그 차이가 p < 0.05인 유의수준으로서 그 차이가 확연함을 확인할 수 있었다 (그림 2). 신호 대 잡음 비의 제곱과 Q 값의 비례관계를 확인하고자 시료를 넣은 경우와넣지 않은 경우의 Q 값과 비교하여[그림 3〕에 나타내었다.
- 1 T)에서 자기공명영상에서의 신호대잡음비에 어떤 영항을 미치는지를 Q 값과 비교하여 보여주었다. 폴리우레탄으로 코팅된 구리선으로 만들어진 코일의 경우 가장 우수한 결과를 보였고, 신호대잡음비 값은 코팅하지 않았을 때, 그리고 가장 작은 신호대잡음비 값을 보인 경우의 코팅 물질인 폴리에스테르 와 비교하여 30% 이상으로 나타나서 코팅 재질의 선택이 자기공명영상의 결과에 중요하게 작용함을 확인할 수 있었다. 이런 경향은 RF의 진폭을 고정하여 측정한 90도 펄스의 길이에서도 유사한 형태로 반영됨을 확인하였다.
후속연구
- 해당 구리의 순도를 제조사에 문의하였는데 이에 대한 상세한 정보를 얻는 것이 불가능하였고, 다섯 가지의 코팅 재질의 경우를 모두 하나의 제조사로부터 구입할수 없었다. 동일한 구리선에 여러가지 다른 코팅물질을 입힌 것을 사용한다면 보다 신뢰도 있는 결과를 도출할 수 있겠다. 또한, 본 연구결과가 다른 형태의 RF 코일의 경우, 즉 안장형, 새장형, 표면형 등에 일반화시킬 수 있을지, 그리고 코일 자체의 단면이 원형이 아닌 경우에까지 확대 적용할 수 있을지는 확인하지 못하였다.
- 동일한 구리선에 여러가지 다른 코팅물질을 입힌 것을 사용한다면 보다 신뢰도 있는 결과를 도출할 수 있겠다. 또한, 본 연구결과가 다른 형태의 RF 코일의 경우, 즉 안장형, 새장형, 표면형 등에 일반화시킬 수 있을지, 그리고 코일 자체의 단면이 원형이 아닌 경우에까지 확대 적용할 수 있을지는 확인하지 못하였다.
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