[논문]저 자기장 조골세포 재형성 시스템용 RF 코일 설계

문성혁; 조춘식; 김영진

doi:10.5515/kjkiees.2018.29.11.821

초록
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골다공증을 치료하기 위하여 조골세포의 재형성 증가를 위해 사용되는 장치에서는 뼈의 외부에서 자기장을 인가하게 되면 뼈에 포함된 무기질이 일정한 방향으로 정렬되며, 세차운동을 하게 된다. 이러한 상황에서 RF 코일을 이용하여 90도 RF 펄스를 인가하면 무기질의 양성자가 여기 상태에 이르게 되며, 뼈 속에서의 조골세포의 침착에 촉진하는 인의 활성도가 증가하여 뼈의 재형성이 증가하게 된다. 이 때 세차 운동 주파수의 고조파에 해당하는 신호를 RF 코일에서 90도 RF 펄스로 발생시키는 RF 코일의 크기를 소형화하면 조골세포 재형성 시스템의 전체 크기를 획기적으로 감소시킬 수 있다. 본 연구에서는 조골세포 재형성 시스템에 사용될 수 있는 RF 코일의 소형화를 위한 방법론을 제시하며, 설계 후 측정을 통하여 검증한다. 본 연구에서 구현한 RF 코일의 커패시터는 25 pF, 인덕터는 약 100 nH, 공진주파수는 대략 96 MHz이며, 제작된 RF 코일의 end 링의 반지름은 18 cm, 다리 총 길이는 $2{\times}11.6cm$이다.

Abstract ▼ AI-Helper

In devices used for re-forming osteoblasts to treat osteoporosis, a magnetic field is applied from the outside of the bone, and the minerals contained in the bone are aligned in a certain direction and undergo precessional motion. When a $90^{\circ}$ RF pulse is applied by using an RF coi...

In devices used for re-forming osteoblasts to treat osteoporosis, a magnetic field is applied from the outside of the bone, and the minerals contained in the bone are aligned in a certain direction and undergo precessional motion. When a $90^{\circ}$ RF pulse is applied by using an RF coil, protons of minerals are brought to an excited state, and phosphorus activity promoting the deposition of osteoblasts in the bone is increased, thereby reshaping the bone. Miniaturizing the RF coil that generates a signal corresponding to the harmonic of the precessional motional frequency by means of the $90^{\circ}$ RF pulse can drastically reduce the overall size of the bone reshaping system. In this study, we propose a methodology for the miniaturization of the RF coil that can be used for osteoblast re-formation using a bone reshaping system. The capacitance of the designed RF coil is 25 pF, the inductance is approximately 100 nH, and the resonance frequency is 96 MHz. The radius of the end ring of the designed RF coil is 18 cm, and the total length of the leg is $2{\times}11.6cm$. The performance of the coil is verified through post-design measurement.

주제어

표/그림 (13)

그림 그림 1. 3D birdcage 형태의 RF 코일(2개의 ER) Fig. 1. The 3D birdcage coil(DER).
그림 그림 2. 3D birdcage 형태의 RF 코일(2개의 ER)의 간략도 Fig. 2. The simplified 3D birdcage coil(DER).
그림 그림 3. 3D birdcage 형태의 RF 코일의 등가회로 Fig. 3. The equivalent circuit model for 3D birdcage RF coil.
그림 그림 4. ER을 3개 사용한 3D birdcage RF 코일 Fig. 4. 3D birdcage coil(TER).
그림 그림 5. C값에 따른 TER RF 코일의 반사손실 Fig. 5. Return loss of TER RF coil by varying C value.
표 표 1. 설계된 TER RF 코일의 파라미터 값 Table 1. Parameter value of designed TER RF coil.
그림 그림 6. l_M 값에 따른 TER RF 코일의 반사손실 Fig. 6. Return loss of TER RF coil by varying l_M.
그림 그림 7. DER RF 코일의 반사손실 Fig. 7. Return loss of DER RF coil(Compared with TER RF coil).
그림 그림 8. TER RF 코일의 자기장 분포 Fig. 8. Magnetic field distribution of TER RF coil.
그림 그림 9. DER RF 코일의 자기장 분포 Fig. 9. Magnetic field distribution of DER RF coil.
그림 그림 10. RF 코일의 자기장 분포 모사 결과 Fig. 10. Simulated magnetic field distribution of RF coils.
그림 그림 11. TER RF 코일 제작 사진 Fig. 11. Photograph of the TER RF coil.
그림 그림 12. TER RF 코일의 반사손실 Fig. 12. Return loss of TER RF coil.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 90도의 RF 펄스 신호를 가할 때 필요한 RF 코일의 소형화 설계를 제안한다. 외부 자기장으로 1.

제안 방법

본 연구에서는 RF 코일의 크기를 줄이기 위하여 양 끝의 ER 사이에 ER을 하나 추가하여 그림 4와 같이 구성하였다. ER을 두 개 사용한 RF 코일은 198 MHz에서 공진이 되도록 설계하였고, ER을 세 개 사용한 RF 코일은 96 MHz에서 공진이 되도록 표 1과 같은 설계 값으로 최적화하였다. 다리에 사용한 도선의 길이 l_M은 triple end ring (TER)의 경우에는 양 끝에서 가운데 Ring까지만 계산하면 되므로 다리 전체 길이는 2l_M으로 하여 실제 제작시 커패시터를 부착하여야 하므로 인덕턴스의 오차를 고려하여 2×11.
본 연구에서 제안하는 RF 코일은 약물 치료에 의하지 않고 핵자기공명을 이용해 골다공증을 개선하기 위한 기술의 일부분으로서, 직접 인체에 가하여 생기는 부작용을 방지하고, 신체에 아무런 접촉을 가하지 않고 치료를 할 수 있는 조골세포 형성의 기술이 될 수 있다. 이를 위하여 RF 코일을 사용하여야 하고, 이 코일에서 발생하는 주파수를 낮추게 할 수 있어야 전체 시스템의 소형화 및 자유로운 RF 펄스 제어를 달성할 수 있다.
본 연구에서는 RF 코일의 크기를 줄이기 위하여 양 끝의 ER 사이에 ER을 하나 추가하여 그림 4와 같이 구성하였다. ER을 두 개 사용한 RF 코일은 198 MHz에서 공진이 되도록 설계하였고, ER을 세 개 사용한 RF 코일은 96 MHz에서 공진이 되도록 표 1과 같은 설계 값으로 최적화하였다.
6 cm를 사용하였으며, 각 선로에 설치할 커패시터는 25 pF을 최종적으로 사용하였다. 이를 위하여 우선 반지름 R과 l_M을 표 1의 값으로 최적화한 후 커패시터의 값을 변경하면서 모사한 반사손실 결과를 그림 5에 나타내었으며, 커패시터 값을 지속적으로 증가시키면 당연히 공진주파수 또한 감소되므로 적절하게 25 pF으로 결정하였다. 한편, 다리의 길이를 변경하여 모사한 결과를 그림 6에 나타내었으며, 길이가 길어지면 인덕턴스 값도 증가하므로 공진주파수의 감소를 얻을 수 있으므로 모사 결과 다리의 총 길이 2l_M이 27.
전통적으로 많이 이용되어온 DER의 성능을 확인하고, 이를 활용하여 TER을 설계한 후 성능 개선의 정도를 판별하기 위하여 DER 및 TER을 단계적으로 설계하였다.

대상 데이터

ER의 반지름이 18 cm이고, 다리의 총 길이는 2×11.6 cm를 사용하였으며, 각 선로에 설치할 커패시터는 25 pF을 최종적으로 사용하였다.

성능/효과

설계한 RF 코일의 반사손실의 모사 및 측정결과는 그림 12에서 나타낸 것과 같이 공진주파수 96 MHz에서 모사 결과, −21.54 dB, 측정결과 −16.98 dB를 얻었고, 이는 그림 7에서 ER이 2개인 RF 코일의 반사손실이 198.4 MHz에서 모사 결과 −11.9 dB 임과 비교가 된다.
우선 DER로 구성된 RF 코일을 설계하고자 동일한 설계 파라미터를 사용하여 그림 1에 나타낸 RF 코일을 CST로 모사한 결과, 그림 7에 나타낸 것과 같이 198 MHz 근처에서 공진주파수가 형성됨을 볼 수 있다.
이를 위하여 우선 반지름 R과 l_M을 표 1의 값으로 최적화한 후 커패시터의 값을 변경하면서 모사한 반사손실 결과를 그림 5에 나타내었으며, 커패시터 값을 지속적으로 증가시키면 당연히 공진주파수 또한 감소되므로 적절하게 25 pF으로 결정하였다. 한편, 다리의 길이를 변경하여 모사한 결과를 그림 6에 나타내었으며, 길이가 길어지면 인덕턴스 값도 증가하므로 공진주파수의 감소를 얻을 수 있으므로 모사 결과 다리의 총 길이 2l_M이 27.8 cm에서 96 MHz의 공진주파수를 얻을 수 있었다. 그러나 실제 제작 시 커패시터를 부착하여야 하고, fringing field의 영향도 존재하므로 이보다 짧게 2×11.

후속연구

이를 위하여 RF 코일을 사용하여야 하고, 이 코일에서 발생하는 주파수를 낮추게 할 수 있어야 전체 시스템의 소형화 및 자유로운 RF 펄스 제어를 달성할 수 있다. End 링을 추가하여 공진주파수를 낮추었으며, 또한 자기장의 분포 또한 비록 모사결과이지만 근사적으로 균일하게 만들 수 있었으므로, 본 연구가 무접촉 조골세포 재형성 시스템의 연구에 일조를 할 수 있을 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	핵자기공명 기술을 이용하여 골다공증을 개선하는 방법은 무엇인가?	골다공증 치료 방법으로 지금까지 널리 사용되고 있는 약물 치료방법은 암 발생 등의 부작용이 나타나므로 이를 대신하여 핵자기공명 (Magnetic resonance, MR)의 기술 을 사용하는 방법이 독일의 한 회사에서 개발되어 실제 상용화 되고 있다[1]. MR을 이용하여 골다공증을 개선하는 시스템은 자기장을 발생시켜 이를 골다공증을 치료하고자 하는 부위에 여기시킨다. 이렇게 발생된 자기장에 의하여 뼈에 녹아있는 인, 마그네슘 및 칼슘 등의 무기질에 세차운동(precession) 즉, 회전하는 물체의 회전축 자체가 도는 형태의 운동이 발생하며, 이는 곧 무기질의 양성 자를 일정한 방향으로 정렬시킨다. 여기에 외부자기장 방향에 수직인 방향으로 인가시키는 RF 펄스가 있는데, 이를 90도 RF 펄스라 부른다. 90도 RF 펄스를 가함으로써 무기질의 양성자가 여기 상태에 이르도록 한다. 무기질의 양성자가 여기상태에 도달하면 뼈 속의 조골세포가 활성화되어 무기질이 뼈에 침착되는 양이 증가하여 뼈의 재형성이 개선되게 하는 작용을 일으키게 되어 골다공증의 치료를 비침습적으로 할 수 있게 된다.
	골다공증 치료 방법으로 지금까지 널리 사용되고 있는 약물 치료방법의 부작용은 무엇인가?	골다공증 치료 방법으로 지금까지 널리 사용되고 있는 약물 치료방법은 암 발생 등의 부작용이 나타나므로 이를 대신하여 핵자기공명 (Magnetic resonance, MR)의 기술 을 사용하는 방법이 독일의 한 회사에서 개발되어 실제 상용화 되고 있다[1]. MR을 이용하여 골다공증을 개선하는 시스템은 자기장을 발생시켜 이를 골다공증을 치료하고자 하는 부위에 여기시킨다.
	골다공증 치료 방법으로 지금까지 널리 사용되고 있는 약물 치료방법을 대신할 수 있는 기술은 무엇인가?	골다공증 치료 방법으로 지금까지 널리 사용되고 있는 약물 치료방법은 암 발생 등의 부작용이 나타나므로 이를 대신하여 핵자기공명 (Magnetic resonance, MR)의 기술 을 사용하는 방법이 독일의 한 회사에서 개발되어 실제 상용화 되고 있다[1]. MR을 이용하여 골다공증을 개선하는 시스템은 자기장을 발생시켜 이를 골다공증을 치료하고자 하는 부위에 여기시킨다.

참고문헌 (6)

MBST, Magnetic Resonance Therapy. Available: http://www.mbst.de.
김홍준, 유형석, "7 T MRI에서의 다양한 RF 코일에 대한 $B_1^+$ 비교," 한국전자파학회논문지, 23(8), pp. 1010- 1013, 2012년 8월.

원문보기 상세보기
김경남, 정성택, 박부식, 신윤미, 곽준식, 조종운, "FDTD 방법을 이용한 MRI birdcage RF coil의 endcap 효과 분석," 대한자기공명의과학회지, 7(2), pp. 137-143, 2003.

원문보기 상세보기
S. M. Sohn, L. DelaBarre, A. Gopinath, and J. T. Vaughan, "Design of an electrically automated RF transceiver head coil in MRI," IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems, vol. 9, no. 5, pp. 725-732, Oct. 2015.

상세보기
J. T. Vaughan, J. R. Griffiths, RF Coils for MRI, John Wiley & Sons, 2012.
F. W. Grover, Inductance Calculations, Minola, NY, Dover Publications, 2013.

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