MR Instrumentation

 

MR Instrumentation

1946년 미국의 bloch와 purcell에 의해 NMR현상이 발견된 이후, 현재 MR 장치는 매우 

빠른 속도로 발전하고 있으며 진단가치 또한 가장 높은장비로 각광받고 있다.
MR 검사실은 크게 magnet room, console room, computer room 등과 같은 3개의 방으로 

구성되어 있다

Magnetic room은 gantry(bore)와 환자용 테이블(couch)로 구성되어 있다. Bore는 외부로부터 

주자장(main magnetic field)을 만드는 1차 코일이 있고 그 안쪽에 정 자장을 균일하게 만드는 

2차 코일인 shim 코일, 경사자계 코일, RF 발신 및 수신코일이 있다. Console room 에는 operator
console이 있다. 그리고 computer room에는 각종 cabinet (x, y, z gradient amplifier)과 data 저장장치, 

항온 항습기, 냉각수 공급장치, 극저온 냉각장치 등이 있다.

 

5-1-1 영구 자석( Permanent Magnet)

영구형 자석이나 초전도형 자석의 자장형태는 매우 비슷하다. 초기 자석은 철로서 제작되었는데 

페라이트(아철산염) 자석이라고 하였다. 1930년대에는 철, 알루미늄, 니켈, 코발트를 합금시킨 ‘alnico’라는 

합금자석으로 제작되었는데, 이것은 페라이트 자석보다 좀 더 자장의 세기를 높일 수 있었다.

이렇게 상업용자석 제작이 활성화되고 최근에는 희토류 계 산화물 자석이 소개되어 예전보다 훨씬

 강한 세기의 자석을 만들고 있다. 전형적인 영구자성체를 사용하는 MR 장치를 나타낸다.
이것은 폐쇄 공포증이 있는 환자에게 편안함을 주고 소아 검사 시 부모가 함께 있을 수 있게 제작되어

개방형 장비라고 일컫는다. 

영구자석 MR 장치의 단면은 주자장이 상하 두 개의 벽돌로 만든 틀에서 발생된 자장에 의해 형성되는

것을 알 수 있다.

이 주자장은 거대한 ironyoke에 의해서 유지가 되는데 iron yoke는 MR 장치가 신호를 변조하고
구성하는 기능을 하며 주자장의 강도를 증가시킨다. 일반적으로 영구자석 MR장치에는 shim 코일이

없는데, 그 이유는 주자장의 균일도 형성은 양극을 조절함으로써 이루어지는 특성이 있기 때문이다 

자장의 형성은 강자성체 세라믹 재료를 벽돌 사이즈로 제작하여 서로 상극으로 나누어 전자장 내에 

극을 하전 시켜서 자장을 발생시킨다. 한번 자화 시키는 데 있어서 벽돌들은 한쪽 극이 1M 정도의 높이로 

약 2개에서 5개 층이 쌓인 형태로 제작된다. 따라서 작은 벽돌 하나하나가 만든 자장이 모여서 커다란

자장을 형성한 구조물을 만들기란 그리 쉬운 것이 아니다. 이러한 특성으로 인해 자장의 세기가 큰 상태에서

 만약 한 개의 벽돌 위치가 잘못된다면 부적합한 자장이 발생되는 결과를 초래할 수 있는 위험성이 있다.

 

5-1-2 상전도 자석 (Resistive Magnet)

상전도 자석은 솔레노이드에 전류를 흘려 자기장을 형성한 후 검사를 한다. 솔레노이드는 긴 도선을 원통 

표면에 나선모양으로 촘촘하게 감은 것이며 솔레노이드 내부에서의 자기장 선은 솔레노이드의 중심축에 

평행하게 형성되고 그 결과 솔레노이드의 내부장은 균일한 자장을 형성하게 된다 

상전도 자석은 솔레노이드의 코일에 직류전류를 흘려 자장을 형성하며 도체의 저항에 의한 전류 손실은

열로 발산된다. 따라서 발생된 열(저항)을 냉각시키기 위하여 대용량의 냉각수 공급장치가 설치되어야 하고 

안정된 전류를 흘리기 위한 직류전원장치가 필요하다. 또한 상전도 자석은 shimming을 하는데 다소

어려움이 있고 자장형성 속도가 서서히 진행이 되기 때문에 쉽게 자장을 상실할 수 있는 위험성을 갖고 있다. 

반면에 무게가 4,000~9,000kg 정도로 초전도 자석과 영구 자석보다 가벼워 설치가 수월한 이점도 있다.

 

5-1-3 초전도 자석(Super Conductive Magnet)

초전도 자석장치의 규모는 약 폭 3m, 높이 3m, 길이 5m 정도이다. 이렇게 큰 이유는 주자장의 코일을 낮은

 온도로 유지시키는데 필요하고, 극저온의 상태에서 복합성 단열 chamber들이 작동하기 때문이다 

모든 도체는 절대 온도인 -273°C(0°K)에서 전기저항이 사라지는 초 전도체가 되며 이러한 초전도체로

전자석을 만들면 초전도 자석(superconductivemagnet)이 된다. 이러한 초전도 현상을 만들기 위해 극저온을 

유지하여야만 하는데, 그러기 위해 액체상태의 온도가 약 -269°C인 액체헬륨을 냉매로 사용한다. 

초전도 체는 주로 니오비움티타늄 합성물질로 만든 코일을 사용한다. 이러한 초전도 체 코일을 액체헬륨 

속에 놓고 전류를 흘리면 전기저항이 없으므로 높은 전류를 흘려 고 자장을 만들 수 있으며, 한번 전류를

인가한 후 폐 회로를 만들면 손실이 없으므로 코일의 전기는 외부전원의 인가 없이 지속적으로 흐르고

자장을 유지한다.

초전도형 자석의 냉매로 사용되는 액체헬륨은 액체에서 기체로 기화(boil-off)되는 온도가 –269°C이다. 

냉매로 사용된 액체헬륨은 외부온도의 영향으로 기화되어 밖으로 배출되는데 이를 일정기간마다 보충해 

주어야 한다. 이러한 손실을 줄이기 위해 자석은 외부온도와의 차단을 위해 많은 단열 층으로 구성되었으며,

실내온도와의 차이를 줄이고자 중간 냉매로서 액화질소를 사용하기도 한다. 또한 자석 내부온도
를 낮춰 액체헬륨의 손실을 더욱 줄이기 위해 가스헬륨을 냉매로 사용하여 약 -250°C까지 냉각하는 

극저온 냉동기를 설치하기도 한다.

초전도 자석은 냉매인 액체헬륨의 부족이나 초 전도체의 불안정, 액체헬륨 보충작업 시 액체헬륨 보다 

높은 온도의 헬륨가스가 자석 내에 유입될 때는, 높은 전류가 흐르고 있는 초 전도체 코일은 초전도 상태를 

상실하게 된다. 이를 quench라고 하며 초전도 상태를 잃은 코일에 흐르는 전류는 코일의 저항 때문에 높은 

열을 내면서 사라지고 액체헬륨은 이로 인해 기화되어 버린다. 액체헬륨이 기화되면, 부피가 700배 정도로 

커지므로 순식간에 엄청난 양이 발생되며 이 기체를 즉시 배기하기 위한 설비(ventpipe)가 magnet room에 

설치되어야 한다.

이와 같은 quench가 발생되면 고가의 냉각제를 증발시키는 손실이 발생하므로 초전도 자석의 설계나 설치에

있어서는 충분한 대책이 강구되어야 한다. 초전도 자석은 quenching으로 인해 파괴되는 일이 거의 없지만
재가동에는 많은 시간과 경제적인 손실이 발생된다. 초전도 자석은 고가의 액체헬륨을 주기적으로 공급해야

하므로 운영 및 유지비가 많이 드는 단점이 있으나(최근 들어 수년에 한 번만 헬륨을 보충하는 장치가 

개발되어 나오고 있다) 고 자장을 발생시킬 수 있어 영상의 고해상도, 짧은 검사시간, spectroscopy,

functional MRI 등 특수기법이 가능하기 때문에 각광을 받고 있는 방식이다.
주자장에 대한 shim 코일, 경사자계 코일, RF 코일의 위치를 나타낸 것이다.

환자가 들어가는 bore 입구에 인접한 보조자장 코일은 경사자계 코일이다. 이 코일은 대개 전기적

유도체로서 검사부위의 protocol에 의해 진행이 될 때 아주 짧은 시간 내에 on/off 하여 변조된 경사자장을 

형성한다. 경사 자장과 주자장 장치 사이에 shim 코일이 위치한다.

일반적으로 shim 코일은 상온에서 유지되나 좀 더 강한 자장 내에선 저온유지장치 내에 보관된다. 

주자장은 상자성 shim 코일보다는 초전도성 shim 코일일 때 좀 더 균일한 자장을 형성한다. 

고 자장(1 Tesla 이상)의 자석에서는 자장의 세기가 컴퓨터의 모니터나 X-ray 장비와 같은 외부의
각종 장비에 영향을 끼치므로 이를 차단하기 위한 자장차폐(magneticfield shield)를 해야 된다. 

자석을 철판으로 감싸는 수동적 차폐(passive shield) 방법과 초전도 코일 바깥쪽에 반대방향의 

전류를 흘려 외부로 나가는 자장을 상쇄시키는 능동적 차폐(active shield) 방법이 있다.