경사자계 코일 (Gradient coil)

 

MRI coil

 

경사자계 코일 (Gradient coil)

기계와 환자가 움직이지 않는 상태에서 자석에 의한 주 자장의 세기를 위치에 따라 일시적인 

경사를 만들고 공명주파수를 다르게 하여 위치 정보를 얻을 수 있게 하는 경사자장 발생장치는, 

크게 magnet 내부의 원통에 감긴 X, Y, Z 축 세 쌍의 경사자장 코일과 이 코일에 전류를 흘리는 

경사자장 신호 증폭기 (gradient pulse amplifier)로 구성된다.

Z 축 경사자장 코일에 일정 시간 동안 전류를 흘리면, 경사자장 코일이 만드는 자장과 같은 

극성의 주자장 방향은 자장의 세기가 더욱 커지고, 주자장과 반대극성을 만드는 경사자장

코일쪽의 세기는감소하여 자석 중심으로 위치에 따라 자장의 세기가 경사진 모양으로 만들어진다.

즉, 경사자장(gradient field)이 만들어지며 이때 공명주파수는 경사자장의 크기에 따라 크거나 작게 

변화된다.

그리고 특정위치에 해당하는 고주파 신호를 라디오 주파수 코일(RF-coil)을 통하여 인가하면 

그 단면의 proton만이 공명을 일으킨다. 즉 단편 구분(slice selection)이 된 것이다.
양쪽 코일에 흐르는 전류의 방향이 반대면, 점선과 같은 주자장의 세기가 경사자장이 된다.
이렇게 Z 축으로 선택된 특정단편만 공명을 일으켜놓은 상태에서, 이 특정단편의 Y축 코일에 

잠시동안 전류를 인가하면 전류가 흐르는 동안 Y축의 위치에 따라 공명주파수가 변화하게 되며

전류를 끊으면 다시 원래의 주파수로 일정하게 회전한다. 그러나 잠시동안 Y축을 따라 크기가 다른

자장을 경험한 proton들은 그 공명주파수가 다시 일정해졌어도, 회전위상(phase)의 크기가 Y축의

위치에 따라변화된 상태에서 회전을 하게 된다. 즉 proton의 회전주파수는 일정해도 빠른 위치에서

회전하는 proton이 보다 좀 느린 위치에서 회전하는 proton 등으로 위치에 따라 위상 값의 변화가 

생긴 것이다. 이것을 위상 부호화(phase encoding)이라 한다

위상 부호화(phase encoding)

Z 축으로 선택된 단면이 위상 부호화된 상태에서 신호를 발생할 때, X코일에 잠시 전류를 

인가하면 X축을 따라서 proton의 회전 주파수가 변화되어 (frequency encoding이 된 상태), 

proton 위치에 따라 주파수가 다른, 여러 주파수의 복합된 신호를 한꺼번에 방출하게 된다.

이 신호를 수집하여 주파수를 구별하면 X축으로 위치를 알아낼 수 있게 된다.
이와 같이 경사자장의 역할은 X, Y, Z의 축으로 공명주파수 및 위상의 변화를 일으켜 

위치정보를 얻을 수 있게 하는 중요한 일을 한다. 만약 경사자장의 세기가 계산된 값보다 크면 

그 방향으로 길쭉한 타원모양의 영상이 얻어진다(위치에 따라 변화되는 주파수 및 위상의

변화가 더욱 크게 일어나게 되고 주파수 및 위상의 크기는 화면상의 위치를 결정하는데,

큰 주파수 신호는 작은 주파수 신호보다 화면상에서 위치정보가 더 먼 곳에 위치되므로 결국 

그 방향으로 타원모양이 된다). 경사사장의 크기가 불규칙적으로 인가되면 영상은

위상 부호화(phase encoding) 방향으로 번져서 ghost 또는 smearing artifact의 형태로 나타난다.

 

 

경사자장의 크기는 자석 중심에서 1M 떨어진 지점의 자장의 세기를 얼마나 변화시킬 수 있는 가로

표시된다. 25mT(250G)만큼 변화를 시킬 수 있으면 25mT/M로 표시한다. 또한 최대 경사자장까지

이르는 시간도매우 중요하며 rising time(μsec) 또는 slew rate(T/m/s)로 나타낸다. 경사자장은

 짧은 시간 (1ms이하의 rising time)에 높은 전류를 경사자계 코일에 흘려서 주자장의 크기를

강제적으로 변화시킨다. 

자석 안쪽(bore)을 구성하는 재질은 전기가 흐르는 도체로서 자장의 변화가 있으면 전류가 유도되어

와류(eddy current)가 발생하게 된다. 경사자장 코일에 의한 주자장의 변화는 자석 bore에 와류를

만들고자 하는 경사자장 과는 반대 방향으로 생긴다. 따라서 이를 보상하여 원하는 경사자장을

만드는 것을 와류보상(eddy current compensation)이라 하며 화질을 좌우하는 중요한 요소이다.

와류보상 방법으로는 경사자장펄스 원래의 모양에서 발생하는 양만큼 더하여 인가하면 손실을 

상쇄시킬 수 있게 된다. 또 다른 방법은 경사자장 코일의 바깥쪽에 반대 방향의 전류를 흘리는 

코일을 붙이면 외부로 나가는 경사자장의 세기를 서로 상쇄시켜서 양을 대폭 감쇄시킬 수 있다.
이를 능동적 경사자장코일(active gradient coil)이라 부르며 일반적으로 위의 두 방법을 모두 

사용하여 보상하게 된다.

 

경사자장은 잠시동안만 인가되는 펄스 모양의 전류에 의해 발생되며 이를 경사자장 펄스라 부른다. 

경사 자장 증폭기는 사용자가 선택한 촬영 매개변수에 따라 computer의 조절에 의해 경사자장 파형 

발생장치(gradient waveform generator)가 만든 펄스를 경사자장 코일에 흘릴 수 있는 큰 전류로 

증폭하는 장치이다.
검사 중 발생하는 소음은, 자석이 서로 밀고 당기는 힘을 갖는 것처럼 경사자장 코일이 만드는 

경사자장이 주자장과 서로 밀고 당기는 자력이 발생하여 경사자장코일은 코일이 감겨있는 원통 

지지대에 커다란 충격을 준다. 

 

 

이때 ‘탕 탕 탕”하는 소리가 발생하게 된다.

 

경사자장증폭기와 경사자장 코일의 성능은 자석의 자장세기가 정해진 상태에서 장치의 영상성능을 

결정하는 매우 중요한 요소로서, EPI (EchoPlanar Imaging)와 같은 고속촬영기법을 위해서는 

더욱 높은 전류를 더욱 빠르고 안정되게 흘릴 수 있어야 하므로 지속적인 개발이 진행 중이다.