KR20000069263A

KR20000069263A - 다중 공명 초전도 프로브

Info

Publication number: KR20000069263A
Application number: KR1019997004878A
Authority: KR
Inventors: 장쿠안; 밀러제이슨알.; 문인기; 마퀴안
Original assignee: 더 트러스티스 오브 컬럼비아 유니버시티 인 더 시티 오브 뉴욕
Priority date: 1996-12-02
Filing date: 1997-11-25
Publication date: 2000-11-25
Also published as: WO1998025163A1; ATE232305T1; EP0941491A4; CA2273150A1; US6169399B1; DE69718929T2; EP0941491A1; CN1245562A; HK1024747A1; EP0941491B1; DE69718929D1; AU5369398A; JP2001505463A

Abstract

본 발명은 자기 공명 영상, 현미경 검사 및 분광학에 사용하기 위한 상이한 주파수에서 다중 핵 공명을 검출하는 초전도 다중 공명 프로브를 개시한다. 프로브는 매우 근접하는 2개 이상의 초전도 코일(101, 103)을 구비함으로써 구성되고, 각각의 코일(101, 103)이 상이한 주파수에서 조정되고, 여기서 조정이 코일들 간의 상호 인덕턴스에 의해 발생되는 주파수 전이에 대해 이루어진다. 코일들이 평면(120) 내에 동심원 형태로 배치될 수 있고, 또는 수직으로 적층될 수 있다.

Description

다중 공명 초전도 프로브 {MULTIPLE RESONANCE SUPERCONDUCTING PROBE}

과거에는 자기 루프 프로브(magnetic loop probe)가 자기 공명 영상과 같은 여러 애플리케이션에서 단일 선택된 주파수 범위 내의 신호를 검출하는데 사용되었다. 통상적으로 사용되는 종래의 수신 루프는 동선(copper wire)으로 이루어진다.

자기 공명 영상(MRI)은 의료 분야에 사용되어 신체 내의 선택된 핵이 자계(magnetic field)를 받는 경우의 반응을 측정함으로써 검사 및 진단을 위한 신체 여러 부분의 영상을 산출한다. MRI 프로브는 선택된 핵의 공명 주파수(resonance frequency)와 동일한 공명 주파수를 갖도록 구성된다. 시행되고 있는 MRI의 일례로 여성의 유방에서 혹(lumps)을 검출하는 유방 엑스선 조영법(mammography)이 있다. 코일(coil)의 형태인 프로브가 검사받을 유방 주위에 배치되고 MRI 화상("picture")이 얻어진다. MRI 화상은 영사(image: 映寫)되는 특정 핵과 같은 공명 주파수를 갖는 코일에 의해 조직(tissue) 내의 특정 핵을 검출하는 것을 근거로 한다. MRI 애플리케이션의 다른 예는 사람 머리에 적용되어 종양이나 암을 검출한다. 흔히 사용되는 2가지 MRI 프로브는 신체 코일(body coil) 및 표면 코일(surface coil)이다. 신체 코일은 머리 코일과 같은 사람이나 동물 신체의 일부를 충분히 에워쌀 만큼 크다. 표면 코일은 평면 모양 또는 신체 조직의 국부 표면(local surface) 모양이다. 표면 코일은 영상 영역에 매우 근접하게 배치됨으로써, 관심 국부 영역의 고해상도 영상을 제공하는 작은 시계("FOV": 視界)를 갖는다. 통상적으로, MRI에 사용되는 와이어 코일은 초전도 재료 (superconducting materials)로 이루어지지 않는다.

최근, 초전도 프로브는 종래의 동선 프로브에 비해 프로브의 신호대 잡음비(SNR)를 개선한 MRI, 현미경 검사(microscopy: MRM) 및 분광학(spectroscopy : MRS)에 사용되고 있다. 이러한 초전도 프로브는 수신 코일의 잡음 분포를 낮춤으로써 실질적인 SNR 이득을 제공할 수 있다. 이것은 고주파수(1∼500㎒)와 저온에서 초전도체의 저항이 금속의 저항보다 약 3 차수(three order) 정도 낮다는 사실에 기인한다. 초전도체의 낮은 저항은 초전도체로 이루어진 코일의 보다 높은 Q(quality factor) 값을 유도하고, 다시 말해 SNR이 Q 값의 제곱근에 비례하기 때문에 프로브의 SNR을 증가시킨다. 비교를 하면, 고온 초전도체("HTS") 재료로 이루어진 박막 필름 코일은 33.7㎒와 77K에서 Q 값이 10,000 이상이며, 금속인 은(Ag)을 사용하는 유사한 박막 필름 코일의 영상은 동일 주파수 및 온도에서 Q 값이 10이다.

박막 필름 코일의 Q 값이 실제로 너무 낮기 때문에, 금속 와이어(주로 구리)는 종래의 신체 코일 및 표면 코일 모두를 만드는데 사용되었다. 일반적으로, 동선으로 이루어진 코일은 Q 값이 100∼500이다. 초전도체의 낮은 저항 특성은 실제로 박막 필름 코일이 와이어 코일 보다 훨씬 높은 Q 값을 갖게 해준다.

자기 루프 프로브는 의료 영상을 위해 매우 유용한 핵인 소듐 23(²³Na)의 존재를 기초로 하는 MRI 화상을 산출하기 위해 개발되었다. 초전도 재료로 이루어진 프로브는 그 높은 내부 저항 때문에 큰 잡음 폭을 생성하는 구리 코일의 프로브보다 Q 값이 적어도 10 이상인 신호대 잡음비("SNR")를 얻을 수 있다. 이러한 SNR 이득은²³Na의 전체 감도가 낮기 때문에 열악한 SNR을 흔히 겪는 vivo²³Na MRI에 매우 중요하다.²³Na MRI와 연관된 다른 주요한 실제적인 어려움은 영상이 되는 관련 영역에 대하여 프로브를 정확하게 국한하는 것이다.

따라서 상이한 공명 주파수를 갖는 2 이상의 공명 핵을 동시에 검출하는 것이 유리하다. 주사(scan)되는 소정의 영역 상에 적합하게 국한하고 초점을 맞추기 위하여 단일 프로브로 다중 공명을 검출하는 것이 바람직하다. 그러나, 다중 수신 코일이 매우 근접하게 배치된 경우, 2 코일들 간에 생성되는 상호 인덕턴스는 프로브에 대하여 적합하게 조정되도록 고려되어야 한다.

본 발명은 다중 핵을 검출하기 위한 다중 공명 초전도 프로브에 관한 것이다. 예를 들면, 프로브는 고품질의 자기 공명 영상(magnetic resonance images: MRI)을 산출(産出)하는데 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따라 구성된 다중 공명 초전도 프로브의 레이아웃.

도 2a는 고주파수 수신 코일의 공명 주파수 대 2 코일 사이의 결합 계수의 그래프.

도 2b는 저주파수 수신 코일의 공명 주파수 대 2 코일 사이의 결합 계수의 그래프.

도 3은 다중 공명 프로브에서 2개의 이웃하는 코일을 모델링하는 회로 다이어그램.

도 4는 도 1의 이중 공명 초전도 프로브의 응답 스펙트럼의 그래프.

도 5는 도 1의 다중 공명 프로브를 제작하기 위한 단계의 순서도.

도 6은 다중 공명 초전도 프로브에 대한 다중-적층 구조를 도시하는 도면.

도 7은 도 6의 다중-적층 다중 공명 프로브를 제작하기 위한 단계의 순서도.

도 8은 다중 공명 초전도 프로브에 대한 수신 코일이 사각형 형상을 갖는 구성을 도시하는 도면.

도 9는 다중 공명 초전도 프로브에서 수신 코일의 대안적인 구성을 도시하는 도면.

본 발명은 MRI, MRM 및 MRS 등에 사용될 수 있는 다중 공명 초전도 프로브이다. 다중 공명 프로브는 기판 상에 증착되는 초전도 박막 필름으로부터 생성되는 복수의 코일을 포함한다. 각 코일은 내부 및 외부 루프 사이에 맞물린 핑거를 가진 나선형 인덕터를 포함하는 것이 바람직하다. 본 발명의 바람직한 실시예에서 코일은 공통 지점 주위에 동심원 형태가 되어 복수의 수신 코일에 대한 프로브의 전체 시계를 증가시킨다. 프로브는 기판 상의 개별적인 수신 코일들 간의 상호 인덕턴스의 영향을 고려하여 구성되고, 특정 코일에 부착된 핑거 수를 변경함으로써 각 코일 구성에 대해 추가적으로 미세 조정될 수 있다. 다중 공명 프로브는 추가된 공명 주파수로부터 얻어지는 추가 데이터로부터 소정 물체의 영상을 개선시키게 해준다. 다중 공명 프로브는 기판 상에 초전도 필름을 증착하고, 상호 인덕턴스를 고려하는 적합한 코일 구성을 생성하며, 각각의 코일을 미세 조정함으로써 만들어질 수 있다.

또한 다중 공명 프로브는 각각의 수신 코일에 대한 개별층을 사용하여 구성될 수 있고, 여기서 버퍼층이 임의의 2개의 이웃하는 코일층 사이에 배치된다. 다중-적층 구성은 동일 직경을 갖는 코일을 사용하여 모든 수신 코일에 대한 상호 시계를 증가시켜 준다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 장점이 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하는 첨부되는 도면을 참조하여 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

다중 공명("multi-resonance") 초전도 프로브는 자기 공명 영상의 품질을 증가시키거나 다중 공명 주파수 판독으로부터 데이터를 사용할 수 있는 다른 애플리케이션을 개선시켜 준다. 다중 공명 코일은 동일 영역이 2 이상의 상이한 핵을 동시에 사용하여 검사되도록 단일 프로브 내에 배치된다. 어느 하나의 핵으로부터의 정보는 프로브 자체를 배치시키지 않을 수 있는 다른 핵으로부터의 낮은 해상도 정보가 분석을 위해 사용될 수 있도록 프로브의 정확한 위치를 결정하는데 사용될 수 있다.

여기에 설명되는 바람직한 실시예는 MRI 애플리케이션에서 이중 공명 프로브를 위한 것이다. 그러나, 본 발명은 단지 2개의 수신 코일에만 국한되는 것이 아니라 또한 이하에 설명되는 동일 원리와 기술을 사용하여 구성되는 3개 이상의 수신 코일을 포함할 수 있다. 또한, 다중-공명 프로브는 여기에 설명되는 것과 같은 MRI 애플리케이션에만 국한되는 것이 아니고, 임의의 목적에 대한 주파수 스펙트럼에서 다중 주파수를 검출하는데 사용될 수 있다.

MRI를 산출하기 위해¹H 및²³Na에 대한 다중 공명 초전도 프로브를 사용하는 것은¹H 및²³Na 분포의 고해상도의 해부학적인 모습과 상호 관련된다. 또한, 결합된¹H 및²³Na MRI는 영사되는 조직(tissue)의 보다 양호한 특성을 발생하는 보충 정보를 제공한다.

본 발명의 바람직한 제1 실시예로서 여기에 설명되는 프로브 설계는 동일 기판 상에 배치되는 2개의 별도 동축 코일(coaxial coils)을 포함하고, 각각¹H 및²³Na의 공명 주파수로 조정된다. 이러한 초전도 이중 공명 프로브의 설계와 연관된 모험은 상호 인덕턴스를 고려하도록 코일들 간의 결합(coupling)을 구하는 것이다. 상호 인덕턴스는 공명 회로에서 임피던스를 효율적으로 결합하여 공명 주파수를 전이시킨다. 결합 계수를 결정함으로써, 코일의 전이된 공명 주파수가 구해질 수 있다. 이에 의해, 결합 계수를 알고 있는 경우, 프로브의 적합한 공명 주파수가 구해져 정확하게 조정된 프로브를 설계할 수 있다. 코일의 설계에서 결합 임피던스를 고려하는데 실패하면 공명이 오프된 프로브를 발생한다.

도 1은 본 발명에 따라 구성된 다중 공명 초전도 프로브의 레이아웃을 도시하고 있다. 이 예가 단지 2개의 분리된 수신 코일을 도시하는 반면에, 추가 공명 주파수를 수신하는 추가 코일이 도시된 코일들 주위나 내부에 동심원적으로 배치될 수 있다. 초전도 프로브(100)는 모두 기판 상에 배치되는 2개의 코일, 즉 외부 수신 코일(101) 및 내부 수신 코일(103)로 도시된다. 각각의 코일은 Y₁Ba₂Cu₃O_7-x와 같은 초전도 재료로 이루어진다. 외부 코일(101)은 나선 코일(105) 및 초전도 재료의 연장 부분인 핑거("finger")를 구비한다. 도면에서 핑거의 예로는 핑거 107과 핑거 109가 있다. 나선 코일 부분은 수신 코일에 인덕턴스(inductance)를 제공하고 함께 엮어진 핑거(또한 맞물려진 것(digits)으로 불리움)은 공명 주파수를 조정하기 위해 수신 코일에 대해 필요한 커패시턴스(capacitance)를 제공한다. 코일의 공명 주파수는 인덕턴스와 커패시턴스 구성에 직접적으로 관련된다. 코일(101)의 커패시턴스는 코일 내에 나타난 핑거 수에 직접적으로 관련된다. 또한 내부 코일(103)은 나선 코일(111)과 나선 코일(111)에 부착된 복수의 핑거, 예를 들면 핑거 113을 포함한다. 기판(120)은 평면일 수 있고 또는 구부리거나 영사되는 물체 주위를 에워쌀 수 있도록 유연성을 가질 수 있다.

각각의 수신 코일은 자기 공명 영상 작업이 수행되는 경우 자화된 핵으로부터 산출되는 상이한 주파수를 검출한다. 도 1의 프로브는 내부 수신 코일에 대하여¹H를 검출하고 외부 수신 코일에 대하여²³Na를 검출하도록 구성된다. 기판 상에 코일의 동심원 형태의 배치는 코일들 간이 상호 인덕턴스를 줄이는 반면, 2개의 수신 코일 모두에 대해 상호 시계를 증가시켜 준다.

도 1의 수신 코일은 단일 결정 LaAlO₃기판 상에 Y₁Ba₂Cu₃O_7-x(YBCO) 초전도 박막 필름으로 이루어질 수 있고 반응성 이온 주입 또는 건식이나 습식 식각을 사용하여 패턴이 형성될 수 있다. 프로브는 각각 33.77㎒ 및 127.71㎒에 대응하는 3T 자계에서¹H 및²³Na의 라모르(Larmor) 주파수로 조정되는 동일 기판 상에 2개의 별도의 동축 코일을 포함한다. 상기 언급한 바와 같이, 각각의 수신 코일 설계는 인덕터의 권수 사이의 맞물린 커패시터를 갖는 단일 루프 인덕터를 포함한다. 상기 예에서 외부 코일에 대해, 인덕터 라인 폭은 275㎛이고 맞물린 핑거는 33㎛의 폭과 22㎛의 간격을 갖는다. 상기 예에서 내부 코일에 대해, 인덕터 라인 폭은 139㎛이고 맞물린 핑거는 90㎛의 폭과 60㎛의 간격을 갖는다. 고주파수 공명 코일(외부 코일)은 100∼200 쌍 정도의 핑거를 구비하고, 저주파수 공명 코일(내부 코일)은 500∼600 쌍 정도의 핑거를 구비한다. 본 발명은 설명된 특정 크기에 국한되는 것이 아니고 검출될 상호 인덕턴스 및 공명 주파수를 예측하는 소정의 FOV에 따라 달라질 수 있다.

코일의 크기는 다음 대상들의 균형을 맞추도록 선택된다: 큰 SNR 이득 인자, 충분히 큰 시계, 및 공명들 간의 약한 결합. 상기 예에 대해, 외부 및 내부 코일 직경은 각각 2.44㎝ 및 1.39㎝이다. 2 코일은 각각의 코일의 공명 주파수의 변경을 발생하는 상호 인덕턴스를 갖는다. 특정 핵의 선택된 주파수를 검출하기 위해서, 코일 설계는 상호 인덕턴스를 고려해야 한다.

도 2a 및 도 2b는 2 수신 코일들 간의 결합 계수의 함수로서 도 1에 도시된 다중 공명 초전도 코일의 공명 주파수의 그래프를 도시한다. 결합 계수는 코일들이 매우 근접함에 따라 1로 증가한다. 도 2a는 코일들이 서로 근접함에 따라 외부 코일(101)의 공명 주파수가 크게 증가하는 것을 도시한다. 도 2b는 코일들이 서로 근접함에 따라 내부 코일(103)의 공명 주파수가 감소하는 것을 도시하고 있다. 이러한 공명 전이 효과는 프로브의 일부가 되는 각각의 코일의 최종 설계에서 고려되어야 한다.

2 수신 코일의 상호 인덕턴스에 대한 정렬의 효과 및 해결책이 이하 설명된다. 또한 이하의 분석이 동일 프로브 내 3개 이상의 모든 수신 코일들에 연장될 수 있다. 서로 근접한 2개의 공명기는 그 각각의 자계를 결합한다. 공명기 간의 이러한 자계 결합은 다음과 같이 주어지는 상호 인덕턴스(M)로 설명된다.

여기에서 k는 결합 계수, L₁₁은 제1 수신 코일의 주 자기 인덕턴스, L₂₂는 제2 수신 코일의 부 자기 인덕턴스이다. 결합 공명기 코일은 도 3에 도시된 바와 같이 2개의 간단한 회로에 의해 모델화될 수 있다. 도 3에서 각각의 회로는 커패시터, 저항 및 직렬의 인덕터를 포함하며, 여기서 각각의 회로의 인덕터는 결합된다.

도 3은 인덕터 L₁(307)에 직렬로 연결된 저항 R1(305)에 직렬로 연결되는 커패시터 C₁(303)을 포함하는 제1 회로(301)를 도시하는 도면이다. 제1 회로(301)에 근접하여 배치되는 제2 회로(309)는 인덕터(315)에 직렬로 연결된 저항(313)에 직렬로 연결되는 커패시터(311)를 포함하고 인덕터는 완전한 회로를 구성하기 위해 커패시터(311)에 연결된다. 결합된 부회로(309)는 등가 임피던스 (ωM)²/Z_S를 상호 인덕턴스에 의존하는 공명 주파수를 전이시키는 주회로(301)에 더하는 것이 도시될 수 있다. 제2 회로(309)의 공명 주파수는 제1 회로(301)에 의해 마찬가지로 영향을 받는다. 결합 계수가 무시되는 경우, 결합 임피던스는 상당히 작고 주회로는 부회로가 없는 것과 같이 거의 동일하다. 주파수 스펙트럼 소정의 중심 주파수에서 2개의 피크를 가질 수 있다. 결합 계수가 증가함에 따라, 낮은 주파수 공명기는 아래 쪽으로 전이되고 높은 주파수 공명기는 위쪽으로 전이된다. 정확한 주파수에서 공명을 일으키도록 이중 공명 프로브를 설계하기 위해서, 코일들 간의 상호 인덕턴스가 고려되어야 한다. 이것은 2 단계를 필요로 한다: 결합 계수의 결정 단계 및 결합 함수로서 프로브의 공명 주파수에 대한 표현식 유도 단계.

결합 계수는 코일의 크기와 형태 및 그 상대적인 위치에 의해 결정된다. 결합을 구하기 위해, 코일이 2개의 와이어 루프로 모델화되고, 그 반지름이 병렬 축에서 c 간격 및 평면에서 간격 d를 가진 a 및 b를 갖는다.

2개의 상기 루프 사이의 상호 인덕턴스에 대한 일반식이

로 주어지고, 여기서 μ은 투자율(permeability), J₁(Ka), J₁(Kb), J₀(Kc)은 제1 및 제2 차의 베슬 함수(Bessel Function)이며, K는

으로 주어진다.

여기서 고려되는 도 1의 구성의 경우에 대해, 루프가 동축이고 동평면이기 때문에 c = 0 및 d = 0이다. 루프의 자기 인덕턴스 L₁₁및 L₂₂는

로부터 구해질 수 있고, 여기서, r은 와이어의 반지름이다. 수학식 2와 4를 수학식 1로 뺀 후에 결합 계수가 구해질 수 있다. 루프들 간의 결합은 b/a 비가 1(unity)에 접근할 때까지 증가한다. 따라서, 결합은 2 코일이 서로 근접하도록 움직이는 경우에 증가한다. 결합을 최소화하기 위해, b/a 비는 가급적 작게 만들어져야 되므로 코일들이 가급적 멀리 배치되어야 한다. 그러나, 상기 b/a 비는 시계(FOV)가 비실용적으로 작아짐에 따라 프로브의 유용성이 감소한 후의 위치에서 단지 감소될 수 있다.

도 3의 주회로(301) 및 부회로(30)에서의 임피던스는

로서 나타낼 수 있는 저항(resistive) 및 무효(reactive) 요소 모두를 포함하고, 여기서 R1(305) 및 R2(313)는 저항, L₁(307) 및 L₂( 315)는 인덕턴스, C₁(303) 및 C₂(311)는 커패시턴스, X₁및 X₂는 각각의 회로의 전체 리액턴스로 정해진다. 회로에 키르히호프 법칙을 적용함으로써, 부 회로에서의 전류 I₂가 구해진다. 부 전류의 절대값에 대한 표현식이

으로 주어진다.

부 전류는 분모가 최소인 경우 최대가 된다. X₂에 대하여 분모를 미분하면, I₂는

인 경우 최대가 된다.

주 회로에 대해서 유사한 표현식이 구해질 수 있다.

와 같은 관계를 정하고, X₁및 X₂의 값을 수학식 7에서 빼면,

로 주어지고, 여기서 f의 제곱근이 상호 인덕턴스를 고려하는 프로브의 공명 주파수이고, f₁및 f₂는 결합이 0이 되는 경우 코일의 공명 주파수이다. 수학식 9를 구할 때 하나의 가정은 주 공명기의 Q 값은 1/Q₁ ²가 무시될 수 있을 정도로 커야 한다는 것이고, 이것은 초전도 공명기에 대해 비합리적인 것은 아니다. f의 제곱근은 ±f₁' 및 ±f₂' 형식이고,

로 주어진다.

수학식 10은 결합 계수 및 f₁과 f₂값들을 조건으로 전이된 공명 주파수를 구할 수 있게 해준다. 2개의 코일이 무시할 수 있는 결합을 가지는 경우 수학식 10은 f₁'=f₁및 f₂'=f₂로 간단해진다. k가 무시될 수 있을 정도로 얼마나 작아야 되는지는 f₁과 f₂의 상대적인 값에 의존한다. 도 2a 및 도 2b는 각각¹H 및²³Na의 공명 주파수에 대응하는 f₁= 33.77㎒ 및 f₂= 127.71㎒에 대한 결합 함수로서 f₁' 및 f₂'의 그래프를 도시하고 있다. 그래프는 결합의 영향이 낮은 주파수 공명기를 아래쪽으로 높은 주파수 공명기를 위쪽으로 전이하는 것을 도시하고 있다. 이러한 결과로서, 0 결합에서 적당하게 조정되는 코일은 k 〉 0에 대해 공명이 오프될 수 있다. 이것은 정확히 조정되는 프로브를 발생시키는 특정 결합 계수에 대한 f₁과 f₂의 적당한 값을 결정하는데 유용하다. f₁및 f₂에 대해 수학식 9를 풀면,

이 주어진다. 수학식 11에서 프로브의 적당한 공명 주파수와 동일한 f₁' 및 f₂'를 설정함으로써, f₁및 f₂가 구해질 수 있다.

도 1에 도시된 크기를 갖는 프로브에 대해, 2 코일들에 대한 대응하는 b/a 비는 결합 계수가 약 0.15가 되도록 수학식 1 내지 4로부터 구해지는 0.6이다. f₁' = 33.77㎒ 및 f₂' = 127.71㎒에서 k = 0.2에 대해 수학식 11을 풀면, 코일은 프로브에 대해 공명이 온 되도록 f₁= 33.82㎒ 및 f₂= 129.93㎒에서 공명을 일으키도록 설계되어야 한다. 이러한 예에서 선택된 b/a 비에 대해, 주파수 전이는 높은 주파수 공명기에 대해서만 중요하다.

도 4는 도 1에 도시된 바와 같이 이중 공명 초전도 프로브의 응답 스펙트럼을 도시하는 도면이다. 주파수 스펙트럼은 각각¹H 및²³Na의 주파수에 대응하는 2개의 피크(401, 403)를 포함한다. 피크는 소정의 공명 주파수의 수백 ㎑ 범위 내이다. 결합 계수는 계산 값 0.15와 합리적으로 일치하는 0.2가 되도록 실험적으로 구해진다. 코일의 부하가 없는 Q 값은 각각²³Na 및¹H에 대해 측정하면 7.9×10³및 11.7×10³이 된다.

다중 공명 초전도 프로브의 측정은 휴럿 패커드사의 8712B 네트워크 분석기로 이루어진다. 프로브는 약 30K의 온도로 통상적인 유체 저온 유지 장치 (cryostat) 내에서 측정된다. 프로브의 응답 및 Q 값은 전기 유도적으로 결합된 동축 케이블을 사용하여 반사 측정을 수행함으로써 결정된다. 2차원(2-D) 퓨리에 영상 실험은 가상(phantoms)으로 실행되고¹H 및²³Na 영상이 얻어진다.

다중 공명 초전도 프로브는 종래의 자기 루프 프로브에 비해 적어도 3가지 중요한 이점을 제공한다: 높은 SNR, 관심 영역에 대하여 프로브를 배치시키는 효과적인 수단, 및 보다 양호한 조직 특성을 유도할 수 있도록 보충 정보를 제공하는 동일한 관심 영역의¹H 및²³Na(또는 다른 핵) 영상을 얻을 수 있는 능력. 또한, 프로브 설계는 칼륨(potassium), 탄소(carbon) 및 불소(fluorine)와 같은 다른 핵으로 확장될 수 있다.

도 5는 도 1에 도시된 다중 공명 주파수 초전도 프로브를 제작하는 단계의 순서도이다. 상기 단계는 3개 이상의 공명 주파수를 검출하기 위한 초전도 프로브를 제작하도록 쉽게 변경될 수 있다.

단계 501에서는 초전도 재료의 박막 필름을 증착하기 위한 기판을 선택한다. 기판은 고품질의 HTS 필름이 기판 상에 성장될 수 있도록 HTS 재료와 유사한 결정 구조 또는 격자 정합되도록 선택되어야 한다. 기판은 평면이거나 유연성이 있을 수 있어서 영사되는 물체 주위를 구부리거나 에워쌀 수 있다. 사용될 수 있는 기판의 예로는 LaAlO₃이 있다. 단계 503에서는 기판 상에 초전도 재료의 박막 필름을 증착한다. 사용될 수 있는 재료의 예로는 Y₁Ba₂Cu₃O_7-x(YBCO)가 있다.

이후 단계 505에서는 초전도 박막 필름에 코일 패턴을 생성한다. 코일 패턴은 인덕턴스(나선 인덕터의 길이) 및 커패시턴스(코일 내의 핑거 수) 모두를 정렬하여 검출되도록 설계된 것과 거의 동일한 공명 주파수를 갖도록 설계된다. 설계는 큰 SNR 이득 인자(소형 코일에 알맞음), 넓은 FOV(대형 코일에 알맞음) 및 코일 사이의 약한 결합과 같은 고려 사항을 근거로 한다. 설계는 상기 언급된 모델을 사용함으로써 코일들 간의 임의의 상호 인덕턴스를 고려한다.

코일 제조 공정은 예를 들어 건식이나 습식 식각 또는 이온 주입에 의해 수행될 수 있다. 습식 식각 공정에서, 마스크는 그대로 유지되어야 하는 초전도 필름의 일부에 대해 배치되고 필름은 상기 마스크가 없는 기판으로부터 초전도 재료를 제거하기 위한 화학 용기 내에 배치된다. 건식 식각 공정(예를 들어 이온 밀링)에서, 마스크는 수신 코일을 포함하는 초전도 박막 필름의 일부에 대해 다시 배치되고, 이온이 초전도 재료의 일부를 제거하고 단지 상기 마스크 아래의 초전도 필름을 방치하는 박막 필름으로 향하게 된다. 이온 주입 공정에서, (Si, B, Al, 등과 같은) 반응성 이온은 마스크를 통해 HTS 재료의 일부로 주입되고, 여기서 마스크는 소정의 코일 구성 모양인 초전도층을 덮고 있다. 이온은 20∼200KeV의 에너지 및 10¹⁴∼10¹⁷/㎝²의 불순물로 주입되어 부도체 내에 이온 주입된 부분을 전달하고 이온 주입되지 않은 초전도 부분은 방치한다. 이러한 공정들의 결과로 도 1의 구성과 같은 초전도 박막 필름의 소정 구성을 얻는다.

이후 단계 507에서는 필요한 경우, 집적 공정에서의 임의의 허용오차 또는 설계시 미세한 부정확도를 고려한 적당한 공명 주파수로 다중 수신 코일을 미세 조정한다. 조정 과정은 공명 주파수의 변경을 일으키는 코일 커패시턴스를 변경하기 위해 각각의 수신 코일로부터 여러 핑거를 제거함으로써 수행된다. 코일이 미세 조정된 후에, 코일은 수신하게 되는 공명 핵의 주파수를 검출하도록 적당한 공명 주파수를 갖는다.

도 6은 본 발명에 따른 다중 공명 초전도 프로브에 대한 바람직한 제2 실시예를 도시하는 도면이다. 도 6에서, 수신 코일은 박막 필름을 사용하여 기판 상에 개별적으로 적층된다. 적층된 구성은 동일 평면 상에 모든 수신 코일을 동심원적으로 배치시키는 것과 뚜렷이 다르다. 도 6은 기판층(603), 제1 코일층(605), 버퍼층(607) 및 제2 코일층(609)을 구비하는 다중-적층 다중 공명 초전도 프로브(601)를 도시하고 있다. 단지 2 개의 수신 코일이 상기 예에 도시되는 반면에, 본 발명은 본 발명에 따라 구성된 3개 이상의 수신 코일을 사용하는 것을 포함한다. 이러한 적층 구성은 2개의 코일이 물리적으로 동일하거나 유사한 크기지만 2개의 상이한 주파수를 여전히 검출하게 한다. 도 6은 제1 수신기 코일층(605)이 그 코일에 대하여 제2 수신기 코일의 직경 D₂와 동일한 직경 D₁을 갖는 것을 도시하고 있다. 각각의 코일층의 공명 주파수는 커패시턴스를 변경함으로써 공명 주파수를 변경하기 위해 수신 코일로부터 레이저 빔 또는 다른 방식으로 핑거의 수를 제거하여 제조한 후에 조정될 수 있다. 또한 공간적으로 겹치는 동일 직경을 가진 2개 이상의 수신 코일은 프로브가 사용되는 검출 영역을 증가시키는 동일한 시계를 갖는다. 또한, 버퍼층으로 분리되는 겹치는 층의 구성은 수신 코일 사이의 상호 인덕턴스를 실제로 소멸시킬 수 있다.

기판(603)은 통상적으로 0.5 내지 1㎜ 사이의 폭을 갖는다. 코일층(605)은 기판 상에 증착되고 통상적으로 0.1 내지 0.5㎛ 사이의 폭을 갖는다. 다음에, 버퍼층(607)은 제1 코일층 위에 증착되어 2개의 근접하는 코일이 접촉되어 단락-회로를 생성하지는 않는다. 또한, 버퍼층은 임의의 상호 인덕턴스의 영향을 감소시킨다. 버퍼층은 통상적으로 0.2 내지 2㎛ 두께를 갖는다. 마지막으로, 제2 코일층(609)은 버퍼층의 상부에 증착되고 제1 코일층(605)과 함께 정렬된다. 제2 코일층은 통상적으로 0.1 내지 0.5㎛ 두께를 갖는다. 또한 본 발명에 따라 다른 두께를 사용할 수 있다.

추가 코일층은 제1 코일층 상에 추가 버퍼층을 배치하고 추가 버퍼층 상부에 추가 코일층을 배치함으로써 다중-적층 구성으로 쉽게 더해질 수 있다. 각각의 코일층은 영상을 품질을 증가시키기 위해 상이한 공명 주파수를 검출한다.

도 7은 도 6에 도시된 다중-적층된 다중 공명 초전도 프로브를 제작하는 단계를 도시하는 순서도이다. 다중-적층된 프로브를 제작하는 추가 단계가 3개 이상의 공명 수신 코일을 가진 프로브에 쉽게 더해질 수 있다.

단계 701에서는 초전도 재료의 박막 필름을 증착시키는 기판을 선택한다. 기판은 평면이거나 유연성이 있어서 구부리거나 영사되는 물체 주위를 에워쌀 수 있다. 사용될 수 있는 기판의 예로는 LaAlO₃이 있다. 단계 703에서는 기판 상에 초전도 재료의 박막 필름을 증착한다. 사용될 수 있는 초전도 재료의 예로는 Y₁Ba₂Cu₃O_7-x(YBCO)가 있다.

이후 단계 705에서는 초전도 박막 필름에 단일 수신 코일 패턴을 생성한다. 코일 패턴은 인덕턴스(나선 인덕터의 길이) 및 커패시턴스(코일 내의 핑거 수) 모두를 정렬하여 검출되도록 설계된 것과 거의 동일한 공명 주파수를 갖도록 설계된다. 설계는 큰 SNR 이득 인자(소형 코일에 알맞음), 넓은 FOV(대형 코일에 알맞음) 및 코일 사이의 약한 결합과 같은 고려 사항을 근거로 한다. 설계는 상기 언급된 모델을 사용함으로써 코일들 간의 임의의 상호 인덕턴스를 고려한다.

이러한 제조 과정은 이온 주입에 의해 수행될 수 있다. 마스크는 수신 코일을 형성하는초전도 재료를 덮는데 사용된다. 이후 이온 주입 기술이 사용되어 초전도 재료가 그 초전도성을 잃어버려 부도체가 되도록 접촉되게 하는데 사용된다. 그러나, 필름의 높이는 수신 코일 부분과 부도체 부분 모두에 대하여 동일하게 유지한다. 이것은 필름 표면이 식각 때문에 평평하지 않게 되는 화학 식각이나 이온 밀링과 뚜렷이 다르다. 다중-적층 프로브의 경우에 있어서, 이온 주입된 필름 표면 부분과 이온 주입되지 않은 필름 표면 부분 모두 동일 결정 구조를 가지고 성장되는 다음 층 필름을 증착시키기 위해 평면이어야 한다.

이후 단계 709에서는 제1 초전도층의 상부에 버퍼층을 증착한다. 버퍼층은 버퍼층의 위와 아래에 직접적으로 배치된 수신 코일들을 전기적으로 분리시킨다. 버퍼층 재료는 LaAlO₃, SrTiO₃또는 CeO₂와 같은 HTS와 유사한 결정 구조를 갖는 산화막으로부터 선택될 수 있다. 이후 단계 711에서는 버퍼층의 상부에 제2 초전도 필름층을 증착한다. 단계 713에서는 마스크되지 않은 필름 부분이 그 초전도성을 잃어버리도록 이온 주입에 의해 초전도 박막 필름 내에 수신 코일을 한 번 더 생성한다. 마지막으로, 단계 715에서는 그 공명 주파수를 변경하는 코일의 커패시턴스를 변경시키기 위해 (예를 들어 레이저에 의해) 코일로부터 핑거를 제거함으로써 수신 코일을 미세 조정한다. 하부 필름층 상에 배치되는 수신 코일이 조정을 필요로 하는 경우, 이후 초전도 필름의 상부에 버퍼층이 배치되기 전에 조정될 필요가 있다. 상호 인덕턴스는 프로브의 실제 제조 전에 상기 언급한 바와 같이 구해진다. 이후 수신 코일은 특정 코일층의 상부에 다음 층이 증착되기 전에 제조된 다음에 미세 조정될 수 있다.

도 8은 본 발명에 따라 정렬된 수신 코일의 대안적인 구성을 도시하는 도면이다. 도 8에서는 단지 2개의 코일이 도시되지만, 프로브는 검출되도록 설계된 상이한 주파수의 수에 따라 임의의 코일 수를 포함할 수 있다. 코일의 사각형 모양은 사각형 시계를 생성하는데, 이것은 뼈나 손가락 같이 길고 좁은 신체 부분의 MRI를 찍을 경우 유리하다. 외부 코일(801)은 나선 코일(802) 및 부착된 다중 핑거을 포함한다. 핑거 803 및 805가 예로서 도시되어 있다. 내부 코일(807)은 나선 코일(808) 및 부착된 다중 핑거를 포함한다. 핑거 809 및 811이 예로서 도시되어 있다. 상호 인덕턴스 및 대응하는 상호 인덕턴스에 대한 보정이 앞에서 설명된 수학식들을 사용하여 구해질 수 있다. 프로브의 폭과 길이는 특정 신체 부분에 대한 최적의 충족 인자(filling factor)(및 시계)를 얻기 위하여 조정될 수 있다.

도 9는 본 발명에 따라 사용될 수 있는 수신 코일의 다른 대안적인 구성을 도시하는 도면이다. 코일(900)은 인덕턴스 부분(901) 및 부착된 다중 핑거를 포함한다. 핑거 903 및 905가 예로서 도시되어 있다. 코일(900)의 구성에서 다른 수신 코일이 평면 프로브를 갖도록 하기 위해 인덕턴스 부분(901)에 의해 정해지는 영역 내에 배치될 수 있다. 대안으로, 수신 코일은 앞에서 언급된 다중-적층 프로브에 대해 설명된 바와 같은 구성에서 다중 코일층 내에 사용될 수 있다. 본 발명에 사용되는 각각의 수신 코일은 적당한 인덕턴스 부분과 커패시턴스 부분이 수신 코일에 대한 소정의 공명 주파수를 얻을 수 있도록 포함되는 한 여러 방식으로 구성될 수 있다.

본 발명은 자기 공명 영상, 현미경 검사 및 분광학에 사용하기 위한 상이한 주파수에서 다중 핵 공명을 검출하는 초전도 다중 공명 프로브를 제공할 수 있다.

앞에서 언급한 것은 단지 본 발명의 원리를 예시한 것이다. 따라서 여기에 명백하게 도시되고 설명되지 않았지만, 당업자 본 발명의 원리를 실시함으로써 특허청구범위에 의해 정해지는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 여러 시스템, 장치 및 방법을 만들 수 있다는 것이 이해될 수 있다.

예를 들면, 다중 공명 초전도 프로브는 선택된 공명 주파수의 라디오, 마이크로웨이브 또는 무선 전송을 수신하는 유닛의 일부로서 사용될 수 있다.

Claims

기판; 및

상기 기판에 부착된 겹치지 않는 복수의 박막 필름 코일

을 포함하며,

상기 복수의 박막 필름 코일이 각각 초전도 재료로 이루어지고 상이한 선택 공명 주파수로 조정되는

다중 공명 초전도 프로브.
제1항에 있어서,

상기 조정이 상기 복수의 코일 사이의 상호 인덕턴스(mutual inductance)에 대응하여 이루어지는 다중 공명 초전도 프로브.
제1항에 있어서,

상기 복수의 코일은 각각 복수의 핑거(fingers)를 포함하며,

상기 코일의 공명 주파수는 상기 핑거의 전체 수에 대응하는

다중 공명 초전도 프로브.
제3항에 있어서,

상기 핑거의 전체 수가 100 내지 200인 다중 공명 초전도 프로브.
제3항에 있어서,

상기 핑거의 전체 수가 500 내지 600인 다중 공명 초전도 프로브.
제1항에 있어서,

상기 복수의 코일이 각각 동일한 중심점(center point)을 갖는 다중 공명 초전도 프로브.
제1항에 있어서,

상기 복수의 코일이 각각 원형(circular)의 형상을 갖는 다중 공명 초전도 프로브.
제1항에 있어서,

상기 복수의 코일이 각각 사각형(rectangular)의 형상을 갖는 다중 공명 초전도 프로브.
제1항에 있어서,

상기 프로브는 영사(image)되는 선택 영역에 대한 시계(field of view: 視界)를 가지며, 상기 코일이 상기 프로브에 대한 허용 가능한 시계를 계속 유지하면서 최대로 멀리 떨어져 배치되는

다중 공명 초전도 프로브.
제1항에 있어서,

상기 기판이 유연성(flexible) 기판인 다중 공명 초전도 프로브.
기판;

초전도 코일을 포함하는 적어도 2개의 코일―각각의 코일은 상이한 선택 공명 주파수로 조정됨― 박막 필름층; 및

이웃하는 상기 코일 층들 사이에 배치되는 버퍼층

을 포함하는 다중 공명 초전도 프로브.
제11항에 있어서,

상기 복수의 코일은 각각 복수의 핑거(fingers)를 포함하며,

상기 코일의 공명 주파수는 상기 핑거의 전체 수에 대응하는

다중 공명 초전도 프로브.
제11항에 있어서,

상기 복수의 코일이 각각 동일한 중심점(center point)을 갖는 다중 공명 초전도 프로브.
제11항에 있어서,

상기 복수의 코일이 각각 원형의 형상을 갖는 다중 공명 초전도 프로브.
제11항에 있어서,

상기 복수의 코일이 각각 사각형의 형상을 갖는 다중 공명 초전도 프로브.
제11항에 있어서,

상기 기판이 유연성 기판인 다중 공명 초전도 프로브.
기판을 선택하는 단계;

상기 기판 상에 초전도 박막 필름을 증착하는 단계; 및

상기 박막 필름에 복수의 동심원 코일을 생성하는 단계

를 포함하고,

상기 복수의 코일은 각각 공명 주파수로 조정되며, 상기 조정은 복수의 코일의 상호 인덕턴스에 대응하여 이루어지는

다중 공명 초전도 프로브를 제조하는 방법.
제17항에 있어서,

상기 복수의 코일은 각각 핑거를 포함하며,

상기 코일의 공명 주파수를 변경하기 위해 상기 코일로부터 선택된 핑거의 수를 제거하는 단계를 추가로 포함하는

다중 공명 초전도 프로브를 제조하는 방법.
기판을 선택하는 단계;

상기 기판 상에 제1 초전도 박막 필름을 증착하는 단계;

상기 제1 초전도 박막 필름―여기서 제1 초전도 박막 필름은 거의 일정한 높이를 유지함― 내에 코일을 생성하는 단계;

상기 제1 초전도 박막 필름 상에 버퍼층을 증착하는 단계;

상기 버퍼층 상에 제2 박막 초전도 필름을 증착하는 단계; 및

상기 제2 초전도 박막 필름―여기서 제2 초전도 박막 필름이 거의 일정한 높이를 유지함― 내에 코일을 생성하는 단계

를 포함하고,

상기 코일은 각각 공명 주파수로 조정되며, 상기 조정은 복수의 코일의 상호 인덕턴스에 대응하여 이루어지는

다중 공명 초전도 프로브를 제조하는 방법.
제19항에 있어서,

상기 코일은 각각 핑거를 포함하며,

상기 코일의 공명 주파수를 변경시키기 위해 상기 코일로부터 선택된 핑거의 수를 제거하는 단계를 추가로 포함하는

다중 공명 초전도 프로브를 제조하는 방법.
제19항에 있어서,

상기 제2 초전도 박막 필름층 상에 추가 버퍼층을 증착하는 단계;

상기 추가 버퍼층 상에 추가 초전도 박막 필름을 증착하는 단계; 및

상기 추가 초전도 박막 필름―여기서 추가 초전도 박막 필름은 거의 일정한 높이를 유지함― 내에 코일을 생성하는 단계

를 추가로 포함하는 다중 공명 초전도 프로브를 제조하는 방법.
제19항에 있어서,

상기 코일 생성 단계가 각각 이온 주입(ion implantation)에 의해 수행되는 다중 공명 초전도 프로브를 제조하는 방법.