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RF 코일은 MRI에서 두 가지 중요한 역할을 합니다. 즉, 핵 자화 (전송)를 기울이는 RF 자기 (B 1 ) 필드를 생성하고 , 전차 및 이완 핵 (수신)에 의해 유도된 전압을 감지합니다. 두 목적 모두에 동일한 RF 코일을 사용할 수 있지만 임상 MR 스캐너에는 일반적으로 큰 내장형 볼륨 전송 (Tx) 코일과 다양한 해부학 적 구조를 위한 일련의 수신 (Rx) 코일이 있습니다. 고전적으로 균질 B 1 투과 필드는 핵 자화의 균일 한 팁을 위해 바람직하지만 실제로 이질적인 인간 조직은 필드 파장을 다양하게 단축 (종종 "파장 효과"라고 함)하고 균질성을 저하시킵니다. RF 코일의 최적화는 주로 RF 전력 증착으로 인한 조직 가열과 관련된 안전 요인과 이미지 품질에 대한 인체 습관 및 조직 이질성의 영향으로 인해 어려움을 겪습니다. EM 모델링은 이러한 문제를 해결하는 데 필수적인 도구입니다. 분석 필드 계산은 자석 및 경사 코일 설계에 사용될 수 있지만, 수치 시뮬레이션은 일반적으로 RF 코일 조사, 특히 시간 및 공간 필드 분포를 정확하게 결정하기 위해 Maxwell 방정식의 전체 설루션이 필요한 ~ 30 MHz 이상의 RF 주파수에 사용됩니다. 이질적인 조직 내에서 3.C.1. 전송 코일 및 B 1 균질성 일반적으로 Tx 코일은 MR 신호 여기를 위해 코일 볼륨 내부에 균일 한 원형 편광 B 1 필드를 제공하도록 설계되었습니다. 예를 들어, 임상 MR 스캐너의 표준 볼륨 전송 코일 인 새장 코일 (그림 8 )은 동일한 진폭과 90 위상차를 가진 두 개의 전류 소스를 사용하여 직교 모드에서 구동되는 경우 필수 B 1 필드를 제공합니다. 필드 균질성 그러나, 특히 높은 RF 주파수 (보다 B에서 상당한 이미지 아티팩트를 야기 인간 대상 내의 파장 효과에 의해 분해되어 0 강도). 필드 비균질성을 완화하기 위한 방법이 개발되었습니다. 널리 채택된 방법 중 하나는 B 1입니다. shimming, 여기서 기존의 구적 드라이브의 상대적인 진폭과 위상을 조정하면 B 1 균질성을 향상할 수 있습니다. (119) - 121 예는, EM는 새장 공급 개의 소스 파워의 다양한 레벨이 코일 따라서 타원 오히려 원 B 편광보다 경우 되었습니다 깁스 1 개 필드는 자유 공간에서 생성되는, B (1 개) 인간의 몸통 내부 필드 균질성 일 수 개선되었습니다 (그림 9 ). 119 임상 영상 실험은 이후에 새장 코일의 두 공급원 사이의 3dB 전력 차이가 복부 영상의 음영을 감소시키는 모델링 결과를 확인했습니다 (그림 9 ). 119B 1 shimming을 수행하는 보다 유연한 방법 은 전송 코일 어레이 (Tx 어레이)를 사용하는 것입니다. 여기서 다수의 코일 요소는 조정 가능한 진폭 및 위상을 가진 자체 소스에 의해 독립적으로 구동됩니다. 122 - 125 예는 12 엘리먼트 3T MRI 위한 다양한 인간 모델이 만들어졌다 로드 어레이 TEM 코일 단계적. 126 개의 개별 시뮬레이션을 먼저 수행하여 각 코일 요소에서 생성된 자기장과 전기장을 계산하고 각 요소의 위상과 진폭을 자유롭게 변경하여 B 1의 표준 편차를 최소화했습니다. 인간 모델의 골반 또는 복부를 통한 횡단면의 필드. SAR에 대한 추가 제약은 최적화에도 포함됩니다. 모델링은 최적화된 B 1 shimming이 B 1 표준 편차를 45 % 감소시켰고 로컬 SAR 핫스폿을 1.3 1.9 배 감소시켰음을 보여주었습니다 (그림 10 ). 126 EM 모델링은 또한 더 많은 수의 개별적으로 제어되는 요소를 가진 송신 어레이가 어느 정도 필드 동질성을 더욱 향상할 수 있지만 아직 상업적으로 이용 가능하지 않다는 것을 보여주었습니다. 정교한 기술인 병렬 전송 (pTx)은 여러 독립적으로 제어되는 RF 파형과 함께 생성된 일시적으로 변화하는 기울기 필드를 통해 핵 자화의 지정된 공간 팁을 달성하기 위한 시간 도메인 유연성을 추가로 탐구합니다. (127) - (129) 이 기술은 다중 송신 코일만 가능하며, 관심 있는 특정 볼륨을 통해 매우 균일 MR 신호 여진이 달성될 수 있다. 공간 B 1 이질적인 인간 대상의 전계 분포가 결정된 다음 Bloch 방정식을 수치 적으로 해결하여 원하는 여기에 필요한 시간 영역에서 기울기 및 RF 파형을 결정합니다. 모델링은 다양한 pTx 어레이 설계를 분석하고 비교하는 효율적인 방법입니다. 예를 들어, 요소 및 배열 수가 다른 8 개의 pTx 바디 코일 어레이를 분석하고 3T 몸통 이미징을 위한 표준 새장 코일과 비교했으며, 요소 수가 증가하는 pTx 어레이는 더 낮은 SAR로 더 균일 한 여기를 제공하는 것으로 나타났습니다. 더 많은 전력이 필요합니다. EM 모델링은 실험용 코일 설계에 유용한 정보를 제공합니다. 이러한 높은 RF 주파수 (예 : 7T MRI의 경우 300 MHz)에서 작동하기가 어렵기 때문에 초 고장 MRI를 위한 기존의 새장 코일에는 문제가 있습니다. 집중 요소 (예 : 그림 3에 표시된 새장 코일의 커패시터)가 아닌 전송 라인으로 구축된 코일 이 제안되었습니다. 131 , 132 7T MRI에서 가로 전자기 (TEM) 코일 (전송선 요소로 제작)과 마이크로 스트립 코일 (마이크로 스트립 전송선 요소로 제작)의 모델링은 TEM 코일이 최고의 B 1을 가지고 있음을 보여줍니다. 인간의 뇌와 가장 낮은 방사 RF 전력 손실을 시뮬레이션하는 구형 팬텀 내부의 균질성에 반해 마이크로 스트립 코일은 더 낮은 SAR과 향상된 SNR을 제공합니다. 기존 코일의 133 B 1 필드는 높은 RF 주파수에서 신체를 깊숙이 침투할 수 없기 때문에 전립선 영상과 같은 신체 영상을 위해 몸통 내부에서 낮은 신호로 이어집니다. EM은 다이폴 안테나를 제공할 수 B 좋은 것으로 나타났다 깁스 1 후속 적 생체 내 이미징 7T 입증 침투. EM 모델링은 또한 파장 효과를 다루는 다른 새로운 기술의 개발에 기여했습니다. 모델링은 이미징 대상 주위에 배치된 고유 전율 재료가 B 1 전송 필드를 형성하여 균질성을 향상할 수 있음을 보여줍니다. 135 - 138과 같은 수신기 코일 어레이 형태 B로 구성될 수 있음을 제안 모델링 한 균질성을 향상하기 위해 송신 필드. 139 , 140 EM 모델링을 사용하여 진행파 MR, 141 자석 보어를 도파관으로 사용하여 한쪽 끝에서 안테나에서 방출되는 전자기 진행파를 전달하여 신호 여기 범위를 개선하고 초 고장 MRI를 위한 균질성을 달성하는 새로운 기술입니다. 3.C.2. 수신기 코일 및 SNR 모델링 기반 SNR 평가는 일련의 작은 코일을 전략적으로 결합하여 형성된 수신기 어레이가 대용량 코일보다 더 높은 SNR을 생성할 수 있음을 확인합니다. 142 , 143 수신기 어레이는 또한 병렬 이미징을 지원하는데, 상대적으로 느린 그래디언트 기반 MR 신호 인코딩 방법은 어레이 내의 서로 다른 코일의 별개의 수신기 필드 감도 패턴으로 보완됩니다. 144 이를 통해 더 빠르게 수집되는 언더 샘플링된 데이터에서 완전한 이미지 재구성이 가능합니다. 그러나, SNR은 신호의 샘플링에 소요되는 시간에 비례 25 따라서 병렬 이미징은 이미지의 SNR을 저하시킬 수 있습니다. EM 모델링은 수신 코일 설계를 최적화하기 위해 광범위하게 활용되었습니다. 예를 들어, 코일 요소가 1, 2, 4, 8 개인 4 개의 서로 다른 수신 코일 어레이에 대한 EM 시뮬레이션은 고정된 병렬 이미징 가속 계수에 대해 팬텀에서 SNR을 계산했습니다 (그림 11 ). 145 결과는 더 많은 수의 더 작은 요소가 팬텀의 임의 깊이에서 더 높은 SNR을 생성한다는 것을 시사했으며, 이는 실험 관찰과 일치합니다. 145 또 다른 예에서 기존의 루프 코일과 꼬인 코일로 구성된 새로운 바디 및 스파인 어레이 코일이 제안되었습니다 (그림 12 ). 146 새로운 디자인은 EM 모델링을 사용하는 기존 코일 디자인과 비교되었으며 척추 이미징에 중요한 후방 영역에서 뛰어난 SNR을 보여주었습니다. 우수한 SNR 및 병렬 이미징 기능은 이후 임상 이미징 실험을 통해 확인되었습니다. 3T MRI를 위해 인간 모델 뒤에 배치된 16 채널 후방 배열의 SNR을 계산하기 위해 수치 시뮬레이션이 사용되었으며 그 결과는 두 가지 다른 설계를 평가하는 데 사용되었습니다. 147 MR 신호 수신 프로세스의 전기 역학이 허용하는 최대 SNR 인 궁극적인 고유 SNR은 사람의 몸통을 나타내는 균질 실린더에 대해 계산되었으며 실제 코일 설계의 성능을 평가하기 위한 기준 값으로 사용할 수 있습니다.. 148 병렬 이미징에 대한 확장은 이미징 가속에 대한 궁극적인 SNR의 의존성을 보여줍니다. 3.C.3. RF 안전 MR 신호 여기 중 RF 전력 증착 및 결과 조직 가열은 MRI의 주요 안전 문제입니다. 조직 손상 위험은 고온 노출 기간을 평가하여 결정되지만 임상 MR 스캔 중에 이러한 안전 한계를 적용하는 실제적인 방법은 아직 사용할 수 없습니다. 현재 RF 안전은 공간적 및 시간적으로 전자파 흡수율 (SAR, 단위 : 와트 / 킬로그램)이라고 하는 단위 질량 당 전력 증착을 제한함으로써 규제됩니다. 조직 내의 특정 지점 r에서의 SAR 은 조직 전도도 urn : x-wiley : 00942405 : media : mp12103 : mp12103-math-0038, 밀도 urn : x-wiley : 00942405 : media : mp12103 : mp12103-math-0039 및 전기장의 크기에 따라 달라집니다. 평균 SAR은 조직 질량 M에 대해 평균화된 RF 전력 증착 P로 계산됩니다. 식에서. 도 13에 도시된 바와 같이, 평균은 전신 (전신 (WB) SAR), 인체의 일부 (PB (Partial Body (PB) SAR)) 또는 머리에 대해 계산될 수 있다. 40 IEC 표준은 또한 지역 SAR을 10 그램의 조직에 대한 평균으로 정의합니다. 40 IEC 표준은 단기 (10 초 이동 평균), 중간 (6 분 이동 평균) 및 장기 (60 분 @ 4W / kg WB SAR 범위의 총 누적 노출)의 세 가지 시간 기반에 걸쳐 SAR 노출을 고려합니다. 모든 시간 기반 제한은 동시에 모니터링되어야 합니다. 짧은 노출 제한이 구현되면 평균 6 분의 두 배까지 순간적인 버스트 노출을 허용합니다. 실제로 환자의 전신 열 과부하의 알려진 사례가 없다는 사실을 감안하여 적용된 모든 SAR 제한은 SAR 제한 및 시간 평균 제한에 의해 국소 조직 손상을 제한하려고 시도합니다. 인체 SAR 분포는 매우 비균질적이고 주제별로 다르며 수치 EM 시뮬레이션을 통해 광범위하게 조사되었습니다. 예를 들어, 모델링 헤드 모델의 SAR을 계산했다 151 - 153 촬상 다양한 상황에 대한 다양한 전신 모델 (예를 들어, RF 코일, RF 주파수, 촬상 해부학). 154 - (159) 모델링 본체 위에 최대 로컬 SAR (피크 로컬 SAR)이 WB 평균 SAR보다 상당히 높을 수 있음을 보여 주었다. 예를 들어, 최대 허용 한계 (WB SAR = 4W / kg, 머리 SAR = 3.2W / kg, 1.5T MRI 동안 PB SAR 4 ~ 10W / kg) 40. 157 또 다른 연구에서는 2W / kg WB SAR 노출을 사용하는 두 가지 유형의 3T 바디 Tx 코일을 사용하여 세 가지 이미징 랜드 마크에서 세 가지 다른 인간 모델을 조사했으며 코일 유형, 신체 형태에 따라 15.6 ~ 88.1 W / kg 범위의 피크 로컬 SAR을 발견했습니다. 및 이미징 랜드 마크. 158 모델링은 신체 자세가 지역 SAR을 크게 변경할 수 있음을 보여주었습니다. 접촉 신체 부위 (예를 들면, 손 접촉 허벅지)에 의해 형성된 폐 루프 와전류 피크 배 향상 로컬 SAR 일으킬 수 (157)를 머리 위에 팔을 올리는 것은 로컬 피크 SAR을 저하시킬 수 있는 반면. 160 모델링 또한 임산부 엄마와 태아 모두의 SAR을 조사했다 157 , 161 , 162 및 유아 163MR 스캔 중. 이 환자들은 MRI의 전리 방사선 량의 부재로 이익을 얻을 수 있지만 과도한 RF 가열에 취약합니다. B 1 shimming 및 pTx가 B 1 필드를 공간적으로 및 / 또는 시간적으로 전략적으로 조작하여 보다 균일 한 MR 신호 여기를 달성하는 동안 유도된 전기장도 그에 따라 변경되어 SAR 분포가 a와 크게 다른 결과를 초래할 수 있습니다. 기존 RF 코일. 예를 들어, 모델링은 헤드가 장착된 8 채널 송신 어레이 코일의 두 가지 다른 위상 배열이 로컬 SAR 핫스폿 차이를 3 배로 만들 수 있음을 보여줍니다 (그림 13 ). (164) 또 다른 예는 다중 송신 코일 피크를 생성할 수 있는 해부학 상세한 인체 모델 800을 초과하는 지역 간 WB SAR 비율의 구동 방식 최악 인 165 기존 RF 코일에서 생성된 값보다 훨씬 높습니다 (보통 10-30 범위). 생체 측정 MRI, 로컬 SAR 핫스폿의 에서 (166) - 169 활성 연구 주제임에도 불구하고, 그리고 신뢰할 수 있는 아직 없는 기술을 성숙. 따라서 EM 모델링은 적절한 안전 제약 조건으로 B 1 shimming 및 pTx 설계를 용이하게 하기 위해 일상적으로 적용됩니다 (종종 디지털 휴먼 모델과 함께) 전술 한 동시 B 1 골반 영역 (도. 균질성 향상과 SAR 핫스폿 진압 10 )가 대표적인 예이다. 또한 원통형 팬텀의 SAR 분포는 4 개 요소 코일 어레이의 다양한 구동 조건에 대해 시뮬레이션되고 측정을 통해 검증되었습니다. 170 결과는 pTx 코일 안전을 보장하기 위해 RF 위상 및 진폭에 대한 매개 변수 공간에 대한 체계적인 조사가 필요함을 시사했습니다. 또 다른 모델링 연구에서는 SAR의 개체 간 변동성을 조사하고 SAR 제약 조건이 있거나 없는 B 1 shimming을 분석했습니다. 다양한 MR 스캔 조건 하에서 SAR 노출이 광범위하게 조사되었으며 조직 의존적 관류 속도와 열전도로 인해 SAR과 조직 온도 상승 사이의 열악한 공간적 상관관계가 발견되었습니다. 172 - 175 따라서, 많은 안전 한계를 실질적으로 수정하고 조직 열 손상 모델과 정렬하도록 제안하였다. EM 모델링을 포함하는 다중 물리 모델링이 조사에 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 다른 종류의 RF 코일 내에서 인간 머리 모델을 사용한 모델링 결과는 높은 관류 속도로 인해 뇌에서 상당한 온도 상승이 일어날 가능성이 낮지 만 다른 머리 조직 (예 : 근육)에서 더 높은 온도 상승이 발생할 수 있음을 보여줍니다. 172 , 173 최근의 모델링 연구는 잠재적인 차세대 안전 제어 메커니즘으로 열에 대한 누적 노출을 측정하는 다양한 스캔 조건 및 제안된 조직 열 선량에 대해 다른 인간 모델을 사용하여 조직 온도 상승을 계산했습니다.