WO2013062260A1 - 극저자기장 핵자기 공명 물체 식별 방법 및 극저자기장 핵자기 공명 물체 식별 장치 - Google Patents

극저자기장 핵자기 공명 물체 식별 방법 및 극저자기장 핵자기 공명 물체 식별 장치 Download PDF

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signal
spin
parameter vector
measuring
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김기웅
강찬석
이성주
이용호
유권규
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한국표준과학연구원
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    • G01R33/323—Detection of MR without the use of RF or microwaves, e.g. force-detected MR, thermally detected MR, MR detection via electrical conductivity, optically detected MR
    • G01R33/326—Detection of MR without the use of RF or microwaves, e.g. force-detected MR, thermally detected MR, MR detection via electrical conductivity, optically detected MR involving a SQUID

Definitions

  • the present invention relates to a method for identifying an extremely low magnetic field object, and more particularly, a pole for classifying a measurement object using a spin-lattice relaxation time measured while changing a low pre-magnetization magnetic field or a detection magnetic field in which the spin-lattice relaxation time is not saturated.
  • a method for identifying low-field objects is not limited.
  • NMR is a phenomenon in which the magnetic spin of the atomic nucleus resonates and washes the magnetic field when the magnetic field is applied to the atomic nucleus constituting all materials.
  • the main magnet of the conventional NMR has to form a spatially uniform magnetic field of 0.1 Tesla to several Tesla. Therefore, the superconducting main magnet forming the magnetic field is bulky and expensive.
  • the low magnetic field / ultra low magnetic field NMR separates the magnetic field generated from the main magnet of the conventional NMR into two parts, a pre-magnetic field and a detection field. Accordingly, the magnitude of the detection magnetic field may be lowered to about tens of micro tesla to several micro tesla.
  • the low magnetic field / ultra low magnetic field NMR includes a pre-magnetization coil forming the pre-magnetization magnetic field and a detection coil forming the detection magnetic field.
  • the pre-magnetization coil generates a pre-magnetization magnetic field to pre-magnetize the object to be measured. Subsequently, the pre-magnetized magnetic field is removed, and the detection magnetic field is applied to the object, so that a nuclear magnetic resonance signal appearing during the time when the magnetism of the object is relaxed is measured by a detector. Accordingly, the pre-magnetization coil only needs to make a strong magnetic field even if the uniformity of the pre-magnetization magnetic field is inferior.
  • the detection coil is unique but only a weak detection magnetic field needs to be created.
  • the ultra low magnetic field / low magnetic field NMR may be simple in structure and low in cost.
  • the frequency of the detection signal corresponding to the Larmor resonance frequency proportional to the magnitude of the magnetic field decreases from several kHz to several hundred Hz.
  • Low magnetic / ultra low magnetic field NMR has significantly less distortion caused by metal.
  • the material or packaged material inside the metal can be measured nondestructively.
  • One technical problem to be solved of the present invention is to provide an object identification method using an ultra-low magnetic field NMR.
  • One technical problem to be solved of the present invention is to provide an object identification device using an ultra-low magnetic field NMR.
  • a method for identifying an extremely low magnetic field nuclear magnetic resonance object comprising: measuring each spin-lattice relaxation time (T1) at a strength of a plurality of pre-magnetized magnetic fields on a measurement target; And classifying the measurement object using the spin-lattice relaxation time.
  • measuring each of the spin-lattice relaxation times comprises: setting a pulse sequence suitable for an individual relaxation time characteristic of the measurement object; Applying the pre-magnetized magnetic field and the detection magnetic field; Measuring a free induced attenuation (FID) signal; Fourier transforming the FID signal to measure a signal magnitude or line width at a resonance frequency of a predetermined atomic nucleus; Changing the application time of the pre-magnetized magnetic field; Obtaining T1 by fitting a change in signal magnitude according to an application time of the pre-magnetized magnetic field; And for each of the modified plurality of pre-magnetized magnetic field sizes, repeating the above steps to obtain each T1 to construct a first parameter vector. The variety of the measurement target is confirmed using the first parameter vector.
  • FID free induced attenuation
  • measuring the spin-spin relaxation time (T2) of the measurement object comprises: setting a pulse sequence suitable for an individual relaxation time characteristic of the measurement object; Applying the pre-magnetized magnetic field and the detection magnetic field; Continuously applying a positive gradient magnetic field and a negative gradient magnetic field; Measuring a gradient echo signal; Fourier transforming the gradient echo signal to measure a signal line width at a resonance frequency of a predetermined atomic nucleus; And constructing the line width or the inverse of the line width according to the resonance frequency of the predetermined atomic nucleus as a second parameter vector. Varieties can be identified using varieties using the second parameter vector.
  • a method for identifying a very low magnetic field nuclear magnetic resonance object measures a free induced attenuation signal while changing the intensity of a detected magnetic field on a measurement target and Fourier transforms a signal line width at a resonance frequency of an atomic nucleus. Measuring; And classifying the measurement object using the signal line width at the resonance frequency of the atomic nucleus.
  • measuring the line width of the resonance frequency of the atomic nucleus by measuring the Fourier-Induced Attenuation signal and changing the Fourier transform signal while changing the intensity of the detected magnetic field in the measurement object.
  • Setting up a suitable pulse sequence Applying a pre-magnetized magnetic field; Applying the detection magnetic field; Measuring a free induced attenuation (FID) signal; Fourier transforming the FID signal to measure a signal line width at a resonance frequency of a predetermined atomic nucleus; Changing the intensity of the detected magnetic field; And constructing a third parameter vector with a signal line width at a resonance frequency of a predetermined atomic nucleus according to the intensity of the detected magnetic field by repeated measurements of the above steps.
  • the variety of the measurement target may be identified using the third parameter vector.
  • a method of identifying a very low magnetic field nuclear magnetic resonance object comprising: constructing a first parameter vector by obtaining respective spin-lattice relaxation times (T1) for a plurality of pre-magnetized magnetic field sizes; Constructing a line width or reciprocal of the line width T2 according to a resonance frequency of a predetermined atomic nucleus as a second parameter vector using a gradient echo signal; Constructing a third parameter vector with values of signal linewidth at the resonance frequency of the predetermined atomic nucleus according to the strength of the detected magnetic field; Combining components of the first to third parameter vectors to construct a new parameter vector; And identifying the variety of the object to be measured using the new parameter vector.
  • T1 spin-lattice relaxation times
  • a method of identifying a very low magnetic field nuclear magnetic resonance object comprising: constructing a first parameter vector by obtaining respective spin-lattice relaxation times (T1) for a plurality of pre-magnetized magnetic field sizes; Constructing a line width or reciprocal of the line width T2 according to a resonance frequency of a predetermined atomic nucleus as a second parameter vector using a gradient echo signal; Constructing a third parameter vector with values of signal linewidth at the resonance frequency of the predetermined atomic nucleus according to the strength of the detected magnetic field; Combining components of the first to third parameter vectors to construct a new parameter vector; Collecting new parameter vectors for each material with repeated measurements of the various materials to be distinguished; By applying a support vector machine (SVM) or Principal component analysis (PCA) to the collected new parameter vectors, we find the key vector components that are effective for differentiation, and project the new parameter vectors as key vector components. Reducing the dimension of the parameter vector; And
  • SVM support vector machine
  • PCA Principal component analysis
  • an apparatus for identifying an ultra low magnetic field nuclear magnetic resonance object may include a dua containing a low temperature liquid refrigerant; A pre-magnetization coil for pre-magnetizing the measurement object; A pre-magnetization coil driver for intermittently applying current to the pre-magnetization coil to form a pre-magnetization magnetic field Bp; A sensor unit configured to measure a nuclear magnetic resonance signal by a measurement target to which the pre-magnetic field Bp is applied by the pre-magnetization coil; A detection coil for applying a detection magnetic field to a measurement object; And a detection magnetic field power supply unit applying a current to the detection coil to apply a readout magnetic field to the measurement target.
  • the sensor unit measures each spin-lattice relaxation time T1 at the strengths of a plurality of pre-magnetized magnetic fields, and classifies the measurement object using the spin-lattice relaxation time.
  • a gradient magnetic field coil for applying a gradient magnetic field to the measurement object;
  • a gradient magnetic field driver for supplying current to the gradient magnetic field coil;
  • a gradient magnetic field power supply unit supplying power to the gradient magnetic field driver;
  • a pulse sequence generator for providing a pulse sequence to the pre-magnetization coil driver, the detection magnetic field power supply unit, and the detection magnetic field power supply unit.
  • Object identification method can determine the varieties of agricultural products non-destructively without a conventional DNA test.
  • FIG. 1 is a view illustrating a low magnetic field nuclear magnetic resonance device for the breed identification according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating an object identification method using the ultra-low magnetic field magnetic resonance apparatus of FIG. 1.
  • 3A and 3B are diagrams illustrating a pulse sequence according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram showing the amplitude at the Lamore resonance frequency according to the intensity or application time of the pre-magnetized magnetic field.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a pulse sequence according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a dependency of T1 according to Bp according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a pulse sequence for measuring T2 according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a pulse sequence for measuring T2 of FIG. 8.
  • FIG. 10 is a view for explaining an object identification method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a pulse sequence for measuring the line width of a signal obtained by Fourier transforming the FID signal of FIG. 10.
  • FIG. 13 is a flowchart illustrating a method for identifying an ultra low magnetic field nuclear magnetic resonance object according to another embodiment of the present invention.
  • the MR signal is a signal from the hydrogen atom nucleus, and the image is displayed according to the concentration of the H atom of the water molecule in the body.
  • magnetic resonance imaging shows spatial hydrogen nucleus concentrations.
  • T1 is the spin-lattice relaxation time (T1)
  • T2 is the spin-spin relaxation time (T2).
  • the tissue may have different T1 and / or T2 under a fixed main magnetic field.
  • Magnetic Resonance Imagnig (MRI) is a spatial distribution of spatial T1 or T2.
  • the high magnetic field NMR / MRI is difficult to change the strength of the main magnetic field, it is difficult to determine the varieties of agricultural products.
  • T1 in the ultra-low field NMR may be a function of the pre-magnetizing magnetic field (Bp) and / or the detection magnetic field (Bm).
  • Ultra-low magnetic field NMR can easily alter the pre-magnetized magnetic field (Bp) and / or the detected magnetic field (Bm). Therefore, T1 measured according to the pre-magnetized magnetic field Bp, line width of the FID signal measured according to the detection magnetic field Bm, or T2 obtained by processing the gradient echo signal can be used for classification of the measurement object.
  • a particular biological tissue of one breed may have a different T1 dependency from a particular biological tissue of another breed.
  • Measured T1 dependencies can be used to distinguish varieties of measurement targets that are not visible to the naked eye.
  • the object to be measured may be fruits, vegetables, alcohol, fish, and meat.
  • Korean cattle (Hanwoo cattle) and American cattle are different varieties and can currently be determined only by DNA testing.
  • DNA testing requires a lot of time and destruction of the object to be measured. Therefore, a new method of distinguishing breeds of livestock products is required.
  • very low magnetic field NMR can be used to distinguish breeds of livestock.
  • T1 under different conditions may be measured to determine the variety of the object to be measured.
  • 1 is a view for explaining the ultra-low magnetic field nuclear magnetic resonance device for the breed identification according to an embodiment of the present invention.
  • the ultra-low magnetic field nuclear magnetic resonance object identifying device 100 includes a dua 112 containing a low temperature liquid refrigerant, a pre-magnetization coil 122 for pre-magnetizing a measurement object, and the pre-magnetization coil 122.
  • the pre-magnetization coil driver 124 for intermittently applying a current to the pre-magnetization magnetic field Bp, and the measurement target 130 to which the pre-magnetization magnetic field Bp is applied by the pre-magnetization coil 122.
  • Sensor unit 160 for measuring the nuclear magnetic resonance signal by the detection the detection coil 152 for applying the detection magnetic field (Bm) to the measurement object 130, and applying the current to the detection coil 152 to measure the And a detection magnetic field power supply 154 for applying the detection magnetic field Bm to the object 130.
  • the sensor unit 160 relaxes the spin-lattice extracted by processing the nuclear magnetic resonance signal obtained while changing the intensity of the pre-magnetic field Bp or the application time of the pre-magnetic field Bp to the measurement object 130.
  • the breed of the measurement object is identified using the time T1.
  • the sensor unit 160 measures each spin-lattice relaxation time T1 at the strengths of a plurality of pre-magnetized magnetic fields, and classifies the measurement object using the spin-lattice relaxation time.
  • the gradient magnetic field coil 142 may apply the gradient magnetic field BG to the measurement object 130.
  • the gradient magnetic field driver 144 supplies a current to the gradient magnetic field coil 142 to apply the gradient magnetic field BG to the measurement target 130.
  • the gradient magnetic field power supply unit may provide power to the gradient magnetic field driver.
  • the gradient magnetic field power supply 146 receives a pulse sequence from the pulse sequence generator 172 and supplies power to the gradient magnetic field driver 144.
  • the pulse sequence generator 172 receives a control signal from the controller 165 and provides a pulse sequence to the pre-magnetization coil driver 124, the detection magnetic field power supply 154, and the gradient magnetic field power supply 146. .
  • the sensor unit 160 receives the output signal of the magnetic flux converter 161 and the magnetic flux converter 161 that senses and / or attenuates / amplifies the magnetic field.
  • the sensor unit 160 detects a magnetic field and converts it into a voltage signal. And processing the linearized voltage signal of the FLL unit 168 and linearizing the voltage signal of the SQUID 163 to provide a voltage signal proportional to the detected magnetic field.
  • the sensor signal processor 166 and the sensor controller 167 may provide a control signal to the FLL unit 168.
  • the SQUID 163 is a type of transducer that combines the Josephson effect of only the superconductor and the quantization of the magnetic flux to convert the change of the external magnetic flux into a voltage.
  • the SQUID 163 is a magnetic sensor in which one or two Josephson junctions are coupled to one superconducting loop.
  • RF SQUID can be joined by inserting one Josephson junction into a superconducting loop.
  • DC SQUID can be joined by inserting two Josephson junctions into a superconducting loop.
  • the specific shape of the magnetic flux / voltage conversion function may be determined according to the specific structure of the DC SQUID
  • the magnetic flux converter 161 detects a magnetic flux and converts the pick-up coil and / or an input coil that amplifies or attenuates it back to the SQUID 163 in the form of magnetic flux. It may include.
  • the magnetic flux converter 161 may be formed of a superconductor.
  • the pickup coil may have a large area in order to detect a large amount of magnetic flux.
  • the input coil has an area similar to the SQUID to focus on the SQUID and can be wound several times to change its amplification or attenuation rate.
  • the magnetic flux conversion unit 161 may include a magnetometer having a pickup coil composed of one loop or a gradiometer having one or more numbers of loop pairs in which the pickup coils are wound in opposite directions. .
  • the SQUID 163 may be connected to the FLL unit 168 through a conductive line. Protection is required to operate the SQUID 163 stably under a very large magnetic field, such as a pre-signed magnetic field Bp. Therefore, the ultra-low field-MRI system uses a superconducting shield 164 to protect the SQUID. However, if the entire SQUID sensor is superconducting, the SQUID cannot function as a magnetic field sensor. Therefore, when shielding using the superconductor, only the SQUID part and the input coil part of the magnetic flux conversion part are superconducting shielding, and the detection coil is placed outside the superconducting shielding.
  • a current limiting unit 162 is disposed to prevent the overcurrent induced in such a detection coil from being applied to the SQUID.
  • the flux locked loop (FLL) unit 168 may include an input terminal for receiving the output signal of the SQUID 163, an integrator, a feedback linearization circuit, and a feedback coil.
  • the FLL unit 168 may convert the amount of change in the magnetic flux into a voltage signal having a much wider range than the magnetic flux quantum value ⁇ 0 and output the converted voltage signal.
  • the detection magnetic field generator 155 may generate a spatially uniform and low detection magnetic field Bm.
  • the detection magnetic field generation unit 155 may include a detection magnetic field power supply unit 154, a detection magnetic field gate unit 156, and a detection coil 152.
  • the detection magnetic field gate part 156 may adjust the current applied to the detection coil 152 to generate the detection magnetic field Bm intermittently.
  • the gradient magnetic field generator 145 may include a gradient magnetic field power supply 146, a gradient magnetic field driver 144, and a gradient magnetic field coil 142 to generate a gradient magnetic field (dBy / dy) of the y component.
  • the pulse sequence generator 172 generates a pulse sequence and provides it to the pre-magnetization coil driver 124, the detection magnetic field power supply 154, and the gradient magnetic field power supply 146 so as to obtain line widths of T1, T2, and FID signals. can do.
  • the controller 165 may process a signal of the sensor signal processor 166 and control the pulse sequence generator 172 and the sensor sensor 167.
  • an optical solid state relay may be used as a switch for turning on and off the pre-magnetizing magnetic field Bp, the detecting magnetic field Bm, and the gradient magnetic field BG. While the SSR is off, the pre-magnetization coil 122, the detection magnetic field coil 152, and the gradient magnetic field coil 142 may be completely shorted with the current source.
  • the TTL signal for driving the SSR may be applied through optical communication. Accordingly, all electrical connections that may adversely affect the sensor unit 160 may be removed.
  • the pre-magnetization coil 122 may generate a pre-magnetization magnetic field Bp for pre-magnetizing the measurement object 130.
  • the pre-magnetizing coil Bp may have a solenoid shape in which a copper wire having a diameter of 1 mm is wound around 240 times in a bore having an outer diameter of 30 mm and a length of 60 mm.
  • the total resistance of the pre-magnetization coil 122 is 0.75 ohms and the inductance is 0.79 mH at 1 kHz.
  • a 12 V Pb battery may be used as a current source to minimize the influence of noise on the sensor unit 160.
  • the magnetic field at the inner center of the premagnetization coil measured with a Gaussian meter with a resolution of 0.01 mT, may be about 50 mT.
  • the detection coil 152 may apply the detection magnetic field Bm to the measurement target.
  • the detection coil may be a rectangular Helmholtz coil having a side length of 1340 mm.
  • the magnetic field at the center of the detection coil is about 2.82 Guass as measured using a fluxgate.
  • the Lamor frequency of the hydrogen nucleus corresponding to this size of the magnetic field is about 120 Hz.
  • the resonance frequency of the hydrogen atom, the carbon atom, or the nitrogen atom can be changed according to the intensity of the detection magnetic field.
  • the Lamour frequency for the hydrogen nucleus, carbon nucleus, or nitrogen nucleus in a given detection magnetic field can be fixed.
  • the amplitude at a given lamor frequency varies with the application time at the strength of the pre-magnetic field or at the fixed pre-magnetic field.
  • T1 can be obtained.
  • the gradient magnetic field coil 142 may apply a gradient magnetic field.
  • the gradient magnetic field coil 142 may be in the form of a Maxwell pair in which magnetic fields of opposite polarity are applied to two opposite coils.
  • the length of one side of the gradient magnetic field coil 142 is 1420 mm, and the slope of the magnetic field at the center is about 31.3 pT / cm as measured using a flux gate.
  • the magnetic field slope (dBy / dy) corresponds to about 1.33 Hz / cm when expressed as a frequency component.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating an object identification method using the ultra-low magnetic field magnetic resonance apparatus of FIG. 1.
  • 3A and 3B are diagrams illustrating a pulse sequence according to an embodiment of the present invention.
  • the method for identifying an extremely low magnetic field nuclear magnetic resonance object includes measuring each spin-lattice relaxation time T1 at the strengths of a plurality of pre-magnetized magnetic fields at a measurement target (S111), And classifying the measurement target by using the spin-lattice relaxation time (S144).
  • the measurement object is installed in the ultra-low field nuclear magnetic resonance apparatus.
  • the pulse sequence of the ultra-low field nuclear magnetic resonance apparatus is determined.
  • the pulse sequence for measuring T1 can have two ways.
  • One is to measure the free induced decay (FID) signal while varying the application time of the pre-magnetized magnetic field at a fixed pre-magnetized magnetic field strength. Accordingly, the magnetization degree of the measurement target is determined according to the application time of the pre-magnetization magnetic field.
  • the measured FID signal may be Fourier transformed (S116). Next, the amplitude is obtained by Fourier transform according to the frequency. At the resonance frequency of the hydrogen atom nucleus, the amplitude is obtained (S118).
  • the amplitude at the resonance frequency of the hydrogen atom can be measured according to the application time of the pre-magnetized magnetic field (S124). At the resonance frequency of the hydrogen atom nucleus with respect to the application time, the amplitude becomes saturated as the application time increases.
  • the amplitude has an exponential function depend on the application time, and T1 may be obtained by fitting to an exponential function (S142).
  • Measuring each spin-lattice relaxation time (T1) comprises setting a pulse sequence suitable for the individual relaxation time characteristics of the measurement object (S110), applying the pre-magnetization magnetic field and the detection magnetic field ( S112), measuring a free induced attenuation (FID) signal (S114), performing a Fourier transform on the FID signal to measure a signal magnitude or line width at a resonance frequency of a predetermined atomic nucleus (S118), and the pre-magnetic field Changing the application time of (S124), fitting the signal magnitude change according to the application time of the pre-magnetized magnetic field to obtain T1 (142), and for the plurality of changed pre-magnetized magnetic field sizes, Repeatedly obtaining each T1 to construct a first parameter vector (S134). The variety of the measurement target is confirmed using the first parameter vector.
  • a pulse sequence for measuring T1 may apply a pre-magnetization magnetic field Bp1 and a detection magnetic field Bm sequentially or simultaneously.
  • the detection magnetic field Bm is preferably applied before the pre-magnetization magnetic field Bp1 is turned off.
  • the intensity Bp1 of the pre-magnetized magnetic field is constant.
  • the application time t_P1 of the pre-magnetized magnetic field is changed according to the pulse sequence.
  • the FID signal may be measured during the measurement time t_measure from the time when the predetermined FLL driving time t_FLL elapses after the pre-magnetization magnetic field Bp1 is turned off.
  • the application time t_P2 of the pre-magnetization magnetic field is different from the application time t_P1 of the pre-magnetization magnetic field of FIG. 3A (S124). Therefore, the initial amplitude of the FID signal changes according to the magnetization degree of the measurement object.
  • FIG. 4 it is a diagram showing the amplitude at the resonance frequency of the hydrogen atom nucleus according to the application time of the pre-magnetized magnetic field.
  • FFT Fast Fourier Transforamtion
  • T 2 * was about 2.5 seconds or more and the signal-to-noise ratio was about 14.5.
  • FFT was performed after zero filling.
  • Frequency peaks appear around 120 Hz. The position of this peak coincides well with 120 Hz, which is the resonance frequency of water, corresponding to the applied magnetic field of 2.82 uT (micro Tesla) magnitude.
  • FIG. 5 is a diagram showing the amplitude at the Lamore resonance frequency according to the intensity or application time of the pre-magnetized magnetic field.
  • the amplitude at the resonance frequency of the hydrogen atom nucleus varies with the application time t_P or the intensity of the pre-magnetized magnetic field Bp1.
  • the magnetization of the measurement object becomes saturated. Therefore, the magnetization of the measurement object depends on the amplitude. Therefore, the amplitude has an exponential function depend on the application time, and T1 can be obtained by fitting to an exponential function (S142).
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a pulse sequence according to another embodiment of the present invention.
  • T1 may be obtained by measuring the FID signal while changing the intensity of the pre-magnetized magnetic field Bp at the application time of the fixed pre-magnetized magnetic field Bp (S134). Accordingly, the degree of magnetization of the measurement target is determined according to the strength of the pre-magnetization magnetic field.
  • the measured FID signal may be Fourier transformed (S116). Next, the Fourier transformed amplitude according to the frequency is obtained (S118).
  • the amplitude can be measured according to the strength of the pre-magnetized magnetic field.
  • the amplitude saturates as the intensity increases.
  • the amplitude has an exponential function dependence on the intensity, and T1 may be obtained by fitting to an exponential function (S142).
  • the application time t_P of the pre-magnetized magnetic field is constant, and the intensity of the pre-magnetized magnetic field Bp increases or decreases according to the pulse sequence.
  • the FID signal may be measured during the measurement time t_measure from the time when the predetermined FLL driving time t_FLL elapses after the pre-magnetization magnetic field Bp is turned off.
  • the amplitude at the resonance frequency of the hydrogen nucleus can be extracted.
  • the amplitude has an exponential function dependence on the strength of the pre-magnetized magnetic field, and T1 can be extracted by the exponential function dependence.
  • T1 and / or T2 may be classified according to the variety of the measurement target.
  • FIG. 7 illustrates a dependency of T1 according to a pre-magnetized magnetic field Bp according to an embodiment of the present invention.
  • the A varieties and the B varieties may have different T1 dependencies according to the pre-magnetization magnetic field Bp for the hydrogen atom nucleus.
  • the A and B varieties may have different T1 dependences on carbon atoms.
  • varieties A and B may have different T1 dependences on nitrogen atoms.
  • varieties can be distinguished with T1 dependence according to the pre-magnetic field Bp.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a pulse sequence for measuring T2 according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a pulse sequence for measuring T2 of FIG. 8.
  • a pre-magnetization magnetic field BP is applied, and a positive gradient magnetic field B_G + is applied to the measurement target at the same time as the detection magnetic field Bm is applied before the pre-magnetization magnetic field is turned off.
  • the negative gradient magnetic field B_G- is applied to the measurement target at the same time that the positive gradient magnetic field is turned off. Therefore, the spindle, which has undergone dephasing at the measurement object, is refocused by the negative gradient magnetic field B_G- having the opposite polarity. Refocusing can generate a gradient echo signal.
  • the application time of the positive gradient magnetic field B_G + is t_G +
  • the application time of the negative gradient magnetic field B_G- is t_G-.
  • the pulse sequence was designed to turn on the detection magnetic field Bm and the positive gradient magnetic field B_G + before the pre-magnetization magnetic field Bp was turned off.
  • the time t_x at which the positive gradient magnetic field B_G + and the pre-magnetized magnetic field Bp are simultaneously locked is 30 ms.
  • the pulse train is designed so that the positive gradient magnetic field (B_G +) turns off and the negative gradient magnetic field (B_G-) turns on. There was a 35 ms delay in reaching the maximum voltage after the negative gradient magnetic field (B_G-) was turned on. After the negative gradient magnetic field (B_G-) turns on, the time (t_FLL) for the FLL to start measuring is 8 ms.
  • Gradient echo signals can be Fourier transformed.
  • the inverse of the line width of the peak at the resonance frequency of the hydrogen nucleus represents T2.
  • Step S212 Measuring the spin-spin relaxation time (T2) of the measurement target (S211) setting a pulse sequence suitable for the individual relaxation time characteristics of the measurement target (S210), applying the pre-magnetization magnetic field and the detection magnetic field Step S212, sequentially applying a positive gradient magnetic field and a negative gradient magnetic field (S213), measuring a gradient echo signal (S214), and performing a Fourier transform on the gradient echo signal (S216) to determine a predetermined atomic nucleus. Measuring the signal line width at the resonant frequency of (S218), and comprising the step of the line width or inverse of the line width according to the resonance frequency of the predetermined atomic nucleus as a second parameter vector (S242). Varieties may be identified using varieties using the second parameter vector (S244).
  • FIG. 10 is a view for explaining an object identification method according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a pulse sequence for measuring the line width of a signal obtained by Fourier transforming the FID signal of FIG. 10.
  • the method for identifying an ultra low magnetic field nuclear magnetic resonance object measures a free induced attenuation signal while changing the intensity of a detected magnetic field on a measurement target and Fourier transforms a signal line width at a resonance frequency of an atomic nucleus. Measuring (S311); And classifying the measurement target using the signal line width at the resonance frequency of the atomic nucleus (S344).
  • step S310 Measuring the line width of the resonance frequency of the atomic nucleus by measuring the free induced attenuation signal and changing the Fourier transform signal while changing the intensity of the detected magnetic field in the measurement target (S311) to set a pulse sequence suitable for the individual relaxation time characteristics of the measurement target.
  • step S310 applying a pre-magnetized magnetic field (S312), applying the detection magnetic field (S313), measuring a free induced attenuation (FID) signal (S314), and performing Fourier transform on the FID signal.
  • S312 pre-magnetized magnetic field
  • S313 applying the detection magnetic field
  • FID free induced attenuation
  • the pulse sequence for measuring the line width of the resonance frequency of the hydrogen nucleus may apply the pre-magnetization magnetic field Bp1 and the detection magnetic field Bm sequentially or simultaneously.
  • the detection magnetic field Bm is preferably applied before the pre-magnetization magnetic field Bp1 is turned off.
  • the strength Bp of the pre-magnetized magnetic field is constant.
  • the application time t_P of the pre-magnetized magnetic field is constant.
  • the FID signal may be measured during the measurement time t_measure from the time when the predetermined FLL driving time t_FLL elapses after the pre-magnetization magnetic field Bp1 is turned off.
  • the intensity of the detection magnetic field Bm can be changed to increase or decrease depending on the pulse sequence. Accordingly, the line width according to the resonance frequency of the predetermined atomic nucleus according to the intensity of the detection magnetic field Bm may be used for the classification of the varieties.
  • FIG. 13 is a flowchart illustrating a method for identifying an ultra low magnetic field nuclear magnetic resonance object according to another embodiment of the present invention.
  • each spin-lattice relaxation time T1 is obtained for a plurality of pre-magnetized magnetic field sizes to construct a first parameter vector (S410).
  • each spin-lattice relaxation time T1 is obtained for a plurality of pre-magnetized magnetic field sizes to construct a first parameter vector (S410). Constructing a line width or reciprocal of the line width T2 according to the resonance frequency of the predetermined atomic nucleus as a second parameter vector using the gradient echo signal, at the resonance frequency of the predetermined atomic nucleus according to the intensity of the detected magnetic field.
  • a plurality of T1s obtained by a plurality of pre-magnetized magnetic field intensities, a plurality of signal line widths (or reciprocal thereof) obtained by a plurality of detected magnetic field intensities, and a T2 obtained by a gradient echo are combined into respective dimension values to obtain a parameter vector ( g) can be configured.
  • a parameter vector constructed by repeatedly measuring the group of substances to be distinguished may be plotted on a multidimensional parameter vector space. Accordingly, clustering in the parameter vector space according to the substance group can be observed.
  • the classification of groups in the parametric vector space can be done mathematically using criteria such as support vector machines (SVMs) or artificial neural networks (ANNs), which are well known in pattern recognition studies. Can be performed.
  • SVMs support vector machines
  • ANNs artificial neural networks
  • SVM or Principal component analysis can reduce the dimension space of the parameter space by projecting the other dimension to the important dimension, leaving only the important dimension among the components of the parameter.

Abstract

본 발며은 극저자기장 핵자기 공명 물체 식별 방법 및 극저자기장 핵자기 공명 물체 식별 장치를 제공한다. 이 방법은 측정 대상에 사전 자화 자기장의 세기 또는 사전 자화 자기장의 인가 시간을 변경하면서 스핀-격자 완화 시간(T1)을 측정하는 단계, 및 스핀-격자 완화 시간을 이용하여 상기 측정 대상를 분류하는 단계를 포함한다.

Description

극저자기장 핵자기 공명 물체 식별 방법 및 극저자기장 핵자기 공명 물체 식별 장치
본 발명은 극저자기장 물체 식별 방법에 관한 것으로, 더 구체적으로 스핀-격자 완화시간이 포화되지 않는 낮은 사전 자화 자기장 또는 검출 자기장을 변경하면서 측정한 스핀-격자 완화 시간을 이용하여 측정 대상를 구분하는 극저자기장 물체 식별 방법에 관한 것이다.
NMR은 모든 물질을 구성하는 원자핵에서 자기장을 인가할 때 원자핵의 자기 스핀이 상기 자기장에 공명하여 세차하는 현상이다. 기존의 NMR의 주자석은 0.1 테슬라 내지 수 테슬라의 자기장을 공간적으로 균일하게 형성해야 한다. 따라서, 상기 자기장을 형성하는 초전도 주자석은 부피가 크고, 비싸다.
저 자기장/ 극저 자기장 NMR는 기존의 NMR의 주자석에서 생성되는 자기장을 사전자화 자기장과 검출 자기장의 두 부분으로 분리한다. 이에 따라, 상기 검출 자기장의 크기는 수십 마이크로 테슬라 내지 수 마이크로 테슬라 정도로 낮출 수 있다.
저 자기장/ 극저 자기장 NMR은 상기 사전 자화 자기장을 형성하는 사전 자화 코일과 상기 검출 자기장을 형성하는 검출 코일을 포함한다. 상기 사전 자화 코일은 사전 자화 자기장을 생성하여 측정하고자 하는 대상 물체를 사전 자화시킨다. 이어서, 상기 사전자화 자기장을 제거하고, 상기 검출 자기장을 상기 대상 물체에 인가하여, 상기 대상 물체의 자성이 이완되는 시간 동안 나타나는 핵자기 공명 신호를 검출기로 측정한다. 이에 따라, 상기 사전 자화 코일은 상기 사전 자화 자기장의 균일도가 떨어지더라도 강한 자기장만 만들면 된다. 또한, 상기 검출 코일은 규일하지만 약한 검출 자기장만 만들면 된다. 따라서 극저 자기장/ 저 자기장 NMR은 그 구조가 간단하고 가격도 저렴할 수 있다. 상기 검출 자기장의 크기가 감소함에 따라 자기장의 크기에 비례하는 라모어(Larmor) 공명 주파수에 해당하는 검출 신호의 주파수는 수 kHz 내지 수백 Hz 정도로 감소한다.
이에 따라, 종래의 고 자기장 NMR에서 볼 수 없었던 현상의 측정이 가능하다. 저 자기장/ 극저 자기장 NMR은 금속에 의한 왜곡이 현저히 적다. 따라서, 금속 캔 내부의 물질 또는 포장된 물질은 비파괴적으로 측정될 수 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 극저자기장 NMR을 이용한 물체 식별 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 극저자기장 NMR을 이용한 물체 식별 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 극저자기장 핵자기 공명 물체 식별 방법은 측정 대상에 복수의 사전 자화 자기장의 세기에서 각각의 스핀-격자 완화 시간(T1)을 측정하는 단계; 및 상기 스핀-격자 완화 시간을 이용하여 상기 측정 대상을 분류하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 각각의 스핀-격자 완화 시간(T1)들을 측정하는 단계는 상기 측정 대상의 개별적 완화시간 특성에 적합한 펄스 시퀀스를 설정하는 단계; 상기 사전 자화 자기장 및 검출 자기장을 인가하는 단계; 자유 유도 감쇄(FID) 신호를 측정하는 단계; 상기 FID 신호를 푸리어 변환하여 소정의 원자핵의 공명 주파수에서의 신호 크기 또는 선폭을 측정하는 단계; 상기 사전 자화 자기장의 인가 시간을 변경하는 단계; 상기 사전 자화 자기장의 인가 시간에 따른 신호 크기 변화를 피팅하여 T1을 구하는 단계; 및 변경된 복수의 상기 사전 자화 자기장 크기에 대해, 위의 단계들을 반복하여 각각의 T1을 구하여 제1 파라미터 벡터를 구성하는 단계를 포함한다. 상기 제1 파라미터 벡터를 이용하여 상기 측정 대상의 품종이 확인된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 그레디언트 에코 신호를 이용하여 상기 측정 대상의 스핀-스핀 완화 시간(T2)을 측정하는 단계; 및 상기 스핀-스핀 완화 시간을 이용하여 상기 측정 대상을 분류하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 측정 대상의 스핀-스핀 완화 시간(T2)을 측정하는 단계는 상기 측정 대상의 개별적 완화시간 특성에 적합한 펄스 시퀀스를 설정하는 단계; 상기 사전 자화 자기장 및 검출 자기장을 인가하는 단계; 양의 경사 자기장 및 음의 경사 자기장을 연속적으로 인가하는 단계; 그레디언트 에코 신호를 측정하는 단계; 상기 그레디언트 에코 신호를 푸리어 변환하여 소정의 원자핵의 공명 주파수에서의 신호 선폭을 측정하는 단계; 및 소정의 원자핵의 공명 주파수에 따른 선폭 또는 선폭의 역수를 제2 파라미터 벡터로 구성하는 단계를 포함한다. 상기 제2 파라미터 벡터를 이용하여 품종이 하여 품종이 확인될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 극저자기장 핵자기 공명 물체 식별 방법은 측정 대상에 검출 자기장의 세기를 변경하면서 자유 유도 감쇄 신호를 측정하고 푸리어 변환하여 소저의 원자핵의 공명 주파수에서의 신호 선폭을 측정하는 단계; 및 상기 원자핵의 공명 주파수에서의 신호 선폭을 이용하여 상기 측정 대상을 분류하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 측정 대상에 검출 자기장의 세기를 변경하면서 자유 유도 감쇄 신호를 측정하고 푸리어 변환하여 원자핵의 공명 주파수의 선폭을 측정하는 단계는 상기 측정 대상의 개별적 완화시간 특성에 적합한 펄스 시퀀스를 설정하는 단계; 사전 자화 자기장을 인가하는 단계; 상기 검출 자기장을 인가하는 단계; 자유 유도 감쇄(FID) 신호를 측정하는 단계; 상기 FID 신호를 푸리어 변환하여 소정의 원자핵의 공명 주파수에서의 신호 선폭을 측정하는 단계; 상기 검출 자기장의 세기를 변경하는 단계; 및 위의 단계의 반복적인 측정으로 상기 검출 자기장의 세기에 따른 소정의 원자핵의 공명 주파수에서의 신호 선폭으로 제3 파라미터 벡터를 구성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제3 파라미터 벡터를 이용하여 상기 측정 대상의 품종이 확인될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 극저자기장 핵자기 공명 물체 식별 방법은 복수의 사전 자화 자기장 크기에 대해 각각의 스핀-격자 완화 시간(T1)을 구하여 제1 파라미터 벡터를 구성하는 단계; 그레디언트 에코 신호를 이용하여 소정의 원자핵의 공명 주파수에 따른 선폭 혹은 선폭의 역수(T2)을 제2 파라미터 벡터로 구성하는 단계; 검출 자기장의 세기에 따른 소정의 원자핵의 공명 주파수에서의 신호 선폭의 값들로 제3 파라미터 벡터를 구성하는 단계; 상기 제1 내지 제3 파라미터 벡터들의 성분들을 조합하여 새로운 파라미터 벡터를 구성하는 단계; 및 상기 새로운 파라미터 벡터를 이용하여 측정 대상의 품종을 확인하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 극저자기장 핵자기 공명 물체 식별 방법은 복수의 사전 자화 자기장 크기에 대해 각각의 스핀-격자 완화 시간(T1)을 구하여 제1 파라미터 벡터를 구성하는 단계; 그레디언트 에코 신호를 이용하여 소정의 원자핵의 공명 주파수에 따른 선폭 혹은 선폭의 역수(T2)을 제2 파라미터 벡터로 구성하는 단계; 검출 자기장의 세기에 따른 소정의 원자핵의 공명 주파수에서의 신호 선폭의 값들로 제3 파라미터 벡터를 구성하는 단계; 상기 제1 내지 제3 파라미터 벡터들의 성분들을 조합하여 새로운 파라미터 벡터를 구성하는 단계; 구별하려는 여러 가지 물질의 반복 측정으로 각각의 물질에 대한 새로운 파라미터 벡터들을 수집하는 단계; 수집된 새로운 파라미터 벡터들에 서포트벡터머신(support vector machine;SVM) 또는 주요소분석법(Principal component analysis;PCA)을 적용하여 구분에 효과적인 주요 벡터 성분을 찾아내고, 새로운 파라미터 벡터를 주요 벡터 성분으로 사영시킴으로써 파라미터 벡터의 차원을 줄이는 단계; 및 차원 감소된 파라미터 벡터 성분을 이용하여 고속으로 물질의 품종을 확인하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 극저자기장 핵자기 공명 물체 식별 장치는 저온 액체 냉매를 담고 있는 듀아; 측정 대상을 사전 자화시키는 사전자화 코일; 상기 사전자화 코일에 전류를 단속적으로 인가하여 사전자화 자기장(Bp)을 형성하는 사전자화 코일 구동부; 상기 사전자화 코일에 의하여 상기 사전자화 자기장(Bp)이 인가되는 측정 대상에 의한 핵자기 공명 신호를 측정하는 센서부; 측정 대상에 검출 자기장을 인가하는 검출 코일; 및 상기 검출 코일에 전류를 인가하여 상기 측정 대상에 검출 자기장(readout magnetic field)을 인가하는 검출 자기장 전원부를 포함한다. 상기 센서부는 상기 측정 대상에 복수의 사전 자화 자기장의 세기에서 각각의 스핀-격자 완화 시간(T1)을 측정하고, 상기 스핀-격자 완화 시간을 이용하여 상기 측정 대상을 분류한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 측정 대상에 경사 자기장을 인가하는 경사 자기장 코일; 상기 경사 자기장 코일에 전류를 공급하는 경사 자기장 구동부; 상기 경사 자기장 구동부에 전원을 제공하는 경사 자기장 전원부; 및 상기 사전 자화 코일 구동부, 상기 검출 자기장 전원부, 및 검출 자기장 전원부에 펄스 스퀀스를 제공하는 펄스 시퀀스 발생부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 물체 식별 방법은 종래의 DNA 검사를 하지 않고 비파괴적으로 농축산물의 품종을 알아낼 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 품종 판별을 위한 저자기장 핵자기 공명 장치를 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1의 극저자기장 핵자기 공명 장치를 이용한 물체 식별 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 시퀀스를 설명하는 도면이다.
도 4는 도 3a의 펄스 시퀀스에 의하여 획득된 FID 신호의 푸리어 변환 결과이다.
도 5는 사전 자화 자기장의 세기 또는 인가 시간에 따른 라모어 공명 주파수에서의 진폭을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 펄스 시퀀스를 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 Bp에 따른 T1의 의존성을 설명하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 T2를 측정하는 펄스 시퀀스를 나타내는 도면이다.
도 9는 도 8의 T2를 측정하기 위한 펄스 시퀀스를 설명하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 물체 식별 방법을 설명하는 도면이다.
도 11은 도 10의 FID 신호를 푸리어 변환하여 얻은 신호의 선폭을 측정하기 위한 펄스 시퀀스를 설명하는 도면이다.
도 12는 도 10의 물체 식별 방법을 이용하여 획득한 가상 데이터이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 극저자기장 핵자기 공명 물체 식별 방법을 설명하는 흐름도이다.
100: 극저자기장 핵자기 공명 물체 식별 장치
112: 듀어
122: 사전자화 코일
124: 사전자화 코일 구동부
130: 측정 대상
160: 센서부
152: 검출 코일
154: 검출 자기장 전원부
종래의 고 자기장 NMR/MRI에서, MR Signal은 수소 원자핵에서 나온 신호이며, 몸속의 물 분자의 H 원자핵 농도에 따라 영상이 나타난다. 따라서, 자기 공명 영상은 공간적인 수소 원자핵 농도를 나타낸다. 고 자기장 NMR/MRI에서, T1은 스핀-격자 완화 시간(Spin-lattice relaxation time; T1)이고, T2는 스핀-스핀 완화 시간(spin-spin relaxation time; T2)이다. 생체 조직(tissue)은 고정된 주 자기장하에서 서로 다른 T1 및/또는 T2를 가질 수 있다. MRI(Magnetic Resonance Imagnig)는 공간적인 T1 또는 T2의 공간적 분포이다. 그러나, 고 자기장 NMR/MRI는 주자기장의 세기를 변화시키기 어려워 농축산물의 품종을 알아내기 어렵다.
극저 자기장 NMR에서 스핀-격자 완화 시간(Spin-lattice relaxation time; T1)은 사전 자화 자기장(Bp) 및/또는 검출 자기장(Bm)의 함수일 수 있다. 극저 자기장 NMR는 사전 자화 자기장(Bp) 및/또는 검출 자기장(Bm)을 용이하게 변경할 수 있다. 따라서, 사전 자화 자기장(Bp)에 따라 측정된 T1, 검출 자기장(Bm)에 따라 측정된 FID 신호의 선폭, 또는 그레디언트 에코 신호를 처리하여 얻은 T2는 측정 대상의 분별에 사용될 수 있다.
예를 들어, 한 품종의 특정한 생체 조직은 다른 품종의 특정한 생체 조직과 서로 다른 T1 의존성을 가질 수 있다. 측정된 T1 의존성은 육안으로 식별 불가능한 측정 대상의 품종을 구분하기 위하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 측정 대상은 과일, 채소, 주류, 어류, 및 육류일 수 있다.
한국산 소(한우)와 미국산 소는 서로 다른 품종으로, 현재 DNA 검사에 의해서만 판별될 수 있다. 그러나, DNA 검사는 많은 시간 및 측정 대상의 파괴를 요구한다. 따라서, 축산물의 품종을 구별하는 새로운 방법이 요구된다. 따라서, 극저 자기장 NMR은 축산물의 품종을 구별에 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 측정 대상의 품종을 판별하기 위하여 서로 다른 조건에서의 T1이 측정될 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 품종 판별을 위한 극저자기장 핵자기 공명 장치를 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 상기 극저자기장 핵자기 공명 물체 식별 장치(100)는 저온 액체 냉매를 담고 있는 듀아(112), 측정 대상을 사전 자화시키는 사전자화 코일(122), 상기 사전자화 코일(122)에 전류를 단속적으로 인가하여 사전자화 자기장(Bp)을 형성하는 사전자화 코일 구동부(124), 상기 사전자화 코일(122)에 의하여 상기 사전자화 자기장(Bp)이 인가되는 상기 측정 대상(130)에 의한 핵자기 공명 신호를 측정하는 센서부(160), 상기 측정 대상(130)에 검출 자기장(Bm)을 인가하는 검출 코일(152), 및 상기 검출 코일(152)에 전류를 인가하여 상기 측정 대상(130)에 상기 검출 자기장(readout magnetic field, Bm)을 인가하는 검출 자기장 전원부(154)를 포함한다.
상기 센서부(160)는 상기 측정 대상(130)에 사전 자화 자기장(Bp)의 세기 또는 사전 자화 자기장(Bp)의 인가 시간을 변경하면서 획득된 핵자기 공명 신호를 처리하여 추출된 스핀-격자 완화 시간(T1)을 이용하여 상기 측정 대상의 품종을 식별한다.
상기 센서부(160)는 상기 측정 대상에 복수의 사전 자화 자기장의 세기에서 각각의 스핀-격자 완화 시간(T1)을 측정하고, 상기 스핀-격자 완화 시간을 이용하여 상기 측정 대상을 분류한다.
경사 자기장 코일(142)은 상기 측정 대상(130)에 경사 자기장(BG)을 인가할 수 있다. 경사 자기장 구동부(144)는 상기 경사 자기장 코일(142)에 전류를 공급하여 상기 측정 대상(130)에 상기 경사 자기장(BG)을 인가한다. 경사 자기장 전원부는 상기 경사 자기장 구동부에 전원을 제공할 수 있다. 상기 경사 자기장 전원부(146)는 펄스 시퀸스 발생부(172)로부터 펄스 시퀀스를 제공받아 상기 경사 자기장 구동부(144)에 전력을 공급한다.
상기 펄스 시퀀스 발생부(172)는 제어부(165)의 제어 신호를 입력받아 상기 사전 자화 코일 구동부(124), 상기 검출 자기장 전원부(154), 및 경사 자기장 전원부(146)에 펄스 스퀀스를 제공한다.
상기 센서부(160)는 자속을 감지 및/또는 감쇠/증폭하는 자속변환부(161), 상기 자속변환부(161)의 출력 신호를 입력받아 자기장을 검출해 전압신호로 변환하는 SQUID(163), 상기 SQUID(163)의 전압 신호를 선형화하여 검출된 자기장에 비례하는 전압 신호로 제공하는 FLL부(168), 상기 FLL부(168)의 상기 선형화된 전압 신호를 처리하여 노이즈를 제거하고 증폭하는 센서 신호 처리부(166), 및 상기 FLL부(168)에 제어 신호를 제공하는 센서 제어부(167)를 포함할 수 있다.
상기 SQUID(163)는 초전도체만이 지닌 조셉슨 효과와 자속의 양자화 현상을 결합하여 외부 자속의 변화를 전압으로 변환하는 일종의 트랜스듀서(transducer)이다. 상기 SQUID(163)는 한 개의 초전도 루프에 한 개 또는 두 개의 조셉슨 접합을 끼워 결합한 자기센서이다. RF SQUID는 초전도루프에 한 개의 조셉슨 접합을 삽입하여 결합할 수 있다. DC SQUID는 초전도루프에 두 개의 조셉슨 접합을 삽입하여 결합할 수 있다. 상기 RF SQUID는 RF 주파수 대역의 교류 전압을 출력하고 그 주파수가 가해진 자속에 따라 바뀌는 방식으로 작동하며, 상기 DC SQUID는 가해진 자속에 대한 함수로 직류 전압을 발생하는 방식으로 작동하며 이 함수는 자속의 양자 값인 Φ0(= 2.07 x 10^(-15) Wb)를 주기로 하여 진동하는 형태로 주어진다. 상기 자속/전압 변환 함수의 구체적인 형태는 상기 DC SQUID의 구체적인 구조에 따라 결정될 수 있다.
상기 자속변환부(161)는 자속을 감지하여 초전도 전류로 변환하는 픽업(pick-up) 코일 및/또는 이를 상기 SQUID(163)에 다시 자속 형태로 증폭 또는 감쇠시켜 전달해 주는 입력(input)코일을 포함할 수 있다. 상기 자속변환부(161)는 초전도체로 구성될 수 있다. 상기 픽업 코일은 많은 자속을 감지하기 위하여 넓은 면적을 지닐 수 있다. 상기 입력 코일은 SQUID에 집속시키기 위하여 SQUID와 비슷한 면적을 지니고 있고 그 증폭율 또는 감쇠율을 변화시키기 위하여 여러 번 감길 수 있다. 상기 자속변환부(161)는 픽업 코일이 하나의 루프로 구성된 마그네토미터(Magnetometer) 또는 픽업 코일이 서로 반대 방향으로 감긴 루프 쌍이 하나 또는 그 이상의 수 로 구성된 그레디오미터 (Gradiometer)를 포함할 수 있다.
상기 SQUID(163)는 도선을 통하여 상기 FLL부(168)와 연결될 수 있다. 상기SQUID(163)를 사전자호 자기장(Bp)와 같이 매우 큰 자기장하에서 안정적으로 동작시키기 위해서 보호가 필요하다. 따라서 극저자장-MRI 시스템에서는 SQUID의 보호를 위해 초전도 차폐(164)를 이용한다. 그러나 SQUID 센서 전체를 초전도 차폐할 경우 SQUID가 자기장 감지 센서로서의 기능을 할 수 없다. 따라서 초전도체를 이용한 차폐를 할 때는 SQUID 부분과 자속 변환부의 입력 코일 부분만을 초전도 차폐하고, 검출코일은 초전도 차폐 외부에 놓인다. 이 경우, SQUID 자체는 초전도 차폐(164)를 함으로써 강한 자기장으로부터 보호되나, 검출 코일로부터 유도된 전류가 SQUID로 인가되는 것은 막을 수가 없다. 그러므로 극저자장-NMR 시스템에서는 이러한 검출코일에서 유도된 과전류가 SQUID로 인가되는 것을 막기 위한 전류 제한부(162)가 배치된다.
FLL(flux locked loop)부(168)는 상기 SQUID(163)의 출력신호를 받아들이는 입력단, 적분기, 피드백(feedback) 방식의 선형화 회로, 및 피드백 코일 등을 포함할 수 있다. 상기 FLL부(168)는 자속의 변화량을 자속 양자값 Φ0 보다 훨씬 넓은 범위를 가지는 전압 신호로 변환하여 출력할 수 있다.
검출 자기장 생성부(155)는 공간적으로 균일하고 낮은 검출 자기장(Bm)을 생성할 수 있다. 상기 검출 자기장 생성부(155)는 검출 자기장 전원부(154), 검출 자기장 게이트부(156), 및 검출 코일(152)을 포함할 수 있다. 상기 검출 자기장 게이트부(156)는 단속적으로 상기 검출 자기장(Bm)을 생성하도록 상기 검출 코일(152)에 인가되는 전류를 조절할 수 있다.
경사 자기장 생성부(145)는 y 성분의 경사 자기장(dBy/dy)을 생성하도록 경사 자기장 전원부(146), 경사 자기장 구동부(144), 및 경사 자기장 코일(142)을 포함할 수 있다.
펄스 시퀀스 발생부(172)는 펄스 시퀀스를 생성하여 T1, T2, FID 신호의 선폭을 얻을 수 있도록 사전 자화 코일 구동부(124), 검출 자기장 전원부(154), 및 상기 경사 자기장 전원부(146)에 제공할 수 있다.
제어부(165)는 상기 센서 신호처리부(166)의 신호를 처리하고 상기 펄스 시퀀스 발생부(172), 및 센서 센서부(167)를 제어할 수 있다.
한편, 사전 자화 자기장(Bp), 검출 자기장(Bm), 및 경사 자기장(BG)을 켜고 끄는 스위치로 광학 에스에스알(Optical Solid State Relay; SSR)이 사용될 수 있다. 상기 SSR이 꺼져있는 동안에는 사전 자화 코일(122), 검출 자기장 코일(152), 및 경사 자기장 코일(142)은 전류원과 완전히 단락될 수 있다. 상기 SSR을 구동하기 위한 TTL 신호는 광통신을 통해 인가될 수 있다. 이에 따라, 상기 센서부(160)에 악영향을 줄 수 있는 모든 전기적인 연결은 제거될 수 있다.
상기 사전 자화 코일(122)은 측정 대상(130)을 사전 자화시키기 위한 사전 자화 자기장(Bp)을 생성할 수 있다. 상기 사전 자화 코일(Bp)은 외부 지름이 30 mm 이고 길이가 60 mm 인 보어에 지름 1 mm 인 구리선이 총 240 회 감겨있는 솔레노이드 형태일 수 있다. 상기 사전 자화 코일(122)의 총 저항은 0.75 오옴이고, 인덕턴스는 1 kHz에서 0.79 mH이다.
상기 센서부(160)에 미치는 잡음의 영향을 최소화하기 위하여 전류원으로 12 V Pb 배터리가 사용될 수 있다. 분해능이 0.01 mT 인 가우스 미터로 측정한 사전 자화 코일 내부 중심에서의 자기장은 약 50 mT일 수 있다.
검출 코일(152)은 측정 대상에 검출 자기장(Bm)을 인가할 수 있다. 상기 검출 코일은 한 변의 길이가 1340 mm인 사각형 헬름홀츠 코일(Helmholtz coil)일 수 있다. 상기 검출 코일의 중심에서의 자기장은 플럭스 케이트를 이용하여 측정하였을 때 약 2.82 Guass이다. 이 크기의 자기장에 해당하는 수소원자핵의 라모어(Lamour) 주파수는 약 120 Hz 이다.
상기 검출 자기장의 세기에 따라 수소 원자핵, 탄소 원자핵, 또는 질소 원자핵의 공명(Lamour) 주파수는 변경될 수 있다. 따라서, 소정의 검출 자기장에서 수소 원자핵, 탄소 원자핵, 또는 질소 원자핵에 대한 라모어(Lamour) 주파수는 고정될 수 있다. 자유 유도 감쇄 신호(Free induction decay; FID Singnal)를 푸리어 변환한 경우, 소정의 라모어 주파수에서 진폭은 사전 자화 자기장의 세기 또는 고정된 사전 자화 자기장의 세기에서 인가 시간에 따라 변한다. 따라서, T1이 획득될 수 있다.
경사 자기장 코일(142)은 경사 자기장을 인가할 수 있다. 경사 자기장 코일(142)은 마주보는 두 코일에 극성이 반대인 자장이 인가되는 맥스웰 페어(Maxwell pair) 형태일 수 있다. 상기 경사 자기장 코일(142)의 한 변의 길이는 1420 mm 이며, 중심에서의 자기장 기울기는 플럭스 게이트를 이용하여 측정한 결과 약 31.3 pT/cm 이다. 상기 자기장 기울기(dBy/dy)는 주파수 성분으로 표시하면 약 1.33 Hz/cm 에 해당한다.
도 2는 도 1의 극저 자기장 핵자기 공명 장치를 이용한 물체 식별 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 시퀀스를 설명하는 도면이다.
도 2, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 극저 자기장 핵자기 공명 물체 식별 방법은 측정 대상에 복수의 사전 자화 자기장의 세기에서 각각의 스핀-격자 완화 시간(T1)을 측정하는 단계(S111), 및 상기 스핀-격자 완화 시간을 이용하여 상기 측정 대상을 분류하는 단계(S144)를 포함한다.
측정 대상은 극저자기장 핵자기 공명 장치에 설치된다. 상기 극저자기장 핵자기 공명 장치의 펄스 시퀀스는 결정된다. T1을 측정하기 위한 펄스 시퀀스는 2 가지 방식을 가질 수 있다.
하나는 고정된 사전 자화 자기장의 세기에서 사전 자화 자기장의 인가 시간을 변경하면서 자유 유도 감쇄(FID) 신호를 측정하는 것이다. 이에 따라, 사전 자화 자기장의 인가 시간에 따라 측정 대상의 자화 정도가 결정된다. 측정된 FID 신호는 푸리어 변환(Fourier Transformation)될 수 있다(S116). 이어서, 주파수에 따른 푸리어 변환에 의하여 진폭이 구해진다. 수소 원자핵의 공명 주파수에서, 진폭이 구해진다(S118).
수소 원자핵의 공명 주파수에서 진폭은 사전 자화 자기장의 인가 시간에 따라 측정될 수 있다(S124). 상기 인가 시간에 따른 수소 원자핵의 공명 주파수에서 진폭은 상기 인가 시간이 증가함에 따라 포화된다. 상기 진폭은 인가 시간에 따라 지수 함수 의존성을 가지고, T1은 지수 함수로 피팅되어 구해질 수 있다(S142).
각각의 스핀-격자 완화 시간(T1)을 측정하는 단계(S111)는 상기 측정 대상의 개별적 완화시간 특성에 적합한 펄스 시퀀스를 설정하는 단계(S110), 상기 사전 자화 자기장 및 검출 자기장을 인가하는 단계(S112), 자유 유도 감쇄(FID) 신호를 측정하는 단계(S114), 상기 FID 신호를 푸리어 변환하여 소정의 원자핵의 공명 주파수에서의 신호 크기 또는 선폭을 측정하는 단계(S118), 상기 사전 자화 자기장의 인가 시간을 변경하는 단계(S124), 상기 사전 자화 자기장의 인가 시간에 따른 신호 크기 변화를 피팅하여 T1을 구하는 단계(142), 및 변경된 복수의 상기 사전 자화 자기장 크기에 대해, 위의 단계들을 반복하여 각각의 T1을 구하여 제1 파라미터 벡터를 구성하는 단계(S134)를 포함한다. 상기 제1 파라미터 벡터를 이용하여 상기 측정 대상의 품종이 확인된다.
도 3a를 참조하면, T1 측정을 위한 펄스 시퀸스는 사전 자화 자기장(Bp1) 및 검출 자기장(Bm)을 순차적으로 또는 동시에 인가할 수 있다. 상기 검출 자기장(Bm)은 상기 사전 자화 자기장(Bp1)이 꺼지 전에 인가되는 것이 바람직하다. 상기 사전 자화 자기장의 세기(Bp1)는 일정하다. 상기 사전 자화 자기장의 인가 시간(t_P1)은 펄스 시퀸스에 따라 변경된다. 상기 사전 자화 자기장(Bp1)이 꺼진 후 소정의 FLL 구동 시간(t_FLL)이 지난 시간부터 FID 신호를 측정 시간(t_measure) 동안 측정할 수 있다.
도 3b를 참조하면, 사전 자화 자기장의 인가 시간(t_P2)은 도 3a의 사전 자화 자기장의 인가 시간(t_P1)과 다르다(S124). 따라서, 측정 대상의 자화 정도에 따라, FID 신호의 초기 진폭은 변한다.
도 4는 도 3a의 펄스 시퀀스에 의하여 획득된 FID 신호의 푸리어 변환 결과이다.
도 4를 참조하면, 사전 자화 자기장의 인가 시간에 따른 수소 원자핵의 공명 주파수에서의 진폭을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 측정 대상의 1H 양성자의 자유유도감쇠(Free Induction Decay : FID) 신호의 FFT(Fast Fourier Transforamtion)를 보여준다. T2 *는 약 2.5 초 이상으로 나타났고, 신호 대 잡음비는 약 14.5 로 나타났다. FFT는 제로 필링(zero filling) 후에 수행되었다. 약 120 Hz 근방에서 주파수 피크가 나타난다. 이 피크의 위치는 인가한 2.82 uT (micro Tesla)크기의 검출 자기장에 해당하는 물의 공명 주파수인 120 Hz와 잘 일치한다. NMR 시스템의 공간 분해능을 의미하는 스펙트랄 레졸류션(spectral resolution)의 반치폭 (Full-Width-Half-Maximum : FWHM)는 약 0.5 Hz이다.
도 5는 사전 자화 자기장의 세기 또는 인가 시간에 따른 라모어 공명 주파수에서의 진폭을 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 수소 원자핵의 공명 주파수에서 진폭은 사전 자화 자기장(Bp1)의 인가 시간(t_P) 또는 세기에 따라 변한다. 사전 자화 자기장의 세기 또는 인가 시간이 증가함에 따K라, 측정 대상의 자화는 포화된다. 따라서, 측정 대상의 자화는 상기 진폭에 의존한다. 따라서, 상기 진폭은 인가 시간에 따라 지수 함수 의존성을 가지고, T1은 지수 함수로 피팅되어 구해질 수 있다(S142).
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 펄스 시퀀스를 설명하는 도면이다.
도 2 및 도 6을 참조하면, T1은 고정된 사전 자화 자기장(Bp)의 인가시간에서 사전 자화 자기장(Bp)의 세기를 변경하면서 FID 신호를 측정하여 구해질 수 있다(S134). 이에 따라, 사전 자화 자기장의 세기에 따라 측정 대상의 자화 정도가 결정된다. 측정된 FID 신호는 푸리어 변환(Fourier Transformation)될 수 있다(S116). 이어서, 주파수에 따른 푸리어 변환된 진폭이 구해진다(S118).
수소 원자핵의 공명 주파수에서 진폭은 사전 자화 자기장의 세기에 따라 측정될 수 있다. 사전 자화 자기장의 세기에 따른 수소 원자핵의 공명 주파수에서 진폭은 상기 세기가 증가함에 따라 포화된다. 상기 진폭은 세기에 따라 지수 함수의존성을 가지고, T1은 지수 함수로 피팅되어 구해질 수 있다(S142).
사전 자화 자기장의 인가 시간(t_P)은 일정하고, 사전 자화 자기장(Bp)의 세기가 펄스 시퀀스에 따라 증가 또는 감소한다. 사전 자화 자기장(Bp)이 꺼진 후 소정의 FLL 구동 시간(t_FLL)이 지난 시간부터 FID 신호를 측정 시간(t_measure) 동안 측정할 수 있다. 따라서, 고정된 사전 자화 자기장의 인가 시간에서 사전 자화 자기장의 세기에 따라, 수소핵의 공명 주파수에서의 진폭이 추출될 수 있다. 상기 진폭은 사전 자화 자기장의 세기에 따라 지수 함수 의존성을 가지고, 지수 함수 의존성에 의하여 T1이 추출될 수 있다.
수소 이외에 탄소, 질소 등의 다른 원자핵에 대하여, T1 및/또는 T2는 측정 대상의 품종에 따라 분류될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 사전 자화 자기장(Bp)에 따른 T1의 의존성을 설명하는 도면이다.
도 7을 참조하면, 수소 원자핵에 대하여 A 품종과 B 품종은 사전 자화 자기장(Bp)에 따라 서로 다른 T1 의존성을 가질 수 있다. 또한, 탄소 원자핵에 대하여 A 품종과 B 품종은 서로 다른 경향성의 T1 의존성을 가질 수 있다. 또한, 질소 원자핵에 대하여 A 품종과 B 품종은 서로 다른 경향성의 T1 의존성을 가질 수 있다. 따라서, 사전자화 자기장(Bp)에 따른 T1 의존성을 가지고 품종이 구별될 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 T2를 측정하는 펄스 시퀀스를 나타내는 도면이다.
도 9는 도 8의 T2를 측정하기 위한 펄스 시퀀스를 설명하는 도면이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 사전 자화 자기장(BP)이 인가되고, 상기 사전 자호 자기장이 꺼지지 전에 검출 자기장(Bm)의 인가 시점에 동시에 양의 경사 자기자계(B_G+)이 측정 대상에 인가된다. 또한, 양의 경사 자기장이 꺼지는 시간과 동시에 음의 경사 자기장(B_G-)가 측정 대상에 인가된다. 따라서, 측정 대상에서 탈위상화(dephasing)가 진행되던 스핀들이 극성이 반대인 음의 경사 자기장(B_G-)에 의해 재초점화된다. 재초점화는 그레디언트 에코(gradient echo) 신호를 발생시킬 수 있다. 양의 경사 자기장(B_G+)의 인가 시간은 t_G+이고, 음의 경사 자기장(B_G-)의 인가 시간은 t_G-이다.
사전 자화 자기장(Bp)이 꺼지기 이전에 검출 자기장(Bm)과 양의 경사자장(B_G+)이 켜지도록 펄스 시퀸스가 설계되었다. 양의 경사 자기장(B_G+)과 사전 자화 자기장(Bp)이 동시에 껴지는 시간(t_x)는 30 ms 이다. 양의 경사자장(B_G+)이 꺼짐과 동시에 음의 경사자장(B_G-)이 켜지도록 펄스열이 설계되었다. 음의 경사 자기장(B_G-)이 켜진 후 최대 전압에 도달하는 데에는 35 ms 가량의 시간 지연이 있었다. 음의 경사 자기장(B_G-)이 켜진 후에 FLL이 측정을 시작하는 시간(t_FLL)은 8 ms 이다.
그레디언트 에코(gradient echo) 신호는 푸리어 변환될 수 있다. 상기 수소 핵의 공명 주파수에서의 피크의 선폭의 역수는 T2를 나타낸다.
극저자기장 핵자기 공명 물체 식별 방법은 그레디언트 에코 신호를 이용하여 상기 측정 대상의 스핀-스핀 완화 시간(T2)을 측정하는 단계(S211), 및 상기 스핀-스핀 완화 시간을 이용하여 상기 측정 대상을 분류하는 단계(244)를 포함할 수 있다.
상기 측정 대상의 스핀-스핀 완화 시간(T2)을 측정하는 단계(S211)는 상기 측정 대상의 개별적 완화시간 특성에 적합한 펄스 시퀀스를 설정하는 단계(S210), 상기 사전 자화 자기장 및 검출 자기장을 인가하는 단계(S212), 양의 경사 자기장 및 음의 경사 자기장을 연속적으로 인가하는 단계(S213), 그레디언트 에코 신호를 측정하는 단계(S214), 상기 그레디언트 에코 신호를 푸리어 변환하여(S216) 소정의 원자핵의 공명 주파수에서의 신호 선폭을 측정하는 단계(S218), 및 소정의 원자핵의 공명 주파수에 따른 선폭 또는 선폭의 역수를 제2 파라미터 벡터로 구성하는 단계를 포함할 수 있다(S242). 상기 제2 파라미터 벡터를 이용하여 품종이 하여 품종이 확인될 수 있다(S244).
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 물체 식별 방법을 설명하는 도면이다.
도 11은 도 10의 FID 신호를 푸리어 변환하여 얻은 신호의 선폭을 측정하기 위한 펄스 시퀀스를 설명하는 도면이다.
도 12는 도 10의 물체 식별 방법을 이용하여 획득한 가상 데이터이다.
도 10 내지 도 12를 참조하면, 극저자기장 핵자기 공명 물체 식별 방법은 측정 대상에 검출 자기장의 세기를 변경하면서 자유 유도 감쇄 신호를 측정하고 푸리어 변환하여 소저의 원자핵의 공명 주파수에서의 신호 선폭을 측정하는 단계(S311); 및 상기 원자핵의 공명 주파수에서의 신호 선폭을 이용하여 상기 측정 대상을 분류하는 단계(S344)를 포함한다.
측정 대상에 검출 자기장의 세기를 변경하면서 자유 유도 감쇄 신호를 측정하고 푸리어 변환하여 원자핵의 공명 주파수의 선폭을 측정하는 단계(S311)는 상기 측정 대상의 개별적 완화시간 특성에 적합한 펄스 시퀀스를 설정하는 단계(S310), 사전 자화 자기장을 인가하는 단계(S312), 상기 검출 자기장을 인가하는 단계(S313), 자유 유도 감쇄(FID) 신호를 측정하는 단계(S314), 상기 FID 신호를 푸리어 변환하여 소정의 원자핵의 공명 주파수에서의 신호 선폭을 측정하는 단계(S316,S318), 상기 검출 자기장의 세기를 변경하는 단계(S334), 및 위의 단계의 반복적인 측정으로 상기 검출 자기장의 세기에 따른 소정의 원자핵의 공명 주파수에서의 신호 선폭으로 제3 파라미터 벡터를 구성하는 단계(S342)를 포함한다. 상기 제3 파라미터 벡터를 이용하여 상기 측정 대상의 품종이 확인된다(S344).
수소핵의 공명 주파수의 선폭을 측정하기 위한 펄스 시퀸스는 사전 자화 자기장(Bp1) 및 검출 자기장(Bm)을 순차적으로 또는 동시에 인가할 수 있다. 상기 검출 자기장(Bm)은 상기 사전 자화 자기장(Bp1)이 꺼지 전에 인가되는 것이 바람직하다. 상기 사전 자화 자기장의 세기(Bp)는 일정하다. 상기 사전 자화 자기장의 인가 시간(t_P)은 일정하다. 상기 사전 자화 자기장(Bp1)이 꺼진 후 소정의 FLL 구동 시간(t_FLL)이 지난 시간부터 FID 신호를 측정 시간(t_measure) 동안 측정할 수 있다. 검출 자기장(Bm)의 세기는 펄스 시퀀스에 따라 증가 또는 감소하도록 변경될 수 있다. 이에 따라, 검출 자기장(Bm)의 세기에 따른 소정의 원자핵의 공명 주파수에 따른 선폭은 품종 구분에 사용될 수 있다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 극저자기장 핵자기 공명 물체 식별 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 13을 참조하면, 극저자기장 핵자기 공명 물체 식별 방법은 복수의 사전 자화 자기장 크기에 대해 각각의 스핀-격자 완화 시간(T1)을 구하여 제1 파라미터 벡터를 구성하는 단계(S410), 그레디언트 에코 신호를 이용하여 소정의 원자핵의 공명 주파수에 따른 선폭 혹은 선폭의 역수(T2)을 제2 파라미터 벡터로 구성하는 단계(S420), 검출 자기장의 세기에 따른 소정의 원자핵의 공명 주파수에서의 신호 선폭의 값들로 제3 파라미터 벡터를 구성하는 단계(S430), 상기 제1 내지 제3 파라미터 벡터들의 성분들을 조합하여 새로운 파라미터 벡터를 구성하는 단계(S440), 및 상기 새로운 파라미터 벡터를 이용하여 측정 대상의 품종을 확인하는 단계(S470)를 포함한다.
본 발명의 변형된 실시예에 따른 극저자기장 핵자기 공명 물체 식별 방법은 복수의 사전 자화 자기장 크기에 대해 각각의 스핀-격자 완화 시간(T1)을 구하여 제1 파라미터 벡터를 구성하는 단계(S410), 그레디언트 에코 신호를 이용하여 소정의 원자핵의 공명 주파수에 따른 선폭 혹은 선폭의 역수(T2)을 제2 파라미터 벡터로 구성하는 단계(S420), 검출 자기장의 세기에 따른 소정의 원자핵의 공명 주파수에서의 신호 선폭의 값들로 제3 파라미터 벡터를 구성하는 단계(S430), 상기 제1 내지 제3 파라미터 벡터들의 성분들을 조합하여 새로운 파라미터 벡터를 구성하는 단계(S440), 및 구별하려는 여러 가지 물질의 반복 측정으로 각각의 물질에 대한 새로운 파라미터 벡터들을 수집하는 단계(S450), 및 수집된 새로운 파라미터 벡터들에 서포트벡터머신(support vector machine;SVM) 또는 주요소분석법(Principal component analysis;PCA)을 적용하여 구분에 효과적인 주요 벡터 성분을 찾아내고, 새로운 파라미터 벡터를 주요 벡터 성분으로 사영시킴으로써 파라미터 벡터의 차원을 줄이는 단계(S460), 및 차원 감소된 파라미터 벡터 성분을 이용하여 고속으로 물질의 품종을 확인하는 단계(S470)를 포함한다.
복수의 사전 자화 자기장 세기에 의해 구해진 복수의 T1들, 복수의 검출 자기장 세기에 의해 구해진 복수의 신호 선폭(혹은 그의 역수)들, 그레디언트 에코에 의해 구해진 T2를 각각의 차원 값으로 조합하여 파라미터 벡터(g)를 구성할 수 있다. 예를 들어, 파라미터 벡터(g)는 다음과 같이 주어질 수 있다. g=(T1@10mT, T1@20mT, T1@30mT, ... ,T2)).
구분하려는 물질군에 대해 반복적으로 측정하여 구성된 파라미터 벡터는 다차원 파라미터 벡터 공간상에 도시(plot)될 수 있다. 이에 따라, 물질군에 따른 파라미터 벡터 공간상에서의 군집이 관찰될 수 있다. 파라미터 벡터 공간상에서의 물질군 구분은 패턴인식연구에서 잘 알려진 서포트 벡터 머신(support vector machine:SVM)이나 인공지능망(artificial neural network; ANN)등의 방법을 통해 수학적으로 구분 기준(criteria)을 사용하여 수행될 수 있다.
파라미터의 수가 많아지면 측정 및 파라미터 공간에서의 구분에 시간이 걸릴 수도 있다. 이를 위해 SVM이나 주요소분석(Principal component analysis)를 통해서 파라미터의 성분 중 중요한 차원만을 남기고 다른 차원을 그 중요차원에 사영시킴으로써, 파라미터 공간의 차원을 축소할 수 있다.
축소된 파라미터 벡터 구성요소를 이용하여 보다 고속으로 물질을 구분하는 것이 가능하다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

Claims (10)

  1. 측정 대상에 복수의 사전 자화 자기장의 세기에서 각각의 스핀-격자 완화 시간(T1)을 측정하는 단계; 및
    상기 스핀-격자 완화 시간을 이용하여 상기 측정 대상을 분류하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 극저자기장 핵자기 공명 물체 식별 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    각각의 스핀-격자 완화 시간(T1)들을 측정하는 단계는:
    상기 측정 대상의 개별적 완화시간 특성에 적합한 펄스 시퀀스를 설정하는 단계;
    상기 사전 자화 자기장 및 검출 자기장을 인가하는 단계;
    자유 유도 감쇄(FID) 신호를 측정하는 단계;
    상기 FID 신호를 푸리어 변환하여 소정의 원자핵의 공명 주파수에서의 신호 크기 또는 선폭을 측정하는 단계;
    상기 사전 자화 자기장의 인가 시간을 변경하는 단계;
    상기 사전 자화 자기장의 인가 시간에 따른 신호 크기 변화를 피팅하여 T1을 구하는 단계; 및
    변경된 복수의 상기 사전 자화 자기장 크기에 대해, 위의 단계들을 반복하여 각각의 T1을 구하여 제1 파라미터 벡터를 구성하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 파라미터 벡터를 이용하여 상기 측정 대상의 품종이 확인되는 것을 특징으로 하는 극저자기장 핵자기 공명 물체 식별 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    그레디언트 에코 신호를 이용하여 상기 측정 대상의 스핀-스핀 완화 시간(T2)을 측정하는 단계; 및
    상기 스핀-스핀 완화 시간을 이용하여 상기 측정 대상을 분류하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 극저자기장 핵자기 공명 물체 식별 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 측정 대상의 스핀-스핀 완화 시간(T2)을 측정하는 단계는:
    상기 측정 대상의 개별적 완화시간 특성에 적합한 펄스 시퀀스를 설정하는 단계;
    상기 사전 자화 자기장 및 검출 자기장을 인가하는 단계;
    양의 경사 자기장 및 음의 경사 자기장을 연속적으로 인가하는 단계;
    그레디언트 에코 신호를 측정하는 단계;
    상기 그레디언트 에코 신호를 푸리어 변환하여 소정의 원자핵의 공명 주파수에서의 신호 선폭을 측정하는 단계; 및
    소정의 원자핵의 공명 주파수에 따른 선폭 또는 선폭의 역수를 제2 파라미터 벡터로 구성하는 단계를 포함하고,
    상기 제2 파라미터 벡터를 이용하여 품종이 하여 품종이 확인되는 것을 특징으로 하는 극저자기장 핵자기 공명 물체 식별 방법.
  5. 측정 대상에 검출 자기장의 세기를 변경하면서 자유 유도 감쇄 신호를 측정하고 푸리어 변환하여 소저의 원자핵의 공명 주파수에서의 신호 선폭을 측정하는 단계; 및
    상기 원자핵의 공명 주파수에서의 신호 선폭을 이용하여 상기 측정 대상을 분류하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 극저자기장 핵자기 공명 물체 식별 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    측정 대상에 검출 자기장의 세기를 변경하면서 자유 유도 감쇄 신호를 측정하고 푸리어 변환하여 원자핵의 공명 주파수의 선폭을 측정하는 단계는:
    상기 측정 대상의 개별적 완화시간 특성에 적합한 펄스 시퀀스를 설정하는 단계;
    사전 자화 자기장을 인가하는 단계;
    상기 검출 자기장을 인가하는 단계;
    자유 유도 감쇄(FID) 신호를 측정하는 단계;
    상기 FID 신호를 푸리어 변환하여 소정의 원자핵의 공명 주파수에서의 신호 선폭을 측정하는 단계;
    상기 검출 자기장의 세기를 변경하는 단계; 및
    위의 단계의 반복적인 측정으로 상기 검출 자기장의 세기에 따른 소정의 원자핵의 공명 주파수에서의 신호 선폭으로 제3 파라미터 벡터를 구성하는 단계를 포함하고,
    상기 제3 파라미터 벡터를 이용하여 상기 측정 대상의 품종이 확인되는 것을 특징으로 하는 극저자기장 핵자기 공명 물체 식별 방법.
  7. 복수의 사전 자화 자기장 크기에 대해 각각의 스핀-격자 완화 시간(T1)을 구하여 제1 파라미터 벡터를 구성하는 단계;
    그레디언트 에코 신호를 이용하여 소정의 원자핵의 공명 주파수에 따른 선폭 혹은 선폭의 역수(T2)을 제2 파라미터 벡터로 구성하는 단계;
    검출 자기장의 세기에 따른 소정의 원자핵의 공명 주파수에서의 신호 선폭의 값들로 제3 파라미터 벡터를 구성하는 단계;
    상기 제1 내지 제3 파라미터 벡터들의 성분들을 조합하여 새로운 파라미터 벡터를 구성하는 단계; 및
    상기 새로운 파라미터 벡터를 이용하여 측정 대상의 품종을 확인하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 극저자기장 핵자기 공명 물체 식별 방법.
  8. 복수의 사전 자화 자기장 크기에 대해 각각의 스핀-격자 완화 시간(T1)을 구하여 제1 파라미터 벡터를 구성하는 단계;
    그레디언트 에코 신호를 이용하여 소정의 원자핵의 공명 주파수에 따른 선폭 혹은 선폭의 역수(T2)을 제2 파라미터 벡터로 구성하는 단계;
    검출 자기장의 세기에 따른 소정의 원자핵의 공명 주파수에서의 신호 선폭의 값들로 제3 파라미터 벡터를 구성하는 단계;
    상기 제1 내지 제3 파라미터 벡터들의 성분들을 조합하여 새로운 파라미터 벡터를 구성하는 단계;
    구별하려는 여러 가지 물질의 반복 측정으로 각각의 물질에 대한 새로운 파라미터 벡터들을 수집하는 단계;
    수집된 새로운 파라미터 벡터들에 서포트벡터머신(support vector machine;SVM) 또는 주요소분석법(Principal component analysis;PCA)을 적용하여 구분에 효과적인 주요 벡터 성분을 찾아내고, 새로운 파라미터 벡터를 주요 벡터 성분으로 사영시킴으로써 파라미터 벡터의 차원을 줄이는 단계; 및
    차원 감소된 파라미터 벡터 성분을 이용하여 고속으로 물질의 품종을 확인하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 극저자기장 핵자기 공명 물체 식별 방법.
  9. 저온 액체 냉매를 담고 있는 듀아;
    측정 대상을 사전 자화시키는 사전자화 코일;
    상기 사전자화 코일에 전류를 단속적으로 인가하여 사전자화 자기장(Bp)을 형성하는 사전자화 코일 구동부;
    상기 사전자화 코일에 의하여 상기 사전자화 자기장(Bp)이 인가되는 측정 대상에 의한 핵자기 공명 신호를 측정하는 센서부;
    측정 대상에 검출 자기장을 인가하는 검출 코일; 및
    상기 검출 코일에 전류를 인가하여 상기 측정 대상에 검출 자기장(readout magnetic field)을 인가하는 검출 자기장 전원부를 포함하고,
    상기 센서부는 상기 측정 대상에 복수의 사전 자화 자기장의 세기에서 각각의 스핀-격자 완화 시간(T1)을 측정하고, 상기 스핀-격자 완화 시간을 이용하여 상기 측정 대상을 분류하는 것을 특징으로 하는 극저자기장 핵자기 공명 물체 식별 장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 측정 대상에 경사 자기장을 인가하는 경사 자기장 코일;
    상기 경사 자기장 코일에 전류를 공급하는 경사 자기장 구동부;
    상기 경사 자기장 구동부에 전원을 제공하는 경사 자기장 전원부; 및
    상기 사전 자화 코일 구동부, 상기 검출 자기장 전원부, 및 검출 자기장 전원부에 펄스 스퀀스를 제공하는 펄스 시퀀스 발생부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 극저자기장 핵자기 공명 물체 식별 장치.
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