Design and Implementation of Microstrip Quadrature Coupler and High Power Transmitting/Receiving Switch Using Dynamic Loading Technique for 1-Tesal MRI System

동적 부하 기술을 이용한 1-Tesla 자기공명 영상 시스템용 마이크로 스트립 quadrature coupler 및 고출력 송수신 스위치의 설계 및 제작

It is now common practice to utilize the quadrature RF coils to improve the signal-to-noise ratio (SNR) in the Magnetic Resonance Imaging (MRI) System. In addition, to make such an available SNR improvement, it is mandatory to use a well-designed quadrature coupler, which facilitates a perfect 3-dB coupling and quadrature-phase shift. However, the four ports matching condition has to be well considered during the RF excitation and the signal detection period. This work investigates the effects of such a mismatching condition (especially, due to patient) from the analysis, simulation, and real implementation and firstly proposes dynamic loading technique for a quadrature coupler and transmitting/receiving switch module to minimize a patient mismatching and enhance a system reliability. Also, we designed and implemented the quadrature coupler and transmitting/receiving switch module using microstrip. As a result, the SNR of our MRI system using the microstrip quadrature coupler and transmitting/receiving switch module with dynamic load increases 3 dB compared with the old one using USA quadrature switch. Also, the power capability of quadrature coupler and transmitting/receiving switch module is 5-kw peak power. Considering power loss and reduction of size, we used a RT/duroid 6010 substrate with high permittivity and for simulation we use Compact Software.

자기공명영상 시스템의 신호 대 잡음 비(SNR, Signal-to-Noise Ratio)를 향상시키기 위해서 quadrature RF 코일을 사용하는 것은 최근의 일반적인 방법이다. 그렇지만 이 때 SNR의 향상을 가져오기 위해서는 완벽한 3dB 커플링과 90°위상차를 가지는 잘 설계된 quadrature coupler가 필수적이다. 또한 RF 여기 주기와 검파 주기 동안 각 포트의 임피던스 정합 조건이 잘 만족되어야 한다. 본 논문에서는 분석과 시뮬레이션 및 제작을 통해 임피던스 부정합 조건(특히,환자)의 영향을 살펴보았고 이의 영향을 최소화하고 시스템의 신뢰성을 향상시키기 위한 회로 기술로 동적 로딩(dynamic loading)을 처음으로 quadrature coupler 와 송수신 스위치 모듈에 적용하는 것을 제안했다. 또한 quadrature coupler와 송수신 스위치 모듈을 마이크로 스트립을 이용해 설계하고 제작 하였다. 결과적으로 자기공명영상 시스템의 SNR은 수신 동적 부하가 없고 불연속 소자로 된 종전 모듈을 사용했을 때보다 시스템의 SNR이 3dB 높아졌다. 또한 이 모듈은 자기공명영상 시스템이의 최대 5kw의 고출력 RF 신호의 처리가 가능하다. 전력 손실과 크기를 고려할 때, 고유전율을 가진 R/Tduroid 6010 기판을 사용하였으며, 시뮬레이션은 Compact Software을 사용 했다.