저 자기장 조골세포 재형성 시스템용 RF 코일 설계

Design of RF Coil for Low Magnetic-Field Osteoblast Reformation System

Abstract

골다공증을 치료하기 위하여 조골세포의 재형성 증가를 위해 사용되는 장치에서는 뼈의 외부에서 자기장을 인가하게 되면 뼈에 포함된 무기질이 일정한 방향으로 정렬되며, 세차운동을 하게 된다. 이러한 상황에서 RF 코일을 이용하여 90도 RF 펄스를 인가하면 무기질의 양성자가 여기 상태에 이르게 되며, 뼈 속에서의 조골세포의 침착에 촉진하는 인의 활성도가 증가하여 뼈의 재형성이 증가하게 된다. 이 때 세차 운동 주파수의 고조파에 해당하는 신호를 RF 코일에서 90도 RF 펄스로 발생시키는 RF 코일의 크기를 소형화하면 조골세포 재형성 시스템의 전체 크기를 획기적으로 감소시킬 수 있다. 본 연구에서는 조골세포 재형성 시스템에 사용될 수 있는 RF 코일의 소형화를 위한 방법론을 제시하며, 설계 후 측정을 통하여 검증한다. 본 연구에서 구현한 RF 코일의 커패시터는 25 pF, 인덕터는 약 100 nH, 공진주파수는 대략 96 MHz이며, 제작된 RF 코일의 end 링의 반지름은 18 cm, 다리 총 길이는 $2{\times}11.6cm$이다.

In devices used for re-forming osteoblasts to treat osteoporosis, a magnetic field is applied from the outside of the bone, and the minerals contained in the bone are aligned in a certain direction and undergo precessional motion. When a $90^{\circ}$ RF pulse is applied by using an RF coil, protons of minerals are brought to an excited state, and phosphorus activity promoting the deposition of osteoblasts in the bone is increased, thereby reshaping the bone. Miniaturizing the RF coil that generates a signal corresponding to the harmonic of the precessional motional frequency by means of the $90^{\circ}$ RF pulse can drastically reduce the overall size of the bone reshaping system. In this study, we propose a methodology for the miniaturization of the RF coil that can be used for osteoblast re-formation using a bone reshaping system. The capacitance of the designed RF coil is 25 pF, the inductance is approximately 100 nH, and the resonance frequency is 96 MHz. The radius of the end ring of the designed RF coil is 18 cm, and the total length of the leg is $2{\times}11.6cm$. The performance of the coil is verified through post-design measurement.

그림 1. 3D birdcage 형태의 RF 코일(2개의 ER) Fig. 1. The 3D birdcage coil(DER).

그림 2. 3D birdcage 형태의 RF 코일(2개의 ER)의 간략도 Fig. 2. The simplified 3D birdcage coil(DER).

그림 3. 3D birdcage 형태의 RF 코일의 등가회로 Fig. 3. The equivalent circuit model for 3D birdcage RF coil.

그림 4. ER을 3개 사용한 3D birdcage RF 코일 Fig. 4. 3D birdcage coil(TER).

그림 5. C값에 따른 TER RF 코일의 반사손실 Fig. 5. Return loss of TER RF coil by varying C value.

그림 6. l_M 값에 따른 TER RF 코일의 반사손실 Fig. 6. Return loss of TER RF coil by varying l_M.

그림 7. DER RF 코일의 반사손실 Fig. 7. Return loss of DER RF coil(Compared with TER RF coil).

그림 8. TER RF 코일의 자기장 분포 Fig. 8. Magnetic field distribution of TER RF coil.

그림 9. DER RF 코일의 자기장 분포 Fig. 9. Magnetic field distribution of DER RF coil.

그림 10. RF 코일의 자기장 분포 모사 결과 Fig. 10. Simulated magnetic field distribution of RF coils.

그림 11. TER RF 코일 제작 사진 Fig. 11. Photograph of the TER RF coil.

그림 12. TER RF 코일의 반사손실 Fig. 12. Return loss of TER RF coil.

표 1. 설계된 TER RF 코일의 파라미터 값 Table 1. Parameter value of designed TER RF coil.