High resolution NMR imaging methods and experimental setups which can be applied to the existing NMR imaging and NMR spectroscopy systems are described. Limitations and requirements of the high resolution imaging are analyzed. An ultimate resolution and voxel size dependent signal-to-noise ratio in microscopic resolution imaging (NMR microscopy) are presented and experimentally verified. New pulse sequences which reduce both diffusion-dependent resolution degradation and signal attenuation are developed and selection of optimal bandwidth and acquisition time for maximal SNR is described. A new surface gradient coil consisting of three orthogonal channels and a planar form is described. This coil has been developed for high-resolution imaging which generally requires strong gradient fields. The surface gradient coil can produce strong gradient fields with good linearity within a limited imaging region. To increase the signal-to-noise ratio, an integrated surface RF coil-surface gradient coil set is developed and experimentally examined. A design of three-channel surface gradient coil to improve the performances are also presented. The optimized new surface gradient coil provides wider linear field gradient region, removes rotational force and field offset, and reduces coupling between the surface gradient coil and combined surface RF coil. In this thesis, the geometrical structures and characteristics of the proposed surface gradient coil are discussed, and some experimental results obtained by use of the coil sets are presented. Microscopic images of water-filled phantoms and plant stems were obtained by using the developed imaging setups and the imaging methods. Localized high resolution images of water-filled phantoms and volunteer's knee and spinal cord were obtained by using the surface RF coil-surface gradient coil sets.
일반적인 핵자기공명 영상의 공간 분해능은 1mm 정도이지만 이 분해능을 크게 향상 시키면 기존의 영상관측장비와 전혀 다른 다양한 미시정보를 얻을수 있으며, 특히 수 micron이하의 분해능을 갖는 핵자기공명 현미 영상장치를 완성하게 되면 이것은 기존의 현미경을 보완하거나 새로운 정보를 제공하는 미시 관찰 장비로 다양한 분야에 이용이 될것으로 기대되고 있다.
그러나 해상도를 높여감에 따라 일반적인 영상에서는 일어나지 않는 다음과 같은 여러가지 문제가 발생한다. 첫째, 분해능을 높여감에 따라 영상영역안의 스핀수가 감소하여 핵자기공명 신호가 작아지고 신호대 잡음비가 급격히 악화한다. 둘째, 핵자기공명 영상의 분해능은 사용하는 경사자계의 세기에 비례하므로 현미영상을 위해서는 강한 경사자계를 발생하는 장치와 신호대 잡음비의 감소를 보상하기위한 고감도의 신호 수집장치가 필수적인데, 이것을 기존 장치의 크기를 축소하여 실현하면 영상대상이 작은 물체로 제한되어 인체와 같은 큰 물체에는 적용이 불가능하다. 셋째, 영상대상의 내부에서 일어나는 확산현상도 현미영상에 사용하는 강한 경사자계 하에서 겪는 불규칙 위상에 의한 신호의 감쇄를 초래할 뿐만 아니라, 분자의 공간이동에 의하여 분해능의 한계 요소로도 작용한다. 넷째, 큰 물체의 고분해능 영상을 위해서는 영상 영역만을 선택하여 신호가 나오도록 하는 체적 선택기법이 필수적이다.
본 논문에서는 이러한 문제점들을 해결하기위해 핵자기공명 현미영상을 얻으려 할때 일어나는 현상에 대한 이론적 해석을 바탕으로 하여 신호대 잡음비와 한계 분해능 및 확산현상의 관계를 규명하였다. 그리하여 확산에의한 영향을 최소로 하고 최대의 신호대 잡음비를 얻는 현미영상용 영상기법과 현미영상에 적합한 영상장치를 제안하였으며, 이것을 사용하여 $4\mu{m}$ 분해능의 핵자기공명 현미영상을 얻었다.
또한 인체나 살아있는 물체에 대한 고분해능 영상 또는 현미영상에 적합한 새로운 개념의 경자계 발생장치인 평면 경사자계코일을 제안 하였다. 이 평면 경사자계코일은 기존의 원통형 경사자계코일과 달리 하나의 평면구성으로 세축방향의 강한 경사자계를 선택한 영역 안에서 얻을 수 있다. 따라서 기존 구조의 크기를 축소하여 현미영상용의 강한 경사자계를 얻으려 할 때 일어나는 문제점인 영상대상의 크기제한과 큰 물체의 고해상도 영상에 필요한 체적선택의 문제를 동시에 해결하였다. 이 평면경사자계 코일과 다양한 형태의 고주파 코일을 결합하여 평면 영상장치를 실현하였고, 이것을 기존의 핵자기공명 영상장치와 결합하여 기존의 방법으로는 거의 불가능 했던 인체의 고해상도 영상과 살아있는 식물의 성장상태에 대한 연속적인 현미영상을 얻었다. 끝으로 본 논문에서 제안한 영상장치와 영상기법을 10 tesla 이상의 강한 초전도자석을 사용한 핵자기공명 영상장치와 결합하면 핵자기공명 현미영상의 실용화에 좀더 접근할 수 있을 것으로 기대한다.
