采用平面频率混合磁检测技术研制了一种用于平面样品中磁性颗粒成像的扫描仪。该技术通过双频激励,记录颗粒非线性无滞回磁化产生的磁互调响应,可用于对薄层生物样品进行二维成像。
采用平面频率混合磁检测技术研制了一种用于平面样品中磁性颗粒成像的扫描仪。该技术通过双频激励,记录颗粒非线性无滞回磁化产生的磁互调响应,可用于对薄层生物样品进行二维成像。
本文介绍了一种用于对平面样品进行磁性颗粒成像(MPI)的平面频率混合磁检测(p-FMMD)扫描仪的构建方法。该装置由两个磁测量探头组成,分别安装在U形支架两臂上,并位于样品的两侧。样品局部暴露于一个包含两个不同频率成分的磁激励场中:一个较强的组分约为77 kHz,另一个较弱的场为61 Hz。超顺磁性颗粒的非线性磁化特性会引发互调产物的产生。通过解调电子系统,记录作用于磁非线性颗粒上的高频与低频磁场的某一选定和频分量。与传统的MPI扫描仪不同,p-FMMD无需对整个样品施加强磁场,因为频率混合仅在局部发生。因此,样品的横向尺寸仅受限于扫描范围和支持结构。然而,样品的高度决定了空间分辨率,在当前装置中该分辨率被限制在2 mm以内。作为示例,我们展示了从两种样品获得的20 mm × 25 mm p-FMMD图像:一种是硅醇基质中直径为1 µm的磁赤铁矿颗粒,另一种是氨基硅烷基质中粒径为50 nm的磁铁矿颗粒。结果表明,这种新型MPI扫描仪可用于薄层生物样品的分析以及医学诊断应用。
磁性纳米颗粒(MNP)在分子生物学和医学领域已得到广泛应用, 即用于生物分子和单个细胞的操作1,用于选择性地标记目标实体以进行检测,2, 3 用于染色质调控,4 用于 mRNA 分离和癌症治疗。5 由于其超顺磁特性,它们在医学成像中尤为有用。例如,可作为磁共振成像(MRI)的对比剂或示踪剂,或用于基于超导量子干涉仪(SQUID)探测器的磁化率成像。 2, 6 超顺磁性纳米颗粒对具有抗磁性或顺磁性的人体不同组织可产生良好的对比度。7 因此,这些颗粒可方便地用于对人体部位进行医学成像,具有相对较高的空间分辨率和灵敏度。8
Gleich 和 Weizenecker9 提出的磁粒子成像(Magnetic Particle Imaging, MPI)技术利用了磁性粒子磁化特性的非线性。在零磁场或弱偏置磁场下,由于磁性纳米粒子(MNP)具有较大的磁化率,其对频率为 f 的交流激励信号的响应较强。特别是,粒子磁化的非线性特性会产生频率为 n·f 的谐波信号(n = 2, 3, 4 …)。而在高偏置磁场下,由于粒子已达到磁饱和状态,其谐波响应显著减弱。在 MPI 技术中,样品整体处于磁化状态,仅存在一条无磁场线(field-free line, FFL)或一个无磁场点(field-free point, FFP)。只有位于该线或点附近的粒子才会对样品的非线性响应产生贡献。通过移动 FFP 并结合适当的接收线圈,Gleich 和 Weizenecker 获得了空间分辨率达到 1 mm 的 MPI 图像。
为了获取磁性纳米粒子(MNP)空间分布的信息,通常采用两种方法:一种是相对于样品机械移动传感器,另一种是利用电磁铁移动聚焦场线(FFL)或聚焦场点(FFP)2, 3。在后一种情况下,需要采用谐波空间磁粒子成像(harmonic-space MPI)3 或 X-space MPI10, 11, 12 等图像重建技术。磁粒子成像的空间分辨率由激发线圈和检测线圈的卷积特性以及磁场梯度的特性共同决定。这使得图像重建算法能够获得优于本征分辨率的成像效果,而本征分辨率由拾取线圈的尺寸与间距以及由麦克斯韦方程组决定的磁场分布所确定。
MPI 扫描仪通常由一个用于磁化整个样本的强磁体、一个用于在样本中可控移动 FFL 或 FFP 的线圈系统、一个高频激发线圈系统,以及一个用于接收样本非线性响应信号的检测线圈系统组成。FFL/FFP 在样本体积内持续移动,同时记录来自该未饱和样本区域的谐波响应。为避免样本难以置入扫描仪的问题,Gräfe 等人已展示了一种单侧 MPI 扫描仪。 等13然而,这会以降低性能为代价。当样本被磁体和线圈完全包围时,可获得最佳结果。由于除FFL/FFP区域外,样本需被完全磁化,该技术需要使用带有水冷系统的较大且较强的磁体,从而导致MPI系统较为笨重和沉重。
我们的方法基于超顺磁性颗粒非线性磁化曲线的频率混频效应14。当超顺磁性颗粒暴露于两个不同频率(f1 和 f2)的磁场时,会产生代表线性组合 m·f1 + n·f2(其中 m、n 为整数)的和频信号。研究表明,这些频率成分的出现高度依赖于颗粒磁化曲线的非线性特性15。换句话说,当磁性纳米颗粒样品同时受到频率为 f2 的驱动磁场和频率为 f1 的探测磁场作用时,颗粒会产生频率为 f1 + 2·f2 的响应磁场。若无磁性非线性的样品存在,该和频信号将不会产生,因此该方法具有极高的特异性。我们将此方法称为"频率混频磁检测"(FMMD)。实验已证实,该技术在颗粒浓度上可实现超过四个数量级的动态范围14。
与典型的磁粒子成像(MPI)仪器不同,平面频率混合磁检测(p-FMMD)方法无需将样品磁化至接近饱和状态,因为和频分量 f1 + 2·f2 在零静态偏置场时达到最大值14。因此,无需使用强而笨重的磁体。事实上,测量探头的外部尺寸仅为 77 mm × 68 mm × 29 mm。作为对比,MPI装置通常尺寸以米计7。然而,该方法的缺点是当前设置下仅适用于最大厚度为 2 mm 的平面样品。样品必须相对于双面测量探头进行扫描。虽然可通过重构实现对更厚样品的检测,但需以牺牲空间分辨率为代价。
基于该频率混合磁性检测(FMMD)技术,我们提出了一种用于平面样品的特殊MPI探测器,即所谓的"平面频率混合磁检测"(p-FMMD)扫描仪。其原理最近已被发表17。在本研究中,我们重点介绍该技术的方法学,并提供构建此类扫描仪及执行扫描操作的详细实验方案。已有研究表明,MPI可用于心血管或癌症成像等医学诊断目的16, 18, 19。因此,我们认为这种新型MPI扫描仪可广泛应用于多种潜在领域,例如,用于测量组织切片中磁性颗粒的分布。
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1. 设计平面 FMMD 测量头

图1. p-FMMD装置的示意图。两个测量探头通过电子方式相互连接,样品置于两个探头之间的空间中。检测线圈(+)用于测量样品信号,反向绕制的检测线圈(-)作为参考,以消除高频激励线圈产生的直接场。Amp — 前置放大器,x — 混频器,LPF — 低通滤波器,DAQ — 数据采集系统。请点击此处查看此图的放大版本。
2. 构建测量头

图2. p-FMMD探头的技术图纸与实物照片。 左上方为垂直平面的剖面图,左下方为水平平面的剖面图,右侧为绕制线圈前打开状态的探头实物照片。1 - 铝制支撑架,2 - 检测线圈骨架,3 - 可旋转上下移动的激励线圈螺纹骨架,4 - 样品支撑板,5 - 铝制端盖,6 - 样品限位支撑,7 - x 方向限位块,8 - y 方向限位块。进行扫描时,6 - 8 部件需拆除。p-FMMD探头尺寸为 77 mm × 68 mm × 29 mm。请点击此处查看该图的放大版本。
3. 设置测量电子设备
4. 设置二维扫描仪
5. 准备样品
6. 执行二维 FMMD 扫描

图3. p-FMMD测量装置示意图。 样品通过胶带固定在由电机驱动平台(左侧)移动的塑料载体上,然后在p-FMMD探头(右侧)中进行扫描。请点击此处查看此图的放大版本。

图4. 扫描软件的图形用户界面。 在此处输入扫描参数。按下红色按钮开始测量。
7. 图像处理
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图5a展示了内层双差分检测线圈在样品平面内随坐标x和y变化的计算灵敏度分布。该分布通过反向方法计算得出:确定由全部四个检测线圈在中心平面内各点(x, y)产生的磁场叠加结果。反过来,这决定了检测线圈在每个点处对磁矩的灵敏度。计算过程中将线圈近似为高度可忽略的长线圈。因此,图5a中所示的灵敏度分布代表了扫描平面内的灵敏度图,即所谓的点扩展函数(PSF)。类似地,图5b展示了灵敏度随轴向坐标z和径向坐标r(r2 = x2 + y2)的变化关系,从而给出了测量头狭缝内灵敏度的垂直映射。原点x = 0和y = 0位于检测线圈的正中心。上下两个检测线圈中心之间的间距为2 mm。线圈参数列于表1
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该测量技术利用了超顺磁性颗粒磁化曲线的非线性特性。双侧测量探头同时向样品施加两个不同频率的磁激励场:一个低频(f2)分量用于使颗粒达到磁饱和,另一个高频(f1)探测场用于测量其非线性磁响应。具体而言,入射场的各次谐波(m·f1 和 n·f2)以及和频信号(m·f1 + n·f2,其中 m、n 为整数)均会被产生。这些互调产物由差分绕制的拾取线圈检测。参考线圈由于远离样品,不会接收到这些信号,其作用是抑制直接感应的高频激励信号,否则该信号将使前置放大器饱和。因此,由超顺磁性材料产生的微弱和频信号得以被测量和量化。在读出电子系统中,仅对和频为 f1 + 2·f2 的互调产物进行解调,因为这是在无静态偏置场条件下最强的非线性分量。研究表明,该技术可实现快速处...
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作者无任何利益冲突需要披露。
这项工作由 ICT R 资助&D 计划,韩国信息通信技术部/韩国信息通信技术促进署(资助编号:B0132-15-1001,下一代成像系统的开发)
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 磁性颗粒 "SiMAG Silanol" | Chemicell (http://www.chemicell.com) | 1101-5 | 磁性二氧化硅颗粒的水分散液,磁赤铁矿,直径 1 µm |
| 磁性纳米颗粒 "fluidMAG-Amine" | Chemicell (http://www.chemicell.com) | 4121-5 | 磁性纳米颗粒的水分散液,磁铁矿,直径 50 nm |
| 微量管 10 µl | Hirschmann Laborgeräte (http://www.hirschmann-laborgeraete.de/?sc_lang=en) | 容积 10 µl,外径 400 µm,长度 40 mm | |
| 硝酸纤维素膜 Biodyne B | Thermo Scientific (http://www.thermoscientific.com) | 77016 | Biodyne B 尼龙膜,0.45 µm,8 cm × 12 cm |
| DDS 芯片 AD9834 | Analog Devices (http://www.analog.com) | AD9834 | 20 mW 功率,2.3 V 至 5.5 V,75 MHz 完整 DDS |
| 运算放大器 AD829 | Analog Devices (http://www.analog.com) | AD829 | 高速、低噪声视频运算放大器 |
| 模拟乘法器 MPY634 | Texas Instruments (http://www.ti.com) | MPY634 | 宽带宽精密模拟乘法器 |
| 高速缓冲器 BUF634 | Texas Instruments (http://www.ti.com) | BUF634 | 250 mA 高速缓冲器 |
| 运算放大器 OPA627 | Texas Instruments (http://www.ti.com) | OPA627 | 精密高速 Difet(R) 运算放大器 |
| 运算放大器 TL072 | Texas Instruments (http://www.ti.com) | TL072 | 双通道低噪声结型场效应管输入通用运算放大器 |
| 锁相放大器 SR830 | Stanford Instruments (http://www.thinksrs.com) | SR830 | 100 kHz 数字信号处理锁相放大器 |
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