Name: 量化混合使用磁共振成像 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-01-25T12:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 33 s
Description: 了解如何使用磁共振成像技术评估静态混合器中的混合过程。该方法可实时可视化不透明流体，并提供组分浓度和混合效率的定量数据，适用于个人护理产品及食品、化工、生物质和生物流体等多种行业。

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作者感谢Aspect Imaging（以色列莫迪因工业区绍哈姆）提供本研究中使用的脉冲序列。本工作部分由华盛顿大学过程分析化学中心（美国华盛顿州西雅图）的资助支持，同时得到宝洁公司提供的实物贡献和财务支持。

1. 混合器设计
<ol>
	<li>使用 CAD 程序设计静态混合器的混合段。</li>
</ol>
SAR 混合器由多种不同的板几何结构组成；这些几何结构如图 3所示。每块激光切割的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）板厚度为 1.59 mm，在底部设有矩形键，以便在带有丙烯酸棒的 PVC 管中对齐。该几何结构与文献[3, 4]中描述的类似，不同之处在于扩张和收缩部分的壁面由一系列离散的“阶梯”状台阶构成，这是由于离散板的对齐方式所致，而非平滑的斜面。尽管此处的构造材料为 PMMA 和 PVC，也可制造不透明的非金属混合器。
<ol start="2">
	<li>对齐各个板片以形成混合器的重复单元。将板片紧密地放置于一段1½英寸的40号透明PVC管中。</li>
	<li> 图4展示了从侧面观察的静态混合器。注意，两种流体从图的左侧进入。其中作为次要组分的流体以深色区域表示，通过喷嘴（S板，图3）进入，并在无色的主要组分中形成一股细流。重复单元从S板之后的第一个C板开始，一直向下游延伸至第48号板，该板同样为C板。在每个重复单元中，两种流体首先进入8个开放式通道板（C板）。随后，流体被8个I板在垂直方向上物理分隔成两个通道，接着进入实际的混合区段。混合区段共包含16块板，从上游到下游依次为：I、A、B、D、E、F、G、J、J、K、L、M、N、O、P和H板。流体离开混合区段后进入8个H板，此时流体在水平方向上被物理分割为两个通道。H区段之后是8个开放式通道板（C板）。该48板的结构在混合器中重复6次。图4中所示的1至96号板代表了两个重复单元。</li>
</ol>
2. 带有磁共振成像系统和混合器的流动系统
<ol>
	<li>组装一个流动系统，将卡波普溶液通过在线分流-重混静态混合器进行泵送。能够控制并记录测试流体的质量流量。此外，在混合器上游集成一个压力传感器以监测压力。</li>
	<li>将混合器置于磁体中 (图 5)。该磁体为一台基于1特斯拉永磁体的成像谱仪（Aspect Imaging, Industrial Area Hevel Modi'in, Shoham, Israel）的一部分，其峰值梯度强度为0.3 T/m。磁体外壳的尺寸为700 × 700 × 600 mm。</li>
	<li>将部分卡波普溶液掺杂氯化锰（MnCl2），作为次要组分；主要组分为未掺杂的卡波普溶液。图 6 示意了流动系统的示意图。</li>
</ol>
3. 测试流体的表征
<ol>
	<li>通过将称量好的聚合物缓慢筛入搅拌罐中的去离子水中，制备0.2% w/w的卡波姆（Carbopol，The Lubrizol Corporation）溶液。该系列聚合物产品基于交联丙烯酸化学结构，广泛用作个人护理和家用产品中的流变改性剂。用50%的NaOH溶液将卡波姆溶液中和至pH 7；中和可使聚合物在水中溶胀形成凝胶，从而达到最大黏度。另制备一份含有MR对比剂MnCl2的卡波姆溶液，终浓度为0.040 mM；该溶液称为掺杂示踪流体。</li>
	<li>使用TA Instruments AR-G2流变仪（New Castle, DE），在标准库爱特（Couette）几何结构（直径14 mm × 高度42 mm）和25 °C流体温度条件下，表征卡波姆溶液的流动行为（即流变特性）。测量剪切黏度时，采用稳态剪切应力扫描，范围为0.1–500 Pa，对数模式下每十倍频程10个点，容差为5%。相关方法见[5]。</li>
</ol>
本研究中，两种溶液的流变特性无法区分，如图7所示，数据拟合至幂律模型，显示出剪切稀化行为。
采用小振幅振荡测试表征0.2% w/w卡波姆溶液的黏弹性特性。在1 Pa的恒定应力下进行动态测试，该应力对应线性黏弹性区域。以对数模式在628 - 0.63 rad/s（100 - 0.10 Hz）的频率范围内进行频率扫描，每十倍频程采集10个数据点，测量应变。
贮存模量和损耗模量（分别为 G′ 和 G″）如图8所示。曲线呈现出凝胶体系的典型特征，其中 G′ > G″ 且 G′ 相对恒定[5]。tan(δ) = G″/G′ 的数值在低频时为 0.05，随频率升高增至 0.3 − 0.5。相应的相位滞后（δ）也呈现相同趋势，其极限值分别为：胡克固体时 δ = 0，牛顿流体时 δ = π/2。
<ol start="3">
	<li>利用雷诺数评估流动过程中黏性力相对于惯性力的相对贡献。由于每块板的横截面不同，需计算通过该板的平均流速及雷诺数，结果见表1。</li>
</ol>
这些雷诺数的数值远小于1.0，表征的是黏性力主导惯性力的流动。换句话说，混合过程是通过层流拉伸和剪切实现的，而非湍流。
4. 磁共振数据采集
<ol>
	<li>选择合适的射频线圈。</li>
</ol>
本实验采用一个四匝的螺线管线圈，包围一个直径60 mm、长度60 mm的圆柱形空间。该线圈与PVC管紧密贴合，获得了良好的信号噪声比。
<ol start="2">
	<li>运行多层面梯度回波序列并采集磁共振图像。</li>
</ol>
选择该脉冲序列是因为信号强度对材料的自旋-晶格弛豫时间敏感。两种具有不同弛豫时间的材料之间的相对信号强度可通过一个方程计算得出。在选择合适的实验参数时，需综合考虑信号强度差异、相对于图像采集过程中分子扩散影响的总采集时间等因素。此外，对比剂（MnCl2）的浓度选择应确保由对比剂浓度引起的信号强度变化呈线性关系。添加MnCl2可使测试流体的自旋-晶格弛豫时间（T1）从2.998 s（未掺杂）降低至0.515 s（掺杂）。在图像中，掺杂的卡波普尔溶液比未掺杂的卡波普尔溶液更亮，因为信号强度高度依赖于自旋-晶格弛豫时间。脉冲序列参数为回波时间（TE）2 ms，重复时间（TR）30 ms；视场（FOV）为64 mm，对应128次编码，从而获得平面内空间分辨率为0.5 mm/体素。采用该多层面序列，我们每次成像可获取32个横截面切片，每层厚度为1.4 mm。
5. 成像液体
<ol>
	<li>将主成分和次成分分别通过混合器泵送，直至达到稳定流动。主成分与次成分的相对流速比为10:1。同时停止泵送，并对混合器中的流体进行成像。所用MR序列未包含流动补偿；为避免运动伪影，成像在静止液体上进行。成像时间约为1至4分钟。</li>
	<li>重新定位混合器多次，以对不同轴向位置的圆柱形体积进行成像。</li>
</ol>
在本研究中，混合器的多个圆柱形体积被成像，其位置可在图9中找到。通过沿轴向将混合器管在磁体中滑动，直至目标体积位于磁体中心NMR线圈中心所定义的“最佳位置”，即可选择所需成像体积。
<ol start="3">
	<li>使用图像分析程序分析 MR 数据，以记录各组分浓度的空间分布。本研究中，归一化信号强度（x）与掺杂流体分数（y）之间的关系为 y=1.419x-0.482（R2=0.99）。该关系适用于分析混合过程。为展示利用 MRI 进行流动可视化的强大能力，以下结果选取了在不同轴向位置的图像。</li>
</ol>
6. 典型结果
图10 展示了狭缝喷嘴（注射器）处的图像，用以显示掺杂和未掺杂流体进入第一个重复单元时的横截面情况。这些图像还清晰地显示了100%掺杂流体与未掺杂流体之间信号强度的差异。
SAR混合器能够有效且均匀地分流，如1号H板下游图像所示st, 2nd，以及 3rd 混合区段（图 11，第一行）。掺杂流体的“条带”数量在每个混合段中增加一倍。第二行 图 11 展示了图像分析过程，该过程对图像进行阈值处理，将条纹区域设为“1”，其余部分设为“0”。经处理后的图像清晰地展示了流体在分裂与重新汇合过程中，掺杂流体与未掺杂流体之间界面面积的增加。
通过第二个混合区段的连续图像如图12所示。
<img src="/files/ftp_upload/3493/3493table1.jpg" alt="平板流动数据表；显示流体动力学中的横截面积、流速和雷诺数。" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="表 1"> 
	表 1. 每块平板的横截面积及横截面内的平均流速，及其对应的雷诺数（Re）；针对幂律流体（PL）使用当量直径定义。
<img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig1.jpg" alt="声学驻波管实验示意图，展示流体中共振与波节形成。" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图1。"> 
	图1。 使用染成红色的卡波姆作为次要组分、未染色的卡波姆溶液作为主要组分，展示通过分流-重混混合器流动的示意图。
<img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig2.jpg" alt="磁共振成像扫描仪，显示用于身体成像的实验装置；MRI 机器结构。" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图 2。"> 
	图 2。 2 特斯拉超导磁体；作为尺寸参考，传送带正将 3 个牛油果送入成像区域。
<img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig3.jpg" alt="带有不同切口标记为 A-S 的球面仪圆盘示意图，比例尺标注为 39.6 mm。" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图 3。"> 
	图 3. 用于在 SAR 混合器中构建重复单元的板型及其字母标识。
<img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig4.jpg" alt="DNA测序过程示意图，展示凝胶电泳板上的碱基识别。" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图4。"> 
	图4。 分流与重合混合器的示意图。
<img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig5.jpg" alt="用于束流动力学研究的粒子加速器装置；包含直线加速器组件。" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图 5。"> 
	图 5. 基于1特斯拉永磁体的成像波谱仪（Aspect Imaging）。
<img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig6.jpg" alt="聚合物挤出过程示意图；塑料制造和成型分析的标注装置。" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图6。"> 
	图6。 流动系统的示意图。
<img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig7.jpg" alt="剪切速率与黏度关系图，采用幂律模型；造影剂效应分析。" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图7。"> 
	图7。 0.2% 卡波姆溶液的表观黏度。
<img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig8.jpg" alt="流变学图：频率与模量；显示储能模量（G'）和损耗模量（G&quot;）的数据分析。" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图8。"> 
	图8。 0.2% 卡波姆溶液的粘弹性性质。
<img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig9.jpg" alt="微流控流动过程示意图：进样序列、混合区段、重复单元、流体通道。" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图9。"> 
	图9。 SAR混合器的重复单元。
<img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig10.jpg" alt="显示扫描图像中圆形与线性对称性的MRI对比图；灰度强度图。" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图10。"> 
	图10。 注射器处的两张图像：喷嘴的上游部分为掺杂流体提供了圆形横截面，该横截面逐渐变为SAR混合器第一个重复单元入口处的狭缝状。
<img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig11.jpg" alt="脑部MRI扫描处理；图像分割与结构分析；神经科学研究。" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图11。"> 
	图11。 在H板处展示的第一、第二和第三混合段下游的流体情况。
<img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig12.jpg" alt="显示脑部分析图中结构对齐的 MRI 图像序列。" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图 12。"> 
	图 12。 通过第二个混合段的 16 张连续图像序列。请<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/3493/3493fig12_lg.jpg">点击此处</a>查看图 12 的放大版本。

<ol><li>Callaghan, P. T. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aCallaghan%2C+PT+%22Principles+of+Nuclear+Magnetic+Resonance+Microscopy%22">Principles of Nuclear Magnetic Resonance Microscopy</a>. , Clarendon Press. Oxford. (1991).</li>
<li>McCarthy, M. J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aMcCarthy%2C+MJ+%22Magnetic+Resonance+Imaging+in+Foods%22">Magnetic Resonance Imaging in Foods</a>. , Chapman & Hall. New York, NY. (1994).</li>
<li>Mixer. US patent. , 3182965 (1965).</li>
<li>van der Hoeven, J. C., Wimberger-Friedl, R., Meijer, H. E. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Homogeneity+of+multilayers+produced+with+a+static+mixer%5BTitle%5D)+AND+%22Polymer.+Eng.+Sci%22%5BJournal%5D)">Homogeneity of multilayers produced with a static mixer.</a> Polymer. Eng. Sci. 41, 32-42 (2001).</li>
<li>Steffe, J. F. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aSteffe%2C+JF+%22Rheological+Methods+in+Food+Process+Engineering%22">Rheological Methods in Food Process Engineering</a>. , 2nd Ed, Freeman Press. East Lansing, MI. (1996).</li>
<li>Lee, Y., McCarthy, M. J., McCarthy, K. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Extent+of+mixing+in+a+two-component+batch+system+measured+using+MRI%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Food.+Eng%22%5BJournal%5D)">Extent of mixing in a two-component batch system measured using MRI.</a> J. Food. Eng. 50, 167-174 (2001).</li>
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<li>Choi, Y. J., McCarthy, M. J., McCarthy, K. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((MRI+for+process+analysis%3A+Co-rotating+twin+screw+extruder%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Process+Analytical+Chemistry%22%5BJournal%5D)">MRI for process analysis: Co-rotating twin screw extruder.</a> Journal of Process Analytical Chemistry. 9, 72-84 (2004).</li>
<li>Rees, A. C., Davidson, J. F., Dennis, J. S., Fennell, P. S., Gladden, L. F., Hayhurst, A. N., Mantle, M. D., Muller, C. R., Sederman, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+nature+of+the+flow+just+above+the+perforated+plate+distributor+of+a+gas-fluidised+bed%2C+as+imaged+using+magnetic+resonance%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Eng.+Sci%22%5BJournal%5D)">The nature of the flow just above the perforated plate distributor of a gas-fluidised bed, as imaged using magnetic resonance.</a> Chemical Eng. Sci. 61, 6002-6015 (2006).</li>
<li>Stevenson, R., Harrison, S. T. L., Mantle, M. D., Sederman, A. J., Moraczewski, T. L., Johns, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Analysis+of+partial+suspension+in+stirred+mixing+cells+using+both+MRI+and+ERT%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Eng.+Sci%22%5BJournal%5D)">Analysis of partial suspension in stirred mixing cells using both MRI and ERT.</a> Chem. Eng. Sci. 65, 1385-1393 (2010).</li>
<li>Benson, M. J., Elkins, C. J., Mobley, P. D., Alley, M. T., Eaton, J. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+concentration+field+measurements+in+a+mixing+layer+using+magnetic+resonance+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Exp.+Fluids%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional concentration field measurements in a mixing layer using magnetic resonance imaging.</a> Exp. Fluids. 49, 43-55 (2010).</li>
</ol>

作者 M. McCarthy 是 Aspect Imaging, Ltd. 的顾问。作者 L. Bacca 和 W. Hartt 是宝洁公司（Procter &amp; Gamble, Co.）的员工。

磁共振成像是一种用于分析流体混合的快速且定量的方法。该测量仅需几分钟即可完成，并可提供在分叉-重合混合器中流体浓度随位置变化的数据。该技术适用于多种混合问题和几何结构[6-11]。该技术的局限性在于必须使用非磁性材料构建混合器并在磁共振成像设备中使用，且至少有一种材料必须能够提供足够强的信号以供数据采集。获得足够信号的前提是存在足够数密度的核磁共振活性原子核。
 磁共振成像（MRI）还可用于量化固体与液体的混合、流变学性质显著不同的两种液体的混合，以及反应体系中的混合过程。固体与液体混合所产生的图像将不同于SAR混合器的图像。在固体混合过程中，固体组分的信号迅速衰减而无法成像；因此，所检测到的信号仅来自液体，固体的浓度则通过与纯液体信号相比的信号衰减程度推导得出。
 MRI 混合图像为计算混合实验提供了极佳的测试手段。图像数据有助于深入了解流体流变特性的重要性以及与理想条件的偏差。在图12中，流体偏离理想均匀层的现象明显可见。因此获得的图像提供了详细的数据集，可用于与复杂流动的数值预测结果进行直接比较。

<table><tbody><tr><td>Aspect 1T 成像光谱仪</td><td>Aspect Imaging</td><td></td><td></td></tr><tr><td>AR-G2流变仪 </td><td>TA Instruments</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Seepex 计量泵</td><td>Seepex GmbH</td><td></td><td></td></tr><tr><td>卡波姆</td><td>Lubrizol 公司，（Wickliffe，OH）</td><td></td><td></td></tr><tr><td>1 M 氯化锰溶液</td><td>Fisher Scientific</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

利用磁共振成像量化混合过程

Quantifying Mixing using Magnetic Resonance Imaging

混合是一种将两种或多种组分结合成均一混合物的单元操作。本实验涉及使用管内静态混合器对两种黏性液体流进行混合。该混合器采用分叉-重合设计，利用剪切流和拉伸流来增加组分之间的界面接触。一个分叉-重合（SAR）混合器原型通过将一系列薄的激光切割聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）板对齐并固定在聚氯乙烯（PVC）管内而构建。该装置中的混合过程如图1中的照片所示。将红色染料加入部分测试流体中，作为被混入主体（未染色）组分中的少量组分。在混合器入口处，示踪流体的注入层在流经混合段时被分成两层。在每一个后续的混合段中，水平层数均倍增。最终，单一的染料流均匀分散在整个装置的横截面上。
 使用0.2%卡波姆（Carbopol）的非牛顿测试流体以及成分相似的掺杂示踪流体，通过磁共振成像（MRI）可视化该装置内的混合过程。MRI是一种极为强大的实验探针，可用于研究分子的化学与物理环境，以及从微米到厘米尺度范围内的样品结构。这种灵敏性使得该技术被广泛应用于表征从人体、食品到多孔介质等多种材料的物理、化学和/或生物特性1, 2。本文所使用的设备和条件适用于成像含有大量核磁共振（NMR）可检测1H的液体，例如普通水和包括油类在内的有机液体。传统上，MRI使用超导磁体，这类磁体不适用于工业环境，且在实验室内部也不便于移动（Fig. 2）。近年来磁体技术的进步使得能够制造出大体积、适合工业应用且可用于过程流动成像的磁体。在此，MRI可在混合过程中提供不同轴向位置上的组分浓度空间分辨信息。本研究记录了通过分配式混合实现高粘度流体实时混合的过程，并将其应用于个人护理产品领域。

磁共振成像（MRI）为评估工艺设备在运行过程中的有效性提供了强有力的工具。我们讨论了利用磁共振成像对静态混合器中的混合过程进行可视化的方法。该技术适用于个人护理产品领域，也可广泛应用于食品、化学品、生物质及生物流体等多种体系。

混合是一种单元操作，可将两种或多种组分结合成均匀的混合物。本研究涉及使用……对两种粘性液体流进行混合。

以下实验的总体目标是利用磁共振成像作为一种强大工具，用于评估混合过程及工艺设备。该目标通过在分流-重混静态混合器中合并两股液流来实现。通过选择合适的成像方案，可获得磁共振图像。这些图像可用于表征混合器的性能。所获得的性能结果适用于个人护理产品相关应用，但该方法也可广泛应用于食品、化学品、生物质及生物流体等多种领域。相较于视频等其他技术，磁共振成像的主要优势在于能够对不透明材料进行可视化观察。此外，该信息具有定量性，可计算组分浓度和混合程度。通过可视化混合过程，利用磁共振成像（MRI）将实测的空间浓度分布与计算所得的浓度分布进行详细比较，有助于验证计算流体动力学模拟结果及制造工艺。SAR混合器由多个不同的板片嵌入一根PVC管中构成。每块激光切割板由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）制成，厚度为1.59毫米。每块板上都有一个矩形键，用于将其沿一根丙烯酸棒对齐。在PVC管中，塑料可能是透明或不透明的。这些板具有多种设计，上面有可供流体通过的开口。这些板以重复的模式放置在管道中，形成可产生混合效果的通道。通过管板 S 流动的两种流体用于将进入重复单元的两种流体进行导流。其中一种流体在中心流动，另外两种流体分别在上下两侧流动，它们的相对流速比为 10 比 1。接下来，流体在由八块C型板构成的开放通道中汇合。随后，通过八块I型板，流体在物理上被分隔成两个垂直通道。下一部分由16块独特的板组成，使每条流体通道逆时针扭转90度。然后流体流经八块板，将流体进一步分成两个水平通道。重复的结构以八个开放式通道板结束。整体上，该结构在PVC管中重复了六次。组装一个流动系统，将碳棒溶液泵入串联的分流与重组式静态混合器，首先将混合器置于磁铁中。该磁体是一个基于单特斯拉永磁体的成像波谱仪的组成部分，其峰值梯度强度为每米0.3特斯拉，并配备近似立方体的封闭腔体，可控制并记录测试流体的质量流量。此外，在混合器上游集成一个压力传感器以监测压力，并配备一个由四匝线圈绕制成的螺线管射频线圈，适用于圆柱形体积且紧密贴合PVC管。最后，两种不同的溶液分别连接至进样口。在本实验中，所用溶液为含或不含氯化锰的卡波姆。通过将称量好的聚合物缓慢筛入搅拌容器中的去离子水中来配制卡波姆溶液。使用50%氢氧化钠溶液将卡波姆溶液中和至pH 7。中和反应使聚合物在水中溶胀，从而达到溶液的最大黏度。为了形成凝胶，需配制第二种含有MR对比剂氯化锰的掺杂碳棒溶液。为表征流动行为或流变特性，可采用标准同轴圆筒几何结构，在流体温度为25°C的条件下测量剪切黏度。在LA节律模式下，使用0.1至500帕斯卡的稳态剪切应力扫描，每十倍频程10个点，公差为5%。然后在LA对数模式下，以每十倍频程10个点，对频率从628至0.63弧度每秒进行应变测量。在选择成像参数时，我们需要考虑图像的总体信噪比，以及掺杂区域与开启区域之间的对比度和信号强度。本实验中，我们选择了梯度回波序列，并选用了特定浓度的样品，以获得信号强度与浓度之间的线性关系。该磁共振序列未包含流动补偿。为避免运动伪影，成像需在静止液体状态下进行，成像时间约为一到四分钟。重新定位混合器，以对不同轴向位置的区域进行成像。将混合管沿轴向穿过磁体，直至目标区域位于磁体中心的核磁共振线圈中心处。然后重复成像过程。最后，通过图像分析流程分析磁共振数据，以记录各组分浓度的空间分布。在本研究中，两种溶液的实际理化性质无法区分。该溶液的黏弹性特性表现出凝胶体系的特征，其储能模量大于损耗模量，且两者均相对恒定。损耗模量与储能模量之比在较高频率下随斜率增加，相应的相位滞后也呈现相同趋势，用于评估流动过程中黏性力相对于惯性力的贡献。雷诺数通过计算流体在平板间的平均流速得到。这些值远小于1.0，表明粘性力占主导地位，超过了惯性力。因此，混合过程主要通过层流拉伸和剪切实现，而非湍流。为了展示利用磁共振成像（MRI）进行流动可视化的强大能力，以下结果选取了在不同轴向位置的图像。SAR混合器有效地均匀分流，如第一、第二和第三混合段下游H型板图像所示。掺杂流体的条带数量在每个混合段中均倍增。改变图像值阈值可显示，掺杂流体的条带在每次通过该结构单元时均有所增加。一系列图像展示了混合器中流体逆时针旋转90度的过程，说明了在穿过整个通道时，垂直流如何转变为水平流。在混合过程中，两股流体被多次分裂并重新组合。在进行这些测量时，重要的是要记住，测量时间应远短于分子扩散对组分浓度分布产生影响所需的时间。这些关于混合的实验测量对于检验计算流体动力学模拟中所用流体流变学本构模型的影响特别有用，同时也适用于测试分裂与重组合式混合器的性能。观看本视频后，您应能充分理解如何利用磁共振成像技术研究静态混合器中的浓度分布。

quantifying-mixing-using-magnetic-resonance-imaging

Research

科研

JoVE Journal

Biology

生物学

量化混合使用磁共振成像

用于评估纳米颗粒在细胞内生物分布的生物成像方法，适用于纳米制剂化合物的治疗和诊断监测。通过组织学共定位分析，本文所述方法具有高灵敏度和特异性。这些方法为从啮齿类动物到人类的应用提供了转化路径。...

用于诊断与治疗监测的纳米材料注册生物成像

本文描述了一种磁共振成像方法，用于研究多种生理条件下肺部血流分布情况，具体而言是暴露于三种不同吸入氧浓度（低氧、常氧和高氧）下的情况。该技术在磁共振扫描环境中应用了人体肺部生理学研究方法。...

使用校准动脉自旋标记法对肺灌注进行磁共振成像定量

定量磁化率图（QSM）可量化脑组织的磁化率，从而反映其细胞组成，例如髓鞘含量。首先获取固定的人类大脑半球的离体磁共振成像（MRI）数据。利用三维梯度磁场对组织进行磁化，并在多个时间点或回波处采集信号，以降低背景噪声和伪影，增强信号。生成所有回波的相位图，确保去除脑组织内 trapped air 引起的任何伪影。使用适当的 MRI...

利用离体磁共振成像对人体脑组织进行定量磁化率图谱分析

近年来，利用磁共振成像（MRI）进行细胞示踪受到了广泛关注。本实验方案描述了使用富含氟（19F）的颗粒对树突状细胞进行标记、将标记后的细胞体内应用，以及通过19F/1H...

监测树突状细胞迁移的19F / 1H磁共振成像方法

本文旨在介绍一种将经颅直流电刺激（tDCS）与质子磁共振波谱（1H-MRS）测量相结合的基本实验方案，以研究双侧刺激对初级运动皮层代谢的影响。...

利用磁共振波谱作为测量双侧经颅电刺激对初级运动皮层代谢影响的工具

神经肌肉疾病通常表现出时间上动态变化、空间上异质性以及多方面的病理特征。本方案的目的是利用无创磁共振成像方法对这种病理特征进行表征。...

骨骼肌疾病的定量磁共振成像

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。...

用于平面样品中磁性颗粒成像的频率混合磁检测扫描仪

本研究的目的是描述一种制备实用型脂肪-水体模的方案，该方案可进行定制，以制备具有不同脂肪百分比和体积的体模。...

用于磁共振成像验证的水脂模体：一种灵活且可扩展的方案

比通气成像是一种功能性磁共振成像技术，利用吸入的氧气作为对比剂，可对人体肺部区域的比通气量进行定量分析。本文介绍了一种采集和分析比通气成像数据的实验方案。...

利用质子磁共振成像结合氧气作为对比剂对人体肺部特异性通气进行定量绘图

本文介绍了一种在7.0特斯拉下获取多发性硬化（MS）患者脑部磁共振（MR）图像的方案。该方案包括设备准备（含射频线圈）、对MS患者的标准化访谈流程、受试者在MR扫描仪中的体位摆放以及MR数据采集。...

7.0 特斯拉下多发性硬化症的磁共振成像

了解如何使用磁共振成像技术评估静态混合器中的混合过程。该方法可实时可视化不透明流体，并提供组分浓度和混合效率的定量数据，适用于个人护理产品及食品、化工、生物质和生物流体等多种行业。

利用磁共振成像量化混合过程

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