MRM 微线圈性能校准及在 22 T 条件下对Medicago truncatula根部的应用演示

本方案可用于表征和使用微线圈进行超高场磁共振成像。磁共振成像（MRI）是一种独特且无创的工具，可用于研究生物样本的生理学、代谢以及扩散特性。通过使用高磁场强度以及针对特定样本优化的微线圈，可获得高达细胞级分辨率的图像。

本方法中，我们逐步介绍如何确定用于成像应用的商用或自制微线圈的特性。我们采用直径小于一毫米的生物样本以及超高场垂直腔核磁共振波谱仪。使用自制微线圈时，可将射频线圈的尺寸调节至与样品尺寸相匹配。

本研究中，我们使用一小段植物根部。这种方法具有优势，因为线圈灵敏度与线圈直径的减小成正比。因此，对于小样品，我们可以获得更高信噪比的图像。

由于这些微型线圈体积小且性质脆弱，因此有必要确定一些基本参数，例如90度脉冲长度和脉冲功率、安全操作范围，最后还需计算线圈灵敏度，以便在不同核磁共振（NMR）系统之间进行比较。螺线管式微型线圈由缠绕在毛细管上的导线以及两个电容器组成：调谐电容器和匹配电容器。调谐电容器用于实现950兆赫兹的目标共振频率，而匹配电容器则用于实现最大信号传输。

其阻抗为 50 欧姆。较大的电容器是可变的，以便进行更精细的调节。线圈安装在基板上，基板固定在改装过的插座上。

可选地，可添加一个用于磁化率匹配液体的储液器，以减少线圈导线产生的磁化率效应。将一毫升全氟十氢化萘（或称PFD）转移至表面皿中，用于浸没样本。PFD可用于填充样本中的空气间隙，而不会进入生物细胞。

质子磁共振成像也无法观测到。在需要使用前，立即用培养皿盖覆盖PFD以防止蒸发。若制备参比样品，则使用硫酸铜溶液代替。

接下来，小心地从生长基质中取出根系。使用解剖刀切下一小段根组织。进行真空处理时，将样品放入含有固定液的离心管中。

然后用细丝密封管子，并打孔以允许通风。对样品进行真空处理，可见气泡从样品中逸出。

使用体视显微镜观察，用镊子将样品和毛细管同时浸入先前配制的溶液中。然后在毛细管和样品完全浸没的条件下，用镊子将样品插入毛细管内。可使用更细的毛细管或注射器针头作为推杆。

将纸巾捏成细尖状，用它从毛细管两端各吸去约一毫米的液体。使用蜡笔熔化少量毛细管封蜡，在毛细管两端分别涂上蜡。

石蜡凝固后会变得不透明。填充毛细管时需注意排除气泡。随后用解剖刀刮去多余的石蜡。

使用镊子将样品插入微线圈中，同时保持微线圈稳定。使用推杆将样品在线圈中居中。如果线圈为首次测试，应使用硫酸铜参比样品进行功率校准，并测定信噪比（SNR）和B1场的均匀性。

本方案在一台垂直孔径22.3特斯拉的波谱仪上进行演示，该仪器配备了一个集成梯度线圈的显微成像探头，梯度场强最高可达每米3特斯拉。将微线圈连接至探头底座时，需保持微线圈处于直立状态，然后套上三轴梯度线圈。

旋转探头底座上的螺纹，以固定梯度位置。将探头插入磁体中，并完成必要的连接。启动摇摆曲线，根据需要调整调谐和匹配。

建议从高光谱扫描宽度开始。需注意可能存在多个共振模式。可能需要对每种模式进行信噪比测试，以确定正确的共振模式。

为您的微线圈选择正确的线圈配置。如果线圈的安全使用范围未知，请从10微秒、0.6瓦的低脉冲功率开始，然后每次逐步增加1微秒的脉冲长度，直至出现信号。对于新线圈，应记录一条进动曲线，以确定90度脉冲所需的正确脉冲长度和功率。

为此，在保持脉冲功率恒定的同时系统地改变脉冲持续时间。当B1场不均匀时，可通过信号强度达到最大值时对应的脉冲长度来估算90度脉冲。使用视野范围较大的定位标尺来确定线圈在磁体中的位置。

如果样本恰好位于梯度系统的中心，定位扫描将显示该样本。如果线圈或样本偏离中心，请调整定位扫描。一旦通过进动曲线确定了近似的脉冲功率，可逐步调整一系列图像的脉冲功率，以检查获得最均匀图像的条件。

对于某些B1场不均匀的线圈，所确定的90度脉冲可能会被高估，从而导致线圈期望的热点区域出现过度翻转。应根据FID信号手动调节磁场匀场。根据微线圈的取向不同，采用不同方向的匀场片可能会更有效地改善B0场的均匀性。

接下来，必须计算体积归一化的信噪比（SNR）。首先，通过将X和Y方向分辨率与层厚相乘来计算体素体积。信噪比的计算方法是：用平均信号强度减去平均噪声强度，再除以噪声标准差与体素体积的乘积。

信号均值取自图像中心，而噪声信号则通过角部区域计算得出。运行多梯度回波序列，以检测由于线圈导线及样品本身可能引起的磁化率问题。对于浸没式线圈，线圈导线与其周围环境之间的磁化率差异显著降低。

通过3D快速成像实验可获得高分辨率图像。可以区分出多种根部结构特征，例如内皮层、皮层和木质部，而使用较大的线圈则难以分辨这些结构。此外，也可采用多层面、多回波序列以减少磁化率影响。

然而，这会带来单位时间内灵敏度降低的代价。本方案也可用于成像截形苜蓿（Medicago truncatula）的根瘤。在四分钟内获得了31微米的各向同性分辨率，而在33分钟内获得了16微米的各向同性分辨率。

这使得小根瘤的各种生理特征能够被详细研究。要成功制备样品，必须将样品和毛细管完全浸入液体中，以防止产生影响图像质量的气泡。

由于磁共振成像具有非破坏性，我们可以在完成磁共振扫描后取出生物样本，并利用例如光学显微镜对其进行进一步研究。观看本视频后，您应基本了解用于成像应用的微线圈表征与操作。该技术可应用于多种多样的生物样本。