MRM Microcoil Performance Calibration and Usage demonstriert auf Medicago-Truncatula-Wurzeln bei 22 T

Dieses Protokoll ermöglicht die Charakterisierung und Verwendung von Mikrospulen für die Ultrahochfeld-Magnetresonanztomographie. MRT ist ein einzigartiges und nichtinvasives Werkzeug zur Erforschung von Physiologie, Stoffwechsel und Diffusionseigenschaften biologischer Proben. Mit hoher Magnetfeldstärke und Mikrospulen, die an eine Vonsatonprobe angepasst sind, können Bilder von bis zu zellulärer Auflösung erhalten werden.

Bei dieser Methode beschreiben wir Schritt für Schritt, wie die Eigenschaften von kommerziellen oder selbst gebauten Mikrospulen für Bildgebungsanwendungen bestimmt werden. Wir verwenden biologische Proben mit einem Durchmesser von weniger als einem Millimeter und ein ultrahochfeldhohes vertikales NMR-Spektrometer. Mit selbst gebauten Mikrospulen können wir die Größe der Hochfrequenzspule an die Größe der Probe anpassen.

In dieser Forschung verwenden wir ein kleines Stück Pflanzenwurzel. Dies ist nützlich, da die Spulenempfindlichkeit proportional zum abnehmenden Spulendurchmesser ist. Wir können daher Bilder mit einem höheren Signal-Rausch-Verhältnis für kleine Proben erhalten.

Aufgrund der geringen Größe und der Zerbrechlichkeit dieser Mikrospulen ist es wichtig, einige Grundlegende Parameter wie z.B. die 90-Grad-Pulslänge und Pulsleistung, die sicheren Betriebsgrenzen zu bestimmen und schließlich die Spulenempfindlichkeit so zu berechnen, dass sie über verschiedene NMR-Systeme hinweg verglichen werden kann. Die Magnet-Mikrospule besteht aus einem Draht, der um eine Kapillare gewickelt ist, und zwei Kondensatoren: der Abstimmung und dem passenden Kondensator. Der Tuning-Kondensator wird gewählt, um die gewünschte Resonanzfrequenz von 950 Megahertz zu erreichen, während der passende Kondensator gewählt hat, um die maximale Signalübertragung zu erreichen.

Es ist eine Impedanz von 50 Ohm. Der größere Kondensator ist variabel, um eine feinere Anpassung zu ermöglichen. Die Spule sitzt auf einer Grundplatte, die an einer modifizierten Buchse befestigt ist.

Optional kann ein Reservoir für Anfälligitätsanpassungsflüssigkeit hinzugefügt werden, um Anfälligkeitseffekte aus dem Spulendraht zu reduzieren. In eine Uhr Glas transferieren einen Milliliter Perfluorodecalin, oder PFD, die verwendet werden, um die Probe zu tauchen. PFD wird verwendet, da es Lufträume in der Probe füllen kann, ohne in biologische Zellen zu gelangen.

Es ist auch nicht durch Proton MRT beobachtbar. Bedecken Sie die PFD sofort mit einem Petrischalendeckel, um Verdunstung zu verhindern, bevor sie benötigt wird. Verwenden Sie bei der Vorbereitung einer Referenzprobe stattdessen eine Kupfersulfatlösung.

Als nächstes extrahieren Sie vorsichtig ein Wurzelsystem aus seinem Wachstumssubstrat. Verbrauchen Sie einen kleinen Abschnitt mit einem Skalpell. Zur Vakuumbehandlung die Probe in ein Eppendorfrohr geben, das eine fixative Lösung enthält.

Dann versiegeln Sie das Rohr mit einem Filament und Lochlöchern, um eine Belüftung zu ermöglichen. Die Probe einer Vakuumbehandlung unterziehen. Luftblasen können gesehen werden, die der Probe entkommen.

Beim Durchschauen eines Stereomikroskops verwenden Sie eine Pinzette, um sowohl Probe als auch Kapillare in die zuvor vorbereitete Lösung einzutauchen. Dann legen Sie die Probe in die Kapillare mit einer Pinzette, während sowohl Kapillare und Probe eine vollständig untergetaucht. Verwenden Sie eine kleinere Kapillare oder eine Spritzennadelspitze als Schubstange.

Tissuepapier zu einem feinen Punkt formen und mit ihm rund einen Millimeter Flüssigkeit von beiden Enden der Kapillare entfernen. Schmelzen, ein kleines Volumen kapillaren Wachs mit einem Wachsstift. Wachs auf beiden Seiten auftragen.

Das Wachs wird undurchsichtig, wenn es erstarrt. Achten Sie darauf, Luftblasen von der Kapillare auszuschließen. Danach überschüssiges Wachs mit einem Skalpell abkratzen.

Setzen Sie die Probe mit einer Pinzette in die Mikrospule ein, während die Mikrospule stabil bleibt. Verwenden Sie eine Stange, um die Probe in der Spule zu zentrieren. Wenn die Spule zum ersten Mal getestet wird, verwenden Sie eine Kupfersulfat-Referenzprobe für die Leistungskalibrierung und die Bestimmung der SNR- und B1-Feldhomogenität.

Dieses Protokoll wird auf einem vertikalen Bohrung 22.3 Tesla Spektrometer mit einer Mikro-Imaging-Sonde mit integrierten Gradientenspulen, die bis zu drei Tesla pro Meter ausgestattet demonstriert. Befestigen Sie die Mikrospule an der Sondenbasis, während Sie die Mikrospule aufrecht halten. Schieben Sie dann über die dreiachsige Gradientenspule.

Drehen Sie das Schraubgewinde auf der Sondenbasis, um den Farbverlauf an Ort und Stelle zu fixieren. Setzen Sie die Sonde in den Magneten ein und stellen Sie die notwendigen Verbindungen her. Initiieren Sie eine Wackelkurve und passen Sie die Abstimmung und Denabstimmung nach Bedarf an.

Es wird empfohlen, mit einer hohen spektralen Sweep-Breite zu beginnen. Beachten Sie, dass mehrere Resonanzmodi vorhanden sein können. SNR-Tests für jeden Modus können erforderlich sein, um den richtigen Resonanzmodus zu bestimmen.

Wählen Sie die richtige Spulenkonfiguration für Ihre Mikrospule aus. Falls die sicheren Grenzwerte für die Spulen unbekannt sind, beginnen Sie mit 10 Mikrosekunden bei einer niedrigen Pulsleistung von 0,6 Watt und erhöhen Sie langsam die Pulslänge um jeweils eine Mikrosekunde, bis ein Signal erscheint. Zeichnen Sie eine Nutationskurve für eine neue Spule auf, um die richtige Pulslänge und Leistung für den 90-Grad-Impuls zu erhalten.

Um dies zu tun, variieren Sie die Pulsdauer systematisch unter Beibehaltung der Pulsleistung konstant. Bei einem inhomogenen B1-Feld kann der 90-Grad-Impuls anhand der Längen geschätzt werden, bei denen eine maximale Signalintensität erreicht wird. Verwenden Sie eine Lokalisierungsskala mit großem Sichtfeld, um die Position der Spule innerhalb des Magneten zu lokalisieren.

Wenn sich das Beispiel genau in der Mitte des Gradientensystems befindet, zeigt der Lokalisatorscan das Beispiel an. Wenn die Spule oder Probe außerhalb der Mitte ist, stellen Sie den Lokalisierer-Scan ein. Sobald eine ungefähre Pulsleistung mit Hilfe der Nutationskurve gefunden wird, variieren Sie die Pulskräfte schrittweise für eine Reihe von Bildern, um das homogenste Bild zu überprüfen.

Bei einigen Spulen mit einem inhomogenen B1-Feld kann der ermittelte 90-Grad-Impuls überschätzt werden, was zu einem Überkippen im gewünschten Sweet Spot der Spule führt. Das Magnetfeld wird manuell auf Basis des FID-Signals shim. Je nach Ausrichtung der Mikrospulen können Shims mit unterschiedlicher Ausrichtung zu einer stärkeren Korrektur der B0-Homogenität führen.

Als Nächstes muss ein volumennormalisierter SNR berechnet werden. Berechnen Sie zunächst das Voxelvolumen, indem Sie die X- und Y-Auflösung mal der Schnittdicke multiplizieren. Der SNR wird berechnet, indem das mittlere Rauschen vom mittleren Signal subtrahiert und durch die Standardabweichung des Rauschens multipliziert mit dem Voxelvolumen dividiert wird.

Das mittlere Signal wird von der Bildmitte genommen, während das Rauschsignal aus den Eckflecken berechnet wird. Führen Sie eine Mehrfachverlaufs-Echosequenz aus, um mögliche Anfälligkeitsprobleme aufgrund des Spulendrahtes und der Probe selbst zu überprüfen. Bei Unterspulenspulen wird der Unterschied in der Anfälligkeit zwischen den Spulendrähten und ihrer Umgebung stark reduziert.

Hochauflösende Bildgebung erreicht vielleicht mit 3D-Blitzexperimenten. Es können mehrere Stammmerkmale unterschieden werden, wie Endodermis, Kortex und Xylem, die mit größeren Spulen schwer aufzulösen sind. Multislice, Multiecho-Sequenzen können auch verwendet werden, um den Einfluss der Anfälligkeit zu reduzieren.

Dies geht jedoch zu den Kosten einer reduzierten Empfindlichkeit pro Zeiteinheit. Root-Knoten von Medicago-Truncatula können auch mit diesem Protokoll abgebildet werden. Eine isotrope Auflösung von 31 Mikrometern wurde in vier Minuten erreicht, während eine isotrope Auflösung von 16 Mikrometern in 33 Minuten erreicht wurde.

Dadurch können verschiedene physiologische Aspekte kleiner Wurzelknollen im Detail untersucht werden. Für eine erfolgreiche Probenvorbereitung ist es wichtig, sowohl Probe als auch Kapillare vollständig in die Flüssigkeit zu tauchen. Dies verhindert die Bildung von Luftblasen, die sich negativ auf die Bildqualität auswirken.

Da die MR-Bildgebung zerstörungsfrei ist, können wir die biologische Probe nach dem MR-Scan entfernen und für weitere Untersuchungen verwenden, z.B. mit der optischen Mikroskopie. Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie ein grundlegendes Verständnis der Mikrospulencharakterisierung und des Betriebs für Bildverarbeitungsanwendungen haben. Dies kann auf eine Vielzahl biologischer Proben angewendet werden.