Artykuł metodologiczny

Skaner detekcji magnetycznej z mieszaniem częstotliwości do obrazowania cząstek magnetycznych w próbkach planarnych

9.3K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/53869

⸱

9 czerwca 2016

 ,  ,  ,  ,  , 
1Advanced Vision System Research Section, Electronics & Telecommunication Research Institute (ETRI), 2Intelligent Cognitive Technology Research Department, Electronics & Telecommunication Research Institute (ETRI), 3Peter Grünberg Institute (PGI-8), Forschungszentrum Jülich

W tym artykule

Podsumowanie

Skaner do obrazowania cząstek magnetycznych w próbkach płaskich został opracowany przy użyciu techniki detekcji magnetycznej z mieszaniem częstotliwości planarnej. Reakcja produktu intermodulacji magnetycznej na nieliniowe niehisteretyczne namagnesowanie cząstek jest rejestrowana po wzbudzeniu dwuczęstotliwościowym. Może być używany do wykonywania obrazów 2D cienkich próbek biologicznych.

Streszczenie

Przedstawiono konfigurację skanera do płaskiej detekcji magnetycznej z mieszaniem częstotliwości (p-FMMD) do wykonywania obrazowania cząstek magnetycznych (MPI) płaskich próbek. Składa się z dwóch magnetycznych głowic pomiarowych po obu stronach próbki zamontowanych na nogach wspornika w kształcie litery U. Próbka jest lokalnie wystawiona na działanie pola wzbudzenia magnetycznego składającego się z dwóch odrębnych częstotliwości, silniejszego składnika o częstotliwości około 77 kHz i słabszego pola o częstotliwości 61 Hz. Nieliniowa charakterystyka namagnesowania cząstek superparamagnetycznych powoduje wytwarzanie produktów intermodulacji. Wybrana składowa sumarycznej częstotliwości pola magnetycznego wysokiej i niskiej częstotliwości padającego na magnetycznie nieliniowe cząstki jest rejestrowana przez elektronikę demodulacyjną. W przeciwieństwie do konwencjonalnego skanera MPI, p-FMMD nie wymaga zastosowania silnego pola magnetycznego do całej próbki, ponieważ mieszanie dwóch częstotliwości zachodzi lokalnie. W związku z tym wymiary boczne próbki są ograniczone jedynie zakresem skanowania i podporami. Jednak wysokość próbki określa rozdzielczość przestrzenną. W obecnej konfiguracji jest ona ograniczona do 2 mm. Jako przykłady przedstawiamy dwa obrazy p-FMMD o średnicy 20 mm × 25 mm uzyskane z próbek z cząstkami maghemitu o średnicy 1 μm w matrycy silanolowej oraz z cząstkami magnetytu o długości fali 50 nm w matrycy aminosilowej. Wyniki pokazują, że nowatorski skaner MPI może być stosowany do analizy cienkich próbek biologicznych oraz do medycznych celów diagnostycznych.

Wprowadzenie

Magnetyczne nanocząstki (MNP) znalazły szerokie zastosowanie w biologii molekularnej i medycynie, np. do manipulowania biomolekułami ipojedynczymi komórkami1, do selektywnego oznaczania jednostek docelowych do wykrywania,2, 3 do modulacji chromatyny,4 oraz do izolacji mRNA i leczenia raka. 5 Ze względu na swoje właściwości superparamagnetyczne są one szczególnie przydatne w obrazowaniu medycznym. Mogą służyć na przykład jako środki kontrastowe lub znaczniki do obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (MRI) lub do obrazowania podatności za pomocą detektorów nadprzewodzących urządzeń do zakłóceń kwantowych (SQUID). 2, 6 Superparamagnetyczne nanocząstki dobrze kontrastują z różnymi tkankami ludzkiego ciała, które są dia- lub paramagnetyczne. 7 W ten sposób cząstki mogą być wygodnie wykorzystywane do pozyskiwania obrazów medycznych części ludzkiego ciała ze stosunkowo dobrą rozdzielczością przestrzenną i czułością. 8

Technika obrazowania cząstek magnetycznych (MPI) wprowadzona przez Gleicha i Weizeneckera9 wykorzystuje nieliniowość namagnesowania cząstki. Przy zerowym lub słabym odchyleniu pola magnetycznego odpowiedź MNP na wzbudzenie prądem przemiennym o częstotliwości f jest silna ze względu na ich dużą podatność. W szczególności nieliniowe namagnesowanie cząstki powoduje generowanie harmonicznych n·f, gdzie n = 2, 3, 4 ... Przy silnym odchyleniu pola magnetycznego odpowiedź harmoniczna staje się słaba, ponieważ cząstki są nasycone magnetycznie. W technice MPI próbka jest całkowicie namagnesowana, z wyjątkiem linii wolnej od pola (FFL) lub punktu wolnego od pola (FFP). Tylko cząstki znajdujące się blisko tej linii lub punktu przyczynią się do nieliniowej odpowiedzi próbki. Dzięki ruchowi FFP i zastosowaniu odpowiednich cewek odbiorczych, Gleich i Weizenecker uzyskali obrazy MPI o rozdzielczości przestrzennej 1 mm.

Aby uzyskać informacje o przestrzennym rozkładzie MNP, zazwyczaj stosuje się dwie metody, mechaniczny ruch czujnika względem próbki lub ruch FFL/FFP za pomocą elektromagnesów. 2, 3 W tym drugim przypadku wymagane są techniki rekonstrukcji obrazu, takie jakMPI 3 w przestrzeni harmonicznej lub MPI10, 11, 12 w przestrzeni X. Rozdzielczość przestrzenna MPI zależy od właściwości konwolucyjnych cewek wzbudzających i detekcyjnych, a także od charakterystyki gradientu pola magnetycznego. Dzięki temu algorytmy rekonstrukcji obrazu mogą uzyskać lepszą rozdzielczość w stosunku do rozdzielczości natywnej, która jest określana przez rozmiar i odległość cewek odbiorczych, a także przez rozkład pola magnetycznego regulowany równaniami Maxwella.

Skaner MPI zazwyczaj składa się z silnego magnesu do magnesowania całej próbki, kontrolowanego systemu cewek do kierowania FFL lub FFP po próbce, systemu cewki wzbudzającej wysokiej częstotliwości oraz systemu cewki detekcyjnej do odbierania nieliniowej odpowiedzi z próbki. FFL/FFP jest w sposób ciągły przesuwany przez objętość próbki, podczas gdy rejestrowana jest odpowiedź harmoniczna z tego nienasyconego obszaru próbki. Aby uniknąć problemu z dopasowaniem próbki do skanera, Gräfe i wsp. zademonstrowali jednostronny skaner MPI.13, jednak kosztem obniżonej wydajności. Najlepsze wyniki uzyskuje się, gdy próbka jest otoczona magnesami i cewkami. Ponieważ próbka musi być w pełni namagnesowana, z wyjątkiem obszaru FFL/FFP, technika ta wymaga stosunkowo dużych i silnych magnesów z chłodzeniem wodnym, co prowadzi do dość nieporęcznego i ciężkiego systemu MPI.

Nasze podejście opiera się na mieszaniu częstotliwości na nieliniowej krzywej namagnesowania cząstek superparamagnetycznych. 14 Gdy superparamagnetyki są wystawione na działanie pól magnetycznych o dwóch różnych częstotliwościach (f1 i f 2), generowane są sumarowane częstotliwości reprezentujące kombinację liniową m·f1 + n·f2 (z liczbami całkowitymi m, n). Wykazano, że wygląd tych składników jest wysoce specyficzny dla nieliniowości krzywej namagnesowania cząstek. 15 Innymi słowy, gdy próbka MNP jest jednocześnie wystawiona na działanie pola magnetycznego kierującego o częstotliwości f2 i pola sondującego o częstotliwości f1, cząstki wytwarzają pole odpowiedzi o częstotliwości f1 + 2·f2. Ta suma częstotliwości nie istniałaby bez próbki magnetycznie nieliniowej, dlatego swoistość jest niezwykle wysoka. Nazwaliśmy tę metodę "detekcją magnetyczną z mieszaniem częstotliwości" (FMMD). Eksperymentalnie zweryfikowano, że technika ta daje zakres dynamiczny większy niż cztery rzędy wielkości w stężeniu cząstek. 14

W przeciwieństwie do typowego oprzyrządowania MPI, podejście do detekcji magnetycznej z mieszaniem częstotliwości planarnej (p-FMMD) nie wymaga namagnesowania próbki blisko nasycenia, ponieważ generowanie składowej sumy częstotliwości f1 + 2·f2 jest maksymalne przy zerowym polu polaryzacji statycznej. 14 Dzięki temu nie ma potrzeby stosowania silnych i nieporęcznych magnesów. W rzeczywistości wymiary zewnętrzne głowicy pomiarowej wynoszą tylko 77 mm × 68 mm × 29 mm. Dla porównania, konfiguracje MPI są zwykle o rozmiarach metrowych. 7 Wadą jest jednak to, że technika ta jest ograniczona do płaskich próbek o maksymalnej grubości 2 mm w obecnej konfiguracji. Próbka musi być zeskanowana względem dwustronnej głowicy pomiarowej. Rekonstrukcja pozwalająca na uzyskanie grubszych próbek jest możliwa, ale musi zostać zamieniona na utratę rozdzielczości przestrzennej.

Bazując na tej technice FMMD, prezentujemy specjalny typ detektora MPI dla próbek płaskich, tak zwany skaner "płaskiej detekcji magnetycznej mieszającej częstotliwości" (p-FMMD). Zasada ta została niedawno opublikowana. 17 W niniejszej pracy skupimy się na metodologii tej techniki i przedstawimy protokoły, jak skonfigurować taki skaner i jak wykonać skanowanie. Wykazano, że MPI może być stosowany do medycznych celów diagnostycznych, takich jak obrazowanie układu krążenia lub raka. 16, 18, 19 Dlatego uważamy, że nowy skaner MPI może być wykorzystywany w szerokim zakresie potencjalnych zastosowań, np. do pomiaru rozkładu cząstek magnetycznych w wycinkach tkanki.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Projektowanie płaskiej głowicy pomiarowej FMMD

  1. Wybierz schemat cewek dla głowicy pomiarowej. Wybierz konfigurację zgodnie z Rycina 1, składający się z dwóch cewek odbiorczych powyżej i dwóch poniżej próbki w sekwencji (-, +, +, -), przy czym próbka znajduje się w centrum pomiędzy dwiema cewkami (+). Znak oznacza kierunek nawijania, t. j., (+) dla obrotu zgodnie z ruchem wskazówek zegara i (-) dla obrotu przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Dzięki temu czułość cewek odbiorczych staje się niemal jednorodna w całej grubości próbki.
    1. Ustaw cewki wzbudzające w taki sposób, aby bezpośrednio indukowany sygnał w cewkach odbiorczych uległ zniesieniu, co zapobiegnie nasyceniu przedwzmacniacza i pozwoli uzyskać maksymalną czułość względem próbki. Można opracować inne konfiguracje spełniające te podstawowe zasady projektowania.
  2. Określić maksymalną grubość próbki. W tym przypadku należy przyjąć 2 mm.
    1. Należy dobrać średnicę i długość cewek odbiorczych zbliżone do maksymalnej grubości próbki. W tym przypadku wybrano średnicę wewnętrzną wynoszącą 2 mm, co przy wysokości nawingów 1,7 mm daje średnicę średnią 3,7 mm. Szerokość cewki wynosi 4 mm.
    2. Wybierz średnicę drutu oraz liczbę zwojów cewek odbiorczych w taki sposób, aby całkowita impedancja wszystkich cewek odbiorczych była w przybliżeniu zgodna z impedancją wejściową przedwzmacniacza. Warunek ten nakłada ograniczenia na częstotliwość detekcji. W przypadku wzmacniacza operacyjnego o optymalnej impedancji wejściowej wynoszącej 1 100 Ωwszystkie cztery cewki odbiorcze mają 600 zwojów emaliowanego drutu miedzianego o średnicy 0,08 mm, co daje całkowitą szeregową rezystancję ohmiczną wynoszącą 95,3 Ω oraz całkowitą indukcyjność wynoszącą 1,9 mH, co daje 919 Ω impedancja
  3. Przygotuj cewki wzbudzające o wysokiej częstotliwości17 tak, aby pole magnetyczne w miejscu próbki wynosiło w idealnych warunkach około 0,5 mT. Przykładowo, jeśli wewnętrzny promień cewki wynosi 3,8 mm, a jej szerokość 8,5 mm, należy nawinąć 476 zwojów drutu o średnicy 0,1 mm. W tym przypadku w punkcie uzyskano pole o natężeniu 0,4 mT f1 = 76 550 Hz.
  4. Przygotuj cewki wzbudcze niskiej częstotliwości17 tak, aby pole magnetyczne w miejscu próbki wynosiło około 5 mT. Na przykład, jeśli wewnętrzny promień cewki wynosi 5 mm, a szerokość 8,5 mm, należy nawinąć 2000 zwojów drutu o średnicy 0,12 mm. Taka konfiguracja pozwoliła uzyskać 5 mT w f2 = 61 Hz.

figure-protocol-1
Rysunek 1. Schematyczna budowa układu p-FMMD. Dwie głowice pomiarowe są ze sobą połączone elektronicznie. Próbka jest umieszczona w przestrzeni między głowicami. Cewki detekcyjne (+) mierzą sygnał próbki, a cewki detekcyjne nawinięte w przeciwnym kierunku (-) służą jako referencja do zniesienia bezpośredniego pola z wysokoczęstotliwościowych cewek wzbudzających. Amp – przedwzmacniacz, x – mikser, LPF – filtr dolnoprzepustowy, DAQ – akwizycja danych. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

2. Budowa głowicy pomiarowej

  1. Zbuduj p-FMMD w taki sposób, aby dwa zestawy cewek wzbudzających i detekcyjnych były przymocowane nad i pod próbką. Każdy zestaw cewek składa się z niskoczęstotliwościowej cewki sterującej, wysokoczęstotliwościowej cewki wzbudzającej oraz różnicowej cewki detekcyjnej, obejmującej dwie cewki odbiorcze nawinięte w przeciwnych kierunkach w konfiguracji gradiometru osiowego.
    1. Należy zapewnić możliwość regulacji położenia co najmniej jednej cewki wzbudzającej względem cewki detekcyjnej różnicowej, aby umożliwić zrównoważenie bezpośredniej indukcji wysokoczęstotliwościowego wzbudzenia w cewce detekcyjnej. Przykładowo, cewkę wzbudzającą można zamontować na gwincie, który pozwala na ruch względny cewki wzbudzającej względem cewki detekcyjnej. Schemat p-FMMD przedstawiono na Rysunek 1. Rysunek 2 przedstawia rysunek techniczny i zdjęcie układu. Szczegółowe parametry cewek wymieniono w Tabela 1.
  2. Zamocuj zestawy cewek powyżej i poniżej próbki na sztywnym wsporniku, w orientacji współosiowej, patrz Rycina 1 i 2Upewnij się, że dwa zestawy cewek nie wibrują względem siebie.
  3. Dostrój balans wysokich częstotliwości głowicy pomiarowej poprzez przyłożenie prądu wzbudzania wysokiej częstotliwości do odpowiedniego zestawu cewek wzbudzających, zmianę ich wzajemnego położenia oraz jednoczesny pomiar sygnału wykrywanego na tej częstotliwości w zestawie cewek detekcyjnych, przy użyciu takiego sprzętu jak oscyloskop lub wzmacniacz lock-in.
    1. Dostosuj napięcie indukowane bezpośrednio do wartości tak niskiej, jak kilka miliwoltów, t.j., ponad tysiąckrotne tłumienie indukcji bezpośredniej. Wyznacz granice regulacji, obserwując przesunięcie fazowe między prądem wzbudzenia a wykrytym napięciem. Wartość minimalna napięcia indukowanego wynosi 90° przesunięte w fazie w porównaniu z indukcją bezpośrednią.

figure-protocol-2
Rysunek 2. Rysunek techniczny i zdjęcie głowicy p-FMMD. Przedstawiono przekroje w płaszczyźnie pionowej (lewa góra) i poziomej (lewa dół) oraz zdjęcie otwartej głowicy pomiarowej przed nawinięciem cewek. 1 - wspornik aluminiowy, 2 - karkas cewki dla cewek detekcyjnych, 3 - gwintowany karkas cewki dla cewek wzbudzających, który można przesuwać w górę/w dół poprzez obrót, 4 - płytki wspornika próbki, 5 - pokrywy aluminiowe, 6 - wspornik ogranicznika próbki, 7 - ogranicznik w kierunku x, 8 - ogranicznik w kierunku y. Elementy 6–8 są usuwane podczas skanowania. Rozmiar głowicy p-FMMD wynosi 77 mm × 68 mm × 29 mm. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

3. Konfiguracja elektroniki pomiarowej

  1. Skonfiguruj sekcję wzbudzania, składającą się z dwóch oscylatorów i wzmacniaczy mocy zarówno dla cewki sterującej niską częstotliwością, jak i cewki wzbudzającej wysoką częstotliwość.
    1. Skonfiguruj sekcję sterownika niskich częstotliwości, składającą się z oscylatora i wzmacniacza mocy dla niskich częstotliwości f2Oblicz moc wzmacniacza w taki sposób, aby dostarczał prąd niezbędny do wytworzenia pola o wartości około 5 mT w cewce sterującej. W tym celu jako programowalny oscylator wykorzystaj układ bezpośredniej syntezy cyfrowej (DDS). Jako wzmacniacz mocy zastosuj bufor wysokiej prędkości.
    2. Przygotuj sekcję wzbudzania wysoką częstotliwością, składającą się z oscylatora i wzmacniacza mocy dla wysokiej częstotliwości. f1Skonfiguruj wzmacniacz mocy w taki sposób, aby dostarczał prąd niezbędny do wytworzenia pola o natężeniu około 0,5 mT w cewce wzbudzenia. Jako oscylator wykorzystaj układ DDS, a jako wzmacniacz mocy – bufor wysokoprądowy.
  2. Skonfiguruj sekcję detekcji, składającą się z przedwzmacniacza oraz pierwszego mieszacza służącego do demodulacji z wysokiej częstotliwości f1wzmacniacz pośredni i filtr, drugi mieszacz do demodulacji z dwukrotności niskiej częstotliwości 2·f2oraz końcowy filtr i wzmacniacz wyjściowy. Alternatywnie można zastosować dwa wzmacniacze synchroniczne do implementacji układów detekcyjnych.
    1. Skonfiguruj stopień przedwzmacniacza. Wybierz wejściowy wzmacniacz operacyjny (OP), biorąc pod uwagę impedancję cewki detekcyjnej oraz iloczyn wzmocnienia i szerokości pasma. Przeprowadź procedurę optymalizacji szumów, uwzględniając określony szum napięciowy i prądowy wzmacniacza operacyjnego, zgodnie z opisem w Ref. 10. Wybierz szybki, niskoszumowy wzmacniacz operacyjny o wzmocnieniu wynoszącym około 100 w pierwszym stopniu. Kolejny stopień nie jest krytyczny, jednak należy sprawdzić, czy sygnał wyjściowy pozostaje w zakresie napięciowym, t. j. niezniekształcony z powodu przeładowania. W tym przypadku należy zastosować niskoszumny wzmacniacz operacyjny z wejściem JFET o 4,3-krotnym wzmocnieniu.
    2. Skonfiguruj pierwszy stopień demodulacji, mnożąc wzmocniony sygnał przez sygnał wysokiej częstotliwości f1Należy zastosować analogowy układ mnożący, sterowany sygnałem referencyjnym z drugiego, oddzielnego układu DDS, aby uzyskać regulowaną fazę demodulacji. Alternatywnie można wykorzystać wzmacniacz lock-in jako przedwzmacniacz (3.2.1), pierwszy demodulator (3.2.2) oraz generator wysokich częstotliwości (3.1.2).
    3. Skonfiguruj stopień pośredniego wzmocnienia i filtrowania. Zaimplementuj filtr dolnoprzepustowy w taki sposób, aby częstotliwość sygnału przy 2·f2 przechodzą bez zakłóceń, podczas gdy pozingalne komponenty wysokiej częstotliwości w f1 oraz 2·f1 są skutecznie tłumione. Należy dobrać odpowiednie wzmocnienie pośrednie, na przykład wybierając dwa ogólnego przeznaczenia wzmacniacze operacyjne o całkowitym wzmocnieniu wynoszącym około 100.
    4. Skonfiguruj drugi stopień demodulacji, mnożąc przefiltrowany i wzmocniony sygnał przez dwukrotność niskiej częstotliwości 2·f2Należy zastosować analogowy układ mnożnika, wykorzystując jako sygnał odniesienia czwarty, oddzielny układ DDS, aby uzyskać regulowaną fazę demodulacji. Alternatywnie można użyć wzmacniacza lock-in z możliwością demodulacji drugiej harmonicznej jako wzmacniacza pośredniego (3.2.3), drugiego demodulatora drugiej harmonicznej (3.2.4) oraz generatora niskich częstotliwości (3.1.1).
    5. Skonfiguruj końcowy stopień wzmacniania i filtrowania. Zastosuj filtr dolnoprzepustowy w taki sposób, aby sygnał o częstotliwości skanowania przechodził bez zakłóceń, natomiast niepożądane wysokoczęstotliwościowe składowe przy 4·f2 zostają skutecznie stłumione. Należy dobrać odpowiednie końcowe wzmocnienie, biorąc pod uwagę pożądany zakres napięcia wyjściowego. Należy użyć dwóch ogólnych wzmacniaczy operacyjnych o całkowitym wzmocnieniu wynoszącym około 10.

4. Konfiguracja skanera 2D

  1. Zamontuj skaner 2D w taki sposób, aby płaszczyzna ruchu była prostopadła do osi cewki.
  2. Steruj skanerem 2D i synchronicznie rejestruj napięcie wyjściowe z elektroniki pomiarowej, aby uzyskać obraz 2D sygnału FMMD próbki planarnej, korzystając z autorskiego skryptu napisanego w języku programowania Python.

5. Przygotowanie próbki

  1. Użyć cząsteczek magnetytu o średnicach 50 nm i 100 nm oraz cząsteczek maghemytu o średnicy 1 µm i stężeniu 25,0 mg/ml. Przemyć roztwór, rozpuszczając cząsteczki magnetyczne w wodzie, oddzielając je za pomocą magnesu i odlewając wodę. Powtórzyć tę procedurę trzykrotnie. Rozcieńczyć roztwór cząsteczek magnetycznych dziesięciokrotnie wodą destylowaną.
  2. Przygotować próbki w formie papierowych pelletów o średnicy 2,0 mm, wycinając fragmenty chłonnego papieru filtrowanego za pomocą dziurkacza do biopsji. Namoczyć je w roztworze kulek magnetycznych o różnych stężeniach przez 30 s i pozostawić do wyschnięcia na powietrzu. W tym celu zastosować stężenia 0,04, 0,2, 1, 5 i 25 mg/ml dla cząsteczek o rozmiarze 100 nm.
  3. Przygotować próbkę, wykorzystując membranę nitrocelulozową o wymiarach 2,0 mm × 18,0 mm. Namoczyć membranę w nierozcieńczonym roztworze cząsteczek o średnicy 1 µm. Przygotować jedną próbkę poprzez równomierne namoczenie membrany, a drugą poprzez stworzenie gradientu stężeń. Osiągnąć to poprzez namoczenie końców membrany w roztworach kulek o różnych stężeniach, co spowoduje powstanie gradientu stężeń (Ryc. 5).
  4. Przygotować próbkę w rurce kapilarnej o objętości 10 µl, średnicy zewnętrznej 400 µm i długości 40 mm. Wypełnić rurkę kapilarną nierozcieńczonym roztworem cząsteczek o średnicy 50 nm. Przygotować drugą mikroprobówkę z roztworem rozcieńczonym 20-krotnie (wymieszać 100 µl nierozcieńczonego roztworu z 1,9 ml wody).

6. Wykonanie skanu 2D FMMD

  1. Wybierz obszar skanowania zgodnie z wymiarami płaskimi a × b próbki. Wprowadź wartości w oprogramowaniu do skanowania.
  2. Wybierz kierunek krokowania. Zazwyczaj jako kierunek krokowania wybiera się krótszy z dwóch wymiarów płaskich, nazwijmy go b, ponieważ wymaga to mniejszej liczby kroków, a tym samym mniej faz przyspieszania i zwalniania.
  3. Wybierz prędkość skanowania v, biorąc pod uwagę redukcję sygnału wynikającą z filtrowania dolnoprzepustowego (patrz sekcja dyskusji). Dostosuj prędkość do wartości między 1 a 7 mm/sec. Wprowadź wartość w oprogramowaniu do skanowania.
  4. Wybierz odległość kroku Δb, pamiętając, że nie musi być ona znacznie mniejsza niż osiągalna rozdzielczość przestrzenna, oraz całkowity czas skanowania t, który będzie wynosił co najmniej t = a/v·b/Δb+1). Wprowadź odległość kroku w oprogramowaniu.
  5. Zamontuj próbkę w skanerze 2D. Przymocuj ją do plastikowej płytki za pomocą taśmy klejącej.

figure-protocol-3
Rycina 3. Zdjęcie układu pomiarowego p-FMMD. Próbka jest przymocowana taśmą klejącą do plastikowego nośnika przesuwanego przez stół motorowy (po lewej). Następnie próbka jest skanowana w głowicy p-FMMD (po prawej). Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

  1. Przeprowadź skanowanie, naciskając przycisk start. Skanowania... Rycina 5 i 6 przykryć obszar o średnicy 20,0 mm (Proszę podać tekst źródłowy do przetłumaczenia. oś) × 25,0 mm (y obszar osi), t. j., zeskanowano sześć odcinków o długości 25 mm wzdłuż y oś, w krokach co 4,0 mm Proszę podać tekst źródłowy do tłumaczenia. kierunku, przy prędkości przesuwu 1,0 mm/s. Odpowiada to czasowi skanowania wynoszącemu około 2 min.

figure-protocol-4
Rycina 4. Graficzny interfejs użytkownika oprogramowania do skanowania. Tutaj wprowadzane są parametry skanowania. Pomiar rozpoczyna się po naciśnięciu czerwonego przycisku.

7. Przetwarzanie obrazu

  1. Przekształć surowe dane do postaci macierzy za pomocą własnego skryptu w języku python. Zapisz surowe dane z całego skanu wraz z dodatkowymi wartościami w dwukolumnowym pliku w formacie wartości rozdzielanych przecinkami (CSV). Dodatkowa kolumna wskazuje przechwytywanie odpowiadających im danych podczas ruchu skokowego. Skrypt segmentuje kolumnę surowych danych przy każdej zmianie wartości kolumny dodatkowej i usuwa segmenty danych powstałe podczas ruchu skokowego. Następnie tworzy macierz wynikową, umieszczając pozostałe kolejne segmenty w wierszach lub kolumnach macierzy, a następnie zapisuje macierz w pliku w formacie CSV.
    Uwaga: Obrazy p-FMMD w niniejszej pracy zostały wygenerowane za pomocą skryptu w języku python. Funkcja pyplot.contour oraz funkcja pyplot.imshow z biblioteki matplotlib dla języka python zostały użyte łącznie do przygotowania odpowiednio konturów oraz kolorów tła.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Rysunek 5a przedstawia obliczony rozkład czułości wewnętrznej podwójnie różnicowej cewki detekcyjnej jako funkcję współrzędnych x i y na płaszczyźnie próbki. Obliczenia przeprowadzono w sposób odwrotny, wyznaczając superpozycję pól magnetycznych w wszystkich punktach (x, y) na płaszczyźnie środkowej, wytworzonych przez wszystkie cztery cewki detekcyjne. W sposób odwrotny określa to czułość cewki detekcyjnej na moment magnetyczny w każdy...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Technika pomiarowa wykorzystuje nieliniowość krzywej namagnesowania cząstek superparamagnetycznych. Dwustronna głowica pomiarowa jednocześnie przykłada do próbki dwa pola wzbudzenia magnetycznego o różnej częstotliwości, składową o niskiej częstotliwości (f2) do wprowadzania cząstek w stan nasycenia magnetycznego oraz pole sondy o wysokiej częstotliwości (f1) do pomiaru nieliniowej odpowiedzi magnetycznej. W szczególności generowane są zarówno harmoniczne pól padających, m...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Ta praca była wspierana przez program badawczo-rozwojowy ICT MSIP/IITP, Republika Korei (Grant nr: B0132-15-1001, Development of Next Imaging System).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Cząstki magnetyczne "SiMAG Silanol"Chemicell (http://www.chemicell.com)1101-5Wodna dyspersja magnetycznych cząstek krzemionki, Maghemit, śr. 1  &mikro; m
Nanocząstki magnetyczne "fluidMAG-Amine"Chemicell (http://www.chemicell.com)4121-5Wodna dyspersja nanocząstek magnetycznych, Magnetyt, śr. 50  nm
Mikroprobówka 10 i mikro; lHirschmann Laborgerä te (http://www.hirschmann-laborgeraete.de/?sc_lang=en)Tom 10 &MIKRO; l, średnica zewnętrzna 400  &mikro; m, długość 40 mm
Membrana nitrocelulozowa Biodyne BThermo Scientific (http://www.thermoscientific.com)77016Biodyne B Membrana nylonowa, 0,45  &mikro; m, 8  cm x 12 cm
Układ DDS AD9834Urządzenia analogowe (http://www.analog.com)AD983420 mW Moc, 2,3 V do 5,5 V, 75  MHz Kompletny
wzmacniacz operacyjny DDS AD829Urządzenia analogowe (http://www.analog.com)AD829Szybki wzmacniacz operacyjny wideo o niskim poziomie szumów
Mnożnik analogowy MPY634Texas Instruments (http://www.ti.com)MPY634Precyzyjny mnożnik analogowy o szerokim paśmie
BUF634Texas Instruments (http://www.ti.com)BUF634250  mA Szybki buforowy
wzmacniacz operacyjny OPA627Texas Instruments (http://www.ti.com)OPA627Precyzyjne wzmacniacze operacyjne High-Speed Difet(R)
Wzmacniacz operacyjny TL072Texas Instruments (http://www.ti.com)TL072Podwójny niskoszumowy wzmacniacz operacyjny JFET ogólnego przeznaczenia
Wzmacniacz blokujący SR830Stanford Instruments (http://www.thinksrs.com)SR830100 kHz DSP lock-in
amplifier XYZ zmotoryzowana scenaSciencetown, Incheon, Korea (http://mkmsll.en.ec21.com/)
Wycieraczka do pomieszczeń czystychSeoul Semitech Co (http://www.seoulsemi.com)CF-909wymiar 2,0 mm &czasy; 18  Mm

Bibliografia

  1. Tseng, P., Judy, J. W., Di Carlo, D. Magnetic nanoparticle-mediated massively parallel mechanical modulation of single-cell behavior. Nat meth. 9 (11), 1113-1119 (2012).
  2. Borgert, J., et al. Fundamentals and applications of magnetic particle imaging. J. Cardiovasc. Comput. Tomogr. 6 (3), 149-153 (2012).
  3. Buzug, T. M., et al. Magnetic particle imaging: introduction to imaging and hardware realization. Z. Med. Phys. 22 (4), 323-334 (2012).
  4. Kanger, J. S., Subramaniam, V., van Driel, R. Intracellular manipulation of chromatin using magnetic nanoparticles. Chromosome Res. 16 (3), 511-522 (2008).
  5. Magnetic Nanoparticles: From Fabrication to Clinical Applications. Thanh, N. T. K. , CRC press. Boca Raton. ISBN: 978=1439869321 (2012).
  6. Saritas, E. U., et al. Magnetic Particle Imaging (MPI) for NMR and MRI researchers. J. Magn. Reson. 229 (4), 116-126 (2012).
  7. Goodwill, P. W., et al. X-space MPI: magnetic nanoparticles for safe medical imaging. Adv. Mater. 24 (28), 3870-3877 (2012).
  8. Yim, H., Seo, S., Na, K. MRI Contrast Agent-Based Multifunctional Materials: Diagnosis and Therapy. J Nanomat. 2011 (2011), (2011).
  9. Gleich, B., Weizenecker, J. Tomographic imaging using the nonlinear response of magnetic particles. Nature. 435 (7046), 1214-1217 (2005).
  10. Rahmer, J., Weizenecker, J., Gleich, B., Borgert, J. Analysis of a 3-D system function measured for magnetic particle imaging. IEEE Trans. Med. Imaging. 31 (6), 1289-1299 (2012).
  11. Goodwill, P. W., Conolly, S. M. Multidimensional x-space magnetic particle imaging. IEEE Trans. Med. Imaging. 30 (9), 1581-1590 (2011).
  12. Goodwill, P. W., Konkle, J. J., Zheng, B., Saritas, E. U., Conolly, S. M. Projection x-space magnetic particle imaging. IEEE Trans. Med. Imaging. 31 (5), 1076-1085 (2012).
  13. Gräfe, K., et al. An Application Scenario for Single-Sided Magnetic Particle Imaging. Biomed. Tech. 57, Suppl. 1 (2012).
  14. Krause, H. -J., et al. Magnetic particle detection by frequency mixing for immunoassay applications. J. Magn. Magn. Mater. 311 (1), 436-444 (2007).
  15. Meyer, M. H. F., et al. Francisella tularensis detection using magnetic labels and a magnetic biosensor based on frequency mixing. J. Magn. Magn. Mater. 311 (1), 259-263 (2007).
  16. Finas, D., et al. Detection and distribution of superparamagnetic nanoparticles in lymphatic tissue in a breast cancer model for magnetic particle imaging. Biomed. Tech. 57, Suppl. 1 (2012).
  17. Hong, H., Lim, J., Choi, C. -J., Shin, S. -W., Krause, H. -J. Magnetic particle imaging with a planar frequency mixing magnetic detection scanner. Rev. Sci. Instr. 85 (1), 013705(2014).
  18. Haegele, J., et al. Toward cardiovascular interventions guided by magnetic particle imaging: First instrument characterization. Magn. Reson. Med. 69 (6), 1761-1767 (2012).
  19. Haegele, J., et al. Magnetic particle imaging: visualization of instruments for cardiovascular intervention. Radiology. 265 (3), 933-938 (2012).
  20. Goodwill, P. W., Lu, K., Zheng, B., Conolly, S. M. An x-space magnetic particle imaging scanner. Rev. Sci. Instrum. 83 (3), 033708(2012).
  21. Lampe, J., et al. Fast reconstruction in magnetic particle imaging. Phys. Med. Biol. 57 (4), 1113-1134 (2012).
  22. Yim, H., Seo, S., Na, K. MRI Contrast Agent-Based Multifunctional Materials: Diagnosis and Therapy. J Nanomat. 2011 (2011), (2011).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Obrazowanie cz steczek magnetycznychskaner planarnymagnetyczne pole wzbudzeniaprodukty intermodulacjielektronika demoduluj cacz stki superparamagnetycznerozdzielczo przestrzennananomagnetyczne cz stkicienkie pr bki biologiczne

Powiązane artykuły