Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

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, składającej się z dwóch cewek odbiorczych nad i dwóch pod próbką w sekwencji (-, +, +, -), przy czym próbka znajduje się w centrum pomiędzy dwiema cewkami (+). Znak oznacza kierunek nawijania, t. j., (+) dla kierunku zgodnego z ruchem wskazówek zegara i (-) dla kierunku przeciwnego do ruchu wskazówek zegara. W ten sposób czułość cewek odbiorczych staje się niemal jednorodna w całej grubości próbki.
    1. Umieść cewki wzbudzające w taki sposób, aby bezpośrednio indukowany w cewkach odbiorczych sygnał uległ zniesieniu, co zapobiegnie nasyceniu przedwzmacniacza i pozwoli na osiągnięcie maksymalnej czułości względem próbki. Można opracować inne konfiguracje spełniające te podstawowe zasady projektowe.
  2. Określ maksymalną grubość próbki. W tym przypadku należy zastosować 2 mm.
    1. Wybierz średnicę i długość cewek odbiorczych zbliżoną do maksymalnej grubości próbki. W tym przypadku wybrano średnicę wewnętrzną 2 mm, co daje średnią średnicę 3,7 mm przy wysokości uzwojenia 1,7 mm. Szerokość cewki wynosi 4 mm.
    2. Należy dobrać 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 1100 Ω, wszystkie cztery cewki odbiorcze mają po 600 zwojów emaliowanego drutu miedzianego o średnicy 0,08 mm, co daje całkowitą szeregową rezystancję ohmiczną 95,3 Ω i całkowitą indukcyjność 1,9 mH, co przekłada się na impedancję 919 Ω.
  3. Przygotuj cewki wzbudzające wysokiej częstotliwości17 tak, aby pole magnetyczne w miejscu próbki wynosiło w ideałach około 0,5 mT. Na przykład, jeśli promień wewnętrzny cewki wynosi 3,8 mm, a jej szerokość 8,5 mm, należy nawinąć 476 zwojów drutu o średnicy 0,1 mm. W tym przypadku uzyskano pole o natężeniu 0,4 mT w f1 = 76 550 Hz.
  4. Przygotuj cewki wzbudzające niskiej częstotliwości17 tak, aby pole magnetyczne w miejscu próbki wynosiło około 5 mT. Na przykład, jeśli wewnętrzny promień cewki wynosi 5 mm, a jej szerokość 8,5 mm, należy nawinąć 2000 zwojów drutu o średnicy 0,12 mm. Układ ten pozwolił uzyskać 5 mT przy f2 = 61 Hz.

Schemat spektroskopii niskoczęstotliwościowej, konfiguracja cewek, detekcja harmonicznych, wzmacniacz, LPF, DAQ, analiza fazowa.
Rycina 1. Schematyczna budowa układu p-FMMD. Dwie głowice pomiarowe są połączone ze sobą elektronicznie. Próbka jest umieszczana w przestrzeni między głowicami. Cewki detekcyjne (+) mierzą sygnał z próbki, a cewki detekcyjne nawinięte w przeciwnym kierunku (-) służą jako referencja w celu zniesienia bezpośredniego pola z wysokoczęstotliwościowych cewek wzbudzających. Amp – przedwzmacniacz, x – mieszacz, LPF – filtr dolnoprzepustowy, DAQ – system akwizycji danych. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

2. Budowa głowicy pomiarowej

  1. Zbuduj p-FMMD w taki sposób, aby dwa zestawy cewek wzbudzających i detekcyjnych były przymocowane powyżej i poniżej próbki. Każdy zestaw cewek składa się z cewki wzbudzającej niskiej częstotliwości, cewki wzbudzającej wysokiej częstotliwości oraz różnicowej cewki detekcyjnej obejmującej dwie cewki odbiorcze nawinięte w przeciwnych kierunkach w konfiguracji gradiometru osiowego.
    1. Zapewnij możliwość regulacji przynajmniej jednej cewki wzbudzającej względem różnicowej cewki detekcyjnej, aby móc zrównoważyć bezpośrednią indukcję wysokiej częstotliwości wzbudzenia w cewce detekcyjnej. Na przykład zamontuj cewkę wzbudzającą na gwincie, który umożliwia ruch względny cewki wzbudzającej względem cewki detekcyjnej. Schemat p-FMMD przedstawiono na Rysunku 1. Rysunek 2 przedstawia rysunek techniczny oraz zdjęcie układu. Szczegółowe parametry cewek wymieniono w Tabeli 1.
  2. Zamontuj zestawy cewek powyżej i poniżej próbki na sztywnym wsporniku, w orientacji współosiowej, patrz Rysunki 1 i 2. Upewnij się, że dwa zestawy cewek nie wibrują względem siebie.
  3. Wyreguluj balans wysokiej częstotliwości głowicy pomiarowej poprzez przyłożenie prądu wzbudzenia wysokiej częstotliwości do odpowiedniego zestawu cewek wzbudzających, zmianę ich położenia względnego i jednoczesny pomiar sygnału detekcyjnego o tej częstotliwości w zestawie cewek detekcyjnych, używając sprzętu takiego jak oscyloskop lub wzmacniacz lock-in.
    1. Zredukuj napięcie indukowane bezpośrednio do poziomu kilku miliwoltów, t.j. ponad 1000-krotne stłumienie indukcji bezpośredniej. Określ granicę regulacji, obserwując przesunięcie fazowe między prądem wzbudzenia a napięciem detekcyjnym. W punkcie minimum napięcie indukowane jest przesunięte w fazie o 90° w porównaniu do indukcji bezpośredniej.

Schemat montażu mechanicznego z opisanymi komponentami; obraz prototypu metalowej obudowy.
Rycina 2. Rysunek techniczny i zdjęcie głowicy p-FMMD. Przedstawiono przekroje wzdłuż płaszczyzny pionowej (lewa góra) i płaszczyzny poziomej (lewa dół) oraz zdjęcie otwartej głowicy pomiarowej przed nawinięciem cewek. 1 – podpora aluminiowa, 2 – karkas dla cewek detekcyjnych, 3 – gwintowany karkas dla cewek wzbudzających, który można przesuwać w górę/dół poprzez obrót, 4 – płytki podtrzymujące próbkę, 5 – pokrywy aluminiowe, 6 – podpora stopera próbki, 7 – stoper w kierunku x, 8 – stoper w kierunku y. Elementy 6–8 są usuwane podczas skanowania. Wymiary głowicy p-FMMD wynoszą 77 mm × 68 mm × 29 mm. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

3. Konfiguracja elektroniki pomiarowej

  1. Skonfiguruj sekcję wzbudzania, składającą się z dwóch oscylatorów i wzmacniaczy mocy dla cewki sterującej niskiej częstotliwości oraz cewki wzbudzającej wysokiej częstotliwości.
    1. Skonfiguruj sekcję sterowania niską częstotliwością, obejmującą oscylator i wzmacniacz mocy dla niskiej częstotliwości f2. Oblicz moc wzmacniacza w taki sposób, aby dostarczył prąd niezbędny do wytworzenia pola o natężeniu około 5 mT w cewce sterującej. W tym celu jako programowalny oscylator wykorzystaj układ bezpośredniej syntezy cyfrowej (DDS). Jako wzmacniacz mocy zastosuj bufor szybki.
    2. Skonfiguruj sekcję wzbudzania wysoką częstotliwością, obejmującą oscylator i wzmacniacz mocy dla wysokiej częstotliwości f1. Skonfiguruj wzmacniacz mocy tak, aby dostarczył prąd niezbędny do wytworzenia pola o natężeniu około 0,5 mT w cewce wzbudzającej. Jako oscylator i wzmacniacz mocy wykorzystaj odpowiednio układ DDS oraz bufor szybki.
  2. Skonfiguruj sekcję detekcji, składającą się z przedwzmacniacza, pierwszego miksera do demodulacji z wysokiej częstotliwości f1, wzmacniacza i filtra pośredniego, drugiego miksera do demodulacji z dwukrotności niskiej częstotliwości 2·f2 oraz końcowego filtra i sterownika wyjściowego. Alternatywnie można zastosować dwa wzmacniacze lock-in do realizacji 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 OP, zgodnie z opisem w Ref. 10. Wybierz szybki wzmacniacz operacyjny o niskim poziomie szumów z wzmocnieniem około 100 w pierwszym stopniu. Kolejny stopień nie jest krytyczny, jednak należy sprawdzić, czy sygnał wyjściowy pozostaje w zakresie napięć, tj. nie jest zniekształcony w wyniku przeciążenia. W tym przypadku zastosuj niskoszumowy wzmacniacz operacyjny z wejściem JFET o 4,3-krotnym wzmocnieniu.
    2. Skonfiguruj pierwszy stopień demodulacji, mnożąc wzmocniony sygnał przez wysoką częstotliwość f1. Wykorzystaj analogowy układ mnożnika i podłącz go do drugiego, oddzielnego układu DDS, aby uzyskać regulowaną fazę demodulacji. Alternatywnie można zastosować wzmacniacz lock-in jako przedwzmacniacz (3.2.1), pierwszy demodulator (3.2.2) i generator wysokiej częstotliwości (3.1.2).
    3. Skonfiguruj stopień wzmocnienia i filtrowania pośredniego. Zaimplementuj filtr dolnoprzepustowy w taki sposób, aby sygnał o częstotliwości 2·f2 przechodził bez zakłóceń, podczas gdy pasożytnicze składowe wysokiej częstotliwości przy f1 i 2·f1 były skutecznie tłumione. Dobierz odpowiednie wzmocnienie pośrednie, na przykład wybierając dwa ogólnego przeznaczenia wzmacniacze operacyjne o łącznym wzmocnieniu około 100.
    4. Skonfiguruj drugi stopień demodulacji, mnożąc przefiltrowany i wzmocniony sygnał przez dwukrotność niskiej częstotliwości 2·f2. Wykorzystaj analogowy układ mnożnika i podłącz go do czwartego, oddzielnego układu DDS, aby uzyskać regulowaną fazę demodulacji. Alternatywnie można zastosować wzmacniacz lock-in zdolny do demodulacji drugiej harmonicznej jako wzmacniacz pośredni (3.2.3), drugi demodulator drugiej harmonicznej (3.2.4) i generator niskiej częstotliwości (3.1.1).
    5. Skonfiguruj końcowy stopień wzmocnienia i filtrowania. Zaimplementuj filtr dolnoprzepustowy w taki sposób, aby sygnał o częstotliwości skanowania przechodził bez zakłóceń, podczas gdy pasożytnicze składowe wysokiej częstotliwości przy 4·f2 były skutecznie tłumione. Dobierz odpowiednie wzmocnienie końcowe, biorąc pod uwagę pożądany zakres napięcia wyjściowego. Wykorzystaj dwa ogólnego przeznaczenia wzmacniacze operacyjne o łącznym wzmocnieniu 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, wykorzystując do tego własny skrypt napisany w języku programowania Python.

5. Przygotowanie próbki

  1. Należy użyć cząstek magnetytu o średnicach 50 nm i 100 nm oraz cząstek maghemitu o średnicy 1 µm o stężeniu 25,0 mg/ml. Roztwór należy przemyć, rozpuszczając cząstki magnetyczne w wodzie, oddzielając je za pomocą magnesu i odlewając wodę. Procedurę powtarzamy trzykrotnie. Roztwór cząstek magnetycznych należy rozcieńczyć wodą destylowaną dziesięciokrotnie.
  2. Należy przygotować próbki w formie papierowych pelletów o średnicy 2,0 mm, wycinając fragmenty chłonnego papieru odsączającego za pomocą bioptera. Następnie należy namoczyć je w roztworze kulek magnetycznych o różnych stężeniach przez 30 s i pozostawić do wyschnięcia na powietrzu. W tym przypadku należy zastosować stężenia 0,04, 0,2, 1, 5 i 25 mg/ml dla cząstek o rozmiarze 100 nm.
  3. Należy przygotować próbkę, wykorzystując membranę nitrocelulozową o rozmiarze 2,0 mm × 18,0 mm. Membranę należy nasączyć nierozcieńczonym roztworem cząstek o średnicy 1 µm. Przygotowuje się jedną próbkę poprzez równomierne nasączenie membrany, a drugą poprzez wytworzenie gradientu stężeń. Realizuje się to poprzez namoczenie końców membrany w roztworach kulek o różnych stężeniach, co prowadzi do powstania gradientu stężeń (Rysunek 5).
  4. Należy przygotować próbkę w rurce kapilarnej o objętości 10 µl, średnicy zewnętrznej 400 µm i długości 40 mm. Rurkę kapilarną należy wypełnić nierozcieńczonym roztworem cząstek o średnicy 50 nm. Drugą mikroprobówkę należy przygotować z roztworem rozcieńczonym 20-krotnie (miesza się 100 µl nierozcieńczonego roztworu z 1,9 ml wody).

6. Wykonanie skanowania 2D FMMD

  1. Wybierz obszar skanowania zgodnie z wymiarami płaskimi a × b próbki. Wprowadź wartości w oprogramowaniu do skanowania.
  2. Wybierz kierunek kroku. Zazwyczaj jako kierunek kroku 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: dyskusja). 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 uwzględnij całkowity czas skanowania t, który wyniesie co najmniej t = a/v·b/Δb+1). Wprowadź odległość kroku w oprogramowaniu.
  5. Zamocuj próbkę w skanerze 2D. Przymocuj ją do plastikowej płytki za pomocą taśmy klejącej.

Układ spektroskopowy, wzbudzenie optyczne, sprzęt laboratoryjny, eksperyment badawczy, analiza emisji.
Rysunek 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). Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

  1. Wykonaj skanowanie, naciskając przycisk start. Skanowania przedstawione na Rysunku 5 oraz 6 obejmują obszar o wymiarach 20,0 mm (oś x) × 25,0 mm (oś y), t.j. wzdłuż osi y wykonano sześć ścieżek o długości 25 mm, z krokiem 4,0 mm w kierunku x, przy prędkości przesuwu stolika 1,0 mm/sec. Przekłada się to na czas skanowania wynoszący około 2 min.

Interfejs systemu NVD pokazujący schemat sterowania ruchem; używany do precyzyjnego pozycjonowania głowicy FMM.
Rysunek 4. Graficzny interfejs użytkownika oprogramowania do skanowania. Tutaj wprowadza się parametry skanowania. Pomiar rozpoczyna się poprzez naciśnięcie czerwonego przycisku.

7. Przetwarzanie obrazów

  1. Przekształć surowe dane w formę macierzy za pomocą autorskiego skryptu w języku python. Zapisz surowe dane z całego skanowania wraz z wartościami dodatkowymi w pliku w formacie wartości rozdzielanych przecinkami (CSV) składającym się z 2 kolumn. Dodatkowa kolumna wskazuje rejestrację odpowiednich danych podczas ruchu skokowego. Skrypt segmentuje kolumnę surowych danych przy każdej zmianie wartości w kolumnie dodatkowej i usuwa segmenty danych zarejestrowane podczas ruchu skokowego. Następnie tworzy wynikową macierz, układając pozostałe kolejne segmenty w wierszach lub kolumnach macierzy, i zapisuje macierz w pliku w formacie CSV.
    Uwaga: obrazy p-FMMD w niniejszym badaniu zostały wygenerowane przy użyciu skryptu w języku python. Do przygotowania konturów oraz kolorów tła wykorzystano odpowiednio funkcję pyplot.contour i funkcję pyplot.imshow z biblioteki matplotlib dla języka python.

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

Wyniki

Rysunek 5a przedstawia obliczony rozkład czułości wewnętrznego podwójnie różniczkowego cewnika detekcyjnego w funkcji współrzędnych x i y na płaszczyźnie próbki. Obliczenia wykonano metodą odwrotną, wyznaczając superpozycję pól magnetycznych w wszystkich punktach (x, y) na centralnej płaszczyźnie, generowanych przez wszystkie cztery cewniki detekcyjne. W rezultacie określono czułość cewnika detekcyjnego na moment magnetyczny w każdym z ...

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

Tagi

Obrazowanie cząsteczek magnetycznychskaner planarnymagnetyczne pole wzbudzeniaprodukty intermodulacjielektronika demodulującacząstki superparamagnetycznerozdzielczość przestrzennananomagnetyczne cząstkicienkie próbki biologiczne
Skaner detekcji magnetycznej z mieszaniem częstotliwości do obrazowania cząstek magnetycznych w próbkach planarnych
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.