Name: Kwantyfikacja mieszania za pomocą obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-01-25T12:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 33 s
Description: Poznaj metodę kwantyfikacji mieszania w statycznym mikserze za pomocą obrazowania metodą rezonansu magnetycznego. Technika ta umożliwia wizualizację nieprzezroczystych płynów i dostarcza ilościowych danych o efektywności procesu.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy chcieliby podziękować firmie Aspect Imaging (Industrial Area Hevel Modi'in, Shoham, Izrael) za sekwencje impulsów wykorzystane w badaniu. Praca ta została częściowo sfinansowana z grantu przyznanego przez Center for Process Analytical Chemistry na Uniwersytecie Waszyngtońskim (Seattle, WA, USA), a także dzięki wkładom rzeczowym i wsparciu finansowemu firmy Procter and Gamble Company.

1. Projekt mieszalnika
<ol>
	<li>Użyj programu CAD do zaprojektowania sekcji mieszających mieszalnika statycznego.</li>
</ol>
Mieszalnik SAR składa się z kilku różnych geometrii płytek; geometrie te przedstawiono na Rys. 3. Każda wycinana laserowo płytka z polimetakrylanu metylu (PMMA) ma grubość 1,59 mm i posiada w dolnej części prostokątny wpust, który umożliwia jej wyrównanie w rurce PVC z prętem akrylowym. Geometria ta jest podobna do opisanych w [3, 4], z wyjątkiem tego, że ściany w rozszerzeniach i zwężeniach tworzą szereg dyskretnych stopni „schodkowych” wynikających z ułożenia poszczególnych płytek, a nie gładkie powierzchnie skośne. Chociaż w tym przypadku materiałami konstrukcyjnymi są PMMA i PVC, można również zbudować nieprzezroczyste mieszalniki niemetaliczne.
<ol start="2">
	<li>Ustaw poszczególne płytki w celu utworzenia modułów powtarzalnych mieszalnika. Umieść płytki ściśle wewnątrz przezroczystej rury PVC Schedule 40 o średnicy 1½ cala. </li>
	<li> Rys. 4 przedstawia mieszalnik statyczny widziany z boku. Zauważmy, że dwie ciecze wpływają po lewej stronie rysunku. Komponent mniejszy, przedstawiony jako ciemny obszar, wpływa przez dyszę (Płytka S, Rys. 3) i tworzy strumień komponentu mniejszego w (bezbarwnym) komponencie głównym. Moduł powtarzalny zaczyna się po Płytce S przy pierwszej Płytce C i rozciąga się w dół strumienia aż do Płytki 48, która również jest Płytką C. W każdym module powtarzalnym dwie ciecze przepływają przez 8 płytek o otwartym kanale (Płytka C). Następnie ciecz jest fizycznie rozdzielona na dwa pionowe kanały przez osiem płytek typu Płytka I, po czym następuje właściwa sekcja mieszania. Sekcja mieszania składa się z łącznie 16 płytek, od strony dopływu do odpływu: Płytek I, A, B, D, E, F, G, J, J, K, L, M, N, O, P oraz H. Ciecz opuszcza sekcję mieszania i wpływa do 8 płytek typu Płytka H, w których ciecz jest fizycznie rozdzielana na dwa poziome kanały. Za sekcją „H” następują 8 płytki o otwartym kanale (Płytka C). Ten wzór 48 płytek powtarza się 6 razy w mieszalniku. Dwa moduły powtarzalne są zilustrowane na Rys. 4 jako Płytki 1-96. </li>
</ol>
2. System przepływowy z systemem obrazowania MR i mieszalnikiem
<ol>
	<li>Zmontować układ przepływowy do pompowania roztworu Carbopolu przez przepływowy statyczny mieszalnik typu split-and-recombine. Należy zapewnić możliwość kontroli i rejestracji masowego natężenia przepływu badanych cieczy. Dodatkowo, przed mieszalnikiem należy zainstalować przetwornik ciśnienia w celu monitorowania ciśnienia.</li>
	<li>Umieścić mieszalnik w magnesie (Rys. 5). Magnes jest częścią spektrometru obrazującego opartego na magnesie trwałym o indukcji 1 Tesla (Aspect Imaging, Industrial Area Hevel Modi'in, Shoham, Izrael), z maksymalną wartością gradientu 0,3 T/m. Wymiary obudowy magnesu wynoszą 700 x 700 x 600 mm.</li>
	<li>Dopować część roztworu Carbopolu chlorkiem manganu (MnCl2). Będzie to komponent mniejszy. Komponentem większym jest niedopowany roztwór Carbopolu. Rys. 6 przedstawia schemat układu przepływowego.</li>
</ol>
3. Charakterystyka płynu testowego
<ol>
	<li>Przygotuj 0,2% w/w roztwór Carbopolu (The Lubrizol Corporation), powoli przesiewając odważoną ilość polimeru do wody dejonizowanej w zbiorniku z mieszadłem. Ta rodzina produktów polimerowych opiera się na chemii sieciowanego kwasu akrylowego i jest szeroko stosowana w produktach do pielęgnacji osobistej oraz artykułach gospodarstwa domowego jako modyfikator reologiczny. Zneutralizuj roztwór Carbopolu za pomocą 50% roztworu NaOH do pH 7; neutralizacja pozwala roztworowi osiągnąć maksymalną lepkość, ponieważ polimer pęcznieje w wodzie, tworząc żel. Przygotuj drugi roztwór Carbopolu zawierający kontrast MR MnCl2 w końcowym stężeniu 0,040 mM; roztwór ten określany jest jako domieszkowany płyn znacznika.</li>
	<li>Sprzyznacznij zachowanie przepływu, czyli reologię, roztworów Carbopolu za pomocą reometru TA Instruments AR-G2 (New Castle, DE) z zastosowaniem standardowej geometrii Couette'a (śr. 14 mm x wys. 42 mm) w temperaturze płynu 25 °C. W celu wyznaczenia lepkości ścinania zastosuj pomiar naprężenia ścinania w stanie ustalonym w zakresie od 0,1 do 500 Pa w trybie logarytmicznym, z 10 punktami na dekadę i tolerancją 5%. Metody opisano w [5].</li>
</ol>
W niniejszej pracy właściwości reologiczne obu roztworów były nieodróżnialne, co zilustrowano na Ryc. 7; dane dopasowano do modelu potęgowego, a wyniki wskazują na występowanie zjawiska rozrzedzania ścinaniem.
Przeanalizuj właściwości wiskoelastyczne 0,2% w/w roztworu carbopolu za pomocą testów oscylacyjnych o małej amplitudzie. Przeprowadź pomiary dynamiczne przy stałym naprężeniu 1 Pa, co odpowiada liniowej області wiskoelastycznej. Zmierz odkształcenie podczas sweepu częstotliwości od 628 do 0,63 rad/s (100-0,10 Hz) w trybie logarytmicznym, stosując 10 punktów na dekadę. 
Moduły magazynowania i strat, odpowiednio G’ oraz G”, przedstawiono na Rys. 8. Krzywe są charakterystyczne dla układu żelowego, w którym G’&gt;G” i G’ pozostaje niemal stałe [5]. Wartości tan(δ) = G”/G’ rosną od 0,05 przy niskich częstotliwościach do 0,3 − 0,5 przy wyższych częstotliwościach. Odpowiadające im przesunięcie fazowe (δ) wykazywało ten sam trend, gdzie granicami są δ=0 dla ciał sprężystych (ciał Hooke'a) oraz δ=π/2 dla płynów newtonowskich.
<ol start="3">
	<li>Oceń wzglိny wkład sił lepkości w stosunku do sił bezwładności podczas przepływu, korzystając z liczby Reynoldsa. Ze względu na zmienność przekroju każdej płytki, obliczono średni przepływ przez płytkę oraz liczbę Reynoldsa, które przedstawiono w Tabeli 1. </li>
</ol>
Wartości te liczby Reynoldsa są znacznie mniejsze niż 1,0 i charakteryzują przepływy, w których siły lepkości dominują nad siłami bezwładności. Innymi słowy, mieszanie odbywa się poprzez laminarne rozciąganie i ścinanie, a nie poprzez turbulencje.
4. Akwizycja danych MR
<ol>
	<li>Wybierz odpowiednią cewkę wysokoczęstotliwościową.</li>
</ol>
W niniejszej pracy wykorzystano solenoid z czterema zwojami, obejmujący objętość cylindryczną o średnicy 60 mm i długości 60 mm. Cewka ta ściśle przylega do rurki PVC, co pozwoliło uzyskać korzystny stosunek sygnału do szumu.
<ol start="2">
	<li>Uruchom sekwencję gradientowego echa wieloprzecinkowego i wykonaj obrazy MR.</li>
</ol>
Wybrano tę sekwencję impulsów, ponieważ intensywność sygnału jest czuła na czas relaksacji spinowo-sieciowej materiału. Względna intensywność sygnału pomiędzy dwoma materiałami o różnych czasach relaksacji jest obliczana na podstawie równania. Przy wyborze odpowiednich parametrów eksperymentalnych należy wziąć pod uwagę różnice w intensywności sygnału oraz całkowity czas akwizycji obrazu w odniesieniu do wpływu dyfuzji molekularnej podczas akwizycji obrazu. Dodatkowo stężenie środka kontrastowego (MnCl2) dobrano tak, aby zmiany intensywności sygnału wynikające ze stężenia środka kontrastowego były liniowe. Dodatek MnCl2 skraca czas relaksacji spinowo-sieciowej (T1) badanego płynu z 2,998 s (bez domieszkowania) do 0,515 s (z domieszkowaniem). Domieszkowany roztwór Carbopolu wydaje się jaśniejszy na obrazach niż roztwór Carbopolu bez domieszkowania, ponieważ intensywność jest silnie zależna od czasu relaksacji spinowo-sieciowej. Parametry sekwencji impulsów to czas echa (TE) wynoszący 2 ms i czas repetycji (TR) wynoszący 30 ms; pole widzenia (FOV) wynosi 64 mm na 128 kodowań, co daje przestrzenną rozdzielczość w płaszczyźnie 0,5 mm/voxel. Dzięki tej wielowarstwowej sekwencji pozyskano 32 przekroje poprzeczne o grubości 1,4 mm na warstwę obrazowania.
5. Obrazowanie cieczy
<ol>
	<li>Przepompuj oba składniki (główny i pomocniczy) przez mieszalnik, aż do uzyskania stabilnego przepływu. Stosunek natężenia przepływu składnika głównego do pomocniczego wynosi 10:1. Jednocześnie zatrzymaj pompy i wykonaj obrazowanie cieczy w mieszalniku. Sekwencja MR nie obejmuje kompensacji przepływu; aby uniknąć artefaktów ruchowych, obrazowanie przeprowadza się na cieczy w spoczynku. Czas obrazowania wynosi od 1 do 4 minut.</li>
	<li>Zmień położenie mieszalnika kilkakrotnie, aby obrazować objętości cylindryczne w różnych lokalizacjach osiowych.</li>
</ol>
W niniejszym badaniu obrazowano kilka cylindrycznych objętości mieszalnika, które można zlokalizować na Rys. 9. Objętość wybierano poprzez przesuwanie rurki mieszalnika osiowo przez magnes, aż pożądana objętość znalazła się w punkcie optymalnym (tzw. sweet spot), zdefiniowanym przez centrum cewki NMR w środku magnesu.
<ol start="3">
	<li>Przeanalizuj dane MR za pomocą procedur analizy obrazu, aby udokumentować przestrzenny rozkład stężeń składników. Zależność między znormalizowaną intensywnością sygnału (x) a frakcją domieszkowanego płynu (y) w niniejszym badaniu wynosi y=1,419x-0,482 (R2=0,99). Zależność ta jest istotna dla analizy procesu mieszania. Aby zilustrować możliwości wizualizacji przepływu za pomocą MRI, w sekcji wyników przedstawiono wybrane obrazy z różnych lokalizacji osiowych.</li>
</ol>
6. Reprezentatywne wyniki
Rysunek 10 przedstawia obrazy przy dyszy szczelinowej (inżektorze), ukazujące przekroje poprzeczne podczas wprowadzania cieczy domieszkowanej i niedomieszkowanej do pierwszej jednostki powtarzalnej. Obrazy te wyraźnie pokazują również różnicę w intensywności sygnału pomiędzy cieczą w 100% domieszkowaną a cieczą niedomieszkowaną.
Mieszalnik SAR skutecznie i jednorodnie rozdziela przepływ, co zilustrowano na obrazach płyt H poniżej 1.st, 2.nd i 3rd sekcji mieszania (Ryc. 11, pierwszy rząd). Liczba „pasów” domieszkowanego płynu podwaja się w każdej sekcji mieszania. Drugi rząd na Ryc. 11 przedstawia procedurę analizy obrazu, która proguje obrazy do wartości „1” (pasy) i „0” (wszystko inne). Przetworzone obrazy wyraźnie ilustrują wzrost powierzchni międzyfazowej między płynami domieszkowanymi a niedomieszkowanymi w miarę rozdzielania i ponownego łączenia się płynów.
Kolejne obrazy z drugiej sekcji mieszania przedstawiono na Rys. 12.
<img src="/files/ftp_upload/3493/3493table1.jpg" alt="Tabela danych przepływu przez płytkę; przedstawia pole przekroju poprzecznego, prędkość i liczbę Reynoldsa dla dynamiki płynów." data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Tabela 1"> 
	Tabela 1. Pole przekroju poprzecznego każdej płytki i średnia prędkość w przekroju poprzecznym wraz z odpowiadającą im liczbą Reynoldsa (Re); zdefiniowaną dla płynu potęgowego (PL) z zastosowaniem średnicy równoważnej.
<img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig1.jpg" alt="Schemat eksperymentu z rurą do fal stojących akustycznych, przedstawiający rezonans i tworzenie się węzłów w płynie." data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rycina 1."> 
	Rycina 1. Fotografia ilustrująca przepływ przez mieszalnik typu split-and-recombine, w której Carbopol zabarwiony na czerwono stanowi składnik mniejszościowy, a niezabarwiony roztwór Carbopolu składnik większościowy.
<img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig2.jpg" alt="Skaner do obrazowania rezonansem magnetycznym, przedstawiający układ doświadczalny do obrazowania ciała; budowa urządzenia MRI." data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rysunek 2."> 
	Rysunek 2. Magnes nadprzewodzący 2 Tesla; dla odniesienia co do rozmiarów, przenośnik przesuwa 3 awokado do obszaru obrazowania.
<img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig3.jpg" alt="Schemat tarcz sferometru z różnymi wycięciami oznaczonymi literami A-S, skala wskazana jako 39,6 mm." data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rycina 3."> 
	Rycina 3. Typy płytek i oznaczenia literowe wykorzystywane do tworzenia jednostki powtarzalnej w mikserze SAR.
<img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig4.jpg" alt="Schemat procesu sekwencjonowania DNA, ilustrujący identyfikację zasad na płytce do elektroforezy w żelu." data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rycina 4."> 
	Rycina 4. Schemat mieszalnika typu rozdziel-i-połącz.
<img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig5.jpg" alt="Układ akceleratora cząstek do badań dynamiki wiązki; zawiera komponenty akceleratora liniowego." data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rycina 5."> 
	Rycina 5. Spektrometr obrazujący oparty na magnesach trwałych o polu 1 Tesla (Aspect Imaging).
<img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig6.jpg" alt="Schemat procesu ekstruzji polimeru; opisana konfiguracja dla produkcji tworzyw sztucznych i analizy formowania." data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rysunek 6."> 
	Rysunek 6. Schemat układu przepływowego.
<img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig7.jpg" alt="Wykres prędkości ścinania w stosunku do lepkości z modelem potęgowym; analiza wpływu środka kontrastowego." data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rysunek 7."> 
	Rysunek 7. Lepkość pozorna 0,2% roztworu Carbopolu.
<img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig8.jpg" alt="Wykres reologiczny: częstotliwość a moduł; pokazuje analizę danych modułu zachowawczego (G') i stratnego (G&quot;)." data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rycina 8."> 
	Rycina 8. Właściwości wiskoelastyczne 0,2% roztworu Carbopolu.
<img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig9.jpg" alt="Proces przepływu mikrofluidycznego, schemat: sekwencja wtryskiwaczy, sekcje mieszania, powtarzalne jednostki, kanał płynowy." data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rysunek 9."> 
	Rysunek 9. Jednostki powtarzalne mieszalnika SAR.
<img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig10.jpg" alt="Schemat porównawczy MRI pokazujący symetrię kołową w przeciwieństwie do liniowej na obrazach skanowania; mapa intensywności w skali szarości." data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rysunek 10."> 
	Rysunek 10. Dwa obrazy w miejscu wtryskiwacza: górny odcinek dyszy ma okrągły przekrój dla domieszkowanego płynu, który stopniowo przechodzi w szczelinę przy wlocie do pierwszej jednostki powtarzalnej mieszalnika SAR.
<img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig11.jpg" alt="Przetwarzanie skanów MRI mózgu; segmentacja obrazu i analiza strukturalna; badania neuronaukowe." data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rycina 11."> 
	Rycina 11. Płyn za pierwszą, drugą i trzecią sekcją mieszania, przedstawiony na płytce H.
<img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig12.jpg" alt="Seria obrazów MRI pokazująca dopasowanie strukturalne na schemacie analizy mózgu." data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rycina 12."> 
	Rycina 12. Sekwencje 16 kolejnych obrazów przez drugą sekcję mieszania. Prosimy <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/3493/3493fig12_lg.jpg">kliknąć tutaj</a>, aby zobaczyć powiększoną wersję ryciny 12.

<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>
<li>McCarthy, K. L., Lee, Y., Green, J., McCarthy, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Magnetic+resonance+imaging+as+a+sensor+system+for+multiphase+mixing%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Magnetic+Resonance%22%5BJournal%5D)">Magnetic resonance imaging as a sensor system for multiphase mixing.</a> Applied Magnetic Resonance. 22, 213-222 (2002).</li>
<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>

Autor M. McCarthy jest konsultantem w firmie Aspect Imaging, Ltd. Autorzy L. Bacca i W. Hartt są pracownikami firmy Procter &amp; Gamble, Co.

Obrazowanie rezonansem magnetycznym jest szybką i ilościową metodą analizy mieszania płynów. Pomiar trwa kilka minut i pozwala wyznaczyć stężenie płynu w funkcji położenia w mieszalniku typu split-and-recombine. Technika ta nadaje się do zastosowania w szerokim zakresie problemów mieszania i różnych geometrii [6-11]. Ograniczeniami tej metody są konieczność skonstruowania i zastosowania w urządzeniu MRI mieszalnika niemagnetycznego oraz wymóg, aby co najmniej jeden z materiałów generował sygnał wystarczający do akwizycji danych. Wystarczający sygnał wymaga obecności jąder aktywnych w NMR o odpowiedniej gęstości liczbowej.
 MRI może być również wykorzystywany do ilościowego określania mieszania ciał stałych i cieczy, dwóch cieczy o znacznie różnych właściwościach reologicznych, a także mieszania w układach reaktywnych. Mieszanie ciał stałych w cieczy daje inne obrazy niż te uzyskane z mieszalnika SAR. W przypadku mieszania ciał stałych sygnał komponentu stałego zanika szybko i nie jest obrazowany; w związku z tym sygnał pochodzi wyłącznie z cieczy, a stężenie ciała stałego wyznacza się na podstawie utraty sygnału w porównaniu z sygnałem czystej cieczy.
 Obrazy mieszania uzyskane za pomocą MRI stanowią doskonały test dla obliczeniowych eksperymentów z mieszania. Dane obrazowe pozwalają zrozumieć znaczenie reologicznych właściwości płynów oraz odchyleń od warunków idealnych. Na Rys. 12 widoczne są odchylenia od idealnie jednolitych warstw płynu. Uzyskane w ten sposób obrazy dostarczają szczegółowych zestawów danych nadających się do bezpośredniego porównania z numerycznymi przewidywaniami złożonych przepływów.

<table><tbody><tr><td>Spektrometr obrazujący Aspect 1T</td><td>Aspect Imaging</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Reometr AR-G2</td><td>TA Instruments</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Pompy dozujące Seepex</td><td>Seepex GmbH</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Carbopol</td><td>The Lubrizol corporation, (Wickliffe, OH)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Roztwór chlorku manganu 1M</td><td>Fisher Scientific</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

ilościowe określanie mieszania za pomocą obrazowania rezonansem magnetycznym

Quantifying Mixing using Magnetic Resonance Imaging

Mieszanie jest operacją jednostkową, która łączy dwa lub więcej składników w jednorodną mieszaninę. Niniejsza praca dotyczy mieszania dwóch strumieni lepkich cieczy przy użyciu statycznego mieszalnika przepływowego. Mieszalnik ten posiada konstrukcję typu rozdziel-i-połącz (split-and-recombine), która wykorzystuje przepływ ścinający i rozciągający w celu zwiększenia kontaktu międzyfazowego między składnikami. Prototyp mieszalnika rozdziel-i-połącz (SAR) został zbudowany poprzez zestawienie serii cienkich płyt z polimetakrylanu metylu (PMMA) wycinanych laserowo, przymocowanych wewnątrz rury z PVC. Mieszanie w tym urządzeniu przedstawiono na fotografii na Rys. 1. Do części płynu testowego dodano czerwony barwnik, który posłużył jako składnik mniejszościowy mieszany ze składnikiem większościowym (niebarwionym). Na wlocie do mieszalnika wstrzyknięta warstwa płynu znacznikowego zostaje rozdzielona na dwie warstwy podczas przepływu przez sekcję mieszania. W każdej kolejnej sekcji mieszania liczba warstw poziomych ulega podwojeniu. Ostatecznie pojedynczy strumień barwnika zostaje jednorodnie rozproszony w całym przekroju poprzecznym urządzenia.
 Przy użyciu nienewtonowskiego płynu testowego (0,2% Carbopol) oraz domieszkowanego płynu znacznika o podobnym składzie, mieszanie w jednostce jest wizualizowane za pomocą obrazowania rezonansem magnetycznym (MRI). MRI jest bardzo potężnym narzędziem eksperymentalnym do badania molekularnego środowiska chemicznego i fizycznego, a także struktury próbki w skalach od mikronów do centymetrów. Ta czułość doprowadziła do szerokiego zastosowania tych technik w charakterystyce właściwości fizycznych, chemicznych i/lub biologicznych materiałów, począwszy od organizmów ludzkich, przez żywność, aż po media porowate 1, 2. Sprzęt i warunki zastosowane w tej pracy nadają się do obrazowania cieczy zawierających znaczną ilość mobilnych jąder NMR 1H, takich jak zwykła woda i ciecze organiczne, w tym oleje. Tradycyjnie w MRI wykorzystywano magnesy nadprzewodzące, które nie nadają się do środowisk przemysłowych i nie są przenośne w obrębie laboratorium (Rys. 2). Niedawne postępy w technologii magnesów pozwoliły na budowę magnesów o dużej objętości, kompatybilnych z przemysłem i odpowiednich do obrazowania przepływów procesowych. W niniejszym badaniu MRI zapewnia rozdzielczość przestrzenną stężeń składników w różnych lokalizacjach osiowych podczas procesu mieszania. Praca ta dokumentuje mieszanie w czasie rzeczywistym cieczy o wysokiej lepkości poprzez mieszanie dystrybucyjne w zastosowaniu do produktów kosmetycznych.

Obrazowanie rezonansem magnetycznym (MRI) stanowi potężne narzędzie do oceny skuteczności urządzeń procesowych podczas ich pracy. Omówiono wykorzystanie MRI do wizualizacji mieszania w mieszalniku statycznym. Zastosowanie to jest istotne w przypadku produktów higieny osobistej, ale może być odniesione do szerokiego zakresu płynów spożywczych, chemicznych, biomasy oraz płynów biologicznych.

Ilościowe określanie mieszania za pomocą obrazowania rezonansem magnetycznym

Mieszanie jest operacją jednostkową, która polega na łączeniu dwóch lub więcej komponentów w celu uzyskania jednorodnej mieszaniny. Niniejsza praca dotyczy mieszania dwóch strumieni cieczy o wysokiej lepkości przy użyciu...

Ogólnym celem następującego eksperymentu jest wykorzystanie obrazowania rezonansem magnetycznym jako potężnego narzędzia do oceny mieszania i urządzeń procesowych. Zostaje to osiągnięte poprzez połączenie dwóch strumieni cieczy w statycznym mieszalniku z podziałem i ponownym połączeniem. Obrazy MRI uzyskuje się poprzez wybór odpowiedniego protokołu obrazowania.Obrazy te pozwalają na charakterystykę mieszalnika. Wyniki wydajności uzyskano dla zastosowania istotnego dla produktów do pielęgnacji ciała, jednak procedura ta może być stosowana do szerokiego zakresu płynów spożywczych, chemicznych, biomasy oraz biologicznych. Główną zaletą zastosowania obrazowania rezonansem magnetycznym nad innymi technikami, takimi jak wideo, jest możliwość wizualizacji materiałów nieprzezroczystych.Dodatkowo, uzyskane informacje mają charakter ilościowy, co pozwala na obliczenie stężeń składników oraz stopnia wymieszania. Wizualizacja procesu mieszania z wykorzystaniem MRI może być pomocna w walidacji symulacji dynamiki płynów i procesów produkcyjnych poprzez szczegółowe porównanie przestrzennie zmierzonych rozkładów stężeń z rozkładami obliczonymi.Mieszalnik SAR składa się z szeregu różnych płytek umieszczonych w rurce PVC. Każda wycinana laserowo płytka wykonana jest z PMMA i ma grubość 1,59 millimeters. Każda płytka posiada prostokątny wpust, który umożliwia jej wyrównanie wzdłuż akrylowego pręta.W rurze z PVC tworzywo może być przezroczyste lub nieprzezroczyste. Płytki mają zróżnicowane konstrukcje z otworami, przez które mogą przepływać płyny. Płytki są rozmieszczane w rurze w powtarzalnym wzorze, co prowadzi do powstania tuneli mieszających.Dwa płyny przepływające przez płytkę ruro przewodową S służą do strumieniowania dwóch płynów wchodzących do motywu powtarzalnego. Jeden strumień płynu znajduje się w centrum, a pozostałe strumienie płynów powyżej i poniżej. Ich względna prędkość przepływu wynosi 10 do 1.Następnie płyny łączą się w otwartym kanale, utworzonym z ośmiu płytek typu C. Płyny zostają potem fizycznie rozdzielone na dwa kanały pionowe za pomocą ośmiu płytek typu I. Kolejna sekcja składa się z 16 unikalnych płytek, które skręcają każdy strumień płynu o 90 stopni w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Następnie płyn przepływa przez osiem płytek, które rozdzielają go na dwa kanały poziome.Powtarzający się motyw kończy się ośmioma płytkami z otwartym kanałem. W całym przewodzie z PVC motyw ten powtórzono sześciokrotnie. Aby złożyć układ przepływowy do pompowania roztworu carbo pole przez rozdzielacz liniowy i statyczny mieszacz łączący, należy zacząć od umieszczenia mieszacza w magnesie.Magnes stanowi część spektrometru obrazującego opartego na pojedynczym magnesie trwałym o indukcji 1 Tesla, z maksymalnym gradientem natężenia wynoszącym 0,3 Tesla na metr i prawie sześcianową obudową, umożliwiającą kontrolę i rejestrację natężenia przepływu masy testowanych płynów. Dodatkowo, przed mieszalnikiem wbudowano przetwornik ciśnienia w celu monitorowania ciśnienia, a cewkę wysokiej częstotliwości wykonano w formie solenoidu z czterema zwojami w przypadku objętości cylindrycznej, ściśle przylegającą do rury z PVC. Na koniec, do wlotów podłączono dwa odrębne roztwory.W niniejszej demonstracji roztworami będą carbopol z dodatkiem lub bez dodatku chlorku manganu. Roztwór carbopolu należy przygotować poprzez powolne przesiewanie odważonej ilości polimeru do wody dejonizowanej w zbiorniku z mieszadłem. Roztwór carbopolu należy zneutralizować 50% roztworem wodorotlenku sodu do pH 7.Neutralizacja pozwala roztworowi osiągnąć maksymalną lepkość w miarę pęcznienia polimeru w wodzie. Aby utworzyć żel, należy przygotować drugi domieszkowany roztwór carbopolu zawierający kontrast MR, chlorek manganu. W celu charakterystyki właściwości przepływu lub reologii, należy zastosować standardową geometrię stożkową w temperaturze cieczy 25 °C, aby zmierzyć lepkość ścinania.Przeprowadź pomiar naprężenia ścinającego w stanie stacjonarnym w zakresie od 0,1 do 500 pascala w trybie rytmicznym LA, z gęstością 10 punktów na dekadę i tolerancją 5%. Następnie zmierz odkształcenie w zakresie częstotliwości od 628 do 0,63 rad na sekundę w trybie logarytmicznym LA, z gęstością 10 punktów na dekadę. Podczas wyboru parametrów obrazowania należy wziąć pod uwagę całkowity stosunek sygnału do szumu w obrazie, a także kontrast i intensywność sygnału pomiędzy obszarem domieszkowanym a obszarem aktywnym.W tym przypadku wybraliśmy sekwencję gradientowego echa oraz takie stężenia, aby uzyskać liniową zależność intensywności sygnału od stężenia. Sekwencja MR nie obejmuje kompensacji przepływu.Aby uniknąć artefaktów ruchowych, obrazowanie przeprowadza się na niezakłóconym cieczu, a czas obrazowania wynosi od jednej do czterech minut. Przesuń mieszalnik, aby zobrazować objętości w różnych lokalizacjach osiowych. Przesuwaj rurkę mieszalnika osiowo przez magnes, aż pożądana objętość znajdzie się w centrum cewki NMR, w centrum magnesu.Następnie powtórz proces obrazowania. Na koniec przeanalizuj dane MR za pomocą procedur analizy obrazu w celu udokumentowania przestrzennego rozkładu stężeń składników. W niniejszej pracy rzeczywiste właściwości logiczne obu roztworów były nieodróżnialne.Właściwości wiskoelastyczne roztworów charakteryzowały się cechami układu żelowego z modułem zachowawczym wyższym od modułu strat, przy czym oba moduły pozostawały niemal stałe. Nachylenie wykresu strat względem modułu zachowawczego wzrastało przy wyższych częstotliwościach, a odpowiadające im opóźnienie fazowe wykazywało ten sam trend w celu oceny względnego wkładu sił lepkości do sił bezwładności podczas przepływu. Liczby Reynoldsa obliczono dla średniego przepływu przez płyty.Wartości te, będące znacznie mniejsze od 1,0, wskazują na to, że siły lepkości dominowały nad siłami bezwładności. W związku z tym mieszanie odbywało się poprzez laminacyjne rozciąganie i ścinanie, a nie przez turbulencje. Aby zilustrować możliwości wizualizacji przepływu z wykorzystaniem MRI, poniższe wyniki przedstawiają wybrane obrazy dla różnych lokalizacji osiowych.Mieszalnik SAR skutecznie i jednorodnie rozdziela przepływy, co pokazują obrazy płyt H znajdujących się poniżej pierwszej, drugiej i trzeciej sekcji mieszania. Liczba pasm domieszkowanego płynu podwajała się w każdej sekcji mieszania. Zmiana progów wartości obrazu pokazuje, że liczba pasm domieszkowanego płynu zwiększa się z każdym przejściem przez motyw.Sekwencja obrazów przedstawiająca 90-stopniowy obrót przeciwnie do ruchu wskazówek zegara w mieszalniku pokazuje, w jaki sposób strumienie pionowe przekształcają się w strumienie poziome w procesie mieszania w całym tunelu. Dwa strumienie płynu ulegają wielokrotnemu podwojeniu. Podczas wykonywania tych pomiarów należy pamiętać, że czas pomiaru powinien być bardzo krótki w porównaniu z czasem, w którym dyfuzja molekularna wpływa na rozkład stężeń składników. Te eksperymentalne pomiary mieszania są szczególnie użyteczne do testowania wpływu modeli reologii płynów stosowanych w obliczeniowych symulacjach dynamiki płynów (CFD) procesu mieszania oraz mieszalnika z rozdzieleniem i ponownym połączeniem strumieni.Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo dobrze rozumieć, jak wykorzystać obrazowanie rezonansem magnetycznym do badania rozkładów stężeń w mieszalniku statycznym.

quantifying-mixing-using-magnetic-resonance-imaging

Research

JoVE Journal

Biology

Biologia

Określanie ilościowe mieszania za pomocą rezonansu magnetycznego

Metody obrazowania biologicznego stosowane do oceny biodystrybucji komórkowej nanocząsteczek znajdują zastosowanie w monitorowaniu terapeutycznym i diagnostycznym związków sformułowanych w nanostruktury. Metody opisane w niniejszym opracowaniu są czułe i swoiste w ocenie za pomocą korejestracji histologicznej. Przedstawione metodologie zapewniają ścieżkę translacyjną od zastosowań na modelach gryzoni do zastosowań u ludzi.

Rejestrowane obrazowanie biomedyczne nanomateriałów w monitorowaniu diagnostyki i terapii

Opisano metodę obrazowania MR służącą do badania rozkładu przepływu krwi płucnej w różnych warunkach fizjologicznych, w tym przypadku przy ekspozycji na trzy różne stężenia tlenu w powietrzu wdychanym: hipoksję, normoksję i hiperoksję. Technika ta wykorzystuje metody badawcze fizjologii płuc człowieka w środowisku skanowania MR.

Ilościowe określanie perfuzji płucsnej w obrazowaniu metodą rezonansu magnetycznego z wykorzystaniem skalibrowanego znakowania spinowego tętnic

Ilościowe mapowanie podatności lub QSM określa ilościowo podatność magnetyczną tkanki mózgowej, co odzwierciedla jej skład komórkowy, taki jak zawartość mieliny. Zacznij od uzyskania danych z rezonansu magnetycznego ex-vivo lub rezonansu magnetycznego nieruchomej półkuli ludzkiego mózgu. Użyj gradientowych pól magnetycznych 3D do namagnesowania tkanki i zbierania sygnałów w wielu punktach czasowych lub echa, aby zredukować szumy tła i artefakty oraz wzmocnić sygnały. Generuj mapy fazowe dla...

Ilościowe mapowanie podatności ludzkiego mózgu za pomocą rezonansu magnetycznego ex-vivo

Śledzenie komórek za pomocą MRI zyskało niezwykłą uwagę w ostatnich latach. Protokół ten opisuje znakowanie komórek dendrytycznych cząstkami bogatymi w fluor (19F), zastosowanie tych komórek in vivo oraz monitorowanie zakresu ich migracji do drenującego węzła chłonnego za pomocą 19F/1H MRI i 19F MRS.

Monitorowanie migracji komórek dendrytycznych za pomocą rezonansu magnetycznego 19F / 1H

Ten artykuł ma na celu opisanie podstawowego protokołu łączenia przezczaszkowej stymulacji prądem stałym (tDCS) z pomiarami spektroskopii magnetycznego rezonansu protonowego (1H-MRS) w celu zbadania wpływu obustronnej stymulacji na metabolizm pierwotnej kory ruchowej.

Zastosowanie spektroskopii rezonansu magnetycznego jako narzędzia do pomiaru wpływu przezczaszkowej stymulacji elektrycznej na pierwotny metabolizm kory ruchowej

Choroby nerwowo-mięśniowe często wykazują zróżnicowaną czasowo, przestrzennie niejednorodną i wieloaspektową patologię. Celem tego protokołu jest scharakteryzowanie tej patologii za pomocą nieinwazyjnych metod obrazowania metodą rezonansu magnetycznego.

Ilościowy rezonans magnetyczny w chorobach mięśni szkieletowych

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.

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

Celem tej pracy jest opisanie protokołu tworzenia praktycznego fantomu tłusto-wodnego, który można dostosować do produkcji fantomów o różnej zawartości tłuszczu i objętości.

Fantomy tłuszczowo-wodne do walidacji obrazowania metodą rezonansu magnetycznego: elastyczny i skalowalny protokół

Specyficzne obrazowanie wentylacji to funkcjonalna technika rezonansu magnetycznego, która pozwala na ilościowe określenie regionalnej specyficznej wentylacji w ludzkich płucach, przy użyciu wdychanego tlenu jako środka kontrastowego. W tym miejscu przedstawiamy protokół zbierania i analizy określonych danych obrazowania wentylacji.

Mapowanie ilościowe specyficznej wentylacji w płucach człowieka przy użyciu obrazowania metodą protonowego rezonansu magnetycznego i tlenu jako środka kontrastowego

Tutaj prezentujemy protokół pozyskiwania obrazów rezonansu magnetycznego (MR) mózgów pacjentów ze stwardnieniem rozsianym (SM) przy 7,0 Tesli. Protokół obejmuje przygotowanie konfiguracji, w tym cewek o częstotliwości radiowej, ustandaryzowane procedury wywiadu z pacjentami ze stwardnieniem rozsianym, pozycjonowanie obiektu w skanerze MR i akwizycję danych MR.

Rezonans magnetyczny stwardnienia rozsianego przy 7,0 Tesli

Poznaj metodę kwantyfikacji mieszania w statycznym mikserze za pomocą obrazowania metodą rezonansu magnetycznego. Technika ta umożliwia wizualizację nieprzezroczystych płynów i dostarcza ilościowych danych o efektywności procesu.

Ilościowe określanie mieszania za pomocą obrazowania rezonansem magnetycznym

Przeglądaj więcej filmów