Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Частота Смешивание Магнитный сканер обнаружения для визуализации магнитных частиц в планарных образцах

Published: June 9, 2016 doi: 10.3791/53869
Automatic Translation
1, 2, 1, 1, 2, 3
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

Summary

Сканер для визуализации магнитных частиц в плоских образцах была разработана с использованием планарной смешения частот магнитного метода обнаружения. Магнитный отклик интермодуляционный продукт из нелинейного безгистерезисный намагниченности частиц регистрируется на двухчастотного возбуждения в. Он может быть использован, чтобы принимать 2D изображения тонких биологических образцов.

Abstract

Установка планарного смешения частот Магнитная детекция (п-FMMD) сканер для выполнения визуализации магнитных частиц (MPI) плоских образцов представлена. Он состоит из двух магнитных головок измерения на обеих сторонах образца, установленного на ножках U-образной опоры. Образец локально подвергается воздействию магнитного поля возбуждения, состоящей из двух различных частот, более сильная компонента приблизительно при 77 кГц и более слабого поля при 61 Гц. Нелинейные характеристики намагничивания суперпарамагнитных частиц приводят к образованию продуктов интермодуляции. Выбранная сумма частот компонент высокой и низкой частоты падающего магнитного поля на магнитно-нелинейных частиц регистрируется демодул электроники. В отличие от обычного сканера MPI, п-FMMD не требует применения сильного магнитного поля для всей выборки, так как смешение двух частот происходит локально. Таким образом, поперечные размеры образца простоограничен диапазоном сканирования и опор. Тем не менее, высота образца определяет пространственное разрешение. В текущей установке она ограничена до 2 мм. В качестве примера приведем два 20 мм × 25 мм п-FMMD изображения, полученные из образцов с диаметром частиц маггемита 1 мкм в силанола матрице и с магнетитовых частиц 50 нм в аминосилановым матрице. Результаты показывают, что новый сканер MPI может быть применен для анализа тонких биологических образцов и для медицинских диагностических целей.

Introduction

Магнитные наночастицы (MNP) нашли широкое применение в молекулярной биологии и в медицине, то есть, для манипуляций биомолекул и одиночных камерах 1, для селективной маркировки целевых объектов для обнаружения, 2, 3 для хроматина модуляции, 4 и для выделения мРНК и лечения рака . 5 Благодаря своим свойствам суперпарамагнит-, они особенно полезны для медицинской визуализации. Они могут служить, например, в качестве контрастных агентов или индикаторов для магнитно - резонансной томографии (МРТ) или для визуализации восприимчивости с использованием сверхпроводящей квантовой интерференции устройства (SQUID) , детекторы. 2, 6 Сверхпарамагнитные наночастицы дают хороший контраст с различными тканями человеческого тела , которые являются диа- или парамагнитной. 7 Таким образом, частицы могут быть легко использованы для получения медицинских изображений частей тела человека с относительно хорошим пространственным разрешением и чувствительностью. 8

палатка "> The визуализации магнитопорошковым (MPI) метод введен Gleich и Weizenecker 9 использует нелинейности намагниченности частицы. При нулевом или слабом смещении магнитного поля, отклик MNP на переменном токе возбуждения частоты F является сильным из - за их большая восприимчивость. В частности, нелинейная намагниченность частицы приводит к генерации гармоник п ° F, при п = 2, 3, 4 ... при высоком смещении магнитного поля, гармонический отклик становится слабым , поскольку частицы магнитного насыщения. В методика MPI, образец полностью намагничены для линии без поля (FFL) или без поля точки (ПКО), за исключением. только частицы, расположенной близко к этой линии или точки будут способствовать нелинейного отклика образца. с движение ПКО и занятости подходящих приемных катушек, Gleich и Weizenecker приобрела MPI изображения с пространственным разрешением 1 мм.

Чтобыполучать информацию о пространственном распределении МНП, два метода обычно используются, механическое перемещение датчика относительно образца или перемещения FFL / СЗП с помощью электромагнитов. 2, 3 В последнем случае, методы восстановления изображений как гармонического пространства MPI 3 или X-пространстве MPI 10, 11, 12 требуются. Пространственное разрешение MPI определяется свойствами свертки возбуждения и обнаружения катушек, а также характеристиками градиента магнитного поля. Это позволяет алгоритмы восстановления изображения, чтобы получить улучшенное разрешение в родном разрешении, которое определяется по размеру и расстояния до приемных катушек, а также распределения магнитного поля подчиняется уравнениям Максвелла.

Сканер MPI обычно состоит из сильного магнита для намагничивания весь образец, управляемую систему катушки для рулевого управления с FFL или ПКО на образце, высокочастотный возбуждениямисистема катушек N, и система обнаружения катушки для сбора нелинейного отклика от образца. FFL / СЗП непрерывно перемещается по объему образца в то время как гармонический отклик от этого ненасыщенного область образца регистрируется. Для того , чтобы избежать проблемы подгонки образца в сканер, односторонний сканер MPI была продемонстрирована Grafe и др. 13, однако за счет снижения производительности. Наилучшие результаты получаются, если образец окружен магнитами и катушками. Поскольку образец должен быть полностью намагничены для FFL / FFP области за исключением того, метод требует относительно больших и сильных магнитов с водяным охлаждением, что приводит к довольно громоздким и тяжелым системой MPI.

Наш подход основан на частоте смешения в нелинейной кривой намагничивания суперпарамагнитных частиц. 14 Когда супер-парамагнетиками подвергаются воздействию магнитных полей на двух различных частотах (F 1 и F </ EM> 2), частоты суммой , которая представляет собой линейную комбинацию т · е 1 + п · F 2 (с целыми числами т, п) генерируются. Было показано , что появление этих компонентов весьма специфичен к нелинейности кривой намагничивания частиц. 15 Другими словами, когда образец МНП одновременно подвергается продвигающего магнитного поля на частоте F 2 и зондирующего поля на частоте F 1, частицы генерируют поле отклика на частоте F 1 + 2 · F 2. Эта частота сумма не будет существует без магнитно нелинейного образца, поэтому специфичность чрезвычайно высока. Мы назвали этот метод "смешение частот магнитного обнаружения" (FMMD). Это было экспериментально подтверждено , что метод дает динамический диапазон более четырех порядков величины концентрации частиц. 14

<р класс = "jove_content"> В отличие от типичных MPI - измерительных приборов, плоскостная смешение частот магнитного обнаружения подхода (п-FMMD) не требует , чтобы намагнитить образец близок к насыщению , так как генерация суммарной частоты компонента F 1 + 2 ° F 2 является максимальным при нулевом статическом поле смещения. 14 Таким образом, потребность в сильных и объемных магнитов смягчается. На самом деле, наружные размеры измерительной головки являются только 77 мм × 68 мм × 29 мм. Для сравнения, MPI установок , как правило , измеритель размера. 7 Недостаток, однако, заключается в том , что эта методика ограничена плоскостных образцов с максимальной толщиной 2 мм в текущей настройке. Образец должен быть отсканированы относительно двустороннему измерительной головки. Повторная конструкция, позволяющая для более толстых образцов можно, но торговаться в связи с потерей пространственного разрешения.

На основе этого метода FMMD мы представляем специальный тип MPI DETECтор для плоских образцов, так называемый "плоскостной смешение частот магнитного обнаружения" (р-FMMD) сканер. Этот принцип был недавно опубликован. 17 В этой работе мы ориентируемся на методологии и методики настоящих протоколов , как настроить такой сканер и как выполнить сканирование. Было показано , что MPI может быть применен для медицинских диагностических целей , таких , как сердечно - сосудистые или рак визуализации. 16, 18, ​​19 Поэтому мы считаем , что новый сканер MPI может использоваться для широкого круга потенциальных применений, например, для измерения магнитных частиц распределение в срезах тканей.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Конструкция планарной FMMD измерительной головки

  1. Выберите схему катушки для измерительной головки. Выберите конфигурацию в соответствии с фиг.1, состоит из двух приемных катушек выше и два ниже образца в (-, +, +, -) последовательности, причем образец сидит в центре между двумя (+) катушек. Знак обозначает направление намотки, то есть, (+) для правого и левого (-) для против часовой стрелки. Таким образом, чувствительность датчика катушек становится почти однородна по всей толщине образца.
    1. Поместите катушки возбуждения таким образом, что непосредственно индуцированного сигнала в приемных катушек уравновешивает, чтобы предотвратить насыщение предусилителя и достижения максимальной чувствительности к образцу. Другие конфигурации, которые выполняют эти основные правила проектирования могут быть разработаны.
  2. Укажите максимальную толщину образца. При этом, используйте 2 мм.
    1. Выбрать диаметр и длину приемных катушек, аналогичную максимальной выборки тhickness. Здесь был выбран внутренний диаметр 2 мм, что дает средний диаметр 3,7 мм для высоты витков 1,7 мм. Ширина катушки составляет 4 мм.
    2. Выбор диаметра проволоки и числа витков приемных катушек таким образом, что полное сопротивление всех приемных катушек приблизительно соответствует входное сопротивление предусилителя. Это условие накладывает ограничения на частоту обнаружения. В случае операционного усилителя с оптимальным входным сопротивлением 1,100 Ом, все четыре приемных катушек имеют 600 витков 0,08 мм в диаметре. эмалированный медный провод, что дает полное омическое последовательное сопротивление 95,3 Ом и общая индуктивность 1,9 мГн, что дает 919 Ом сопротивление.
  3. Приготовьте высокой частоты катушки возбуждения 17 таким образом, что магнитное поле в месте нахождения образца в идеале составляет около 0,5 мТл. Например, если внутренний радиус катушки составляет 3,8 мм, а ширина 8,5 мм, ветер 476 витки диаметром 0,1 мм Ш IRE. Здесь поле 0,4 мТл было достигнуто при F 1 = 76,550 Гц.
  4. Готовят частотные катушки возбуждения 17 низких таким образом, что магнитное поле в месте нахождения образца составляет около 5 мТл. Например, если внутренний радиус катушки составляет 5 мм, а ширина 8,5 мм, ветер 2,000 витки проволоки диаметром 0,12 мм. Установка дала 5 мТл при F 2 = 61 Гц.

Рисунок 1
Рисунок 1. Схематическое изображение р-FMMD вверх установленный. Два измерительных головок в электронном виде соединены друг с другом. Образец помещают в пространстве между головками. Обнаружение катушек (+) измеряют образец сигнала, счетчик намотанные катушки обнаружения (-) служат в качестве ссылки, чтобы отменить из прямого поля с катушек возбуждения высокой частоты. Amp - предусилитель, х - смеситель, ФНЧ - фильтр нижних частот, DAQ - сбор данных.целевых = "_blank"> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

2. Построить измерительной головки

  1. Построить р-FMMD таким образом, что два набора возбуждения и обнаружения катушек прикрепляются выше и ниже образца. Каждый комплект катушек состоит из катушки низкого водителя частоты, катушки возбуждения высокой частоты, и катушки дифференциальной обнаружения содержит два противоположно приемистости намотаны катушки в осевом конфигурации градиентометрического.
    1. Разрешить для регулируемости по крайней мере, одной катушки возбуждения относительно катушки детектирования дифференциального для того, чтобы иметь возможность сбалансировать прямой индукцию высокой частоты возбуждения в детекторной катушки. Например, смонтировать катушку возбуждения на нить, которая позволяет относительное перемещение катушки возбуждения по сравнению с детекторной катушкой. Схематическая диаграмма р-FMMD показана на рисунке 1. На рисунке 2 изображен технический рисунок и фотографию установки. подробныйПараметры катушек приведены в таблице 1.
  2. Установите наборы катушки выше и ниже образца на жесткой опоре, с соосной ориентации, см рисунках 1 и 2. Убедитесь, что обе катушки множества не вибрируют относительно друг друга.
  3. Регулировка высоких частот баланса измерительной головки при подведении тока возбуждения высокой частоты к соответствующему набору катушки возбуждения, изменения относительного положения между ними, и одновременно измеряя обнаруженный сигнал на этой частоте на множестве детекторной катушки, с использованием оборудования, такого как осциллограф или Синхронный усилитель.
    1. Отрегулируйте непосредственно наведенного напряжения как низко как несколько милливольт, то есть более чем 1000-кратное подавление прямой индукции. Определить предел регулируемости путем наблюдения сдвига фаз между током возбуждения и измеренного значения напряжения. В минимуме, индуцированное напряжение составляет 90 ° сдвинутый по фазе, как сравнениеd для прямой индукции.

фигура 2
Рисунок 2. Технический рисунок и фотография головы р-FMMD. Поперечные сечения вдоль вертикальной плоскости (слева вверху) и горизонтальной плоскости (слева внизу) показаны также фотографии открытой измерительной головки до обмотки катушки. 1 - алюминиевая опора, 2 - катушки бывший для катушек обнаружения, 3 - резьбовой катушки бывшего для катушек возбуждения, которые можно перемещать вверх / вниз вращением, 4 - опорные образцы пластины, 5 - алюминиевые крышки, 6 - образец поддержки стоппер, 7 - пробка в направлении х, 8 - пробка в направлении у. 6 - 8 удалены для сканирования. Размер головы р-FMMD составляет 77 мм × 68 мм × 29 мм. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

3. Настройка Электроника измерения

  1. Настройка exciставление секция, состоящая из двух осцилляторов и усилителей мощности для низких частот катушки драйвера и катушки возбуждения высокой частоты.
    1. Настройка секции низкого драйвера частоты, включающий в себя генератор и усилитель мощности для низких частот F 2. Расчет мощности усилителя таким образом, что он обеспечивает необходимый ток для создания поля около 5 мТл в катушке драйвера. Здесь используется прямой цифровой синтез (DDS) чип как программируемый генератор. Наймите буфер высокоскоростной в качестве усилителя мощности.
    2. Настройка секции возбуждения высокой частоты, включающий в себя генератор и усилитель мощности для высокой частоты F 1. Настройка усилителя мощности таким образом, что он обеспечивает необходимый ток для получения поля около 0,5 мТл в катушке возбуждения. Используйте специальную микросхему ДДС и буфер высокоскоростной качестве генератора и усилителя мощности, соответственно.
  2. Настройте раздел обнаружения, состоящий из preamplifieR, первый смеситель , чтобы демодулировать от высоких частот F 1, промежуточный усилитель и фильтр, второй смеситель , чтобы демодулировать с удвоенной низкой частотой 2 · F 2, а последний фильтр и выходной возбудитель. В качестве альтернативы, использовать два синхронных усилителей для реализации электроники обнаружения.
    1. Настройка этап предварительного усилителя. Выберите операционный усилитель входного сигнала (OP), принимая во внимание сопротивление катушки детектирования и продукта добротность. Выполните процедуру оптимизации шума, принимая во внимание заданный шум напряжения и силы тока шум OP, как описано в работе. 10. Выберите высокоскоростной операционный усилитель с низким уровнем шума с усилением около 100 на первом этапе. Следующим этапом является некритичным, но проверьте , что выходной сигнал остается в диапазоне напряжений, то есть, не искажается из - за перегрузки. При этом используется малошумящий входной полевой транзистор операционный усилитель с усилением 4,3 раза.
    2. Настройка пIRST демодуляция этап, умножая усиленный сигнал с высокой частотой F 1. Использование мультипликатора чипа аналогового и ссылаться на него из второго отдельного чипа ДДС для реализации регулируемой фазы при детектировании. В качестве альтернативы, использовать усилитель блокировки в качестве предварительного усилителя (3.2.1), первый демодулятор (3.2.2) и высокочастотный генератор (3.1.2).
    3. Настройка промежуточного усиления и фильтрации стадии. Реализовать фильтр низких частот с таким образом, что частота сигнала на 2 · F 2 проходит без помех в то время как паразитные высокочастотные компоненты при F 1 и 2 · F 1 эффективно подавляться. Выберите подходящее промежуточное усиление, например, путем выбора двух операционных усилителей общего назначения с общим усилением около 100.
    4. Настройка второй этап демодуляции, умножая отфильтрованный и усиленный сигнал с удвоенной низкой частотой 2 ° F 2. использованиеумножитель чип аналоговый и ссылаться на него из четвертого отдельного чипа ДДС для реализации регулируемой фазы при детектировании. В качестве альтернативы, используйте Синхронный усилитель, способный второй гармоники демодуляции в качестве промежуточного усилителя (3.2.3), второй демодулятор на второй гармоники (3.2.4) и низкой частоты генератора (3.1.1).
    5. Настройка окончательного усиления и фильтрации стадии. Реализовать фильтр низких частот с таким образом, что частота сигнала на частоте сканирования проходит без помех в то время как паразитные высокочастотные компоненты при 4 · F 2 эффективно подавлены. Выберите подходящее окончательное усиление, с учетом требуемого диапазона выходного напряжения. Используйте две операционные усилители общего назначения с общим усилением около 10.

4. Настройка 2D сканер

  1. Установите 2D-сканер так, чтобы плоскость движения перпендикулярно к оси катушки.
  2. Управление 2D сканером и синхронно acquiriнг выходного напряжения от измерительных электроники для получения 2D-изображение сигнала FMMD плоского образца, используя самодельный сценарий, написанный на языке программирования Python.

5. Подготовка пробы

  1. Использование частиц магнетита с диаметром 50 нм и 100 нм маггемитом частиц с диаметром 1 мкм из которых концентрация составляет 25,0 мг / мл. Промывают раствор путем растворения магнитных частиц в воде, отделяя их с помощью магнита и сбрасывать воду. Повторите эту процедуру трижды. Разбавляют раствор магнитной частицы до одной десятой дистиллированной водой.
  2. Подготовка образцов бумаги гранул диаметром 2,0 мм путем штамповки частей абсорбционной промокательной бумаги с использованием штампа для биопсии. Замочите их в магнитном бисерной раствора различной концентрации в течение 30 секунд и дайте им высохнуть на воздухе. При этом используют концентрации 0,04, 0,2, 1, 5 и 25 мг / мл до 100 частиц размером нм.
  3. Подготовьте образец с использованием nitrocellulosе мембрана размером 2,0 мм × 18,0 мм. Замочите мембрану с неразбавленным раствором 1 мкм диаметром частиц. Подготовьте один образец с равномерно пропитывая мембрану, а другой, делая градиент концентрации. Делайте это путем вымачивания концы мембраны в шариках раствор с различной концентрацией, что приводит к градиенту концентрации (рисунок 5).
  4. Подготовка пробы в капиллярной трубке 10 мкл объем, наружный диаметр 400 мкм, длина 40 мм. Заполните капиллярную трубку с неразбавленным раствором частиц диаметром 50 нм. Подготовьте второй микропробирок с 20x разбавленным раствором (смесь 100 мкл неразбавленного раствора с 1,9 мл воды).

6. Выполните 2D FMMD Scan

  1. Выберите область сканирования в соответствии с плоскими размерами а × б образца. Введите значения в программном обеспечении сканирования.
  2. Выберите степпинг направление. Как правило, чем короче двух плоских размеров, назовем ее Ь
  3. Выберите скорость сканирования v, с учетом ослабления сигнала из - за фильтрации нижних частот, обсуждение см. Регулировка скорости до значения от 1 до 7 мм / сек. Введите значение в программе сканирования.
  4. Выбор шаговый расстояние Δ B, принимая во внимание , что это не должно быть значительно меньше , чем достижимое пространственное разрешение, а общее время сканирования T , которое будет по крайней мере , т = а / V · ч / Δ B + 1). Введите расстояние вмешалась в программном обеспечении.
  5. Установите образец на 2D-сканера. Закрепите его на пластиковой пластине с помощью клейкой ленты.

Рисунок 3
Рисунок 3. Фотография измерительной установки р-FMMD. Образец крепится с помощью клейкой ленты на пластиковом носителе перемещается электродвигателемэтап (слева). Затем образец сканируется в голове р-FMMD (справа). Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

  1. Выполните сканирование, нажав на кнопку пуска. Сканирование фигур 5 и 6 покрывают 20,0 мм (ось х) × 25,0 мм (ось у) области, то есть, шесть 25 мм длиной следы были отсканированы вдоль оси у, с шагом 4,0 мм в направлении х, со скоростью стадии от 1,0 мм / с. Это равносильно времени сканирования приблизительно 2 мин.

Рисунок 4
Рисунок 4. Графический интерфейс пользователя программного обеспечения сканирования. Параметры сканирования вводятся здесь. Измерение запускается нажатием на красную кнопку.

Обработка 7. Изображение

  1. Преобразование исходных данных в виде матрицы с использованием homemadе скрипт в Python. Вход необработанные данные всей сканирования вместе с дополнительными значениями в 2 колонки, разделенные запятыми (CSV) файл формата. Дополнительный столбец указывает на то, захватив соответствующие данные во время движения шагового. Сегменты сценария исходный столбец данных при каждом изменении дополнительного значения столбца и удаляет сегменты данных во время активизации движения. Он также создает результирующую матрицу, поставив оставшиеся последовательных сегментов в строки и столбцы матрицы и записывает матрицу в файл формата CSV.
    Примечание: п-FMMD изображения этого исследования генерируются с помощью питона сценария. Функция pyplot.contour и функция pyplot.imshow из библиотеки Matplotlib для Python являются совокупно используются для подготовки контуров и цвета фона, соответственно.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

На рисунке 5а показывает расчетное распределение чувствительности внутренней катушки обнаружения двойного дифференциала в зависимости от координат х и у в плоскости образца. Он был рассчитан в обратном подходе путем определения суперпозиции магнитных полей во всех точках (х, у) в центральной плоскости , порожденную всеми четырьмя катушками обнаружения. В обратном направлении, этот параметр определяет чувствительность детекторной катушки в к магнитному моменту в каждой из этих точек. Расчет проводился путем аппроксимации катушки до тех пор, катушек и ничтожно малой высоты. Таким образом, распределение чувствительности изображено на рисунке 5а представляет карту чувствительности в плоскости сканирования, так называемая функция рассеяния точки (ФРТ). Аналогичным образом, на рисунке 5 , б показывает чувствительность в зависимости от осевой координаты г и радиальной координаты г (г х 2 + у 2), таким образом , давая вертикальное отображение чувствительности в щель измерительной головки. Происхождение х = 0 и у = 0 находится точно в центре катушки обнаружения. Расстояние между центрами катушки верхнего и нижнего обнаружения составляет 2 мм. Параметры катушки приведены в таблице 1. На рисунке 5в показан результат экспериментальной проверки по образцу линии строка типа , полученного в соответствии с протоколом 5.2. Для сравнения, след чувствительность рассчитывалась путем численного интегрирования функции рассеяния точки , изображенной на рисунке 5а по 2 мм шириной идеальной линии. Соглашение хорошо, за исключением того, что отрицательные плечи в вычисленного сигнала не наблюдается экспериментально. При моделировании, эти отрицательные части происходят от отрицательных вкладов от эталонных катушек, которые более в режиме дальнего поля, чем катушки обнаружения рядом с СэмомPLE. Мы полагаем, что отрицательный вклад завышена при моделировании, поскольку витки округлены с незначительной высоты обмоток.

Рисунок 5
Рисунок 5. Выполнение измерительной головки. Распределения , вычисленный чувствительность измерительной головки (а) как функция от плоской координаты х и у для г = 0, (б) в зависимости от осевой координаты г и радиальной координаты г , Чувствительность дается относительно центра между катушкой верхней и нижней обнаружения при х = 0, у = 0 и г = 0. (с) Сравнение измеренных и смоделированных чувствительности. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

F 1 = 76,56 кГц относительно магнитных моментов в центре измерительной головки. Для расчета были взяты параметры внутренней катушки , как указано в таблице 1, предполагая коэффициент заполнения (то есть, медная фракция в обмотках поперечном сечении) из K F = 0,5. Мы получили магнитную чувствительность по моментам т 0 / √ F = 1,8 · 10 -14 Am 2 / √Гц. В течение 1 секунды времени измерения, это составляет разрешимой минимального магнитного момента т 0 = 7,3 · 10 -14 Am 2. Эта величина сравнима , чем предел обнаружения , которые могут быть получены с помощью стандартной измерительной головки диаметром 8 мм. 14

На рисунке 6а СигналИнтенсивность л в зависимости от концентрации магнитного раствора бусинами. Скорость сканирования составляла 1,0 см / мин. Концентрация бумажных гранул, приготовленных в соответствии с протоколом 5.2 варьировали от 0,04 до 25,0 мг / мл. Столбики ошибок обозначают стандартное отклонение измерения FMMD. Результаты показали сильную корреляцию между концентрацией магнитных шариков, и сигнал с детектора. Коэффициент детерминации R 2 линейной регрессии была оценена как 0,98. На рисунке 6б показана измеренная зависимость между скоростью стадии сканирования и интенсивности сигнала , измеренного с 5 мг / мл образца бумаги гранул в соответствии с протоколом 5.3. Было установлено, что более высокие сигналы могут быть получены при более низкой скорости.

Рисунок 6
Рисунок 6. Калибровка. Нормированная калибровочной кривой (а) р-FMИзмерение МД с использованием различных концентраций магнитных шариков. В качестве образцов, бумажные гранулы с диаметром 2,0 мм, были получены с использованием трепанобиопсия, смоченную в магнитном растворе частиц различных концентраций (см протокол 5.3). Измерительная головка прошла бумажные шарики с различными концентрациями МП. Скорость стадии доводили до 1,0 мм / сек. (Б) интенсивность сигнала в зависимости от скорости стадии XY для 5,0 мг / мл образца бумаги гранул. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

На рисунке 7 показана фотография образцов мембранного типа , приготовленных в соответствии с протоколом 5.4 и восстановленным р-FMMD изображения , полученного из него. Область изображения, а также область сканирования оба 20 мм × 25 мм. Сравнение п-FMMD сканирования с оптическим изображением SAMPL е ясно демонстрирует возможность использовать п-FMMD в качестве сканера MPI. Тем не менее, р-FMMD сканирует несколько шире, чем реальные объекты. Это расширение может быть связано главным образом с профилем чувствительности измерительной головки. Как показано на рисунке 5а, измерение распределения магнитных частиц расширяется с помощью этого распределения даже до ± 2,0 мм от центра головок измерений.

Рисунок 7
Рисунок 7. 2D FMMD сканирования. (А) Фотография образца типа строки. Образец был получен с использованием нитроцеллюлозную мембрану, пропитанную с диаметром 1 мкм раствора магемит частиц SIMAG-силанольных см протокола 5.4. (Б) Реконструированный MPI изображения, размер 20 мм × 25 мм. Образец непрерывно сканируют в направлении у и последовательно шагнула в направлении х на 4 мм.эф = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/53869/53869fig7large.jpg" целевых = "_blank"> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Второй образец был подготовлен, состоящий из двух микропробирок , заполненных различной концентрацией магнитных частиц, как описано в протоколе 5.5. На рисунке 8 приведена фотография образца и восстановленным р-FMMD изображения, и с размером 20 мм × 25 мм. Этот пример показывает, что концентрации, различающиеся в 20 раз может быть хорошо визуализируют с помощью отчетливому деталей изображения.

Рисунок 8
Рисунок 8. 2D FMMD сканирования. (А) Фотография двух микропробирок 10 мкл объем с различными концентрациями образца жидкости MAG-Амин, см протокол 5.5. (Б) Реконструированный MPI изображения, размер 20 мм &# 215; 25 мм. Образец непрерывно сканируют в направлении у и последовательно шагнула в направлении х на 4 мм. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

катушки размеры Обмотки Катушка ниже образца Катушка выше образца
змеевик R 1 [мм] W [мм] б H [мм] с Количество витков Провод-Ø [мм] R [Ω] d L [мГн] е R [Ω] d L [мГн] е
измерение 1,0 4.0 1.7 2 × 600 0,08 47.67 0,95 47.66 0,95
возбуждение 3,8 8.5 1,0 476 0.10 29.90 1,56 29.70 1,45
Водитель 5.0 8.5 5.0 2000 0,12 190.75 36.90 141,28 37.90
A R 1 представляет внутренний радиус катушки. Средний радиус R 1 + Н / 2, внешний радиус R 1 + H.
б W- ширина катушки, то есть поперечное сечение обмоток.
C H является высота витков катушки.
d R обозначает омическое сопротивление на постоянном токе. В случае катушек измерения, то тон последовательное сопротивление обеих катушек.
е L обозначает индуктивность, измеренная с помощью измерителя индуктивности на частоте 1 кГц.

Таблица 1. Параметры катушки. Размеры и обмотки катушек измерительной головки.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Методика измерений использует нелинейность кривой намагничивания суперпарамагнитных частиц. Головка измерения двухсторонняя одновременно применяет двух магнитных полей возбуждения различной частоты к образцу, с низкой частотой (F 2) компонента , для привода частиц в магнитное насыщение и высокую частоту (F 1) поле зонда для измерения нелинейного магнитного отклика , В частности, обе гармоники падающих полей, т · е 1 и п · F 2, а сумма частот, т · е 1 + п · F 2 (с целыми числами т, п), генерируются. Эти продукты интермодуляции обнаруживаются дифференцированно раневой съема катушки. Опорные катушки не подобрать эти сигналы, потому что они находятся далеко от образца. Они служат для подавления непосредственно индуцированной высокой частоты exciставление, которое могло бы насытить предусилитель. Таким образом, крошечная сумма частот сигнала в связи с наличием супер-парамагнитного материалов становится измеримой и количественной оценке. В считывающей электроники, только интермодуляция продукт на сумму частоты F 1 + 2 · F 2 демодулируется , потому что это самый сильный нелинейный компонент , который присутствует без статического поля смещения. Было показано, что эта методика позволяет быстро обработки и очень большой динамический диапазон обнаружения. Подробная информация о принципе FMMD и считывающей электроники подробно описаны в работе. 10.

Результаты измерений показаны на рисунке 6 показывают , что сигнал , р-FMMD зависит от скорости этапе сканирования и от концентрации магнитных частиц. Следовательно, пространственное разрешение и предел обнаружения методики также скорость- и зависит от концентрации. Мы связываем этот вывод к уменьшению сигнала низкогополосовой фильтр на выходе синхронным детектированием двухэтапном считывающей электроники. Предыдущие исследования на MPI также показали , что пространственное разрешение зависит от скорости параметров градиента силы, диаметр частиц, объем магнитного сердечника и механической скорости стадии. 20 Наши результаты согласуются с этими результатами.

Наш метод 2D сканирования существенно отличается от традиционной технологии MPI на основе генерирования поля свободной точки (FFP) или поле Free Line (FFL), хотя принцип обнаружения основан на нелинейном сигнала от суперпарамагнетиков аналогично. 3, 21 Несмотря на то, обычный MPI имеет преимущества по сравнению с новой техникой р-FMMD, такие как одновременное 3D анализа без механического перемещения образца или системы 7, новый сканер MPI не нужны большие магниты , чтобы произвести сильное поле. Мы считаем, что и обычный сканер MPI и п-FMMD сканер имеют свои специфические преимущества, Преимущество сканера п-FMMD является его простота и его малые габариты. Там нет необходимости для использования больших градиентных катушек и нет необходимости для охлаждения катушки. Размер выборки по х и у направлении не ограничены техникой, только с помощью сканера и поддержки. Тем не менее, этот метод применим лишь к достаточно тонких образцов, которые соответствуют между катушками обнаружения. Это требует перемещения образца относительно измерительной головки, в то время как стандарт MPI утилизирует электрически управляемый сканирование FFL / СЗП без движения образца.

MPI представляет собой относительно новый метод, который имеет множество потенциальных применений во многих научных и промышленных областях. Было показано, что ее пространственное разрешение сравнима с другими методами медицинской визуализации. В данном исследовании мы ввели новую технику, называемую п-FMMD для выполнения MPI плоских образцов. По сравнению с другими сканерами MPI, он не требует генерацию FFL Oг ПКО. Нет сильного поля или поля градиента магнитного не требуется. Мы считаем, что техника п-FMMD станет альтернативным методом в области MPI. Потенциальные области применения включают анализ срезов биологических тканей для диагностических целей. При повторной конструкции для размещения более толстых образцов, неинвазивные исследования крупных объектов и мелких животных станет возможным.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

Эта работа была поддержана R & D ИКТ программы MSIP / ИППИ, Республика Корея (грант №: B0132-15-1001, Разработка Next Imaging System).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Magnetic particles "SiMAG Silanol" Chemicell (http://www.chemicell.com) 1101-5 Aqueous dispersion of magnetic silica particles, Maghemite, dia. 1 µm
Magnetic nanoparticles "fluidMAG-Amine" Chemicell (http://www.chemicell.com) 4121-5 Aqueous dispersion of magnetic nanoparticles, Magnetite, dia. 50 nm
Microtube 10 µl Hirschmann Laborgeräte (http://www.hirschmann-laborgeraete.de/?sc_lang=en) volume 10 µl, outer diameter 400 µm, length 40 mm
Nitrocellulose Membrane Biodyne B Thermo Scientific (http://www.thermoscientific.com) 77016 Biodyne B Nylon Membrane, 0.45 µm, 8 cm x 12 cm
DDS chip AD9834 Analog Devices (http://www.analog.com) AD9834 20 mW Power, 2.3 V to 5.5 V, 75 MHz Complete DDS
Operational Amplifier AD829 Analog Devices (http://www.analog.com) AD829 High Speed, Low Noise Video Op Amp
Analog Multiplier MPY634 Texas Instruments (http://www.ti.com) MPY634 Wide Bandwidth Precision Analog Multiplier
High-Speed Buffer BUF634 Texas Instruments (http://www.ti.com) BUF634 250 mA High-Speed Buffer
Operational Amplifier OPA627 Texas Instruments (http://www.ti.com) OPA627 Precision High-Speed Difet(R) Operational Amplifiers
Operational Amplifier TL072 Texas Instruments (http://www.ti.com) TL072 Dual Low-Noise JFET-Input General-Purpose Operational Amplifier
Lock-In Amplifier SR830 Stanford Instruments (http://www.thinksrs.com) SR830 100 kHz DSP lock-in amplifier
XYZ motorized stage Sciencetown, Incheon, Korea (http://mkmsll.en.ec21.com/)
Cleanroom wiper Seoul Semitech Co (http://www.seoulsemi.com) CF-909 dimension 2.0 mm × 18 mm

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

Инженерная выпуск 112 магнитопорошковым томография (MPI) смешение частот Магнитная детекция (FMMD) магнитная частица Суперпарамагнетизм демодуляция интермодуляционного продукт
Частота Смешивание Магнитный сканер обнаружения для визуализации магнитных частиц в планарных образцах
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Hong, H., Lim, E. G., Jeong, J. c.,… More

Hong, H., Lim, E. G., Jeong, J. c., Chang, J., Shin, S. W., Krause, H. J. Frequency Mixing Magnetic Detection Scanner for Imaging Magnetic Particles in Planar Samples. J. Vis. Exp. (112), e53869, doi:10.3791/53869 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter