Waiting
Login processing...

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

Engineering

Frequentie mengen Magnetic Detection Scanner voor de beeldvorming van magnetische deeltjes in Planar Samples

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

Een scanner voor beeldvorming magnetische deeltjes in vlakke monsters werd ontwikkeld met vlakke frequentie mengen magnetische detectietechniek. De magnetische intermodulatieproduct reactie van de lineaire nonhysteretic magnetisatie van de deeltjes wordt opgenomen op een twee-frequentie excitatie. Het kan worden gebruikt om 2D beelden dunne biologische monsters.

Abstract

De opzet van een vlakke Frequency mengen Magnetic Detection (p-FMMD) scanner voor het uitvoeren van magnetische deeltjes Imaging (MPI) van vlakke monsters wordt gepresenteerd. Het bestaat uit twee magnetische meetkoppen aan beide zijden van het monster aangebracht op de benen van een U-vormige ondersteuning. Het monster wordt plaatselijk blootgesteld aan een magnetisch veld excitatie bestaat uit twee verschillende frequenties, een sterkere component bij ongeveer 77 kHz en een zwakker veld bij 61 Hz. De lineaire magnetisatie eigenschappen van superparamagnetische deeltjes geven aanleiding tot het ontstaan ​​van intermodulatieproducten. Een geselecteerde som-frequentiecomponent van de hoge en lage magnetische veld dat invalt op de magnetisch-lineaire deeltjes wordt geregistreerd door een demodulatieëlektronica. In tegenstelling tot een conventionele MPI scanner heeft p-FMMD niet de toepassing van een sterk magnetisch veld om het gehele monster vereist vanwege het mengen van de twee frequenties optreedt ter plaatse. Dus de laterale afmetingen van het monster zijnbeperkt door het meetbereik en de steunen. De monsterhoogte bepaalt de ruimtelijke resolutie. In de huidige opzet is beperkt tot 2 mm. Als voorbeelden presenteren we twee 20 mm x 25 mm p-FMMD beelden verkregen uit monsters van 1 urn diameter maghemiet deeltjes in silanol matrix en met 50 nm magnetietdeeltjes in aminosilaan matrix. De resultaten tonen aan dat de nieuwe MPI scanner kan worden toegepast voor de analyse van dunne biologische monsters en voor medisch diagnostische doeleinden.

Introduction

Magnetische nanodeeltjes (MNP) hebben wijdverspreide toepassingen in de moleculaire biologie en de geneeskunde, namelijk gevonden, voor het manipuleren van biomoleculen en enkele cellen 1, voor het selectief labelen doelobjecten voor detectie, 2, 3 voor chromatine modulatie, 4 en mRNA isolatie en kankerbehandeling . 5 Door hun superparamagnetische eigenschappen zijn ze bijzonder nuttig voor medische beeldvorming. Ze kunnen dienen, bijvoorbeeld als contrastmiddelen of tracers Magnetic Resonance Imaging (MRI) of gevoeligheid beeldvorming met behulp Supergeleidende Quantum Interference Device (SQUID) detectoren. 2, 6 De superparamagnetische nanodeeltjes leveren een goed contrast met de verschillende weefsels van het menselijk instantie dia- of paramagnetisch zijn. 7 Aldus kunnen de deeltjes gemakkelijk worden gebruikt om medische beelden van menselijke lichaamsdelen met relatief goede ruimtelijke resolutie en gevoeligheid te verkrijgen. 8

tent "> De Magnetic Particle Imaging (MPI) techniek die door Gleich en Weizenecker 9 maakt gebruik van de niet-lineariteit van magnetisatie van het deeltje. Op nul of zwak magnetisch veld voorspanning, de reactie van MNP een ac excitatie frequentie f sterk door hun grote gevoeligheid. vooral lineaire magnetisatie van het deeltje leidt tot de generatie van harmonische n · f, met n = 2, 3, 4 ... bij hoge magnetisch veld voorspanning, de harmonische responsie zwak, omdat de deeltjes magnetisch verzadigd zijn. In de MPI techniek wordt het monster volledig gemagnetiseerd uitzondering van een veldvrije lijn (FFL) of een veldvrije point (FFP). Alleen deeltjes dicht bij deze lijn of bijzondere bijdragen aan de niet-lineaire respons van het monster. met beweging van een FFP en de werkgelegenheid van geschikte ontvanger spoelen, Gleich en Weizenecker verworven MPI beelden met een ruimtelijke resolutie van 1 mm.

Om teinformatie verkrijgen over de ruimtelijke verdeling van MNP twee werkwijzen worden gewoonlijk toegepast, de mechanische beweging van de sensor ten opzichte van het monster, of verplaatsing van de FFL / FFP door elektromagneten. 2, 3 In het laatste geval beeldvormingstechnieken zoals harmonische-space MPI 3 of X-space MPI 10, 11, 12 nodig. De ruimtelijke resolutie van MPI wordt bepaald door de convolutie eigenschappen van excitatie en detectie spoelen en door de eigenschappen van de magnetische veldgradiënt. Hierdoor kan beeldreconstructiealgoritmen een verbeterde resolutie via standaard resolutie, die wordt bepaald door de grootte en afstand van de pick-up spoelen en de magnetische veldverdeling onder Maxwell vergelijkingen verkrijgen.

Een MPI-scanner is meestal bestaat uit een sterke magneet voor het magnetiseren van het gehele monster, een bestuurbare spoel systeem voor het besturen van een FFL of FFP over het monster, een hoge frequentie excitation spoelsysteem en een detectiespoel voor het opnemen van de lineaire reactie van het monster. De FFL / FFP wordt continu bewogen door het monster volume, terwijl de harmonische respons van deze onverzadigde monster regio wordt geregistreerd. Om het probleem van aanbrengen van het preparaat in de scanner te vermijden, is een enkelzijdige MPI scanner aangetoond door Gräfe et al. 13, maar ten koste van verminderde prestaties. De beste resultaten worden verkregen als het monster wordt omringd door de magneten en spoelen. Omdat het monster moet volledig gemagnetiseerd uitzondering van de regio FFL / FFP de techniek vereist relatief grote en sterke magneten met waterkoeling, wat leidt tot een vrij omvangrijk en zwaar MPI systeem.

Onze benadering is gebaseerd op de frequentie mengen van de niet-lineaire magnetisatiecurve van superparamagnetische deeltjes. 14 Bij super-paramagneten blootstellen aan magnetische velden op twee verschillende frequenties (f1 en f </ em> 2), de som frequenties wat neerkomt op een lineaire combinatie m · f 1 + n · f 2 (met gehele getallen m, n) worden gegenereerd. Aangetoond werd dat het uiterlijk van deze componenten zeer specifiek is voor de niet-lineariteit van de magnetisatie kromme van de deeltjes. 15 Met andere woorden, wanneer de MNP monster gelijktijdig wordt blootgesteld aan een aandrijvende magneetveld frequentie f2 en een indringende veld bij frequentie f 1, de deeltjes genereren responsieveld bij frequentie f 1 + 2 · f2. Dit bedrag frequentie niet aanwezig zijn zonder de magnetisch-lineaire monster, dus de specificiteit zeer hoog. We noemden deze methode "frequency mixing magnetische detectie" (FMMD). Experimenteel is vastgesteld dat de techniek levert een dynamisch bereik van meer dan vier orden van grootte in deeltjesconcentratie. 14

<p class = "jove_content"> In tegenstelling tot typische MPI instrumentatie, wordt de vlakke frequentie mengen magnetische detectie (p-FMMD) benadering niet toe de steekproefclose magnetiseren tot verzadiging vanwege de vorming van de som frequentiecomponent f 1 + 2 · f 2 is maximaal bij nul statische voorspanningsveld. 14 Derhalve is de behoefte aan sterke en volumineuze magneten verlicht. In feite, de buitenafmetingen van de meetkop slechts 77 mm × 68 mm × 29 mm. Ter vergelijking, MPI opstellingen zijn meestal meter-formaat. 7 Het nadeel is echter dat de techniek beperkt is tot vlakke monsters met een maximale dikte van 2 mm in de huidige opstelling. Het monster moet vrij worden gescand om de tweezijdige meetkop. Een reconstructie waardoor dikkere monsters mogelijk, maar in te ruilen voor een verlies van ruimtelijke resolutie.

Op basis van deze FMMD techniek, presenteren we een speciaal type MPI DETECtor voor planaire monsters, de zogenaamde "vlakke frequentie mixing magnetische detectie" (p-FMMD) scanner. Het principe is onlangs verschenen. 17 In dit werk, richten we ons op de methodologie van de techniek en de huidige protocollen hoe het opzetten van een dergelijke scanner en hoe u scans uit te voeren. Het is aangetoond dat MPI kan worden toegepast voor medische diagnostische doeleinden zoals cardiovasculaire of kanker beeldvorming. 16, 18, ​​19 Daarom geloven wij dat de nieuwe MPI scanner kan worden gebruikt voor een breed scala van mogelijke toepassingen, bijvoorbeeld voor het meten van magnetische deeltjes distributie in het weefsel plakjes.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Ontwerp een Planar FMMD Measurement Head

  1. Kies een spoel regeling voor de meting hoofd. Selecteer een configuratie volgens figuur 1, bestaande uit twee pickup spoelen boven en twee onder het monster in een (-, +, +, -) sequentie, met het monster zitten in het midden tussen de beide (+) coils. Het teken geeft de richting van het wikkelen, dat wil zeggen (+) voor rechtse en (-) voor linkse. Dus de gevoeligheid van de opnemer spoelen wordt bijna homogeen over het monster dikte.
    1. Plaats de bekrachtigingsspoelen zodanig dat het direct geïnduceerd signaal in de pick-up spoelen opheft teneinde verzadiging van de voorversterker te voorkomen en maximale gevoeligheid om het monster te bereiken. Andere configuraties dat deze basisontwerp regels voldoen kunnen worden bedacht.
  2. Geef de maximale dikte van de monsters. Hier, gebruik 2 mm.
    1. Kies de diameter en lengte van de pick-up spoelen gelijk aan de maximale sample thickness. Hier, een binnendiameter van 2 mm gekozen, dat een gemiddelde diameter van 3,7 mm voor de hoogte van de windingen van 1,7 mm oplevert. De breedte spoel 4 mm.
    2. Kies de draaddiameter en het aantal windingen van de spoelen pickup zodat de totale impedantie van pickup coils ongeveer overeenkomt met de ingangsimpedantie van de voorversterker. Deze voorwaarde legt beperkingen op de detectiefrequentie. Bij een operationele versterker met een optimale ingangsimpedantie van 1100 Ω, vier pickup spoelen 600 windingen van 0,08 mm diameter. geëmailleerd koperdraad, hetgeen een totale ohmse reeks weerstand van 95,3 Ω en een totale inductie van 1,9 mH, die 919 Ω impedantie geeft.
  3. Bereid de hoogfrequente excitatie spoelen 17 zodanig dat het magnetische veld ter plaatse van het monster bedraagt ​​ideaal ongeveer 0,5 mT. Bijvoorbeeld, wanneer de binnenstraal van de spoel is 3,8 mm en de breedte is 8,5 mm, wind 476 wikkelingen met een diameter van 0,1 mm w ire. Hier, een gebied van 0,4 mT werd bereikt bij f 1 = 76.550 Hz.
  4. Bereid de lage frequentie excitatie spoelen 17 zodanig dat het magnetisch veld op de locatie van het monster is ongeveer 5 mT. Bijvoorbeeld, wanneer de binnenstraal van de spoel 5 mm en de breedte is 8,5 mm, wind 2000 windingen van draad diameter 0,12 mm. De setup leverde 5 mT bij f 2 = 61 Hz.

Figuur 1
Figuur 1. Schematische tekening van de p-FMMD opstelling. Twee meetkoppen zijn elektronisch met elkaar verbonden. Het monster wordt geplaatst in de ruimte tussen de koppen. Detection spoelen (+) het meten van de steekproef signaal-counter wond detectie spoelen (-) dienen als referentie op te heffen het directe gezichtsveld van de hoogfrequente excitatie spoelen. Amp - voorversterker, x - mixer, LPF - low pass filter, DAQ - data-acquisitie.target = "_ blank"> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

2. Construct de meetkop

  1. Construct de p-FMMD zodat twee sets van excitatie en detectie spoelen boven en onder het monster bevestigd. Elke set van spoelen bestaat uit een lage frequentie driver spoel, een hoge frequentie excitatie spoel, en een differentiële detectie coil bestaande uit twee tegengesteld gewikkelde pick-up spoelen in axiale gradiometer configuratie.
    1. Zorgen voor een verstelbaarheid van ten minste één bekrachtigingsspoel opzichte van het verschil detectiespoel om te kunnen compenseren directe inductie van de hoogfrequente excitatie in de detectiespoel. Zo zet de zendspoel op een draad die relatieve beweging van de zendspoel versus de detectiespoel toelaat. Een schematisch diagram van de p-FMMD is weergegeven in figuur 1. Figuur 2 toont een technische tekening en een foto van de opstelling. Gedetailleerdparameters van de spoelen worden in tabel 1.
  2. Monteer de spoelstellen boven en onder het monster op een stijve steun, met coaxiale oriëntatie, zie figuren 1 en 2. Zorg ervoor dat de beide spoelstellen niet ten opzichte van elkaar trillen.
  3. Stel de hoogfrequente saldo van de meetkop door toepassing van hoogfrequente excitatie stroom naar de respectieve excitatiespoel set, variëren van de relatieve positie tussen hen, en gelijktijdig de gedetecteerde signaal met deze frequentie op de detectie spoel stel met behulp van apparatuur zoals een oscilloscoop of een lock-in versterker.
    1. Pas de direct geïnduceerde spanning zo laag als een paar millivolt, dat wil zeggen, meer dan 1000-voudige onderdrukking van directe inductie. Bepaal de limiet van instelbaarheid door het observeren van de faseverschuiving tussen bekrachtigingsstroom en gedetecteerde spanning. Op zijn minst, de geïnduceerde spanning 90 ° fase-verschoven als te vergelijkend directe inductie.

Figuur 2
Figuur 2. Technische tekening en foto van p-FMMD head. Cross-secties langs een verticaal vlak (linksboven) en een horizontaal vlak (linksonder) worden ook getoond als een foto van de geopende meting hoofd voor wikkelingen. 1 - Aluminium support, 2 - spoel voormalige voor de detectie coils, 3 - schroefdraad spoel voormalige voor excitatie spoelen die kan worden opgeschoven / door rotatie, 4 - sample support platen, 5 - aluminium deksels, 6 - sample stopper ondersteuning, 7 - stopper in X-richting, 8 - stopper in de y-richting. 6-8 worden verwijderd voor het scannen. De grootte van de p-FMMD hoofd is 77 mm x 68 mm x 29 mm. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

3. Stel Measurement Electronics

  1. Configureren van de EXCItatie gedeelte, bestaande uit de twee oscillators en eindversterkers voor zowel de lage frequentie driver spoel en hoogfrequente excitatie spoel.
    1. Stel de lage frequentie driver gedeelte, bestaande uit een oscillator en een eindversterker voor de lage frequentie f2. Bereken het vermogen van de versterker zodanig dat de verlangde stroom naar het gebied van ongeveer 5 mT produceren de bestuurder spoel. Hier, gebruik dan een Direct Digital Synthesis (DDS) chip als programmeerbare oscillator. Gebruik van een snelle buffer eindversterker.
    2. Stel de hoogfrequente excitatie gedeelte, omvattende een oscillator en een versterker voor de hoge frequentie f1. Stel de versterker zodanig dat levert de vereiste stroom naar het gebied van ongeveer 0,5 mT produceren in de bekrachtigingsspoel. Gebruik een DDS-chip en een snelle buffer oscillator en versterker resp.
  2. Configureer de detectiesectie, bestaande uit een preamplifier een eerste menger om demoduleren van de hoge frequentie f 1, een tussenliggende versterker en filter, een tweede mixer demoduleren van tweemaal de laagfrequente 2 · f2 en een nafilter en uitvoeraandrijver. Alternatief gebruik twee lock-in versterkers de detectieelektronica voeren.
    1. Stel de voorversterker podium. Selecteer de ingang operationele versterker (OP), aangezien de impedantie van de spoel en de detectie gain-bandwidth product. Voer het lawaai optimalisatie procedure, rekening houdend met de opgegeven spanning lawaai en stroomruis van het OP, zoals beschreven in Ref. 10. Selecteer een snelle ruisarme operationele versterker met een versterking van ongeveer 100 in de eerste trap. De volgende fase is niet kritisch, maar controleer dat het uitgangssignaal blijft in het spanningsbereik, dat wil zeggen, niet vervormd door overbelasting. Hier, gebruik maken van een low-noise JFET ingang operationele versterker met 4,3-voudige versterking.
    2. Het opzetten van de fIRST demodulatie fase, het vermenigvuldigen van het versterkte signaal met hoge frequentie f1. Gebruik een analoge multiplier chip en vindplaats uit een tweede afzonderlijke DDS-chip om een ​​instelbare fase demodulatie te realiseren. U kunt ook gebruik maken van een lock-in versterker als voorversterker (3.2.1), eerste demodulator (3.2.2) en hoge frequentie generator (3.1.2).
    3. Stel de tussenliggende amplificatie en filterstap. Implementeren van een laagdoorlaatfilter zodat de signaal frequentie 2 · f 2 passes ongestoord terwijl de parasitaire hoge frequentiecomponenten bij f 1 en 2 · f 1 worden effectief onderdrukt. Kies een geschikte tussenproduct amplificatie, bijvoorbeeld door het selecteren van twee algemene doeleinden operationele versterkers met een totale versterking van ongeveer 100.
    4. Stel de tweede demodulatie fase vermenigvuldigen het gefilterde en versterkte signaal met tweemaal de lage frequentie 2 · f2. Gebruikeneen analoge vermenigvuldiger chip en vindplaats uit een vierde afzonderlijke DDS-chip om een ​​instelbare fase demodulatie te realiseren. U kunt ook gebruik maken van een lock-in versterker staat tweede harmonische demodulatie als tussenproduct versterker (3.2.3), tweede demodulator in tweede harmonische (3.2.4) en lage frequentie generator (3.1.1).
    5. Stel de definitieve versterking en filtering podium. Implementeren van een laagdoorlaatfilter zodat de signaalfrequentie aan de aftastfrequentie passeert ongestoord terwijl de parasitaire componenten aan hoogfrequente 4 · f 2 zijn effectief onderdrukt. Kies een geschikte laatste versterking, gezien de gewenste uitgangsspanning bereik. Gebruik twee algemene doeleinden operationele versterkers met een totale versterking van ongeveer 10.

4. Stel 2D Scanner

  1. Monteer een 2D-scanner, zodat de beweging vlak staat loodrecht op de as van de spoel.
  2. Controle van de 2D-scanner en synchroon acquiring de uitgangsspanning van de meetelektronica om een ​​2D-beeld van de FMMD signaal van de vlakke monster met een zelfgemaakte script geschreven in de programmeertaal Python verkrijgen.

5. Bereid Sample

  1. Gebruik magnetietdeeltjes met een diameter van 50 nm en 100 nm en maghemiet deeltjes met een diameter van 1 urn waarvan concentratie 25,0 mg / ml. Was de oplossing door het oplossen van de magnetische deeltjes in het water, het scheiden van hen met behulp van een magneet en gooi de water. Herhaal deze procedure drie maal. Verdun het magnetische deeltje oplossing eentiende met gedestilleerd water.
  2. Bereid monsters papier pellet met een diameter van 2,0 mm door ponsen stukken van absorberend vloeipapier met behulp van een biopsie punch. Week ze in magnetisch bolletje oplossing van verschillende concentraties gedurende 30 seconden en laat ze drogen aan de lucht. Hier, Gebruik concentraties van 0,04, 0,2, 1, 5 en 25 mg / ml van 100 nm deeltjes.
  3. Bereid een monster met behulp van een nitrocellulose membraan van grootte 2,0 mm x 18,0 mm. Week de membraan met het onverdunde 1 micrometer diameter deeltje oplossing. Bereid een monster door het weken van de membraan gelijkmatig en ander door een concentratiegradiënt. Doe dit door het weken van de uiteinden van het membraan in parels oplossing met een andere concentratie, waardoor de concentratiegradiënt (figuur 5).
  4. Bereid een monster in een capillaire buis 10 ul volume buitendiameter 400 urn, lengte 40 mm. Vul het capillaire buisje met onverdunde 50 nm deeltjesdiameter oplossing. Bereid een tweede microbuis met 20x verdunde oplossing (mix 100 ui onverdunde oplossing met 1,9 ml water).

6. Voer 2D FMMD Scan

  1. Selecteer scangebied volgens planaire afmetingen a x b van het monster. Voer de waarden in de scansoftware.
  2. Selecteer stepping richting. Meestal is de kortste van de twee vlakke dimensies, laten we noemen het b
  3. Scannen snelheid v, met inachtneming van het signaal verminderen door laagdoorlaatfiltering, zie bespreking. Stel de snelheid op een waarde tussen 1 en 7 mm / sec. Voer de waarde in de scansoftware.
  4. Selecteer stepping afstand Δ b, gezien het feit dat het niet veel kleiner dan de haalbare ruimtelijke resolutie, en de totale scantijd t die ten minste t = a / v zal nodig · b / Δ b 1). Voer de intensivering afstand in de software.
  5. Monteer het monster op de 2D-scanner. Fix it op de plastic plaat met plakband.

figuur 3
Figuur 3. Foto van p-FMMD meetopstelling. Het monster wordt aangebracht met plakband op de plastic carrier bewogen door de motorstadium (links). Vervolgens wordt het monster gescand in de p-FMMD head (rechts). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

  1. Voer de scan door het indrukken van de startknop. De scans van de figuren 5 en 6 hebben betrekking op een 20,0 mm (x-as) x 25,0 mm (y-as) gebied, dat wil zeggen zes 25 mm lange sporen werden gescand langs de y-as, met 4,0 mm stappen in x richting, in een stadium toerental van 1,0 mm / sec. Dit komt neer op een scantijd van ongeveer 2 min.

figuur 4
Figuur 4. Graphical User Interface van de scansoftware. De scan parameters worden hier ingevoerd. De meting wordt gestart door op de rode knop.

7. Beeldverwerking

  1. Omzetten van de ruwe data op de matrix van vorm met behulp van een artisanaale script in python. Log de ruwe data van de hele scan samen met extra waarden in een 2-column-komma's gescheiden waarden (CSV) formaat bestand. De extra kolom geeft het vastleggen van de overeenkomstige gegevens in de stepping beweging. Het script segmenten van de ruwe data kolom bij elke verandering van de extra kolom waarde en verwijdert de gegevens segmenten tijdens het stappen beweging. Het bouwt ook de resulterende matrix door de invoering van de resterende opeenvolgende segmenten in rijen of kolommen van de matrix en schrijft de matrix in een CSV-formaat bestand.
    Opmerking: p-FMMD afbeeldingen van deze studie worden gegenereerd met een python script. De pyplot.contour-functie en de pyplot.imshow functie uit de matplotlib bibliotheek voor python zijn cumulatief gebruikt voor de bereiding van de contouren en de achtergrondkleuren, respectievelijk.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figuur 5a toont de berekende gevoeligheidsverdeling van de binnenste dubbele differentiële detectie spoel als functie van de coördinaten x en y in het monstervlak. Het is in een omgekeerde benadering berekend door de superpositie van de magnetische velden van alle punten (x, y) in het middenvlak gegenereerd door vier detectiespoelen. Omgekeerd, bepaalt dit de gevoeligheid van de detectie spoel een magnetisch moment bij elk van deze punten. De berekening werd uitgevoerd door de onderlinge aanpassing van de spoelen zo lang spoelen van te verwaarlozen hoogte. Dus de gevoeligheidsverdeling in Figuur 5a representeert de kaart gevoeligheid in het scanvlak, de zogenaamde puntspreidingsfunctie (PSF). Op soortgelijke wijze, Figuur 5b toont de gevoeligheid als functie van de axiale coördinaat z en de radiale coördinaat r (r x 2 + y 2), waardoor een verticale afbeelding van de gevoeligheid in de gleuf van de meetkop. De oorsprong x = 0 en y = 0 bevindt zich precies in het midden van de detectiespoel. De afstand tussen de middelpunten van de bovenste en onderste detectiespoel is 2 mm. De spoel parameters zijn opgesomd in tabel 1. Figuur 5c toont het resultaat van een experimentele scan via draadvormige lijntype monster bereid volgens het protocol 5.2. Ter vergelijking werd een gevoeligheid spoor berekend door numerieke integratie van de punt spreiding functie weergegeven in figuur 5a over een 2 mm breed ideale lijn. De overeenkomst is goed, behalve dat de negatieve schouders in het berekende signaal niet experimenteel waargenomen. In de simulatie, deze negatieve onderdelen afkomstig van de negatieve bijdragen van de referentie-spoelen die meer in het verre veld regime zijn dan de detectiegrens spoelen naast de sample. Wij geloven dat de negatieve bijdrage wordt overschat in de simulatie, omdat de spoelen worden benaderd met een verwaarloosbare hoogte van wikkelingen.

figuur 5
Figuur 5. Uitvoering van de meetkop. Berekend gevoeligheidsverdeling van de meetkop (a) als functie van de planaire coördinaten x en y voor z = 0, (b) als een functie van de axiale coördinaat z en r de radiale coördinaat . De gevoeligheid wordt gegeven ten opzichte van het midden tussen de bovenste en onderste detectiespoel bij x = 0, y = 0 en r = 0. (c) Vergelijking van de gemeten en gesimuleerde gevoeligheid. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

f 1 = 76,56 kHz met betrekking tot magnetische momenten in het midden van de meetkop. Voor de berekening zijn de parameters van de binnenste wikkeling die zoals vermeld in tabel 1, uitgaande van een vulfactor (dwz de koper fractie in de wikkelingen dwarsdoorsnede) van KF = 0,5. We kregen een magnetisch moment gevoeligheid van m 0 / √ f = 1,8 · 10 -14 Am 2 / √Hz. Voor 1 sec meettijd komt dit neer op een oplosbaar minimum magnetisch moment van m 0 = 7,3 · 10 -14 Am 2. Deze waarde is vergelijkbaar dan de detectiegrens kan worden bereikt met een standaard 8 mm diameter meetkop. 14

Figuur 6a toont de signal intensiteit als een functie van de concentratie van magnetische korrels oplossing. De scansnelheid was 1,0 cm / min. De concentratie van het papier pellets bereid volgens proefopzet 5,2 werd gevarieerd 0,04-25,0 mg / ml. De foutbalken geven de standaarddeviatie van de meting FMMD. De resultaten toonden een sterke correlatie tussen de concentratie van magnetische korrels en het signaal van de detector. De determinatiecoëfficiënt R2 van de lineaire regressie werd berekend als 0,98. Figuur 6b toont het gemeten verband tussen de snelheid van het scannende platform en de signaalintensiteit gemeten met de 5 mg / ml paper pellet monster volgens het protocol 5.3. Het bleek dat hogere signalen kunnen worden verkregen bij lagere snelheid.

figuur 6
Figuur 6. kalibratie. Genormaliseerde ijkkromme van (a) de p-FMMD meting met behulp van verschillende concentraties van magnetische korrels. Als monsters, werden papier pellets met een diameter van 2,0 mm bereid met een biopsie punch, gedrenkt in magnetische deeltjes oplossing van verschillende concentraties (zie protocol 5.3). De meetkop voorbij het papier pellets met verschillende concentraties MP. De snelheid van de trap werd ingesteld op 1,0 mm / sec. (B) Signaal intensiteit als functie van de snelheid van de XY podium voor de 5,0 mg / ml papier pellet monster. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 7 toont een foto van membraan-type monsters bereid volgens de gereconstrueerde P-beeld FMMD verkrijgbaar was 5,4 en protocol. Het beeld gebied, alsmede het te scannen gedeelte liggen beide op 20 mm x 25 mm. De vergelijking van de p-FMMD scannen met het optische beeld van het sampl e toont duidelijk de uitvoerbaarheid aan de p-FMMD als MPI scanner. De p-FMMD beelden zijn iets breder dan de werkelijke objecten. Deze verbreding is vooral te danken aan de gevoeligheid profiel van de meetkop. Zoals getoond in figuur 5a, is de meting van een magnetisch deeltjesverdeling verruimd door deze verdeling zelfs ± 2,0 mm van het centrum van de meetkoppen.

figuur 7
Figuur 7. 2D FMMD scannen. (A) Foto van het type tekenreeks monster. Het monster werd bereid met een nitrocellulose membraan doorweekt met maghemiet deeltje oplossing 1 micrometer diameter SIMAG-Silanol zie protocol 5.4. (B) het gereconstrueerde MPI, grootte 20 mm x 25 mm. Het monster wordt continu gescand in y-richting en achtereenvolgens stapte in X-richting met 4 mm.ef = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/53869/53869fig7large.jpg" target = "_ blank"> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Een tweede monster werd bereid, bestaande uit twee microbuisjes gevuld met verschillende magnetische deeltjes concentratie zoals beschreven in protocol 5,5. Figuur 8 toont een foto van het gereconstrueerde beeld p-FMMD het monster en beide met een maat van 20 mm x 25 mm. Dit voorbeeld demonstreert dat verschillende concentraties met een factor 20 goed kan worden afgebeeld met duidelijk waarneembare beeldeigenschappen.

Figuur 8
Figuur 8. 2D FMMD scan. (A) Foto van twee microbuisjes van 10 pl volume met verschillende concentraties in het monster van de vloeistof MAG-Amine, zie protocol 5.5. (B) het gereconstrueerde MPI, grootte 20 mm &# 215; 25 mm. Het monster wordt continu gescand in y-richting en achtereenvolgens stapte in X-richting met 4 mm. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

coil afmetingen wikkelingen Coil voorbeeld hieronder Coil bovenstaande voorbeeld
Spoel R 1 [mm] a W [mm] b H [mm] c Aantal windingen Wire-Ø [mm] R [Ω] d L [mH] e R [Ω] d L [mH] e
maat 1.0 4.0 1.7 2 × 600 0.08 47.67 0.95 47.66 0.95
opwinding 3.8 8.5 1.0 476 0.10 29.90 1.56 29.70 1.45
Bestuurder 5.0 8.5 5.0 2000 0.12 190,75 36.90 141,28 37.90
een R 1 is de binnenstraal van de spoel. De gemiddelde radius R 1 + H / 2, de buitenstraal R 1 + H.
b W is de breedte van de spoel, dat wil zeggen de dwarsdoorsnede van de wikkelingen.
c H de hoogte van de spoelwindingen.
dR geeft de Ohmse weerstand bij DC. Bij de meetspoelen is thij serie weerstand van beide spoelen.
e L geeft de inductie, gemeten met een inductantie meter bij 1 kHz.

Parameters Tabel 1. Coil. Maten en wikkelingen van de spoelen van de meting hoofd.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De meettechniek gebruikt de niet-lineariteit van de magnetisatie kromme van de superparamagnetische deeltjes. De tweezijdige meetkop gelijktijdig worden twee magnetische excitatie velden van verschillende frequenties aan het monster een lage frequentie (f2) component om de deeltjes in magnetische verzadiging en een hoge frequentie (f1) veldsterktemeter aan de niet-lineaire magnetische respons te bepalen drijven . In het bijzonder, zowel harmonischen van het incident velden, m · f 1 en n · f2, en som frequenties, m · f 1 + n · f 2 (met gehele getallen m, n), worden gegenereerd. Deze intermodulatie producten worden gedetecteerd door de differentieel gewikkelde pickup spoel. De referentie-coils niet pikken deze signalen, omdat ze ver van het monster liggen. Ze dienen voor het onderdrukken van de rechtstreeks veroorzaakte hoogfrequente EXCImentatie die anders de voorversterker zou verzadigen. Daarmee is de nauwelijks som-signaal door de aanwezigheid van super-paramagnetische materiaal wordt meetbaar en kwantificeerbaar. In de uitleeselektronica alleen de intermodulatieproduct op somfrequentie f 1 + 2 · f 2 gedemoduleerd omdat het de sterkste lineaire component die aanwezig zonder ruis voorspanningsveld is. Er werd aangetoond dat deze techniek maakt snelle verwerking en een zeer groot dynamisch detectiebereik. Details van de FMMD principe en de uitleeselektronica zijn in detail beschreven in Ref. 10.

De meetresultaten weergegeven in figuur 6 blijkt dat de p-FMMD signaal afhankelijk van de snelheid van het scannende platform en de concentratie van de magnetische deeltjes. Bijgevolg ruimtelijke resolutie en detectiegrens van de techniek zijn ook snelheid- en concentratie-afhankelijk. Wij schrijven deze bevinding het signaal verlaging van de lagepass filter aan de uitgang van de tweefasige lock-in detectie van de uitleeselektronica. Eerder onderzoek naar MPI toonde ook aan dat de ruimtelijke resolutie hangt af van de parameters snelheid van gradiëntsterkte, deeltjesdiameter, volume van de magnetische kern en mechanische snelheid van het podium. 20 Onze bevindingen komen overeen met deze resultaten.

Onze 2D scanmethode aanzienlijk verschilt van de conventionele MPI techniek waarbij het ​​genereren van een veld-vrije Point (FFP) of Field gratis Line (FFL), hoewel de detectie principe gebaseerd op het niet-lineaire signaal van superparamagnets vergelijkbaar. 3, 21 Hoewel conventionele MPI heeft voordelen boven de nieuwe p-FMMD techniek, zoals de gelijktijdige 3D analyse zonder mechanische beweging van monster of systeem 7, de nieuwe MPI scanner behoeft niet groot magneten om een sterk veld te genereren. Wij geloven dat zowel de conventionele MPI scanner en de p-scanner FMMD hun specifieke voordelen. Het voordeel van de p-FMMD scanner is de eenvoud en de kleine afmetingen. Er is geen noodzaak voor het gebruik van grote gradientspoelen en geen behoefte aan koelspiralen. De steekproefomvang in x- en y-richting zijn niet beperkt door de techniek, alleen door de scanner en de drager. Echter, de techniek is alleen van toepassing op voldoende dun monsters die passen tussen de detectie spoelen. Het vereist beweging van het monster ten opzichte van de meting hoofd, terwijl standaard MPI elektrisch maakt gebruik van gecontroleerde scanning van de FFL / FFP zonder sample beweging.

MPI is een relatief nieuwe techniek die verschillende potentiële toepassingen in veel wetenschappelijke en industriële gebieden heeft. Aangetoond is dat de ruimtelijke resolutie is vergelijkbaar met die van andere medische beeldvormende modaliteiten. In deze studie hebben we een nieuwe techniek genaamd p-FMMD MPI voeren vlakke monsters. Vergeleken met andere MPI scanners, is het niet de vorming van een FFL o vereisenr FFP. Geen sterke magnetisch veld of veldgradiënt nodig. Wij geloven dat de p-FMMD methode een alternatieve methode op het gebied van MPI wordt. Mogelijke toepassingsgebieden zijn de analyse van biologisch weefsel secties voor diagnostische doeleinden. Met een herontwerp dikkere monsters, niet-invasieve studies van grotere objecten vangen en kleine dieren mogelijk wordt.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

Dit werk werd ondersteund door de ICT R & D programma van MSIP / IITP, de Republiek Korea (Grant No: B0132-15-1001, Ontwikkeling van 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

Engineering Magnetic Particle Imaging (MPI) Frequency mengen Magnetic Detection (FMMD) magnetische deeltjes superparamagnetisme demodulatie intermodulatieproduct
Frequentie mengen Magnetic Detection Scanner voor de beeldvorming van magnetische deeltjes in Planar Samples
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