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Fréquence de mélange Scanner de détection magnétique pour l'imagerie de particules magnétiques dans des échantillons planaires

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

Un scanner pour l'imagerie des particules magnétiques dans des échantillons planaires a été développé en utilisant la fréquence plane de mélange technique de détection magnétique. La réponse magnétique du produit d'intermodulation de l'aimantation sans hystérésis non linéaire des particules est enregistrée sur une excitation à deux fréquences. Il peut être utilisé pour prendre des images 2D d'échantillons biologiques minces.

Abstract

La configuration d'une fréquence plane de mélange magnétique de détection (p-FMMD) scanner pour effectuer particules magnétiques Imaging (MPI) d'échantillons plats est présenté. Il est constitué de deux têtes de mesure magnétique des deux côtés de l'échantillon monté sur les branches d'un support en forme de u. L'échantillon est exposé localement à un champ d'excitation magnétique constitué de deux fréquences distinctes, une composante plus forte à environ 77 kHz et un champ plus faible à 61 Hz. Les caractéristiques d'aimantation non linéaire des particules superparamagnétiques donnent lieu à la génération de produits d'intermodulation. Une composante somme fréquence sélectionnée de l'incident et faible champ magnétique de fréquence sur les particules magnétiquement non linéaires est enregistré par une électronique de démodulation. Contrairement à un scanner MPI conventionnel, le p-FMMD ne nécessite pas l'application d'un fort champ magnétique à l'ensemble de l'échantillon, car le mélange des deux fréquences se produit localement. Ainsi, les dimensions latérales de l'échantillon ne sont quelimitée par la plage de balayage et les supports. Cependant, la hauteur de l'échantillon détermine la résolution spatiale. Dans la configuration actuelle, il est limité à 2 mm. A titre d'exemple, nous présentons deux 20 mm x 25 mm p-FMMD images acquises à partir d'échantillons avec 1 um particules de diamètre de maghémite dans la matrice de silanol et avec des particules de magnétite 50 nm dans la matrice aminosilane. Les résultats montrent que le nouveau scanner MPI peut être appliqué pour l'analyse d'échantillons biologiques minces et à des fins de diagnostic médical.

Introduction

Des nanoparticules magnétiques (MNP) ont trouvé des applications répandues dans la biologie moléculaire et de la médecine, à savoir, pour la manipulation des biomolécules et des cellules individuelles 1, pour le marquage sélectif des entités cibles pour la détection, 2, 3 pour la modulation de la chromatine, 4 et pour l' isolement de l' ARNm et le traitement du cancer 5. En raison de leurs propriétés superparamagnétiques, ils sont particulièrement utiles pour l' imagerie médicale. Ils peuvent servir, par exemple, comme agents de contraste ou traceurs pour imagerie par résonance magnétique (IRM) ou pour l' imagerie de sensibilité en utilisant Superconducting Quantum Interference Device (SQUID) détecteurs. 2, 6 Les nanoparticules superparamagnétiques donnent un bon contraste avec les différents tissus de l' être humain corps qui sont dia- ou paramagnétique 7. Ainsi, les particules peuvent facilement être utilisées pour acquérir des images médicales de parties du corps humain avec relativement bonne résolution spatiale et la sensibilité. 8

tente "> L'imagerie par particules magnétiques (MPI) technique introduite par Gleich et Weizenecker 9 fait usage de la non - linéarité de l'aimantation de la particule. A zéro ou polarisation de champ magnétique faible, la réponse du MNP à une excitation en courant alternatif de fréquence f est forte en raison de leur grande sensibilité. En particulier, l' aimantation non linéaire de la particule donne lieu à la génération d'harmoniques n · f avec n = 2, 3, 4 ... au champ magnétique de polarisation élevée, la réponse harmonique devient faible , car les particules sont magnétiquement saturées. Dans la technique MPI, l'échantillon est complètement magnétisé sauf pour une ligne sans champ (FFL) ou un point sans champ (FFP). Seules les particules situé à proximité de cette ligne ou d'un point contribuera à la réponse non linéaire de l'échantillon. Avec la mouvement d'un AHAT et de l'emploi de bobines de réception appropriés, Gleich et Weizenecker images acquises MPI avec une résolution spatiale de 1 mm.

Afin deobtenir des informations sur la distribution spatiale des MNP, deux méthodes sont habituellement utilisées, le mouvement mécanique du capteur par rapport à l'échantillon, ou le mouvement du FLE / FFP au moyen d'électroaimants. 2, 3 Dans ce dernier cas, les techniques de reconstruction d'image comme harmonique espace MPI 3 ou X-espace MPI 10, 11, 12 sont nécessaires. La résolution spatiale de MPI est déterminée par les propriétés de convolution d'excitation et de détection des bobines, ainsi que par les caractéristiques du gradient de champ magnétique. Cela permet à des algorithmes de reconstruction d'image pour obtenir une meilleure résolution sur la résolution native, qui est déterminée par la taille et la distance des bobines de ramassage ainsi que par la distribution de champ magnétique régi par les équations de Maxwell.

Un scanner MPI est généralement constitué d'un aimant fort pour magnétiser l'ensemble de l'échantillon, un système de bobines commandé pour diriger un ou FLP FFP à travers l'échantillon, une excitatio haute fréquencen de bobines, et un système de bobine de détection pour capter la réponse non linéaire de l'échantillon. FFL / FFP est déplacé en continu à travers le volume d'échantillon alors que la réponse harmonique de cette zone d'échantillon insaturé est enregistré. Afin d'éviter le problème de mise en place de l'échantillon dans le scanner, un scanner MPI simple face a été démontrée par Gräfe et al. , 13, mais au détriment des performances réduites. Les meilleurs résultats sont obtenus si l'échantillon est entourée par les aimants et les bobines. Comme l'échantillon doit être entièrement magnétisé, sauf pour la région FFL / FFP, la technique nécessite des aimants relativement grands et forts avec refroidissement par eau, conduisant à un système MPI plutôt encombrant et lourd.

Notre approche est basée sur la fréquence de mélange à la courbe de magnétisation non-linéaire de particules superparamagnétiques. 14 Quand les super-paramagnétiques sont exposés à des champs magnétiques à deux fréquences distinctes (f 1 et f </ em> 2), les fréquences de somme représentant une combinaison linéaire m · f 1 + n · f 2 (avec des nombres entiers m, n) sont générés. Il a été montré que l'apparition de ces composants est hautement spécifique pour la non linéarité de la courbe d'aimantation des particules. 15 En d' autres termes, lorsque l'échantillon MNP est simultanément exposée à un champ magnétique d' entraînement à la fréquence f 2 et un champ de sondage à la fréquence f 1, les particules de générer un champ de réponse à la fréquence f 1 + 2 · f 2. Cette fréquence somme ne serait pas existant sans l'échantillon magnétiquement non linéaire, donc la spécificité est extrêmement élevé. Nous avons appelé cette méthode «mélange de fréquence de détection magnétique" (FMMD). Il a été vérifié expérimentalement que cette technique donne une plage dynamique de plus de quatre ordres de grandeur à la concentration des particules 14.

<p class = "jove_content"> Contrairement à l' instrumentation typique MPI, la fréquence plane de mélange de détection magnétique (p-FMMD) approche ne nécessite pas de magnétiser l'échantillon proche de la saturation parce que la génération de la somme de fréquence composante f 1 + 2 · f la figure 2 est maximale à zéro champ de polarisation statique. 14 par conséquent, la nécessité d'aimants puissants et volumineux est atténué. En fait, les dimensions extérieures de la tête de mesure ne sont que 77 mm × 68 mm × 29 mm. A titre de comparaison, les configurations MPI sont généralement de taille m. 7 L'inconvénient, toutefois, est que la technique est limitée à des échantillons planaires ayant une épaisseur maximale de 2 mm dans la configuration actuelle. L'échantillon doit être balayée par rapport à la tête de mesure à deux côtés. Une re-construction permettant des échantillons plus épais est possible, mais doit être échangé pour une perte de résolution spatiale.

Sur la base de cette technique de FMMD, nous présentons un type spécial de MPI détecteur pour les échantillons planaires, le soi-disant «fréquence plane de mélange de détection magnétique" (p-FMMD) scanner. Le principe a été publié récemment. 17 Dans ce travail, nous nous concentrons sur la méthodologie de la technique et des protocoles actuels comment mettre en place un tel scanner et comment effectuer des analyses. Il a été montré que MPI peut être appliquée à des fins de diagnostic médical tels que l' imagerie cardiovasculaire ou d'un cancer. 16, 18, ​​19 Par conséquent , nous pensons que le nouveau scanner MPI peut être utilisé pour une large gamme d'applications potentielles, par exemple, pour la mesure de particules magnétiques la distribution dans des coupes de tissu.

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Protocol

1. Conception d'une Tête de mesure Planar FMMD

  1. Choisissez un système de bobine pour la tête de mesure. Sélectionner une configuration selon la figure 1, composé de deux bobines détectrices ci - dessus et deux en dessous de l'échantillon dans un (-, +, +, -) la séquence, l'échantillon assis au milieu entre les deux bobines (+). Le signe représente la direction d'enroulement, à savoir (+) pour les aiguilles d'une montre et (-) pour le sens inverse des aiguilles. Ainsi, la sensibilité des bobines de pick-up devient pratiquement homogène à travers l'épaisseur de l'échantillon.
    1. Placer les bobines d'excitation de telle sorte que le signal directement induit dans les bobines de captation annule afin d'éviter la saturation du préamplificateur et obtenir une sensibilité maximale à l'échantillon. D'autres configurations qui répondent à ces règles de conception de base peuvent être conçues.
  2. Spécifiez l'épaisseur maximale de l'échantillon. Ici, utiliser 2 mm.
    1. Choisir le diamètre et la longueur des bobines de pick-up similaire à l'échantillon maximal tPAISSEUR. Ici, un diamètre intérieur de 2 mm a été choisie, ce qui donne un diamètre moyen de 3,7 mm, la hauteur des spires de 1,7 mm. La largeur de la bobine est de 4 mm.
    2. Choisir le diamètre du fil et le nombre d'enroulements des bobines détectrices telles que l'impédance totale des bobines de pick-up correspond approximativement à l'impédance d'entrée du préamplificateur. Cette condition impose des restrictions sur la fréquence de détection. Dans le cas d'un amplificateur opérationnel avec une impédance d'entrée optimale de 1 100 Ω, les quatre bobines détectrices ont des enroulements 600 de 0,08 mm de diamètre. fil de cuivre émaillé, ce qui donne une résistance série ohmique totale de 95,3 Ω et une inductance totale de 1,9 mH, ce qui donne 919 Ω impédance.
  3. Préparer les bobines d'excitation à haute fréquence 17 de telle sorte que le champ magnétique à l'emplacement de l'échantillon représente idéalement à environ 0,5 m. Par exemple, si le rayon intérieur de la bobine est de 3,8 mm et la largeur est de 8,5 mm, le vent 476 enroulements de 0,1 mm de diamètre w colère. Ici, un champ de 0,4 mT a été obtenue à f 1 = 76550 Hz.
  4. Préparer les bobines d'excitation à basse fréquence 17 de telle sorte que le champ magnétique à l'emplacement de l'échantillon est d' environ 5 m. Par exemple, si le rayon intérieur de la bobine est de 5 mm et la largeur est de 8,5 mm, le vent 2.000 enroulements de fil 0,12 mm de diamètre. La configuration a abouti à 5 mT à f 2 = 61 Hz.

Figure 1
Figure 1. Représentation schématique du p-FMMD mis en place. Les deux têtes de mesure sont reliés électroniquement les uns aux autres. L'échantillon est placé dans l'espace entre les têtes. bobines de détection (+) mesurer le signal de l'échantillon, la détection des bobines de contre-plaie (-) servent de référence pour annuler le champ direct des bobines d'excitation à haute fréquence. Amp - préamplificateur, x - mélangeur, LPF - filtre passe-bas, DAQ - acquisition de données.target = "_ blank"> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

2. Construire la tête de mesure

  1. Construire le p-FMMD de telle sorte que deux ensembles de bobines d'excitation et de détection sont fixés au-dessus et au-dessous de l'échantillon. Chaque ensemble de bobines est constitué d'une bobine basse pilote de fréquence, une bobine d'excitation à haute fréquence, et une bobine de détection différentielle comprenant deux bobines opposées plaie de saisie dans la configuration de gradiomètre axial.
    1. Permettre un réglage d'au moins une bobine d'excitation par rapport à la bobine de détection différentielle afin de pouvoir compenser l'induction directe de l'excitation à haute fréquence dans la bobine de détection. Par exemple, monter la bobine d'excitation sur un fil qui permet un mouvement relatif de la bobine d'excitation par rapport à la bobine de détection. Un schéma de principe du p-FMMD est représenté sur la figure 1. La figure 2 représente un dessin technique et une photographie de l'installation. Détailléles paramètres des bobines sont énumérées dans le tableau 1.
  2. Monter les ensembles de bobines ci - dessus et en dessous de l'échantillon sur un support rigide, avec une orientation coaxiale, voir les figures 1 et 2. Assurez-vous que les deux ensembles hélicoïdaux ne vibrent pas par rapport à l'autre.
  3. Ajuster la balance de haute fréquence de la tête de mesure en appliquant le courant d'excitation à haute fréquence à l'ensemble de bobines d'excitation respectives, en faisant varier la position relative entre eux, et en même temps mesurer le signal détecté à cette fréquence à l'ensemble de bobine de détection, en utilisant un équipement tel qu'un oscilloscope ou un amplificateur de verrouillage.
    1. Régler la tension induite directement aussi bas que quelques millivolts, à savoir, la suppression de plus de 1000 fois de l' induction directe. Déterminer la limite de réglage, en observant le déphasage entre le courant et la tension d'excitation détectée. Au minimum, la tension induite est de 90 ° déphasé que comparerd à induction directe.

Figure 2
Figure 2. Schéma technique et photo de la tête p-FMMD. Sections transversales le long d' un plan vertical ( en haut à gauche) et un plan horizontal ( en bas à gauche) sont présentés, ainsi que d' une photographie de la tête de mesure ouverte avant bobinage. 1 - support en aluminium, 2 - bobine pour les bobines de détection, 3 - filetée de bobine pour les bobines d'excitation qui peut être déplacé vers le haut / bas par rotation, 4 - plaques de support de l'échantillon, 5 - couvercles en aluminium, 6 - échantillon support du bouchon, 7 - bouchon dans la direction x, 8 - bouchon dans la direction y. 6 - 8 sont supprimés pour la numérisation. La taille de la tête p-FMMD est de 77 mm × 68 mm × 29 mm. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

3. Mettre en place Mesure Electronique

  1. Configurer le excila section de mise en composé de deux oscillateurs et des amplificateurs de puissance pour les deux bobines d'attaque à basse fréquence et la bobine d'excitation à haute fréquence.
    1. Mettre en place la partie basse du pilote de fréquence, comprenant un oscillateur et un amplificateur de puissance pour la basse fréquence f 2. Calculer la puissance de l'amplificateur de telle sorte qu'il délivre le courant nécessaire pour produire le champ d'environ 5 mT dans la bobine du pilote. Ici, utilisez une synthèse numérique directe (DDS) puce oscillateur programmable. Employer un tampon à grande vitesse comme amplificateur de puissance.
    2. Mettre en place la section d'excitation à haute fréquence, comprenant un oscillateur et un amplificateur de puissance pour la haute fréquence f 1. Mettre en place l'amplificateur de puissance telle qu'elle fournit le courant nécessaire pour produire le champ d'environ 0,5 mT dans la bobine d'excitation. Utilisez une puce DDS et un tampon à grande vitesse comme oscillateur et amplificateur de puissance, respectivement.
  2. Configurez la section de détection, constitué d'un preamplifier, un premier mélangeur pour démoduler de la haute fréquence f 1, un amplificateur et un filtre intermédiaire, un second mélangeur pour démoduler le double de la basse fréquence 2 · f 2, et un pilote de filtre et la sortie finale. Vous pouvez également utiliser deux amplificateurs de blocage pour mettre en oeuvre l'électronique de détection.
    1. Mettre en place l'étage de préamplification. Sélectionner l'amplificateur opérationnel d'entrée (OP), compte tenu de l'impédance de la bobine de détection et le produit gain-bande. Effectuez la procédure d'optimisation du bruit, en tenant compte du bruit de tension spécifié et bruit de courant de l'OP, comme expliqué dans Réf. 10. Sélectionnez un amplificateur à faible bruit de fonctionnement à grande vitesse avec une amplification d'environ 100 dans la première étape. L'étape suivante est critique, mais vérifier que le signal de sortie reste dans la plage de tension, soit pas faussée en raison d' une surcharge. Ici, utiliser une entrée de JFET amplificateur opérationnel à faible bruit avec 4,3 fois amplification.
    2. Mettre en place le fétage de démodulation IRST, multipliant le signal amplifié avec la haute fréquence f 1. Utilisez une puce de multiplicateur analogique et le référencer à partir d'une seconde puce DDS séparée afin de réaliser une phase réglable pour démodulation. Vous pouvez également utiliser un amplificateur lock-in comme préamplificateur (3.2.1), premier démodulateur (3.2.2) et générateur à haute fréquence (3.1.2).
    3. Mettre en place l'amplification et le filtrage stade intermédiaire. Mettre en œuvre un filtre passe-bas de telle sorte que la fréquence du signal à 2 · f 2 passes intacte tandis que les composantes à haute fréquence parasites à f 1 et 2 · f 1 sont efficacement supprimées. Choisissez une amplification intermédiaire appropriée, par exemple en sélectionnant deux amplificateurs opérationnels à usage général avec une amplification totale d'environ 100.
    4. Mise en place du deuxième étage de démodulation, la multiplication du signal filtré et amplifié avec le double de la basse fréquence 2.f 2. Utilisationune puce de multiplicateur analogique et référence à partir d'une quatrième puce DDS séparée afin de réaliser une phase réglable pour démodulation. Vous pouvez également utiliser un amplificateur de verrouillage capable de deuxième démodulation harmonique amplificateur intermédiaire (3.2.3), second démodulateur au second harmonique (3.2.4) et générateur basse fréquence (3.1.1).
    5. Mettre en place l'amplification et le filtrage stade final. Mettre en oeuvre un filtre passe-bas de telle sorte que la fréquence du signal à la fréquence de balayage passe non perturbée alors que les composantes à haute fréquence parasite à 4 · f 2 sont efficacement supprimés. Choisissez une amplification finale appropriée, compte tenu de la plage de tension de sortie désirée. Utilisez deux amplificateurs opérationnels à usage général avec une amplification totale d'environ 10.

4. Mettre en place 2D Scanner

  1. Monter un dispositif de balayage 2D, de telle sorte que le plan de déplacement est perpendiculaire à l'axe de la bobine.
  2. Contrôler le scanner 2D et acquiri synchroniquementng de la tension de sortie de l'électronique de mesure afin d'obtenir une image 2D du signal FMMD de l'échantillon plane maison en utilisant un script écrit dans le python langage de programmation.

5. Préparer l'échantillon

  1. Utiliser des particules de magnétite ayant un diamètre de 50 nm et 100 nm et les particules de maghémite, ayant un diamètre de 1 um dont la concentration est de 25,0 mg / ml. Laver la solution en dissolvant les particules magnétiques dans de l'eau, en les séparant à l'aide d'un aimant et en éliminant l'eau. Répétez la procédure trois fois. Diluer la solution de particules magnétiques à un dixième avec de l'eau distillée.
  2. Préparer les échantillons de papier à granulés avec 2,0 mm de diamètre par poinçonnage des morceaux de papier buvard absorbant à l'aide d'un poinçon de biopsie. Faites-les tremper dans une solution de billes magnétiques de différentes concentrations pendant 30 secondes et les laisser sécher à l'air. Ici, en utilisant des concentrations de 0,04, 0,2, 1, 5 et 25 mg / ml de particules de 100 nm de taille moyenne.
  3. Préparer un échantillon en utilisant un nitrocellulosmembrane e de la taille de 2,0 mm × 18,0 mm. Faire tremper la membrane avec la solution non diluée 1 um de diamètre des particules. Préparer un échantillon par trempage de la membrane de manière uniforme, et une autre en faisant un gradient de concentration. Pour ce faire tremper les extrémités de la membrane dans une solution de perles avec une concentration différente, ce qui entraîne le gradient de concentration (figure 5).
  4. Préparer un échantillon dans un tube capillaire de volume de 10 ul, diamètre externe 400 um, longueur 40 mm. Remplir le tube capillaire avec une solution non diluée à 50 nm de diamètre des particules. Préparer un second microtube avec 20x solution diluée (mélanger 100 pi de solution non diluée avec 1,9 ml d'eau).

6. Effectuer 2D FMMD scan

  1. Sélectionner la zone de balayage en fonction des dimensions planes axb de l'échantillon. Entrez les valeurs dans le logiciel de numérisation.
  2. Sélectionnez direction stepping. Habituellement, la plus courte des deux dimensions du plan, que nous appellerons b
  3. Sélectionnez la numérisation vitesse v, en tenant compte de la réduction du signal dû à un filtrage passe-bas, voir la discussion. Ajuster la vitesse à une valeur comprise entre 1 et 7 mm / s. Saisissez la valeur dans le logiciel de numérisation.
  4. Sélectionnez la distance de progression Δ b, en tenant compte du fait qu'il n'a pas besoin d' être beaucoup plus petite que la résolution spatiale possible, et le total t de temps de balayage qui sera au moins t = a / v · b / b +1 Δ). Entrez la distance de progression dans le logiciel.
  5. Monter l'échantillon sur le scanner 2D. Fixer sur la plaque en plastique avec du ruban adhésif.

Figure 3
Figure 3. Photo de configuration de mesure p-FMMD. L'échantillon est fixé avec du ruban adhésif sur le support en plastique déplacé par le moteurétape (à gauche). Ensuite , l'échantillon est analysé dans la tête p-FMMD ( à droite). S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

  1. Effectuer l'analyse en appuyant sur le bouton de démarrage. Les scans des figures 5 et 6 couvrent un 20,0 mm (axe x) x 25,0 mm (axe y) de la région, soit six de 25 mm de long traces ont été analysés le long de l'axe des y, avec 4,0 mm étapes x direction, à une vitesse de scène de 1,0 mm / s. Cela équivaut à une durée d'environ 2 minutes à balayage.

Figure 4
Figure 4. Interface utilisateur graphique du logiciel de numérisation. Les paramètres d' analyse sont entrés ici. La mesure est lancée en appuyant sur le bouton rouge.

Traitement 7. Image

  1. Convertir les données brutes sous forme de matrice en utilisant un homemadscript e en python. Connectez-vous les données brutes de l'ensemble de balayage ainsi que les valeurs d'appoint en valeurs séparées par des virgules (CSV) 2-colonne de format. La colonne supplémentaire indique la capture les données correspondantes au cours du mouvement de progression. Les segments de script de la colonne de données brutes à chaque changement de la valeur de colonne supplémentaire et supprime les segments de données au cours de l'intensification mouvement. Il construit également la matrice résultante en plaçant les segments consécutifs restants en lignes ou des colonnes de la matrice et écrit la matrice dans un fichier au format CSV.
    Remarque: les images p-FMMD de cette étude sont générés en utilisant un script python. La fonction pyplot.contour et la fonction de pyplot.imshow de la bibliothèque de matplotlib de python sont cumulativement utilisés pour la préparation des contours et les couleurs de fond, respectivement.

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Representative Results

La figure 5a montre la distribution de la sensibilité calculée de la bobine de détection à double différentiel interne en fonction des coordonnées x et y dans le plan de l' échantillon. Elle a été calculée selon une approche inverse en déterminant la superposition des champs magnétiques à tous les points (x, y) dans le plan central généré par les quatre bobines de détection. En sens inverse, ce qui détermine la sensibilité de la détection de la bobine à un moment magnétique à chacun de ces points. Le calcul a été effectué en rapprochant les bobines de longues bobines de hauteur négligeable. Ainsi, la distribution de la sensibilité représentée sur la figure 5a représente la carte de sensibilité dans le plan de balayage, la fonction diffusion de point que l' on appelle (PSF). D'une manière similaire, la figure 5b représente la sensibilité en fonction de la coordonnée axiale z et la coordonnée radiale r (r x 2 + y 2), donnant ainsi une cartographie de la sensibilité verticale dans la fente de la tête de mesure. L'origine x = 0 et y = 0 se situe dans le centre de la bobine de détection. L'espacement entre les centres de la bobine de détection supérieure et inférieure est de 2 mm. Les paramètres de la bobine sont énumérés dans le tableau 1. Figure 5c montre le résultat d'une analyse expérimentale sur l'échantillon de ligne de type chaîne préparée selon le protocole 5.2. A titre de comparaison, une trace de sensibilité a été calculée en intégrant numériquement la fonction d'étalement de point représenté sur la figure 5a sur une 2 mm de large ligne idéale. L'accord est bon, sauf que les épaules négatives du signal calculé ne sont pas observées expérimentalement. Dans la simulation, ces parties négatives proviennent des contributions négatives à partir des bobines de référence qui sont plus dans le régime de champ lointain que les bobines de détection à côté de la SAMple. Nous croyons que la contribution négative est surestimée dans la simulation parce que les bobines sont estimés à hauteur négligeable d'enroulements.

Figure 5
Figure 5. Performances de la tête de mesure. De la distribution de sensibilité calculée de la tête de mesure (a) en fonction du plan de coordonnées x et y pour z = 0, (b) en fonction de la coordonnée axiale z et la coordonnée radiale r . La sensibilité est donnée par rapport au centre entre la bobine de détection supérieure et inférieure à x = 0, y = 0 et r = 0. (c) Comparaison de la sensibilité mesurée et simulée. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

f 1 = 76,56 kHz par rapport à des moments magnétiques au centre de la tête de mesure. Pour le calcul, les paramètres de la bobine interne ont été prises comme indiqué dans le Tableau 1, en ​​supposant un facteur de remplissage ( par exemple, la fraction de cuivre dans les enroulements la section transversale) de K = 0,5. Nous avons obtenu une sensibilité de moment magnétique m 0 / √ f = 1,8 · 10 -14 Am 2 / √Hz. Pour 1 sec temps de mesure, cela revient à un moment magnétique résoluble minimal de m 0 = 7,3 · 10 -14 Am 2. Cette valeur est comparable à la limite de détection qui peut être obtenu avec une tête de mesure de diamètre 8 mm. 14

La figure 6a montre le Signal 'intensité en fonction de la concentration de la solution de billes magnétiques. La vitesse de balayage était de 1,0 cm / min. La concentration des boulettes de papier préparé suivant le protocole 5.2 a été varié de 0,04 à 25,0 mg / ml. Les barres d'erreur indiquent l'écart type de la mesure FMMD. Les résultats ont montré une forte corrélation entre la concentration des billes magnétiques et le signal provenant du détecteur. Le coefficient de détermination de R 2 de la régression linéaire a été évaluée comme étant de 0,98. La figure 6b montre la relation mesurée entre la vitesse de l'étage de balayage et de l'intensité du signal mesuré avec la 5 mg / ml de l' échantillon de papier à granulés selon le protocole 5.3. On a constaté que les signaux plus élevés peuvent être obtenus à une vitesse inférieure.

Figure 6
Figure 6. L' étalonnage. Normalized courbe d'étalonnage de (a) la p-FMmesure MD en utilisant différentes concentrations de billes magnétiques. Comme échantillons, boulettes de papier avec un diamètre de 2,0 mm ont été préparées à l'aide d'un poinçon de biopsie, trempé dans une solution de particules magnétiques de différentes concentrations (voir le protocole 5.3). La tête de mesure a passé les boulettes de papier avec différentes concentrations de MP. La vitesse de la phase a été ajustée à 1,0 mm / sec. (B) L' intensité du signal en fonction de la vitesse de l'étage XY pour le 5,0 mg / ml échantillon papier à granulés. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

La figure 7 montre une photographie d'échantillons de type membrane préparée selon le protocole 5.4 et l'image reconstruite p FMMD obtenue à partir d' elle. La zone d'image ainsi que la zone de balayage sont tous deux 20 mm x 25 mm. La comparaison de la p-scan FMMD avec l'image optique de la sampl e démontre clairement la faisabilité d'utiliser le p-FMMD comme scanner MPI. Cependant, les analyses de p-FMMD sont un peu plus larges que les objets réels. Cet élargissement est principalement attribuable au profil de sensibilité de la tête de mesure. Comme on le voit sur ​​la figure 5a, la mesure d'une distribution de particules magnétiques est élargie par la présente une distribution uniforme à ± 2,0 mm par rapport au centre de la tête de mesure.

Figure 7
Figure 7. 2D FMMD scan. (A) la photographie de l'échantillon de type chaîne. L'échantillon a été préparé en utilisant une membrane de nitrocellulose imbibé d'une solution de particules de maghémite 1 um de diamètre SIMAG-silanol voir le protocole 5.4. (B) l' image Reconstructed MPI, taille 20 mm x 25 mm. L'échantillon est continuellement balayé dans la direction y et consécutivement un pas dans la direction x par 4 mm.ef = cible "https://www.jove.com/files/ftp_upload/53869/53869fig7large.jpg" = "_ blank"> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Un second échantillon a été préparé, composé de deux micro - tubes remplis de concentration de particules magnétiques différentes, comme décrit dans le protocole 5.5. La figure 8 montre une photographie de l'image du p-FMMD reconstruit échantillon et, à la fois d'une taille de 20 mm x 25 mm. Cet exemple montre que des concentrations différentes d'un facteur 20 peut être bien imagé avec des caractéristiques d'image clairement visible.

Figure 8
Figure 8. scan 2D FMMD. (A) Photographie de deux microtubes de volume de 10 pi avec des concentrations d'échantillons différents de liquide MAG-Amine, voir le protocole 5.5. (B) l' image Reconstructed MPI, taille 20 mm &# 215; 25 mm. L'échantillon est continuellement balayé dans la direction y et consécutivement un pas dans la direction x de 4 mm. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

dimensions Coil Enroulements Coil ci-dessous échantillon Coil ci-dessus échantillon
Bobine R 1 [mm] a W [mm] b H [mm] c Nombre de spires Wire-Ø [mm] R [Ω] d L [mH] e R [Ω] d L [mH] e
La mesure 1.0 4.0 1.7 2 × 600 0,08 47.67 0,95 47.66 0,95
Excitation 3.8 8.5 1.0 476 0.10 29.90 1,56 29.70 1.45
Chauffeur 5.0 8.5 5.0 2000 0,12 190.75 36.90 141,28 37.90
un R 1 est le rayon interne de la bobine. Le rayon moyen est R 1 + H / 2, le rayon externe R 1 est H +.
b W est la largeur de la bobine, à savoir la section transversale des enroulements.
c H est la hauteur des spires de la bobine.
d R désigne la résistance ohmique en courant continu. Dans le cas des bobines de mesure, il est til a une résistance en série des deux bobines.
e L représente l'inductance, mesurée à l' aide d' un compteur d'inductance à 1 kHz.

Paramètres Tableau 1. Coil. Dimensions et enroulements des bobines de la tête de mesure.

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Discussion

La technique de mesure utilise la non-linéarité de la courbe d'aimantation des particules superparamagnétiques. La tête de mesure recto-verso applique simultanément deux champs d'excitation magnétiques de fréquences différentes à l'échantillon, une basse fréquence composant (2 f) pour entraîner les particules dans la saturation magnétique et une haute fréquence (f 1) champ de sonde pour mesurer la réponse magnétique non linéaire . En particulier, les deux harmoniques des champs incidents, m · f 1 et n · f 2, et somme des fréquences, m · f 1 + n · f 2 (avec des nombres entiers m, n), sont générés. Ces produits d'intermodulation sont détectés par la bobine de détection enroulée de manière différentielle. Les bobines de référence ne ramassent ces signaux parce qu'ils sont situés loin de l'échantillon. Ils servent pour la suppression de la haute fréquence directement induite excitation qui autrement saturer le préamplificateur. Ainsi, le signal de fréquence de somme minuscule en raison de la présence de matériaux super-paramagnétique devient mesurable et quantifiable. Dans l'électronique de lecture, seul le produit d'intermodulation à la somme fréquence f 1 + 2 · f 2 est démodulé , car elle est la composante non linéaire qui est le plus fort présent sans champ de polarisation statique. Il a été montré que cette technique permet un traitement rapide et une très grande plage de détection dynamique. Détails du principe FMMD et l'électronique de lecture sont décrits en détail dans Réf. dix.

Les résultats de mesure représentés sur la figure 6 révèlent que le signal de p-FMMD dépend de la vitesse de l'étage de balayage et de la concentration des particules magnétiques. Par conséquent, la résolution spatiale et la limite de détection de cette technique sont également la vitesse et d'une concentration-dépendante. Nous attribuons ce résultat à la réduction du signal de la faiblefiltre passe-bas à la sortie de la détection de verrouillage à deux étages de l'électronique de lecture. Des recherches antérieures sur MPI a également montré que la résolution spatiale est fonction de la vitesse des paramètres de force gradient, diamètre des particules, le volume du noyau magnétique et la vitesse mécanique de la scène. 20 Nos résultats sont en accord avec ces résultats.

Notre méthode de balayage 2D diffère considérablement de la technique MPI classique basée sur la génération d' un point de champ libre (FFP) ou à la zone de ligne libre (FFL), même si le principe de détection sur la base du signal non linéaire à partir superparamagnets est similaire. 3, 21 Bien MPI classique a des avantages sur la nouvelle technique p-FMMD, tels que l'analyse 3D simultanée sans mouvement mécanique de l' échantillon ou d'un système 7, le nouveau scanner MPI n'a pas besoin de gros aimants pour générer un champ fort. Nous croyons que le scanner MPI conventionnel et le scanner de p-FMMD ont leurs avantages spécifiques. L'avantage du scanner p-FMMD est sa simplicité et son faible encombrement. Il n'y a pas besoin d'employer de grandes bobines de gradient et aucun besoin de serpentins de refroidissement. La taille de l' échantillon en direction x et y ne sont pas limités par la technique, il suffit par le scanner et le support. Cependant, cette technique est uniquement applicable à des échantillons suffisamment minces qui correspondent entre les bobines de détection. Il exige un mouvement de l'échantillon par rapport à la tête de mesure, alors que la norme MPI utilise des commandée électriquement balayage de la FFL / AHAT sans mouvement de l'échantillon.

MPI est une technique relativement nouvelle qui a une variété d'applications potentielles dans de nombreux domaines scientifiques et industriels. Il a été démontré que sa résolution spatiale est comparable à celle d'autres modalités d'imagerie médicale. Dans cette étude, nous avons introduit une nouvelle technique appelée p-FMMD pour effectuer MPI des échantillons planaires. Par rapport aux autres scanners MPI, il ne nécessite pas la génération d'un o FLPr AHAT. Pas fort champ ou d'un champ magnétique à gradient est nécessaire. Nous croyons que la technique p-FMMD deviendra une méthode alternative dans le domaine de MPI. domaines d'applications potentielles comprennent l'analyse des coupes de tissus biologiques à des fins de diagnostic. Avec un nouveau design pour accueillir des échantillons plus épais, les études non invasives de gros objets et les petits animaux deviendront réalisables.

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Acknowledgments

Ce travail a été soutenu par le programme D de MSIP / IITP, République de Corée (Grant No: B0132-15-1001, développement de la prochaine Imaging System) ICT R &.

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

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Tags

Ingénierie numéro 112 les particules magnétiques Imaging (MPI) fréquence de mélange magnétique de détection (FMMD) particules magnétiques superparamagnétisme démodulation produit d'intermodulation
Fréquence de mélange Scanner de détection magnétique pour l&#39;imagerie de particules magnétiques dans des échantillons planaires
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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).

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