Frequenzmisch Magnetische Erkennung Scanner für die Bildgebung magnetische Partikel in Planar Proben

Summary

Ein Scanner zum Abbilden magnetischen Teilchen in planar Proben wurde unter Verwendung des planaren Frequenzmisch magnetischen Detektionstechnik entwickelt. Das magnetische Intermodulationsprodukt Antwort von der nichtlinearen hysteresefreie Magnetisierung der Teilchen wird bei einer Zweifrequenzanregung aufgezeichnet. Es kann verwendet werden 2D-Bilder von dünnen biologischen Proben zu nehmen.

Abstract

Der Aufbau eines planaren Frequenzmisch magnetischen Erfassungs (p-Autobahnmeistereien) -Scanner für magnetische Partikel Imaging (MPI) für flache Proben Durchführung präsentiert. Es besteht aus zwei magnetischen Meßköpfe auf beiden Seiten der auf die Schenkel eines U-förmigen Träger angebracht Probe. Die Probe wird lokal an einem magnetischen Erregungsfeld ausgesetzt, bestehend aus zwei unterschiedlichen Frequenzen, eine stärkere Komponente bei etwa 77 kHz und einer schwächeren Feld bei 61 Hz. Die nichtlinearen Magnetisierungseigenschaften von superparamagnetischen Teilchen führen zu der Erzeugung von Intermodulationsprodukten. Eine ausgewählte Summenfrequenzkomponente der hoch- und niederfrequenten Magnetfeld fällt auf den magnetisch nichtlinearen Teilchen wird durch eine Demodulationselektronik aufgezeichnet. Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Scanner MPI, p-Autobahnmeistereien erfordert nicht die Anwendung eines starken Magnetfeldes auf die gesamte Probe durch Mischen der beiden Frequenzen lokal auftritt. Somit sind die seitlichen Abmessungen der Probe einfachdurch den Scanbereich und die Träger begrenzt. Jedoch bestimmt die Probenhöhe der räumlichen Auflösung. In der aktuellen Setup ist es auf 2 mm begrenzt. Als Beispiele stellen wir zwei 20 mm × 25 mm p-Autobahnmeistereien Bilder von Proben mit 1 & mgr; m Durchmesser Maghemitteilchen in Silanol-Matrix und mit 50 nm Magnetitteilchen in Aminosilan Matrix erworben. Die Ergebnisse zeigen, dass die neue MPI-Scanner zur Analyse von dünnen biologischen Proben und für Zwecke der medizinischen Diagnostik eingesetzt werden können.

Introduction

Magnetischen Nanopartikeln (MNP) haben weit verbreitete Anwendungen in der Molekularbiologie und in der Medizin, also gefunden, für die Manipulation von Biomolekülen und Einzelzellen ^1, für die Zieleinheiten selektiv Markierung zur Detektion, ^{2, 3} für Chromatin - Modulation, ⁴ und für die mRNA - Isolierung und Behandlung von Krebs . ⁵ aufgrund ihrer superparamagnetischen Eigenschaften sind sie für die medizinische Bildgebung besonders geeignet. Sie können zum Beispiel als Kontrastmittel oder Tracer für die Magnetresonanztomographie (MRT) oder für die Anfälligkeit Bildgebung Superconducting Quantum Interference Device (SQUID) Detektoren dienen. ^{2, 6} Die superparamagnetischen Nanopartikeln einen guten Kontrast zu den verschiedenen Geweben des menschlichen ergeben Körper, der dia- oder paramagnetisch sind. ^7. Somit können die Partikel zweckmßigerweise medizinische Bilder von menschlichen Körperteilen mit relativ gute räumliche Auflösung und Empfindlichkeit zu erhalten verwendet werden. ⁸

Zelt "> macht The Magnetic Particle Imaging (MPI) Technik , die von Gleich und Weizenecker ⁹ eingeführt , die Magnetisierung des Teilchens Verwendung der Nicht - Linearität. Bei Null oder schwach Vormagnetisierungsfeld, ist die Antwort von MNP an eine Wechselanregung der Frequenz f stark aufgrund ihre große Anfälligkeit. insbesondere die nichtlinearen Magnetisierung des Teilchens Anlass zu der Erzeugung von harmonischen gibt n · f, mit n = 2, 3, 4 ... bei hohen Magnetfeldvorspannung, wird die harmonische Antwort schwach , weil die Partikel magnetisch gesättigt sind. In die MPI-Technik wird die Probe vollständig magnetisiert mit Ausnahme einer feldfreien Linie (FFL) oder einem feldfreien Punkt (FFP). nur Partikel in der Nähe dieser Linie oder Punkt wird der nichtlinearen Antwort der Probe beitragen. Mit dem Bewegung eines FFP und Einsatz geeigneter Empfangsspulen, Gleich und Weizenecker erworben MPI Bilder mit einer räumlichen Auflösung von 1 mm.

Damiterhalten Informationen über die räumliche Verteilung von MNP werden zwei Verfahren in der Regel verwendet wird , die mechanische Bewegung des Sensors in Bezug auf die Probe oder die Bewegung des FFL / FFP mittels Elektromagneten. ^{2, 3} Im letzteren Fall Bildrekonstruktionstechniken wie harmonisch-Raum MPI ³ oder X-Raum ^{10 MPI, 11, 12} sind erforderlich. Die räumliche Auflösung des MPI wird durch die Faltungseigenschaften der Anregungs- und Detektionsspulen sowie durch die Eigenschaften des magnetischen Feldgradienten bestimmt. Dies ermöglicht Bildrekonstruktionsalgorithmen eine verbesserte Auflösung gegenüber der nativen Auflösung zu erhalten, die durch die Maxwellschen Gleichungen bestimmt durch Größe und Abstand der Aufnahmespulen sowie durch die Magnetfeldverteilung bestimmt wird.

Ein MPI-Scanner ist in der Regel von einem starken Magneten besteht für die gesamte Probe zu magnetisieren, eine steuerbare Spulensystem für eine FFL oder FFP über die Probe zu steuern, eine hohe Frequenz excitation Spulensystem und ein Detektionsspulensystem zum Aufnehmen der nichtlinearen Antwort der Probe auf. Die FFL / FFP wird kontinuierlich durch das Probenvolumen, während die harmonische Antwort von dieser ungesättigten Probenbereich bewegt, wird aufgezeichnet. Um das Problem des Anbringens der Probe in den Scanner, ein einseitiges MPI - Scanner wurde von Gräfe et al gezeigt , zu vermeiden. ^13, jedoch auf Kosten einer reduzierten Leistung. Die besten Ergebnisse werden erhalten, wenn die Probe durch die Magnete und Spulen umgeben ist. Weil die Probe vollständig magnetisiert werden muß, mit Ausnahme der FFL / FFP Region erfordert die Technik relativ großen und starken Magneten mit einer Wasserkühlung, was zu einer ziemlich sperrig und schwer MPI-System.

Unser Ansatz ist auf der Frequenz basierend auf der nichtlinearen Magnetisierungskurve von superparamagnetischen Partikeln vermischt werden . ¹⁴ Bei der Super-Paramagneten auf Magnetfelder bei zwei unterschiedlichen Frequenzen ausgesetzt sind (f ₁ und f </ em> _2), sum Frequenzen eine lineare Kombination repräsentiert m · f ₁ + n · f ₂ (mit ganzen Zahlen m, n) erzeugt werden . Es wurde gezeigt , dass das Auftreten dieser Komponenten auf die Nicht - Linearität der Magnetisierungskurve der Teilchen hoch spezifisch ist. ^15. Mit anderen Worten, wenn die MNP Probe gleichzeitig mit einer Antriebs Magnetfeld mit der Frequenz f ₂ und einem Sondieren Feld bei der Frequenz ausgesetzt wird , f _1, erzeugen die Teilchen eine Antwortfeld bei der Frequenz f ₁ + 2 · f _2. Diese Summenfrequenz wäre ohne die magnetisch nichtlinearen Probe nicht vorhanden sein, damit die Spezifität sehr hoch ist. Wir nannten diese Methode "Frequenzmisch magnetische Detektion" (Autobahnmeistereien). Es wurde experimentell nachgewiesen , dass die Technik einen Dynamikbereich von mehr als vier Größenordnungen in der Partikelkonzentration ergibt. ¹⁴

<p class = "jove_content"> Im Gegensatz zu typischen MPI Instrumentierung, die planare Frequenzmisch magnetische Detektion (p-Autobahnmeistereien) Ansatz erfordert nicht die Probe zu magnetisieren schließen , weil die Erzeugung der Summenfrequenzkomponente f ₁ + 2 · f bis zur Sättigung ₂ ist maximal bei Null statischen Vormagnetisierungsfeld. ¹⁴ daher die Notwendigkeit für eine starke und sperrig Magneten gelindert wird. In der Tat sind die äußeren Abmessungen des Messkopfes nur 77 mm × 68 mm × 29 mm. Zum Vergleich sind MPI Setups typischerweise metergroße. ⁷ Der Nachteil ist jedoch, dass die Technik auf planare Proben mit einer maximalen Dicke von 2 mm in der aktuellen Einstellungen beschränkt. Die Probe relativ zu dem zweiseitigen Meßkopfes abgetastet werden. Eine Re-Konstruktion für dickere Proben erlaubt ist möglich, aber ist für einen Verlust an räumlicher Auflösung gehandelt werden.

Basierend auf dieser Technik Autobahnmeistereien, präsentieren wir eine besondere Art von MPI detector für planare Proben, die "planare Frequenzmisch magnetische Detektion" (p-Autobahnmeistereien) Scanner so genannte. Das Prinzip wurde vor kurzem veröffentlicht. ¹⁷ In dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf die Methodik der Technik und Gegenwart Protokolle , wie eine solche Scanner einzurichten und wie Scans durchzuführen. Es hat sich gezeigt , dass MPI für medizinische Diagnosezwecke , wie beispielsweise Herz - Kreislauf oder Krebs - Bildgebung angewendet werden. ^{16, 18, ​​19} Daher glauben wir , dass die neue MPI - Scanner für eine breite Palette von möglichen Anwendungen verwendet werden kann, beispielsweise zur Messung von magnetischen Teilchen Verteilung in Gewebeschnitten.

Protocol

1. Design ein Planar Autobahnmeistereien Messkopf

1. Wählen Sie eine Spule Schema für den Messkopf. Wählen Sie eine Konfiguration gemäß Figur 1, bestehend aus zwei Aufnahmespulen oberhalb und zwei unterhalb der Probe in einem (-, +, +, -) Sequenz, wobei die Probe zwischen den beiden (+) Spulen in der Mitte sitzt. Das Vorzeichen bezeichnet die Richtung der Wicklung, dh (+) für Rechts- und (-) für gegen den Uhrzeigersinn. Somit wird die Empfindlichkeit der Aufnahmespulen über die Probendicke fast homogen.
   1. Platzieren Sie die Erregerspulen, so dass der direkt induzierten Signals in den Aufnehmerspulen out aufhebt, um die Sättigung des Vorverstärkers zu verhindern und um eine maximale Empfindlichkeit gegenüber der Probe. Andere Konfigurationen, die diese grundlegenden Gestaltungsregeln erfüllen können erdacht werden.
2. Geben Sie die maximale Probendicke. Hier verwenden 2 mm.
   1. Wählen, den Durchmesser und die Länge der Aufnahmespulen ähnlich dem maximalen Proben thickness. Hier wurde ein Innendurchmesser von 2 mm gewählt, die einen mittleren Durchmesser von 3,7 mm für die Höhe der Wicklungen von 1,7 mm ergibt. Die Spulenbreite beträgt 4 mm.
   2. Wählen Sie den Drahtdurchmesser und die Anzahl der Wicklungen der Aufnahmespulen, so dass die Gesamtimpedanz aller Aufnehmerspulen etwa die Eingangsimpedanz des Vorverstärkers übereinstimmt. Diese Bedingung erlegt Beschränkungen der Erfassungsfrequenz. In dem Fall eines Operationsverstärkers mit einer optimalen Eingangsimpedanz von 1,100 Ω alle vier Aufnahmespulen 600 Wicklungen von 0,08 mm Durchmesser aufweisen. Kupferlackdraht, insgesamt Ohmschen Serienwiderstand von 95,3 Ω und eine Gesamt Induktivität von 1,9 mH ergibt, die 919 Ω Impedanz gibt.
3. Bereiten Sie die Hochfrequenz - Anregungsspulen ¹⁷ , so dass das Magnetfeld an der Position des Proben ideal auf etwa 0,5 mT beträgt. Wenn beispielsweise der Innenradius der Spule 3,8 mm ist und die Breite beträgt 8,5 mm, Wind 476 Wicklungen von 0,1 mm Durchmesser w ire. Hier wurde ein Bereich von 0,4 mT erreicht bei f ₁ = 76.550 Hz.
4. Bereiten Sie die niederfrequenten Anregungsspulen ¹⁷ , so dass das Magnetfeld an der Position des Probe etwa 5 mT ist. Wenn beispielsweise der Innenradius der Spule ist 5 mm und die Breite beträgt 8,5 mm, Wind 2,000 Wicklungen von 0,12 mm Durchmesser Draht. Der Aufbau ergab 5 mT bei f ₂ = 61 Hz.

Abbildung 1. Schematische Darstellung des p-Autobahnmeistereien Set-up. Zwei Messköpfe sind elektronisch miteinander verbunden. Die Probe wird in den Raum zwischen den Köpfen angeordnet. Detektionsspulen (+) messen das Probensignal, Gegen gewickelt Detektionsspulen (-) als Referenz dienen dem direkten Bereich der Hochfrequenz-Erregerspulen aufzuheben. Amp - Vorverstärker, x - Mischer, LPF - Tiefpassfilter, DAQ - Datenerfassung.target = "_ blank"> Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

2. Konstruieren der Messkopf

1. Konstrukt die p-Autobahnmeistereien, so daß zwei Sätze von Erregungs- und Erfassungsspulen oberhalb und unterhalb der Probe angebracht sind. Jeder Satz von Spulen besteht aus einem niedrigen Frequenztreiberspule, einer Hochfrequenz-Erregerspule und eine Differentialdetektionsspule, die zwei entgegengesetzt gewickelten Aufnahmespulen in axialer Gradiometer-Konfiguration.
   1. Erlauben eine Verstellbarkeit von mindestens einer Erregerspule gegenüber dem Differentialdetektionsspule um in der Lage zu sein, direkte Induktion von der Hochfrequenzerregung in der Erfassungsspule auszugleichen. Zum Beispiel Halterung der Erregerspule auf einem Faden, der in Abhängigkeit von der Detektionsspule eine relative Bewegung der Erregerspule ermöglicht. Eine schematische Darstellung des p-Autobahnmeistereien ist in Abbildung 1 dargestellt. 2 zeigt eine technische Zeichnung und eine Fotografie des Aufbaus. ausführlichParameter der Spulen sind in Tabelle 1 aufgeführt.
2. Montieren Sie die Spulensätze oberhalb und unterhalb der Probe auf einem starren Träger, mit koaxialer Ausrichtung, siehe Abbildungen 1 und 2. Stellen Sie sicher, dass die beiden Spulensätze zueinander nicht im Verhältnis vibrieren.
3. Stellen Sie die Hochfrequenzabgleich des Messkopfs durch den Hochfrequenzanregungsstrom an die jeweiligen Erregungsspulensatz Anlegen Verändern der relativen Position zwischen ihnen, und gleichzeitig das detektierte Signal mit dieser Frequenz an der Detektionsspulensatz zu messen, unter Verwendung einer Ausrüstung, wie beispielsweise ein Oszilloskop oder einen Lock-in-Verstärker.
   1. Stellen Sie die direkt so günstig wie wenigen Millivolt induzierte Spannung, dh mehr als 1000-fach Unterdrückung der direkte Induktion. Bestimmen Sie die Grenze der Einstellbarkeit durch die Phasenverschiebung zwischen Erregungsstrom und detektierte Spannung beobachtet. Im Minimum ist die induzierte Spannung um 90 ° phasenverschoben zu vergleichen,d direkte Induktion.

Abbildung 2. Technische Zeichnung und Foto von p-Autobahnmeistereien Kopf. Querschnitte entlang einer vertikalen Ebene (oben links) und eine horizontale Ebene (unten links) sind , sowie eine Fotografie des geöffneten Messkopf gezeigt , bevor Spulenwicklung. 1 - Aluminiumträger, 2 - ehemalige Spule für Detektionsspulen, 3 - Gewindespulenkörper für Erregerspulen, die nach oben / unten durch die Drehung werden kann, 4 - Probenträgerplatten, 5 - Aluminiumdeckel, 6 - Probe Stopper Unterstützung, 7 - Stopfen in x - Richtung, 8 - Stopfen in y - Richtung. 6 - 8 sind zur Abtastung entfernt. Die Größe des p-Kopf ist 77 Autobahnmeistereien mm × 68 mm × 29 mm. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

3. Richten Sie Messelektronik

1. Konfigurieren Sie die EXCIAbschnitt tation, bestehend aus den beiden Oszillatoren und Leistungsverstärker für beide Tieftöner Spule und Hochfrequenz-Erregerspule.
   1. Stellen Sie den Niederfrequenztreiberabschnitt auf, mit einem Oszillator und einen Leistungsverstärker für die niedrige Frequenz f _2. Berechne die Leistung des Verstärkers, so daß er den erforderlichen Strom liefert, das Feld von etwa 5 mT in der Treiberspule zu erzeugen. Hier verwenden Sie einen Direct Digital Synthesis (DDS) Chip als programmierbare Oszillator. Beschäftigen eine High-Speed-Puffer als Leistungsverstärker.
   2. Stellen Sie die Hochfrequenz - Anregungsabschnitt auf, mit einem Oszillator und einem Leistungsverstärker für die hohe Frequenz f _1. Einrichten des Leistungsverstärkers, so dass er den erforderlichen Strom liefert, das Feld von etwa 0,5 mT in der Erregerspule zu erzeugen. Verwenden Sie einen DDS-Chip und einen High-Speed-Puffer als Oszillator und Leistungsverstärker verbunden.
2. Konfigurieren Sie den Erfassungsabschnitt, bestehend aus einem preamplifier, einen ersten Mischer von der Hochfrequenz f _1, einem Zwischenverstärker und Filter, einen zweiten Mischer zum Demodulieren von zweimal der niedrigen Frequenz 2 · f ₂ und einen Endfilter und Ausgangstreiber zu demodulieren. Alternativ können zwei Lock-in-Verstärker die Erfassungselektronik zu implementieren.
   1. Stellen Sie den Vorverstärker Bühne. Wählen Sie den Eingangsoperationsverstärker (OP), die Impedanz der Erfassungsspule unter Berücksichtigung und der Verstärkung-Bandbreite-Produkt. Führen des Rauschoptimierungsprozedur unter Berücksichtigung der angegebenen Spannungsrauschen und Stromrauschen des OP, wie in Ref erläutert. 10. Wählen eine Hochgeschwindigkeits rauscharmen Operationsverstärker mit einer Verstärkung von etwa 100 in der ersten Stufe. Die nachfolgende Stufe ist unkritisch, aber überprüfen, ob das Ausgangssignal im Spannungsbereich bleibt, also nicht verzerrt durch Überlastung. Hier verwenden einen rauscharmen JFET-Eingangsoperationsverstärker mit 4,3-facher Verstärkung.
   2. Richten Sie die frste Demodulationsstufe, f ₁ das verstärkte Signal mit der hohen Frequenz multipliziert wird . Verwenden Sie einen analogen Multiplizierer-Chip und verweisen sie von einem zweiten separaten DDS-Chip, um eine einstellbare Phase zur Demodulation zu realisieren. Alternativ können Sie einen Lock-in-Verstärker als Vorverstärker (3.2.1), erster Demodulator (3.2.2) und der Hochfrequenzgenerator (3.1.2).
   3. Stellen Sie die Zwischen Verstärkung und Filterung Bühne. Implementieren einer Tiefpassfilter , so dass die Signalfrequenz bei 2 · f ₂ Durchgänge ungestört während die unechte Hochfrequenzkomponenten bei f ₁ und 2 · f ₁ wirksam unterdrückt werden. Wählen Sie eine geeignete Zwischenverstärkung, beispielsweise durch die Auswahl von zwei Allzweckoperationsverstärker mit einer Gesamtverstärkung von etwa 100.
   4. Richten Sie die zweite Demodulationsstufe, das gefilterte und verstärkte Signal mit der doppelten niedrigen Frequenz multipliziert 2 · f _2. Benutzenein Analog-Multiplizierer-Chip und verweisen Sie von einem vierten separaten DDS-Chip, um eine einstellbare Phase zur Demodulation zu realisieren. Alternativ können Sie einen Lock-in-Verstärker, der zweiten Harmonischen Demodulation als Zwischenverstärker (3.2.3), die zweite Demodulator bei der zweiten Harmonischen (3.2.4) und Niederfrequenzgenerator (3.1.1).
   5. Stellen Sie die letzte Verstärkung und Filterung Bühne. Implementieren einer Tiefpassfilter , so dass die Signalfrequenz bei der Abtastfrequenz ungestört verläuft , während die unerwünschten Hochfrequenzkomponenten bei 4 · f ₂ effizient unterdrückt werden. Wählen Sie eine geeignete endgültige Verstärkung, um die gewünschte Ausgangsspannungsbereich berücksichtigen. Verwenden zwei Allzweckoperationsverstärker mit einer Gesamtverstärkung von etwa 10.

4. Richten Sie 2D-Scanner

1. Montieren Sie einen 2D-Scanner, so dass die Bewegungsebene an die Spule der Achse senkrecht.
2. Steuern Sie den 2D-Scanner und synchron acquiring der Ausgangsspannung von der Messelektronik, um ein 2D-Bild des Signals Autobahnmeistereien der planaren Probe mit einem hausgemachten Skript in der Programmiersprache Python geschrieben zu erhalten.

5. Bereiten Sie Beispiel

1. Verwenden Magnetitteilchen mit Durchmessern von 50 nm und 100 nm und Maghemit-Teilchen mit einem Durchmesser von 1 & mgr; m, von denen Konzentration 25,0 mg / ml. Waschen Sie die Lösung, die durch die magnetischen Partikel in Wasser gelöst wird, trennt sie mit Hilfe eines Magneten und das Wasser verworfen wird. Wiederholen Sie den Vorgang dreimal. Verdünnen Sie die magnetische Partikellösung mit destilliertem Wasser auf ein Zehntel.
2. Bereiten Sie Papierpelletproben mit 2,0 mm Durchmesser durch Stücke aus saugfähigem Löschpapier unter Verwendung einer Biopsie punching. Genießen sie in magnetischen Kügelchen Lösung verschiedener Konzentrationen für 30 Sekunden und lassen Sie sie an der Luft trocknen lassen. Hier Einsatzkonzentrationen von 0,04, 0,2, 1, 5 und 25 mg / ml von 100 nm großen Teilchen.
3. Bereiten Sie eine Probe, die eine nitrocellulos mite Membran mit einer Größe von 2,0 mm × 18,0 mm. Genießen Sie die Membran mit dem unverdünnten 1 & mgr; m Durchmesser Partikellösung. Vorbereitung einer Probe durch die Membran gleichmäßig Einweichen, und eine weitere durch einen Konzentrationsgradienten zu machen. Dies geschieht, indem die Enden der Membran in Kügelchen - Lösung mit verschiedenen Konzentrationen Einweichen, was in dem Konzentrationsgefälle (Abbildung 5).
4. Vorbereitung einer Probe in einem Kapillarrohr von 10 & mgr; l Volumen, Außendurchmesser 400 um, Länge 40 mm. Füllen Sie das Kapillarrohr mit unverdünntem 50 nm Durchmesser Partikellösung. Bereiten Sie eine zweite microtube mit 20fach verdünnten Lösung (Mischungs 100 ul unverdünnte Lösung mit 1,9 ml Wasser).

6. Führen Sie 2D-Scan Autobahnmeistereien

1. Wählen Abtastbereich entsprechend planar Abmessungen a × b der Probe. Geben Sie die Werte in der Scan-Software.
2. Wählen Sie Schrittrichtung. Üblicherweise ist die kürzere der beiden planaren Dimensionen, nennen wir es b
3. Wählen Sie Scan - Geschwindigkeit v, unter Berücksichtigung der Signalreduzierung durch Tiefpassfilterung, siehe Diskussion. Stellen Sie die Geschwindigkeit auf einen Wert zwischen 1 und 7 mm / sec. Geben Sie den Wert in der Scan-Software.
4. Wählen Sie Schrittabstand Δ b, unter Berücksichtigung , dass es nicht viel kleiner als die erreichbare räumliche Auflösung zu sein braucht, und die gesamte Scandauer t , die mindestens t = a / v · b / Δ b + 1) wird. Geben Sie den Schrittabstand in der Software.
5. Montieren Sie die Probe auf dem 2D-Scanner. Fix it auf die Plastikplatte mit Klebeband.

Abbildung 3. Foto von p-Autobahnmeistereien Messaufbau. Die Probe wird mit Klebeband auf dem Kunststoffträger durch den Motor bewegt befestigtStufe (links). Dann wird die Probe in der p-Kopf Autobahnmeistereien gescannt wird (rechts). Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

6. Führen Sie den Scan durch Drücken der Starttaste. Die Scans der Figuren 5 und 6 Abdeckung eine 20,0 mm (x - Achse) × 25,0 mm (y - Achse) Bereich, dh, sechs 25 mm lange Spuren entlang der y - Achse, mit 4,0 - mm - Schritten in x - Richtung, in einer Stufe Geschwindigkeit abgetastet wurden von 1,0 mm / sec. Dies entspricht einer Scanzeit von etwa 2 min.

Abbildung 4. Grafische Benutzeroberfläche der Scan - Software. Die Scan - Parameter werden hier eingegeben. Die Messung wird durch Drücken der roten Taste gestartet.

7. Bildverarbeitung

1. Konvertieren Sie die Rohdaten in Matrixform eine homemad mite-Skript in Python. Melden Sie die Rohdaten des gesamten Scan zusammen mit zusätzlichen Werten in einer 2-Säulen-kommagetrennte Werte (CSV) Format-Datei. Die zusätzliche Spalte zeigt die die entsprechenden Daten während der Schrittbewegung zu erfassen. Die Script-Segmente die Rohdaten Spalte bei jeder Änderung der zusätzlichen Spalte Wert und entfernt die Datensegmente während der Bewegung zu treten. Es baut auch die sich ergebende Matrix, die durch die verbleibenden aufeinanderfolgenden Segmenten in Zeilen oder Spalten der Matrix setzen und schreibt die Matrix in eine CSV-Format-Datei.
   Hinweis: p-Bilder Autobahnmeistereien dieser Studie sind ein Python-Skript erzeugt. Die pyplot.contour-Funktion und die pyplot.imshow Funktion aus der matplotlib Bibliothek für Python werden für die Herstellung der Konturen und den Hintergrundfarben kumulativ verwendet wurden.

Representative Results

Figur 5a zeigt die berechneten Empfindlichkeitsverteilung der inneren Doppeldifferentialdetektionsspule als eine Funktion der Koordinaten x und y in der Probenebene. Es wurde in einer umgekehrten Ansatz berechnet , indem von allen vier Erfassungsspulen an allen Punkten (x, y) in der Mittelebene erzeugt , um die Überlagerung der Magnetfelder zu bestimmen. Umgekehrt bestimmt diese die Empfindlichkeit der Detektionsspule mit einem magnetischen Moment an jedem dieser Punkte. Die Berechnung erfolgte durch Angleichung der Spulen so lange Spulen von vernachlässigbaren Höhe durchgeführt. Somit stellt die Empfindlichkeitsverteilung dargestellt in 5a die Empfindlichkeit Karte in der Scanebene, die sogenannte Point Spread Function (PSF). In ähnlicher Weise zeigt Figur 5b die Empfindlichkeit als Funktion der axialen Koordinate z und die radiale Koordinate r (r x ² + y ^2), wodurch eine vertikale Abbildung der Empfindlichkeit in den Schlitz des Messkopfes ergibt. Der Ursprung x = 0 und y = 0 befindet sich genau in der Mitte der Erfassungsspule. Der Abstand zwischen den Zentren der oberen und unteren Erfassungsspule ist 2 mm. Die Spulenparameter sind in Tabelle 1 aufgelistet. 5c zeigt das Ergebnis einer experimentellen Scan über das 5.2 nach Protokoll vorbereitet Linie Probe - String-Typ. Zum Vergleich wurde eine Sensitivitäts Spur durch numerische Integration der Punktbildfunktion in 5a über eine Breite von 2 mm Ideallinie dargestellt berechnet. Die Vereinbarung ist gut, außer, dass die negativen Schultern in dem berechneten Signal nicht experimentell beobachtet. In der Simulation stammen diese negativen Teile von den negativen Beiträgen der Referenzspulen, die neben dem sam mehr im Fernfeld-Regime als die Detektionsspulen sindple. Wir glauben, dass der negative Beitrag in der Simulation überschätzt wird, weil die Spulen mit vernachlässigbarer Höhe von Wicklungen angenähert werden.

Figur 5. Leistung des Messkopfes. Berechnete Empfindlichkeitsverteilung des Messkopfes (a) als Funktion der planaren Koordinaten x und y für z = 0, (b) als Funktion der axialen Koordinate z und die radiale Koordinate r . Die Empfindlichkeit ist relativ zu der Mitte zwischen dem oberen und dem unteren Detektionsspule bei x = 0 gegeben, y = 0 und r = 0. (c) Vergleich der gemessenen und simulierten Empfindlichkeit. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

f ₁ = 76,56 kHz in Bezug auf magnetische Momente in der Mitte des Messkopfes. Für die Berechnung wurden die Parameter der inneren Spule , wie in Tabelle 1 genommen, einen Füllfaktor angenommen (dh der Kupferanteil in den Wicklungen Querschnitt) von K _F = 0,5. Wir erhielten ein magnetisches Moment Empfindlichkeit von m ₀ / √ f = 1,8 · 10 ^-14 Am ² / √Hz. Für 1 sec Meßzeit entspricht dies einem auflösbare minimale magnetische Moment m ₀ = 7,3 · 10 ^-14 Am ^2. Dieser Wert ist vergleichbar als die Nachweisgrenze , die mit einem Standard - Durchmesser von 8 mm Messkopf erhalten werden können. ¹⁴

6a zeigt die Signal Intensität als Funktion der Konzentration an magnetischen beads Lösung. Die Abtastgeschwindigkeit betrug 1,0 cm / min. Die Konzentration der Papierpellets gemäß Protokoll vorbereitet 5.2 war 0,04 bis 25,0 mg / ml variiert. Die Fehlerbalken zeigen die Standardabweichung der Autobahnmeistereien Messung. Die Ergebnisse zeigten eine starke Korrelation zwischen der Konzentration der magnetischen Kügelchen und dem Signal von dem Detektor. Der Bestimmungskoeffizient R ² der linearen Regression wurde als 0,98 bestimmt. 6b zeigt die gemessene Beziehung zwischen der Geschwindigkeit der Scan - Stufe und der Signalintensität mit der 5 mg / ml Papierpelletprobe gemessen gemäß Protokoll 5.3. Es wurde festgestellt, dass höhere Signale bei niedrigeren Geschwindigkeit erhalten werden.

Abbildung 6. Kalibrierung. Normalized Kalibrierungskurve von (a) der p-FMMD-Messung unterschiedliche Konzentrationen von magnetischen Kügelchen verwendet wird. Als Proben, Papier Pellets mit 2,0 mm Durchmesser wurden mit einer Biopsie Punch vorbereitet, in der magnetischen Teilchen Lösung verschiedener Konzentrationen getränkt (siehe Protokoll 5.3). Der Messkopf geleitet, um die Papierpellets mit verschiedenen Konzentrationen von MP. Die Geschwindigkeit der Stufe auf 1,0 mm / sec eingestellt. (B) Die Signalintensität in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des XY - Tisches für die 5,0 mg / ml Papier Pelletprobe. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

7 zeigt eine Fotografie der membranartigen Proben hergestellt gemäß dem Protokoll 5.4 und dem rekonstruierten P-Bild , Autobahnmeistereien daraus erhalten. Der Bildbereich als auch der Abtastbereich sind beide 20 mm × 25 mm. Der Vergleich des p-Autobahnmeistereien Scannen mit dem optischen Bild des sampl e zeigt deutlich die Machbarkeit der p-Autobahnmeistereien als MPI-Scanner zu verwenden. Jedoch sind die p-Autobahnmeistereien Scans etwas breiter als die realen Objekten. Diese Erweiterung ist vor allem auf das Empfindlichkeitsprofil des Messkopfes zugeschrieben werden. Wie in 5a gezeigt, ist die Messung eines magnetischen Partikelverteilung , die durch diese Verteilung verbreitert sogar 2,0 mm von der Mitte der Messköpfe zu ±.

Abbildung 7. 2D Autobahnmeistereien scannen. (A) Fotografie des String - Typ Probe. Die Probe wurde unter Verwendung einer Nitrocellulosemembran mit 1 & mgr; m Durchmesser Maghemit Partikellösung SIMAG-Silanol siehe Protokoll 5.4 getränkt vorbereitet. (B) Rekonstruierte MPI Bild, Größe 20 mm × 25 mm. Die Probe wird in y - Richtung kontinuierlich abgetastet und aufeinanderfolgend in x - Richtung von 4 mm trat.ef = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/53869/53869fig7large.jpg" target = "_ blank"> Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Eine zweite Probe wurde hergestellt, bestehend aus zwei mit unterschiedlichen magnetischen Partikelkonzentration gefüllt Mikroröhrchen, wie 5,5 - Protokoll beschrieben. 8 zeigt eine Fotografie der Probe und der rekonstruierte P-Autobahnmeistereien Bildes, die beide mit einer Größe von 20 mm × 25 mm. Dieses Beispiel zeigt, dass die Konzentrationen um einen Faktor von 20 unterscheiden, können auch mit deutlich erkennbaren Bildmerkmalen dargestellt werden.

Abbildung 8. 2D - Scan - Autobahnmeistereien. (A) Fotografie von zwei Mikro - Röhrchen von 10 & mgr; l Volumen mit verschiedenen Probenkonzentrationen von Flüssigkeit MAG-Amin, siehe Protokoll 5.5. (B) Rekonstruierte MPI Bild, Größe 20 mm &# 215; 25 mm. Die Probe wird in y - Richtung kontinuierlich abgetastet und trat nacheinander in x - Richtung um 4 mm. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

	Spulenabmessungen			Windings		Coil unten Probe		Coil oben Probe
Spule	R 1 [mm] a	W [mm] b	H [mm] c	Anzahl der Wicklungen	Wire-Ø [mm]	R [Ω] d	L [mH] e	R [Ω] d	L [mH] e
Messung	1.0	4.0	1.7	2 × 600 0,08	47.67	0,95	47,66	0,95
Erregung	3.8	8.5	1.0	476	0,10	29,90	1.56	29.70	1,45
Treiber	5.0	8.5	5.0	2000	0,12	190,75	36.90	141,28	37,90
1 a R der Innenradius der Spule. Der mittlere Radius ist R 1 + H / 2, wobei der äußere Radius R 1 + H.
b W ist die Breite der Spule, dh der Querschnitt der Wicklungen.
c H ist die Höhe der Spulenwicklungen.
d R den Ohmschen Widerstand bei DC. Im Falle der Meßspulen ist es ter Serienwiderstand der beiden Spulen.
e L bezeichnet die Induktivität bei 1 kHz mit einer Induktivität Meter gemessen.

Tabelle 1 Spulenparameter. Abmessungen und die Wicklungen der Spulen des Messkopfes.

Discussion

Das Messverfahren nutzt die Nichtlinearität der Magnetisierungskurve der superparamagnetischen Teilchen. Die zweiseitige Meßkopf trifft gleichzeitig zwei magnetischen Anregungsfelder unterschiedlicher Frequenz auf die Probe, einer niedrigen Frequenz (f ₂₎ Komponente , die Teilchen in magnetische Sättigung und eine hohe Frequenz (f ₁₎ Sondenfeld die nichtlineare magnetische Antwort zu messen , zu fahren . Insbesondere beide Harmonischen der einfallenden Felder, m · f ₁ und n · f ₂ und Summenfrequenzen, m · f ₁ + n · f ₂ (mit ganzen Zahlen m, n), erzeugt. Diese Intermodulationsprodukte werden durch die unterschiedlich gewickelten Aufnahmespule erfasst. Die Referenzspulen nicht abholen diese Signale, weil sie von der Probe weit entfernt sind. Sie dienen zur Unterdrückung der direkt induzierten Hochfrequenz EXCItation, die den Vorverstärker sonst sättigen würde. Somit wird die winzige Summenfrequenzsignals aufgrund des Vorhandenseins von superparamagnetischen Materialien, messbar und quantifizierbar. In der Ausleseelektronik, nur die Intermodulationsprodukt bei der Summenfrequenz f ₁ + 2 · f ₂ demoduliert , weil es die stärkste nichtlineare Komponente, die ohne statische Vormagnetisierungsfeld vorhanden ist. Es wurde gezeigt, dass diese Technik eine schnelle Verarbeitung und eine sehr große dynamische Erfassungsbereich ermöglicht. Details des Autobahnmeistereien Prinzip und die Ausleseelektronik sind im Detail in Ref beschrieben. 10.

Die Messergebnisse in Figur 6 gezeigt zeigen , dass die p-Autobahnmeistereien Signal auf der Geschwindigkeit der Scantisch und der Konzentration der magnetischen Partikel abhängt. Folglich sind die räumliche Auflösung und die Nachweisgrenze der Technik ebenfalls drehzahl- und konzentrationsabhängig. Wir führen dieses Ergebnis auf das Signal Reduktion des niedrigenBandpassfilter am Ausgang des zweistufigen Lock-in-Detektion der Ausleseelektronik. Bisherige Untersuchungen auf MPI zeigte auch , dass die räumliche Auflösung auf der Parameter Geschwindigkeit der Gradientenstärke, Partikeldurchmesser, das Volumen des Magnetkerns und der mechanischen Geschwindigkeit der Stufe abhängt. ²⁰ Unsere Ergebnisse stehen im Einklang mit diesen Ergebnissen.

Unsere 2D - Scan - Methode unterscheidet sich erheblich von der herkömmlichen Technik MPI zugrunde , ein Feld Gratis Point (FFP) oder Feld Free Line (FFL) auf die Generierung, obwohl das Detektionsprinzip basiert auf dem nichtlinearen Signals von Superparamagneten. ³ ähnlich ^{ist, 21} Obwohl herkömmliche MPI hat Vorteile gegenüber dem neuen Autobahnmeistereien p-Technik, wie beispielsweise die gleichzeitige 3D - Analyse ohne mechanische Bewegung der Probe oder des Systems ⁷ ist die neue MPI Scanner großen Magneten braucht nicht ein starkes Feld zu erzeugen. Wir glauben, dass sowohl das konventionelle MPI-Scanner und die p-Autobahnmeistereien Scanner ihre spezifischen Vorteile. Der Vorteil des p-Autobahnmeistereien Scanner ist seine Einfachheit und seine geringen Abmessungen. Es besteht keine Notwendigkeit für die Verwendung von großen Gradientenspulen und keine Notwendigkeit für die Spulen zu kühlen. Die Probengröße in x und y - Richtung nicht durch die Technik beschränkt, nur durch den Scanner und dem Träger. Jedoch ist die Technik nur für ausreichend dünne Proben, die zwischen den Erfassungsspulen passen. Es erfordert Bewegung der Probe relativ zu dem Messkopf, während Standard MPI elektrisch Abtastung des FFL / FFP ohne Probenbewegung gesteuert ausnutzt.

MPI ist eine relativ neue Technik, die eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten in vielen wissenschaftlichen und industriellen Bereichen hat. Es hat sich gezeigt, daß ihre räumliche Auflösung mit der von anderen medizinischen Bildgebungsverfahren vergleichbar ist. In dieser Studie haben wir eine neue Technik p-Autobahnmeistereien genannt MPI planarer Proben durchzuführen. Im Vergleich zu anderen MPI-Scanner, ist es nicht erforderlich, die Erzeugung eines FFL or FFP. Kein starkes Magnetfeld oder Feldgradient benötigt wird. Wir glauben, dass die p-Autobahnmeistereien Technik ein alternatives Verfahren, in dem Gebiet des MPI werden wird. Mögliche Anwendungsgebiete sind die Analyse von biologischen Gewebeschnitten für diagnostische Zwecke. Mit einem Re-Design unterzubringen dickeren Proben, nicht-invasive Untersuchungen von größeren Objekten und Kleintiere möglich sein werden.

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