Summary
Um scanner para imagiologia de partículas magnéticas nas amostras planas foi desenvolvido utilizando a frequência plana mistura técnica de detecção magnética. A resposta magnética produto de intermodulação da magnetização nonhysteretic não linear das partículas é gravada em cima de uma excitação de dois frequência. Ele pode ser usado para captar imagens 2D de amostras biológicas finas.
Abstract
A configuração de um Frequency planar mistura do scanner Magnetic Detection (p-FMMD) para a realização de Magnetic Particles Imagem (MPI) de amostras planas é apresentado. É constituída de duas cabeças magnéticas de medição em ambos os lados da amostra montada sobre as pernas de um suporte em forma de U. A amostra é localmente exposto a um campo magnético de excitação consiste em duas frequências distintas, um componente mais forte a cerca de 77 kHz e um campo mais fraca a 61 Hz. As características de magnetização não-lineares de partículas superparamagnéticas dar origem à geração de produtos de intermodulação. Um componente soma-frequência seleccionada do incidente de alta e baixa frequência de campo magnético sobre as partículas magneticamente não-lineares é registrado por um demodulação eletrônicos. Em contraste com um scanner MPI convencional, p-FMMD não exige a aplicação de um campo magnético forte para a totalidade da amostra porque a mistura das duas frequências ocorre localmente. Assim, as dimensões laterais da amostra são apenaslimitada pela gama de varrimento e os suportes. No entanto, a altura da amostra determina a resolução espacial. Na configuração de corrente é limitado a 2 mm. Como exemplos, apresentamos duas 20 mm × 25 mm imagens p-FMMD adquiridos a partir de amostras com 1 mm de diâmetro partículas maguemita na matriz silanol e com partículas de magnetite 50 nm de matriz aminossilano. Os resultados mostram que o novo scanner de IPM pode ser aplicado para a análise de amostras biológicas finas e para fins de diagnóstico médico.
Introduction
As nanopartículas magnéticas (MNP) têm encontrado aplicações generalizadas na biologia molecular e em medicina, por exemplo, para a manipulação de biomoléculas e células individuais 1, para etiquetar selectivamente entidades alvo para a detecção, 2, 3 para a modulação da cromatina, 4 e para isolamento de ARNm e o tratamento do cancro 5. Devido às suas propriedades superparamagnéticas, eles são especialmente úteis para a imagiologia médica. Eles podem servir, por exemplo, como agentes de contraste ou traçadores da Imagem por Ressonância Magnética (MRI) ou para a imagem latente susceptibilidade usando detectores Superconducting Quantum Interference dispositivo (SQUID). 2, 6 As nanopartículas superparamagnéticas deu um bom contraste com os diferentes tecidos do ser humano corpo que são dia- ou paramagnética. 7 Assim, as partículas podem ser convenientemente utilizado para a aquisição de imagens médicas de partes do corpo humano com relativamente boa resolução espacial e sensibilidade. 8
tenda "> A imagem da partícula magnética (MPI), técnica introduzida por Gleich e Weizenecker 9 faz uso da não-linearidade da magnetização da partícula. No zero ou viés campo magnético fraco, a resposta do MNP para uma excitação ac de frequência f é forte devido ao a sua grande susceptibilidade. Em particular, a magnetização não linear da partícula dá origem à geração de harmónicas n · F, com n = 2, 3, 4 ... na polarização de campo magnético elevado, a resposta harmónica torna-se fraca porque as partículas são magneticamente saturado. Em a técnica de MPI, a amostra é completamente magnetizado excepto para uma linha de campo livre (FFL) ou um ponto livre de campo (FFP). Somente as partículas situado próximo a esta linha ou ponto irá contribuir para a resposta não linear da amostra. com o movimento de um FFP e do emprego de bobinas receptoras adequadas, Gleich e Weizenecker imagens adquiridas MPI com uma resolução espacial de 1 mm.A fim deobter informações sobre a distribuição espacial de MNP, dois métodos são habitualmente utilizados, o movimento mecânico do sensor em relação à amostra, ou o movimento do FFL / FFP por meio de electromagnetos. 2, 3 Neste último caso, as técnicas de reconstrução da imagem como harmônica espaço MPI 3 ou X-espaço MPI 10, 11, 12 são obrigatórios. A resolução espacial de MPI é determinada pelas propriedades de convolução de excitação e detecção de bobinas, bem como pelas características do gradiente do campo magnético. Isto permite que os algoritmos de reconstrução de imagem para obter uma resolução melhorada através da resolução nativa, que é determinada pela dimensão e a distância das bobinas de captação, bem como por a distribuição do campo magnético governado pelas equações de Maxwell.
Um scanner MPI é geralmente composto de um íman forte para magnetizar toda a amostra, um sistema de bobina controlável para dirigir um FFL ou FFP toda a amostra, um excitatio alta frequênciasistema de bobina n, e um sistema de bobina de detecção para recolher a resposta não-linear a partir da amostra. O FFL / FFP é movida continuamente através do volume da amostra, enquanto a resposta harmónica a partir desta região insaturado amostra é registada. A fim de evitar o problema de montagem do espécime para o scanner, um scanner de MPI single-sided foi demonstrada por Grafe et al. 13, no entanto à custa de redução do desempenho. Os melhores resultados são obtidos se a amostra está cercada pelos magnetos e bobinas. Porque a amostra tem de ser plenamente magnetizado com exceção da região FFL / FFP, a técnica requer ímãs relativamente grandes e fortes com refrigeração a água, levando a um sistema MPI bastante volumoso e pesado.
A nossa abordagem é baseada na frequência de mistura na curva de magnetização não-linear de partículas superparamagnéticas. 14 Quando super-paramagnets são expostos a campos magnéticos em duas frequências distintas (F 1 e F </ em> 2), freqüências soma representando uma combinação linear m · f 1 + n · f 2 (com números inteiros m, n) são gerados. Mostrou-se que o aparecimento desses componentes é altamente específica para a não linearidade da curva de magnetização das partículas. 15 Em outras palavras, quando a amostra MNP é exposto simultaneamente a um campo magnético de condução na frequência f 2 e um campo de sondagem à frequência f 1, as partículas de gerar um campo de resposta à frequência f 1 + 2 · F 2. Esta frequência soma não seria existente sem a amostra magneticamente não-linear, portanto, a especificidade é extremamente elevado. Chamamos este método "frequência de mistura de detecção magnética" (FMMD). Foi experimentalmente verificado que a técnica produz uma gama dinâmica de mais de quatro ordens de grandeza em concentração de partículas 14.
<p class = "jove_content"> Em contraste com a instrumentação típica MPI, a frequência planar misturando abordagem de detecção magnética (p-FMMD) não requer para magnetizar a amostra perto da saturação, porque a geração de soma de frequência componente f 1 + 2 · f 2 é máximo no campo de polarização estática zero. 14 por isso, a necessidade de ímãs fortes e volumosos é aliviada. Na verdade, as dimensões exteriores da cabeça de medição são apenas 77 mm x 68 milímetros x 29 milímetros. Para comparação, configurações MPI são tipicamente medidor de tamanho. 7 A desvantagem, no entanto, é que a técnica está limitada a amostras planas com uma espessura máxima de 2 mm na configuração corrente. A amostra tem de ser digitalizada relativamente à cabeça de medição de dois lados. A re-construção que permite amostras mais espessas é possível, mas tem que ser trocados por uma perda de resolução espacial.Com base nesta técnica FMMD, apresentamos um tipo especial de MPI detecTor para amostras planas, o chamado "planar frequência de detecção magnética de mistura" (p-FMMD) do scanner. O princípio foi recentemente publicado. 17 Neste trabalho, nós nos concentramos na metodologia da técnica e protocolos atuais como configurar como um scanner e como realizar varreduras. Tem sido demonstrado que o IPM pode ser aplicado para fins de diagnóstico médicos, tais como a imagiologia cardiovascular ou cancro. 16, 18, 19 Portanto, cremos que o novo scanner de IPM pode ser utilizado para uma larga gama de potenciais aplicações, por exemplo, para a medição de partículas magnéticas distribuição em fatias de tecido.
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Protocol
1. Projeto de Medição Cabeça Planar FMMD
- Escolha um esquema de bobina para a cabeça de medição. Seleccionar uma configuração de acordo com a Figura 1, que consiste em duas bobinas de captação de cima e duas abaixo da amostra num (-, +, +, -) sequência, com a amostra sentado no centro, entre as duas bobinas (+). O sinal indica a direcção de enrolamento, isto é, (+) para a direita e (-) para a esquerda. Assim, a sensibilidade das bobinas de captação se torna quase homogénea em toda a espessura da amostra.
- Coloque as bobinas de excitação de tal modo que o sinal induzido directamente nas bobinas de captação anula, a fim de evitar a saturação do pré-amplificador e alcançar a máxima sensibilidade para a amostra. Outras configurações que cumprem essas regras de projeto básico pode ser concebido.
- Especificar a espessura máxima da amostra. Aqui, use 2 mm.
- Escolha do diâmetro e comprimento das bobinas de captação semelhante à amostra máxima thickness. Aqui, foi escolhido um diâmetro interno de 2 mm, o que proporciona um diâmetro médio de 3,7 mm para a altura do enrolamento de 1,7 mm. A largura da bobina é de 4 mm.
- Escolha o diâmetro do fio e o número de enrolamentos das bobinas de captação tais que a impedância total de todas as bobinas de captação de aproximadamente corresponde a impedância de entrada do pré-amplificador. Esta condição impõe restrições à frequência de detecção. No caso de um amplificador operacional com uma impedância de entrada óptima de 1100 Ω, todas as quatro bobinas de captação tem 600 espiras de 0,08 mm de diâmetro. fio de cobre esmaltado, dando origem a uma resistência óhmica série total de 95,3 Ω e uma indutância total de 1,9 mH, o que dá 919 Ω impedância.
- Preparar as bobinas de excitação de alta frequência 17, de tal modo que o campo magnético no local do exemplo idealmente eleva-se a cerca de 0,5 mt. Por exemplo, se o raio interno da serpentina é de 3,8 mm e a largura é de 8,5 mm, de vento 476 enrolamentos de 0,1 mm de diâmetro w ira. Aqui, um campo de 0,4 mT foi alcançado ao f 1 = 76.550 Hz.
- Preparar as bobinas de excitação de baixa frequência 17 de tal modo que o campo magnético no local do amostra é de cerca de 5 mT. Por exemplo, se o raio interno da serpentina é de 5 mm e a largura é de 8,5 mm, de vento 2.000 espiras de fio de diâmetro 0,12 milímetros. A configuração rendeu 5 milhões de toneladas em f 2 = 61 Hz.
Figura 1. Desenho esquemático do p-FMMD set-up. Duas cabeças de medição estão electronicamente ligados um ao outro. A amostra é colocada no espaço entre as cabeças. bobinas de detecção (+) medir o sinal da amostra, bobinas de detecção contra-ferida (-) servem de referência para cancelar o campo direto dos Bobinas de excitação de alta frequência. Amp - pré-amplificador, x - mixer, LPF - filtro passa-baixa, DAQ - aquisição de dados.target = "_ blank"> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
2. Construa o Chefe de Medição
- Construir a p-FMMD de tal modo que dois conjuntos de bobinas de excitação e de detecção estão ligados acima e abaixo da amostra. Cada conjunto de bobinas é composto por uma bobina de baixa frequência motorista, uma bobina de excitação de alta frequência, e uma bobina de detecção diferencial que compreende duas bobinas opostas ferida recolhida na configuração gradiómetro axial.
- Permitir para um ajuste de, pelo menos, uma bobina de excitação em relação à bobina de detecção diferencial, a fim de ser capaz de equilibrar a indução directa da excitação de alta frequência para a bobina de detecção. Por exemplo, montar a bobina de excitação em um segmento que permite o movimento relativo da bobina de excitação em relação ao enrolamento de detecção. Um diagrama esquemático do p-FMMD é mostrado na Figura 1. A Figura 2 representa um desenho técnico e uma fotografia da configuração. Detalhadoparâmetros das bobinas são apresentados na Tabela 1.
- Montar os conjuntos de bobinas acima e abaixo da amostra sobre um suporte rígido, com orientação coaxial, ver Figuras 1 e 2. Certifique-se de que os dois conjuntos de bobinas não vibram uma em relação à outra.
- Ajustar o equilíbrio de alta frequência da cabeça de medição através da aplicação da corrente de excitação de alta frequência para o respectivo conjunto de bobina de excitação, variando-se a posição relativa entre eles, e simultaneamente medir o sinal detectado a esta frequência no conjunto de bobina de detecção, usando equipamento tal como um osciloscópio ou um amplificador lock-in.
- Ajustar a tensão induzida directamente como partir de alguns milivolts, ou seja, a supressão de mais de 1000 vezes de indução directa. Determinar o limite de ajuste, observando a mudança de fase entre a corrente de excitação e a tensão detectada. No mínimo, a tensão induzida é de 90 ° de fase deslocada como comparard à indução direta.
Figura 2. Desenho Técnico e foto de cabeça p-FMMD. As seções transversais ao longo de um plano vertical (canto superior esquerdo) e um plano horizontal (canto inferior esquerdo) são mostrados, bem como uma fotografia da cabeça de medição aberto antes de enrolamento de bobina. 1 - Suporte de alumínio, 2 - bobina antiga para bobinas de detecção, 3 - rosca bobina antiga para Bobinas de excitação que pode ser movido para cima / baixo pela rotação, 4 - placas de suporte da amostra, 5 - tampas de alumínio, 6 - amostra apoio rolha, 7 - batente na direção x, 8 - rolha na direção y. 6-8 são removidos para a digitalização. O tamanho da cabeça p-FMMD é de 77 mm × 68 mm × 29 mm. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
3. Configure Eletrônica Medição
- Configurar o exciseção tação, constituído pelos dois osciladores e amplificadores de potência, tanto para baixo bobina de condução frequência e bobina de excitação de alta frequência.
- Configurar a baixa seção de motorista frequência, compreendendo um oscilador e um amplificador de potência para a baixa frequência f 2. Calcula-se a potência do amplificador de tal modo que proporciona a corrente necessária para produzir o campo de cerca de 5 milhões de toneladas na bobina de condução. Aqui, usar um chip Direct Digital Synthesis (DDS) como oscilador programável. Empregar um buffer de alta velocidade, amplificador de potência.
- Configure a seção de excitação de alta frequência, que compreende um oscilador e um amplificador de potência para a alta frequência f 1. Configurar o amplificador de potência tal que fornece a corrente necessária para produzir o campo de cerca de 0,5 milhões de toneladas no bobina de excitação. Use um chip DDS e um buffer de alta velocidade como oscilador e amplificador de potência, respectivamente.
- Configurar a secção de detecção, constituído por um preamplifieR, um primeiro misturador para desmodular a partir da alta frequência f 1, um amplificador e filtro intermédia, um segundo misturador para desmodular a partir de duas vezes a baixa frequência 2 · F 2, e um controlador de filtro e de saída final. Como alternativa, use dois amplificadores lock-in para implementar o sistema eletrônico de detecção.
- Configure o estágio pré-amplificador. Escolha do amplificador operacional de entrada (OP), considerando-se a impedância da bobina de detecção e o produto de ganho de largura de banda. Realizar o procedimento de optimização de ruído, tendo em conta o ruído de tensão especificado e ruído corrente do PO, tal como se explica no Exemplo de Ref. 10. Seleccione uma alta velocidade amplificador operacional de baixo ruído com uma amplificação de cerca de 100 na primeira etapa. A fase seguinte é acrítica, mas verifique se o sinal de saída permanece na faixa de tensão, ou seja, não distorcida devido a uma sobrecarga. Aqui, usar um amplificador operacional de entrada JFET de baixo ruído com a amplificação de 4,3 vezes.
- Configure o first estágio de demodulação, multiplicando o sinal amplificado com a alta frequência f 1. Usar um chip multiplicador analógico e consultá-la a partir de um segundo chip DDS em separado, a fim de realizar um ajuste de fase para a desmodulação. Como alternativa, use um amplificador lock-in como pré-amplificador (3.2.1), primeiro demodulador (3.2.2) e gerador de alta frequência (3.1.2).
- Configurar a amplificação e filtragem estágio intermediário. Implementar um filtro passa-baixa de tal forma que a frequência do sinal a 2 · f 2 passes sem perturbações, enquanto os componentes de alta frequência espúrios em f 1 e 2 · f 1 são eficientemente suprimidos. Escolha uma amplificação intermédia adequada, por exemplo, selecionando dois amplificadores operacionais de propósito geral com uma amplificação total de cerca de 100.
- Configure a segunda fase de desmodulação, multiplicando o sinal filtrado e amplificado com o dobro da frequência baixa 2 · f 2. Usarum chip multiplicador analógico e consultá-la a partir de um quarto de chip DDS em separado, a fim de realizar um ajuste de fase para a desmodulação. Como alternativa, use um amplificador lock-in capaz de segunda demodulação harmônica como amplificador intermédia (3.2.3), segundo demodulador em segunda harmônica (3.2.4) e gerador de frequência baixa (3.1.1).
- Configure o estágio final de amplificação e filtragem. Implementar um filtro passa-baixa de tal forma que a frequência do sinal na frequência de varredura passa sem perturbações, enquanto os componentes de alta frequência espúrios a 4 · f 2 são eficientemente suprimidos. Escolha uma amplificação final adequado, considerando a faixa de tensão de saída desejada. Usar dois amplificadores operacionais de propósito geral com uma amplificação total de cerca de 10.
4. Configurar Scanner 2D
- Montar um scanner 2D de modo que o plano de movimento é perpendicular ao eixo da bobina.
- Controlar o scanner 2D e sincronicamente acquiring a tensão de saída da electrónica de medição, a fim de obter uma imagem 2D do sinal FMMD da amostra plana usando um script caseiro escrito na linguagem de programação Python.
5. Prepare Amostra
- Use partículas de magnetite, com diâmetros de 50 nm e 100 nm e de maguemita partículas com um diâmetro de 1 | iM de concentração que é de 25,0 mg / ml. Lava-se a solução através da dissolução das partículas magnéticas na água, separando-os utilizando um magnete e descartando a água. Repita o procedimento três vezes. Dilui-se a solução de partículas magnéticas a um décimo com água destilada.
- Prepare amostras de papel de pelotização com 2,0 mm de diâmetro por perfuração pedaços de papel mata-borrão de absorção utilizando um punção biópsia. Mergulhe-os em solução de esférulas magnéticas de diferentes concentrações durante 30 segundos e deixe-os secar ao ar. Aqui, usar concentrações de 0,04, 0,2, 1, 5, e 25 mg / ml de partículas de 100 nm de tamanho.
- Prepara-se uma amostra utilizando um nitrocellulose membrana de tamanho de 2,0 milímetros x 18,0 milímetros. Embeber a membrana com a solução não diluída de 1 um de diâmetro de partícula. Preparar uma amostra por imersão da membrana uniformemente, e uma outra, fazendo um gradiente de concentração. Para fazer isso, embebendo as extremidades da membrana em solução de grânulos com uma concentração diferente, resultando em o gradiente de concentração (Figura 5).
- Prepara-se uma amostra num tubo capilar de um volume de 10 ul, diâmetro externo 400 um, 40 mm de comprimento. Encha o tubo capilar com solução não diluída de partículas de diâmetro de 50 nm. Prepara-se uma segunda microtubo com 20x solução diluída (mistura 100 ul de uma solução não diluída com 1,9 ml de água).
6. Execute 2D FMMD digitalização
- Selecionar área de digitalização de acordo com dimensões planares a × b da amostra. Digite os valores no software de digitalização.
- Seleccionar a direcção do piso. Normalmente, a menor das duas dimensões planares, chamemos-lhe b
- Select digitalização velocidade v, com a consideração da redução do sinal devido a filtragem passa-baixo, ver a discussão. Ajustar a velocidade para um valor entre 1 e 7 mm / seg. Insira o valor do software de digitalização.
- Seleccionar intensificação distância Δ b, tendo em conta que não precisa de ser muito menor do que a resolução espacial possível, e o total de tempo T de varrimento que irá ser pelo menos t = a / v · b 1 b / Δ). Introduza a distância pisar no software.
- Monte a amostra no scanner 2D. Corrigi-lo no prato de plástico com fita adesiva.
Figura 3. Foto de configuração de medição p-FMMD. A amostra é afixado com fita adesiva no suporte de plástico movida pelo motorfase (à esquerda). Em seguida, a amostra é varrida na cabeça p-FMMD (direita). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
- Executar a digitalização pressionando o botão de arranque. Os exames das Figuras 5 e 6 cobrem um 20,0 milímetros (eixo X) × 25,0 mm (eixo y) região, ou seja, seis 25 milímetros traços longos foram digitalizados ao longo do eixo y, com passos 4.0 mm na direção X, a uma velocidade de estágio de 1,0 mm / seg. Isso equivale a um tempo de digitalização de cerca de 2 min.
Figura 4. interface gráfica do usuário do software de digitalização. Os parâmetros de análise são inseridas aqui. A medição é iniciado premindo o botão vermelho.
Processamento 7. Imagem
- Converter os dados brutos a forma de matriz usando um homemade roteiro em python. Registrar os dados brutos de toda a varredura em conjunto com os valores extras em um arquivo de formato 2-coluna de valores separados por vírgulas (CSV). A coluna extra indica a capturar os dados correspondentes durante o movimento de pisar. Os segmentos de script a coluna de dados brutos em cada mudança do valor coluna extra e remove os segmentos de dados durante a pisar movimento. Ele também constrói a matriz resultante, colocando os restantes segmentos consecutivos em linhas ou colunas da matriz e escreve a matriz em um arquivo formato CSV.
Nota: imagens p-FMMD deste estudo são gerados usando um script python. A função pyplot.contour ea função pyplot.imshow da biblioteca matplotlib para python, cumulativamente utilizado para a preparação dos contornos e as cores de fundo, respectivamente.
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Representative Results
A Figura 5a mostra a distribuição calculado sensibilidade da bobina interior de detecção dupla diferencial, como uma função das coordenadas x e y do plano da amostra. Foi calculado em uma abordagem inversa, determinando a superposição dos campos magnéticos em todos os pontos (x, y) no plano central gerados por todas as quatro bobinas de detecção. Em sentido inverso, isto determina a sensibilidade da bobina de detecção a um momento magnético em cada um destes pontos. O cálculo foi realizado através da aproximação das bobinas, desde bobinas de altura insignificante. Assim, a sensibilidade de distribuição representado na Figura 5a representa o mapa de sensibilidade no plano de exploração, a chamada função de dispersão (FDP). De um modo semelhante, a Figura 5b mostra a sensibilidade como uma função da coordenada axial Z e a coordenada radial r (r
Figura 5. Comportamento de a cabeça de medição. Calculado distribuição sensibilidade da cabeça de medição (a) como uma função do cartão planar coordenadas x e y para z = 0, (b) como uma função da coordenada axial Z e a coordenada radial r . A sensibilidade é dada relativamente ao centro, entre a bobina de detecção superior e inferior em x = 0, y = 0 e r = 0. (c) Comparação de sensibilidade medidos e simulados. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
f 1 = 76,56 kHz com respeito a momentos magnéticos no centro da cabeça de medição. Para o cálculo, foram tomados os parâmetros da bobina interior como listado na Tabela 1, assumindo um factor de enchimento (isto é, a fracção do cobre nos enrolamentos atravessar secção) de K F = 0,5. Obtivemos uma sensibilidade momento magnético m 0 / √ f = 1,8 · 10 -14 Am 2 / √HZ. Por 1 segundo tempo de medição, isto equivale a um momento magnético mínimo resolúvel de m 0 = 7,3 · 10 -14 Am 2. Este valor é comparável do que o limite de detecção que pode ser obtido com uma cabeça de medição de diâmetro de 8 mm padrão 14.
A Figura 6a mostra a Signal intensidade como uma função da concentração da solução de pérolas magnéticas. A velocidade de digitalização foi de 1,0 cm / min. A concentração dos peletes de papel preparados de acordo com o protocolo 5.2 foi variado 0,04-25,0 mg / ml. As barras de erro representam o desvio padrão da medida FMMD. Os resultados mostraram uma forte correlação entre a concentração de esferas magnéticas e o sinal proveniente do detector. O coeficiente de determinação R2 da regressão linear foi avaliada quanto 0,98. A Figura 6B mostra a relação entre a velocidade medida da plataforma de varrimento e a intensidade do sinal medido com o 5 mg ml da amostra de papel / Granulado de acordo com o protocolo 5.3. Verificou-se que os sinais mais elevados podem ser obtidos a uma velocidade inferior.
Figura 6. A calibração. Curva de calibração normalizada de (a) o-p FMmedição MD utilizando diferentes concentrações de contas magnéticas. Como amostras, pelotas de papel com 2,0 mm de diâmetro foram preparados utilizando um perfurador de biópsia, embebida em solução de partículas magnéticas de diferentes concentrações (ver protocolo 5.3). A cabeça de medição passou as pelotas de papel com diferentes concentrações de MP. A velocidade da fase foi ajustado a 1,0 mm / seg. (B) A intensidade de sinal em função da velocidade do estágio XY para a 5.0 mg ml da amostra de papel / pellet. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
A Figura 7 mostra uma fotografia de amostras do tipo de membrana preparada de acordo com o protocolo 5.4 e a imagem P reconstruída-FMMD obtido a partir dele. A área de imagem, bem como a área de digitalização estão ambos a 20 mm × 25 mm. A comparação do p-FMMD digitalizar com a imagem óptica do sampl e demonstra claramente a viabilidade de utilizar o p-FMMD como scanner de MPI. No entanto, os exames p-FMMD são um pouco mais amplo do que os objetos reais. Este alargamento pode ser atribuído principalmente ao perfil de sensibilidade da cabeça de medição. Como mostrado na Figura 5a, a medição da distribuição de uma partícula magnética é ampliado por esta distribuição uniforme de ± 2,0 mm a partir do centro das cabeças de medição.
Figura 7. 2D FMMD digitalizar. (A) A fotografia da amostra tipo de cadeia. A amostra foi preparada usando uma membrana de nitrocelulose, embebido com uma solução de um de diâmetro de partícula maghemite SIMAG-Silanol ver protocolo 5.4. (B) Imagem reconstruída MPI, tamanho 20 mm × 25 mm. A amostra é digitalizados continuamente na direção y e consecutivamente deu um passo na direção X por 4 mm.ef = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/53869/53869fig7large.jpg" target = "_ blank"> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Uma segunda amostra foi preparada, consistindo em dois microtubos cheios com a concentração de partículas magnéticas diferentes, como descrito no protocolo 5.5. A Figura 8 mostra uma fotografia da imagem P-FMMD reconstruído amostra e, ambos com um tamanho de 20 mm x 25 mm. Este exemplo demonstra que as concentrações diferentes por um factor de 20, pode ser bem visualizados com características de imagem claramente discerníveis.
Figura 8. varredura 2D FMMD. (A) Fotografia de dois microtubos de 10 volumes ul com diferentes concentrações de amostra de fluido MAG-Amine, consulte protocolo 5.5. (B) Imagem reconstruída MPI, tamanho 20 milímetros &# 215; 25 mm. A amostra é digitalizados continuamente na direção y e consecutivamente deu um passo na direção X por 4 mm. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
| dimensões da bobina | enrolamentos | Bobina abaixo da amostra | Bobina acima da amostra | ||||||
| Bobina | R 1 [mm] a | W [mm] b | H [mm] c | Número de enrolamentos | Fio-Ø [mm] | R [Ω] d | L [MH] e | R [Ω] d | L [MH] e |
| Medição | 1.0 | 4.0 | 1.7 | 2 × 600 0,08 | 47.67 | 0,95 | 47.66 | 0,95 | |
| Excitação | 3.8 | 8,5 | 1.0 | 476 | 0,10 | 29.90 | 1,56 | 29.70 | 1,45 |
| Condutor | 5 | 8,5 | 5 | 2.000 | 0,12 | 190,75 | 36.90 | 141,28 | 37.90 |
| um de R 1 representa o raio interno da serpentina. O raio médio é de R 1 + H / 2, o raio exterior é R1 + H. | |||||||||
| b W é a largura da bobina, isto é, a secção transversal dos enrolamentos. | |||||||||
| c H é a altura de os enrolamentos da bobina. | |||||||||
| d R denota a resistência ôhmica na DC. No caso das bobinas de medição, é tele resistência em série de ambas as bobinas. | |||||||||
| e L indica a indutância, medido com um medidor de indutância a 1 kHz. | |||||||||
Tabela 1. Parâmetros bobina. As dimensões e os enrolamentos das bobinas de medição da cabeça.
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Discussion
A técnica de medição utiliza a não linearidade da curva de magnetização das partículas superparamagnéticas. A cabeça de medição de dois lados se aplica simultaneamente dois campos de excitação magnético de frequência diferente para a amostra, uma baixa frequência (f 2) componente para dirigir as partículas em saturação magnética e uma alta frequência (f 1) campo sonda para medir a resposta magnética não linear . Em particular, ambos os harmônicos dos campos incidentes, m · f 1 e N · f 2, e soma frequências, m · f 1 + n · f 2 (com números inteiros m, n), são gerados. Estes produtos de intermodulação sejam detectados pela bobina de recolha diferenciada de feridas. As bobinas de referência não captar esses sinais, porque eles estão localizados longe da amostra. Eles servem para a supressão da alta frequência induzida directamente excição que, de outro modo saturar a pré-amplificador. Assim, a pequena sinal de soma-frequência, devido à presença de materiais super-paramagnético se torna mensurável e quantificável. Nos electrónica de visualização, apenas o produto de intermodulação a soma frequência f 1 + 2 · F 2 é desmodulado, pois é o mais forte componente não linear, que está presente sem campo de polarização estático. Mostrou-se que esta técnica permite um processamento rápido e uma gama muito grande de detecção dinâmica. Detalhes do princípio FMMD e a electrónica de leitura encontram-se descritos em pormenor no Exemplo de Ref. 10.
Os resultados das medições mostrados na Figura 6 revelam que o sinal p-FMMD depende da velocidade da plataforma de varrimento e da concentração das partículas magnéticas. Consequentemente, o limite de resolução espacial e a detecção da técnica são também velocidade- e dependente da concentração. Atribuímos este achado para a redução do sinal da baixafiltro passa na saída da detecção de bloqueio em duas fases das electrónica de visualização. Pesquisa anterior em MPI também mostrou que a resolução espacial é dependente da velocidade de parâmetros de força gradiente, diâmetro de partícula, o volume do núcleo magnético e velocidade mecânica do palco. 20 Nossas descobertas são consistentes com estes resultados.
O nosso método de digitalização 2D difere consideravelmente da técnica MPI convencionais baseados na geração de um campo livre ponto (FFP) ou campo livre Linha (FFL), embora o princípio da detecção com base no sinal não-linear de superparamagnets é semelhante. 3, 21 Embora MPI convencional tem vantagens sobre a nova técnica de p-FMMD, tais como a análise simultânea 3D sem movimento mecânico de amostra ou sistema 7, o novo scanner MPI não necessita de grandes imans para gerar um forte campo. Acreditamos que tanto o scanner MPI convencional e o scanner p-FMMD têm as suas vantagens específicas. A vantagem do scanner p-FMMD é a sua simplicidade e as suas pequenas dimensões. Não há necessidade de empregar grandes bobinas de gradiente e sem necessidade de bobinas de arrefecimento. O tamanho da amostra na direção X e Y não estão limitados pela técnica, apenas o scanner eo suporte. No entanto, a técnica só é aplicável às amostras suficientemente finas que se encaixam entre as bobinas de detecção. Ela exige movimento da amostra relativamente à cabeça de medição, enquanto padrão MPI utiliza controlada electricamente digitalização do FFL / FFP sem movimento amostra.
MPI é uma técnica relativamente nova que tem uma variedade de aplicações potenciais em muitos campos científicos e industriais. Tem sido demonstrado que a sua resolução espacial é comparável com a de outras modalidades de imagem médica. Neste estudo, nós introduzimos uma nova técnica chamada de p-FMMD para executar MPI de amostras planas. Em comparação com outros scanners MPI, que não exige a geração de um FFL ór FFP. Sem forte gradiente de campo ou o campo magnético é necessário. Acreditamos que a técnica de p-FMMD irá tornar-se um método alternativo no campo de MPI. áreas de aplicação possíveis incluem a análise de cortes de tecidos biológicos para fins de diagnóstico. Com uma nova concepção para acomodar amostras mais espessas, estudos não invasivos de objectos maiores e pequenos animais irão tornar-se viável.
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Acknowledgments
Este trabalho foi apoiado pelo programa D de MSIP / IITP, República da Coreia (Grant No: B0132-15-1001, desenvolvimento da próxima 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 |
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