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Engineering

Frecuencia de mezcla escáner de detección magnética para obtener imágenes de partículas magnéticas en muestras planas

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 escáner para obtener imágenes de partículas magnéticas en muestras planas se ha desarrollado utilizando la técnica de mezcla de detección magnética de frecuencia plana. La respuesta producto de intermodulación magnético de la magnetización nonhysteretic no lineal de las partículas se registra a una excitación de dos frecuencias. Se puede utilizar para tomar imágenes en 2D de muestras biológicas delgadas.

Abstract

Se presenta la configuración de una frecuencia de mezcla planar escáner magnético de detección (p-FMMD) para la realización de partículas magnéticas Imaging (MPI) de las muestras planas. Se compone de dos cabezales de medición magnéticos en ambos lados de la muestra montada en las patas de un soporte en forma de u. La muestra se expone localmente a un campo de excitación magnética que consiste en dos frecuencias diferentes, en un componente más fuerte a aproximadamente 77 kHz y un campo más débil en 61 Hz. Las características de magnetización no lineales de partículas superparamagnéticas dan lugar a la generación de productos de intermodulación. Un componente de suma frecuencia seleccionada de la alta y baja frecuencia incidente campo magnético sobre las partículas magnéticamente no lineales es grabada por una electrónica de demodulación. En contraste con un escáner MPI convencional, p-FMMD no requiere la aplicación de un campo magnético fuerte para toda la muestra porque la mezcla de las dos frecuencias se produce localmente. Por lo tanto, las dimensiones laterales de la muestra son sólolimitado por el alcance de detección y los soportes. Sin embargo, la altura de la muestra determina la resolución espacial. En la configuración actual que se limita a 2 mm. Como ejemplos, se presentan dos de 20 mm x 25 mm imágenes p-FMMD adquiridos a partir de muestras de 1 m de diámetro maghemita partículas en la matriz de silanol y con partículas de magnetita 50 nm de matriz de aminosilano. Los resultados muestran que la novela escáner MPI se puede aplicar para el análisis de muestras biológicas delgadas y con fines de diagnóstico médico.

Introduction

Las nanopartículas magnéticas (MNP) han encontrado amplias aplicaciones en la biología molecular y en la medicina, es decir, para la manipulación de biomoléculas y células individuales 1, para etiquetar selectivamente entidades diana para la detección, 2, 3 para la modulación de la cromatina, 4 y para el aislamiento de mRNA y el tratamiento del cáncer . 5 Debido a sus propiedades superparamagnéticas, que son especialmente útiles para formación de imágenes médicas. Pueden servir, por ejemplo, como agentes de contraste o trazadores para imagen de resonancia magnética (MRI) o para obtener imágenes de la susceptibilidad utilizando detectores Superconductor Quantum Interference Device (SQUID). 2, 6 Las nanopartículas superparamagnéticas producen un buen contraste con los diferentes tejidos de la humana cuerpo que son dia- o paramagnético. 7 Por lo tanto, las partículas se pueden usar convenientemente para adquirir imágenes médicas de partes del cuerpo humano con relativamente buena resolución espacial y sensibilidad. 8

tienda "> The Imaging Partículas Magnéticas técnica (MPI) introducido por Gleich y Weizenecker 9 hace uso de la no linealidad de la magnetización de la partícula. En el cero o débil sesgo campo magnético, la respuesta de los MNP a una excitación de corriente alterna de frecuencia f es fuerte debido a las su gran susceptibilidad. En particular, la magnetización no lineal de la partícula da lugar a la generación de armónicos de n · f, con n = 2, 3, 4 ... En sesgo alto campo magnético, la respuesta armónica se debilita porque las partículas son magnéticamente saturado. En la técnica de MPI, la muestra está completamente magnetizado a excepción de una línea de campo libre (FFL) o un punto libre de campo (FFP). sólo partículas situado cerca de esta línea o punto contribuirá a la respuesta no lineal de la muestra. con el movimiento de un FFP y el empleo de bobinas receptoras adecuadas, Gleich y Weizenecker adquirió imágenes MPI con una resolución espacial de 1 mm.

A fin de queobtener información sobre la distribución espacial de MNP, por lo general se emplean dos métodos, el movimiento mecánico del sensor con respecto a la muestra, o el movimiento de la FFL / FFP por medio de electroimanes. 2, 3 En el último caso, las técnicas de reconstrucción de imágenes como armónica del espacio MPI 3 o X-espacio MPI 10, 11, 12 son requeridos. La resolución espacial de MPI se determina por las propiedades de convolución de excitación y de detección de bobinas, así como por las características de la gradiente de campo magnético. Esto permite que los algoritmos de reconstrucción de imágenes para obtener una resolución mejorado en la resolución nativa, que se determina por el tamaño y la distancia de las bobinas de captación, así como por la distribución del campo magnético gobernado por las ecuaciones de Maxwell.

Un escáner MPI generalmente se compone de un imán fuerte para magnetizar toda la muestra, un sistema de bobina controlable para la dirección de un FFL o FFP través de la muestra, un excitatio alta frecuenciasistema de bobina n, y un sistema de bobina de detección para recoger la respuesta no lineal de la muestra. El FFL / FFP se mueve continuamente a través del volumen de la muestra mientras que la respuesta de armónicos de esta región muestra insaturado se registró. Con el fin de evitar el problema de ajuste de la muestra en el escáner, una sola cara escáner MPI ha sido demostrado por Gräfe et al. 13, sin embargo, a expensas de un rendimiento reducido. Los mejores resultados se obtienen si la muestra está rodeado por los imanes y bobinas. Debido a que la muestra tiene que ser completamente magnetizado excepción de la región FFL / FFP, la técnica requiere imanes relativamente grandes y fuertes con refrigeración por agua, lo que lleva a un sistema de MPI bastante voluminoso y pesado.

Nuestro enfoque se basa en mezclar en la curva de magnetización no lineal de partículas superparamagnéticas de frecuencia. 14 Cuando super-paramagnetos están expuestos a campos magnéticos en dos frecuencias distintas (f 1 y f </ em> 2), frecuencias de suma que representa una combinación lineal m · f 1 + n · f 2 (con números enteros m, n) son generados. Se demostró que la aparición de estos componentes es altamente específico a la no linealidad de la curva de magnetización de las partículas. 15 En otras palabras, cuando la muestra MNP es a la vez expuesto a un campo magnético de conducción a la frecuencia f 2 y un campo de sondeo a la frecuencia f 1, las partículas de generar un campo de respuesta a la frecuencia f 1 + 2 · f 2. Esta frecuencia suma no sería existente sin la muestra magnéticamente no lineal, por lo tanto, la especificidad es extremadamente alta. Llamamos a este método "frecuencia de mezcla de detección magnética" (FMMD). Se ha comprobado experimentalmente que la técnica se obtiene un rango dinámico de más de cuatro órdenes de magnitud en la concentración de partículas. 14

<clase p = "jove_content"> En contraste con típico instrumentación MPI, la frecuencia planar mezcla enfoque de detección magnética (p-FMMD) no requiere para magnetizar la muestra cerca de la saturación porque la generación de la suma frecuencia componente f 1 + 2 · f 2 es máxima en campo de polarización estática cero. 14 por lo tanto, la necesidad de imanes fuertes y voluminosos se alivia. De hecho, las dimensiones exteriores de la cabeza de medición son solamente 77 mm × 68 mm × 29 mm. Para la comparación, las configuraciones de MPI son típicamente-metro de tamaño. 7 El inconveniente, sin embargo, es que la técnica se limita a las muestras planas con un espesor máximo de 2 mm en la configuración actual. La muestra tiene que ser escaneada con relación a la cabeza de medición de dos caras. Una re-construcción que permite muestras más gruesas es posible, pero tiene que ser cambiado por una pérdida de resolución espacial.

Sobre la base de esta técnica FMMD, presentamos un tipo especial de MPI detector para muestras planas, la llamada "mezcla detección magnética de frecuencia plana" (p-FMMD) del escáner. El principio ha sido recientemente publicado. 17 En este trabajo, nos centramos en la metodología de la técnica y los protocolos actuales de cómo configurar un escáner de este tipo y cómo realizar exploraciones. Se ha demostrado que el MPI se puede aplicar con fines de diagnóstico médico, tales como imágenes cardiovasculares o el cáncer. 16, 18, ​​19 Por tanto, creemos que el nuevo escáner MPI se puede utilizar para una amplia gama de aplicaciones potenciales, por ejemplo, para la medición de partículas magnéticas distribución en cortes de tejido.

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Protocol

1. Diseño de una medición Cabeza plana FMMD

  1. Elija una combinación de bobina para el cabezal de medición. Seleccione una configuración de acuerdo con la Figura 1, que consta de dos bobinas de recogida por encima y dos por debajo de la muestra en un (-, +, +, -) secuencia, con la muestra que se sienta en el centro entre las dos bobinas (+). El signo indica la dirección de bobinado, es decir, (+) para las agujas del reloj y (-) para la izquierda. Por lo tanto, la sensibilidad de las bobinas de captación se vuelve casi homogénea en todo el espesor de la muestra.
    1. Colocar las bobinas de excitación de tal manera que la señal inducida directamente en las bobinas de recogida anula con el fin de evitar la saturación del preamplificador y lograr la máxima sensibilidad a la muestra. Otras configuraciones que cumplen con estas normas básicas de diseño se pueden idear.
  2. Especificar el grosor máximo de la muestra. A continuación, utilizar 2 mm.
    1. Elige el diámetro y la longitud de las bobinas de captación similar a la muestra máxima thickness. Aquí, se eligió un diámetro interior de 2 mm, lo que da un diámetro medio de 3,7 mm para la altura de los bobinados de 1,7 mm. La anchura de la bobina es de 4 mm.
    2. Elige el diámetro del alambre y el número de devanados de las bobinas de recogida tales que la impedancia total de todas las bobinas de captación aproximadamente coincide con la impedancia de entrada del preamplificador. Esta condición impone restricciones a la frecuencia de detección. En el caso de un amplificador operacional con una impedancia de entrada óptima de 1.100 Ω, las cuatro bobinas de captación tienen 600 espiras de 0,08 mm de diámetro. alambre de cobre esmaltado, produciendo una resistencia en serie óhmica total de 95,3 Ω y una inductancia total de 1,9 mH, lo que da 919 Ω de impedancia.
  3. Preparar las bobinas de excitación de alta frecuencia 17 de tal manera que el campo magnético en la ubicación de la muestra asciende idealmente a alrededor de 0,5 mT. Por ejemplo, si el radio interior de la bobina es 3,8 mm y la anchura es de 8,5 mm, el viento 476 espiras de 0,1 mm de diámetro w ira. Aquí, un campo de 0,4 mT se logró a f1 = 76.550 Hz.
  4. Preparar las bobinas de excitación de baja frecuencia 17 de tal manera que el campo magnético en la ubicación de la muestra es aproximadamente 5 mT. Por ejemplo, si el radio interior de la bobina es 5 mm y la anchura es de 8,5 mm, el viento 2.000 espiras de alambre de 0,12 mm de diámetro. La configuración cedió 5 mT a f2 = 61 Hz.

Figura 1
Figura 1. Esquema de la p-FMMD set-up. Dos cabezales de medición están conectados electrónicamente entre sí. La muestra se coloca en el espacio entre las cabezas. bobinas de detección (+) medir la señal de la muestra, bobinas de detección contra-herida (-) sirven como referencia para anular el campo directo de las bobinas de excitación de alta frecuencia. Amp - preamplificador, x - mezclador, LPF - filtro de paso bajo, DAQ - adquisición de datos.target = "_ blank"> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

2. Construir el cabezal de medición

  1. Construir el p-FMMD de tal manera que dos conjuntos de excitación y de detección de bobinas están unidos por encima y por debajo de la muestra. Cada conjunto de bobinas consiste en una bobina de baja frecuencia conductor, una bobina de excitación de alta frecuencia, y una bobina de detección diferencial que comprende dos bobinas de captación de la herida de forma opuesta en la configuración de gradiómetro axial.
    1. Permitir un ajuste de al menos una bobina de excitación con relación a la bobina de detección diferencial con el fin de ser capaz de equilibrar la inducción directa de la alta frecuencia de excitación en la bobina de detección. Por ejemplo, montar la bobina de excitación en un hilo que permite el movimiento relativo de la bobina de excitación frente a la bobina de detección. Un diagrama esquemático de la p-FMMD se muestra en la Figura 1. La figura 2 muestra un dibujo técnico y una fotografía de la configuración. Detalladoparámetros de las bobinas se enumeran en la Tabla 1.
  2. Montar los juegos de bobinas por encima y por debajo de la muestra sobre un soporte rígido, con la orientación coaxial, véanse las figuras 1 y 2. Asegúrese de que los dos juegos de bobinas no vibran uno respecto al otro.
  3. Ajuste el balance de alta frecuencia de la cabeza de medición mediante la aplicación de la corriente de excitación de alta frecuencia para el respectivo juego de bobinas de excitación, variando la posición relativa entre ellos, y simultáneamente la medición de la señal detectada a esta frecuencia en el conjunto de bobina de detección, utilizando un equipo tal como una osciloscopio o un amplificador lock-in.
    1. Ajustar el voltaje inducido directamente un precio tan bajo como unos pocos milivoltios, es decir, la supresión de más de 1.000 veces de inducción directa. Determinar el límite de ajuste mediante la observación del cambio de fase entre la corriente de excitación y el voltaje detectado. En el mínimo, el voltaje inducido se desplaza en fase 90 ° como comparard para la inducción directa.

Figura 2
Figura 2. Dibujo Técnico y foto de la cabeza de p-FMMD. Las secciones transversales a lo largo de un plano vertical (arriba izquierda) y un plano horizontal (parte inferior izquierda) se muestran, así como una fotografía de la cabeza de medición abierto delante de devanado de bobina. 1 - soporte de aluminio, 2 - armazón de bobina para las bobinas de detección, 3 - roscado de bobina para las bobinas de excitación que se puede mover hacia arriba / abajo por la rotación, 4 - placas de soporte de la muestra, 5 - tapas de aluminio, 6 - muestra de la ayuda de tapón, 7 - tapón en la dirección x, 8 - tapón en la dirección y. 6 - 8 se quitan para la exploración. El tamaño de la cabeza de p-FMMD es de 77 mm × 68 mm × 29 mm. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

3. Configurar Medición Electrónica

  1. Configurar el excitatosección tación, que consta de los dos osciladores y amplificadores de potencia para la bobina de baja frecuencia y controlador de excitación de la bobina de alta frecuencia.
    1. Configurar la sección de baja frecuencia conductor, que comprende un oscilador y un amplificador de potencia para la baja frecuencia f2. Calcular la potencia del amplificador de tal manera que proporciona la corriente necesaria para producir el campo de alrededor de 5 mT en la bobina de conductor. A continuación, utilizar un chip de síntesis digital directa (DDS) como oscilador programable. Emplear un tampón de alta velocidad por cable, amplificador de potencia.
    2. Configurar la sección de excitación de alta frecuencia, que comprende un oscilador y un amplificador de potencia para la alta frecuencia f1. Configurar el amplificador de potencia de tal manera que proporciona la corriente necesaria para producir el campo de alrededor de 0,5 mT en la bobina de excitación. Utilizar un chip DDS y un tampón de alta velocidad como oscilador y amplificador de potencia, respectivamente.
  2. Configurar la sección de detección, que consiste en un preamplifier, un primer mezclador para demodular de la alta frecuencia f 1, un amplificador intermedio y el filtro, un segundo mezclador para demodular de dos veces la frecuencia baja 2 · f 2, y un controlador de filtro y la salida final. Como alternativa, utilice dos amplificadores lock-in para implementar el sistema electrónico de detección.
    1. Configurar la etapa de pre-amplificador. Seleccione el amplificador operacional de entrada (OP), teniendo en cuenta la impedancia de la bobina de detección y el producto ganancia-ancho de banda. Realizar el procedimiento de optimización de ruido, teniendo en cuenta el ruido y el ruido de tensión especificado actual de la OP, como se explica en la Ref. 10. Seleccione un bajo nivel de ruido amplificador operacional de alta velocidad con una amplificación de aproximadamente 100 en la primera etapa. La etapa siguiente no es crítica, pero comprueba que la señal de salida se mantiene en el rango de tensión, es decir, no distorsionada debido a una sobrecarga. A continuación, utilice un bajo nivel de ruido de entrada JFET amplificador operacional con la amplificación de 4,3 veces.
    2. Configurar el fetapa de demodulación rimero, multiplicando la señal amplificada con la alta frecuencia f 1. Utilizar un chip multiplicador analógico y hacer referencia a ella desde un segundo chip DDS separada con el fin de realizar un ajuste de fase para la demodulación. Alternativamente, utilizar un amplificador lock-in como preamplificador (3.2.1), primero demodulador (3.2.2) y el generador de alta frecuencia (3.1.2).
    3. Configurar la etapa de amplificación y filtrado intermedio. Implementar un filtro de paso bajo de manera que la frecuencia de la señal a 2 · f 2 pases sin perturbaciones mientras que los componentes de alta frecuencia espurios en f 1 y 2 · f 1 se suprimen de manera eficiente. Elija una amplificación intermedia adecuada, por ejemplo mediante la selección de dos amplificadores operacionales de propósito general con una amplificación total de alrededor de 100.
    4. Configurar la segunda etapa de demodulación, multiplicando la señal filtrada y amplificada con el doble de frecuencia baja 2 · f 2. Utilizarun chip multiplicador analógico y hacer referencia a ella de un cuarto de chip DDS separada con el fin de realizar un ajuste de fase para la demodulación. Como alternativa, utilice un amplificador lock-in capaz de demodulación segunda armónica como amplificador intermedio (3.2.3), segundo demodulador en el segundo armónico (3.2.4) y el generador de baja frecuencia (3.1.1).
    5. Configurar la etapa de amplificación y filtrado final. Implementar un filtro de paso bajo tal que la frecuencia de la señal en la frecuencia de exploración pasa sin perturbaciones mientras que los componentes de alta frecuencia espurios en 4 · f 2 se suprimen de manera eficiente. Elija una amplificación final adecuado, teniendo en cuenta el rango de tensión de salida deseada. Utilizar dos amplificadores operacionales de propósito general con una amplificación total de alrededor de 10.

4. Configuración de escáner 2D

  1. Montar un escáner 2D modo que el plano de movimiento es perpendicular al eje de la bobina.
  2. Controlar el escáner 2D y acquiri sincrónicamenteng de la tensión de salida de la electrónica de medición con el fin de obtener una imagen 2D de la señal FMMD de la muestra plana utilizando un script casera escrito en el lenguaje de programación Python.

5. Preparar la muestra

  1. Utilice partículas de magnetita con un diámetro de 50 nm y 100 nm y partículas de maghemita con un diámetro de 1 m de la cual la concentración es 25,0 mg / ml. Lavar la solución mediante la disolución de las partículas magnéticas en agua, separándolos usando un imán y desechar el agua. Repetir el procedimiento tres veces. Diluir la solución de partículas magnéticas a un décimo con agua destilada.
  2. Preparar las muestras de papel de pellets con 2.0 mm de diámetro por la perforación hojas de papel secante de absorción utilizando un punzón de biopsia. Remojar en solución de perlas magnéticas de diferentes concentraciones durante 30 segundos y dejar secar al aire. Aquí, utilizar concentraciones de 0,04, 0,2, 1, 5, y 25 mg / ml de partículas de tamaño 100 nm.
  3. Preparar una muestra usando un nitrocellulose membrana de tamaño de 2,0 mm x 18,0 mm. Remojar la membrana con la solución sin diluir 1 micra de diámetro de partícula. Preparar una muestra empapando la membrana de manera uniforme, y otro al hacer un gradiente de concentración. Para ello, empapando los extremos de la membrana en solución de perlas con diferentes concentraciones, lo que resulta en el gradiente de concentración (Figura 5).
  4. Preparar una muestra en un tubo capilar de 10 l de volumen, diámetro exterior de 400 micras, longitud de 40 mm. Llene el tubo capilar con una solución de partículas de diámetro de 50 nm sin diluir. Preparar una segunda microtubo con 20x solución diluida (de la mezcla a 100 l de solución no diluida con 1,9 ml de agua).

6. Realizar 2D FMMD Scan

  1. Seleccionar área de escaneado de acuerdo con dimensiones planas a × b de la muestra. Introduzca los valores en el software de exploración.
  2. Seleccione la dirección paso a paso. Por lo general, la más corta de las dos dimensiones planas, llamémosla b
  3. Seleccione el escaneo de velocidad v, con la consideración de la reducción de la señal debido a la filtración de paso bajo, véase la discusión. Ajustar la velocidad a un valor entre 1 y 7 mm / seg. Introduzca el valor en el software de exploración.
  4. Elige la distancia Δ paso a paso b, teniendo en cuenta que no tiene que ser mucho más pequeña que la resolución espacial realizable, y el t total de tiempo de exploración, que será por lo menos t = a / v · b 1 b / Δ). Introduzca la distancia paso a paso en el software.
  5. Montar la muestra en el escáner 2D. Fijarlo en la placa de plástico con cinta adhesiva.

figura 3
Figura 3. Fotografía de configuración de la medición p-FMMD. La muestra se fija con cinta adhesiva sobre el soporte de plástico movido por el motoretapa (a la izquierda). A continuación, la muestra se escanea en la cabeza p-FMMD (derecha). Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

  1. El análisis se realiza pulsando el botón de inicio. Las exploraciones de las figuras 5 y 6 recogen un 20,0 mm (eje x) x 25,0 mm (eje y) región, es decir, seis de 25 mm rastros largos fueron escaneadas a lo largo del eje y, con pasos de 4,0 mm en la dirección x, a una velocidad de fase de 1,0 mm / seg. Esto equivale a un tiempo de exploración de aproximadamente 2 min.

Figura 4
Figura 4. Interfaz gráfica de usuario del software de exploración. Aquí se introducen los parámetros de exploración. La medición se inicia pulsando el botón rojo.

Procesamiento 7. Imagen

  1. Convertir los datos en bruto a la forma de la matriz usando un paste de script en Python. Registrar los datos en bruto de toda la exploración junto con los valores adicionales en un archivo de formato de 2 columnas valores separados por comas (CSV). La columna adicional indica la captura de los datos correspondientes durante el movimiento de los pasos. Los segmentos de secuencia de comandos de columna los datos en bruto en cada cambio del valor de columna adicional y elimina los segmentos de datos durante la intensificación de movimiento. También construye la matriz resultante poniendo los segmentos consecutivos restantes en filas o columnas de la matriz y escribe la matriz en un archivo de formato CSV.
    Nota: La imagen p-FMMD de este estudio se generaron usando un script en Python. La función pyplot.contour y de la función de la biblioteca pyplot.imshow matplotlib para el pitón se utilizan de forma acumulativa para la preparación de los contornos y los colores de fondo, respectivamente.

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Representative Results

La figura 5a muestra la distribución de sensibilidad calculado de la bobina de detección de doble diferencial interna como una función de las coordenadas x e y en el plano de la muestra. Se calculó en un enfoque inverso mediante la determinación de la superposición de los campos magnéticos en todos los puntos (x, y) en el plano central generado por todas las cuatro bobinas de detección. A la inversa, esto determina la sensibilidad de la bobina de detección a un momento magnético en cada uno de estos puntos. El cálculo se realizó mediante la aproximación de las bobinas siempre y bobinas de altura insignificante. Por lo tanto, la distribución de la sensibilidad se representa en la figura 5a representa el mapa de la sensibilidad en el plano de exploración, la llamada función de dispersión de punto (PSF). De manera similar, la Figura 5b muestra la sensibilidad como una función de la coordenada axial z y la coordenada radial r (r x 2 + y 2), dando así una asignación vertical de la sensibilidad en la hendidura de la cabeza de medición. El origen x = 0 e y = 0 se encuentra exactamente en el centro de la bobina de detección. La separación entre los centros de la bobina de detección superior e inferior es de 2 mm. Los parámetros de la bobina se enumeran en la Tabla 1. La Figura 5C muestra el resultado de un análisis experimental sobre la muestra de la línea de tipo de cadena preparado de acuerdo con el protocolo 5.2. A modo de comparación, un rastro de sensibilidad se calcula integrando numéricamente la función de dispersión se muestra en la Figura 5a durante un 2 mm de ancho línea ideal. El acuerdo es bueno, excepto que los hombros negativos en la señal calculada no se observan experimentalmente. En la simulación, estas partes negativas se originan de las contribuciones negativas de las bobinas de referencia que son más en el régimen de campo lejano de las bobinas de detección próximos a la samPLE. Creemos que la contribución negativa se sobreestima en la simulación porque las bobinas son aproximadas con la altura insignificante de arrollamientos.

Figura 5
Figura 5. Rendimiento de la cabeza de medición. Distribución de la sensibilidad calculada de la cabeza de medición (a) como una función de la planar coordenadas x e y para z = 0, (b) como una función de la coordenada axial z y la coordenada radial r . La sensibilidad se da con respecto al centro entre la bobina de detección superior e inferior en x = 0, y = 0 y r = 0. (c) Comparación de la sensibilidad medida y simulada. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

f 1 = 76,56 kHz con respecto a los momentos magnéticos en el centro de la cabeza de medición. Para el cálculo, se tomaron los parámetros de la bobina interna que se enumeran en la Tabla 1, suponiendo un factor de llenado (es decir, la fracción de cobre en los arrollamientos sección transversal) de K F = 0,5. Se obtuvo una sensibilidad del momento magnético m 0 / √ f = 1,8 · 10 -14 Am 2 / √Hz. Durante 1 seg tiempo de medición, esto equivale a un momento magnético resoluble mínima de 0 m = 7,3 · 10 -14 Am 2. Este valor es comparable al límite de detección que se puede obtener con una cabeza de medición del diámetro estándar de 8 mm. 14

La figura 6a muestra el signal intensidad como una función de la concentración de la solución de perlas magnéticas. La velocidad de exploración era de 1,0 cm / min. La concentración de los gránulos de papel preparadas según el protocolo 5.2 se varió desde 0,04 hasta 25,0 mg / ml. Las barras de error indican la desviación estándar de la medición FMMD. Los resultados mostraron una fuerte correlación entre la concentración de perlas magnéticas y la señal del detector. El coeficiente de determinación R 2 de la regresión lineal se evaluó como 0.98. La figura 6B muestra la relación entre la velocidad medida de la etapa de exploración y de la intensidad de la señal medida con el 5 mg / ml muestra de papel pellet según el protocolo 5.3. Se encontró que las señales más altas se pueden obtener a una velocidad inferior.

Figura 6
Figura 6. Calibración. Curva de calibración normalizada de (a) la p-FMmedición MD utilizando diferentes concentraciones de perlas magnéticas. Como muestras, se prepararon bolitas de papel con 2.0 mm de diámetro usando un punzón de biopsia, empapado en una solución de partículas magnéticas de diferentes concentraciones (véase el protocolo 5.3). El cabezal de medición pasó los pellets de papel con diferentes concentraciones de MP. La velocidad de la fase se ajustó a 1,0 mm / seg. (B) la intensidad de la señal en función de la velocidad de la etapa de XY para el 5,0 mg / ml de muestra de papel de pellets. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

La Figura 7 muestra una fotografía de las muestras de tipo membrana preparada de acuerdo con la imagen p-FMMD reconstruida obtenida a partir de ella el protocolo 5.4 y. El área de la imagen, así como la zona de exploración son ambos de 20 mm x 25 mm. La comparación de la p-FMMD escanear con la imagen óptica del sampl e demuestra claramente la viabilidad de utilizar el p-FMMD como escáner MPI. Sin embargo, las exploraciones p-FMMD son algo más amplio que los objetos reales. Esta ampliación se puede atribuir principalmente al perfil de sensibilidad de la cabeza de medición. Como se muestra en la Figura 5a, la medición de una distribución de partículas magnéticas se amplía por esta distribución incluso a ± 2.0 mm desde el centro de las cabezas de medición.

Figura 7
Figura 7. exploración 2D FMMD. (A) Fotografía de la muestra tipo de cadena. La muestra se preparó utilizando una membrana de nitrocelulosa empapada con una solución de partículas maghemita 1 m de diámetro SIMAG-Silanol véase el protocolo 5.4. (B) imagen reconstruida MPI, tamaño 20 mm x 25 mm. La muestra se escanea de forma continua en la dirección y de forma consecutiva y dio un paso en la dirección x 4 mm.ef = objetivo "https://www.jove.com/files/ftp_upload/53869/53869fig7large.jpg" = "_ blank"> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Una segunda muestra fue preparada, que consiste en dos microtubos llenos de diferente concentración de partículas magnéticas, tal como se describe en el protocolo 5.5. La figura 8 muestra una fotografía de la imagen que el p-FMMD reconstruido de la muestra y, ambos con un tamaño de 20 mm x 25 mm. Este ejemplo demuestra que las concentraciones que difieren en un factor de 20 pueden ser bien de captación de imagen con características de la imagen claramente discernibles.

Figura 8
Figura 8. exploración 2D FMMD. (A) Fotografía de dos microtubos de un volumen de 10 l con diferentes concentraciones de la muestra de fluido MAG-amina, véase el protocolo 5.5. (B) imagen reconstruida MPI, tamaño 20 mm y# 215; 25 mm. La muestra se escanea de forma continua en la dirección y de forma consecutiva y dio un paso en la dirección x 4 mm. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

las dimensiones de la bobina bobinados Bobina de la muestra abajo Bobina encima de la muestra
Bobina R 1 [mm] a W [mm] b H [mm] c No. de devanados Wire-O [mm] R [Ω] d L [mH] correo R [Ω] d L [mH] correo
Medición 1.0 4.0 1.7 2 × 600 0.08 47.67 0.95 47.66 0.95
Excitación 3.8 8.5 1.0 476 0.10 29.90 1.56 29.70 1.45
Conductor 5.0 8.5 5.0 2.000 0.12 190,75 36.90 141.28 37.90
un R 1 es el radio interior de la bobina. El radio medio es R 1 + H / 2, el radio exterior es R 1 + H.
b W es el ancho de la bobina, es decir, la sección transversal de los devanados.
c H es la altura de los devanados de la bobina.
d R representa la resistencia óhmica en corriente continua. En el caso de las bobinas de medida, es tque la resistencia en serie de las dos bobinas.
e L indica la inductancia, medida con un medidor de inductancia a 1 kHz.

Parámetros Tabla 1. bobina. Las dimensiones y los devanados de las bobinas de la cabeza de medición.

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Discussion

La técnica de medida utiliza la no linealidad de la curva de magnetización de las partículas superparamagnéticas. El cabezal de medición de dos caras simultáneamente se aplica dos campos de excitación magnéticos de diferente frecuencia a la muestra, una baja frecuencia (f 2) componente para conducir las partículas en la saturación magnética y una alta frecuencia (f 1) de campo de sonda para medir la respuesta magnética no lineal . En particular, los dos armónicos de los campos de incidentes, m · f 1 y f · n 2, y la suma frecuencias, m · f 1 + n · f 2 (con números enteros m, n), se generan. Estos productos de intermodulación se detectan por la bobina de recogida diferencialmente de heridas. Las bobinas de referencia no captan estas señales, ya que se encuentran muy alejados de la muestra. Sirven para la supresión de la alta frecuencia inducida directamente excitatotación que de otro modo saturar el preamplificador. Por lo tanto, la pequeña señal suma de frecuencia debido a la presencia de materiales súper paramagnético se convierte medibles y cuantificables. En la electrónica de lectura, sólo el producto de intermodulación en suma frecuencia f 1 + 2 · f 2 es demodulada porque es el componente no lineal más fuerte que está presente sin campo de polarización estática. Se ha demostrado que esta técnica permite el procesamiento rápido y un gran rango de detección dinámica. Detalles del principio FMMD y la electrónica de lectura se describen en detalle en la Ref. 10.

Los resultados de medición se muestran en la Figura 6 muestran que la señal de p-FMMD depende de la velocidad de la etapa de exploración y de la concentración de las partículas magnéticas. En consecuencia, la resolución y detección de límite espacial de la técnica son también velocidad- y dependiente de la concentración. Atribuimos este hallazgo a la reducción de la señal de la bajafiltro de paso a la salida de la detección de bloqueo en dos etapas de la electrónica de lectura. La investigación previa sobre MPI también mostró que la resolución espacial depende de la velocidad de los parámetros de la fuerza de gradiente, diámetro de partícula, el volumen del núcleo magnético y la velocidad mecánica del escenario. 20 Nuestros hallazgos son consistentes con estos resultados.

Nuestro método de exploración 2D difiere considerablemente de la técnica MPI convencional basado en la generación de un campo de punto libre (FFP) o el campo de línea libre (FFL), a pesar de que el principio de detección basado en la señal no lineal de superparamagnets es similar. 3, 21 Aunque MPI convencional tiene ventajas con respecto a la nueva técnica de p-FMMD, tales como el análisis 3D simultánea sin movimiento mecánico de la muestra o el sistema 7, el nuevo escáner MPI no necesita grandes imanes para generar un campo fuerte. Creemos que tanto el escáner convencional MPI y el escáner P-FMMD tienen sus ventajas específicas. La ventaja del escáner p-FMMD es su simplicidad y sus pequeñas dimensiones. No hay necesidad de emplear grandes bobinas de gradiente y sin necesidad de bobinas de enfriamiento. El tamaño de la muestra en la dirección X e Y no están limitados por la técnica, simplemente por el escáner y el soporte. Sin embargo, la técnica sólo es aplicable a muestras suficientemente delgada que se ajustan entre las bobinas de detección. Se requiere movimiento de la muestra con relación a la cabeza de medición, mientras que estándar MPI utiliza controlada eléctricamente de barrido de la FFL / FFP sin movimiento de la muestra.

MPI es una técnica relativamente nueva que tiene una variedad de posibles aplicaciones en muchos campos científicos e industriales. Se ha demostrado que su resolución espacial es comparable con la de otras modalidades de imagen médica. En este estudio, hemos introducido una nueva técnica llamada p-FMMD para realizar MPI de muestras planas. En comparación con otros escáneres MPI, que no requiere la generación de una o FFLr FFP. No se necesita una fuerte campo o gradiente de campo magnético. Creemos que la técnica de p-FMMD se convertirá en un método alternativo en el campo de MPI. áreas de aplicación potenciales incluyen el análisis de las secciones de tejidos biológicos con fines de diagnóstico. Con un nuevo diseño para dar cabida a muestras más gruesas, los estudios no invasivos de objetos grandes y pequeños animales llegarán a ser factible.

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Acknowledgments

Este trabajo fue apoyado por el programa D de MSIP / IITP, República de Corea (Grant No: B0132-15-1001, desarrollo de la próxima Imaging System) la I +.

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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References

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Ingeniería No. 112 de Imagen de Partículas Magnéticas (MPI) frecuencia de mezcla de detección magnética (FMMD) partículas magnéticas superparamagnetismo demodulación producto de intermodulación
Frecuencia de mezcla escáner de detección magnética para obtener imágenes de partículas magnéticas en muestras planas
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