Summary
Düzlemsel örneklerinde manyetik parçacıkların görüntülenmesi için bir tarayıcı manyetik algılama tekniği karıştırma düzlemsel frekansı kullanılarak geliştirilmiştir. parçacıkların doğrusal olmayan nonhysteretic mıknatıslanma manyetik modülasyon ürünleri tepkisi iki frekans uyarım üzerine kaydedilir. İnce biyolojik örneklerin 2D görüntüleri çekmek için kullanılabilir.
Abstract
Düz numunelerin Manyetik Parçacıklar Görüntüleme (MPİ) gerçekleştirmek için Manyetik algılama (p-FMMD) tarayıcı Karıştırma düzlemsel Frekans ayarları sunulmuştur. Bu U-şekilli destek ayakları üzerine monte edilen numunenin her iki tarafında, iki manyetik ölçüm başından oluşur. Örnek lokal 61 Hz yaklaşık 77 kHz iki farklı frekanslarda, daha güçlü bir bileşeni kapsayan, bir manyetik uyarı alanına ve daha zayıf bir alana maruz kalmaktadır. süperparamanyetik parçacıklar doğrusal olmayan manyetizasyon özellikleri intermodülasyon ürünlerinin oluşumuna neden olurlar. manyetik doğrusal olmayan parçacıklar yüksek ve düşük frekanslı manyetik alan olayın bir seçilmiş toplam frekans bileşeni demodülasyon elektroniği tarafından kaydedilir. İki frekans karıştırma lokal oluşur geleneksel MPI tarayıcı aksine, p-FMMD tüm örnek için güçlü bir manyetik alan uygulaması gerektirmez. Bu nedenle, örnek yanlamasına boyutları, adaletTarama aralığı ve destekler ile sınırlıdır. Ancak, örnek yüksekliği uzaysal çözünürlüğü belirler. Geçerli kurulum bu 2 mm ile sınırlıdır. Örnek olarak, biz silanol matris içinde ve aminosilan matriks içinde 50 nm manyetit parçacıkları ile 1 mikron çaplı maghemit parçacıkları ile örneklerinden elde edilen iki adet 20 mm 25 × mm p-FMMD görüntüleri sunuyoruz. Sonuçlar yeni MPI tarayıcı ince biyolojik numunelerin analizi için ve tıbbi teşhis amaçları için de uygulanabilir olduğunu göstermektedir.
Introduction
Manyetik nanopartiküller (MNT) seçici kromatin modülasyonu, 4 ve mRNA izolasyonu ve kanser tedavisi için algılama, 2, 3, hedef varlıkları etiketlenmesi için, biyomoleküllerin manipülasyon ve tek hücre 1, örneğin, moleküler biyoloji ve tıpta yaygın uygulamalar bulduk . 5 nedeniyle kendi süperparamanyetik özellikleri nedeniyle, tıbbi görüntüleme için özellikle yararlıdır. Onlar Süperiletken Kuantum Girişim Cihazı (SQUID) detektörleri kullanarak Manyetik Rezonans Görüntüleme (MRG) ya da duyarlılık görüntüleme için kontrast maddeleri veya izleyiciler olarak, örneğin, hizmet edebilir. 2, 6 süperparamanyetik nanopartiküller insan farklı dokulara iyi bir kontrast elde Diyaliz veya paramanyetik olan gövde. 7 Böylece, parçacıklar uygun nispeten iyi uzaysal çözünürlük ve hassasiyet ile insan vücudunun parçalarının tıbbi görüntüleri elde etmek için de kullanılabilir. 8
Gleich ve Weizenecker 9 getirdiği çadır "> Manyetik Parçacık Görüntüleme (MPİ) tekniği parçacığın mıknatıslanma nonlineerliğin kullanır. sıfır veya zayıf manyetik alan önyargı olarak, frekans f bir ac uyarılması için MNP tepkisi güçlü nedeniyle parçacıklar manyetik olarak doymuş, çünkü onların büyük duyarlılık. Özel olarak, parçacığın doğrusal olmayan manyetizasyon yüksek manyetik alan ön gerilimde olan harmonik n · f oluşmasına yol, n = 2, 3, 4 ... verir harmonik zayıf hale gelir. Gelen MPI tekniği, örnek tamamen Sadece numunenin doğrusal olmayan yanıta katkıda bulunacak yakın bu hat veya noktaya yer parçacıklarını. bir alan ücretsiz hat (FFL) ya da bir alan serbest noktası (TDP) hariç mıknatıslanır. ile uygun alıcı bobinler bir FFP ve istihdam hareketi, Gleich ve Weizenecker 1 mm uzaysal çözünürlüğü ile MPI görüntüleri satın aldı.AmacıylaMNP mekansal dağılımı hakkında bilgi edinmek, iki yöntem genellikle kullanılır, ikinci durumda elektromıknatıs vasıtası ile numune açısından, ya da FFL / FFP hareketi. 2, 3 ile sensörün mekanik hareket, görüntü rekonstrüksiyon teknikleri armonik-uzay MPI 3 ya da X-uzay MPI 10, 11 gibi, 12 gereklidir. MPI uzaysal çözünürlüğü, uyarma ve saptama bobinlerinin evrişim özellikleri ile ve manyetik alan gradyanı özelliklerine göre belirlenir. Bu görüntü rekonstrüksiyon algoritmaları alma rulo boyutu ve mesafe ile yanı sıra Maxwell denklemlerinin tarafından yönetilir manyetik alan dağılımı ile belirlenen doğal çözünürlük, üzerinde geliştirilmiş bir çözünürlük elde etmesini sağlar.
Bir MPI tarayıcı, genellikle bütün numune, numune boyunca ffl ya FFP yönlendirmek için kontrol edilebilir bir rulo sistemi, yüksek frekanslı bir excitatio mıknatıslanma için güçlü mıknatıs oluşurn bobin sistemi ve örnek doğrusal olmayan tepki toplayıp bir algılama bobini sistemi. Bu doymamış örnek bölgesinden harmonik yanıt kaydedilirken FFL / TDP sürekli numune hacmi ile taşınır. Tarayıcıya numune montaj sorununu önlemek için, bir tek-yanlı MPI Tarayıcı ancak düşük performans pahasına, Gräfe ve ark., 13 ile gösterilmiştir. Örnek mıknatıslar ve bobinler tarafından sarılmış halinde iyi sonuçlar elde edilir. Örnek tam FFL / TDP bölge haricinde manyetize edilmesi olduğu için, teknik, oldukça ağır ve hantal MPI sistemine gelen, su soğutmalı olan, nispeten büyük ve güçlü mıknatısların gerektirir.
Yaklaşımımız süperparamanyetik parçacıklar, doğrusal olmayan manyetizasyon eğrisi karıştırma frekansına dayalıdır. 14 süper paramagnets iki farklı frekanslar için (F 1 ve F <manyetik alanlara tabi tutulduğunda/ em> 2), f lineer kombinasyon m · temsil eden toplam frekansları 1 + n · 2 (tamsayı numaraları m, n) oluşturulur f. Bu bileşenlerin görünümü parçacıklarının mıknatıslanma eğrisinin doğrusal olmaması için son derece spesifik olduğu gösterilmiştir. Diğer bir deyişle, 15, MNT numunesi eş zamanlı olarak, frekans f 2 ve frekansta bir sondalama alanda bir tahrik manyetik alana maruz bırakıldığında f 1, parçacıklar frekans f bir tepki alanı oluşturur 1 + 2 · f 2. Bu toplam frekans nedenle özgünlüğü çok yüksek manyetik doğrusal olmayan numune olmadan mevcut olmaz. Biz bu yöntem "frekansı manyetik algılama karıştırma" (FMMD) denir. Deneysel teknik parçacık konsantrasyonunun büyüklük dörtten fazla siparişlerin bir dinamik aralığı verir olduğu doğrulandı. 14
<Tipik MPI enstrümantasyon aksine p class = "jove_content">, manyetik algılama (p-FMMD) yaklaşımı karıştırma düzlemsel frekansı doyma yakın örnek cezbetmek gerektirmez toplam frekans bileşeni f nesil 1 + 2 · f çünkü 2 sıfır statik önyargı alanda maksimum. Bu nedenle, güçlü ve hantal mıknatıslar ihtiyacı hafifletilir 14. Aslında, ölçüm kafasının dış boyutları 29 mm x sadece 77 mm x 68 mm. Karşılaştırma için, MPI kurulumları tipik haliyle metre boy. 7 dezavantajı, ancak bu teknik mevcut kurulumunda 2 mm maksimum kalınlığa sahip düzlemsel örnekleri ile sınırlı olmasıdır. Örnek İki taraflı ölçüm kafasına göreceli olarak taranacak sahiptir. kalın numuneler için izin bir yeniden yapım mümkündür, ancak uzamsal çözünürlük kaybı için işlem görmeye gelmiştir.Bu FMMD tekniğine dayalı, biz MPI algılama aletlerini özel bir türü mevcuttor düzlemsel numuneler için, (p-FMMD) tarayıcı "düzlemsel frekanslı manyetik algılama karıştırma" sözde. Ilke son zamanlarda yayımlanmıştır. 17 Bu çalışmada, teknik ve mevcut protokollerin metodolojisi odaklanmak nasıl böyle bir tarayıcı ve nasıl tarama işlemi gerçekleştirmek için kurmak. MPI kardiyovasküler veya kanser görüntüleme gibi tıbbi teşhis amaçları için uygulanabilir olduğu gösterilmiştir. 16, 18, 19 Bu nedenle, yeni MPI tarayıcı manyetik parçacık ölçülmesi için, örneğin, potansiyel uygulamaları, geniş bir yelpazesi için kullanılabilir inanıyoruz doku dilimleri dağıtım.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Tasarım Düzlemsel FMMD Ölçüm Başkanı
- Ölçüm kafasına bir bobin düzeni seçin. Örnek İki (+) bobinleri arasındaki merkezinde oturan, sırası - (-, +, +), bir numune yukarıda ve aşağıda, iki, iki başlatma bobin oluşan, Şekil 1 'e göre bir yapılandırma seçin. (-) Saat yönünün tersine işareti saat yönünde ve için, yani sarma yönünü, (+) işaret eder. Bu durumda, başlatma bobinlerin hassasiyeti örneği kalınlığı boyunca hemen hemen homojen bir hale gelir.
- pikap bobin doğrudan neden olduğu sinyal preamplisinin doygunluğunu önlemek ve örnek azami hassasiyet elde etmek için dışarı iptal şekilde uyarma bobinleri yerleştirin. Bu temel tasarım kurallarını yerine getirmek Diğer yapılandırmaları icat edilebilir.
- Maksimum numune kalınlığının belirtin. Burada, 2 mm kullanın.
- maksimum örnekleme t benzer pikap bobin çapını ve uzunluğunu seçinhickness. Burada, 2 mm'lik bir iç çapı 1.7 mm olan sargıların yüksekliği 3.7 mm arasında bir ortalama çapa getirir ve burada, seçilmiştir. Bobin genişliği 4 mm'dir.
- Tüm pikap bobinlerinin toplam empedansı yaklaşık preamplisinin giriş empedansını eşleştiğini tel çapı ve pikap bobin sargıları sayısını seçin. Bu durum saptama sıklığı kısıtlamalar getirir. 1,100 Ω optimum giriş empedansı, bir işlemsel kuvvetlendirici durumunda dört pikap bobinleri 0.08 mm çapında 600 sargılar vardır. 95,3 Ω toplam Ohmik seri direnç ve 919 Ω empedans verir 1.9 mH, toplam endüktansı veren emaye bakır tel.
- Yüksek frekanslı uyarma bobinleri hazırlayın 17 numunenin yerde manyetik alan ideal olarak yaklaşık 0.5 mT tutarındaki şekilde. bobinin iç yarıçapı 3.8 mm'dir ve Örneğin, genişlik 8.5 mm, rüzgar 0.1 mm çapında 476 sargılar w ire. Burada, 0.4 mT bir alan f 1 = 76.550 Hz sağlandı.
- Hazırlayın numunenin yerde manyetik alan yaklaşık 5 mT olduğunu düşük frekanslı uyarma bobinleri 17 gibi. bobinin iç yarıçapı 5mm ve Örneğin, genişlik 8.5 mm, rüzgar 0.12 mm çapında tel 2,000 sargı olup. Kurulum f 2 = 61 Hz'de 5 mT vermiştir.
P-FMMD Şekil 1. şematik çizimi set-up. İki ölçüm kafaları elektronik birbirine bağlanır. Örnek başları arasındaki boşluk yerleştirilir. (-) Referans olarak hizmet yüksek frekans uyarı bobinleri doğrudan alanını iptal etmek için algılama bobinleri (+) örnek sinyali, karşı-yara algılama bobinleri ölçün. Amp - preamplifier x - mikser, LPF - düşük geçiş filtresi, DAQ - veri toplama.target = "_ blank"> bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.
2. Ölçüm Başkanı Construct
- Uyarı ve tespit bobinleri iki takım örnek üstünde ve altında bağlandıkları şekilde, p-FMMD oluşturun. bobinlerin Her set düşük frekanslı sürücü bobin, yüksek frekanslı uyarma bobin ve eksenel gradyometre yapılandırmasında iki zıt yara alma bobinleri içeren bir diferansiyel algılama bobini oluşur.
- saptama bobini içine yüksek frekanslı uyarım doğrudan indüklenmesi dengelemek için edebilmek için diferansiyel algılama bobini, en az bir uyarım bobini lik bir ayarlanabilirliğine olanak sağlamaktadır. Örneğin, algılama bobininin karşı uyarı bobini nispi hareketine izin veren bir parçacığı üzerinde uyarıcı elektrik bobini monte edin. P-FMMD şematik diyagramı Şekil 1'de gösterilmiştir. 2 teknik çizim ve kurulum bir fotoğrafı tasvir Şekil. Detaylıbobinlerin parametreleri Tablo 1 'de listelenmiştir.
- Yukarıda ve sert destek örneği aşağıda rulo kümeleri monte koaksiyel bir yönlendirme ile, Şekil 1 ve 2'ye bakınız. İki bobin setleri birbirlerine göre titreşimle yok emin olun.
- Böyle bir şekilde, söz konusu uyarım bobin grubu için yüksek frekanslı uyarım akımı uygulanarak bunların arasındaki nispi pozisyon değiştirilerek ve aynı anda algılama bobini grubu bu frekansta saptanan sinyali, ölçüm ekipmanı kullanılarak ölçüm kafasının yüksek frekanslı dengesini ayarlama osiloskop veya bir kilit-amplifikatör.
- Bir kaç milivolt gibi düşük doğrudan indüklenen gerilimi, direkt indüksiyon, yani 1.000 'den fazla kat bastırma ayarlayın. uyarma akımı ve tespit voltaj arasındaki faz kaymasını gözlemleyerek adjustability sınırını belirleyin. En azından, indüklenen gerilim 90 ° karşılaştırmak gibi faz kaydırmalı olduğuDoğrudan indüksiyon d.
Şekil 2. Teknik çizim ve p-FMMD kafa fotoğraf. Dikey bir düzlem boyunca kesiti (sol üst) ve yatay bir düzlem (sol alt) bobin sarma önce açılmış ölçüm kafasının bir fotoğraf yanı sıra gösterilmiştir. 1 - Alüminyum desteği, 2 - algılama bobinleri eski bobin, 3 - uyarma bobinleri eski dişli bobin yukarı hareket ettirilebilir olan / aşağı dönme, 4 ile - örnek destek plakaları, 5 - alüminyum kapak, 6 - Numune stoper desteği, 7 - y yönünde tıpa - x doğrultusunda, 8 Durdurma. 6-8 taraması için kaldırılır. P-FMMD baş büyüklüğü 29 mm x 77 mm x 68 mm dir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
3. kurma Ölçüm Elektroniği
- exci yapılandırmadüşük frekanslı sürücü bobini ve yüksek frekanslı uyarma bobin hem de iki osilatörler ve güç yükselteçleri oluşan tasyonu bölümü.
- Bir osilatör ve 2 f düşük frekans için bir güç amplifikatörü olup, düşük frekanslı sürücü bölümü ayarlayın. sürücünün kangal yaklaşık 5 mT alanını üretmek için gerekli akımı sağlayan şekilde amplifikatörün gücünü hesaplamak. Burada, programlanabilir osilatör olarak Doğrudan Dijital Sentez (DDS) çipi kullanmak. güç yükselticisi olarak yüksek hızlı bir tampon kullanır.
- Bir osilatör ve 1 f, yüksek frekans için bir güç amplifikatörü ihtiva eden, yüksek frekanslı uyarım bölümü ayarlayın. o uyarma bobini yaklaşık 0.5 mT alanını üretmek için gerekli akımı sağlayan bu tür güç amplifikatörü ayarlayın. Bir DDS çip ve sırasıyla osilatör ve güç amplifikatörü gibi yüksek hızlı bir tampon kullanın.
- Bir preamplifie oluşan denetimi bölümü yapılandırmar, ilk karıştırıcı yüksek frekanslı f 1, bir ara amplifikatör ve filtre, 2 f iki kez düşük frekanslı 2 · dan demodulate için ikinci bir mikser ve bir nihai filtre ve çıkış sürücüsünden demodulate için. Alternatif olarak, algılama elektronik uygulamak için iki kilit-amplifikatörler kullanın.
- preamplifier sahne ayarlayın. algılama bobini ve kazanç bant genişliği ürün empedansı göz önüne alındığında, giriş operasyonel amplifikatör (OP) seçin. Ref açıklandığı gibi, hesaba belirtilen gerilim gürültü ve OP mevcut gürültü alarak gürültü optimizasyon prosedürü uygulayın. 10. ilk aşamada yaklaşık 100 bir amplifikasyon ile, yüksek hızlı, düşük-ses işlemsel seçin. Sonraki aşama eleştirmeyen, ama çıkış sinyali değil yüklenme nedeniyle bozuk, yani voltaj aralığında kalmasını kontrol edin. Burada, 4.3 kat büyütme ile düşük gürültü JFET giriş operasyonel amplifikatör kullanın.
- f kurmakIRST demodülasyon sahne, 1 f yüksek frekans ile güçlendirilmiş sinyali çarpılması. Bir analog çarpma çip kullanın ve demodülasyon için ayarlanabilir bir faz gerçekleştirmek için ikinci bir ayrı DDS çip başvuru. Alternatif olarak, preamplifier (3.2.1), ilk demodülatör (3.2.2) ve yüksek frekans jeneratörü (3.1.2) gibi bir kilit-amplifikatör kullanın.
- orta büyütme ve filtreleme sahne ayarlayın. 2 · 2 f geçer sinyal frekansı rahatsız f 1 ve 1 f 2 · En sahte yüksek frekans bileşenleri verimli bastırılır ise böyle bir low-pass filtre uygulamak. yaklaşık 100 toplam amplifikasyonu olan iki genel amaçlı operasyonel yükselticiler seçerek, örneğin, uygun bir ara madde amplifikasyon, seçin.
- Iki düşük frekanslı 2 · süzüldü ve güçlendirilmiş bir sinyal çarpılması, ikinci demodülasyon sahne kurmak f 2. kullanımBir analog çarpma çip demodülasyon için ayarlanabilir bir faz gerçekleştirmek için dördüncü ayrı DDS çip başvurmak ve. Alternatif olarak, orta amplifikatör (3.2.3), (3.2.4) harmonik ikinci ikinci demodülatör ve düşük frekans jeneratörü (3.1.1) ikinci harmonik demodülasyon kapasitesine sahip bir kilit-amplifikatör kullanın.
- Nihai amplifikasyon ve filtreleme sahne ayarlayın. 4 ° C'de sahte yüksek frekans bileşenleri · f 2 verimli bastırılır ise tarama frekansı sinyal frekansı bozulmamış geçtiği şekilde bir low-pass filtre uygulamak. İstenen çıkış gerilim aralığını göz önünde bulundurarak, uygun bir son amplifikasyon seçin. yaklaşık 10 olmak üzere toplam büyütmesi ile iki genel amaçlı operasyonel amplifikatörler kullanın.
4. kurma 2B Tarayıcı
- Hareket düzlemi bobinin eksenine dik olacak şekilde bir 2B tarayıcı monte edin.
- 2B tarayıcıyı kontrol ve eşzamanlı acquiriprogramlama dili Python ile yazılmış bir ev yapımı script kullanarak düzlemsel örnek FMMD sinyalinin 2D görüntü elde etmek için ölçüm elektroniği çıkış gerilimini ng.
5. Örnek hazırlayın
- konsantrasyonu 25.0 mg / mL olan 1 um'lik bir çapa sahip 50 nm ve 100 nm ve maghemit parçacık çaplı manyetit parçacıkları kullanın. Su içinde manyetik parçacıkları eritilmesi, bir mıknatıs kullanılarak ayırarak ve suyu atarak çözeltisi yıkama. prosedürü üç kez tekrarlayın. damıtılmış su ile onda biri manyetik parçacık çözeltisi ile seyreltilir.
- Bir biyopsi yumruk kullanarak emici kurutma kağıdı parçaları delme ile 2.0 mm çaplı kağıt pelet örnekleri hazırlayın. 30 sn farklı konsantrasyonlarda manyetik boncuk çözüm onları ıslatın ve havada kurumaya bırakın. Burada, 100 nm boyutlu parçacıklar, 0.04, 0.2, 1, 5, ve 25 mg / ml konsantrasyonları kullanırlar.
- Bir nitrocellulos kullanılarak bir numune hazırlama18.0 mm × büyüklüğü 2.0 mm e membran. sulandırılmamış 1 mikron çaplı parçacık çözümü ile membran ıslatın. bir eşit zarı ıslatarak örnek ve bir konsantrasyon gradyanı yaparak başka bir hazırlayın. (Şekil 5), farklı konsantrasyon ile boncuk çözelti içinde membranın uçlarını sırılsıklam konsantrasyon gradyanı ile sonuçlanan bunu yapın.
- 10 ul hacminde bir kılcal tüp içinde bir örnek, dış çapı 400 um, uzunluğu 40 mm hazırlayın. Seyreltilmemiş 50 nm çapında partikül çözeltisi ile kılcal tüp doldurun. 20x seyreltilmiş çözeltisi ile ikinci bir mikrotüp hazırlanması (su 1.9 ml sulandırılmamış çözeltisi 100 ul karışımı).
6. 2D FMMD Tarama gerçekleştirin
- Düzlemsel boyutlarına göre bir × örnek b seçin tarama alanı. tarama yazılımı değerleri girin.
- step yönünü seçin. Genellikle, iki düzlemsel boyutların kısa, bize b diyelim
- Seç tarama hızı v nedeniyle low-pass filtreleme sinyal azalması dikkate alınarak, tartışma bakın. 1 ve 7 mm / sn arası bir değere hızını ayarlayın. tarama yazılımı olarak değerini girin.
- Seç adım mesafe Δ b çok ulaşılabilir uzaysal çözünürlüğü daha küçük ve en azından t = a / v olacak toplam tarama süresi t olması gerekmez dikkate alarak · b / Δ b 1). Yazılımda adım mesafesini girin.
- 2B tarayıcıya örnek monte edin. yapışkan bant kullanarak plastik plaka üzerinde Fix it.
P-FMMD ölçüm kurulum Şekil 3. Fotoğraf. Örnek motor tarafından taşınan plastik bir taşıyıcı üzerine yapışkan bant ile yapıştırılmıştırevre (solda). Sonra örnek p-FMMD kafası (sağda) taranır. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
- start butonuna basarak taramayı gerçekleştirin. 25.0 mm (y ekseni) bölgesi, × Şekil 5 ve 6 kapağın bir 20.0 mm (x ekseni) taramaları, yani altı 25 mm uzunluğunda izleri bir sahne hızında, x yönünde 4.0 mm adımlarla, y ekseni boyunca tarandı 1.0 mm / sn arasında. Bu, yaklaşık 2 dakikalık bir tarama süresi tekabül etmektedir.
Tarama yazılımı Şekil 4. Grafik Kullanıcı Arayüzü. Tarama parametreleri burada girilir. Ölçüm kırmızı düğmeye basarak başlatılır.
7. Görüntü İşleme
- Bir homemad kullanarak matris formuna ham verileri dönüştürmekPython e script. 2 sütunlu virgülle ayrılmış değerler (CSV) biçiminde dosyasında ekstra değerler ile birlikte tüm tarama ham verileri yapın. Ekstra sütun adım hareketi sırasında gelen veri yakalama gösterir. komut bölümleri ekstra sütun değeri her değişiminde ham veri sütunu ve hareket adım sırasında veri kesimleri kaldırır. Aynı zamanda matris satır veya sütunların içine kalan ardışık segmentleri koyarak Elde edilen matris oluşturur ve bir CSV formatında dosyaya matrisi yazar.
Not: Bu çalışmanın p-FMMD görüntüleri bir python komut dosyası kullanılarak oluşturulur. pyplot.contour fonksiyonu ve python için matplotlib kitaplığından pyplot.imshow fonksiyonu kümülatif sırasıyla kontür ve arka plan renkleri hazırlanmasında kullanılmaktadır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Şekil 5a, örnek düzlemde bir koordinat x fonksiyonu ve y olarak iç çift diferansiyel algılama bobini hesaplanan duyarlılık dağılımını göstermektedir. Bu dört algılama bobinleri tarafından üretilen, merkezi düzlemde her noktaya (x, y), manyetik alanların süperpozisyonu belirleyerek ters bir yaklaşım hesaplandı. Tam tersi olarak, bu bu noktaların her biri bir manyetik moment algılama bobinin hassasiyetini belirler. Hesaplama önemsiz yüksekliği uzun bobinler olarak bobinleri yaklaşıldığıdır tarafından gerçekleştirildi. Böylece, Şekil 5a tasvir duyarlılık dağılımı tarama düzlemde duyarlılık haritası, sözde nokta dağılım fonksiyonu (PSF) temsil eder. Benzer bir şekilde, (R, Şekil 5b, eksenel bir fonksiyonu olarak hassasiyet Z koordinat gösterir ve radyal r koordinat
Düzlemsel bir fonksiyonu z = 0 için x ve y koordinatları olarak ölçüm kafasının Şekil 5. Performans. Ölçüm kafasının Hesaplanan duyarlılık dağılımı (a), (b) eksenel bir fonksiyonu olarak z koordine etmek ve radyal r koordinat . Duyarlılık nispeten x = y 0, = 0 ve r = 0. (c) ölçülen ve simüle duyarlılık Karşılaştırılması üst ve alt algılama bobini arasında merkeze verilir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
1 = 76,56 kHz f ölçüm frekansta bobinin fiziksel algılama sınırı hesaplandı. Tablo 1 'de gösterildiği gibi olan hesaplama için, iç bobinin parametreleri K F = 0.5 doldurma faktörünün (örneğin, sargılar bakır bir bölümü geçen) varsayarak alınmıştır. Biz f = 1.8 · 10 -14 Am 2 / √Hz √ m 0 / manyetik moment hassasiyeti elde etti. 1 sn ölçüm süre için, bu m 0 bir çözülebilir minimum manyetik an tutarı = 7.3 · 10 -14 Am 2. Bu değer, standart bir 8 mm çapında bir ölçüm başlığı ile elde edilebilir algılama sınırından daha karşılaştırılabilir. 14
Şekil 6a Signa göstermektedirmanyetik boncuk çözeltisi konsantrasyonunun bir fonksiyonu olarak l şiddeti. tarama hızı 1.0 cm / dak idi. protokol 5.2 göre hazırlanan kağıt peletler konsantrasyonu 25.0 mg / ml 0.04 arasında değiştirilmiştir. Hata çubukları FMMD ölçüm standart sapma ile gösterilir. Sonuçlar manyetik boncuk konsantrasyonu ve dedektörden sinyal arasında güçlü bir ilişki olduğunu göstermiştir. Lineer regresyon belirlenmesi R2 katsayısı 0.98 olarak değerlendirildi. 6b tarama aşaması hızından ve protokol 5.3'e uygun olarak 5 mg / ml kağıt pelet numune ile ölçülmüş sinyal yoğunluğu arasındaki ölçülen ilişkiyi göstermektedir. yüksek sinyaller daha düşük bir hızda elde edilebilir Bu bulunmuştur.
Şekil 6. Kalibrasyon. (A) p-FM Normalize kalibrasyon eğrisiManyetik boncuklar farklı konsantrasyonu kullanılarak MD ölçümü. örneklerde olduğu gibi, 2.0 mm çaplı kağıt peletler, farklı konsantrasyonlarda (protokol 5.3), manyetik partikül çözelti içinde ıslatılmış bir biyopsi zımbası kullanılarak hazırlandı. Ölçüm kafası MP farklı konsantrasyonları ile kağıt topakları geçti. kademesinin hız 1.0 mm / sn ayarlanmıştır. (B) 5.0 mg / ml kağıt pelet numunesi için XY aşamasının hızının fonksiyonu olarak sinyal yoğunluğu. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 7, bir protokol 5.4 ve ondan elde edilen yeniden p-FMMD görüntüye göre hazırlandı membran tipi numune fotografını göstermektedir. resim alanı yanı sıra tarama alanı 25 mm x hem 20 mm. p-FMMD karşılaştırılması sampl optik görüntü tarama E açıkça MPI tarayıcı olarak p-FMMD kullanmak için fizibilite göstermektedir. Ancak, p-FMMD taramalar gerçek nesneler biraz daha geniştir. Bu genişleme genellikle ölçüm kafasının hassasiyeti profiline atfedilebilir. Şekil 5a'da gösterildiği gibi, manyetik bir parçacık dağılımı ölçümü da ölçüm başları merkezi 2,0 mm ± bu dağılım ile genişletilir.
Şekil 7. 2B FMMD tarayın. String türü örneği (a) Fotoğraf. Örnek protokolü 5.4 1 mikron çapında maghemit partikül çözeltisi SIMAG-silanol ile ıslatılmış nitroselüloz zar kullanılarak elde edilmiştir. (B) Yeniden İnşa MPI görüntü, boyut 20 mm x 25 mm. Numune sürekli y yönünde taranır ve arka arkaya 4 mm x yönünde adım attı edilmektedir.ef = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/53869/53869fig7large.jpg" target = "_ blank"> bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Protokol 5.5 de tarif edildiği gibi ikinci bir örneği, farklı manyetik partikül konsantrasyonu ile doldurulmuş iki mikrotüp oluşan elde edilmiştir. 20 mm x 25 mm'lik bir boyutu olan, 8 numune ve yeniden p-FMMD görüntünün fotoğrafı görülmektedir hem Şekil. Bu örnek, bir 20 faktörü ile farklı konsantrasyonları da pek belirgin görüntü özellikleri ile görüntülenebilir göstermektedir.
Şekil 8. 2B FMMD taraması. Sıvı MAG-Amin, farklı numune konsantrasyonları ile 10 ul hacmi iki mikrotüp (a) Fotoğraf, protokol 5.5'e bakınız. (B) Yeniden İnşa MPI görüntü boyutu 20 mm &# 215; 25 mm. Numune sürekli y yönünde taranır ve arka arkaya 4 mm x yönünde adım attı edilmektedir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
| bobin boyutları | sargılar | numune altında bobin | Örneğin üzerindeki Bobin | ||||||
| bobin | R1 [mm], bir | W [mm] + b | H [mm] C | sargıların sayısı | Tel çapı [mm] | R [Ω] D | L [mH] e | R [Ω] D | L [mH] e |
| Ölçüm | 1.0 | 4.0 | 1.7 | 2 × 600 0.08 | 47,67 | 0.95 | 47.66 | 0.95 | |
| uyarma | 3.8 | 8.5 | 1.0 | 476 | 0.10 | 29,90 | 1.56 | 29.70 | 1.45 |
| sürücü | 5.0 | 8.5 | 5.0 | 2.000 | 0.12 | 190,75 | 36.90 | 141,28 | 37.90 |
| Bir R1 bobin iç yarıçapı. Yarı çap r ortalama 1 + H / 2, dış yarıçapı R 1 + H. | |||||||||
| W b bobin, örneğin, sargılar kesitinin genişliğidir. | |||||||||
| CH Bobin sarmallarının yüksekliğidir. | |||||||||
| d R DC Omik direnç gösterir. Ölçüm bobinlerin durumunda, t,Her iki bobinlerin o seri direnç. | |||||||||
| e L 1 kHz bir indüktans metre ile ölçülür endüktans, ifade eder. | |||||||||
Tablo 1. Bobin parametreleri. Ölçüler ve ölçüm kafasının bobinleri sargıları.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Ölçüm tekniği süperparamanyetik parçacıklar mıknatıslanma eğrisinin doğrusal olmama kullanmaktadır. İki taraflı ölçüm kafası aynı zamanda, manyetik doyuma parçacıklar ve yüksek frekans (f 1) probu alanı doğrusal olmayan manyetik tepkisini ölçmek için sürücü bileşeni (2 f) bir örneği, düşük bir frekansta, farklı frekans iki manyetik uyarı alanı uygulanır . Özellikle, olay alanların her ikisi de harmonikler, m · 1 ve n · 2 f, ve toplam frekansları f, m · f 1 + n · 2 (tamsayı numaraları m, n), oluşturulan f. Bu modülasyon ürünleri farklı şekilde yara alma bobini tarafından tespit edilir. onlar uzakta örnek bulunması nedeniyle başvuru bobinleri bu sinyalleri alıp yok. Onlar exci doğrudan kaynaklı yüksek frekanslı bastırılması için hizmetAksi takdirde preamplifier doyurmak istiyorum yon. Dolayısıyla, süper paramanyetik maddelerin varlığı küçücük toplam frekans sinyali ölçülebilir ve ölçülebilir hale gelir. Statik önyargı alanı olmadan mevcut güçlü doğrusal olmayan bileşen olduğundan okuma elektronik, 2 f toplam frekans f 1 + 2 · sadece modülasyon ürün demodüle olduğunu. Bu tekniğin hızlı işleme ve çok büyük bir dinamik algılama aralığı sağladığı gösterilmiştir. FMMD prensip detayları ve okuma elektronik Ref detaylı olarak tarif edilmektedir. 10.
Şekil 6 'da gösterilen ölçüm sonuçları p-FMMD sinyal tarama aşamasında hızına ve manyetik partikül konsantrasyonuna bağlı olduğunu ortaya koymaktadır. Sonuç olarak, tekniğin uzaysal çözünürlüğü ve saptama sınırı, hız-ve konsantrasyona bağımlıdır. Biz düşük sinyal azalmasına bu bulguyu bağlıyorsaati elektronik iki aşamalı kilitleme algılama çıkışında filtre geçmektedir. MPI Önceki araştırmalar, aynı zamanda uzamsal çözünürlük. Gradyan mukavemeti, parçacık çapı, manyetik çekirdek hacmi ve sahne mekanik hız parametreleri hızına bağlıdır 20 Bu sonuçlar, bu sonuçlar ile tutarlı olduğunu göstermiştir.
Bizim 2B tarama yöntemi superparamagnets gelen doğrusal olmayan sinyaline dayalı algılama ilkesi benzer olsa da, bir Alan Ücretsiz Noktası (TDP) ya da Alan Ücretsiz Hat (ffl) üreten dayanan geleneksel MPI tekniği önemli ölçüde farklıdır. 3, 21 olsa da geleneksel MPI gibi numune veya sistem 7 mekanik hareketi olmadan eş zamanlı 3D analizi gibi yeni p-FMMD tekniği üzerinde avantajlara sahiptir, büyük mıknatıslar gerekmez yeni MPI tarayıcı güçlü bir alan oluşturmak için. Biz geleneksel MPI tarayıcı ve p-FMMD tarayıcı hem kendi özel avantajlara sahip olduğuna inanıyoruz. p-FMMD tarayıcı avantajı sadeliği ve onun küçük boyutları olduğunu. Büyük degrade bobinler istihdam gerek ve bobinler soğutma gerek yoktur. X ve y yönünde örneklem büyüklüğü sadece tarayıcı ve desteği ile, tekniği ile sınırlı değildir. Bununla birlikte, bu teknik algılama bobinleri arasındaki uygun yeterince ince numune için geçerlidir. Standart MPI elektriksel örnek hareketi olmadan FFL / FFP tarama kontrollü kullanmaktadır oysa o, nispeten ölçüm kafasına örnek hareketini gerektirir.
MPI pek çok bilimsel ve endüstriyel alanlarda potansiyel uygulamalar çeşitli vardır nispeten yeni bir tekniktir. Onun uzaysal çözünürlüğü diğer tıbbi görüntüleme yöntemleri ile kıyaslanabilir olduğu gösterilmiştir. Bu çalışmada, biz düzlemsel örneklerinin MPI gerçekleştirmek için p-FMMD adında yeni bir teknik tanıttı. Diğer MPI tarayıcılar ile karşılaştırıldığında, bir FFL o nesil gerektirmezr FFP. Hiçbir güçlü manyetik alan veya alan degrade gereklidir. Biz p-FMMD tekniği MPI alanında alternatif bir yöntem olacağına inanıyoruz. Potansiyel uygulama alanları tanısal amaçlı biyolojik doku kesitlerinde analizini içerir. yeniden tasarımı ile kalın örnekleri, daha büyük nesnelerin non-invaziv çalışmalar karşılamak için ve küçük hayvanlar mümkün hale gelecektir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
Bu çalışma BİT Ar-MSIP / IITP, Kore Cumhuriyeti (: B0132-15-1001 Sonraki Görüntüleme Sistemi Geliştirilmesi Hibe No) D programı tarafından desteklenmiştir.
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 |
References
- Tseng, P., Judy, J. W., Di Carlo, D. Magnetic nanoparticle-mediated massively parallel mechanical modulation of single-cell behavior. Nat meth. 9 (11), 1113-1119 (2012).
- Borgert, J., et al. Fundamentals and applications of magnetic particle imaging. J. Cardiovasc. Comput. Tomogr. 6 (3), 149-153 (2012).
- Buzug, T. M., et al. Magnetic particle imaging: introduction to imaging and hardware realization. Z. Med. Phys. 22 (4), 323-334 (2012).
- Kanger, J. S., Subramaniam, V., van Driel, R. Intracellular manipulation of chromatin using magnetic nanoparticles. Chromosome Res. 16 (3), 511-522 (2008).
- Magnetic Nanoparticles: From Fabrication to Clinical Applications. Thanh, N. T. K. , CRC press. Boca Raton. ISBN: 978=1439869321 (2012).
- Saritas, E. U., et al. Magnetic Particle Imaging (MPI) for NMR and MRI researchers. J. Magn. Reson. 229 (4), 116-126 (2012).
- Goodwill, P. W., et al. X-space MPI: magnetic nanoparticles for safe medical imaging. Adv. Mater. 24 (28), 3870-3877 (2012).
- Yim, H., Seo, S., Na, K. MRI Contrast Agent-Based Multifunctional Materials: Diagnosis and Therapy. J Nanomat. 2011 (2011), (2011).
- Gleich, B., Weizenecker, J. Tomographic imaging using the nonlinear response of magnetic particles. Nature. 435 (7046), 1214-1217 (2005).
- Rahmer, J., Weizenecker, J., Gleich, B., Borgert, J. Analysis of a 3-D system function measured for magnetic particle imaging. IEEE Trans. Med. Imaging. 31 (6), 1289-1299 (2012).
- Goodwill, P. W., Conolly, S. M. Multidimensional x-space magnetic particle imaging. IEEE Trans. Med. Imaging. 30 (9), 1581-1590 (2011).
- Goodwill, P. W., Konkle, J. J., Zheng, B., Saritas, E. U., Conolly, S. M. Projection x-space magnetic particle imaging. IEEE Trans. Med. Imaging. 31 (5), 1076-1085 (2012).
- Gräfe, K., et al. An Application Scenario for Single-Sided Magnetic Particle Imaging. Biomed. Tech. 57, Suppl. 1 (2012).
- Krause, H. -J., et al. Magnetic particle detection by frequency mixing for immunoassay applications. J. Magn. Magn. Mater. 311 (1), 436-444 (2007).
- Meyer, M. H. F., et al. Francisella tularensis detection using magnetic labels and a magnetic biosensor based on frequency mixing. J. Magn. Magn. Mater. 311 (1), 259-263 (2007).
- Finas, D., et al. Detection and distribution of superparamagnetic nanoparticles in lymphatic tissue in a breast cancer model for magnetic particle imaging. Biomed. Tech. 57, Suppl. 1 (2012).
- Hong, H., Lim, J., Choi, C. -J., Shin, S. -W., Krause, H. -J. Magnetic particle imaging with a planar frequency mixing magnetic detection scanner. Rev. Sci. Instr. 85 (1), 013705 (2014).
- Haegele, J., et al. Toward cardiovascular interventions guided by magnetic particle imaging: First instrument characterization. Magn. Reson. Med. 69 (6), 1761-1767 (2012).
- Haegele, J., et al. Magnetic particle imaging: visualization of instruments for cardiovascular intervention. Radiology. 265 (3), 933-938 (2012).
- Goodwill, P. W., Lu, K., Zheng, B., Conolly, S. M. An x-space magnetic particle imaging scanner. Rev. Sci. Instrum. 83 (3), 033708 (2012).
- Lampe, J., et al. Fast reconstruction in magnetic particle imaging. Phys. Med. Biol. 57 (4), 1113-1134 (2012).
- Yim, H., Seo, S., Na, K. MRI Contrast Agent-Based Multifunctional Materials: Diagnosis and Therapy. J Nanomat. 2011 (2011), (2011).
