Summary
Een protocol om biologisch weefsel te bestuderen bij een hoge ruimtelijke resolutie met behulp van ultra-hoog veld magnetische resonantie microscopie (MRM) met behulp van microcoils wordt gepresenteerd. Stapsgewijze instructies zijn voorzien voor het karakteriseren van de microcoils. Ten slotte wordt optimalisatie van beeldvorming aangetoond op plantenwortels.
Abstract
Dit protocol beschrijft een signaal-ruisverhouding (SNR) kalibratie- en monsterbereidingsmethode voor solenoïdale microcoils in combinatie met biologische monsters, ontworpen voor hoge resolutie magnetic resonance imaging (MRI), ook wel MR-microscopie (MRM) genoemd. Het kan worden gebruikt bij pre-klinische MRI-spectrometers, aangetoond op Medicago truncatula wortelmonsters. Microcoils verhogen de gevoeligheid door de grootte van de RF-resonator af te stemmen op de grootte van het interessant monster, waardoor hogere beeldresoluties in een bepaalde data-acquisitietijd mogelijk worden. Door het relatief eenvoudige ontwerp zijn solenoïdale microcoils eenvoudig en goedkoop te construeren en kunnen ze gemakkelijk worden aangepast aan de monstervereisten. Systematisch leggen we uit hoe nieuwe of zelfgebouwde microcoils kunnen worden gekalibreerd met behulp van een referentieoplossing. De kalibratiestappen omvatten: pulskrachtbepaling met behulp van een nutatiecurve; schatting van de homogeniteit van het RF-veld; en het berekenen van een volume-genormaliseerde signaal-ruisverhouding (SNR) met behulp van standaard pulssequenties. Belangrijke stappen in de voorbereiding van monsters voor kleine biologische monsters worden besproken, evenals mogelijke verzachtende factoren zoals magnetische gevoeligheidsverschillen. De toepassingen van een geoptimaliseerde solenoïde spoel worden aangetoond door hoge resolutie (13 x 13 x 13 μm3, 2,2 pL) 3D-beeldvorming van een wortelmonster.
Introduction
Magnetische resonantie beeldvorming is een veelzijdig hulpmiddel om niet-invasief beeld een breed scala van biologische specimens, variërend van mensen tot enkele cellen1,2,3. Terwijl MRI-scanners voor medische beeldvormingstoepassingen doorgaans magneten gebruiken met een veldsterkte van 1,5 T tot 3 T, worden eencellige toepassingen afgebeeld op veel hogere veldsterktes1,3,4. De studie van specimens met resoluties van minder dan honderd micrometer wordt aangeduid als magnetische resonantiemicroscopie (MRM)5. MRM heeft echter last van een lage signaal-ruisverhouding (SNR) in vergelijking met andere beschikbare microscopie- of beeldvormingstechnieken (bijvoorbeeld optische microscopie of CT). Er kunnen verschillende benaderingen worden gevolgd om SNR6te optimaliseren. Een benadering is het gebruik van een hogere magnetische veldsterkte, terwijl een complementaire aanpak is het optimaliseren van de signaaldetector voor individuele monsters. Voor deze laatste moeten de afmetingen van de detector worden aangepast aan de afmetingen van het monster van belang. Voor kleine monsters met een diameter van ≈0,5-2 mm (bijvoorbeeld wortelweefsels) zijn microcoils nuttig omdat de SNR omgekeerd evenredig is met de spoeldiameter6,7. Resoluties tot 7,8 x 7,8 x 15 μm3 zijn bereikt op dierlijke cellen met behulp van speciale microcoils8. Er bestaan verschillende soorten microcoil, waarbij vlakke en solenoïde spoelen het meest worden gebruikt, afhankelijk van de toepassing en weefselgeometrie9. Vlakke spoelen hebben een hoge gevoeligheid dicht bij hun oppervlak, wat handig is voor toepassingen op dunne plakjes. Zo is bijvoorbeeld een methode beschreven die speciaal is ontworpen voor beeldvorming geperfundeerd weefsel voor vlakke microcoils10. Echter, vlakke spoelen hebben een hoge falloff van gevoeligheid en geen goed gedefinieerde referentie pulskracht. Solenoid spoelen, die cilindrisch, hebben een breder toepassingsgebied en zijn meer favoriet voor dikkere monsters. Hier beschrijven we de kenmerken van de solenoïde spoel, een protocol om monsters voor te bereiden op microcoil MRI, evenals de kalibratie van een solenoïde microcoil(figuur 1A).
De solenoïde spoel bestaat uit een geleidende draad opgerold, als een kurkentrekker, rond een capillaire bedrijf van het monster (Figuur 1B). Microcoilassemblages kunnen worden gebouwd met alleen emaille koperdraad, een assortiment condensatoren en een geschikte basis voor het solderen van de componenten (figuur 1B). De belangrijkste voordelen zijn de eenvoud en lage kosten, gecombineerd met goede prestatiekenmerken in termen van SNR per eenheid volume en B1 veld homogeniteit. Het bouwgemak maakt een snelle iteratie van spoelontwerpen en geometrieën mogelijk. De specifieke eisen van solenoïde microcoil ontwerp en sonde karakterisering (d.w.z., de theorie van elektronica, werkbankmetingen, en spectrometer metingen voor een verscheidenheid van coil geometrieën) zijn uitgebreid beschreven elders7,11,12,13,14.
Een solenoïde spoel kan worden gebouwd door rekening te houden met ontwerpregels voor de gewenste afmetingen volgens de elders beschreven richtlijnen15,16. In dit specifieke geval werd een spoel gebruikt met een binnendiameter van 1,5 mm, gemaakt van gemailde koperdraad, 0,4 mm in diameter, met een lus rond een capillaire van 1,5 mm buitendiameter. Deze solenoïde wordt gehouden op een basisplaat waarop een circuit is gemaakt, bestaande uit een tuningcondensator (2,5 pF), een variabele bijpassende condensator (1,5-6 pF) en koperen verbindingsdraden(figuur 1A, 1C). De tuningcondensator is gekozen om de gewenste resonerende frequentie van 950 MHz te bereiken, terwijl de bijpassende condensator is gekozen om de maximale signaaltransmissie te bereiken bij een impedantie van 50 Ohm. De grotere condensator is variabel om fijnere afstelling mogelijk te maken. Bij regelmatige werking worden tuning en matching uitgevoerd met behulp van condensatoren in de sondebasis. De geassembleerde microcoil moet op een sonde worden gemonteerd, zodat deze in de magneet kan worden geplaatst. Afhankelijk van het systeem kan een extra houder nodig zijn. Hier gebruiken we een 22.3 T magneetcombinatie met een Bruker Console Avance III HD in combinatie met een Micro5 probe. In dit geval hebben we een aangepaste steunwissel gebruikt die is uitgerust met de nodige aansluitingen om verbinding te maken met het 1H-kanaal van de sonde (figuur 1A).
Het op gevoeligheid afgestemde ontwerp van de spoel omvat een reservoir met geperfluoreerde vloeistof om de mismatches van de gevoeligheid te verminderen, die het gevolg zijn van het feit dat de koperen spoel zich in de nabijheid van het monster17besmachtigt . Een reservoir werd gemaakt van een plastic spuit om de spoel te omsluiten en gevuld met fomblin. Aangezien de geperfluoreerde vloeistof de spoel moet omsluiten, wordt de beschikbare diameter voor een monster teruggebracht tot een buitendiameter van 1 mm. Voor het gemak van het veranderen van monsters werd het monster bereid in een capillaire met een buitendiameter van 1 mm en een binnendiameter van 700 μm. De benodigde instrumenten voor de voorbereiding van de monsters zijn opgenomen in figuur 2A.
Fundamentele experimentele MR-parameters zijn sterk afhankelijk van de hardware van het gebruikte systeem, waaronder verloopsysteem, veldsterkte en console. Verschillende parameters kunnen worden gebruikt om de systeemprestaties te beschrijven, waarvan 90° pulslengte en vermogen, B1-homogeniteit en SNR per eenheidsvolume (SNR/mm3),het meest relevant zijn. SNR/mm3 is handig om de prestaties van verschillende spoelen op hetzelfde systeem te vergelijken18. Hoewel er hardwareverschillen tussen systemen kunnen bestaan, vergemakkelijkt de uniforme toepassing van een benchmarkingprotocol ook de vergelijking van de systeemprestaties.
Dit protocol richt zich op kalibratie en monstervoorbereiding. De stapsgewijze karakterisering van de prestaties van solenoïde microcoils wordt getoond: het kalibreren van de 90° pulslengte of -kracht; de beoordeling van de homogeniteit van het RF-veld; en de berekening van SNR per eenheidsvolume (SNR/mm3). Een gestandaardiseerde spin-echo meting met behulp van een fantoom wordt beschreven om een vergelijking van coil ontwerpen te vergemakkelijken, die het mogelijk maakt voor de optimalisatie van verschillende toepassingen. Phantom en biologische specimen monster preparaten, specifiek voor microcoils, worden beschreven. Het protocol kan worden toegepast op elke geschikte verticale magneet met smalle boringen (≤60 mm) die is uitgerust met een commercieel verkrijgbaar microimagingsysteem. Voor andere systemen kan het dienen als richtlijn en kan het worden gebruikt met enkele aanpassingen.
Biologische specimen voorbereiding voor MRI-metingen is meestal niet erg uitgebreid, omdat het monster is afgebeeld zo intact mogelijk. Luchtruimten in biologisch weefsel kunnen echter beeldartefacten veroorzaken als gevolg van verschillen in magnetische gevoeligheid19. Het effect neemt toe met toenemende magnetische veldsterkte20. Zo moeten luchtruimten worden vermeden bij hoge veldsterkte, en dit kan de onderdompeling van het monster in een vloeistof vereisen om lucht rond het weefsel te vermijden en de verwijdering van luchtruimten in de weefselstructuren. Specifiek, wanneer microcoils worden gebruikt, kan excisie van het gewenste monsterweefsel nodig zijn, gevolgd door het onder te dompelen in een geschikte vloeistof. Dit wordt gevolgd door het inbrengen van het monster in een voorgesneden capillair, en ten slotte het afdichten van de capillaire met capillaire was. Het gebruik van was als kit in plaats van lijm, vlamafdichting of alternatieven, betekent dat het monster gemakkelijk kan worden geëxtraheerd. Deze procedure wordt aangetoond op de wortel van Medicago truncatula, een kleine peulvruchtenplant. Een voordeel van dit protocol is het potentieel voor latere co-registratie van MRI-gegevens met optische microscopie, omdat het monster niet wordt vernietigd tijdens de MRI-meting.
Het gepresenteerde protocol is geschikt voor metingen met een hoge ruimtelijke resolutie in situ, en meer uitgebreide ontwerpen zouden beeldvorming in vivo monsters mogelijk kunnen maken, waar uitdagingen met betrekking tot levensondersteunende systemen zouden moeten worden aangepakt.
Protocol
OPMERKING: Dit protocol beschrijft procedures voor het gebruik en de evaluatie van de kenmerken van de spoel van een binnendiameter van 1,5 mm (ID) solenoïde spoel(figuur 1). De spoel die wordt gebruikt om het protocol aan te tonen is ondergebracht in een gevoeligheid-matched reservoir, maar het protocol is even goed van toepassing op ongeëvenaarde spoelen. Het protocol kan worden aangepast aan andere maten en verschillende spectrometeropstellingen.
1. Voorbereiding van de referentiemonster
- Los 156,4 mg CuSO4 ∙ 5 H2O op in 80 mL D2O in een GL45-kolf van 100 m. Het kopersulfaat vermindert zowel de ontspanningstijd van T1 als T2, waardoor snellere metingen mogelijk zijn, terwijl de D2O stralingsdemping en verzadigingseffecten voorkomt. Roer handmatig tot de vaste stoffen volledig zijn opgelost.
- Pas het volume aan op 100 mL met gedeïmiseerd water voor een eindconcentratie van 1 g/L CuSO4 (waterloos, 6,3 mM). Deze concentratie is voldoende om de ontspanning van T1 en T2 te verkorten, maar niet te hoog om door neerslag te worden beïnvloed. Verzegel het referentiemonster om te voorkomen dat de verhouding van H2O: D2O verandert.
- Sluit de sonde eventueel aan op een netwerkanalyzer, om te testen of de spoel resoneert op de gewenste resonantiefrequentie. Voer een S11 reflectantietest uit om het frequentiebereik te meten dat wordt bereikt door tuning en voor Q-factormetingen zoals in detail beschreven door Haase et al.14. Sluit de microcoil aan op de netwerkanalyzer met behulp van een co-axiale kabel. Gebruik indien nodig een BNC-adapterkabel.
- Stel de middenfrequentie op de netwerkanalyzer in op de gewenste resonerende frequentie, afhankelijk van de beoogde magnetische veldsterkte waarvoor de spoel is ontworpen. Stel vervolgens de veegbreedte in op 10 MHz. Pas de variabele condensator op de microcoilassemblage, indien aanwezig, aan om de reflectantiedip te verfijnen op de gewenste frequentie.
- Noteer het reflectantieniveau op de middenfrequentie en de frequentie f1 en f2 op het niveau van -7 dB. Gebruik deze om de Q-factor te berekenen op het niveau van -7 dB volgens Haase et al.14
2. Bereiding van monsters
- Als u een referentiemonster voorbereidt voor coilkalibratie, brengt u 1 mL CuSO4-oplossing over naar een glazen horlogeschotel onder een stereomicroscoop.
- Bij het voorbereiden van een biologisch monster moet u 1 mL perfluorodecaline (PFD) in een horlogeglas onder een stereomicroscoop overbrengen, die zal worden gebruikt om het monster onder te dompelen. PFD wordt gebruikt omdat het luchtruimten in het monster kan vullen, zonder biologische cellen binnen te komen. Het is ook niet waarneembaar door proton MRI. Bedek het horlogeglas onmiddellijk met een petrischaaldeksel om verdampingsverlies te voorkomen, voordat de PFD nodig is.
OPMERKING: PFD is zeer volatiel en een krachtig broeikasgas op lange termijn21. Wanneer de zuurstofoplossende eigenschappen en de lage viscositeit niet nodig zijn, kan het worden vervangen door Fomblin, een perfluoroether die ook geen waarneembaar 1H-signaal geeft, maar dat niet zo snel verdampt17. - Snijd haarvaten met een geschikte buitendiameter op maat, past in de diameter van de microcoilhouder (18 mm) en laat herpositionering toe (figuur 1C). Gebruik een keramische frees om elke 10-12 mm een incisie te maken en breek voorzichtig op het incisiepunt.
- Gebruik bij het bereiden van een referentiemonster een pincet en de stereomicroscoop om een voorgesneden capillair in contact te brengen met het oppervlak van de CuSO4-oplossing in het horlogeglas, waardoor capillaire werking de capillaire werking kan vullen.
- Gebruik bij het bereiden van een biologisch monster een pincet en een stereomicroscoop om een voorgesneden capillair in contact te brengen met het oppervlak van de PFD in het horlogeglas, waardoor capillaire actie de capillaire volledig kan vullen. Laat de capillaire in het horlogeglas, zodat het volledig wordt ondergedompeld.
- Haal voorzichtig een vijf weken oud wortelstelsel uit het groeisubstraat, zoals een perlietbodemvervanging. Reinig het wortelmonster minutieus van rhizosheath. Verwijder grote bodemdeeltjes met een pincet, en als kleinere deeltjes aanwezig zijn, verwijder ze door het wassen van het wortelstelsel met gedestilleerd water. Foto indien nodig voor toekomstige referentie. Selecteer en accijns een klein deel van vezelige wortel vrij van rhizosheath met behulp van een scalpel.
- Voor vacuümbehandeling plaatst u het monster in een buis van 1,5 mL met een geschikte fixatieve oplossing. Laat de dosop eraf en sluit de buis af met parafilm om de opening van de buis af te sluiten. Sla vervolgens gaten in de film met een scherp gereedschap om ventilatie van de buis mogelijk te maken.
- Plaats de monsterbuis in een vacuümkamer, verzegel de kamer en sluit een vacuümpomp van het laboratoriummembraan aan op de kamer. Onder voorbehoud van het monster om een vacuümbehandeling gedurende maximaal 30 minuten te ondergaan, om de aanwezigheid van luchtzakken in biologische monsters te verminderen. Stop de vacuümbehandeling wanneer er geen luchtbellen worden gezien die aan het monster ontsnappen.
- Terwijl u door een stereomicroscoop kijkt, gebruikt u een pincet om het monster onder te dompelen in het eerder voorbereide infiltratiemedium. Was het monster van potentieel puin.
- Steek het monster in de capillaire met behulp van een pincet, terwijl zowel de capillaire en het monster zijn volledig ondergedompeld om te voorkomen dat de opname van luchtbellen. Gebruik een kleinere capillaire of spuit naald tip als een duwende staaf(Figuur 2B).
- Neem het monster capillair van het medium horloge glas, met behulp van een pincet. Bedek in het geval van PFD het petrischaaldeksel.
- Vorm het tissuepapier in een fijn punt en gebruik het om circa 1 mm vloeistof uit beide uiteinden van de capillaire te verwijderen.
- Smelt een klein volume capillaire was met behulp van een waspen. Breng wax aan beide kanten aan. De was zal ondoorzichtig worden wanneer het stolt. Zorg ervoor dat luchtbellen worden uitgesloten van de capillaire(figuur 2C).
OPMERKING: Vermijd oververhitting van was of capillaire als dit kan leiden tot explosieve kook af, alsmede cavitatie zakken wanneer het afgewerkte monster afkoelt. - Schraap daarna overtollige was van de buitenkant van de capillaire met behulp van een scalpel en veeg schoon met fijn tissuepapier.
3. Montage van het monster
- Plaats een microcoil onder de stereomicroscoop en steek het monster in met een pincet terwijl de microcoil stabiel blijft (figuur 2D).
- Gebruik een staaf om het monster in de microcoil te centreren, door de capillaire in de solenoïde spoel te schuiven.
- Breng eventueel plakband aan om de positie van de capillaire te bevestigen.
- Inspecteer de capillaire om ervoor te zorgen dat er geen luchtbellen zichtbaar zijn in de solenoïde spoel, om mr-signaalvernietiging veroorzaakt door gevoeligheidsverschillen te voorkomen.
- Bevestig de microcoil aan de socket van de sondebasis, terwijl de microcoil rechtop blijft staan (figuur 3A,3B).
- Schuif de drieassige gradiëntspoelen voorzichtig over de microcoil terwijl de waterkoelingsconnectoren van het verloop worden afgestemd op die van de sondebasis(figuur 3C). Draai de schroefdraad op de sondebasis om het verloop op zijn plaats te zetten.
OPMERKING: Deze stap geldt alleen voor een Micro5-sonde. In het geval van andere systemen zoals Micro2.5 of Biospect bevinden de gradiënten zich op een aparte aansluiting dan de spoel.
4. Vaststelling van de kenmerken van de spoel
- Als de spoel voor de eerste keer wordt getest, gebruikt u de referentiemonsteroplossing om een homogeen monster te maken, wat handig is voor vermogenskalibratie en B1-homogeniteitstests. Mogelijke gevoeligheidsproblemen als gevolg van de spoeldraden kunnen gemakkelijk met dit referentiemonster worden getest.
- Steek de sonde in de magneet en sluit de nodige kabels aan: RF-zend-/ontvangstkabel, waterkoelingslijnen, thermokoppelkabel en luchtkoelingslijn.
- Stel de gewenste waterkoelingstemperatuur (aanbevolen 298 K) in voor de waterkoelingsunit.
- Stel de doeltemperatuur (298 K) en de beoogde gasstroom (300 L/h) in. De gasstroom kan verschillen voor een ander coilontwerp of monstervolume. Dit geldt alleen voor systemen met een temperatuurregelingssysteem.
LET OP: De volgende stappen zijn alleen nodig bij het testen van nieuwe (zelfgebouwde) spoelen. - Sluit de sonde aan met behulp van een co-axiale kabel van 50 Ω op een netwerkanalyzer met een voldoende brede veegbreedte (400 MHz), gecentreerd op de beoogde resonantiefrequentie.
- Let op de resonerende modi door de variabele matching en tuning condensatoren die aanwezig zijn in de sonde basis aan te passen.
- Stem af en match de resonerende modus op de gewenste frequentie.
- Bepaal eventueel de rolkwaliteitsfactor (Q-factor) op de netwerkanalyse. Een methode om de kwaliteitsfactor te verkrijgen is het gebruik van een koppelingsnetwerk en het delen van de middenfrequentie (fc) door de breedte van de reflectiedip bij -7 dB (d.w.z. Q = fc /(f1 - f2)14. Stel fc in op de werkingsfrequentie van de magneet, terwijl f1 en f2 zijn ingesteld op respectievelijk -7 dB-punt links en rechts van f c. Sommige netwerkanalyzers hebben Q-factor bepaling ingebouwd.
- Start een reflectantietest op de scanner, meestal een wiebelcurve genoemd, en pas de afstemming en matching zo nodig aan. Het wordt aanbevolen om alle tuning en bijpassende condensatoren in te stellen op het midden van hun assortiment voor nieuwe spoelen. Begin daarom met een hoge spectrale veegbreedte. In sommige gevallen is het misschien handiger om de spoel buiten de magneet op een netwerkanalyzer af te stemmen en aan te passen.
- Selecteer een shim-bestand voor de grootste volumespoel van de imagingsonde als deze beschikbaar is. Als u begint met een spoel die eerder is gebruikt, gebruikt u een beschikbaar shim-bestand. Als beide opties niet beschikbaar zijn, begint u met alle shim-waarden die zijn ingesteld op 0.
- Selecteer de juiste spoelconfiguratie voor de microcoil als deze beschikbaar is in de beeldsoftware (d.w.z. ParaVision). Anders, maak een nieuwe spoel configuratie die overeenkomt met de specificaties van de spoel (bijvoorbeeld single tuned of dubbel afgestemd) volgens de handleiding van het systeem. Schattingen voor de veilige grenswaarden voor deze solenoïde microcoil gebruikt in dit onderzoek met 1,5 mm binnendiameter in grootte is 1 ms bij 1 W piekvermogen en 1 mW continu vermogen.
LET OP: De kleine condensatoren (meestal 1 mm groot) die nodig zijn voor microcoils zijn zeer gevoelig en gemakkelijk beschadigd door hoge spanningen. Geautomatiseerde pulsvermogenbepaling werkt mogelijk niet bij niet-standaardspoelen en te hoge vermogens kunnen schade aan de spoel of andere delen van de spectrometer veroorzaken. Daarom worden handmatige aanpassingen aanbevolen. - Neem een nutatiecurve op voor een nieuwe spoel om een indicatie te krijgen van het juiste RF-vermogen voor de spoel (figuur 4). In het geval dat de veilige limieten voor de spoel onbekend zijn, begin dan met 10 μs bij een laag pulsvermogen van 0,6 W en verhoog de pulslengtes langzaam met 1 μs per keer totdat het signaal verschijnt.
- Met behulp van een FID-experiment bij afwezigheid van gradiëntcodering, varieert de RF-pulslengte systematisch terwijl het pulsvermogen constant blijft. De ideale pulslengte is de pulslengte, waarbij de signaalintensiteit het maximum bereikt. Als u een nieuwe spoel test, gebruikt u eerst een puls van 10 μs met een zeer laag vermogen en begin de pulskracht geleidelijk te verhogen.
OPMERKING: In het geval dat het vermogen veel hoger is dan verwacht voor de combinatie van spoelkenmerken en spectrometer, is dit al een indicatie dat de verkeerde resonerende modus is geselecteerd. - Voor een spoel met een homogeen B1-veld,zoals een solenoïde spoel, bepaal de 180° puls waar de signaalintensiteit daalt tot nul22.
- Met behulp van een FID-experiment bij afwezigheid van gradiëntcodering, varieert de RF-pulslengte systematisch terwijl het pulsvermogen constant blijft. De ideale pulslengte is de pulslengte, waarbij de signaalintensiteit het maximum bereikt. Als u een nieuwe spoel test, gebruikt u eerst een puls van 10 μs met een zeer laag vermogen en begin de pulskracht geleidelijk te verhogen.
- Stel het bepaalde 90° pulsvermogen in op de aanpassingskaart van de gemaakte studie. In ParaVision kan de referentievermogensaanpassingskaart worden gebruikt om het harde pulsvermogen in te voeren.
- Gebruik een localizer scan met 3 plakjes, een segment in elk van de drie primaire assen, om de positie van de spoel in de magneet te lokaliseren. Laad hiervoor een localizerscan vanuit de standaardbibliotheek van de spectrometer. Beginnen met een groot gezichtsveld zonder offset wordt aanbevolen. Voer een automatische ontvanger gain aanpassing uit en start handmatig de meting.
OPMERKING: Als het monster zich precies in het midden van het verloopsysteem bevindt, wordt het monster weergegeven in de localizerscan. Als de spoel of het monster niet gecentreerd is in de beeldsegmenten of ontbreekt, moet de localizerscan worden aangepast, in welk geval stap 4.12 opnieuw moet worden uitgevoerd. - U ook een aanvullende manier gebruiken om de juiste 90° puls te vinden op basis van beeldevaluatie. Zodra een geschatte pulskracht wordt gevonden met behulp van de nutatiecurve, past u de pulskrachten geleidelijk aan aan om het beeld te controleren op homogeniteit B1-veld. Voor sommige spoelen met een inhomogene B1-veld kan het 90° pulsvermogen dat wordt bepaald met behulp van de nutatiecurve worden overschat, wat leidt tot overtipping in de gewenste sweet spot van de spoel. Verlaag in dit geval de referentiepulskracht en controleer de nieuwe afbeeldingen ten opzichte van de vorige afbeeldingen(figuur 5).
- Shim het magnetisch veld handmatig op basis van het FID-signaal. Een aanbevolen bestelling voor de eerste shimming is Z-Z2-Z-X-Y-Z-Z2-Z-XY-XZ-YZ-Z. In het geval van een solenoïde bevindt de belangrijkste symmetrie-as zich in het XY-vlak. Daarom kunnen shims in verschillende richtingen resulteren in een sterkere correctie van de B0 homogeniteit voor deze spoelconfiguratie. Shims met een hogere orde hebben weinig effect en kunnen worden genegeerd.
- Bereken een genormaliseerde SNR met een volume om microcoil kenmerken over verschillende systemen te vergelijken, aangepast aan protocol18van de fabrikant . Voor de hier gebruikte microcoils gebruikten we een spin-echo sequentie met de volgende parameters: field-of-view (FOV) 6 mm x 6 mm, herhalingstijd (TR) 1000 ms, echotijd (TE) 7 ms, Matrix 256 x 256 en plakdikte = 0,5 mm. Pas de plakdikte aan totdat de ontvangstverdeel van de ontvanger is verenigt. Pas vervolgens het aantal segmenten aan, zodat segmenten verder reiken dan het gebied van B1-veldhomogeniteit. Neem de beelden op zonder signaalmiddeling, indien mogelijk.
- Bepaal het genormaliseerde volume SNR (SNR/mm3)in twee stappen. Bereken eerst het voxelvolume(Vvoxel)(Eq.1):
(1)
LET OP: De eenheden voor Dx, Dy en Dsegment zijn in mm. Deze berekening kan ook worden uitgevoerd voor een reeks segmenten. - Selecteer de aandachtsgebieden om de signaalintensiteit(μROI)van het monster en de signaalintensiteit (μruis)en standaarddeviatie(σruis)te bepalen voor een gebied buiten het monster (d.w.z. het lawaai). Het gemiddelde signaal wordt vanuit het midden van het beeld genomen, terwijl het ruissignaal wordt berekend vanaf de hoekpatches(figuur 6). De spectrometerbesturingssoftware of de software voor algemene beeldverwerking kunnen voor deze berekeningen worden gebruikt. Gebruik een enkele herhaling indien mogelijk, om de vergelijkbaarheid tussen de verschillende spoelen te behouden.
- Gebruik de waarden om een genormaliseerde SNR (Eq. 2) te berekenen:
(2)
Voor de spoel die hier wordt gebruikt in combinatie met de referentieoplossing, resulteert het gebruik van Eq. 2 in de volgende oplossing:
(3)
OPMERKING: Bij het vergelijken van de SNR van spoelen op verschillende magnetische veldsterkte, moeten de ontspanningseigenschappen van het fantoom worden gemeten23, tenzij een zeer lange herhalingstijd en zeer korte echotijd worden gebruikt.
- Bepaal het genormaliseerde volume SNR (SNR/mm3)in twee stappen. Bereken eerst het voxelvolume(Vvoxel)(Eq.1):
- Controleer op gevoeligheidsproblemen als gevolg van magnetische veldhomogeniteiten: laad en voer een meervoudige gradiënt-echo (MGE) sequentie(figuur 7). Magnetische veld inhomogeniteiten als gevolg van gevoeligheid verschillen zijn zichtbaar in de beelden met langere echotijden, als de gradiënt echo niet opnieuw draaien, die defase als gevolg van statische veld inhomogeniteiten. Op deze manier kunnen inhomogeniteiten in het monster worden gevisualiseerd (als gevolg van luchtruimten in het monster),evenals B 0-veldhomogeneiteiten die door het spoelmateriaal worden geïntroduceerd. Gebruik de volgende parameters, aan te passen afhankelijk van de specificaties van de gebruikte spectrometer en spoel: TR 200 ms, TE 3,5 ms met 48 echo's verdeeld over 3,5 ms uit elkaar, flip hoek 30 graden. Matrix maat 128 x 128.
OPMERKING: Als er meerdere (potentiële) resonerende modi of reflectiedips zijn waargenomen in de resonantiecurve (wiebelen), herhaalt u de bovenstaande stappen voor elke resonerende modus om de meest gevoelige te bepalen. Afhankelijk van de microcoil kunnen verschillende delen van de microcoilassemblage gevoelig zijn voor onbedoelde resonantiemodi.
(1)
(2)
(3)5. Beeldvorming met hoge resolutie
- Voer een 3D-FLASH-experiment uit met de volgende parameters: TR 70 ms, TE 2,5 ms, matrixgrootte van 128 x 64 x 64, FOV 1,6 x 0,8 x 0,8 mm, fliphoek 30°, en ontvangerbandbreedte 50 kHz.
- Ontlenen de pulskrachten aan de eerder bepaalde referentiepulskracht; dit is automatisch in de meeste imaging software. Bepaal de ontvangstaanwinst van de ontvanger met behulp van automatische aanpassingen. Pas indien nodig de FOV aan en bedek het hele object in beide fasecoderingsrichtingen om aliasing te voorkomen. Voer een gradiënt duty cycle simulatie uit, indien beschikbaar op het systeem, om te controleren of de taakcyclus van het experiment binnen de specificaties van de gradiëntspoelen blijft.
OPMERKING: Deze parameters zijn specifiek voor de spoel die wordt gebruikt voor demonstratie; het is belangrijk om te optimaliseren voor de lokale systeemspecificaties.
6. Terugvordering van monsters voor verder onderzoek of opslag
- Verwijder het monster capillair uit de microcoil.
- Verwijder met behulp van een pincet de waspluggen onder een stereomicroscoop.
- Gebruik een spuit om het monster uit de capillaire te wassen met een oplossing naar keuze. U ook een glazen duwstang gebruiken om het monster uit te werpen.
- Om uitdroging van het monster te voorkomen, bewaar u in een geschikt medium voor opslag.
Representative Results
Coil karakterisering
Bij succesvolle afstemming en matching van een spoel, kunnen de prestaties worden gekenmerkt door de spoel Q-factor, 90° referentiepuls, en SNR / mm3. Voor de hier aangetoonde 1,5 mm ID-gevoeligheidsspoel was de gemeten Q-factor (gelost) 244, tegenover 561 voor een 5 mm vogelkooisrol.
De referentie 90° puls was 12 μs bij een vermogen van 0,6 W; cf. 5 μs bij 45 W voor een vogelkooispoel van 5 mm (figuur 4 en figuur 5). Dit komt overeen met een RF pulsveldsterkte(B1), met behulp 
van 0,53 mT voor de microcoil en 1,17 mT voor de vogelkooispoel14 waarbij y de gyromagnetische verhouding is, terwijl tau de pulsduur is. Aangezien het pulsvermogensniveau(P)verschilt, kunnen spoelen worden vergeleken in termen van zendefficiëntie 
: respectievelijk 0,69 mT/W1/2 en 0,18 mT/W1/2 voor de microkoecoil en vogelkooi. Vergeleken met een 90° puls, wordt de microcoil een factor ≈ 4 keer gevoeliger dan de vogelkooispoel.
Effect van gevoeligheidsmatching
Bij ultrahoge veldsterktes worden monster- en spoelgevoeligheid een dominante factor voor beeldkwaliteit, zoals te zien is in figuur 7A,7B. Vergeleken met een spoel zonder gevoeligheid bijpassende vloeistof reservoir, het signaal wordt langer en homogener bewaard in een referentiemonster. Door het gevoeligheidsreservoir nemen de maximale monsterafmetingen echter af ten opzichte van de spoel zonder reservoir.
Beeldvorming met hoge resolutie
Een hoge resolutie van 13 x 13 x 13 μm3 van een Medicago truncatula wortelmonster werd bereikt in 20 uur en 23 minuten (Figuur 8). Vanaf het oppervlak van de wortel wordt de wortelschors gezien, samen met wat restwater aan de buitenkant van de wortel. Bovendien wordt de xylem waargenomen als een donkere band die de phloem omsluit. Sommige luchtzakken worden waargenomen als donkere vlekken met volledig signaalverlies.
Symbiotische wortelknoop knobbeltjes van M. truncatula kunnen ook worden afgebeeld met behulp van dit protocol (Figuur 9). Met behulp van een iets grotere ongeëvenaarde spoel (lengte circa 3500 μm, binnendiameter 1500 μm) werden in 33 minuten beelden met een resolutie van maximaal 16 x 16 x16 μm 3 verkregen.
Figuur 1: Een solenoïde microcoil. (A) De solenoïde spoel ontwerp bestaat uit draad lus helically, meestal gewikkeld rond een capillaire. De geometrie van de draad, zoals de dikte, diameter, aantal wikkelingen en draadafstand, beïnvloedt de kenmerken van de spoel. (B) Een zelfgebouwde solenoïde microcoil met een reservoir voor gevoeligheid matching vloeistof (Fomblin). Het bestaat uit een 0,4 mm dikke gecoate koperdraad wond zes keer rond capillair met een buitendiameter van 1500 μm en een spoellengte van 3500 μm. De spoel wordt ondergedompeld in een reservoir dat is gemaakt van een spuit. Monster haarvaten tot een buitendiameter van 1000 μm kunnen worden ingevoegd. Er worden twee condensatoren gebruikt, een 1,5 pF condensator in serie met de inductor en een tweede variabele 1,5-6 pF condensator wordt parallel aan de inductor geplaatst. Alle componenten worden gesoldeerd aan een glasvezelbord (geel). Het is gemonteerd op een commerciële houder (grijs polymeer) die is aangepast om het reservoir te ondersteunen. (C) Solenoid coil design componenten: 1. solenoïde spoel, 2. monster capillair, 3. 1,5 pF tuning condensator, 4. variabele matching condensator, 5. glasvezel basisplaat, 6. koperdraad leidt. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 2: Monstervoorbereiding onder een stereomicroscoop. (A) Voorwerpen die nodig zijn voor de bereiding van microcoils. Van links naar rechts: 1. CuSO4 referentieoplossing, 2. perfluorodecalin, 3. microcoil, 4. scalpel, 5. positieve spanning pincet, 6. pincet, 7. haarvaten buitendiameter = 1000 μm, 8. waspen, 9. capillaire was, 10. nitrilhandschoenen, 11. stereomicroscoop, 12. horloge glas met petrischaal deksel, 13. plantaardig materiaal in groeisubstraat. Niet getoond: 2 mL spuit met ø 0,8 x 40 mm naald en fijn tissuepapier. (B) Sluit het inbrengen van monsters in een capillaire met een pincet, terwijl beide onder water worden gehouden. (C) Verzegeling van de capillaire met gesmolten was. (D) Het inbrengen van de bereide capillaire in de microcoil. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 3: Het onderdeel van een micro-imaging sonde. (A) Micro5 sondebasis, met alle benodigde aansluitingen voor waterkoeling, verwarming, temperatuursensoren, verloopvermogen, RF (co-axiale connector zichtbaar) en optioneel sonde-identificatie (PICS). Onder de sondebasis bevinden zich knoppen die het mogelijk maken om de variabele afstemming en bijpassende condensatoren aan te passen, evenals het behouden van schroeven om de sonde op zijn plaats te houden in de spectrometer. (B) De zelfgebouwde microcoil montage bovenop de sonde-basis. Let op de variabele condensatoren (wit keramiek) gemonteerd op de sonde-base die het mogelijk maken voor tuning en matching. (C) Geïntegreerde 3-axiale gradiënt gemonteerd op de sonde basis met waterkoeling recipiënten en vergulde contacten voor het aarden van de helling. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 4: Nutatiecurve. Een nutatiecurve wordt verkregen om het referentiepulsvermogen te bepalen. Het referentiepulsvermogen (90° puls) wordt gedefinieerd als de combinatie van vermogen en pulslengte die nodig is om een B1-veld te genereren dat alle beschikbare magnetisatie in de z-richting naar het dwarsvlak klapt. Een reeks van een puls wordt geregistreerd bij afwezigheid van gradiëntcodering. Bij elke puls wordt de pulslengte of het pulsvermogen verhoogd. Hier wordt de pulskracht ingesteld op 0,6 W, terwijl de pulslengte telkens met 1 μs wordt verhoogd. De maximale signaalintensiteit geeft de 90° puls aan, ongeveer 12 μs. De 180° puls kan ook op deze manier worden bepaald aan de hand van de minimale intensiteit. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 5: Visuele bepaling van 90° pulsvermogen. Zodra een referentie pulskracht is gevonden met behulp van een nutatiecurve, kan deze visueel worden gecontroleerd door de pulslengte te variëren. Afhankelijk van de spoel kan het B1-veld min of meer gevoelig zijn voor veranderingen. (A) 11 μs pulslengte. (B) 12 μs pulslengte, optimaal voor deze spoel. (C) 13 μs pulslengte. (D) 20 μs pulslengte. Als de pulskracht te hoog is ingesteld, kan er sprake zijn van overkanting, waardoor de beeldintensiteit in het midden van de spoel (pijlpunt) wordt verminderd. Het verhoogde B1-veld verhoogt ook het bereik van de spoel, zoals kan worden waargenomen in de breedte van het beeld. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 6: Plaatsing van de regio van belang. De regio's van belang (ROI) voor het volume genormaliseerde SNR berekening kan worden gezien. De gemiddelde monsterintensiteit wordt ontleend aan een ROI die binnen het monster van de referentieoplossing valt. De gemiddelde ruis en standaarddeviatie worden berekend op basis van een of meer ROI in de hoeken van de afbeelding. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 7: RF homogeniteit geëvalueerd door gradiënt echo imaging. Een meervoudige gradiëntcho (MGE) wordt gebruikt om de homogeniteit van RF(B1 -Field) te evalueren met behulp van een reeks gradiëntecho's. Basisparameters waren: herhalingstijd 200 ms, echotijd 3,5 ms met het aantal echo's 48, echoafstand 3,5 ms, 64 gemiddelden, aanschaftijd 27 m 18 s, flip hoek 30°. Gezichtsveld was 5 x 5 mm, matrix 128 x 128, resolutie 39 x 39 x 200 μm. (A) Gevoeligheid-matched coil. De gevoeligheidsmatchievloeistof (Fomblin) rond de RF-spoel vermindert de gevoeligheidseffecten als gevolg van de spoeldraad. Kleine luchtbellen veroorzaken verlies van signaal als de echo tijd toeneemt. (B) Een spoel (niet gevoeligheid afgestemd) met gelijke spoeldiameter. Op langere echotijden worden toenemende artefacten die worden veroorzaakt door B 0-veldhomogeniteit waargenomen. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 8: 3D-beeldvorming van een Medicago truncatula-wortelsectie. (Boven)FLASH beeld. Verschillende kenmerken van de wortelsectie kunnen worden onderscheiden, waaronder de opperhuid (e), cortex (c), phloem (ph) en xylem (xy). Luchtzakken (a) in de wortel veroorzaken volledig signaalverlies. Basisparameters waren als volgt: Herhalingstijd 70 ms, echotijd 2,5 ms, 256 gemiddelden, aanschaftijd 20 uur 23 m. Resolutie 13 x 13 x 13 μm3. Matrix grootte was 128 x 64 x 64 en gezichtsveld 1,6 x 0,8 x 0,8 mm. Ontvangerbandbreedte 50 kHz. (Bodem) MSME-afbeelding. Basisparameters waren als volgt: Herhalingstijd 500 ms, echotijd 5,2 ms, 28 gemiddelden, aanschaftijd 15 uur 55 m. Resolutie 13 x 13 x 13 μm3. Matrix grootte was 128 x 64 x 64 en gezichtsveld 1,6 x 0,8 x 0,8 mm. Ontvangerbandbreedte 70 kHz. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 9: 3D-beeldvorming van een Medicago truncatula wortel knobbel. (Boven) Afbeelding met lage resolutie. Basisparameters waren als volgt: Herhalingstijd 60 ms, echotijd 2,3 ms, 4 gemiddelden, overnametijd 4 m. Resolutie 31 x 31 x 31 μm3. Matrix grootte was 64 x 32 x 32 en gezichtsveld 2 x 1 x 1 mm. Ontvangerbandbreedte 50 kHz. (Bodem) Afbeelding met hoge resolutie. Basisparameters waren als volgt: Herhalingstijd 60 ms, echotijd 2,3 ms, 8 gemiddelden, aanschaftijd 33 m. Resolutie 16 x 16 x 16 μm3. Matrix grootte was 128 x 64 x 64 en gezichtsveld 2 x 1 x 1 mm. Ontvangerbandbreedte 50 kHz. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Discussion
Dit protocol is het meest geschikt voor biologische monsters, omdat veel materialen en geologische monsters aanzienlijk kortere T2-ontspanningstijden hebben, die niet kunnen worden afgebeeld door de sequenties die hier worden gebruikt. Zelfs sommige biologische weefsels, die vertonen hoge monster magnetische gevoeligheid heterogeniteit, kan moeilijk zijn om beeld op ultra-hoog veld als de effecten zijn gecorreleerd aan het veld sterkte24. Het protocol is niet alleen nuttig voor nieuwe spoelen, maar kan ook helpen bij het oplossen van problemen en de diagnose van mogelijke problemen. Bij het testen van nieuwe of onbekende monsters kan dit protocol vooraf worden uitgevoerd op de referentieoplossing om te controleren of de experimentele installatie volgens de specificaties functioneert. Dit helpt bij het oplossen van problemen, omdat de spectrometer kan worden uitgesloten als een bron van artefacten en storingen. Bovendien stelt dit de tuning en bijpassende condensatoren op de sonde in op waarden die typisch zijn voor de microcoil.
Wanneer er bij het eerste experiment geen signaal wordt geregistreerd, kan het gezichtsveld van de localizerscan worden vergroot om te controleren of het monster wordt gezien. Controleer vervolgens opnieuw of de spoel correct is afgesteld en probeer een andere localizerscan. Het is mogelijk dat de spoel extra onbedoelde resonerende modi vertoont, in welk geval correcte moet worden bepaald. Als er nog steeds geen afbeelding kan worden verkregen, verwijdert u het monster om de positie ervan binnen de microkoecoilassemblage te controleren en te controleren of het monster intact is (d.w.z. er zijn geen luchtbellen of lekken in de afdichtingen aanwezig). Ten slotte kan een monster worden bereid met water in plaats van PFD. In het geval dat het monster geeft weinig detecteerbaar signaal in de localizer scan, het omringende water in de capillaire kan nog steeds worden gedetecteerd.
Aangezien microcoils idealiter zeer dicht bij het monster liggen, kunnen de magnetische gevoeligheidsverschillen tussen de lucht en de draad extra signaalverlies veroorzaken, zoals te zien is in figuur 7B. Potentiële artefacten omvatten ruimtelijke mismapping en afwijkende signaalintensiteit variatie. Vooral gradiënt-echo type puls sequenties worden beïnvloed door dit niet-uniforme signaalverlies. Om deze reden presenteerden we een gevoeligheid-matched spoel, door het onderdompelen van de draad in fluorinert vloeistof (Fomblin of FC-43). De B1-schattingsmethode in dit protocol kan helpen bepalen of de B1-gevoeligheidsverschillen de opname van gevoeligheidsmatchingstrategieën in het ontwerp van de coilassemblage rechtvaardigen. Een alternatieve benadering voor de bouw van een gevoeligheid afgestemd spoel is het gebruik van gevoeligheid-matched draad25. Bovendien worden met deze aanpak alleen gevoeligheidsproblemen als gevolg van de spoel aangepakt. Gevoeligheid mismatches in het monster (bijvoorbeeld als gevolg van luchtruimten) blijven uitdagend.
Luchtzakken of bellen vormen een experimentele uitdaging die veel signaalverlies veroorzaakt, veroorzaakt door gevoeligheidsverschillen op de interface van de lucht en de vloeistof of het monster19 (figuur 5A). Een cruciaal aspect van een succesvolle monstervoorbereiding is de onderdompeling van zowel monster als capillaire. Echter, zelfs kleine bellen kunnen leiden tot signaalverliezen, vooral voor gradiënt echo type sequenties. Mobiele luchtbellen kunnen door de capillaire migreren totdat ze in contact komen met het monster. Sommige van deze effecten kunnen worden verlicht door het capillaire licht te kantelen, zodat het ene uiteinde hoger is dan het andere. Kantelen zorgt ervoor dat potentiële luchtbellen op hun plaats worden gehouden aan de bovenkant, zonder het monster te verstoren. Het is ook belangrijk om te controleren of de capillaire was vormt een goede afdichting, als uitdroging kan leiden tot grote luchtbellen te vormen.
Voor de luchtruimten in het monster werd PFD gebruikt om de intercellulaire luchtruimten te vullen zonder de celmembranen te penetreren26. Echter, zelfs met deze aanpak, waren we niet in staat om alle luchtruimten te verwijderen. Bovendien betekent deze aanpak dat we een extra agent nodig hebben, wat meestal niet de voorkeur heeft vanwege de wens om een systeem zo niet-invasief mogelijk te bestuderen.
De cilindrische vorm van haarvaten betekent dat perfusieopstellingen levensvatbaar moeten zijn, vooral voor weefsels die kwetsbaar zijn voor verval, zoals biopten of het bestuderen van processen in levend wortelmateriaal. Twee stappen kunnen een perfusie-setup realiseren. Ten eerste zou het aansluiten van een medium feed tube en een afvoerbuis aan weerszijden van de capillaire voldoende zijn om een chemostat te creëren. Ten tweede kan de toevoeging van een inkeping in de capillaire monster het monster op zijn plaats houden tegen de stromingsrichting. Dit is analoog aan een protocol gepubliceerd voor planaire microcoils10.
Het niet-invasieve karakter van MR-beeldvorming, in combinatie met de inerte vloeistof die in dit protocol wordt gebruikt (PFD of Fomblin), betekent dat monsters na voltooiing van experimenten uit hun haarvaten kunnen worden verwijderd voor verder onderzoek. Combinaties omvatten optische of elektronenmicroscopie en andere destructieve beeldvormingstechnieken. We hebben onlangs aangetoond een combinatie met optische microscopie op Medicago truncatula wortel knobbeltjes27.
We hebben een methode voor het beeldvorming van plantaardig materiaal aangetoond met behulp van speciale microcoils op een ultra-hoog veld NMR spectrometer. De vrij grote steekproefvolumes kunnen bij hoge resolutie met goede homogeniteit RF worden bestudeerd. Bovendien kan spectroscopische beeldvorming worden uitgevoerd op hogere resoluties dan anderszins haalbaar is. Het aanpassen van het ontwerp van microcoil aan monsters wordt vergemakkelijkt door een efficiënte methode om de kenmerken van de spoelprestaties te bepalen. De solenoïde spoelbenadering kan ook gemakkelijk worden toegepast op andere monsters dan planten, waaronder dierlijk weefsel.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Experimenten op het 950 MHz-instrument werden ondersteund door uNMR-NL, een door NWO gefinancierde Nationale Roadmap Grootschalige Faciliteit Nederland (project 184.032.207). R.S. werd ondersteund door het Consortium U2.3 van BioSolarCells. J.R.K. werd ondersteund door de Nederlandse Magnetic Resonance Research School (NMARRS) graduate school [022.005.029]. Wij danken Defeng Shen en Ton Bisseling voor het verstrekken van de Medicago truncatula monsters. Verder danken we Klaartje Houben, Marie Renault en Johan van der Zwan voor technische ondersteuning in de uNMR-NL faciliteit. We willen ook Volker Lehmann, Henny Janssen en Pieter de Waard bedanken voor technische hulp. We spreken onze dank uit aan Frank Vergeldt, John Philippi en Karthick B. Sai Sankar Gupta voor hun advies. Tot slot bedanken we Jessica de Ruiter voor het leveren van de voice-over van de video.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Reference solution preparation | |||
| CuSO4 | Sigma-aldrich | 469130 | Crystalline powder for creating reference solution |
| D2O | Sigma-aldrich | 151882 | Liquid used to prepare reference sample |
| Weigh Scale | Sartorius | PRACTUM513-1S | Scale for weighing compounds |
| Sample preparation | |||
| Capillary 1000 μm (Outer diameter) | Hilbenberg GmbH | 1408410 | Sample capillaries |
| Capillary wax | Hampton Research | HR4-328 | Solid wax used to seal samples |
| Disposable Scalpel | Swann-Morton | No. 11 | Used to excise samples |
| Perfluorodecalin | Sigma-aldrich | P9900 | Liquid used for submerging sample |
| Stereo Microscope | Olympus | SZ40 | Tabletop binocular microscope |
| Syringe | Generic | - | Used to apply PFD and manipulate the sample |
| Vacuum Pump | Vacuubrand | MZ2C | Two-stage membrane vacuumpump used for removing air pockets from samples. |
| Wax pen | Hampton Research | HR4-342 | Handheld wax pen used to melt and apply capillary wax to samples |
| Imaging Hardware | |||
| 22.3 T Magnet | Bruker GmbH | 950 US2 | Narrowbore superconducting magnet |
| Air cooler | Bruker GmbH | - | Used to regulate probe temperature |
| Console | Bruker GmbH | Avance III HD | Controls operation of the spectrometer |
| Micro5 gradient coils | Bruker GmbH | Mic5 | Removable gradient coils mount on the Micro5 probe body |
| Micro5 Probe body | Bruker GmbH | Mic5 | Holds microcoils and gradient coils |
| RF microcoil | Home-built | - | contains Fomblin |
| Vector Network Analyzer | Copper Mountain Technologies | TR1300/1 | Used to perform S11 reflectance test, frequency range 300kHz to 1.3 GHz |
| Water cooler | Bruker GmbH | BCU-20 | Open loop watercooling to dissipate heat from gradient coil operation. |
References
- Ciobanu, L., Pennington, C. H. 3D micron-scale MRI of single biological cells. Solid State Nuclear Magnetic Resonance. 25 (1-3), 138-141 (2004).
- Aguayo, J. B., Blackband, S. J., Schoeniger, J., Mattingly, M. A., Hintermann, M. Nuclear magnetic resonance imaging of a single cell. Nature. 322, 190-191 (1986).
- Radecki, G., Nargeot, R., Jelescu, I. O., Le Bihan, D., Ciobanu, L. Functional magnetic resonance microscopy at single-cell resolution in Aplysia californica. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 111 (23), 8667-8672 (2014).
- Lee, C. H., et al. Magnetic Resonance Microscopy (MRM) of Single Mammalian Myofibers and Myonuclei. Scientific Reports. 7 (1), 39496 (2017).
- Callaghan, P. T. Principles of nuclear magnetic resonance microscopy. , Oxford University Press. Oxford. (1994).
- Glover, P., Mansfield, S. P. Limits to magnetic resonance microscopy. Reports on Progress in Physics. 65 (10), 1489-1511 (2002).
- Peck, T. L., Magin, R. L., Lauterbur, P. C. Design and analysis of microcoils for NMR microscopy. Journal of Magnetic Resonance. Series B. 108, 114-124 (1995).
- Lee, C. H., Flint, J. J., Hansen, B., Blackband, S. J. Investigation of the subcellular architecture of L7 neurons of Aplysia californica using magnetic resonance microscopy (MRM) at 7.8 microns. Scientific Reports. 5, 11147 (2015).
- Fratila, R. M., Velders, A. H. Small-Volume Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy. Annual Review of Analytical Chemistry. 4 (1), 227-249 (2011).
- Flint, J. J., Menon, K., Hansen, B., Forder, J., Blackband, S. J. Metabolic Support of Excised, Living Brain Tissues During Magnetic Resonance Microscopy Acquisition. Journal of Visualized Experiments. (128), 1-10 (2017).
- Minard, K. R., Wind, R. A. Solenoidal microcoil design. Part I: Optimizing RF homogeneity and coil dimensions. Concepts in Magnetic Resonance. 13 (2), 128-142 (2001).
- Vegh, V., Gläser, P., Maillet, D., Cowin, G. J., Reutens, D. C. High-field magnetic resonance imaging using solenoid radiofrequency coils. Magnetic Resonance Imaging. 30 (8), 1177-1185 (2012).
- Minard, K. R., Wind, R. A. Solenoidal microcoil design Part II: Optimizing winding parameters for maximum signal-to-noise performance. Concepts in Magnetic Resonance. 13 (3), 190-210 (2001).
- Haase, A., et al. NMR probeheads for in vivo applications. Concepts in Magnetic Resonance. 12, 361-388 (2000).
- Webb, A. G. Radiofrequency microcoils for magnetic resonance imaging and spectroscopy. Journal of Magnetic Resonance. 229, 55-66 (2013).
- Peck, T. L., Magin, R. L., Lauterbur, P. C. Design and Analysis of Microcoils for NMR Microscopy. Journal of Magnetic Resonance, Series B. 108 (2), 114-124 (1995).
- Olson, D. L., Peck, T. L., Webb, A. G., Magin, R. L., Sweedler, J. V High-Resolution Microcoil 1H-NMR for Mass-Limited, Nanoliter-Volume Samples. Science. 270 (5244), (1995).
- Oerther, T. Micro Imaging Manual for AV3 Systems. , Bruker Biospin GmbH. Rheinstetten, Germany. (2012).
- Callaghan, P. T. Susceptibility and Diffusion Effects in NMR Microscopy. Encyclopedia of Magnetic Resonance. , (2007).
- Donker, H. C. W., Van As, H., Snijder, H. J., Edzes, H. T. Quantitative 1H-NMR imaging of water in white button mushrooms (Agaricus bisporus). Magnetic Resonance Imaging. 15 (1), 113-121 (1997).
- Tsai, W. T. Environmental property modelling of perfluorodecalin and its implications for environmental fate and hazards. Aerosol and Air Quality Research. 11 (7), 903-907 (2011).
- Keifer, P. A. 90° pulse width calibrations: How to read a pulse width array. Concepts in Magnetic Resonance. 11 (3), 165-180 (1999).
- Vlaardingerbroek, M. T., den Boer, J. A. Magnetic Resonance Imaging: Theory and Practice. , Springer-Verlag. Berlin, Heidelberg. 05252-05255 (2003).
- Schenck, J. F. The role of magnetic susceptibility in magnetic resonance imaging: MRI magnetic compatibility of the first and second kinds. Medical Physics. 23 (6), 815-850 (1996).
- Kc, R., Henry, I. D., Park, G. H. J., Aghdasi, A., Raftery, D. New solenoidal microcoil NMR probe using zero-susceptibility wire. Concepts in Magnetic Resonance Part B: Magnetic Resonance Engineering. 37 (1), 13-19 (2010).
- Littlejohn, G. R., Gouveia, J. D., Edner, C., Smirnoff, N., Love, J. Perfluorodecalin enhances in vivo confocal microscopy resolution of Arabidopsis thaliana mesophyll. New Phytologist. 186 (4), 1018-1025 (2010).
- van Schadewijk, R., et al. Magnetic Resonance Microscopy at Cellular Resolution and Localised Spectroscopy of Medicago truncatula at 22.3 Tesla. Scientific Reports. 10 (1), 971 (2020).
