Summary
提出了一种利用超高磁场磁共振显微镜(MRM)以高空间分辨率研究生物组织的协议。提供了微科的特征分步说明。最后,在植物根上演示了成像的优化。
Abstract
该协议描述了电磁微线圈与生物样品结合的信号噪声比(SNR)校准和样品制备方法,设计用于高分辨率磁共振成像(MRI),也称为MR显微镜(MRM)。它可用于临床前的MRI光谱仪,在医学 根部样品上 演示。 Microcoil 通过将 RF 振振器的大小与感兴趣的样本大小相匹配来提高灵敏度,从而在给定的数据采集时间实现更高的图像分辨率。由于设计相对简单,电磁微胶的构造简单且价格低廉,易于适应样品要求。系统地,我们解释如何使用参考解决方案校准新的或自建的微型可可。校准步骤包括:使用螺母曲线确定脉冲功率;射频场同质性估计;并使用标准脉冲序列计算体积规范化信噪比 (SNR)。讨论了小型生物样品样品制备的重要步骤,以及可能的缓解因素,如磁易感性差异。优化电磁线圈的应用通过高分辨率(13 x 13 x 13 μmμm 3, 2.2 pL) 根样品的 3D 成像得到证明。
Introduction
磁共振成像是一种多功能工具,可对各种生物标本进行无创成像,从人类到单细胞1、2、3。虽然用于医学成像应用的 MRI 扫描仪通常使用场强度为 1.5 T 至 3 T 的磁铁,但单细胞应用的图像图像具有更高的场强度 1、3、4。以低于一百微米的分辨率对样品的研究称为磁共振显微镜(MRM)5。然而,与其他可用的显微镜或成像技术(如光学显微镜或CT)相比,MRM的声噪比(SNR)较低。可以采用几种方法来优化SNR6。一种方法是使用更高的磁场强度,而补充方法是优化单个样品的信号检测器。对于后者,应调整探测器的尺寸,以匹配感兴趣的样品的尺寸。对于直径为 ≈0.5-2 mm(例如根组织)的小样品,微线圈很有用,因为 SNR 与线圈直径6、7 成反比。使用专用微科8在动物细胞上实现了高达7.8 x7.8 x 15 μm3的分辨率。存在多种微线圈类型,其中平面线圈和电磁线圈最常用,具体取决于应用和组织几何9。平面线圈表面具有高灵敏度,可用于薄片的应用。例如,一种专为成像活体组织而设计的方法被描述为平面微科10。然而,平面线圈具有高灵敏度的落点,并且没有明确定义的参考脉冲功率。电磁阀线圈是圆柱形的,具有更广泛的应用范围,更受较厚样品的青睐。在这里,我们描述了电磁线圈的特性,一种为微线圈MRI准备样品的协议,以及电磁阀微线圈的校准(图1A)。
电磁阀线圈由一根导电丝(如螺丝钉)组成,缠绕在固定样品的毛细管周围(图1B)。微可可组件只能使用电容铜线、各种电容器和用于焊接组件的合适底座(图1B) 来建造。主要优点是简单、成本低,单位体积SNR和B1场均质性好。易于构建,可快速迭代线圈设计和几何形状。电磁阀微线圈设计和探针特性的具体要求(即电子理论、工作台测量和各种线圈几何的光谱仪测量)已在其他地方广泛描述7、11、12、13、14。
电磁线圈可以按照其他地方描述的准则15,16,记住所需尺寸的设计规则来制造。在此特定情况下,使用内径为 1.5 mm 的线圈,由带电皮的铜线制成,直径为 0.4 mm,绕在 1.5 mm 外径的毛细管周围。此电磁阀位于制造电路的基板上,由调谐电容器 (2.5 pF)、可变匹配电容器 (1.5-6 pF) 以及铜连接线(图 1A、1C) 组成。选择调谐电容器以实现所需的谐振频率950 MHz,而选择匹配电容器以实现50欧姆阻抗下的最大信号传输。较大的电容器是可变的,允许更精细的调整。在正常操作中,使用探头底座中的电容器进行调谐和匹配。组装的微可可需要安装在探头上,以便可以插入磁铁。可能需要额外的支架,具体取决于系统。在这里,我们使用 22.3 T 磁铁组合与布鲁克控制台 Avance III HD 与 Micro5 探头相结合。在这种情况下,我们使用已修改的支撑插入件,该插入件配备了必要的连接,以连接到探头的 1H 通道(图 1A)。
线圈的易感性匹配设计包括一个带全氟液体的储液罐,以减少由于铜线圈靠近样品17而引起的易感性不匹配。一个储液罐是由一个塑料注射器,以包围线圈,并充满fomblin。由于全氟液体需要将线圈封闭,样品的可用直径减少到 1 mm 的外径。为了便于更换样品,样品是在外径为 1 mm 且内径为 700 μm 的毛细管中制备的。图 2A显示了样品制备所需的工具。
基本实验 MR 参数高度依赖于使用的系统的硬件,包括梯度系统、场强度和控制台。几个参数可以用来描述系统性能,其中90°脉冲长度和功率,B1-均匀性和SNR每单位体积(SNR/mm3),是最实际相关的。SNR/mm3可用于比较同一系统18上不同线圈的性能。虽然系统之间可能存在硬件差异,但基准测试协议的统一应用也便于比较系统性能。
该协议侧重于校准和样品制备。显示电磁阀微胶性能的逐步表征:校准90°脉冲长度或功率;评估射频场的同质性;并计算单位体积的 SNR (SNR/mm3)。介绍了使用幻像的标准化自旋回波测量,以便于对线圈设计进行比较,从而优化不同的应用。描述了幻影和生物样品样品制剂,具体用于微可可。该协议可在任何合适的窄孔(≤60毫米)垂直磁铁上实施,该磁体配有市售的微成像系统。对于其他系统,它可以作为准则,并可以与一些调整一起使用。
MRI 测量的生物标本制备通常不是很广泛,因为样本的图像尽可能完整。然而,生物组织中的空气空间会导致图像伪影,因为磁易感性的差异19。效果随磁场强度的增加而增加20。因此,在高场强度下应避免空气空间,这可能需要将样品浸入流体中,以避免组织周围的空气和组织结构内空气空间的去除。具体来说,当使用微可可时,可能需要切除所需的样品组织,然后将其淹没在合适的液体中。随后将样品插入预切毛细管,最后用毛细管蜡密封毛细管。使用蜡作为密封剂,而不是胶水、火焰密封或替代品,意味着样品可以很容易地提取。这个过程在小腿植物 Mededago特伦卡 图拉的根部上得到证明。此协议的一个优点是有可能随后将 MRI 数据与光学显微镜共同注册,因为样品在 MRI 测量过程中不会被破坏。
所提出的协议适用于高空间分辨率的原位测量,更精细的设计可以允许在体内成像样品,其中需要解决与生命支持系统相关的挑战。
Protocol
注:本协议描述了使用和评估1.5毫米内径(ID)电磁线圈线圈特性的程序(图1)。用于演示协议的线圈位于易感性匹配储液罐中,但该协议同样适用于不匹配的线圈。该协议可以适应其他尺寸和不同的光谱仪设置。
1. 参考样品制备
- 要准备 100 mL 的灵敏度参考溶液,请将 156.4 mg 的 CuSO4 = 5 H2O 溶解到 100 mL GL45 烧瓶中包含在的 80 mL D2O 中。硫酸铜可缩短 T 1 和 T2 松弛时间,从而加快测量速度,而 D2O 可防止辐射阻尼和饱和效应。手动搅拌,直到固体完全溶解。
- 使用去维水将体积调整为 100 mL,最终浓度为 1 g/L CuSO4(无水,6.3 mM)。这种浓度足以缩短T1和T2的松弛,但不是太高,受降水的影响。密封参考样品以防止改变 H2 O:D2O 的比率。
- 可选地,将探头连接到网络分析仪,以测试线圈是否以所需的谐振频率产生谐振。执行 S11 反射测试,以测量通过调优和 Q 因子测量实现的频率范围,Haase 等人14. 详细描述。使用共轴电缆将微可可连接到网络分析仪。如有必要,请使用 BNC 适配器电缆。
- 根据线圈设计的预期磁场强度,将网络分析仪的中心频率设置为所需的共振频率。接下来,将扫描宽度设置为 10 MHz。调整微可可组件上的可变电容器(如果存在)以微调反射浸入到所需频率。
- 记录中心频率的反射水平,记录-7 dB 电平的频率f1 和f2。根据 Haase 等人14,使用这些方法计算 -7 dB 级别的 Q 因子
2. 样品制备
- 如果准备用于线圈校准的参考样品,请将 1 mL 的 CuSO4 溶液转移到立体显微镜下的手表玻璃盘上。
- 如果制备生物样品,将 1 mL 的全氟二甲酸素 (PFD) 转移到立体显微镜下的手表玻璃中,用于将样品淹没。PFD用于在无需进入生物细胞的情况下填充试样中的空气空间。质子 MRI 也无法观察到。在需要 PFD 之前,请立即用 Petri 盘盖盖住手表玻璃,以防止蒸发损失。
注:PFD是高度挥发性,是一种强大的长期温室气体21。当其溶解氧特性和低粘度不是必需的,它可以被Fomblin,一个全氟,也提供不明显的1H信号,但它不会蒸发得快17。 - 将适合外径的毛细管切成大小,以适合微可可架(18 mm)的直径,并允许重新定位(图1C)。使用陶瓷切割机每 10-12 mm 进行一次切口,并在切口点上小心地断裂。
- 如果准备参考样品,请使用钳子和立体显微镜使预切割毛细管与手表玻璃内的 CuSO4 溶液表面接触,使毛细管动作充满毛细管。
- 如果制备生物样品,请使用钳子和立体显微镜,使预切毛细管与手表玻璃内的 PFD 表面接触,使毛细管动作完全充满毛细管。将毛细管释放到手表玻璃中,使其完全淹没。
- 小心地从生长基质中提取一个五周大的整个根系,如土壤替代。仔细清洁根部样品。使用钳子去除较大的土壤颗粒,如果存在较小的颗粒,则使用蒸馏水清洗根系来清除它们。照片,如果需要供将来参考。使用手术刀选择并切除一小块纤维根,没有rhizosheath。
- 对于真空处理,将样品放入含有合适固定溶液的 1.5 mL 管中。关闭管盖,然后用副膜密封管,以密封管的开口。然后,用锋利的工具打孔在薄膜上,以便通风管。
- 将样品管放在真空室中,密封吸管,然后将实验室膜真空泵连接到真空室。对样品进行真空处理长达30分钟,以减少生物样品中气囊的存在。当未看到气泡从样品中逸出时,停止真空处理。
- 通过立体显微镜查看时,使用钳子将样品淹没在之前准备的渗透介质中。清洗潜在碎屑的样品。
- 使用钳子将样品插入毛细管,而毛细管和样品均完全浸入水中,以避免气泡。使用较小的毛细管或注射器针尖作为推杆(图2B)。
- 使用钳子从中型手表玻璃中拿样品毛细管。在 PFD 的情况下,盖上培养皿盖。
- 将纸巾塑造成细点,并用它来从毛细管的两端去除大约 1 毫米的液体。
- 使用蜡笔融化少量毛细管蜡。在两侧涂抹蜡。蜡凝固时会变不透明。注意从毛细管中排除气泡(图2C)。
注:避免蜡或毛细管过热,因为当成品样品冷却时,这可能会导致爆炸性沸腾和气穴口袋。 - 之后,用手术刀从毛细管外部刮掉多余的蜡,然后用细纸巾擦拭干净。
3. 安装样品
- 在立体显微镜下面放置一个微可可,并使用钳子插入样品,同时保持微可可稳定(图2D)。
- 使用杆将样品居中,将毛细管滑入电磁线圈内。
- 可选地,应用胶带固定毛细管的位置。
- 检查毛细管,确保电磁线圈内无气泡,避免由于易感性差异而造成 MR 信号破坏。
- 将微可可连接到探针底座的插座,同时保持微可可直立(图 3A,3B)。
- 小心地将三轴梯度线圈滑过微线圈,同时将梯度的水冷连接器与探针基座的冷却接头匹配(图 3C)。转动探针底座上的螺钉螺纹以将梯度固定到位。
注:此步骤仅适用于 Micro5 探头。对于其他系统(如 Micro2.5 或 Biospect),梯度在单独的插座上,而不是线圈。
4. 确定线圈特性
- 如果首次测试线圈,请使用参考样品溶液创建均匀样品,这可用于功率校准 和 B1 均匀性测试。使用此参考样品可以轻松测试线圈导线导致的潜在易感性问题。
- 将探头插入磁铁并连接必要的电缆:RF 传输/接收电缆、水冷却线、热电偶电缆和空气冷却线。
- 为水冷装置设置所需的水冷温度(建议为 298 K)。
- 设置目标温度 (298 K) 和目标气流 (300 L/h)。对于不同的线圈设计或样品体积,气体流量可能不同。这仅适用于具有温度控制系统的系统。
注:只有在测试新型(家庭制造)线圈时,才需要执行以下步骤。 - 使用 50 英寸共轴 Ω电缆将探头连接到具有适当宽扫描宽度 (400 MHz) 的网络分析仪,该扫描宽度以预期谐振频率为中心。
- 通过调整探头底座中的可变匹配和调谐电容器来观察谐振模式。
- 调整谐振模式并匹配到所需频率。
- 可选地,确定网络分析仪上的线圈质量系数(Q 因子)。获得质量因子的一个方法是使用耦合网络,将中心频率(fc)除以-7 dB的反射浸入宽度(即,Q = fc/(f 1 - f2)14。将fc设置为磁体的操作频率,而f1和f2分别设置为 f c的左和右 -7 dB 点。某些网络分析器内置 Q 因子确定功能。
- 在扫描仪上启动反射测试(通常称为摆动曲线),并根据需要调整调谐和匹配。建议将任何调谐和匹配电容器设置为新线圈范围的中点。因此,从高光谱扫描宽度开始。在某些情况下,在网络分析仪上调整和匹配磁体外的线圈可能更方便。
- 如果成像探头的最大体积线圈可用,请选择其填充文件。如果从以前使用的线圈开始,请使用可用的填充文件。如果两个选项都不可用,请从设置为 0 的所有填充值开始。
- 如果微型线圈在成像软件(即 ParaVision)中可用,请选择其正确的线圈 配置。否则,请根据系统手册创建与线圈规格相匹配的新线圈配置(例如,单调或双调)。本研究中使用的这种电磁阀微胶的安全限值为 1 W 峰值功率和 1 mW 连续功率时 1 ms。
注意:微科机所需的小电容器(通常为 1 mm 尺寸)高度敏感,容易被高压损坏。自动脉冲功率测定可能无法与非标准线圈一起工作,过高的功率可能会损坏线圈或光谱仪的其他部件。因此,建议进行手动调整。 - 记录新线圈的螺母曲线,以获得线圈正确射频功率的指示(图4)。如果线圈的安全限值未知,请从 0.6 W 的低脉冲功率下 10 μs 开始,然后一次缓慢地将脉冲长度增加 1 μs,直到信号出现。
- 在没有梯度编码的情况下使用 FID 实验,在保持脉冲功率恒定的同时系统地更改 RF 脉冲长度。理想的脉冲长度是脉冲长度,其中信号强度达到最大值。如果测试新线圈,首先使用功率极低的 10 μs 脉冲,然后开始逐渐增加脉冲功率。
注:如果线圈特性和光谱仪的组合功率远高于预期,这已经表明选择了错误的振振模式。 - 对于具有均匀 B1场的线圈(如电磁线圈),确定信号强度降至零22的 180° 脉冲。
- 在没有梯度编码的情况下使用 FID 实验,在保持脉冲功率恒定的同时系统地更改 RF 脉冲长度。理想的脉冲长度是脉冲长度,其中信号强度达到最大值。如果测试新线圈,首先使用功率极低的 10 μs 脉冲,然后开始逐渐增加脉冲功率。
- 将确定的 90° 脉冲功率设置为创建的学习器的调整卡。在 ParaVision 中,参考功率调节卡可用于输入硬脉冲功率。
- 使用具有 3 个切片的定位器扫描,三个主轴中每个切片中各一个切片,以定位线圈在磁铁中的位置。为此,请从光谱仪的默认库加载本地化器扫描。建议从没有偏移的大视场开始。执行自动接收器增益调整并手动启动测量。
注:如果样本正好位于梯度系统的中心,则本地化器扫描将显示样本。如果线圈或样品不在图像切片中居中或缺失,则需要调整本地化扫描,在这种情况下,需要再次执行步骤 4.12。 - 或者,使用补充方法根据图像评估查找正确的 90° 脉冲。使用螺母曲线找到近似脉冲功率后,逐渐调整脉冲功率,以检查图像是否为 B1场均匀性。对于一些具有不均匀 B1 场的线圈,使用螺母曲线确定的 90° 脉冲功率可能过高,从而导致线圈所需甜点过度跳动。在这种情况下,请降低参考脉冲功率,并针对以前的图像检查新图像(图 5)。
- 根据 FID 信号手动填充磁场。建议的初始起静顺序为 Z-Z2-Z-X-Y-Z-XY-XZ-YZ-Z。在电磁阀的情况下,主对称轴位于 XY 平面中。因此,不同方向的施舍可能会导致此线圈配置的 B 0均匀性更强校正。高阶什马次没有影响,可能会被忽略。
- 计算一个体积规范化的SNR,以便根据制造商的协议18来比较不同系统的微可可特性。对于此处使用的微可可,我们使用了具有以下参数的自旋回波序列:视场 (FOV) 6 mm x 6 mm、重复时间 (TR) 1000 ms、回显时间 (TE) 7 ms、矩阵 256 x 256 和切片厚度 = 0.5 mm。调整切片厚度,直到接收器增益为单一。接下来,调整切片数,使切片超出 B1场均性区域。如果可能,在没有信号平均值的情况下记录图像。
- 通过两个步骤确定体积规范化 SNR (SNR/mm3)。首先,计算体美图体积(V体美音)(Eq.1):
(1)
注:Dx、D y和D切片的单位以毫米为单位。同样,也可以对一系列切片执行此计算。 - 选择感兴趣的区域以确定样本的信号强度(μROI)以及样本外部区域(即噪声)的信号强度(μ噪声) 和标准差(σ噪声)。平均信号取自图像中心,而噪声信号则从角面片计算(图6)。光谱仪控制软件或通用图像处理软件可用于这些计算。如果可能,使用单个重复,以保持不同线圈之间的可比性。
- 使用值计算卷规范化 SNR(Eq.2):
(2)
对于此处与参考解决方案结合使用的线圈,使用 Eq.2 可产生以下解决方案:
(3)
注:在比较不同磁场强度的线圈SNR时,除非使用很长的重复时间和非常短的回波时间,否则需要测量幻象的松弛特性23。
- 通过两个步骤确定体积规范化 SNR (SNR/mm3)。首先,计算体美图体积(V体美音)(Eq.1):
- 检查磁场不同源性导致的易感性问题:加载并运行多个梯度回波 (MGE) 序列(图 7)。由于易感性差异导致的磁场不同质性在回波时间较长的图像中可见,因为梯度回波不会重新聚焦旋转,而由于静态场的不同源性,该旋转会去相。这样,样品中的不霍米可以可视化(由于样品中的空气空间),以及线圈材料引入的B0 场不自在。使用以下参数,根据使用的光谱仪和线圈的规格进行调整:TR 200 ms,TE 3.5 ms,48 个回波相隔 3.5 ms,翻转角度 30 度。矩阵大小 128 x 128。
注:如果在谐振(摆动)曲线中观察到多个(潜在)谐振模式或反射凹跌,则对每个谐振模式重复上述步骤以确定最敏感的模式。根据微可可,微可可组件的不同部分可能容易产生意外的共振模式。
5. 高分辨率成像
- 运行具有以下参数的 3D-FLASH 实验:TR 70 ms、TE 2.5 ms、矩阵大小 128 x 64 x 64、FOV 1.6 x 0.8 x 0.8 mm、翻转角度 30°和接收器带宽 50 kHz。
- 从先前确定的参考脉冲功率中获取脉冲功率;这是自动在大多数成像软件。使用自动调整确定接收器增益。如有必要,调整 FOV,在两个相位编码方向上覆盖整个对象,以避免混叠。运行梯度占空比模拟(如果系统可用)以验证实验的占空比是否保持在梯度线圈的规格范围内。
注:这些参数特定于用于演示的线圈;优化本地系统细节非常重要。
6. 回收样品作进一步研究或储存
- 从微管中去除样品毛细管。
- 使用钳子,取下立体显微镜下的蜡塞。
- 使用注射器将样品从毛细管中洗出,并采用选择的解决方案。或者,使用玻璃推杆弹出样品。
- 为防止样品脱水,请存放在合适的存储介质中。
Representative Results
线圈特性
线圈成功调谐和匹配后,其性能可表现为线圈Q因子、90°参考脉冲和SNR/mm3。对于此处演示的 1.5 mm ID 易感性匹配电磁阀线圈,测量的 Q 因子(卸载)为 244,而 5 mm 鸟笼线圈为 561。
参考 90° 脉冲在功率级别为 0.6 W 时为 12 μs;cf. 5 μs 在 45 W 为 5 毫米鸟笼线圈 (图 4和图 5).这等同于射频场强度 ( B1), 微线圈使用 0.53 mT,鸟笼线圈14使用 1.17 mT,其中 y 是陀螺磁比,而 tau 是脉冲持续时间。由于脉冲功率水平 (P) 不同,线圈的传输效率可进行比较:微线圈和鸟笼的电压为 0.69 mT/W1/2和 0.18 mT/W1/2。 通过 90° 脉冲比较,微线圈是一个≈比鸟笼线圈敏感 4 倍的因素。
易感性匹配的影响
在超高场强度下,样品和线圈易感性成为图像质量的主导因素,如图7A,7B所示。 与缺乏易感性匹配储液罐的线圈相比,信号在参考样品中保留的时间更长、更均匀。但是,由于易感性储液罐,与没有储液罐的线圈的最大样品尺寸有关。
高分辨率成像
在20小时23分钟内,获得13×13×13 μm 3的高分辨率(图8)。从根的表面开始,可以看到根皮层,以及根外侧有一些残留的水。此外,木兰被观察为包围 phloem 的暗带。一些气囊被观察为具有完全信号损失的黑点。
M. truncatula 的共生根结节也可以使用此协议进行成像 (图9).使用稍大无与伦比的线圈(长度约 3500 μm,内径 1500 μm),在 33 分钟内获得分辨率高达 16 x 16 x 16 μm3的图像。
图1:电磁阀微胶。 (A) 电磁线圈设计由线环螺旋体组成,通常缠绕在毛细管上。导线的几何形状(如其厚度、直径、绕组数和导线间距)会影响线圈特性。(B) 一种家用电磁阀微胶,具有易感性匹配流体储液罐(Fomblin)。它由一个0.4毫米厚的涂层铜线绕六次毛细管周围,外径为1500μm,线圈长度为3500μm。线圈被淹没在由注射器制造的储液罐中。可以插入外径为 1000 μm 的样品毛细管。使用两个电容器,一个1.5 pF电容器与电感器并联,第二个变量1.5-6 pF电容器与电感器平行放置。所有组件都焊接到玻璃纤维板(黄色)。它安装在商业支架(灰色聚合物)上,经过修改以支持储液罐。 (C) 电磁线圈设计元件:1.电磁线圈,2.样品毛细管,3.1.5 pF调谐电容器,4.可变匹配电容器,5.玻璃纤维基板,6.铜线引线。 请单击此处查看此图的较大版本。
图2:立体显微镜下样品制备。 (A) 制备微球所需的物品。从左到右: 1. CuSO4 参考 解决方案, 2.全氟二甲酸素,3。微可可,4。手术刀, 5.正张力钳子, 6.钳子, 7 。毛细管外径 = 1000 μm, 8.蜡笔, 9.毛细管蜡,10。硝酸盐手套,11。立体显微镜,12。手表玻璃与彼得里菜盖, 13 。生长基材中的植物材料。未显示:2 mL 注射器,带 ± 0.8 x 40 mm 针头和细纸巾。(B) 用钳子将样品插入毛细管,同时两者保持水下。(C) 使用熔融蜡密封毛细管。(D) 将准备好的毛细管插入微管中。 请单击此处查看此图的较大版本。
图3:微成像探头的组件。 (A) Micro5 探头基座,包含水冷却、加热、温度传感器、梯度功率、RF(可见共轴连接器)和可选探头识别 (PICS) 的所有必要连接。探头底座下方是用于调整可变调谐和匹配电容器的旋钮,以及固定螺钉以将探头固定到位的光谱仪内。(B) 安装在探针底座上的家建微型孔。请注意安装在探头底座上的可变电容器(白色陶瓷),用于调谐和匹配。(C) 集成的 3 轴梯度安装在探头底座上,配有水冷贮器和镀金触点,用于将梯度接地。 请单击此处查看此图的较大版本。
图4:螺母曲线。获取螺母曲线以确定参考脉冲功率。参考脉冲功率(90° 脉冲)定义为生成 B1场所需的功率和脉冲长度的组合,该场可将 z 方向上的所有可用磁化翻转到横向平面。在没有梯度编码的情况下记录一系列脉冲。对于每个脉冲,脉冲长度或脉冲功率都会增加。这里的脉冲功率设置为 0.6 W,而脉冲长度每次递增 1 μs。最大信号强度表示 90° 脉冲,大约 12 μs。180° 脉冲也可以使用最小强度以这种方式确定。请单击此处查看此图的较大版本。
图5:90° 脉冲功率的视觉测定。 使用螺母曲线找到近似参考脉冲功率后,可以通过更改脉冲长度进行目视检查。根据线圈的不同 ,B1 场对变化可能或多或少敏感。(A) 11 μs 脉冲长度。(B) 12 μs脉冲长度,最适合此线圈。(C) 13 μs 脉冲长度。(D) 20 μs 脉冲长度。如果脉冲功率设置过高,则可能发生过度倾斜,从而降低线圈中心(箭头)的图像强度。增加 的 B1 场也增加了线圈的范围,如在图像宽度中观察到的。 请单击此处查看此图的较大版本。
图 6:兴趣放置区域。 可以看到卷规范化 SNR 计算的感兴趣区域 (ROI)。平均样品强度取自参考解决方案样本中的 ROI。平均噪声和标准偏差是根据图像角的一个或多个 ROI 计算的。 请单击此处查看此图的较大版本。
图7:通过梯度回声成像评估的射频均质。多个梯度回波 (MGE) 序列用于使用一系列梯度回波评估RF (B1 -场) 的均匀性。基本参数为:重复时间200ms,回波时间3.5ms,回波数48,回波间距3.5ms,平均64个,采集时间27m 18s,翻转角度30°。视野为 5 x 5 mm,矩阵 128 x 128,分辨率 39 x 39 x 200 μm. (A) 易感性匹配线圈。RF 线圈周围的易感性匹配流体(Fomblin)可降低线圈导线的易感性影响。随着回声时间的增加,小气泡会导致信号丢失。(B) 线圈直径相等的线圈(不易匹配)。在较长的回波时间,观察到由B0场不自异引起的伪影增加。请单击此处查看此图的较大版本。
图8:医疗根部分的3D成像。(顶部) 闪存图像.根部分的几个特征可以区分,包括表皮 (e)、皮层 (c)、phloem (ph) 和 xylem (xy)。气囊 (a) 在根本原因中导致完全信号丢失。基本参数如下:重复时间70ms,回波时间2.5ms,平均256个,采集时间20小时23米。分辨率 13 x 13 x 13 μm3.矩阵大小为 128 x 64 x 64,视野为 1.6 x 0.8 x 0.8 mm。接收器带宽 50 kHz。(底部)MSME 图像。基本参数如下:重复时间500 ms,回波时间5.2ms,28平均值,采集时间15小时55米。分辨率 13 x 13 x 13 μm3.矩阵大小为 128 x 64 x 64,视野为 1.6 x 0.8 x 0.8 mm。接收器带宽 70 kHz。请单击此处查看此图的较大版本。
图9:医疗根结核结节的3D成像。 (顶部) 低分辨率图像。基本参数如下:重复时间60ms,回显时间2.3ms,4平均值,采集时间4m。分辨率 31 x 31 x 31 μm3.矩阵大小为 64 x 32 x 32,视野为 2 x 1 x 1 mm。接收器带宽 50 kHz。(底部)高分辨率图像。基本参数如下:重复时间60 ms,回波时间2.3 ms,平均8个,采集时间33m。分辨率 16 x 16 x 16 μm3.矩阵大小为 128 x 64 x 64,视野为 2 x 1 x 1 mm。接收器带宽 50 kHz。请单击此处查看此图的较大版本。
Discussion
该协议最适合生物样品,因为许多材料和地质样品的T2松弛时间明显缩短,无法由此处使用的序列成像。甚至一些生物组织,表现出高样品磁易性异质性,可能很难在超高场成像,因为影响与场强度24相关。该协议不仅可用于新线圈,还有助于排除故障和诊断潜在问题。在测试新的或未知的样品时,可以事先在参考解决方案上执行此协议,以验证实验设置是否根据规范运行。这有助于故障排除,因为光谱仪可以排除为伪影和故障的来源。此外,这会将探头上的调谐和匹配电容器设置为微可可的典型值。
当第一次实验时没有记录到任何信号时,可以放大本地化器扫描的视场,以检查是否看到样品。接下来,重新检查线圈是否正确调整,然后尝试另一个定位器扫描。线圈可能表现出其他意外的振振模式,在这种情况下,需要确定正确的振振模式。如果仍然无法获取图像,则拆下样品以检查其在微可可组件中的位置,并验证样品是否完好无损(即,密封件中不存在气泡或泄漏)。最后,样品可以用水代替PFD制备。如果样品在局部扫描中发出很少的可检测信号,仍然可以检测到毛细管中的周围水。
由于微线圈理想中非常接近样品,因此空气和导线之间的磁易性差异可能会导致额外的信号丢失,如图7B 所示。潜在伪影包括空间错位和异常信号强度变化。特别是梯度-回声型脉冲序列受此非均匀信号损耗的影响。因此,我们提出了一个易感性匹配的线圈,通过将导线淹没在氟化物液体(Fomblin 或 FC-43)中。该协议中包含的B1估计方法可帮助确定 B 1易感性差异是否值得在线圈组件设计中加入易感性匹配策略。构建易感性匹配线圈的替代方法是使用易感性匹配线25。此外,只有由于线圈造成的易感性问题通过这种方法得到解决。样品内部的易感性不匹配(例如,由于空气空间)仍然具有挑战性。
气囊或气泡构成实验性挑战,导致大量信号丢失,由空气和流体或试样接口的易感性差异引起 (图5A)。样品制备成功的一个关键方面是样品和毛细管的淹没。但是,即使是小气泡也可能导致信号丢失,尤其是对于梯度回声类型序列。移动气泡可以通过毛细管迁移,直到它们与样品接触。其中一些效果可以通过稍微倾斜毛细管来缓解,使一端高于另一端。倾斜可确保在较高端放置潜在的气泡,而不会干扰样品。同样重要的是检查毛细管蜡是否形成良好的密封,因为脱水会导致形成大气泡。
对于样品内的空气空间,PFD 用于填充细胞间空气空间,同时不穿透细胞膜26。然而,即使采用这种方法,我们也无法移除所有空气空间。此外,这种方法意味着我们需要一个额外的代理,这通常不是首选,因为希望研究一个系统尽可能无创。
毛细血管的圆柱形意味着灌注设置应该是可行的,特别是对于容易腐烂的组织,如活检或活根材料研究过程。两个步骤可以实现灌注设置。首先,连接中进给管以及毛细管两侧的排水管将足以创建一个化疗器。其次,在样品毛细管中添加压痕可以根据流动方向保持样品的位。这类似于为平面微科10发布的协议。
MR 成像的非侵入性,结合本协议中使用的惰性液体(PFD 或 Fomblin)意味着在完成实验后,样品可从毛细管中去除,以作进一步研究。组合包括光学或电子显微镜和其他破坏性成像技术。我们最近演示了与光学显微镜在医疗根结核27的组合。
我们演示了一种在超高场 NMR 光谱仪上使用专用微coil对植物材料进行成像的方法。相对较大的样品量可以以高分辨率研究,具有良好的射频均匀性。此外,光谱成像可以执行更高的分辨率,否则可行。通过一种有效的方法来确定线圈性能特性,可使微线圈设计适应样品。电磁线圈方法也可以很容易地应用于植物以外的其他样品,包括动物组织。
Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
950 MHz仪器的实验得到了荷兰NWO资助的国家路线图大型设施uNMR-NL的支持(项目184.032.207)。R.S. 得到了 BioSolarCells 财团项目 U2.3 的支持。J.R.K.得到了荷兰磁共振研究学院(NMARRS)研究生院[022.005.029]的支持。我们感谢申德峰和托·比塞林提供 梅迪戈特伦卡图拉 样品。我们进一步感谢克拉特杰·胡本、玛丽·雷诺和约翰·范德兹万在UNMR-NL工厂的技术支持。我们还要感谢沃尔克·莱曼、亨尼·詹森和彼得·德·瓦德的技术支持。我们感谢弗兰克·韦尔格德特、约翰·菲利普和卡西克·赛·桑卡尔·古普塔的建议。最后,我们感谢杰西卡·德·鲁伊特为视频提供画外音。
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
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