Düzlemsel Örnekleri Manyetik tanecikler Görüntüleme Manyetik algılama Tarayıcı Karıştırma frekansı
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.
Protocol
Representative Results
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 <em…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma BİT Ar-MSIP / IITP, Kore Cumhuriyeti (: B0132-15-1001 Sonraki Görüntüleme Sistemi Geliştirilmesi Hibe No) D programı tarafından desteklenmiştir.
Materials
| 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 | 250mA 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).
- Thanh, N. T. K. . Magnetic Nanoparticles: From Fabrication to Clinical Applications. , (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, (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, (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).
