Summary

MRM 微可可性能校准和使用在 22 T 的 Medicago 特伦卡图拉根上演示

Published: January 16, 2021
doi:

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67 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。 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。 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

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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

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.

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van Schadewijk, R., Krug, J. R., Webb, A., Van As, H., Velders, A. H., de Groot, H. J. M., Alia, A. MRM Microcoil Performance Calibration and Usage Demonstrated on Medicago truncatula Roots at 22 T. J. Vis. Exp. (167), e61266, doi:10.3791/61266 (2021).

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