Frecuencia de mezcla escáner de detección magnética para obtener imágenes de partículas magnéticas en muestras planas

Las nanopartículas magnéticas (MNP) han encontrado amplias aplicaciones en la biología molecular y en la medicina, es decir, para la manipulación de biomoléculas y células individuales ^1, para etiquetar selectivamente entidades diana para la detección, ^{2, 3} para la modulación de la cromatina, ⁴ y para el aislamiento de mRNA y el tratamiento del cáncer . ⁵ Debido a sus propiedades superparamagnéticas, que son especialmente útiles para formación de imágenes médicas. Pueden servir, por ejemplo, como agentes de contraste o trazadores para imagen de resonancia magnética (MRI) o para obtener imágenes de la susceptibilidad utilizando detectores Superconductor Quantum Interference Device (SQUID). ^{2, 6} Las nanopartículas superparamagnéticas producen un buen contraste con los diferentes tejidos de la humana cuerpo que son dia- o paramagnético. ⁷ Por lo tanto, las partículas se pueden usar convenientemente para adquirir imágenes médicas de partes del cuerpo humano con relativamente buena resolución espacial y sensibilidad. ⁸

tienda "> The Imaging Partículas Magnéticas técnica (MPI) introducido por Gleich y Weizenecker ⁹ hace uso de la no linealidad de la magnetización de la partícula. En el cero o débil sesgo campo magnético, la respuesta de los MNP a una excitación de corriente alterna de frecuencia f es fuerte debido a las su gran susceptibilidad. En particular, la magnetización no lineal de la partícula da lugar a la generación de armónicos de n · f, con n = 2, 3, 4 … En sesgo alto campo magnético, la respuesta armónica se debilita porque las partículas son magnéticamente saturado. En la técnica de MPI, la muestra está completamente magnetizado a excepción de una línea de campo libre (FFL) o un punto libre de campo (FFP). sólo partículas situado cerca de esta línea o punto contribuirá a la respuesta no lineal de la muestra. con el movimiento de un FFP y el empleo de bobinas receptoras adecuadas, Gleich y Weizenecker adquirió imágenes MPI con una resolución espacial de 1 mm.

A fin de queobtener información sobre la distribución espacial de MNP, por lo general se emplean dos métodos, el movimiento mecánico del sensor con respecto a la muestra, o el movimiento de la FFL / FFP por medio de electroimanes. ^{2, 3} En el último caso, las técnicas de reconstrucción de imágenes como armónica del espacio MPI ³ o X-espacio MPI ^{10, 11, 12} son requeridos. La resolución espacial de MPI se determina por las propiedades de convolución de excitación y de detección de bobinas, así como por las características de la gradiente de campo magnético. Esto permite que los algoritmos de reconstrucción de imágenes para obtener una resolución mejorado en la resolución nativa, que se determina por el tamaño y la distancia de las bobinas de captación, así como por la distribución del campo magnético gobernado por las ecuaciones de Maxwell.

Un escáner MPI generalmente se compone de un imán fuerte para magnetizar toda la muestra, un sistema de bobina controlable para la dirección de un FFL o FFP través de la muestra, un excitatio alta frecuenciasistema de bobina n, y un sistema de bobina de detección para recoger la respuesta no lineal de la muestra. El FFL / FFP se mueve continuamente a través del volumen de la muestra mientras que la respuesta de armónicos de esta región muestra insaturado se registró. Con el fin de evitar el problema de ajuste de la muestra en el escáner, una sola cara escáner MPI ha sido demostrado por Gräfe et al. ^13, sin embargo, a expensas de un rendimiento reducido. Los mejores resultados se obtienen si la muestra está rodeado por los imanes y bobinas. Debido a que la muestra tiene que ser completamente magnetizado excepción de la región FFL / FFP, la técnica requiere imanes relativamente grandes y fuertes con refrigeración por agua, lo que lleva a un sistema de MPI bastante voluminoso y pesado.

Nuestro enfoque se basa en mezclar en la curva de magnetización no lineal de partículas superparamagnéticas de frecuencia. ¹⁴ Cuando super-paramagnetos están expuestos a campos magnéticos en dos frecuencias distintas (f ₁ y f </ em> _2), frecuencias de suma que representa una combinación lineal m · f ₁ + n · f ₂ (con números enteros m, n) son generados. Se demostró que la aparición de estos componentes es altamente específico a la no linealidad de la curva de magnetización de las partículas. ¹⁵ En otras palabras, cuando la muestra MNP es a la vez expuesto a un campo magnético de conducción a la frecuencia f ₂ y un campo de sondeo a la frecuencia f _1, las partículas de generar un campo de respuesta a la frecuencia f ₁ + 2 · f _2. Esta frecuencia suma no sería existente sin la muestra magnéticamente no lineal, por lo tanto, la especificidad es extremadamente alta. Llamamos a este método "frecuencia de mezcla de detección magnética" (FMMD). Se ha comprobado experimentalmente que la técnica se obtiene un rango dinámico de más de cuatro órdenes de magnitud en la concentración de partículas. ¹⁴

<clase p = "jove_content"> En contraste con típico instrumentación MPI, la frecuencia planar mezcla enfoque de detección magnética (p-FMMD) no requiere para magnetizar la muestra cerca de la saturación porque la generación de la suma frecuencia componente f ₁ + 2 · f ₂ es máxima en campo de polarización estática cero. ¹⁴ por lo tanto, la necesidad de imanes fuertes y voluminosos se alivia. De hecho, las dimensiones exteriores de la cabeza de medición son solamente 77 mm × 68 mm × 29 mm. Para la comparación, las configuraciones de MPI son típicamente-metro de tamaño. ⁷ El inconveniente, sin embargo, es que la técnica se limita a las muestras planas con un espesor máximo de 2 mm en la configuración actual. La muestra tiene que ser escaneada con relación a la cabeza de medición de dos caras. Una re-construcción que permite muestras más gruesas es posible, pero tiene que ser cambiado por una pérdida de resolución espacial.

Sobre la base de esta técnica FMMD, presentamos un tipo especial de MPI detector para muestras planas, la llamada "mezcla detección magnética de frecuencia plana" (p-FMMD) del escáner. El principio ha sido recientemente publicado. ¹⁷ En este trabajo, nos centramos en la metodología de la técnica y los protocolos actuales de cómo configurar un escáner de este tipo y cómo realizar exploraciones. Se ha demostrado que el MPI se puede aplicar con fines de diagnóstico médico, tales como imágenes cardiovasculares o el cáncer. ^{16, 18, ​​19} Por ^tanto, creemos que el nuevo escáner MPI se puede utilizar para una amplia gama de aplicaciones potenciales, por ejemplo, para la medición de partículas magnéticas distribución en cortes de tejido.