Новая техника ускоряет нано-МРТ визуализацию

Нано МРТ  является методом  сканирования, который дает  3-D изображения наноразмерных объектов с высоким разрешением, и этот  метод  обещает стать мощным инструментом для исследователей и компаний,  изучающих форму и функцию биологических материалов, таких как вирусы и клетки  так же, как  клиническая  МРТ сегодня позволяет исследовать  все ткани  в организме человека.

Получение  изображения с почти атомным разрешением, однако, является чрезвычайно трудным  и отнимает много времени. Одно  полное  нано-МРТ сканирование   может потребовать   несколько  недель.

Стремясь преодолеть это ограничение, исследователи из центра ETH  Цюрих (в Швейцарии) разработали параллельный метод  измерения, результаты испытания которого были опубликованы в журнале «Applied Physics Letters». Информация, которую до этого получали  последовательно - один бит за другим - теперь может быть  получена   в тот период  же  времени  с помощью одного   детектора.

 "Если провести аналогию,  можно представить себе, как  глаза человека  фиксируют  информацию о  цвете (зеленом, красном, синем) в одно и   то же время, используя различные рецепторы – человек   анализирует   различные  цвета  параллельно, « сказал Александр Эйхлер,  доцент кафедры физики в ETH Zurich.

Параллельное измерение также  называется  "мультиплексирование". После сканирования исследователи должны быть в состоянии определить, куда  каждый бит информации попадает  в конечном изображении. По этой причине, "различные биты информации кодируются в детекторе, используя различные фазы", пояснил он. "Термин" фаза "относится к запаздыванию периодического сигнала. Фаза может  быть  использована  для различения периодических сигналов аналогично тому, как цвет используется для различения световых сигналов в глаза".

Магнитно-резонансная томография использует тот факт, что некоторые атомы - такие, как 1H, 13С, 19F или - имеют ядра, которые действуют как крошечные крутящиеся  магниты. Когда эти атомы помещаются  в магнитное  поле, они вращаются вокруг  аксиальной оси   таким же образом, как  волчок вращается вокруг своей вертикальной оси, когда она не идеально сбалансирована.

"Это вращение называется« прецессия », и она возникает   на конкретной частоте,  известной как« ларморовская ", которая  зависит от напряженности поля и типа атома, « сказал Эйхлер.

В негомогенном поле  атомы в разных местах имеют разные частоты Лармора. Расположение атома "может быть оценено по частоте, на которой он прецессирует, и  может быть получен образ расположения всех атомов, « добавил он. "Когда вы смотрите на  изображение клинической  МРТ, вы видите яркие пиксели, где плотность атомов - как правило, 1H - высокая, и темные пиксели, где плотность мала."

Напряженность магнитного одного атома ничтожна  мала. "Клиническая МРТ возможно только потому, что один 3-D пиксель - « воксел "- содержит около 1018 атомов, «  указал Эйхлер. "С  нано МРТ , мы хотим, чтобы были  обнаружены  воксели только из тысячи или   менее    атомов , это означает, что мы должны иметь чувствительность  в миллиарды раз выше  ." 

Для того чтобы достичь этого были разработаны различные стратегии. Исследовательская группа,  во главе  с профессором Дегеном ,продемонстрировала  фазовое  мультиплексирование с  помощью конкретной методики нано- МРТ   под названием "магнитно-резонансная силовая микроскопия" (MRFM), при  которой  атомные ядра  подвергаются воздействию силы  незначительного магнитного поля , которая передается в консольное  действия в качестве механического детектора. В ответ на магнитную  силу, консоли  вибрируют, а затем, в свою очередь, измеренная вибрация позволяет сформировать изображение.

"Наше исследование преодолевает одно  из основных препятствий  для практического применения   нано-МРТ с   высоким разрешением, а именно  снятие  временных ограничений, необходимых для последовательных измерений, сказал Эйхлер. "Это приближает нас к коммерческой реализации нано – МРТ."

Другими словами, работа команды значительно ускоряет скорость измерений  нано – МРТ. Демонстрируя параллельные измерения шести точек, они показали, что  стандартное сканирование в течение  двух недель могут быть уменьшено до  двух дней.

"Ускорение ограничивается техническими вопросами, такими как скорость  реверса спина  и стабильность  фазочувствительной  детекции, « отметил Эйхлер. "Но, в принципе, фаза мультиплексирования может позволить уменьшить время в десять и более раз. С коммерческой точки зрения это большой выигрыш по времени, например, для  фармацевтической компании,  так как можно получить характеристики вируса  в течение трех дней, а не месяца ".

Далее, исследователи ETH Zurich обращают свое внимание на нано МРТ  измерения биологических систем. В частности, они "хотели продемонстрировать пространственное разрешение  выше  1 нм, « сказал Эйхлер. "Принимая во внимание, что число атомов в вокселях располагаются в кубической системе, это потребует улучшения чувствительности более чем  в 100 раз  по отношению к предшествующей работе - текущее разрешение  изображения  составляет около 5 нанометров."

Подготовка биологических объектов для низкотемпературных высоковакуумных измерений является серьезной   задачей, потому что обыкновенная клетка, при воздействии вакуума разрывается  из-за  дисбаланса давления. "Когда клетку охлаждают до температуры ниже точки замерзания воды, жидкость внутри клетки  может кристаллизоваться и разрушать клеточные мембраны", добавил он. "Мы разрабатываем стратегии для того, чтобы избежать этих проблем,  и мы сможем переносить  клетки или вирусы в нашу измерительную  установку, не повреждая их."