Manyetik Rezonans Görüntüleme kullanarak Karışım miktarının

Özet

Manyetik rezonans görüntüleme (MRG), operasyon sırasında proses ekipmanları etkinliğini değerlendirmek için güçlü bir araç sağlar. Biz statik karıştırıcı karıştırma görselleştirmek için MRG kullanımı tartışıyorlar. Bu uygulama, kişisel bakım ürünleri ile ilgili, ancak, gıda, kimyasal, biyokütle ve biyolojik sıvılar geniş bir yelpazede uygulanabilir.

Özet

Protokol

1. Mikser tasarımı

1. Statik karıştırıcı karıştırma bölümleri tasarlamak için bir CAD programı kullanın.

   SAR karıştırıcı bir dizi farklı plaka geometrileri oluşmaktadır; bu geometrileri gösterilmektedir Şekil. 3. Her lazer kesim Poli (metil metakrilat) (PMMA) plaka 1.59 mm kalınlığında ve PVC boru, akrilik çubuk ile uyumlu hale getirilmesi, böylece alt kısmında dikdörtgen bir anahtarı vardır. Geometri açıklanan benzer [3, 4] Hariç açılımları ve kasılmaları duvarlar, çok düz çapraz yüzeylerde daha ayrık plakaların uyum nedeniyle ayrık "merdiven" adımları bir dizi oluşur. PMMA ve PVC inşaat malzemesi burada olmasına rağmen, opak-metalik olmayan mikserler de inşa edilebilir.

   2. Karıştırıcı yinelenen birimleri geliştirmek için ayrı ayrı kalıplara hizalayın. Plakalar 1 ½ inç Çizelgesi 40 net PVC boru içinde sıkıca yerleştirin.
   3. Şekil. 4 Yan bakıldığında statik karıştırıcı göstermektedir. Rakamın sol tarafındaki iki sıvıları girdiğiniz dikkat edin. Karanlık bölge olarak gösterilen küçük bileşeni, nozul (Levha S, Şekil 3) ile girer ve (renksiz) önemli bir bileşeni küçük bileşeni bir akım oluşturur. Plaka S sonra tekrar birim ilk Plate C'de başlar ve açık kanal (Levha C) 8 tabak içine iki akışkanların akışı, Levha 48 aracılığıyla da yineleyerek birim Plaka C downstream uzanır. Sıvı daha sonra fiziksel olarak ben, gerçek karıştırma bölümü tarafından takip Plaka sekiz tabak iki dikey kanallar içine ayrılır. Karıştırma bölüm yukarı akış yönündeki, 16 plakalarının toplam: Tabaklar I, A, B, D, E, F, G, J, J, K, L, M, N, O, P, ve H. sıvı, sıvı, fiziksel olarak iki yatay kanal bölünmüş olduğu Levha H, 8 tabak içine karıştırma bölümünde ve akışlar bırakır. "H" bölümünde 8 açık kanal (Levha C) plakaları ile takip edilmektedir. Bu model 48plakalar karıştırıcı 6 kez tekrarlanır. İki tekrar birimlerinde gösterilmektedir Şekil. 4 Tabaklar 1-96.

   2. MR görüntüleme sistemi ve bir karıştırıcı ile akış sistemi

   1. , In-line split-ve-rekombinasyona statik mikser aracılığıyla Carbopol çözüm pompa akış sistemi birleştirin. Test sıvıların kütle akış hızını kontrol ve kayıt olun. Buna ek olarak, basınç monitörü yukarı karıştırıcı bir basınç dönüştürücü dahil.
   2. Konum mıknatıs mikser (Şekil 5). Mıknatıs, 1 Tesla sürekli mıknatıs tabanlı görüntüleme spektrometre (Aspect Görüntüleme Sanayi Bölgesi Hevel Modi'in, Shoham, İsrail) parçası 0,3 T / m pik gradient gücü mıknatıs kasasının boyutları 700 x 700 x 600 mm.
   3. Dope manganez klorür ile Carbopol çözümün parçası (MnCl ₂). Bu küçük bir bileşeni olacak. En önemli bileşeni, katkısız Carbopol bir çözümdür. Şekil. 6 Şematik bir akış sistemi göstermektedir.

   3. Test sıvısının Karakterizasyonu

   1. Yavaş yavaş karıştırılan bir tank içinde eleme deiyonize su içine tartılır polimer miktarı% 0.2 w / w Carbopol (Lubrizol Corporation) bir çözüm hazırlayın. Bu polimer ürün ailesi, çapraz bağlı akrilik asit kimya ve reolojik değiştiricileri gibi kişisel bakım ve ev ürünleri yaygın olarak kullanılmaktadır. Carbopol çözüm pH 7 ila% 50 NaOH çözeltisi ile nötralize nötralizasyon çözüm jel formunda su polimer şişer olarak maksimum viskozite elde etmenize olanak verir. MR kontrast madde MnCl içeren ikinci bir carbopol çözüm hazırlayın ₂ 0.040 mM nihai konsantrasyonu; bu çözüm katkılı tracer sıvı olarak adlandırılır.
   2. Bir sıvı sıcaklık 25, standart bir Couette geometriye sahip TA Instruments AR-G2 reometre (New Castle, DE) (14 mm çap x 42 mm yükseklik) ile carbopol çözümler akış davranış veya reoloji, Karakterize ° C . Kayma viskozitesi için 10 puan / on yıl ve% 5 tolerans ile logaritmik modunda 0.1 500 Pa, kararlı bir duruma kayma gerilmesi süpürme kullanın. Yöntemleri [5].

   Bu çalışmada, iki çözüm reolojik özelliklerini ayırt edilemez ve gösterildiği Şekil. 7, Veri davranış incelme bir güç kanun model ve gösteri kayma için uygun.

   Küçük genlik salınım testi ile% 0.2 w / w carbopol çözüm viskoelastik özellikleri Karakterize. 1 Pa, lineer viskoelastik bölgeye tekabül eden sabit bir stres dinamik bir test uygulayın. 0.63 rad / s (100-0,10 Hz) logaritmik modunda 10 puan / on yıl - 628 frekans süpürme üzerine dökün ölçün.

   Depolama ve kaybı modülü, G ve G ", sırasıyla gösterilmiştir Şekil. 8. Eğrileri G 'G' ve 'G' oldukça sabit bir jel sisteminin karakteristik [5]. 0.3 düşük frekanslarda az 0.05 tan (δ) = G / G 'artış Değerler - 0.5 daha yüksek frekanslı. Karşılık gelen faz gecikme (δ), sınırlar δ, aynı trendi takip Hookean katı ve Newton sıvılar için δ = π / 2 = 0.

   3. Reynolds sayısı kullanılarak akış sırasında atalet kuvvetlerini viskoz güçlerin göreli katkı değerlendirin. Her plaka kesit farklılık gösterdiğinden, plaka ve Reynolds sayısı ile ortalama debisi hesaplanır ve verilen Tablo 1.

   Bu Reynolds sayısı değerleri 1.0 'den daha az ve viskoz kuvvetlerin atalet kuvvetlerini egemen olduğu akar karakterize. Diğer bir deyişle, laminer uzanan ve türbülans daha ziyade kesme, karıştırma.

   4. MR veri toplama

   1. Uygun bir radyo frekanslı bobin seçin.

   Bu çalışma, uzun silindirik bir hacim çapı 60 mm ve 60 mm encasing dört defa dönmesi ile bir selenoid kullanır. Bu bobin yakından uyan PVC boru ve sinyal iyi bir sinyal-gürültü oranı elde etti.

   2. Bir çok dilim gradient eko sekansı çalıştırın ve MR görüntüleri elde.

   Bu darbe dizisi seçildi. Bir denklemin farklı dinlenme süreleri ile iki malzeme arasındaki göreli sinyal yoğunluğu hesaplanır. Sinyal yoğunluğu farklılıkları, uygun deneysel parametrelerin seçiminde dikkate alınması gereken bir görüntü alımı sırasında moleküler difüzyon etkisi göreli görüntü için toplam satın alma zamanı. Ayrıca, kontrast madde konsantrasyonu (MnCl ₂) Kontrast madde konsantrasyonu kaynaklanan sinyal intensite değişiklikleri doğrusal olduğu gibi seçilir. Ayrıca, MnCl ₂ Spin-lattice relaksasyon zamanı (T azalır ₁) 2,998 s (katkısız) 0.515 s (katkılı) için test sıvısı. Yoğunluğu yüksek spin kafes relaksasyon zamanı ağırlıklı katkılı Carbopol çözüm görüntüler katkısız Carbopol çözüm daha parlak görünür. 30 ms 2 ms ve tekrarlama zamanı (TR) darbe dizisi parametreleri bir eko zamanı (TE); view (FOV) alanında veren 128 kodlamaları başına düzlem uzaysal çözünürlüğü 0,5 mm / 64 mm voksel. Bu multi-slice sırası ile, kalınlığı 1.4 mm görüntüleme dilim başına 32 kesit dilimleri kazanır.

   5. Görüntüleme sıvı

   1. Sabit akış elde edilene kadar mikser ile major ve minör bileşenler Pompa. Majör ve minör bileşenleri göreceli debisi 10:01. Aynı zamanda mikser pompaları ve akışkan görüntü durdurun. MR dizisi akış tazminat dahil değildir; hareket eserler önlemek için görüntüleme suskun bir sıvı yapılır. Görüntüleme süresi 1-4 dakika sırasına.
   2. Karıştırıcı görüntü silindir hacimleri farklı eksenel yerlerde birkaç kez yeniden konumlandırma.

   Bu çalışmada, mikser birkaç silindir hacimleri görüntülü ve yer olabilir Şekil. 9. Hacmi, istenen birimde NMR bobini mıknatıs merkezinde merkezi tarafından tanımlanan sweet spot kadar mıknatıs ile eksenel karıştırıcı tüp kaydırarak seçilir.

   3. Bileşen konsantrasyonlarının mekansal dağılımı belge, görüntü analiz işlemleri ile MR verileri analiz edin. Normalize edilmiş sinyal yoğunluğu (x) ve bu çalışmada katkılı sıvı (y) fraksiyonu arasındaki ilişki (R y = 1.419x-0,482 ² = 0.99). Bu ilişki, MRI kullanılarak akış görselleştirme karıştırma process.To güç göstermek analiz ile ilgili aşağıdaki sonuçlar farklı eksenel yerlerde görüntü seçilir.

   6. Temsilcisi Sonuçlar

   Şekil 10 Katkılı ve katkısız ilk yinelenen birimi girerken kesitlerini göstermek için yarık nozul (enjektör) görüntüleri göstermektedir. Bu görüntüler aynı zamanda sinyal yoğunluğu% 100 katkılı sıvı ve katkısız sıvı arasındaki farkı açıkça göstermektedir.

   SAR mikser 1 H Platesdownstream görüntüleri etkili ve eşit gösterildiği gibi akan böler ^St 2 ^Nd Ve ^3. Karıştırma bölümleri ( Şekil. 11 Ilk satır). Her karıştırma bölümü aracılığıyla katkılı sıvı "çizgili" çift sayısı. İkinci sıra Şekil. 11 Görüntü analiz prosedürü göstermektedir eşikleri, "1" ler (çizgili) görüntü ve "0" (her şeyden). Bu işlenmiş görüntüler sıvı böler ve tekrar düzenler gibi katkılı ve katkısız sıvıları arasındaki arayüzey alanı artış açıkça göstermektedir.

   Ikinci karıştırma bölümü aracılığıyla Sıralı görüntüleri gösterilir Şekil. 12.

   

   Tablo 1. Ilgili Reynolds sayısı (Re), her plaka ve ortalama hız kesiti ile kesit alanı, eşdeğer bir çap kullanarak bir güç yasası sıvı (PL) için tanımlanmış.

   Şekil 1. Fotoğraf Carbopol boyalı kırmızı önemli bir bileşeni olarak küçük bir bileşeni ve boyasız Carbopol çözüm olarak kullanarak split-ve-rekombinasyona karıştırıcı akış göstermek için.
   Şekil 2. 2 Tesla süper iletken mıknatıs; boyutu başvuru için, konveyör görüntüleme bölgeye hareket eden 3 avokado.
   Şekil 3. Plaka türleri ve mektup belirtme SAR karıştırıcı bir yinelenen birimi oluşturmak için kullanılır.
   Şekil 4. Dökülen ve rekombinasyona mikser şematik.
   Şekil 5. 1 Tesla sürekli mıknatıs tabanlı görüntüleme spektrometre (En-Boy Görüntü).
   Şekil 6. Akış sisteminin şematik.
   Şekil 7.% 0.2 Carbopol çözüm Görünür viskozite.
   Şekil 8.% 0.2 Carbopol çözüm viskoelastik özellikleri.
   Şekil 9. SAR karıştırıcı birimleri tekrarlamak.
   Şekil 10. İki görüntü: meme upstream bölümü yavaş yavaş SAR karıştırıcı ilk yinelenen ünitesine girişinde bir yarık haline katkılı sıvı dairesel bir kesit vardır.
   Şekil 11. Akışkanlar mansap
   Şekil 12. Ikinci karıştırma bölümü ile 16 ardışık görüntülerin Diziler.

Tartışmalar

Manyetik rezonans görüntüleme karışım sıvı analizi için hızlı ve kantitatif bir yöntemdir. Ölçüm yapmak için bir kaç dakika sürer ve pozisyonun bir fonksiyonu olarak bölünmüş ve rekombinasyona mikserde sıvı konsantrasyonu sağlar. Bu teknik, karıştırma sorunları ve geometrileri geniş bir yelpazede uygulama için uygundur [ 6-11]. Tekniğine Sınırlamalar nonmagnetic bir mikser inşa edilen ve kullanılan MRI ekipman ve malzemelerin en az bir veri elde etmek için yeterli bir sinyal sağlamak gerekir gerektiğini. Yeterli sinyal yeterli sayıda yoğunluklu bir NMR aktif çekirdeklerin gerektirir.

MR da, katı ve sıvı, iki önemli ölçüde farklı reolojik özelliklere sahip sıvıların yanı sıra, tepki sistemleri karıştırma karıştırma ölçmek için kullanılabilir. Katıların bir sıvı içine karıştırma SAR mikser dışında farklı görüntü verecektir. Hızla katıların katı bileşeni sinyal bozunur karıştırma ve görüntülü değildir; dolayısıyla, sinyal sadece sıvı ve katı konsantrasyonu saf sıvı sinyaline göre sinyal kaybı türetilmiştir.

MR karıştırma görüntüleri hesaplama karıştırma deneyler mükemmel bir test sunuyoruz. Görüntü verilerini ideal koşullar sıvı reolojik özellikleri ve sapmaların önemi hakkında fikir verir. Içinde Şekil. 12 Sıvı ideal tekdüze katmanlardan gelen sapmalar açıktır. Görüntüler, böylece karmaşık akışların sayısal tahminleri ile doğrudan karşılaştırma için uygun ayarlar ayrıntılı veriler elde etti.

Malzemeler

Name	Company	Catalog Number	Comments
Malzeme veya ekipman	Satıcı
Aspect 1T görüntüleme spektrometresi	Aspect Görüntüleme (Shoham, İsrail)
AR-G2 reometre	TA Instruments, (New Castle, DE)
Seepex ölçüm pompaları	Seepex GmbH (Bottrop, Almanya)
Carbopol	Lubrizol şirket, (Wickliffe, OH)
Mangan Klorür 1M Çözüm	Fisher Scientific (Pittsburgh, PA)