Bioagent detection using miniaturized NMR and nanoparticle amplification : final LDRD report.

This LDRD program was directed towards the development of a portable micro-nuclear magnetic resonance ({micro}-NMR) spectrometer for the detection of bioagents via induced amplification of solvent relaxation based on superparamagnetic nanoparticles. The first component of this research was the fabrication and testing of two different micro-coil ({micro}-coil) platforms: namely a planar spiral NMR {micro}-coil and a cylindrical solenoid NMR {micro}-coil. These fabrication techniques are described along with the testing of the NMR performance for the individual coils. The NMR relaxivity for a series of water soluble FeMn oxide nanoparticles was also determined to explore the influence of the nanoparticle size on the observed NMR relaxation properties. In addition, The use of commercially produced superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) for amplification via NMR based relaxation mechanisms was also demonstrated, with the lower detection limit in number of SPIONs per nanoliter (nL) being determined

Bringing MRI to low- and middle-income countries: Directions, challenges and potential solutions

The global disparity of magnetic resonance imaging (MRI) is a major challenge, with many low- and middle-income countries (LMICs) experiencing limited access to MRI. The reasons for limited access are technological, economic and social. With the advancement of MRI technology, we explore why these challenges still prevail, highlighting the importance of MRI as the epidemiology of disease changes in LMICs. In this paper, we establish a framework to develop MRI with these challenges in mind and discuss the different aspects of MRI development, including maximising image quality using cost-effective components, integrating local technology and infrastructure and implementing sustainable practices. We also highlight the current solutions-including teleradiology, artificial intelligence and doctor and patient education strategies-and how these might be further improved to achieve greater access to MRI

Innovative micro-NMR/MRI functionality utilizing flexible electronics and control systems

Das zentrale Thema dieser Arbeit ist die Entwicklung und Integration von flexibler Elektronik für Mikro-Magnetresonanz (MR)-Anwendungen. Zwei wichtige Anwendungen wurden in der Dissertation behandelt; eine Anwendung auf dem Gebiet der Magnetresonanztomographie (MRI) und die andere auf dem Gebiet der Kernspinresonanz (NMR). Die MRI-Anwendung konzentriert sich auf die Lösung der Sicherheits- und Zuverlässigkeitsaspekte von MR-Kathetern. Die NMR-Anwendung stellt einen neuartigen Ansatz zur Steigerung des Durchsatzes bei der NMR-Spektroskopie vor. Der erste Teil der Dissertation behandelt die verschiedenen Technologien die zur Herstellung flexibler Elektronik auf der Mikroskala entwickelt wurden. Die behandelten MR-Anwendungen erfordern die Herstellung von Induktoren, Kondensatoren und Dioden auf flexiblen Substraten. Die erste Technologie, die im Rahmen der Mikrofabrikation behandelt wird, ist das Aufbringen einer leitfähigen Startschicht auf flexiblen Substraten. Es wurden verschiedene Techniken getestet und verglichen. Die entwickelte Technologie ermöglicht die Herstellung einer mehrschichtigen leitfähigen Struktur auf einem flexiblen Substrat (50 $\mu$m Dicke), die sich zum Umwickeln eines schlanken Rohres (>0,5 mm Durchmesser) eignet. Die zweite Methode ist der Tintenstrahldruck von Kondensatoren mit hoher Dichte und niedrigem Verlustkoeffizienten. Zwei dielektrische Tinten auf Polymerbasis wurden synthetisiert, durch die Dispersion von TiO$_2$ und BaTiO$_3$ in Benzocyclobuten (BCB) Polymer. Die im Tintenstrahldruckverfahren hergestellten Kondensatoren zeigen eine relativ hohe Kapazität pro Flächeneinheit von bis zu 69 pFmm$^{-2}$ und erreichen dabei einen Qualitätsfaktor (Q) von etwa 100. Außerdem wurde eine Technik für eine tintenstrahlgedruckte gleichrichtende Schottky-Diode entwickelt. Die letzte behandelte Technologie ist die Galvanisierung der leitenden Startschichten. Die Galvanik ist eine gut erforschte Technologie und ein sehr wichtiger Prozess auf dem Gebiet der Mikrofabrikation. Sie ist jedoch in hohem Maße von der Erfahrung des Bedieners abhängig. Darüber hinaus ist eine präzise Steuerung der Galvanikleistung erforderlich, insbesondere bei der Herstellung kleiner Strukturen, wobei sich die Pulsgalvanik als ein Verfahren erwiesen hat, das ein hohes Maß an Kontrolle über die abgeschiedene Struktur bietet. In diesem Zusammenhang wurde eine hochflexible Stromquelle auf Basis einer Mikrocontroller-Einheit entwickelt, um Genauigkeit in die Erstellung optimaler Galvanikrezepte zu bringen. Die Stromquelle wurde auf Basis einer modifizierten Howland-Stromquelle (MHCS) unter Verwendung eines Hochleistungs-Operationsverstärkers (OPAMP) aufgebaut. Die Stromquelle wurde validiert und verifiziert, und ihre hohe Leistungsfähigkeit wurde durch die Durchführung einiger schwieriger Anwendungen demonstriert, von denen die wichtigste die Verbesserung der Haftung der im Tintenstrahldruckverfahren gedruckten Startschicht auf flexiblen Substraten ist. Der zweite Teil der Dissertation befasst sich mit interventioneller MRT mittels MR-Katheter. MR-Katheter haben potenziell einen erheblichen Einfluss auf den Bereich der minimalinvasiven medizinischen Eingriffe. Implantierte längliche Übertragungsleiter und Detektorspulen wirken wie eine Antenne und koppeln sich an das MR-Hochfrequenz (HF)-Sendefeld an und machen so den Katheter während des Einsatzes in einem MRT-Scanner sichtbar. Durch diese Kopplung können sich die Leiter jedoch erhitzen, was zu einer gefährlichen Erwärmung des Gewebes führt und eine breite Anwendung dieser Technologie bisher verhindert hat. Ein alternativer Ansatz besteht darin, einen Resonator an der Katheterspitze induktive mit einer Oberflächenspule außerhalb des Körpers zu koppeln. Allerdings könnte sich auch dieser Mikroresonator an der Katheterspitze während der Anregungsphase erwärmen. Außerdem ändert sich die Sichtbarkeit der Katheterspitze, wenn sich die axiale Ausrichtung des Katheters während der Bewegung ändert, und kann verloren gehen, wenn die Magnetfelder des drahtlosen Resonators und der externen Spule orthogonal sind. In diesem Beitrag wird die Abstimmkapazität des Mikrodetektors des Katheters drahtlos über eine Impulsfolgensteuerung gesteuert, die an einen HF-Abstimmkreis gesendet wird, der in eine Detektorspule integriert ist. Der integrierte Schaltkreis erzeugt Gleichstrom aus dem übertragenen HF Signal zur Steuerung der Kapazität aus der Ferne, wodurch ein intelligenter eingebetteter abstimmbarer Detektor an der Katheterspitze entsteht. Während der HF-Übertragung erfolgt die Entkopplung durch eine Feinabstimmung der Detektorbetriebsfrequenz weg von der Larmor-Frequenz. Zusätzlich wird ein neuartiges Detektordesign eingeführt, das auf zwei senkrecht ausgerichteten Mikro-Saddle-Spulen basiert, die eine konstante Sichtbarkeit des Katheters für den gesamten Bereich der axialen Ausrichtungen ohne toten Winkel gewährleisten. Das System wurde experimentell in einem 1T MRT-Scanner verifiziert. Der dritte Teil der Dissertation befasst sich mit dem Durchsatz von NMR-Spektroskopie. Flussbasierte NMR ist eine vielversprechende Technik zur Verbesserung des NMR-Durchsatzes. Eine häufige Herausforderung ist jedoch das relativ große Totvolumen im Schlauch, der den NMR-Detektor speist. In diesem Beitrag wird ein neuartiger Ansatz für vollautomatische NMR-Spektroskopie mit hohem Durchsatz und verbesserter Massensensitivität vorgestellt. Der entwickelte Ansatz wird durch die Nutzung von Mikrofluidik-Technologien in Kombination mit Dünnfilm-Mikro-NMR-Detektoren verwirklicht. Es wurde ein passender NMR-Sensor mit einem mikrofluidischen System entwickelt, das Folgendes umfasst: i) einen Mikro-Sattel-Detektor für die NMR-Spektroskopie und ii) ein Paar Durchflusssensoren, die den NMR-Detektor flankieren und an eine Mikrocontrollereinheit angeschlossen sind. Ein mikrofluidischer Schlauch wird verwendet, um eine Probenserie durch den Sondenkopf zu transportieren, die einzelnen Probenbereiche sind durch eine nicht mischbare Flüssigkeit getrennt, das System erlaubt im Prinzip eine unbegrenzte Anzahl an Proben. Das entwickelte System verfolgt die Position und Geschwindigkeit der Proben in diesem zweiphasigen Fluss und synchronisiert die NMR-Akquisition. Der entwickelte kundenspezifische Sondenkopf ist Plug-and-Play-fähig mit marktüblichen NMR-Systemen. Das System wurde erfolgreich zur Automatisierung von flussbasierten NMR-Messungen in einem 500 MHz NMR-System eingesetzt. Der entwickelte Mikro-NMR-Detektor ermöglicht hochauflösende Spektroskopie mit einer NMR-Empfindlichkeit von 2,18 nmol s$^{1/2}$ bei Betrieb der Durchflusssensoren. Die Durchflusssensoren wiesen eine hohe Empfindlichkeit bis zu einem absoluten Unterschied von 0,2 in der relativen Permittivität auf, was eine Differenzierung zwischen den meisten gängigen Lösungsmitteln ermöglichte. Es wurde gezeigt, dass eine vollautomatische NMR-Spektroskopie von neun verschiedenen 120 $\mu$L Proben innerhalb von 3,6 min oder effektiv 15,3 s pro Probe erreicht werden konnte

CMOS and MEMS Based Microsystems for Manipulation and Detection of Magnetic Beads for Biomedical Applications

RÉSUMÉ Les micro et nano billes magnétiques dédiées à l'étiquetage des bio-particules attirent de plus en plus d'intérêt dans de nombreuses applications environnementales et sanitaires, tels que l'analyse de gènes, le transport des médicaments, la purification et l'immunologie. Les dimensions réduites et la haute sensibilité des billes magnétiques rendent leurs manipulations à haute précision possibles. Leur simplicité de suivi dans le milieu biologique et leur biocompatibilité permettent d’effectuer des détections rapides et à haute sensibilité pour des applications in vivo et in vitro. L'utilisation traditionnelle des billes magnétiques prend place dans un laboratoire se servant du matériel encombrant et dispendieux. Avec le développement de la technologie de microfabrication, des billes magnétiques peuvent être traitées dans un microsystème, plus précisément, dans une structure laboratoire sur puce (LoC). La combinaison microfluidique et microélectronique offre des possibilités d’autoévaluation, ce qui peut augmenter l'efficacité du travail. Cette thèse est orientée vers de nouvelles approches pour la manipulation et la détection de bio-particules se servant de la technologie de microsystèmes basées sur des structures microelectroniques et microfluidiques et en utilisant des marqueurs de billes magnétiques. Basé sur un réseau de microbobines à la fois comme une source de champ magnétique et un capteur inductif, le microsystème proposé est réalisé grâce à l'efficacité de fabrication de structures CMOS-MEMS, ainsi que des circuits intégrés dédiés CMOS de haute performance afin d'obtenir un rendement élevé de manipulation et de détection de billes magnétiques. Plusieurs défis ont été analysés dans la mise en œuvre de ces microsystèmes et des solutions correspondantes fournies. Plus précisément, la conception et la mise en œuvre d'une plate-forme contrôlée en température en format portable sont d'abord présentées, dans un effort réalisé pour résoudre la question de la chaleur par effet Joule lors de l'application du réseau de microbobines comme une source de champ magnétique dédié à la manipulation de billes magnétiques. Une plateforme similaire à cette dernière a été améliorée pour effectuer une analyse magnétique immunologique, en ajoutant des circuits de détection par des billes magnétiques. De plus, des IgG et anti-IgG de souris ont été utilisés dans des expériences pour vérifier les performances de détection de la plateforme de microsystème proposé.----------ABSTRACT Magnetic micro/nano beads as labels of bio-particles have been attracting more and more interest in many environmental and health applications, such as gene and drug delivery, purification, and immunoassay. The miniature size and high sensitivity of magnetic bead allow accurate manipulation, whereas its high distinguishability from biological background and biocompatibility make fast and high sensitivity detection possible for in vitro and in vivo applications. Traditional employment of magnetic beads is done in laboratory environment with the assist of bulky and expensive equipment. Thanks to the development of microfabrication technology, magnetic beads therefore can be handled on a microsystem, more specifically, a Lab-on-Chip (LoC). The combination of microfluidics with microelectronics offers the possibility of automatic analyses, which can liberate the labor and increase the efficiency.This thesis focuses on new approaches for bio-particles manipulation and detection on microelectronic/microfluidic hybrid microsystems using magnetic beads as labels. Based on planar microcoil array as both magnetic field source and the front-end inductive sensor, the proposed microsystems can take advantage of the massive producible CMOS/MEMS fabrication process, as well as the customized high performance CMOS circuits, to achieve a high efficient magnetic beads manipulation and a quantitative detection. Several challenges in implementing such microsystems are analyzed and corresponding solutions are provided. Specifically, the design and implementation of a temperature controllable LoC platform in portable format is firstly presented, for the sake of resolving the Joule heat issue when applying microcoil array as magnetic field source in magnetic beads manipulation. The similar platform is then improved to be used for magnetic immunoassay, by adding magnetic beads sensing circuits. Mouse IgG and anti-mouse IgG are employed in experiments to verify the detection performance of the proposed microsystem platform. Additionally, a fully integrated silicon substrate MEMS chip which integrates both microfluidic channel and microcoil array on a single chip is designed and fabricated following the Finite Element Analysis (FEA) simulation results and tested using bio-particles attached magnetic beads. This monolithic chip has the potential to be applied for in vivo applications

Sustainable low-field cardiovascular magnetic resonance in changing healthcare systems.

Cardiovascular disease continues to be a major burden facing healthcare systems worldwide. In the developed world, cardiovascular magnetic resonance (CMR) is a well-established non-invasive imaging modality in the diagnosis of cardiovascular disease. However, there is significant global inequality in availability and access to CMR due to its high cost, technical demands as well as existing disparities in healthcare and technical infrastructures across high-income and low-income countries. Recent renewed interest in low-field CMR has been spurred by the clinical need to provide sustainable imaging technology capable of yielding diagnosticquality images whilst also being tailored to the local populations and healthcare ecosystems. This review aims to evaluate the technical, practical and cost considerations of low field CMR whilst also exploring the key barriers to implementing sustainable MRI in both the developing and developed world

Research on passive instrumentation and stimuli generation for Saturn IB equipment checkout. Volume II - Detailed technical report Final report, 26 Jun. 1965 - 31 May 1966

Passive instrumentation and stimuli generation for Saturn IB equipment checkout - nondestructive testin

Guidebook on Detection Technologies and Systems for Humanitarian Demining

The aim of this publication is to provide the mine action community, and those supporting mine action, with a consolidated review and status summary of detection technologies that could be applied to humanitarian demining operations. This Guidebook is meant to provide information to a wide variety of readers. For those not familiar with the spectrum of technologies being considered for the detection of landmines and for area reduction, there is a brief overview of the principle of operation for each technology as well as a summary listing of the strengths, limitations, and potential for use of the technology to humanitarian demining. For those with an intermediate level of understanding for detection technologies, there is information regarding some of the more technical details of the system to give an expanded overview of the principles involved and hardware development that has taken place. Where possible, technical specifications for the systems are provided. For those requiring more information for a particular system, relevant publications lists and contact information are also provided

Preclinical MRI of the Kidney

This Open Access volume provides readers with an open access protocol collection and wide-ranging recommendations for preclinical renal MRI used in translational research. The chapters in this book are interdisciplinary in nature and bridge the gaps between physics, physiology, and medicine. They are designed to enhance training in renal MRI sciences and improve the reproducibility of renal imaging research. Chapters provide guidance for exploring, using and developing small animal renal MRI in your laboratory as a unique tool for advanced in vivo phenotyping, diagnostic imaging, and research into potential new therapies. Written in the highly successful Methods in Molecular Biology series format, chapters include introductions to their respective topics, lists of the necessary materials and reagents, step-by-step, readily reproducible laboratory protocols, and tips on troubleshooting and avoiding known pitfalls. Cutting-edge and thorough, Preclinical MRI of the Kidney: Methods and Protocols is a valuable resource and will be of importance to anyone interested in the preclinical aspect of renal and cardiorenal diseases in the fields of physiology, nephrology, radiology, and cardiology. This publication is based upon work from COST Action PARENCHIMA, supported by European Cooperation in Science and Technology (COST). COST (www.cost.eu) is a funding agency for research and innovation networks. COST Actions help connect research initiatives across Europe and enable scientists to grow their ideas by sharing them with their peers. This boosts their research, career and innovation. PARENCHIMA (renalmri.org) is a community-driven Action in the COST program of the European Union, which unites more than 200 experts in renal MRI from 30 countries with the aim to improve the reproducibility and standardization of renal MRI biomarkers

Preclinical MRI of the kidney : methods and protocols

This Open Access volume provides readers with an open access protocol collection and wide-ranging recommendations for preclinical renal MRI used in translational research. The chapters in this book are interdisciplinary in nature and bridge the gaps between physics, physiology, and medicine. They are designed to enhance training in renal MRI sciences and improve the reproducibility of renal imaging research. Chapters provide guidance for exploring, using and developing small animal renal MRI in your laboratory as a unique tool for advanced in vivo phenotyping, diagnostic imaging, and research into potential new therapies. Written in the highly successful Methods in Molecular Biology series format, chapters include introductions to their respective topics, lists of the necessary materials and reagents, step-by-step, readily reproducible laboratory protocols, and tips on troubleshooting and avoiding known pitfalls. Cutting-edge and thorough, Preclinical MRI of the Kidney: Methods and Protocols is a valuable resource and will be of importance to anyone interested in the preclinical aspect of renal and cardiorenal diseases in the fields of physiology, nephrology, radiology, and cardiology. This publication is based upon work from COST Action PARENCHIMA, supported by European Cooperation in Science and Technology (COST). COST (www.cost.eu) is a funding agency for research and innovation networks. COST Actions help connect research initiatives across Europe and enable scientists to grow their ideas by sharing them with their peers. This boosts their research, career and innovation. PARENCHIMA (renalmri.org) is a community-driven Action in the COST program of the European Union, which unites more than 200 experts in renal MRI from 30 countries with the aim to improve the reproducibility and standardization of renal MRI biomarkers