In vivo Magnetic resonance imaging focused on tumours visualisation

Cílem této práce je zhodnocení možností zobrazování magnetickou rezonancí, popis možností vyhodnocování výstupu vyšetření magnetickou rezonancí, experimentálně porovnat vliv nastavení parametrů magnetické rezonance na výsledný kontrast na MR obrazech a prozkoumat možnosti zlepšení zobrazování. Teoretická část je zaměřena na popis fyzikálního principu, vývoje a možností zobrazování magnetickou rezonancí. Praktická část se poté zabývá experimentálním ověřením vlivu různých nastavení parametrů magnetické rezonance na výsledný kontrast.The goal of this work is to evaluate the posibilities of magnetic resonance imaging, to describe the possibilities of MRI output evaluation, to experimetally compare the influence of magnetic resonance parameters settings on the final contrast of MR images and to explore the possibilities of imaging improvement. The teoretical part is focused on description of the physical principle, the evolution and possibilities of magnetic resonance imaging. The practical part then deals with the experimental verification of the influence of various MR parameters on the final contrast

Magnetic resonance imaging with multimodal T2 contrast agents based on fluorescence-labelled magnetic cores with the spinel structure

Předmětem této diplomové práce byla příprava magnetických fluorescenčně značených nanočástic spinelového typu, konkrétně zinkem dopovaného kobaltnatého feritu, pro zobrazování magnetickou rezonancí a fluorescenční mikroskopii v experimentální praxi. V dřívějších výzkumech vykazovaly různé feritové nanočástice poměrně vysoké transverzální relaxační časy a výrazný negativní T2 kontrast. Tyto vlastnosti byly předpokládány také u nanočástic kobaltnatého feritu dopovaného zinkem. Daný předpoklad byl následně ověřen studiem jejich magnetických a kontrastních vlastností. Dále byly s úspěchem studovány také jejich fluorescenční vlastnosti. V návaznosti na biologické experimenty byla řešena problematika povrchové úpravy magnetických jader připravených nanočástic, problematika týkající se jejich stabilizace ve vodné fázi a v neposlední řadě také toxicita těchto nanočástic v živých systémech. Klíčová slova: nanočástice, ferity, MRI, relaxaceThis diploma thesis was focused on the preparation of magnetic and fluorescently labelled spinel type nanoparticles, specifically nanoparticles of zinc-doped cobalt ferrite intended for application in magnetic resonance imaging and fluorescence microscopy in experimental practice. In previous studies, various ferrite nanoparticles exhibited relatively high transverse relaxation times and strong negative T2 contrast. These properties were also supposed for the zinc-doped cobalt ferrite nanoparticles. This assumption was confirmed by studying their magnetic and contrasting properties. Fluorescence properties of the prepared nanoparticles were also successfully studied. With respect to the intended applications of these particles, the issue of suitable surface modification of magnetic cores, their colloidal stabilization in an aqueous suspension and toxicity in biological systems were studied. Key words: nanoparticles, ferrites, MRI, relaxationKatedra anorganické chemieDepartment of Inorganic ChemistryPřírodovědecká fakultaFaculty of Scienc

Pacemakers and electromagnetic interference

Tématem této semestrální práce jsou kardiostimulátory a zdroje rušení. Projekt částečně navazuje na starší diplomovou práci na dané téma (Ing. Kulík, Ústav automatizace a měřicí techniky FEKT, VUT Brno) a z hlediska metodiky měření rozvíjí dané téma podobným směrem. Teoretická část práce stručně vysvětluje principy nukleární magnetické rezonance a magnetické tomografie, popisuje nejběžnější metody používané při magnetické tomografii, definuje kardiostimulátor, uvádí hlavní milníky v jeho vývoji a podrobněji se rozepisuje o kardiostimulátoru jako systému, jeho uspořádání, řízení, nejběžnějších senzorech a způsobech použití. Elektromagnetická interference kardiostimulátorů a defibrilátorů je zpracována formou úplné rešerše od nejstaršího nalezeného záznamu z prosince 1991 až po květen 2009. V praktické části práce se popisuje měření magnetického pole a možnosti sledování jeho účinků na kardiostimulátory. V zásadě existují dvě možné metody měření: off-line expozice vzorku působení magnetického pole na určitou dobu a následný odečet záznamu z kardiostimulátoru pomocí programátoru, nebo on-line sledování činnosti kardiostimulátoru po celou dobu experimentu pomocí měřicí karty. První metoda je schopna spolehlivě prokázat, že k žádné poruše nedošlo, a umožňuje provádění experimentů s dynamickou expozicí kardiostimulátorů, ale v některých případech vykazuje měřicí zařízení zdánlivé poruchy i tam, kde kardiostimulátor ve skutečnosti pracuje dobře. Druhá metoda spolehlivě monitoruje činnost kardiostimulátoru a její jedinou nevýhodou je vyšší úroveň šumu při pohybu vzorku kardiostimulátoru.This work is focused on cardiac pacemakers and sources of electronic interference. The project partly follows another thesis made in the same field of interest (Ing. Kulík, Dept. of Control, Measurement and Instrumentation) and uses similar methodics of measurement. In the theoretical part of the work, the principles of nuclear magnetic resonance and magnetic resonance imaging are briefly explained and most common methods used in MRI are described, as well as the definition of a cardiac pacemaker, main events in pacemaker history and development. Cardiac pacemaker as a system is described in more detail, including construction, control, most common sensors and the ways of use. Electromagnetic interference of cardiac pacemakers and implantable cardioverter defibrillators is processed via a complete review since the oldest scientific paper from December 1991 till May 2009. In the second part, measuring of magnetic field is described, as well as the possibilities of monitoring of its effects on cardiac pacemakers. In fact, there are two possible ways of measuring. off-line exposition of the sample to the magnetic field followed by data acquisition via pacemaker programmer or the continuous on-line monitoring of the pacemaker activity by the means of measuring PC card. While the first method is reliable in cases where the is no sign of malfunction and makes the experiments with a dynamic exposition of sample possible, in some cases it detects a virtual malfunction also in cases where in reality the devices works perfectly. The second method enables a reliable continuous monitoring of pacemaker activity during the whole experiment and its only problem is a higher level of signal noise caused by the sample movement.

pH-probes for Magnetic Resonance Imaging

Makrocyklické ligandy jsou známy pro svou schopnost vázat paramagnetické ionty kovů lanthanoidů za vzniku kineticky inertních a termodynamicky stabilních komplexů, které lze využít jako kontrastní látky pro MRI. Tato práce se zabývá studiem nových ligandů odvozených od známého ligandu H8DOTP - 1,4,7,10-tetraazacyklododekanu se čtyřmi pendantními methylenfosfonátovýmu skupinami. Připravené nové deriváty obsahují dvě různé dvojice pendantních skupin, vždy vzájemně v protějších polohách makrocyklu. Jednou z dvojic jsou skupiny methylenfosfonátové, druhou dvojicí jsou skupiny methylenfosfinátové s různými substituenty na atomu fosforu. Konkrétně se jedná o látku s P-H fosfinátovou skupinou (H6DO2P2PH ), fenylovou skupinou (H6DO2P2PPh ) a trifluorethylovou skupinou (H6DO2P2Ptfe ). V práci je popsána syntéza cílových látek, příprava jejich komplexů s paramagnetickými ionty Eu3+ a Yb3+ a jejich další studium pomocí NMR spektroskopie (pH NMR titrace a relaxometrická NMR měření). Klíčová slova: H4DOTA, H8DOTP, MRI, kontrastní látka, lanthanoidy, makrocyklické ligandy, paramagnetické komplexyMacrocyclic ligands are known for their ability to bind paramagnetic lanthanide metal ions to form kinetically inert and thermodynamically stable complexes that can be used as contrast agents for MRI. This thesis deals with the study of new ligands derived from the known parent ligand H8DOTP - 1,4,7,10-tetraazacyclododecane with four pendant methylenephosphonate groups. The prepared new derivatives contain two different pairs of pendant groups, always in opposite positions of the macrocycle. One of the pairs are methylenephosphonate groups, the other pair are methylenephosphinate groups with different substituents on the phosphorus atom. Specifically, it is a compound with a P-H phosphinate group (H6DO2P2PH ), a phenyl group (H6DO2P2PPh ) and a trifluoroethyl group (H6DO2P2Ptfe ). The thesis describes the synthesis of the target ligands, the preparation of their complexes with paramagnetic ions Eu3+ and Yb3+ and their further study using NMR spectroscopy (pH NMR titration and relaxometric NMR measurements). Keywords: H4DOTA, H8DOTP, MRI, contrast agent, lanthanides, macrocyclic ligands, paramagnetic complexesKatedra anorganické chemieDepartment of Inorganic ChemistryPřírodovědecká fakultaFaculty of Scienc

Cellular labelling using non-usual magnetic nanoparticles

Mezi běžně používané zobrazovací techniky v klinické praxi patří MRI (zobrazování magnetickou rezonancí). Jedná se o metodu pro pacienta zcela neinvazivní, která umožňuje trojrozměrné zobrazování těla na základě detekce vodíkových atomů molekul vody obsažených v jednotlivých tkáních. Intenzita signálu může být navíc ovlivněna přidáním vhodné kontrastní látky. Před vlastním použitím nově připravených kontrastních agens je nutné provést základní in vitro a in vivo experimenty na buněčných liniích a zvířecích modelech, aby případné nežádoucí účinky těchto nanosond na živé organizmy byly odhaleny ještě dřív, než dojde k jejich zavedení do klinické praxe. Současný rozmach nanotechnologií nabízí širokou škálu nanomateriálů, včetně magnetických nanočástic, určených převážně pro snížení intenzity MRI signálu. Mezi nejběžnější a nejdéle používaná kontrastní agens pro MRI patří superparamagnetické nanočástice oxidů železa (SPIO). V této literární rešerši jsou představeny méně běžné typy magnetických nanočástic, které je také možné použít pro zobrazování magnetickou rezonancí. Klíčová slova: magnetická rezonance, nanočástice, značení buněkMRI (magnetic resonance imaging) belongs to an imaging technique in a clinical practice. It is the method completely non-invasive for a patient, which allows three- dimensional imaging of the body based on the detection of hydrogen atoms of water molecules in individual tissues. Intensity of signal can be further influenced by adding a suitable contrast agent. It is necessary to perform basic in vitro and in vivo experiments on a cell cultures and animal models before a new contrast agents will be introduced into the clinical practice. This is due to potential side effects on living organisms. The current boom in nanotechnology offers a variety of nanomaterials including magnetic nanoparticles for decreasing the intensity of the MRI signal. The most common and longest used contrast agents for MRI are based on superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIO). In this literature review will be presented uncommon types of magnetic nanoparticles which can also be used for the magnetic resonance imaging. Key words: magnetic resonance imaging, nanoparticle, cellular imagingKatedra buněčné biologieDepartment of Cell BiologyPřírodovědecká fakultaFaculty of Scienc

Contrast agents for 19F magnetic resonance imaging

Complexes of transition metal ions with ligands containing fluorine atoms represent an interesting group of 19 F MRI contrast agents that could facilitate the diagnosis of various diseases. The presence of a paramagnetic metal ion in the vicinity of the 19 F nucleus results in shorter relaxation times and the possibility to obtain more NMR spectra in a given time, leading to better resolution. This work deals with the synthesis of the fluorinated macrocyclic ligand H3NOTPtfe , the preparation of its complexes with transition metal ions, their characterization and study by methods suitable for assessing their applicability in 19 F MRI, i.e. relaxometric NMR measurements and electrochemistry. The results show that the chosen concept is promising for 19 F MRI. The prepared complexes are applicable as 19 F MRI contrast agents, some even as redox active 19 F MRI "smart" contrast agents. The best properties were observed for the complex [Co(NOTPtfe )]− . Keywords: heteronuclear MRI, contrast agent, fluorine, PRE effect, spin relaxation, magnetic resonance imaging, paramagnetic complexesKomplexy iontů přechodných kovů s ligandy obsahujícími atomy fluoru představují zajímavou skupinu 19 F MRI kontrastních látek, které by mohly usnadnit diagnózu nejrůznějších onemocnění. Přítomnost paramagnetického iontu kovu v blízkosti jádra 19 F způsobuje zkrácení relaxačních časů a možnost v daném čase získat více NMR spekter, což vede k vyšší kvalitě zobrazení. Tato práce se zabývá syntézou fluorovaného makrocyklického ligandu H3NOTPtfe , přípravou jeho komplexů s ionty přechodných kovů, dále jejich charakterizací a studiem metodami vhodnými pro posouzení použitelnosti při 19 F MRI, tedy relaxometrickým NMR měřením a elektrochemií. Výzkum ukazuje, že zvolený koncept je nadějný pro 19 F MRI. Připravené komplexy jsou použitelné jako 19 F MRI kontrastní látky, některé dokonce i jako redoxně aktivní 19 F MRI "smart" kontrastní látky. Nejlepší vlastnosti byly pozorovány u komplexu [Co(NOTPtfe )]− . Klíčová slova: heteronukleární MRI, kontrastní látka, fluor, PRE efekt, spinová relaxace, zobrazování magnetickou rezonancí, paramagnetické komplexyKatedra anorganické chemieDepartment of Inorganic ChemistryFaculty of SciencePřírodovědecká fakult

Parallelization of complex tasks in reconstruction of dynamic magnetic resonance

Tato diplomová práce se zabývá paralelizací náročných úloh rekonstrukce v dynamické magnetické rezonanci. Popisuje základní princip magnetické rezonance a její souvislost s Fourierovou transformací. Zabývá se rozdílem mezi statickou a dynamickou rekonstrukcí obrazu z magnetické rezonance. Rozebírá algoritmus SVD a jeho použití při rekonstrukci zobrazování magnetickou rezonancí. Uvádí princip a význam paralelních výpočtů při zobrazování magnetickou rezonancí a dále popisuje technologii CUDA. Dále práce obsahuje popis a vypracování implementace rekonstrukčního modelu v jazyce MATLAB a jazyce Java, jež byly optimalizovány knihovnou JCuda v případě Java implementace a funkcí gpuArray pro MATLAB implementaci.This thesis deals with parallelization of complex tasks in reconstruction of dynamic magnetic resonance. It describes the basic principle of magnetic resonance and its relation to Fourier transform. It deals with the difference between static and dynamic magnetic resonance image reconstruction. It analyzes SVD algorithm and its use in magnetic resonance image reconstruction. It presents the principles and the importance of parallel computing in magnetic resonance imaging and describes CUDA technology. The thesis also contains a description and execution of the implementation of the reconstruction model in MATLAB and Java programming language which were optimized by JCuda library for Java implementation and gpuArray function in case of MATLAB implementation.

Testing of contrast agents for diagnostics and therapy

V této bakalářské práci se snažíme osvojit si práci s buněčnými liniemi a měření na magnetické rezonanci. Snažíme se také osvojit si pracovní postupy měření na spektrofotometru a optickém přístroji na fluorescenci. Teoretická část se zabývá magnetickou rezonancí a kontrastními látkami. Naším cílem je osvojit si postupy pro testování cytotoxicity kontrastních látek, které pak dále měříme magnetickou rezonancí a optickým zobrazováním.This bachelor thesis is concerned in operations with cell lines and magnetic resonance imaging. It is also concerned in operations of the spectrophotometer and fluorescence optical imaging. The theoretical part is focused on magnetic resonance and contrast agents. Our goal is to learn how to do cytotoxicity testing of contrast agents which are later measured on magnetic resonance and optical imaging