SENSITIVITY IMPROVEMENT OF A NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE METHOD TO MONITOR A BIOARTIFICIAL PANCREAS

Non-invasive  monitoring  of  implanted  devices  is  becoming  key  in  developing  tissueengineered  structures  intended  to  provide  alternative  or  complementary  treatment  to  people  with  organ  or  tissue  impairment  and/or  loss.  Bioartificial  pancreases  for  the  treatment  of  Type  I  diabetes  are  an  example  of  such  structures  under  development.  Nuclear  magnetic  resonance  (NMR)  imaging  and  spectroscopy  have  already  shown  their  potential  for  monitoring  of  these  pancreatic  substitutes  and  detecting  their  early  marker  of  failure.  However,  the  sensitivity  of  these  NMR  methods  was  limited.  The  studies  presented  in  this  dissertation  investigate  sensitivity  improvement  by  developing  inductively-coupled  implantable  RF  coil  systems  at  high  magnetic  field  strength  not  only  for  1  H  detection,  but  also  for  the  detection  of  other  informative,  but  less  sensitive  nuclei,  such  as  19F  and  31P.  An  inductively-coupled  implantable  coil  system  was  first  developed  for  1  H  detection  to  demonstrate  the  use  on  inductively-coupled  implantable  coil  system  at  11.1  T.  Secondly,  a  development  of  a  receive-only  inductively-coupled  implanted  coil  system  was  investigated  to  further  improve  1  H  detection  and  increase  localized  spectroscopy  performance.  The  feasibility  of  double  frequency  inductively-coupled  implantable  coil  systems  for  simultaneous  detection  of  1  H31P  and  1  H19F  were  explored  next,  toward  the  development  of  a  multiple  frequency  system.  The  requirements  of  these  coil  systems  for  a  complete  monitoring  of  a  bioartificial  construct  were  discussed.  In  parallel  to  the  coil  system  developments,  the  inclusion  of  an  RF  coil  within  the  implanted  pancreatic  construct  was  also  studied  to  address  the  restrictions  it  imposed  on  the  construct  design.  The  results  for  1  H  detection  establish  that  large  gains  in  signal-to-noise  can  be  obtained  with  the  use  of  inductively-coupled  implanted  coil  systems  when  compared  to  the  use  of  standard  surface  coils.  This  improvement  provides  a  means  to  better  analyze  the  structures  of  implanted  bioartificial  constructs  and  their  changes  over  time  on  NMR  images.  It  can  also  lower  the  limit  of  detection  when  spectroscopy  is  performed  to  detect  choline  NMR  signal  and  allow  for  better  quantitative  analysis  of  bioartificial  organ  functions.  A  receive-only  inductively-coupled  implanted  coil  system  was  also  successfully  developed  to  further  enhance  localized  spectroscopy  since  a  more  homogeneous  NMR  excitation  magnetic  field  could  be  achieved  with  its  use  compared  to  the  use  of  a  transmit-receive  system.  31P  and  19F  spectroscopy  was  also  performed  using  single-frequency  inductively-coupled  implanted  coil  system  for  31P  detection  to  detect  adenosinetriphosphate  (ATP)  and  for  19F  detection  to  detect  perfluorocarbons  (PFC).  These  results  set  the  standards  for  the  development  of  double-frequency  inductively-coupled  implantable  coil  systems.  The  feasibility  of  doublefrequency  inductively-coupled  implantable  coil  system  was  assessed  as  well.  Furthermore,  data  shows  that  a  coil-construct  assembly  allowed  insulin-producing  cells  to  function  and  stay  viable  for  extended  periods  of  time  in  vitro.  The  return  to  normoglycemia  in  diabetic  mice  after  coilconstruct  assembly  implantation  was  also  demonstrated  while  enhanced  non-invasive  monitoring  of  the  implanted  constructs  was  made  possible  using  NMR  methods.