Preclinical molecular imaging: development of instrumentation for translational research with small laboratory animals / Imagem molecular pré-clínica: desenvolvimento de instrumentação para pesquisa translacional com pequenos animais

ABSTRACT Objective: To present the result of upgrading a clinical gamma-camera to be used to obtain in vivo tomographic images of small animal organs, and its application to register cardiac, renal and neurological images. Methods: An updated version of the miniSPECT upgrading device was built, which is composed of mechanical, electronic and software subsystems. The device was attached to a Discovery VH (General Electric Healthcare) gamma-camera, which was retired from the clinical service and installed at the Centro de Imagem Pré-Clínica of the Hospital Israelita Albert Einstein. The combined system was characterized, determining operational parameters, such as spatial resolution, magnification, maximum acceptable target size, number of projections, and acquisition and reconstruction times. Results: Images were obtained with 0.5mm spatial resolution, with acquisition and reconstruction times between 30 and 45 minutes, using iterative reconstruction with 10 to 20 iterations and 4 projection subsets. The system was validated acquiring in vivo tomographic images of the heart, kidneys and brain of normal animals (mice and adult rats), using the radiopharmaceuticals technetium-labeled hexakis-2-methoxy-isobutyl isonitrile (99mTc-Sestamibi), technetium-labeled dimercaptosuccinic acid (99mTc-DMSA) and technetium-labeled hexamethyl propyleneamine oxime (99mTc-HMPAO). Conclusion: This kind of application, which consists in the adaptation for an alternative objective of already existing instrumentation, resulted in a low-cost infrastructure option, allowing to carry out large scale in vivo studies with enhanced quality in several areas, such as neurology, nephrology, cardiology, among others.

RESUMO Objetivo: Apresentar o resultado da adaptação de uma gama câmara clínica para uso dedicado na obtenção de imagens tomográficas in vivo de órgãos de pequenos animais de experimentação, e de sua aplicação na obtenção de imagens cardíacas, renais e neurológicas. Métodos: Foi construída uma versão atualizada do dispositivo de adaptação miniSPECT, composto por três subsistemas: mecânico, eletrônico e de software. O dispositivo foi montado em uma câmara Discovery VH da General Electric Healthcare, retirada do serviço clínico e instalada no Centro de Imagem Pré-Clínica do Hospital Israelita Albert Einstein. O sistema combinado foi caracterizado, determinando parâmetros de funcionamento como resolução espacial, magnificação, limites de tamanho dos alvos de estudo, número de projeções, tempo de registro e tempo de reconstrução das imagens tomográficas. Resultados: Foram obtidas imagens com resolução espacial de até 0,5mm, com tempos de registro e reconstrução de 30 a 45 minutos, utilizando reconstrução iterativa com 10 a 20 iterações e 4 subconjuntos de projeções. O sistema foi validado obtendo imagens tomográficas in vivo do coração, dos rins e do cérebro de animais normais (camundongos e ratos adultos), utilizando os radiofármacos hexaquis-2-metoxi-isobutil-isonitrila marcado com 99mTc (Sestamibi-99mTc), ácido dimercaptosuccínico marcado com 99mTc (DMSA-99mTc) e hexametil-propileno-amina-oxima marcada com 99mTc (HMPAO-99mTc). Conclusão: Este tipo de aplicação, que consiste na adaptação para um objetivo alternativo de instrumentação já existente, constituiu-se em uma opção de infraestrutura de baixo custo, que permite realizar estudos in vivo em larga escala, com qualidade aprimorada, em áreas diversas, como neurologia, nefrologia, cardiologia, entre outras.

Construção e caracterização de um sistema de imagens / Construction and characterization of a hyperspectral imaging system

O uso de interação da luz com a matéria não é um conceito novo em biologia para a detecção de processos físico-químicos, embora ainda seja utilizado de uma forma rudimentar. Já é sabido que imagens de refletância e fluorescência podem revelar informações importantes sobre tais processos em amostras biológicas. Apesar deste potencial, os sistemas experimentais disponíveis para a obtenção de tais imagens costumam serem complexos e de difícil implementação. Neste trabalho é descrita a construção e a caracterização de uma montagem experimental para produção de imagens hiperespectrais entre 400 e 1.000 nm. O sistema é composto de um espectrômetro, um conjunto de lentes para formação da imagem e uma câmera CCD para capturá-la. São descritos em detalhes o procedimento de calibração do sistema, o qual envolve os parâmetros largura da imagem, campo de visão, resolução espectral e espacial. O sistema de iluminação utiliza diodos emissores de luz de alta potência, tanto de luz branca quanto em 470 e 405 nm. Demonstramos que o sistema construído é capaz de obter imagens de fluorescência e/ou refletância de amostras biológicas. Como exemplos de aplicações, o instrumento aqui desenvolvido foi utilizado em dois campos distintos, a agricultura e a odontologia. Foram obtidas imagens de fluorescência de folhas de citros contaminadas com cancro cítrico, e de processos de desmineralização em dentes. Os resultados demonstram que o sistema construído está operando como projetado.

The use of light-mater interaction for the detection of chemicalphysical processes is not a new concept in biology, though it is still used in a rudimentary form. It is already known that reflectance as well as fluorescence images can reveal important information on such processes in biological samples. In spite of this potential, the experimental available image systems usually are complexes and of difficult implementation. In this work, we describe the construction and characterization of an experimental device to produce hyperspectral images between 400 and 1,000 nm. The system is composed of a spectrometer, a set of lenses for image formation and a CCD camera to capture it. We describe in details also the calibration procedure of the system, which involves parameters as image width, field of view, spectral and space resolution. The illumination system uses high power light emitting diodes, either at white light or at 470 and 405 nm. We demonstrate that our system is able to obtain reflectance as well as fluorescence images of biological samples. As examples of applications, we use it into two different fields, agriculture and dentistry. We obtained fluorescence images of citrus leaves contaminated with citrus canker and demineralization processes in teeth. Our results demonstrate that our system isoperating as designed.