Deep tissue fluorescence imaging with time-reversed light

Advances in optical techniques have enabled many breakthroughs in biology and medicine. However, light scattering by biological tissues remains a great obstacle, restricting the use of optical methods to thin ex vivo sections or superficial layers in vivo. In this thesis, we present two related methods that overcome the optical depth limit—digital time reversal of ultrasound encoded light (digital TRUE) and time reversal of variance-encoded light (TROVE). These two techniques share the same principle of using acousto-optic beacons for time reversal optical focusing within highly scattering media, like biological tissues. Ultrasound, unlike light, is not significantly scattered in soft biological tissues, allowing for ultrasound focusing. In addition, a fraction of the scattered optical wavefront that passes through the ultrasound focus gets frequency-shifted via the acousto-optic effect, essentially creating a virtual source of frequency-shifted light within the tissue. The scattered ultrasound-tagged wavefront can be selectively measured outside the tissue and time-reversed to converge at the location of the ultrasound focus, enabling optical focusing within deep tissues. In digital TRUE, we time reverse ultrasound-tagged light with an optoelectronic time reversal device (the digital optical phase conjugate mirror, DOPC). The use of the DOPC enables high optical gain, allowing for high intensity optical focusing and focal fluorescence imaging in thick tissues at a lateral resolution of 36 µm by 52 µm. The resolution of the TRUE approach is fundamentally limited to that of the wavelength of ultrasound. The ultrasound focus (~ tens of microns wide) usually contains hundreds to thousands of optical modes, such that the scattered wavefront measured is a linear combination of the contributions of all these optical modes. In TROVE, we make use of our ability to digitally record, analyze and manipulate the scattered wavefront to demix the contributions of these spatial modes using variance encoding. In essence, we encode each spatial mode inside the scattering sample with a unique variance, allowing us to computationally derive the time reversal wavefront that corresponds to a single optical mode. In doing so, we uncouple the system resolution from the size of the ultrasound focus, demonstrating optical focusing and imaging between highly diffusing samples at an unprecedented, speckle-scale lateral resolution of ~ 5 µm. Our methods open up the possibility of fully exploiting the prowess and versatility of biomedical optics in deep tissues.

Aizkorriko haitzuloetako saguzarren identifikazioa ultrasoinu-detektoreen bidez

Saguzarrak orden dibertsoa osatzen eta funtzio ekologiko garrantzitsua betetzen duten arren, hauetako asko galtzeko arriskuan daude. Animalia hauek ondo babestu ahal izateko, garrantzitsua da erabili ohi dituzten babeslekuak ezagutzea. Hau horrela, Aizkorri-Aratz Parke Naturaleko haitzuloetako saguzar dibertsitatea aztertu da denbora errealeko ultrasoinu detektoreen bidez, ager daitezkeen saguzar espezieak, koloniak eta babeslekuak identifikatzen saiatzeko. 18 haitzulotan ilunabarreko emergentziatan egindako laginketaren ondoren, lan honetan zazpi genero eta zazpi espezie identifikatu dira parkean, eta hauetako sei haitzuloetako espezieak dira. Saguzar-aktibitatea ikusi den arren, ez da inguru honetan saguzar-kolonia berri adierazgarririk aurkitu.

Redução de carga orgânica recalcitrante de efluente de indústria gráfica por reação de fenton

A Casa da Moeda do Brasil (CMB) é uma empresa nacional, com mais de 300 anos de experiência na produção de valores e impressos de segurança. A produção de cédulas, realizada pelo Departamento de Cédulas (DECED), consiste de três etapas de impressão, off-set, calografia e tipografia, seguida de acabamento e embalagem semi-automatizado. A impressão calcográfica consome solução de limpeza, composta de soda cáustica e óleo sulfonado, para limpeza do cilindro de impressão, gerando um efluente líquido saturado de tinta. Este efluente apresenta baixa biodegradabilidade, apresentando uma relação DBO / DQO de aproximadamente 1:4. Em termos de tratabilidade, as estações de tratamento de efluentes (ETE) apresentam uma configuração convencional, por via biológica, demonstram pouca eficiência na degradação da matéria orgânica deste efluente. Com compostos recalcitrantes, torna-se necessária a inclusão de uma etapa terciária que permita sua degradação por via química, permitindo o descarte do efluente com características menos danosas ao ambiente. Neste trabalho, aplicou-se a reação de Fenton no efluente do DECED por sua capacidade de converter a matéria orgânica em gás carbônico e água ou, caso seja utilizado em pré-tratamentos, torna-os biodegradáveis. Foram estudadas diferentes condições para medir a influência de diferentes parâmetros na eficiência da reação. A reação de Fenton consiste na geração de radicais hidroxil (HO), por diferentes rotas, em quantidades suficientes para a degradação de matéria orgânica. Esses radicais são gerados a partir de peróxido de hidrogênio (H2O2) em reações com diferentes precursores como ozônio (O3), luz UV (ultravioleta), ultra-som e sais de ferro. No presente trabalho restringiu-se às reações com sais de ferro. Dentre os resultados obtidos, verificou-se o tempo mínimo para reação em 10 minutos. A relação entre íons ferro e peróxido de hidrogênio é menor do que a literatura normalmente sugere, 1:2, contra 1:3. Como a solução de sulfato ferroso é muito instável, passando os íons ferrosos a férricos, utilizou-se a adição direta do sal. Em escala industrial, a solução de sulfato ferroso deve ser preparada em poucas quantidades para que tenha baixo tempo de estocagem, a fim de não ser degradada. A temperatura, na faixa estudada (de 20C à 45C), é um parâmetro que tem pouca influência, pois a redução da eficiência da reação foi pequena (de 99,0% para 94,9%). O ferro utilizado na reação não se demonstrou uma nova fonte de transtornos para o ambiente. Nas condições utilizadas, a concentração de ferro residual esteve próxima ao limite permitido pela legislação no efluente tratado, necessitando apenas de alguns ajustes para a correção do problema

Cerebral hemodynamics during graded Valsalva maneuvers

The Valsalva maneuver (VM) produces large and abrupt changes in mean arterial pressure (MAP) that challenge cerebral blood flow and oxygenation. We examined the effect of VM intensity on middle cerebral artery blood velocity (MCAv) and cortical oxygenation responses during (phases I-III) and following (phase IV) a VM. Healthy participants (n = 20 mean +/- SD: 27 +/- 7 years) completed 30 and 90% of their maximal VM mouth pressure for 10 s (order randomized) whilst standing. Beat-to-beat MCAv, cerebral oxygenation (NIRS) and MAP across the different phases of the VM are reported as the difference from standing baseline. There were significant interaction (phase * intensity) effects for MCAv, total oxygenation index (TOI) and MAP (all P < 0.01). MCAv decreased during phases II and III (P < 0.01), with the greatest decrease during phase III (-5 +/- 8 and -19 +/- 15 cm.s(-1) for 30 and 90% VM, respectively). This pattern was also evident in TOI (phase III: -1 +/- 1 and -5 +/- 4%, both P < 0.05). Phase IV increased MCAv (22 +/- 15 and 34 +/- 23 cm.s(-1)), MAP (15 +/- 14 and 24 +/- 17 mm Hg) and TOI (5 +/- 6 and 7 +/- 5%) relative to baseline (all P < 0.05). Cerebral autoregulation, indexed, as the % MCAv/%MAP ratio, showed a phase effect only (P < 0.001), with the least regulation during phase IV (2.4 +/- 3.0 and 3.2 +/- 2.9). These data illustrate that an intense VM profoundly affects cerebral hemodynamics, with a reactive hyperemia occurring during phase IV following modest ischemia during phases II and III.

O comportamento clínico e neurofisiológico da neuropatia durante os episódios reacionais da hanseníase

A hanseníase, uma doença conhecida por suas lesões de pele anestésicas, é a principal causa de neuropatia periférica nos países endêmicos. Os episódios reacionais são classicamente conhecidos por promover piora da função nervosa através das chamadas neurites que variam de quadros exuberantes a assintomáticos. Estas características da neuropatia tornam o diagnóstico precoce excepcionalmente desafiador assim como a necessidade de se intervir para se prevenir lesões permanentes nos nervos. Este estudo clínico, prospectivo, foi realizado selecionando-se pacientes com hanseníase, independente da forma clínica, no Ambulatório Souza Araujo, Fiocruz, Rio de Janeiro, que apresentavam episódios reacionais. O objetivo foi estudar o perfil neurológico clínico, eletroneurofisiológico e por imagem do nervo antes e após o tratamento das reações. Foram avaliados vinte e cinco pacientes levando-se em conta: exame neurológico, avaliação fisioterápica, estudo de condução nervosa, avaliação de espessura e ecogenicidade nervosa pelo método ultrassonográfico, fluxometria por laser Doppler e teste quantitativo da sensibilidade durante e um ano após o tratamento da reação. Estes pacientes foram divididos em três grupos: oito pacientes com neurite aguda, nove pacientes com neurite silenciosa e oito pacientes com reação cutânea sem neurite. Nos pacientes com episódios reacionais, observou-se predomínio do sexo masculino (60%), do grupo multibacilar (80%) e da forma clínica borderline-lepromatosa (36%). A neurite isolada foi o tipo de reação mais frequente, seguida de neurite associada à reação do tipo1, seguida da neurite associada à reação do tipo 2. O nervo motor mais acometido por neurite foi o fibular seguido pelo ulnar, enquanto o nervo sensitivo mais acometido foi o sural. O padrão eletroneuromiográfico característico dos episódios reacionais foi a mononeurite múltipla. A ultrassonografia, a fluxometria por laser Doppler e o teste quantitativo de sensibilidade, associados à clínica e ao estudo da condução nervosa, foram tidos como exames úteis para avaliação inicial e para acompanhar o tratamento dos episódios reacionais. Após o tratamento, foi constatada melhora nos parâmetros referentes à função motora, mas o mesmo não ocorreu para sensibilidade. Com esse estudo, observa-se a necessidade de acompanhamento multidiciplinar com exames especializados para os pacientes com hanseníase a fim de diagnóstico de reação e tratamento precoce evitando sequelas neurológicas.

Implementação de um algoritmo numérico para solução da equação de Christoffel generalizada em acustoelasticidade.

Extensos estudos realizados nas últimas décadas sobre a propagação de ondas ultrassônicas em sólidos levaram ao desenvolvimento de técnicas não destrutivas para a avaliação da segurança e integridade de estruturas e componentes industriais. O interesse na aplicação de técnicas ultrassônicas para medição de tensões aplicadas e residuais decorre da mudança mensurável da velocidade das ondas ultrassônicas na presença de um campo de tensões, fenômeno conhecido como efeito acustoelástico. Uma teoria de acustoelasticidade fornece um meio atrativo e não destrutivo de medir a tensão média ao longo do caminho percorrido pela onda. O estudo da propagação das ondas ultrassônicas em meios homogêneos anisotrópicos sob tensão conduz a um problema não linear de autovalores dado pela equação de Christoffel generalizada. A característica não linear deste problema decorre da interdependência entre as constantes elásticas efetivas do material e as tensões atuantes. A medição experimental de tensões por técnicas ultrassônicas é um problema inverso da acustoelasticidade. Esta dissertação apresenta a implementação de um algoritmo numérico, baseado no método proposto por Degtyar e Rokhlin, para solução do problema inverso da acustoelasticidade em sólidos ortotrópicos sujeitos a um estado plano de tensões. A solução da equação de Christoffel generalizada apresenta dificuldades de natureza numérica e prática. A estabilidade e a precisão do algoritmo desenvolvido, bem como a influência das incertezas na medição experimental das velocidades das ondas ultrassônicas, foram então investigadas. Dados sintéticos para as velocidades das ondas ultrassônicas de incidência oblíqua em uma placa sujeita a um estado plano de tensões foram gerados pela solução direta da equação de Christoffel generalizada para ilustrar a aplicação do algoritmo desenvolvido. O objetivo maior desta dissertação é a disponibilização de uma nova ferramenta de cálculo para suporte às atividades experimentais de medição de tensões por ultrassom no país.

Avaliação de fatores de risco relacionados com aterosclerose subclínica em mulheres hipertensas

A aterosclerose e suas complicações são a principal causa de morbidade e mortalidade no mundo ocidental. O aumento da espessura da camada médio-intimal da carótida está associado com risco para doenças cardiovasculares, pois representa um marcador de aterosclerose subclínica, podendo ser detectada precocemente em indivíduos assintomáticos. O objetivo desse estudo foi identificar variáveis clínicas e nutricionais associadas com a aterosclerose subclínica em mulheres hipertensas. Estudo transversal envolvendo uma amostra de conveniência composta por 116 mulheres hipertensas entre 40 e 65 anos. Dados clínicos, como pressão arterial (PA) sistólica e diastólica, história de tabagismo, atividade física, uso de medicamentos foram coletados; foi feita a análise do perfil lipídico, glicemia e proteína C reativa (PCR); a avaliação dietética obtida pelo Recordatório de 24 horas e pelo Registro de três dias. A espessura médio-intimal (EMI) de carótidas foi realizada pelo aparelho de ultrassonografia. As pacientes foram divididas em dois grupos, de acordo com os valores da espessura médio-intimal de carótidas: EMI 0,9mm ou EMI > 0,9mm. Houve diferença significativa entre os grupos em relação à idade (50,846,62 vs 53,547,13; p=0,044), PA sistólica (134,5216,54 vs 142,9821,47; p=0,020), pressão de pulso (PP) (49,3611,03 vs 60,15 17,77; p<0,001), HDL (48,988,54 vs 44,057,45; p=0,004) e PCR (2,311,21 vs 3,051,34; p=0,016). Não houve diferença significativa em relação aos parâmetros antropométricos, exceto em relação à reactância (65,199,69 vs 61,447,88; p=0,036), avaliada pela bioimpedância elétrica (BIA). Quanto ao padrão de consumo alimentar, somente o consumo de gordura monoinsaturada foi diferente entre os grupos, sendo o maior consumo no grupo com menor valor de EMI (7,882,09 vs 7,022,06; p=0,031). Não houve diferença em relação à frequência de tabagismo e atividade física. Quando foi feita a análise de correlação da amostra, foi encontrada uma correlação entre a EMI de carótidas e idade (r=0,25; p=0,0067), PAS (r=0,19; p=0,0086); PP (r=0,30; p=0,0009), LDL (r=0,19; p=0,0434), assim como com gordura monoinsaturada (r= -0,25; p=0,0087), PCR (r=0,31; p=0,007) e HDL (r=-0,33; p=0,0004), porém apenas as variáveis HDL, PCRus e pressão de pulso mostraram ser preditoras independentes da EMI de carótida após feita uma análise de regressão linear multivariada. A proteína C reativa, HDL colesterol e pressão de pulso são importantes preditores independentes de aterosclerose subclínica.

Qualidade da imagem nas pacientes com suspeita de Endometriose infiltrada profunda : comparação entre a ultrassonografia transvaginal antes e após a realização do preparo retal

Comparar a qualidade da imagem entre a ultrassonografia transvaginal sem preparo intestinal e após preparo intestinal nas pacientes com suspeita de endometriose infiltrativa profunda do compartimento posterior e avaliar do grau de desconforto das pacientes em relação ao preparo intestinal. Estudo transversal com dados coletados prospectivamente, incluindo 39 pacientes com suspeita clínica de endometriose do compartimento posterior do ambulatório de Endometriose do Hospital Universitário Pedro Ernesto (HUPE) da Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ), no Rio de Janeiro. As pacientes foram submetidas à ultrassonografia transvaginal (USTVG) sem preparo intestinal prévio, seguido de nova USTVG uma hora após realização do enema retal. Os vídeos dos exames gravados foram editados, com ênfase na avaliação do compartimento posterior, com interesse na identificação do nódulo retrocervical e do retossigmóide. Foram graduados conforme a qualidade da imagem pelo examinador e por um radiologista (ambos mascarados), que marcaram uma nota de 0 a 10, usando a escala analógica visual. Restaram apenas 26 pacientes. Em relação ao desconforto devido a realização do enema retal, todas pacientes (100%) relataram apenas um desconforto discreto. Conforme a opção escolhida pelos avaliadores em relação ao melhor método, eles concordaram em 13 (50%) pacientes que a ultrassonografia transvaginal com preparo retal é melhor. Foi usado o teste não-paramétrico de Wilcoxon para amostras dependentes. O p-valor obtido foi de 0.042, considerado significativo (abaixo de 0.05). Isto significa que a realização do enema retal antes da realização da ultrassonografia transvaginal proporcionou uma qualidade melhor na avaliação dos nódulos. A diferença entre as avaliações com e sem preparo retal é maior nos nódulos menores que 2cm, porque encontramos a diferença de 1,1 entre os valores das medianas dos dois tipos de exames. Nos nódulos maiores que 2cm, a diferença encontrada foi de apenas 0,65. A realização do enema retal previamente à realização da ultrassonografia transvaginal no diagnóstico do nódulo endometriótico mostra uma melhora discretamente significativa na qualidade da imagem, comparativamente a não realização de preparo intestinal prévio. Somente nos casos onde o nódulo era menor que 2 cm, foram encontrados valores estatisticamente significativos com o preparo retal. O enema retal causa discreto desconforto, porém isto não parece ser um fator limitante na realização da ultrassonografia com preparo intestinal.

Meio quilo de gente! - produção do prazer de ver e construção da pessoa fetal mediada pela ultra-sonografia: um estudo etnográfico em clínicas de imagem na cidade do Rio de Janeiro

O foco central desta tese consiste em procurar compreender um fenômeno que se verifica na atualidade em torno das imagens ultra-sonográficas fetais. O que era a princípio e em princípio uma tecnologia de imagem médica, inventada com propósitos diagnósticos, gradualmente transformou-se em objeto de consumo e lazer. Para investigar o fenômeno, a pesquisa teórica aborda como foram construídos o olhar e o observador modernos, e de que modo as tecnologias de imageamento médico incidem na construção social do corpo. Outro aspecto teórico consiste na investigação, de um ponto de vista sócio-histórico, acerca da produção da gravidez e do feto como temas médicos, e de que modo a tecnologia de ultra-som aplicada à obstetrícia está situada na articulação de vários processos: o da construção de um novo olhar, o das reconfigurações do corpo, o da medicalização da gestação e do feto e, finalmente, o da construção do feto como Pessoa antes de seu nascimento. Estudos antropológicos produzidos no exterior, ao longo da década de 1990, apontaram que o fenômeno envolvendo as imagens fetais encontrava-se inscrito nos e delimitado pelos códigos socioculturais específicos de onde ocorriam. A inexistência de pesquisas acerca do tema, no contexto brasileiro, foi o ponto de partida para uma investigação empírica. Foi realizada uma observação antropológica de ultra-sonografias obstétricas, em abordagem etnográfica, em três clínicas privadas de imagem, ao longo de 2003, no Rio de Janeiro, visando compreender como tal fenômeno se dava, de que modo era produzido e significado pelos atores e quais os desdobramentos de tais práticas, modelados por especificidades culturais locais. O trabalho de campo evidenciou que a ultra-sonografia obstétrica caracteriza-se por ser uma tecnologia de imagem interativa, em contraste com outras técnicas de imageamento médico, uma peculiaridade que propicia a construção de diversos significados a partir das imagens fetais cinzentas e esfumaçadas. A produção do prazer de ver o feto é a pedra de toque que une o útil ao agradável, e o consumo de imagens é um ponto de articulação de diversas questões expostas ao longo da tese. Pode-se pensar nesta situação como parte de um panopticismo que devassa corpos femininos e fetais, em um mesmo processo normatizando-os e construindo novos sujeitos calcados em corporalidades virtuais.

Analytical method development for the uptake study of different organic pollutants by crops cultivated in compost-amended soils

256 p.

Amplicon metagenomics for elucidating microbial community changes associated to conventional and organic farming of Beta vulgaris and Solanum lycopersicum

Soil microbial community changes associated to conventional and organic farming of two relevant crops (Beta vulgaris and Solanum lycopersicum) were analysed through 16s rRNA amplicon sequencing. This study revealed microbial communities in the agricultural soils studied to be similar to other reported nutrient-rich microbiomes, and some significant differences between the microbial communities associated to the two farming practices were found. Some phyla (Chloroflexi and Thermi) were found to be present in different abundances according to soil treatment. As chloroplast interference can be a stumbling block in plant-associated 16s rRNA amplicon metagenomics analysis of aerial plant tissues, two protocols for bacterial cell detachment (orbital shaking and ultrasound treatment) and two protocols for microbial biomass recovery (centrifugation and filtration) were tested regarding their efficiency at excluding plant-DNA. An alternative method to the one proposed by Rastogi et al (2010) for evaluating the chloroplast-amplicon content in post-PCR samples was tested, and the method revealed that filtration was the most efficient protocol in minimising chloroplast interference.