In Vivo Mapping of Vascular Inflammation Using Multimodal Imaging

Plaque vulnerability to rupture has emerged as a critical correlate to risk of adverse coronary events but there is as yet no clinical method to assess plaque stability in vivo. In the search to identify biomarkers of vulnerable plaques an association has been found between macrophages and plaque stability--the density and pattern of macrophage localization in lesions is indicative of probability to rupture. In very unstable plaques, macrophages are found in high densities and concentrated in the plaque shoulders. Therefore, the ability to map macrophages in plaques could allow noninvasive assessment of plaque stability. We use a multimodality imaging approach to noninvasively map the distribution of macrophages in vivo. The use of multiple modalities allows us to combine the complementary strengths of each modality to better visualize features of interest. Our combined use of Positron Emission Tomography and Magnetic Resonance Imaging (PET/MRI) allows high sensitivity PET screening to identify putative lesions in a whole body view, and high resolution MRI for detailed mapping of biomarker expression in the lesions.Macromolecular and nanoparticle contrast agents targeted to macrophages were developed and tested in three different mouse and rat models of atherosclerosis in which inflamed vascular plaques form spontaneously and/or are induced by injury. For multimodal detection, the probes were designed to contain gadolinium (T1 MRI) or iron oxide (T2 MRI), and Cu-64 (PET). PET imaging was utilized to identify regions of macrophage accumulation; these regions were further probed by MRI to visualize macrophage distribution at high resolution. In both PET and MR images the probes enhanced contrast at sites of vascular inflammation, but not in normal vessel walls. MRI was able to identify discrete sites of inflammation that were blurred together at the low resolution of PET. Macrophage content in the lesions was confirmed by histology.The multimodal imaging approach allowed high-sensitivity and high-resolution mapping of biomarker distribution and may lead to a clinical method to predict plaque probability to rupture

Atherosclerosis: Methods and Protocols

This volume provides detailed, up-to-date methods used in research on Atherosclerosis. Chapters guide readers through an overview of the pathogenesis of atherosclerosis and model systems together with in vitro, ex vivo, in vivo and emerging methods in atherosclerosis research. 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. Authoritative and cutting-edge, Atherosclerosis: Methods and Protocols serves as an invaluable resource for those engaging in research on atherosclerosis and cardiovascular disease, as well as for researchers who are new to t

Multimodal nanoparticles for quantitative imaging

The scope of this thesis is research related to applications of nanoparticles in quantitative preclinical imaging. Nanoparticles are a versatile platform that can interact with biological systems at many different length scales and can furthermore be rendered visible for basically any medical imaging technique by modification with appropriate contrast providing moieties. Thus, nanoparticles can be used as a new class of contrast agents for basically all imaging modalities, e.g. as long circulating blood pool agents in CT, or as MRI contrast agents. Vice versa, non-invasive imaging techniques can be used to for example follow the biodistribution of nanoparticles in vivo and apply nanoparticles as a tool to investigate biological processes related to disease processes. Dual modal imaging applying multifunctional and dual-labeled nanoparticles offer new approaches to quantitative imaging, giving new insights into technology development on one side and biological read-outs on the other. For instance, quantification of biological processes that lie at the basis in the development of disease may lead to earlier detection and better disease diagnosis and treatment. Results and concepts presented in this thesis have high impact on therapeutic application of nanoparticles, for example when they are used as drug delivery systems. Imaging can provide valuable information on drug delivery and biodistribution in a quantitative manner, which may help in development of new therapeutic strategies. Nanoparticles are promising structures for quantitative imaging. Its surface can be utilized to attach almost any desirable molecule. Nanoparticles are relatively large in size (typically 10-200 nm) and can for instance accommodate a high payload of contrast agent per particle on its surface or inside the particle, thereby increasing the signal/particle by five orders of magnitude. In addition, also multiple imaging probes for different imaging modalities can be incorporated providing a double read-out. For the understanding of biological processes, targeting ligands such as antibodies, proteins and peptides can be attached to its surface. Despite the wide variety of possibilities with nanoparticles, they have hardly been studies for quantitative imaging purposes. Therefore, the aim of the research described in this thesis was to explore and develop several nanoparticles for quantitative imaging by using existing or newly developed imaging techniques. Chapter 1 gives a general introduction in the field of nanoparticles for quantitative imaging. Several imaging techniques are described such as CT, Spectral CT, SPECT and MRI, and how nanoparticles can play an important role in research. Chapter 2 describes the development of a novel nanoparticulate CT contrast agent. Several amphiphilic molecules were investigated in this chapter in the combination with different iodinated oils for their influence on the size stability of the nanoparticles. In Chapter 3, the dose dependent biodistribution of the nanoparticles is investigated as well as strategies to vary the biodistribution. The effect of a co-injection with liposomes and soy bean oil emulsions was investigated using CT, SPECT and ¿-counting. The final optimized blood pool CT contrast agent from chapter 2 and 3 can be used for qualitative imaging in CT as well as in quantitative imaging in Spectral CT. Chapter 4 describes the very first use of this novel imaging technique Spectral CT in quantitative imaging. For this, the nanoparticles of chapter 2 were extended to a multimodal nanoparticulate contrast agent for CT, Spectral CT and SPECT. Spectral CT quantification was compared to quantification using SPECT and ICP-MS to demonstrate the correlations and accuracy of the techniques. In Chapter 5, the development is described of a dual-isotope SPECT imaging protocol as a tool for pre-clinical testing of new molecular imaging tracers. New molecular targeting probes are consistently investigated as a tool to enable target specific binding of nanoparticles to cellular surfaces of interest. Dual-isotope SPECT can be used in which the biodistribution of two different ligands labelled with two different radionuclides can be studied in the same animal, thereby excluding experimental and physiological inter-animal variations. The developed dual-isotope protocol was tested using a known angiogenesis specific ligand (cRGD peptide) in comparison to a potential non-specific control (cRAD peptide). Chapter 6 describes the use of a multimodal radiolabeled paramagnetic liposomal contrast agent that allows simultaneous imaging with SPECT and MRI. A double read-out is then possible and demonstrates the additional advantages of the combination of the two techniques. SPECT can for instance quantify the nanoparticle concentration and MRI can spatially localize the nanoparticle. The combination however gives an indirect read-out of the water exchange, which in return reveals insights in biological processes and environments. Chapter 7 describes a study that investigates the use of nanoparticles in the quantitative imaging technique fluorine MRI. The use of gadolinium-complexes as signal modulating ingredients into the nanoparticle formulation has emerged as a promising approach towards improvement of the fluorine signal. Paramagnetic lipids based on gadolinium complexes can be incorporated to increase the 19F MR signal per particle. Here, 3 different paramagnetic lipids were investigated on its influence at five different field strengths. This furthermore also provides important insights in the dependency of the magnetic field on fluorine signal intensity. The final Chapter 8 describes the future perspectives of the use of multimodal nanoparticles for quantitative imaging

MC2: MPEG-7 content modelling communities

This thesis was submitted for the degree of Doctor of Philosophy and awarded by Brunel UniversityThe use of multimedia content on the web has grown significantly in recent years. Websites such as Facebook, YouTube and Flickr cater for enormous amounts of multimedia content uploaded by users. This vast amount of multimedia content requires comprehensive content modelling otherwise retrieving relevant content will be challenging. Modelling multimedia content can be an extremely time consuming task that may seem impossible particularly when undertaken by individual users. However, the advent of Web 2.0 and associated communities, such as YouTube and Flickr, has shown that users appear to be more willing to collaborate in order to take on enormous tasks such as multimedia content modelling. Harnessing the power of communities to achieve comprehensive content modelling is the primary focus of this research. The aim of this thesis is to explore collaborative multimedia content modelling and in particular the effectiveness of existing multimedia content modelling tools, taking into account the key development challenges of existing collaborative content modelling research and the associated modelling tools. Four research objectives are pursued in order to achieve this; first, design a user experiment to study users’ tagging behaviour with existing multimedia tagging tools and identify any relationships between such user behaviour; second, design and develop a framework for MPEG-7 content modelling communities based on the results of the experiment; third, implement an online service as a proof of concept of the framework; fourth, validate the framework through the online service during a repeat of the initial user experiment. This research contributes first, a conceptual model of user behaviour visualised as a fuzzy cognitive map and, second, an MPEG-7 framework for multimedia content modelling communities (MC2) and its proof of concept as an online service. The fuzzy cognitive model embodies relationships between user tagging behaviour and context and provides an understanding of user priorities in the description of content features and the relationships that exist between them. The MC2 framework, developed based on the fuzzy cognitive model, is deep-rooted in user content modelling behaviour and content preferences. A proof of concept of the MC2 framework is implemented as an online service in which all metadata is modelled using MPEG-7. The online service is validated, first, empirically with the same group of users and through the same experiment that led to the development of the fuzzy cognitive model and, second, functionally against the folksonomy and MPEG-7 content modelling tools used in the initial experiment. The validation demonstrates that MC2 has the advantages without the shortcomings of existing multimedia tagging tools by harnessing the ease of use of folksonomy tools while producing comprehensive structured metadata.Supported by UK Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC

Design and evaluation of echocardiograms codification and transmission for Teleradiology systems

Las enfermedades cardiovasculares son la mayor causa de muerte en el mundo. Aunque la mayoría de muertes por cardiopatías se puede evitar, si las medidas preventivas no son las adecuadas el paciente puede fallecer. Es por esto, que el seguimiento y diagnóstico de pacientes con cardiopatías es muy importante. Numerosos son las pruebas médicas para el diagnostico y seguimiento de enfermedades cardiovasculares, siendo los ecocardiogramas una de las técnicas más ampliamente utilizada. Un ecocardiograma consiste en la adquisición de imágenes del corazón mediante ultrasonidos. Presenta varias ventajas con respecto otras pruebas de imagen: no es invasiva, no produce radiación ionizante y es barata. Por otra parte, los sistemas de telemedicina han crecido rápidamente ya que ofrecen beneficios de acceso a los servicios médicos, una reducción del coste y una mejora de la calidad de los servicios. La telemedicina proporciona servicios médicos a distancia. Estos servicios son de especial ayuda en casos de emergencia médica y para áreas aisladas donde los hospitales y centros de salud están alejados. Los sistemas de tele-cardiología pueden ser clasificados de acuerdo al tipo de pruebas. En esta Tesis nos hemos centrado en los sistemas de tele-ecocardiografia, ya que los ecocardiogramas son ampliamente usados y presentan el mayor reto al ser la prueba médica con mayor flujo de datos. Los mayores retos en los sistemas de tele-ecocardiografia son la compresión y la transmisión garantizando que el mismo diagnóstico es posible tanto en el ecocardiograma original como en el reproducido tras la compresión y transmisión. Los ecocardiogramas deben ser comprimidos tanto para su almacenamiento como para su transmisión ya que estos presentan un enorme flujo de datos que desbordaría el espacio de almacenamiento y no se podría transmitir eficientemente por las redes actuales. Sin embargo, la compresión produce pérdidas que pueden llevar a un diagnostico erróneo de los ecocardiogramas comprimidos. En el caso de que las pruebas ecocardiograficas quieran ser guardadas, una compresión clínica puede ser aplicada previa al almacenamiento. Esta compresión clínica consiste en guardar las partes del ecocardiograma que son importantes para el diagnóstico, es decir, ciertas imágenes y pequeños vídeos del corazón en movimiento que contienen de 1 a 3 ciclos cardiacos. Esta compresión clínica no puede ser aplicada en el caso de transmisión en tiempo real, ya que es el cardiólogo especialista quien debe realizar la compresión clínica y éste se encuentra en recepción, visualizando el echocardiograma transmitido. En cuanto a la transmisión, las redes sin cables presentan un mayor reto que las redes cableadas. Las redes sin cables tienen un ancho de banda limitado, son propensas a errores y son variantes en tiempo lo que puede resultar problemático cuando el ecocardiograma quiere ser transmitido en tiempo real. Además, las redes sin cables han experimentado un gran desarrollo gracias a que permiten un mejor acceso y movilidad, por lo que pueden ofrecer un mayor servicio que las redes cableadas. Dos tipos de sistemas se pueden distinguir acorde a los retos que presenta cada uno de ellos: los sistemas de almacenamiento y reenvió y los sistemas de tiempo real. Los sistemas de almacenamiento y reenvió consisten en la adquisición, almacenamiento y el posterior envió del ecocardiograma sin requerimientos temporales. Una compresión clínica puede ser llevada a cabo previa al almacenamiento. Además de la compresión clínica, una compresión con pérdidas es recomendada para reducir el espacio de almacenamiento y el tiempo de envío, pero sin perder l ainformación diagnóstica de la prueba. En cuanto a la transmisión, al no haber requerimientos temporales, la transmisión no presenta ninguna dificultad. Cualquier protocolo de transmisión fiable puede ser usado para no perder calidad en la imagen debido a la transmisión. Por lo tanto, para estos sistemas sólo nos hemos centrado en la codificación de los ecocardiogramas. Los sistemas de tiempo real consisten en la transmisión del ecocardiograma al mismo tiempo que éste es adquirido. Dado que el envío de video clínico es una de las aplicaciones con mayor demanda de ancho de banda, la compresión para la transmisión es requerida, pero manteniendo la calidad diagnóstica de la imagen. La transmisión en canales sin cables puede ser afectada por errores que distorsionan la calidad del ecocardiograma reconstruido en recepción. Por lo tanto, métodos de control de errores son requeridos para minimizar los errores de transmisión y el retardo introducido. Sin embargo, aunque el ecocardiograma sea visualizado con errores debido a la transmisión, esto no implica que el diagnóstico no sea posible. Dados los retos previamente descritos, las siguientes soluciones para la evaluación clínica, compresión y transmisión han sido propuestas: - Para garantizar que el ecocardiograma es visualizado sin perder información diagnóstica 2 tests han sido diseñados. El primer test define recomendaciones para la compresión de los ecocardiogramas. Consiste en dos fases para un ahorro en el tiempo de realización, pero sin perder por ello exactitud en el proceso de evaluación. Gracias a este test el ecocardiograma puede ser comprimido al máximo sin perder calidad diagnóstica y utilizando así más eficientemente los recursos. El segundo test define recomendaciones para la visualización del ecocardiograma. Este test define rangos de tiempo en los que el ecocardiograma puede ser visualizado con inferior calidad a la establecida en el primer test. Gracias a este test se puede saber si el ecocardiograma es visualizado sin pérdida de calidad diagnóstica cuando se introducen errores en la visualización, sin la necesidad de realizar una evaluación para cada video transmitido o diferentes condiciones de canal. Además, esta metodología puede ser aplicada para la evaluación de otras técnicas de diagnóstico por imagen. - Para la compresión de ecocardiogramas dos métodos de compresión han sido diseñados, uno para el almacenamiento y otro para la transmisión. Diferentes propuestas son diseñadas, ya que los ecocardiogramas para los dos propósitos tienen características diferentes. Para ambos propósitos un método de compresión en la que las facilidades que incorporan los dispositivos de segmentar la imagen y en la que las características de visualización de los ecocardiogramas han sido tenidas en cuenta ha sido diseñado. Para la compresión del ecocardiograma con el propósito de almacenarlo un formato de almacenamiento fácilmente integrable con DICOM basado en regiones y en el que el tipo de datos y la importancia clínica de cada región es tenido en cuenta ha sido diseñado. DICOM es el formato para el almacenamiento y transmisión de imágenes más ampliamente utilizado actualmente. El formato de compresión propuesto supone un ahorra de hasta el 75 % del espacio de almacenamiento con respecto a la compresión con JPEG 2000, actualmente soportado por DICOM, sin perder calidad diagnostica de la imagen. Los ratios de compresión para el formato propuesto dependen de la distribución de la imagen, pero para una base de datos de 105 ecocardiogramas correspondientes a 4 ecógrafos los ratios obtenidos están comprendidos entre 19 y 41. Para la compresión del ecocardiograma con el propósito de la transmisión en tiempo real un método de compresión basado en regiones en el que el tipo de dato y el modo de visualización han sido tenidos en cuenta se ha diseñado. Dos modos de visualización son distinguidos para la compresión de la región con mayor importancia clínica (ultrasonido), los modos de barrido y los modos 2-D. La evaluación clínica diseñada para las recomendaciones de compresión fue llevada a cabo por 3 cardiologos, 9 ecocardiogramas correspondientes a diferentes pacientes y 3 diferentes ecógrafos. Los ratios de transmisión recomendados fueron de 200 kbps para los modos 2-D y de 40 kbps para los modos de barrido. Si se comparan estos resultados con previas soluciones en la literatura un ahorro mínimo de entre 5 % y el 78 % es obtenido dependiendo del modo. - Para la transmisión en tiempo real de ecocardiogramas un protocolo extremo a extremo basada en el método de compresión por regiones ha sido diseñado. Este protocolo llamado ETP de las siglas en inglés Echocardiogram Transmssion Protocol está diseñado para la compresión y transmisión de las regiones por separado, pudiendo así ofrecer diferentes ratios de compresión y protección de errores para las diferentes regiones de acuerdo a su importancia diagnostica. Por lo tanto, con ETP el ratio de transmisión mínimo recomendado para el método de compresión propuesto puede ser utilizado, usando así eficientemente el ancho de banda y siendo menos sensible a los errores introducidos por la red. ETP puede ser usado en cualquier red, sin embargo, en el caso de que la red introduzca errores se ha diseñado un método de corrección de errores llamado SECM, de las siglas en inglés State Error Control Method. SECM se adapta a las condiciones de canal usando más protección cuando las condiciones empeoran y usando así el ancho de banda eficientemente. Además, la evaluación clínica diseñada para las recomendaciones de visualización ha sido llevada a cabo con la base de datos de la evaluación previa. De esta forma se puede saber si el ecocardiograma es visualizado sin pérdida diagnostica aunque se produzcan errores de transmisión. En esta tesis, por lo tanto, se ha ofrecido una solución para la transmisión en tiempo real y el almacenamiento de ecocardiogramas preservando la información diagnóstica y usando eficientemente los recursos (disco de almacenamiento y ratio de transmisión). Especial soporte se da para la transmisión en redes sin cables, dando soluciones a las limitaciones que estas introducen. Además, las soluciones propuestas han sido probadas y comparadas con otras técnicas con una red de acceso móvil WiMAX, demostrando que el ancho de banda es eficientemente utilizado y que el ecocardiograma es correctamente visualizado de acuerdo con las recomendaciones de visualización dadas por la evaluación clínica