Artículo de método

Termografía infrarroja para la detección de cambios en la actividad del tejido adiposo marrón

DOI:

10.3791/64463

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28 de septiembre de 2022

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1MKP Ltd., 2Croatian Institute for Brain Research, University of Zagreb, School of Medicine, 3Department of Physiology, University of Zagreb, School of Medicine

En este artículo

Resumen

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Aquí, presentamos un protocolo para medir la actividad del tejido adiposo marrón después de una comida en humanos y animales de laboratorio.

Resumen

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La medición de la actividad del tejido adiposo marrón (BAT) mediante tomografía computarizada por emisión de positrones (PET-CT) a través de la acumulación de 18F-fluorodesoxiglucosa (FDG) después de una comida o en pacientes obesos o diabéticos falla como método de elección. La razón principal es que 18F-FDG compite con la alta concentración plasmática de glucosa postprandial para el mismo transportador de glucosa en la membrana de las células BAT. Además, BAT también utiliza ácidos grasos como fuente de energía, que no es visible con PET-CT y podría cambiarse junto con la concentración de glucosa en pacientes obesos y diabéticos. Por lo tanto, para estimar la importancia fisiológica de las MTD en animales y humanos, se aplica un nuevo método de termografía infrarroja utilizado en publicaciones recientes.

Después del ayuno nocturno, la actividad de las MTD se midió mediante termografía infrarroja antes y después de una comida en voluntarios humanos y ratones hembra de tipo salvaje. El software de la cámara calcula la temperatura del objeto utilizando la distancia desde el objeto, la emisividad de la piel, la temperatura ambiente reflejada, la temperatura del aire y la humedad relativa. En ratones, el área afeitada por encima del BAT fue una región de interés para la cual se midieron las temperaturas promedio y máxima. La fase del ciclo estral en ratones hembra se determinó después de un experimento mediante frotis vaginales teñidos con solución de tinción de violeta cresilo (0,1%). En voluntarios sanos, se seleccionaron dos áreas de piel del cuello: el área supraclavicular (por encima de la clavícula, donde hay células BAT) y el área interclavicular (entre las clavículas, donde no se detecta tejido BAT). La actividad MTD está determinada por la resta de esos dos valores. Además, las temperaturas promedio y máxima de las áreas de la piel podrían determinarse en animales y participantes humanos.

Se demostró que los cambios en la actividad de las MTD después de una comida medida por termografía infrarroja, un método no invasivo y más sensible, dependían del sexo, la edad y la fase del ciclo estral en animales de laboratorio. Como parte de la termogénesis inducida por la dieta, también se demostró que la activación de BAT en humanos depende del sexo, la edad y el índice de masa corporal. La determinación adicional de los cambios fisiopatológicos en la actividad de las MTD después de una comida será de gran importancia para los participantes con altas concentraciones plasmáticas de glucosa (obesidad y diabetes mellitus tipo 2), así como en diferentes animales de laboratorio (ratones knock-out). Este método también es una herramienta variable para determinar posibles fármacos activadores que podrían rejuvenecer la actividad de las MTD.

Introducción

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El tejido adiposo marrón (BAT), en contraste con el tejido adiposo blanco (WAT), no almacena, sino que gasta energía. Tras la estimulación simpática, las MTD utilizan ácidos grasos y glucosa y producen calor mediante la activación de la proteína de desacoplamiento 1 (UCP1). La función de UCP1 es utilizar un gradiente H+ entre dos membranas mitocondriales para producir calor en lugar de ATP. La función de las MTD es aumentar la producción de calor en condiciones de frío, lo que conduce a un aumento del gasto energético1. Después de la exposición al frío, las entradas sensoriales de la piel inhiben las neuronas sensibles al calor en el núcleo preóptico mediano (MnPO) del área preóptica hipotalámica (POA), lo que disminuye el efecto inhibitorio de las neuronas POA en el rafe pálido rostral (rRPa). La activación de las neuronas rRPa aumenta la actividad simpática, seguida de un aumento de la actividad MTD 2,3. La activación de las MTD inducidas por el frío mejora la sensibilidad a la insulina en humanos4, y esta actividad disminuye en humanos con aumento del índice de masa corporal (IMC) y edad 1,5,6,7.

Además de su papel en la termogénesis inducida por el frío, después de una comida, la absorción de glucosa en las MTD aumenta en la población masculina delgada, contribuyendo a la termogénesis inducida por la dieta (DIT), que es mayor en los sujetos masculinos BAD positivos 8,9. La técnica de vanguardia utilizada para medir la actividad de las MTD es la tomografía computarizada por emisión de positrones, conocida como PET-CT. Este método determina la actividad MTD midiendo la acumulación del radiotrazador fluorodesoxiglucosa (18F-FDG). Sin embargo, la PET-CT falla como el método de elección para detectar la activación de BAT después de una comida. Una de las razones es que, después de una comida, 18F-FDG compite con la hiperglucemia posprandial por el mismo transportador de glucosa, lo que lo hace inadecuado para determinar la activación de BAT después de una comida, especialmente cuando se compara la actividad de BAT en participantes sanos y diabéticos con posibles diferencias en las concentraciones de glucosa en sangre. Además, las MTD utilizan ácidos grasos como fuente de energía para la producción de calor que no es visible con el PET-CT. 18 La acumulación de F-FDG en las MTD después de una comida es apenas visible10 y, por lo tanto, se interpreta como un resultado negativo en la mayoría de los casos. Como era de esperar, recientemente, se sugirió que la activación de BAT es más pronunciada en la población humana de lo que habíamos pensado anteriormente; por lo tanto, es necesario un nuevo enfoque para detectar la actividad de las MTD y su participación en los trastornos metabólicos7. Un intento de resolver este problema es medir el volumen de MTD con resonancia magnética (RM) en pacientes prediabéticos y pacientes con diabetes mellitus tipo 2 (DM2) con resistencia a la insulina11. Sin embargo, el volumen de MTD medido por RM no es un indicador suficiente para estimar la función diaria y el uso de glucosa y ácidos grasos por BAT. Por lo tanto, para estimar las diferencias reales en la actividad de las MTD en pacientes sanos frente a la DMT2, se necesita un nuevo enfoque que ofrezca la posibilidad de descubrir el mecanismo patológico del mal funcionamiento de las MTD en pacientes con DMT2.

Para determinar la activación de las MTD, realizamos mediciones de la producción de calor de MTD antes y después de una comida utilizando termografía infrarroja (IR) (Figura 1)12,13. Establecer la termografía IR como un método de elección para medir la actividad de BAT después de una comida en individuos sanos y obesos o pacientes con diabetes mellitus tendrá un gran impacto en el campo. Hasta el día de hoy, la termografía IR se utiliza para la determinación de la activación inducida por frío de BAT13,14,15. En la historia humana reciente, la actividad de BAT inducida por el frío ya no es muy pronunciada (debido al calentamiento adecuado de los hábitats, la ropa adecuada), mientras que la activación de BAT después de una comida ocurre todos los días. Además, la regulación fisiológica de estas dos funciones BAT a través del hipotálamo es completamente diferente. Después de una comida, la activación de las neuronas que expresan proopiomelanocortina (POMC) en el núcleo arqueado hipotalámico (Arc) conduce a un aumento de la actividad nerviosa simpática a través de rRPa16. La activación de BAT inducida por frío medida por termografía IR o PET-CT es inadecuada cuando se usa como medida para la actividad diaria de BAT. El aumento de la actividad de las MTD después de una comida es seguido por la utilización de la glucosa, que en última instancia es importante para mantener la homeostasis de la glucosa, la sensibilidad a la insulina y la regulación diaria de la concentración de glucosa. La activación de las MTD posprandiales conduce a un aumento en el consumo de glucosa postprandial, seguido de un aumento en la producción de calor y la temperatura corporal (DIT). Se demostró que era dependiente del sexo, la edad y el IMC12. Se observan diferencias de género similares en la activación de las MTD después de una comida en ratones de laboratorio machos y hembras17. Estos hallazgos corresponden a las diferencias de género recientemente descubiertas en la regulación de BAT por Burke et al., quienes mostraron que la regulación hipotalámica del pardeamiento de BAT a través de una subpoblación de neuronas POMC difiere en ratones machos y hembras18. La activación posprandial de BAT es menor en mujeres, poblaciones mayores y personas obesas. La falta de activación de las MTD después de una comida (disminución de la utilización de glucosa) podría conducir a una mayor prevalencia de intolerancia a la glucosa en las mujeres 19,20,21,22. Desafortunadamente, la mayoría de los estudios sobre la activación de las MTD se realizaron solo en hombres. Al activar las MTD después de una comida, la absorción de glucosa aumenta en la población masculina delgada. No es sorprendente que, después de la activación de las MTD, la TID sea mayor en los sujetos masculinos con MTD positiva 8,9. Además, el trasplante de MTD en ratones machos mejora la tolerancia a la glucosa, aumenta la sensibilidad a la insulina y disminuye el peso corporal y la masa grasa23.

La PET-CT falla como método de elección para medir la actividad de las MTD, especialmente después de una comida. Por lo tanto, se desarrolló un método no invasivo y más sensible. La termografía IR permite estimar la actividad de las MTD en diferentes animales de laboratorio (ratones knock-out), así como en participantes humanos, independientemente del sexo, la edad o los efectos de diferentes afecciones patológicas en la actividad de las MTD. Un beneficio adicional de este método es la simplicidad para los participantes y los animales de laboratorio, lo que nos permite estimar los beneficios potenciales de la terapia de refuerzo BAT. Los estudios recientes que utilizan termografía IR para determinar el comportamiento fisiológico de las MTD después de la exposición al frío o una comida se describen en la reciente publicación de Brasil et al.24.

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Protocolo

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Todos los procedimientos experimentales en animales de laboratorio fueron aprobados por el Comité Nacional de Ética y el Ministerio de Agricultura (EP 185/2018). Los experimentos se llevaron a cabo de acuerdo con el Codex Ético de la Sociedad Croata para la Ciencia de los Animales de Laboratorio y las directrices ARRIVE. Todos los procedimientos realizados en estudios con participantes humanos estaban de acuerdo con la Declaración de Helsinki y aprobados por el Comité de Ética de la Facultad de Medicina de la Universidad de Zagreb (UP/I-322-01/18-01/56). En este estudio, presentamos los resultados de tres participantes femeninas (IMC: 29 kg/m 2 ± 5 kg/m2). Se obtuvo el consentimiento informado de todos los voluntarios humanos para su participación en el estudio y para la presentación de los datos.

1. Medición de la activación del tejido adiposo marrón después de una comida en humanos

NOTA: Realice los experimentos durante el verano, cuando la temperatura diaria no sea inferior a 22 °C para mantener la actividad basal de las MTD lo más baja posible.

  1. Elija cuidadosamente a los participantes sanos de control (si la actividad de las MTD debe estimarse en condiciones patológicas) ya que la actividad de las MTD depende del sexo, la edad, el IMC e incluso la fase del ciclo estral.
    1. Para estimar la fase del ciclo menstrual de las participantes femeninas, hágales preguntas sobre la duración de su ciclo menstrual promedio y la fecha del primer día de su última menstruación. No olvides marcar la fecha de los experimentos.
      NOTA: La selección adecuada de los sujetos de control compatibles es la parte más difícil de los estudios clínicos, ya que los controles sanos y los participantes con afecciones patológicas deben ser lo más similares posible y diferir solo en la enfermedad investigada.
  2. Pida a los participantes que descansen bien, que no desayunen (ayuno, sin ingesta de calorías), que se reúnan en las horas de la mañana para los experimentos y que descansen durante al menos 30 minutos para evitar la posible activación de BAT durante la actividad muscular a través de la activación simpática.
  3. Pida a los participantes que se quiten la ropa superior 15 minutos antes de las mediciones para evitar los posibles efectos del calentamiento de la superficie de la piel (efectos térmicos de la ropa) mientras determinan la actividad BAT de referencia. Realizar mediciones a temperatura ambiente adecuada (22-27 °C).
  4. Realizar mediciones infrarrojas.
    1. Mientras los participantes descansan, monte la cámara térmica (tipo de detector: microbolómetro no refrigerado; paso del detector: 17 μm; rango espectral de la cámara: 7.5-14.0 μm; sensibilidad térmica: 20 mK a 30 °C; lentes: 36 mm; resolución: 1024 píxeles x 768 píxeles; campo de visión instantáneo [IFOV]: 0.47 mRad) en el trípode y colóquelo a 1 m del lugar donde se sentará el participante.
      NOTA: Si las mediciones se realizan en climas más fríos (temperaturas exteriores del aire inferiores a 15 °C al 50% de humedad), coloque la cámara a temperatura ambiente y enciéndala durante al menos 1 h antes de realizar las mediciones. Los instrumentos fríos pueden dar diferentes resultados después del calentamiento a temperatura ambiente debido a la autocalibración.
    2. Conecte la cámara térmica a un ordenador y software según las instrucciones del fabricante. Grabe el papel de aluminio (papel de aluminio arrugado y luego estirado) a una distancia focal de 1 m para determinar la temperatura reflejada de la habitación, presentada como temperatura medida. En el software de la cámara, introduzca la distancia de 0 m y la emisividad de 1.
      NOTA: La temperatura aparente reflejada es un parámetro que se obtiene cuando la emisividad de la cámara se establece en 1.0 y la distancia en 0 m y las mediciones se toman en papel de aluminio arrugado y luego estirado. La temperatura aparente reflejada representa una aproximación de la radiación infrarroja incidente total en el detector desde el medio ambiente.
    3. Justo antes de comenzar las mediciones, determine la temperatura del aire ambiente y la humedad del aire (necesaria para un análisis posterior). En lugar de tomar una imagen térmica, grabe una película. De la película, elija más tarde el mejor marco de imagen posible para el análisis para reducir la posibilidad de perder datos valiosos.
    4. Antes de comenzar la grabación, establezca los siguientes parámetros: la duración de la grabación de video a 10-15 s (o cualquier otro valor deseado), la velocidad de fotogramas a 5 fps (fotogramas por segundo) o cualquier otro valor (en nuestras manos, 5 fps es el máximo necesario), y una ubicación en el disco donde se guardará la película, como se describe a continuación.
      1. En el software sobre la ventana principal de la cámara, elija el tercer icono de la izquierda. En el menú emergente, seleccione Editar configuración de grabación, después de lo cual se abrirá una nueva ventana.
      2. En el modo de grabación, seleccione Grabar en disco y, debajo de eso, establezca el Registro para esta duración en el momento deseado. En las opciones de grabación de la misma ventana, limite la velocidad de grabación a 5 (Hz) y elija la ubicación donde se guardarán las grabaciones.
      3. Para establecer la velocidad de fotogramas, cierre la ventana existente, abra Editar en el menú principal y seleccione Preferencias. En la parte derecha de la ventana abierta, introduzca 5 en Target Frame Rate (Velocidad de fotogramas objetivo). En la misma ventana a continuación, seleccione Tecla de acceso rápido/Inicio remoto puede detener la grabación, y en el menú desplegable, seleccione En modo Inicio/Detención.
        NOTA: Intente hacer las películas más cortas posibles con la velocidad de fotogramas más baja posible, ya que consume memoria. En esta configuración, un registro tendrá aproximadamente 100 Mb.
  5. Coloque al participante de manera que el área supraclavicular del cuello, por encima de la clavícula donde se encuentra BAT (Figura 1), esté a una distancia focal de 1 m y grabe una película corta (10-15 s) a una velocidad de fotogramas de 5 fps presionando la tecla F5 . La grabación se detendrá a la hora designada.
  6. En la sala en el momento de las mediciones, asegúrese de que solo el participante y la persona que realiza las mediciones estén presentes. Evite el movimiento de aire o corrientes de aire (por ejemplo, del aire acondicionado). Asegúrese de que los participantes estén alejados de corrientes de aire frío, luz solar (directa o indirecta) o cualquier fuente de calor como bombillas.
  7. Si es adecuado, mida las concentraciones de glucosa en sangre en la sangre capilar desde la yema del dedo con un glucómetro estándar y la temperatura corporal con un termómetro axilar.
  8. Asegúrese de que todos los participantes coman la misma comida. Preste atención a las restricciones y requisitos alimenticios de los sujetos probados (por ejemplo, la comida para pacientes diabéticos). Todos los participantes, incluidas las personas de control (sanas) y los participantes con trastornos metabólicos, deben comer la misma comida.
    NOTA: Para obtener más detalles sobre las comidas que los pacientes diabéticos pueden consumir, póngase en contacto con un endocrinólogo local o discútalo con los participantes que sufren de diabetes mellitus.
  9. En el momento deseado después de una comida, realice la nueva grabación presionando F5 usando los mismos valores de configuración. No repita el protocolo establecido para las grabaciones. Repita las mediciones a los 30 min, 1 h, 2 h y 3 h después de una comida12. Para el diseño específico de su estudio, el tiempo después de una comida podría ser más corto o más largo, pero recomendamos al menos los primeros tres puntos de tiempo.
    NOTA: La limitación del número de participantes es de cuatro a seis, aunque las mediciones se realizan rápidamente. Con un mayor número de participantes, el tiempo de retraso para algunos será demasiado largo.

2. Medición de la activación del tejido adiposo marrón después de una comida en animales de laboratorio

NOTA: Dado que los animales están alojados en un animalario con temperatura ambiente regulada y un ciclo día/noche de 12 h/12 h, los experimentos podrían realizarse durante cualquier temporada. La temperatura ambiente durante los experimentos debe estar entre 22 °C y 27 °C. En este estudio, se examinaron seis hembras en diestro y seis machos de tipo salvaje (WT) C57Bl/6NCrl.

  1. Anestesiar a los animales según las pautas éticas de la institución. En este estudio, la anestesia se realizó mediante inyecciones i.p. de ketamina/xilazina (80-100 mg/kg y 6-8 mg/kg, respectivamente). Aplique gel para los ojos en ambos ojos para evitar el secado de la córnea durante la anestesia. Afeitar las regiones interescapulares de los animales de prueba un día antes de los experimentos (la región de la piel entre los omóplatos) utilizando un recortador de animales pequeño.
  2. El día antes de los experimentos, también se determinará la fase del ciclo estral en hembras.
    NOTA: La fase del ciclo estral está determinada por frotis vaginales.
    1. Sumerja un hisopo de punta de algodón en solución salina estéril a temperatura ambiente (0.9% de NaCl) e insértelo en la vagina. Raspa suavemente la pared vaginal con el hisopo, extiende las células adheridas sobre un portaobjetos de vidrio y deja que se seque al aire.
    2. Vuelva a poner a los animales en sus jaulas. Tiñe las células con 500 μL de acetato de violeta cresilo al 0,1% durante 1 minuto, después de lo cual enjuáguelas 3 veces con agua.
    3. Vea las celdas bajo un microscopio de luz con un aumento de 100x e iluminación de campo brillante. Determinar la fase del ciclo estral en función del número de leucocitos y células epiteliales nucleadas y cornificadas observadas en el frotis25.
  3. Retire la comida de los animales la noche anterior a los experimentos (ayunando durante la noche) con agua ad libitum. La mejor manera es transferir a los animales a nuevas jaulas limpias para evitar posibles restos de comida en las jaulas.
  4. En la mañana del día experimental, prepare la cámara térmica y los ajustes de grabación como se hizo para probar a los participantes humanos.
  5. No moleste ni estrese a los animales antes de realizar mediciones IR. Coloque cuidadosamente al animal en una jaula limpia (asegúrese de que no haya efectos del olor de otros animales en el sistema simpático del animal). Coloque el armazón debajo de la cámara térmica a una distancia focal de 1 m. Grabe una película presionando F5.
  6. Pese el pellet de alimento antes de dárselo a cada animal para que se pueda calcular la ingesta de alimentos. Deje que el animal coma durante 30 minutos en su jaula y pese la bolita de comida nuevamente después de la comida. En este estudio, las hembras comieron 0,038 ± 0,004 g de alimentos/peso corporal.
    NOTA: Si decide medir las concentraciones de glucosa en sangre, realice las mediciones antes de una comida, pero después de las mediciones IR para asegurarse de que esto no conduzca a la activación de BAT por el sistema simpático.
  7. Repita las mediciones de IR en el momento deseado después de comenzar una comida (generalmente 30 min, 1 h y 2 h después de una comida)17,26.
  8. Después de completar todos los experimentos, vuelva a probar la fase del ciclo estral en animales hembras como se describió anteriormente (las hembras pueden salir de la fase deseada del ciclo estral antes de lo previsto).

3. Análisis de los registros térmicos

NOTA: El software de la cámara térmica calcula la temperatura del objeto utilizando cinco variables.

  1. Establezca las siguientes variables en el software antes del análisis: emisividad de la piel, e = 0.9815,27, temperatura ambiente reflejada (calculada a partir de la imagen de papel de aluminio), temperatura del aire, humedad relativa, distancia al objeto = 1 m. Realice el análisis utilizando el software con estos valores.
    NOTA: La paleta de colores preferida es el arco iris, ya que utiliza más tonos, lo que permite una detección más fácil de BAT por encima de la clavícula.
  2. Para cada película, introduzca las variables enumeradas en el software de la cámara en el lado derecho de la ventana principal. Seleccione el fotograma (imagen) adecuado de la película moviendo el cabezal de reproducción en la parte inferior de la pantalla o presionando el botón Pausa .
  3. Seleccione la región de interés (ROI) eligiendo la forma deseada del área en el lado izquierdo de la ventana principal. Elija la forma que mejor corresponda al área de la piel por encima o entre las clavículas.
  4. Cuando se elige el ROI, las temperaturas mínimas, máximas y promedio del ROI se muestran en el lado derecho. En la imagen, el triángulo rojo representa el punto de temperatura máxima registrada, y el triángulo azul representa la temperatura mínima registrada. Repita este paso para varios fotogramas para asegurarse de que la temperatura medida sea estable durante unos segundos de la grabación.
  5. Reste las temperaturas máximas del área de la piel por encima de las MTD antes de una comida de las temperaturas máximas después de una comida para determinar el aumento de la actividad de las MTD postprandiales en animales de laboratorio.

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Resultados

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La forma más fácil de determinar la actividad de las MTD es restar la temperatura máxima de la piel por encima de las MTD antes y después de una comida en sujetos humanos. Una mejor manera de calcular la actividad de las MTD es seleccionar dos regiones de interés: el área de la piel por encima del MTD, que se encuentra en el área supraclavicular, y el área interclavicular de la piel donde no se encuentra tejido BAT en humanos, designada como área de referencia (según PET-CT; Figura 1). La ac...

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Discusión

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Estudios recientes presentan evidencia creciente sobre la regulación fisiológica y la importancia de la actividad BAT en humanos adultos y animales en el desarrollo de obesidad y diabetes mellitus. Además, la posible activación de MTD por activadores exógenos se está convirtiendo en un objetivo para las empresas farmacéuticas. Para poder estimar la regulación fisiológica y la importancia fisiopatológica de las MTD en enfermedades muy onerosas, así como descubrir un posible enfoque terapéutico, la termografía infrarroja s...

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Divulgaciones

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Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

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Este estudio fue financiado por la beca de investigación de la Fundación Croata de Ciencias (IP-2018-01- 7416).

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
0.1% acetato violeta de cresilo  Producto químico
Dispositivo para medir la temperatura y la humedad del aireKesterlKestrel 4200Certificado de conformidad Almacenamiento de
datos externoDisco duro con al menos 1 TB
Portaobjetos microscópicos de vidrio De uso
Hisopo pequeño con punta de algodón;Hisopos
Software para análisisFLIR Systems, Wilsonville, Oregón, EE. UU.Herramientas
Software para medicionesFLIR Systems, Wilsonville, Oregón, EE. UUSoftware ResearchIRFLIR ResearchIR Max, versión 4.40.12.38 (64 bits)
Cámara ThermacSistemas FLIR, Wilsonville, Oregón, EE. UUFLIR T-1020
de uso comúncomúnuretralesFLIR. .

Referencias

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