Sistema de navegación tubular para vías digestivas altas

Ingeniera y CienciaISSN:1794-9165ISSN-e: 2256-4314ing. cienc., vol. 9, no. 17, pp. 175191, enero-junio. 2013.http://www.eafit.edu.co/ingcienciaThis a open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License.

Sistema de navegacin tubular para vasdigestivas altas

Andrea Del Mar Casallas Mora1, Lerly Yulieth Amaris Serrato2Cindy Lizeth Carvajal Gaitn3y Camilo Andrs Rojas Cifuentes4

Recepcin:24-09-2012, Aceptacin:05-02-2013Disponible en lnea: 22-03-2013

MSC: 92C50 / PACS: 87.85.M - 87.85.Tu

ResumenLa endoscopia actual es una experiencia incmoda ya que su instrumental esde gran tamao y magnitud, generando sensacin de molestia al paciente du-rante el manejo que realiza el especialista de los dispositivos que se operan en elproceso. Se disea un dispositivo a escala, que permita contrarrestar tal efectomejorando el mecanismo de endoscopia; siendo ste un sistema ms efectivoy gil, comparado con la cpsula endoscpica y el equipo actual, por lo cualincluir un sistema de toma de biopsias para analizar enfermedades gastroen-terolgicas o cnceres, con comunicacin Bluetooth para la visualizacin delespacio digestivo en tiempo real.

Palabras clave: Biopsia, comunicacin Bluetooth, cpsula endoscpica, en-doscopia, robtica, sistemas de navegacin tubular.

1 Estudiante de Ingeniera biomdica, [email protected], Universidad ManuelaBeltran, Bogot, Colombia.2 Estudiante de biomdica, [email protected], Universidad ManuelaBeltran, Bogot, Colombia.3 Estudiante de Ingeniera biomdica, [email protected], Universidad ManuelaBeltran, Bogot, Colombia.4 Magster en Ingeniera biomdica, [email protected], Universidad ManuelaBeltran, Bogot, Colombia.

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Sistema de Navegacin Tubular para Vas Digestivas Altas

Aspectos relevantes El material Ecoflex permite una elasticidad y flexibilidad en el sistema denavegacin, en el tracto digestivo. Su diseo genera un movimiento ms gil,al transitar las vas digestivas. Su caractersticas trmicas permiten que no seafecte la mucosa ni las paredes digestivas manteniendo estable la temperaturacorporal tras su interaccin con el cuerpo humano.

Navegation System for Tubular Upper Digestive Tract

AbstractThe present endoscopy is an uncomfortable experience because these instru-ments are great size and magnitude, generating feelings of discomfort to thepatient during the operation. Its designed a device to scale, allowing counter-act this effect improving the mechanism of endoscopy, being this a more effec-tive and flexible, compared with capsule endoscopy and endoscopy equipmentpresent because will include a biopsy system for analyzing gastroenterologicaldiseases or gastric cancers, with bluetooth communication for visualization ofreal-time space tract.

Key words: Biopsy, Bluetooth communication, capsule endoscopy, en-doscopy, soft robot, tubular navigation systems.

1 Introduccin

La endoscopia es un procedimiento mdico que usa un instrumento enforma de tubo llamado endoscopio, el cual se introduce en el cuerpohumano para observar el interior, y llevar a cabo ciertos procedimientosquirrgicos. [1] Dicho proceso, ha presentado cambios y variaciones conel tiempo, fundamentados en los beneficios y complicaciones, a nivelinstrumental y de funcionalidad, con el fin de generar mejoras para sudesarrollo.

Tras el inicio de una nueva era en la tecnologa, en que dispositivoselectrnicos se pueden crear a escala pequea, nano o micromtrica, sur-ge un nuevo sistema endoscpico como avance del anterior mecanismo deendoscopia existente, llamado cpsula endoscpica el cual permite ob-tener imgenes de tramos hasta ahora inexplorables. Su sistema utilizatecnologa de comunicacin inalmbrica pero no permite que sta seacontrolada por un operador externo o un sistema de control de navega-cin, haciendo que sus movimientos y orientaciones sean totalmente al

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Andrea Del Mar Casallas Mora, Lerly Yulieth Amaris Serrato, Cindy Lizeth CarvajalGaitn y Camilo Andrs Rojas Cifuentes

azar, siendo impulsada exclusivamente por los movimientos peristlticosque se generan. [2]

Evidenciando la evolucin de la endoscopia y el gran impacto que hatenido sta en la prevencin y diagnstico de enfermedades gastroente-rolgicas, desde la invencin de sondas con cmaras y/o pinzas, hastadiminutas cpsulas endoscpicas consumibles que proporcionan imge-nes o videos del recorrido realizado dentro del tubo gstrico como delintestino; e igualmente los avances a nivel del campo mdico, los cualesdemuestran que es mayor el ndice o nivel de especialistas que utilizansistemas o mecanismos cada vez ms pequeos y ms prcticos duranteel desarrollo de procesos quirrgicos, se realiza un nuevo sistema de na-vegacin rpida a escala pequea, que desarrolle un proceso endoscpicoa nivel de las vas digestivas altas visualizando el espacio gstrico entiempo real mediante la aplicacin de sistemas mecnicos, neumticos yelectrnicos que permitan su desplazamiento en el tracto digestivo, y unsistema de toma de muestras para el anlisis de biopsias con el fin deidentificar enfermedades gastroenterolgicas.

2 Modelado del sistema de navegacin

2.1 Determinacin de parmetros y formacin del sistema mec-nico

Para el diseo del sistema de navegacin endoscpica, se identifica la na-turaleza como una fuente de caracterizacin (movimiento, dimensiones,material etc.) que satisfaga cada uno de los requerimientos y delimita-dores que se encuentran en el aparato digestivo, como lo hace la biomi-mtica aplicado a cualquier rea o ciencia. La biomimtica es un estudioque consiste en la aplicacin de la naturaleza y su entorno en dispositi-vos, mecanismos y estructuras tecnolgicas. Basados en este estudio, seobservan los movimientos que realizan la mayora de los animales en suhbitat; identificando su flexibilidad, agilidad y desarrollo prctico, deacuerdo a su funcionamiento y locomocin durante su desempeo. Debi-do al ambiente y espacio en donde se encuentre el animal, ste posee msventajas o desventajas, en su movimiento mecnico con respecto a otros

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animales [3]. Gracias a ello, se analizan todos los factores y parmetrosque identifiquen su movimiento en el entorno.

Los parmetros principales para el sistema de navegacin que per-mitirn obtener capacidades y movimientos adecuados para el funciona-miento del dispositivo son Flexibilidad y Elongacin.

Tras respectivos anlisis de locomocin de varios animales, se seleccio-n el de la lombriz, debido a que durante su desplazamiento este poseela capacidad de estirar y comprimir su cuerpo, gracias a sus anillos quese asemejan a los de un fuelle. Esta anatoma permite generar cualquiertipo de movimiento en todos los ejes, grados de curvatura y ngulosde libertad, haciendo que la observacin sea total; una funcionalidadespecfica y primordial que posee el dispositivo durante su transicin enel tracto digestivo (Ver Figura 6).

Figura 1: Diseo del Sistema Mecnico en Autocad.

Con diferentes herramientas de software con formato CAD, se diseael prototipo del sistema mecnico. El cuerpo principal ubicado en laregin negra de la Figura 1 representa el fuelle, y las otras secciones,son los diferentes mecanismos que posee el sistema total de navegacin(regin amarilla: sistema de cmara; regin de color gris: sistema de tomade biopsias ubicado en los laterales de la regin amarilla).

Para la generacin del movimiento del sistema, se realiz el diseodel fuelle exterior en Solidworks, software que permite la creacin deprototipos en 2D-3D, el cual, mediante la implementacin de frmulasfsicas/matemticas o la aplicacin de diferentes mdulos, permite el



movimiento del esquema hacia cualquier eje.

Figura 2: Formacin del Fuelle principal en Solidworks.

Para el diseo de la Figura 2, se utilizaron herramientas, que permi-tieran generar la elongacin, compresin y curvatura del sistema haciacualquier direccin, de tal manera que si el sistema necesita dirigirsehacia otro espacio del tracto digestivo, lo realice con gran facilidad; eigualmente, tenga un abarcamiento total del tracto digestivo (ver Figu-ras 7 y 8).

2.2 Sistema neumtico para la generacin del movimiento del sis-tema mecnico

Tal movimiento estar controlado por un sistema externo al pacienteque permite la inyeccin y succin de aire, el cual es manejado por elespecialista, de acuerdo a la necesidad que ste requiera. La inyeccin ysuccin del aire ser emitido desde el control principal de un compresory vlvulas de regulacin de caudal hacia el interior del paciente, dondese encuentre ubicado el sistema de navegacin.

Dado los delimitantes que se presentan en las vas digestivas altas,como son la abertura de la seccin posterior del esfago y el msculoque se encuentra ubicado entre la finalizacin de la regin del esfago yel inicio del estmago llamado cardias [4] (vlvula o anillo muscular quepermite el paso o la entrada del bolo alimenticio al estmago [5] ), seidentifica que el sistema de navegacin debe tener un mecanismo de in-yeccin de aire, tanto para generar su movimiento respectivo, como para



la abertura de tal seccin posterior a transitar el sistema, ya que paracualquier tipo de alimento es ms fcil al encontrarse la persona de pie osentado cuando est comiendo, y por accin de la gravedad y los movi-mientos peristlticos del esfago, va dndose paso a su trayecto hacia elestmago; en cambio, para la realizacin de una endoscopia, el pacientese encuentra acostado, omitiendo la ayuda que ejerce normalmente lafuerza de gravedad para el paso de sustancias.

De tal manera, que a medida que va transitando el sistema, se vainyectando cierta cantidad de aire que promulgue el estmulo de aber-tura de la seccin a recorrer; e igualmente, se generar tal inyeccin, almomento de encontrarse el sistema en la regin del cardias, ya que steanillo muscular es sensible a cualquier estmulo generado por la sustanciaque llegue aqu [4] (normalmente cualquier tipo de comida), indicandoque debe abrirse para que pueda entrar al estmago y pueda seguir enel proceso de digestin.

Figura 3: Funcionamiento del sistema neumtico y mecnico para la generacin delmovimiento.

La Figura 3 indica el funcionamiento del sistema mecnico y neum-tico que prolonga el movimiento del sistema de navegacin.



2.3 Sistema para toma de Biopsias

Este sistema se basa en la generacin de cinco compartimientos en elinterior del sistema para los cuales, mediante una pinza, se podr obteneruna muestra de cualquier regin del espacio digestivo. A medida que steva identificando alguna anomala, va obteniendo la muestra y guardandoen un compartimiento diferente para su posterior anlisis y estudio; paraidentificar enfermedades gastroenterolgicas o cnceres gstricos.

La Figura 4 establece el proceso y los pasos que acontecen el sistemapara toma de biopsias, basado en el mecanismo de succin y controlejercido por el sistema neumtico.

Figura 4: Proceso desarrollado en la toma de biopsias para el estudio de patologasgastrointestinales.

2.4 Sistema de cmara para la visualizacin del tracto digestivo

El sistema de visualizacin consiste en una cmara de tamao adecuadoy de alta resolucin, la cual contribuir a obtener imgenes detalladasdel espacio gastrointestinal. Debido a que el cuerpo humano presentahumedad en su interior, despus de un intervalo de tiempo, el lente de lacmara empieza a empaarse generando poca visibilidad; por tal motivo,se ubicar un sistema de inyeccin de lubricado con agua (H2O) para ellente de la cmara, que el especialista estar activando cada instante detiempo en que empiece a identificar que el lente de la cmara se empaa,sin afectar el funcionamiento de la cmara y sistemas cercanos a ste.



Para la visualizacin del espacio digestivo recorrido por la cmara, seimplementa un sistema de luz al costado de la cmara, con base en lucesde xenn, la cual permitir la iluminacin adecuada del rea durante elrecorrido del sistema.

2.5 Sistema de comunicacin Bluetooth

El Bluetooth es una tecnologa de corto alcance de radio, de bajo po-tencia y bajo costo, que permite una comunicacin inalmbrica estan-darizada entre cualquier dispositivo elctrico. Este concepto de una redde rea personal revoluciona y estandariza la forma en que las personasinteractan con la tecnologa e informacin que los rodea, siendo un sub-sistema de comunicacin que no genera problemas en la comunicacinentre dispositivos [6].

Dada su aplicacin se emplea este sistema de comunicacin, el cualmediante una tarjeta inalmbrica ubicada en la seccin interna del di-seo de navegacin, permitir al especialista visualizar y obtener en suprocesador, la informacin necesaria sobre el estado del sistema digestivosuperior en tiempo real.

La Figura 5 seala el proceso para la visualizacin de las vas diges-tivas altas en tiempo real en el ordenador, a travs de la comunicacinBluetooth.

Figura 5: Mdulo de Video y Comunicacin Bluetooth para la visualizacin deltracto digestivo en tiempo real.



3 Estudio de biocompatibilidad, simulacin del movimiento,clculos de variables y prueba trmica

3.1 Estudio del material

Ecoflex es un tipo de silicona fabricada por la empresa Smooth, la cualactualmente, est siendo aplicada en estudios de robtica blanda por elgrupo de Investigacin Whitesides Research Group of Harvard Univer-sity, para el desarrollo o imitacin de la dinmica de diferentes sistemascomo el movimiento de animales o el sistema locomotor del ser humano[7].

Tabla 1: Caractersticas y Biocompatibilidad ECOFLEX [8]

Material Caractersticas Biocompatibilidad

EcoflexSmooth Inc.

1. Cauchos catalizados porplatino- siliconas, verstilesfcil de usar.

2. Es traslucido o de colores.

3. Es muy suave, fuerte y elstico,extendindose muchas veces yvolver a su estado original sinromperse.

1. Son adecuados para aplicacio-nes como prtesis, implantes yaparatos mdicos para amorti-guacin o aplicaciones de efec-tos especiales.

2. Esta es inolora, inspida y nohace de soporte para el desa-rrollo de bacterias.

3. No es corrosivo con otros mate-riales

Debido a las caractersticas y Biocompatibilidad que posee el mate-rial, enunciadas en la Tabla 1, se escoge para la realizacin del exoes-queleto del sistema (Ecoflex 00-30), hacindolo adecuado en su funcio-namiento y para el ingreso de ste dentro del cuerpo humano.

3.2 Simulacin del movimiento mecnico

Representacin y visualizacin de las diferentes modalidades duranteel movimiento del sistema de navegacin diseado para vas digestivasaltas.



Estas modalidades se realizaron en el software Solidworks, menciona-do anteriormente en la generacin del diseo del prototipo, permitiendocon esta herramienta y sus mltiples comandos, visualizar si el sistemacumple con los requerimientos de elongacin y compresin hacia todoslos ejes por parte del sistema, de acuerdo al material seleccionado (Eco-flex).

Figura 6: Movimiento del sistema hacia todos los ejes.

Figura 7: Compresin del sistema de navegacin.

Figura 8: Elongacin del sistema de navegacin.



3.3 Clculo de variables

Tras la generacin del movimiento y la obtencin de parmetros como lamasa del sistema (m), el Mdulo de elasticidad o Young (E), y los cam-bios de longitud (L) dados por la elongacin se identifican las fuerzaspresentes, el esfuerzo que se genera para la elongacin del sistema y lavelocidad con la cual ste recorre el tracto gastrointestinal.

Los clculos y los parmetros de variables empleados de masa, fuerza,esfuerzo y cambios de longitud son con base al prototipo escala. Por elcontrario, los valores del tiempo, aceleracin y velocidad son con base enel prototipo original que se est desarrollando, el cual permite identificarla rapidez con que ste se mueve durante su trayecto en las vas digestivasaltas.

Con m = 5Kg

F = m a (1)Para la identificacin de la aceleracin del sistema, debido a que el

sistema presenta un movimiento rectilneo uniformemente acelerado, seobtiene la siguiente ecuacin:

X = Xo + Vo t+ 12 a t2 (2)

donde:

X: Distancia a recorrer del tracto gastrointestinalXo: Distancia inicialVo: Velocidad inicialt: Tiempo del recorridoa: Aceleracin del sistemaComo Xo = 0 y Vo = 0 inicialmente, entonces:

X =1

2 a t2 (3)

Estipulando el tiempo del recorrido del sistema de t = 90 s y un



X = 0, 56 m que representa la distancia desde su inicio en la boca hastael estmago [4], y despejando la variable de aceleracin se obtiene:

a =2 Xt2

(4)

a =2 0,56m

(90s)2

a = 1,382 104ms2

Reemplazando este valor de la aceleracin en la Ecuacin (1) de Fuer-za obtenemos:

F = 0,5Kg 1,382 104ms2

F = 6,9135 105NPara la identificacin del esfuerzo necesario que permite la elongacin

del sistema se utiliza la siguiente ecuacin

= E Eo (5)

donde:

E: Mdulo de YoungEo: Coeficiente de deformacin Unitario

Como el coeficiente de deformacin unitario es dado por el cambiode longitud, entonces

lo = 0,06m(Modeloescala)

lf = 0,18m(Modeloescala)

Eo =L

lo=

0,18m 0,06m0,06m

=0,12m

0,06m= 2 (6)



Reemplazando este coeficiente de deformacin unitario en la Ecuacin(5) de esfuerzo se obtiene:

= E Eo

ModulodeY oung(E) = 10psi = 68946,497N

m2[9]

= 68946,497N

m2 2

= 137,89 103PaPara la determinacin de la velocidad se utiliza la relacin de trabajo

y energa cintica

W = Ec (7)

W =1

2m V 2f

1

2m V 2o

Con valores de Fuerza y distancia, se obtiene el trabajo que se aplicaal sistema

W = F X (8)

W = 6,9135 105N 0,56m = 3,87156 105Joules

Despejando la variable de velocidad final y reemplazando en la Ecua-cin (7) el valor de la energa cintica, se obtiene:

Vf =2

((2 W )m

V 2o ) (9)



Vf =2

((2 W )m

= 2

(2 3,87156 105Joules)

0,5Kg= 0,0124

m

s

El sistema de endoscopia actual se ejecuta en un tiempo de 5 minutos(300 s), aproximadamente [4]. Utilizando un X = 0,56 m (distancia de laboca al estmago) se obtiene la velocidad con la que se realiza el proceso:

V =X

t=

0,56m

300s= 0,00186

m

s(10)

Relacin de velocidades del sistema de endoscopia actual y el sistemade navegacin tubular:

R =0,0124m

s

0,00186ms

= 6,64

3.4 Pruebas trmicas del sistema

Debido a que el sistema de navegacin debe introducirse dentro del cuer-po, ste tiene que mantenerse estable a la temperatura corporal de 37Cpara que no haya alteraciones dentro de la mucosa como quemadurase irritaciones. Tras una prueba de estado trmico en Solidworks, se leaplica al sistema en todas las direcciones una temperatura igual a la delcuerpo con el fin de inducir tal calor trmico al ambiente . Igualmente serepresenta el flujo de calor que posee la luz de xenn dentro del disposi-tivo, lo cual especifica los lugares donde pueden o no haber cambios detemperatura. En este caso de la silicona, se puede observar en la Figura9 que la interaccin que hay del material con la mucosa es inalterable yaque a una temperatura de 37C en el material no presenta cambios, aexcepcin de la parte frontal del sistema el cual refleja 2C por encimaal valor de temperatura nominal de 37C, lugar donde la luz de xennproyecta su foco.



Figura 9: Estudio trmico donde se representa la interaccin trmica del material(silicona) con la temperatura corporal (37C) color azul y la lmpara de xenn(39C).

4 Conclusiones

La flexibilidad en el movimiento de ste nuevo sistema permite obtenerun nivel de velocidad ms eficaz en comparacin con el sistema actualde endoscopia. Se identifica que la rapidez del nuevo sistema es 6,64veces ms rpido que el sistema de endoscopia actual, generando que elproceso de endoscopia sea ms rpido y gil al momento de realizarse.

Su exoesqueleto en forma de fuelle junto con el tipo de material delque est conformado genera una locomocin en beneficio a los movi-mientos peristlticos del tracto digestivo, haciendo ms fcil su paso atravs de las vas digestivas y obteniendo un desempeo adecuado en sumovimiento.

Las propiedades fsico-qumicas de la silicona (Ecoflex) hacen que elsistema sea biocompatible con las paredes digestivas. No es corrosivo yno permite el desarrollo de bacterias; lo cual es ideal al momento de estaren contacto con los cidos estomacales (HCL), demostrando niveles deinteraccin adecuados por parte del sistema que ingresa al cuerpo y eltejido con el que interacta.

Las caractersticas trmicas del material y su mdulo de elasticidad



permiten que el sistema de navegacin tubular tenga un movimientoeficaz y una viscosidad ideal para no afectar la mucosa, adems de man-tener estable la temperatura corporal (37C) haciendo que no se provo-quen quemaduras o daos internos en las paredes de la mucosa ya queel rango de uso del material es de (-53C -232C).

Agradecimientos

Se agradece el apoyo al Dr. Germn Pieres, especialista en EndoscopiaDigestiva, Diagnstica y Teraputica Ciruga Laparoscpica, por las re-ferencias e indicaciones dadas para el desarrollo de este proyecto; al Ing.Daniel Daz por su ayuda para el manejo del programa LATEX y al Ing.Camilo Rojas, por su incontable apoyo en el proyecto.

Referencias

[1] I. American Cancer Society, Endoscopia, Qu es endosco-pia? 2012. [Online]. Available: http://www.cancer.org/Espanol/servicios/Comocomprendersudiagnostico/endoscopia 176

[2] B. n. Gonzlez-Surez, S. Galter, and J. Balanz, Cpsula endoscpica: funda-mentos y utilidad clnica, Cir Esp., vol. 81, no. 6, pp. 299306, 2007. 177

[3] UC Berkeley, Bio-Inspiration: Nature as muse-KQED QUEST. [Online].Available: http://www.youtube.com/watch?v=JnBkbaFsZOY 178

[4] G. Pieres, Entrevista: Endoscopia digestiva, Bogot, 2012. 179, 180, 186, 188

[5] E. Roncali, El sistema digestivo, Cmo funciona? in Trastornos Digestivos:cmo evitarlos y cmo tratarlos. Medidas Prcticas para lograr una digestin per-fecta. Digital Publications, Inc., 2010. 179

[6] C. Daz and F. de Haro del Moral, Estudios Isotpicos en patologas digestivas,in Tcnicas de exploracin en medicina nuclear: ciclo formativo, imagen para eldiagnstico. Elsevier Espaa, 2004, p. 405. 182

[7] G. Tonietti and A. Bicchi, Adaptive simultaneous position and stiffness con-trol for a soft robot arm, in Intelligent Robots and Systems, 2002. IEEE/RSJInternational Conference on, vol. 2, 2002, pp. 19921997. 183



[8] R. Martnez, C. Fish, X. Chen, and G. Whitesides, Elastomeric Origami: Pro-grammable Paper-Elastomer Composites as Pneumatic Actuators, AdvancedFunctional Materials, vol. 22, no. 7, pp. 13761384, 2012. 183

[9] E. series, Super-soft, addition cure silicone rubbers, 2012. [Online]. Available:http://www.sculpt.com/technotes/Tech_Sheets/TECH_SHEET_Ecoflex 187


IntroduccinModelado del sistema de navegacinDeterminacin de parmetros y formacin del sistema mecnicoSistema neumtico para la generacin del movimiento del sistema mecnicoSistema para toma de BiopsiasSistema de cmara para la visualizacin del tracto digestivoSistema de comunicacin Bluetooth

Estudio de biocompatibilidad, simulacin del movimiento, clculos de variables y prueba trmicaEstudio del materialSimulacin del movimiento mecnicoClculo de variablesPruebas trmicas del sistema

Conclusiones

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