Estudo de Avanço do EndoWorm

MÁSTER OFICIAL INTERUNIVER SITARIO EN INGENIERÍA BIO MÉDICA ESTUDIO DE LA CAPACIDAD DE AVANCE DE \u201cENDOWORM\u201d EN UN MODELO DE INTESTINO IN VITRO Y EX VIVO . CARACTERIZACIÓN MECÁNICA DE LOS MATERIALES Trabajo Fin de Má ster Presentado p or: Javier Tobella Arredon do Dirigido por: Ana Vidaurre Garayo Codirigido por: Vicente Pons Beltr án Alberto Santonja G imeno Valencia 2014 2 3 A mis padres y mi hermana. Al equipo EndoWorm, en especial a Ana y a C la ra. A los que quiero; que el corazón galop e. 4 RESUMEN El acceso al intestino delga do ha sido desde siempre un reto de difícil solución para el gastroe nterólo go. Su particular localización (alejado de un acceso natural fácil) unido a su peculiar anatom ía (con multitud de curvas en su tra yecto) y a su gran longitud (unos 7 metros), lo convierten en una e structura anatómica de difícil alcance para el médico endoscopista. Como solución a este reto, nace en 2005 el grupo de investigación formado por gastroenterólogos del Hospital Universitari i P olitécnic La Fe de Valen cia, Físicos e Ingenieros en distintas especialidades de la Universidad Poli técnica de Valencia. Fruto de esta cola boración es el nacimiento del p rototipo \u201cEndoWorm\u201d, que consiste en un dispositivo adaptable a cualquier endoscopio (aparato destinado a la ex ploración de cavidades o conductos dentro del organismo) y basado en cavidades hi nchables que logra el avance a trav és de la luz del intestino y el replegamiento de éste sobre el propio endoscopio. \ue60d\ue629\ue64c\ue64a\ue658\ue655\ue644\ue603\ue614\ue611\ue614\ue61d\ue603\ue627\ue64c\ue656\ue653\ue652\ue656\ue64c\ue657\ue64c\ue659\ue652\ue603\ue6b3\ue628\ue651\ue647\ue652\ue63a\ue652\ue655\ue650\ue6b4\ue603\ue644\ue647\ue644\ue653\ue657\ue644\ue647\ue652\ue603\ue644\ue603\ue658\ue651\ue603\ue648\ue651\ue647\ue652\ue656\ue646\ue652\ue653\ue64c\ue652\ue603\ue646\ue652\ue651\ue659\ue648\ue651\ue646\ue64c\ue652\ue651\ue644\ue64f\ue611 En etapas anteriores el trabajo con \u201cEndoworm\u201d se ha c entrado en conseguir un correcto funcionamiento, barajando diferentes materiales para la construcción del prototipo y centrándose en el software y hardware. Se ha comprobado y demostrado el adecuado funcionamient o de todo el conjunto, pero a su vez, también se han observado las vulnerabilidades a las que el dispositivo está sujeto. En los e nsayos en modelo animal, desarrollados en la fase previa al actual proyecto, se pudo comprobar que el funcionamiento del sistema en el intestino era mu y diferente al que se había observado in vitro . Las pareces del intestino bajo condiciones de lubricación, hacían que la fuerza de fijación entre las cavidades hinchables del sistema y el intestino fuera muy baja provocando el deslizamiento. Al no producirse l a necesaria fija ción al int estino, el sist ema avanza y r etrocede por lo que el avance neto resulta muy pequeño. 5 Este hecho ha llevado a plantear los objetivos de este trabajo fin de máste r, que se centra en analizar los parámetros de los que depende la capacidad d e fijación del sistema al intestino y, con su control, conseguir u na mejora notable de todo el sistema. Para atacar esas deficiencias, este trabajo se ha enfocado en conocer con e xactitud todos esos parámetros que, en etapas anteriores, eran desconocidos. Como punto de partida, este estudio se v a a centrar en la fijación d e las cavidades hinchables con las paredes del intestino; en primer lugar se van a estudiar las características (forma y tamaño) d e la cavidad hinchable en r elación con las características cuantitativas del sistema de control (presión y volum en). Una vez conocidas estas propiedades se va a observar por medio de un ensa yo de creación propia la fuerza de fijación con respecto a las características del sistema en intestino artificial y en intestino ex vivo . La fiabilidad y seguridad es mu y importante en un dispositivo biomédico, por esta razón se van a analizar los diferentes materiales que componen el dispositivo para comprobar que soporta n las solicitaciones a las que van a estar sometidos en una estereoscopia completa (un enteroscopio consiste en un endoscopio d e 230 -240 cm de longitud). Primero se van a estimar teóricamente las solicitaciones mecánicas a las que están sometidos los mate riales y posteriormente se van a realiz ar los ensayos necesarios en el laboratorio para comprobar que los materiales las soportan sin peligro de rotura. 6 ABREVIATURA S Y TÉRMINOS UTILI ZADOS % elongación axial : Elong ación axial en la cavidad CER a: Avance del motor neumático en cada ciclo E, 200% (MPa) : Módulo de Young al 200% de deformación F L : Fuerza de fijación en conducto lubricado F SL : Fuerza de fijación en conducto sin lubricar I: Intestino ex vivo de cerdo de 16 mm de diámetro interior l: Expansión longitudinal de la cavidad CER l intestino : L ongitud aproximada de un intes tino delgado normal (\u22487 metros) l o : Expansión longitudinal de la cavidad CER sin someterse a ningún esfuerzo M 27,5 : Tubo de metacrilato de 27,5 mm de diámetro interior M 30 : Tubo de metacrilato de 30 mm de diámetro interior n explor ación : Número de ciclos en una exploración completa del intestino P: Presión (kPa) r: Radio de la cavidad CER r o : Radio inicial de la cavidad CER sin someterse a ningún esfuerzo (17,1 mm) S 0,4 : Intestino de silicona de 0,4 mm de espesor y 30 mm de diámetro interior v: Volumen de la cavidad CER v o : Volumen inicial de la cavidad CER sin someterse a nin gún esfuerzo (5ml) \uedc2 F: Incremento de fuerza \uedea max (MPa): Tensión máxima \uedf3 max : Deformación má xim a 7 ÍNDICE 1 1. INTRODUCC IÓN ................................................................................................................... 8 1.1. Antecedentes ......................................................................................................................... 8 1.2. El dispositivo End oWorm .................................................................................................. 12 1.3. Materiales u tilizados en el motor neumá tico. Silicona .................................................... 15 1.4. Propiedades mecánicas del intes tino ............................................................................... 19 1.5. Objetivos ............................................................................................................................. 20 2 2. MATERIALE S Y MÉTODOS ............................................................................................. 21 2.1. Materiales ............................................................................................................................ 21 2.2. Fabricación de componentes de s ilicona .......................................................................... 25 2.3. Pruebas de p resión-volumen y pr esión-tamaño .............................................................. 30 2.4. Ensayo fuerza de fijación ................................................................................................... 31 2.5. Ensayos de fatiga y tracción .............................................................................................. 34 2.6. Medida de la velocidad de avanc e en Intestino d e Silicona ............................................ 36 3 3. RESULT ADOS Y DICUSIÓN ............................................................................................. 37 3.1. Fabricación de componentes de s ilicona .......................................................................... 37 3.2. Pruebas de p resión-volumen y pr esión-tamaño .............................................................. 38 3.3. Ensayo fuerza de fijación ................................................................................................... 45 3.4. Ensayos de fatiga y tracción .............................................................................................. 62 3.4.1. Curvas Tens ión-Deformación ........................................................................................ 62 3.4.2. Resultados nu méricos ..................................................................................................... 66 3.4.3. Análisis de los resultados ................................................................................................ 68 3.5. Medida de la velocidad de avanc e en intestino de si licona ............................................. 73 4 4. CONCLUSIONE S ................................................................................................................. 74 5 5. PROPUESTA DE ACTIVIDADE S ..................................................................................... 76 6 6. BIBLIOGRA FÍA ................................................................................................................... 77 8 1. INTRODUCCIÓ N 1.1. Antecedentes Existen diversas técnicas diag nósticas emplea das pa ra e l estudio del sistema digestivo que presentan diferente uti lidad, ventajas e inconvenientes. La Endoscopia Superior es la observación del sistema digestivo superior: esófago, estóma go y parte del duodeno. Esta técnica permite el estudio del duodeno (primera parte del intestino delgado) y, con h abilidad, los primeros centímetros del yey uno (GastroMérida, 2007) . La Colonoscopia es el examen visual de la longitud completa del intestino grueso (colon) y, con destreza, los últimos centímetros del intestino delgado (íleo n terminal) en el 85-90% de los casos, usando un endoscopio flexible y ligero (Sing, Jay Phee, Seow, & Lawrence Davies, 20 00). Ambas técnicas permiten además de observ ar las distintas estructuras anatómicas y objetivar la existencia de lesiones, tomar muestras para estudio anatomopatológico y actuar terapéutica mente cuando la situación lo requiere. El resto de tracto gastroint estinal, unos 7 metros de intestino delgado es el de más difícil acceso; puede alcanzarse mediante métodos dire ctos e indirec tos, no e xentos de limitaciones e incomodidad tanto para el explorador como para el paciente. En este sentido, la Radiología Barit ada (fi gura 1. 2 ); (Lai, Zhon, Ma, Zhang, & Jia, 2013) permite obtener un map a bidimensional del intestino delgado, pero se trata d e una técnica incómoda, invasiva (con importante irradiación al paciente), con baja sensibilidad y especificidad y sin capacidad terapéutica. Otras alternativas radiológicas, como la Enteroscopia por T AC , (Endoscopia UC, 2010) ofrecen un a baja rentabilidad, a la vez que una importante irradiación al paciente. 9 *Figura 1.2: Radiología Baritada (Centro de diagnóstico y resonancia magnética, 2010) . Respecto a los métodos endoscópicos, inicialmente se desarrolló la Enteros copia por Pulsión (Blancas-Valencia, 2010). Se trata de un método idéntico a la endoscopia convencional, que consiste en la introducción del endoscopio por un orificio natural de manera manual, pero que utiliza un enteroscopio (endoscopio de 230-240 cm. de longitud) y que requiere de gran experie ncia y habilidad por parte del ex plorador. Es un método muy invasivo y mal tolerado por el p aciente, por la larga duración de la exploración y por la pr ovocación de molestias (distensión y dolor) requiriendo la colaboración del anestesista. Permite observar de forma directa la luz intestinal y posibilita la actuación terapéutica, pero presenta mala tolerancia y la imp osibilidad de visualizar hasta los 80-120 cm proximales del yey uno. Por todo ello no ha sido una técnica extendida en la práctica clínica y so lo determinados c entros de ref erencia la han incorporado a su cartera de servicios (Blancas-Valencia, 2010). * Figura 1.3: Imagen obtenida por RX durante la realización de una enteroscopia (Hospital Quiron Teknon, 2007) . Otras técnicas diagnósticas como la gammagrafía y la arteriografía pueden ser de utilidad pero sólo en c asos y p atologías mu y concretas (Delvaux & G ay, 2009). La alternativa más eficaz y utili zada como patrón de referencia pa ra todas las demás es l a Enteroscopia Quirúrgica ; se trata de explorar el intestino delg ado con un endoscopio a través de pequeños ojales realizados a lo largo de su tra yecto mediante un a cceso quirúrgico (laparotomía). Es un método muy invasivo y asociado a morbilidad e, incluso, a mortalidad (Rodríguez, 2006). 10 Desde el año 2001, se dispone de un método diagnóstico prometedor que permite la exploración del intestino delgado de manera no invasiva, L a Capsuloendoscopia (figura 1.4 ); ( Byungkyu, Sunghak, J ong Heon g, & Jong-Oh, 2005) . Se trata de un pequeño instrumento del tamaño de una cápsula (26 x 11 mm) con las mismas capacidades que una pequeña cámara de fotos di gital, con posibilidad de realizar más de 65.000 fotografías a un ritmo de dos imágenes por segundo, que se transmiten de sde el interior de la luz intest inal al ex terior siendo captadas y almacenadas por un sistema de grabación portátil. Posteriormente las imágenes se visualizan en forma de video en una estación de trabajo (ordenador con software adecuado). Desde su ap arición ha demostrado una gran utilidad en el diagnóstico de patología a nivel del i ntestino delgado y est o ha incrementado la necesidad de alternativas ter apéuticas eficaces, ya que su utili dad se ve mermada p or no tener la posición exacta de la cápsula durante la ex ploración, lo que dificulta la localización de las imág enes obtenidas [ (Pons Beltrá n, Argüello, Maroto, Ponce, Pertejo, & Sala, 2004); (Velayos Jiménez, y otros, 2005) ]. Con la cápsula endoscópica se ha hecho aún más patente la necesidad de adentrarse en el int estino delgado d e una for ma eficaz y lo menos traumática para el paciente. *Figura 1.4: Cápsula endoscópica (Dailytech, 2014)

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