Las enfermedades gastrointestinales (GI) en el intestino delgado y el colon son increíblemente dañinas para la salud pública. El cáncer colorrectal (CCR) es el tercero más alto entre todos los cánceres. Cobró 774,000 vidas en 2015. Sin embargo, si se puede detectar temprano y tratar de inmediato, la tasa de supervivencia podría aumentar hasta en un 94%.
Los endoscopios convencionales con cables son la herramienta más común utilizada en los exámenes, pero a menudo causan dolor al paciente. Además, esto requiere drogas narcóticas, que pueden ser riesgosas para el paciente.
En los últimos años, la colonoscopia asistida por robot y los micro-robots en el tracto GI han logrado un progreso significativo que incluye robots de cápsula (CR) que pueden introducirse desde la boca/ano y pueden moverse activamente en el tracto gastrointestinal, ofreciendo una forma no invasiva. diagnóstico y tratamiento de enfermedades gastrointestinales.
Un avance en la tecnología médica terapéutica y la terapia intervencionista, el robot de cápsula actúa como una microherramienta inteligente que provoca una estimulación y un daño mínimos en el cuerpo.
Cuando ingresa al tracto GI, puede fotografiar órganos como el esófago, el estómago, el intestino delgado y el intestino grueso, lo que ayuda a los médicos a diagnosticar a los pacientes. En comparación con los endoscopios tradicionales, los endoscopios de cápsula ofrecen una solución no invasiva, tienen amplias perspectivas de aplicación y evitan el dolor.
Una breve historia de los robots cápsula
El robot cápsula era una idea ficticia hasta que se convirtió en realidad en la década de 1950 debido a los componentes miniaturizados. Cuando se desarrolló la primera cápsula inalámbrica, tenía capacidades mínimas. Podría medir algunos parámetros fisiológicos del tracto gastrointestinal, como el pH, la temperatura y la presión. Conocida como endorradiosonda o «píldora de radio», esta cápsula era un pequeño transmisor tragable con sensores.
Heidelberg Medical en Alemania desarrolló por primera vez el sistema de cápsulas de parámetros de pH. Esta cápsula, de 15,4 mm de largo y 7,1 mm de diámetro, tenía una batería de seis horas de duración, un transmisor de radiofrecuencia y un electrodo. La cápsula se utilizó para diagnosticar hipoclorhidria y aclorhidria.
Más tarde, la American SmartPill Company desarrolló SmartPill, que constaba de tres sensores para medir la presión, la temperatura, el pH, la batería y un pequeño transmisor de radio.
En 1981, Iddan desarrolló el concepto de endoscopia con cápsula de video inalámbrica para ver la pared del tracto GI sin dolor, pero la tecnología no fue suficiente para materializar el concepto. Catorce años más tarde, en 1997, Swain desarrolló varios prototipos de un sistema de cápsula endoscópica y realizó numerosos experimentos en cerdos vivos y post mortem.
En el mismo año, Given Imaging también anunció el primer producto clínico, M2A (boca a ano), para examinar el intestino delgado. Posteriormente, la compañía lanzó sus cápsulas específicas para esófago y colon: PillCam ESo y PillCam Colon, respectivamente. Además de Given Imaging, Jinshan (China), Olympus (Japón) e IntroMedic (Corea) lograron mejoras significativas en el rendimiento de sus cápsulas endoscópicas.
Aun así, todas las cápsulas se movieron a través del tracto GI por la motilidad natural del propio tracto. No había control de los movimientos de las cápsulas ni de la orientación de la cámara, lo que limitaba la precisión de los diagnósticos médicos. Aparte de esto, la baja resolución de imagen y la baja velocidad de fotogramas limitan la aplicación más amplia de las cápsulas. Los objetivos de la presente investigación son superar estas limitaciones y desarrollar cápsulas de próxima generación con funcionalidad y control mejorados.
Tipos de robots cápsula
Un robot cápsula típico consta de las siguientes partes:
- Cáscara externa biocompatible de un tamaño grande de pastilla antibiótica con 11 mm de diámetro y 26 mm de longitud
- Cámara
- Unidad de control y comunicación
- Fuente de energía
- Caja de cápsulas
- cúpula óptica
- Diodo emisor de luz
- cabeza óptica
- Sensor de imagen complementario de semiconductor de óxido de metal (CMOS) o dispositivo de carga acoplada (CCD)
- Interruptor magnético del sistema microelectromecánico (MEMS)
- Circuito impreso
- Batería
- Receptor-transmisor
El movimiento activo del CR normalmente se implementa de dos maneras. El primero explota una interacción magnética entre un imán permanente a bordo del CR y un campo magnético controlable externo. En cambio, el segundo emplea un par de mecanismos accionados por actuadores.
La interacción magnética es el método más estudiado para los robots de cápsulas inalámbricas. La permeabilidad magnética del cuerpo humano es casi la misma que la del aire y la distribución del campo magnético estático no se ve afectada por el tejido humano.
El CR de tipo magnético se clasifica además en dos subtipos de tracción magnética y rotación magnética. El primero presenta un movimiento tridimensional y se ha utilizado con éxito para la inspección del estómago. Este último tiene como objetivo explorar el colon basándose en múltiples efectos de cuña y ha mostrado una buena velocidad de movimiento (14,4 a 72 cm/min).
Sin embargo, la fuerza de tracción generada por la interacción magnética suele ser inferior a 300 mN, lo que no es suficiente para superar la fricción. Por lo tanto, para reducir la fricción, el estómago/colon debe llenarse de líquido.
El CR impulsado por actuadores tiene una gran fuerza de tracción y se puede utilizar directamente para explorar el colon. El CR accionado por actuador tiene tres capacidades para lograr una exploración de alta calidad comparable a la colonoscopia tradicional:
- una capacidad de expansión para visualizar mejor en áreas plegadas
- una capacidad de movimiento bidireccional para la observación repetida de lesiones sospechosas
- una capacidad de estacionamiento en un lugar designado para realizar funciones tales como biopsia
Un CR similar a un gusano de pulgada (ILCR) es un CR típico accionado por actuadores. Puede emplear dos mecanismos de expansión (EM) para expansión y estacionamiento, y un mecanismo lineal (LM) para movimiento bidireccional.
Los ILCR existentes emplean cuatro vías de conducción diferentes. El ILCR de accionamiento neumático utiliza un tubo de aire para conectar una fuente de aire controlable externa y muestra una buena velocidad al diseñar una carrera periódica considerable. Su cuerpo está hecho de material de caucho suave para obtener la flexibilidad suficiente para mejorar la adaptabilidad a las curvas colónicas. Sin embargo, la fricción entre la luz del colon y el tubo de aire sirve como resistencia a su movimiento, limitando su distancia de recorrido en el colon.
Los ILCR impulsados por SMA (aleación con memoria de forma) y por microbomba muestran un rendimiento de movimiento deficiente debido a las bajas velocidades de respuesta del SMA y la microbomba. El ILCR impulsado por micromotor, que se puede alimentar y controlar de forma inalámbrica, es ideal para explorar el colon. Sin embargo, la versión existente se enfoca en integrar todos los módulos esenciales (incluidas las baterías, el circuito de telemetría, los mecanismos y las herramientas para el diagnóstico o el tratamiento) dentro de un espacio pequeño, pero descuida el rendimiento de movimiento alcanzable.
Aplicaciones de los robots cápsula
Las cápsulas endoscópicas representan una amplia categoría de endoscopios miniaturizados para una variedad de aplicaciones quirúrgicas, de suministro de fármacos dirigidos o de diagnóstico. Incluyen:
- monitoreo de pH – El robot de la cápsula tiene una notable capacidad para diferenciar entre reflujo ácido y no ácido. Puede monitorear el pH y la oposición aparente en la corriente eléctrica (impedancia) del esófago.
- Monitoreo de temperatura – Vitalsense y CorTemp son cápsulas de temperatura ingeribles en el mercado para el seguimiento prolongado de la temperatura a medida que viajan a través del tracto gastrointestinal. Envían transmisiones cuatro veces por minuto en un período de 12 a 48 horas.
- Tratamiento de la obesidad – Para el tratamiento de la obesidad, existen robots tradicionales con globos que funcionan incorporando y retirando globos en el estómago con la ayuda de endoscopios. Para eliminar complicaciones como las náuseas y los mareos, se desarrolló una cápsula de control de peso ingerible en la que el globo se conecta al robot de la cápsula. Operada por un sistema de alimentación y comunicación inalámbrico, la cápsula infla el globo. Llena un espacio específico en el estómago, induciendo una sensación de saciedad y reduciendo así la ingesta de alimentos.
- entrega de medicamentos – La microbomba de cápsula es un dispositivo en miniatura que se utiliza para la administración de fármacos. Utiliza un actuador de película de polímero conductor iónico (ICPF) como actuador servo. Consta de dos válvulas unidireccionales activas, que utilizan el mismo actuador ICPF y un tanque que contiene el microlíquido.
- Tratamiento quirúrgico – Una cápsula endoscópica novedosa de Valdastri es un robot de cápsula utilizado en operaciones quirúrgicas. Tiene cuatro imanes permanentes que permiten el movimiento de la cápsula de un lugar a otro al interactuar con un imán externo. Un clip de nitinol se encuentra en la parte superior, que puede cortar el sangrado iatrogénico. Puede realizar tareas multifuncionales como diagnóstico y tratamiento.
Desafíos
El tamaño limitado y el presupuesto de energía son las dos restricciones importantes que limitan el desarrollo de dispositivos ingeribles altamente avanzados y funcionales. La reducción de tamaño es uno de los desafíos importantes. El dispositivo debe ser pequeño para que pueda tragarse fácilmente. Se han hecho intentos para desarrollar una cápsula con un diámetro de menos de 1 cm y menos de 3 cm para pasar fácilmente a través del tracto digestivo. El espacio dentro de la cápsula es limitado; por lo tanto, el alojamiento de los componentes es una tarea desafiante. La comunicación inalámbrica a través del cuerpo humano es otro gran desafío para la cápsula endoscópica inalámbrica.
En comparación con la endoscopia de empuje, la endoscopia con cápsula es superior para identificar anomalías en el tracto GI y visualizar la longitud completa del intestino delgado. Aun así, las cápsulas endoscópicas actuales no proporcionan alta resolución de imagen y velocidades de cuadro. La limitación más preocupante es el control limitado del movimiento. El movimiento de las cápsulas presentes depende del tránsito natural del intestino. Esto hace que el sistema sea incapaz de examinar repetidamente la misma área. Además, todas las cápsulas funcionan con dos baterías tipo moneda de potencia limitada. Las baterías a menudo se agotan incluso antes de que termine el examen.