5. Endoscopia Innovativa

5.1 Introduzione

In questo capitolo vengono riportate alcune delle innumerevoli

soluzioni proposte dalla letteratura scientifica e dai brevetti registrati

in tutto il mondo. Data la vastità del tema, questa trattazione risulterà

non esaustiva per i lettori più esperti. Dal punto di vista metodologico

si è cercato di orientare la ricerca bibliografica a 360 gradi senza

escludere nessuna possibilità. L’analisi dei risultati acquisiti ha reso

evidente che gli strumenti endoscopici innovativi si possono

suddividere in tre classi arbitrarie: strumenti innovativi ispirati ed

evoluzione di quelli tradizionali, pillole endoscopiche e progetti

futuribili. Per ogni classe, saranno riportati alcuni esempi nei prossimi

paragrafi. Per quanto riguarda l’ultima classe, non è possibile

realizzare una sintesi completa dato che tra i brevetti sono stati trovati

strumenti diversissimi tra loro.

Capitolo 5 • Endoscopia innovativa

5.2

5.2 Endoscopi evoluzione di quelli tradizionali

5.2.1 Videoendoscopi di ultima generazione

Nonostante nel capitolo precedente si sia già evidenziato che i

videoendoscopi sono strumenti presenti nella maggior parte dei

moderni reparti di endoscopia digestiva, la loro continua e rapidissima

evoluzione porta ad avere nuovi modelli con elevati contenuti

innovativi.

Innanzi tutto analizziamo nel dettaglio la sezione trasversale della

parte flessibile dello strumento. Essa è costituita da un tubo a spirale

ricoperto da una guaina in plastica (vedi Fig. 5.1), nel quale sono

strettamente contenuti: il fascio di fibre per la visione (L) (nei

videoendoscopi questo è sostituito da un semplice cavo che collega la

CCD all’unità di elaborazione esterna dell’immagine), il fascio di fibre

per l’illuminazione (L), i tiranti in acciaio per l’orientamento(B) , il tubo

per l’insufflazione dell’aria (K), il tubo per l’immissione dell’acqua di

lavaggio (K), il canale bioptico e/o di aspirazione (I). Queste parti sono

realizzate per essere una struttura flessibile, resistente alla

deformazione. La copertura è realizzata da un tubo in acciaio a spirale

coperto da una finissima rete in acciaio e protetta da una guaina

esterna in plastica.

Fig. 5.1

Tesi di Dottorato di Luigi Gerovasi

5.3

Per quanto riguarda la parte terminale del elemento flessibile

troviamo i seguenti elementi: le lenti dell’ottica visuale, le lenti dei

fasci porta illuminazione, il foro d’uscita del canale

bioptico/aspirazione, l’ugello per il lavaggio dell’ottica visuale ed

insufflazione, il tutto assemblato all’interno dell’estremità distale

protetta da una flessibilissima calza in acciaio.

Fig. 5.2

Come mostrato nella figura precedente sono due le possibili

disposizioni della CCD. Quest’ultima ha la funzione di trasformare

l’immagine trasmessa dall’ottica all’oculare in segnali elettrici, che

possono essere mostrati su un monitor televisivo. La sua qualità viene

definita da 3 parametri: sensibilità luminosa, che nei modelli di

ultimissima generazione può arrivare a 3 lux; definizione, espressa dal

numero di pixel che compongono l’immagine (da 250.000 ad oltre

500.000 per le telecamere ad 1 CCD, ad oltre 1.300.000 per quelle a 3

CCD); risoluzione, numero di linee orizzontali per pollice. La

risoluzione di un videoendoscopio tradizionale è di almeno 400 linee

orizzontali per pollice. I modelli più recenti possiedono 3 CCD ed

hanno quindi una maggiore risoluzione dell’immagine (orizzontale

Capitolo 5 • Endoscopia innovativa

5.4

maggiore di 750 linee) dal momento che ognuno dei 3 CCD raccoglie

solo una delle tre componenti luminose. Alcuni strumenti recentissimi

hanno anche un dispositivo zoom parfocale (Strorz Tricam SL

Endovision) che consente un primo piano del campo operatorio senza

fare avanzare l’ottica ed elimina la fastidiosa necessità di continui

aggiustamenti della messa a fuoco, legata a variazioni della distanza

focale, consentendo di eseguire qualsiasi zoom conservando la stessa

nitidezza dell’immagine. Inoltre molte telecamere sono provviste di

sofisticati software di bilanciamento del bianco e della regolazione

dell’esposizione che consentono una perfetta visione anche in

condizioni di illuminazione limite.

Anche la fonte luminosa è stata notevolmente migliorata. Essa è

collegata direttamente alla sonda dell’endoscopio per mezzo di un cavo

flessibile. Per avere un’ottima illuminazione la fonte deve avere

particolari caratteristiche intrinseche legate non solo al tipo di

lampadina impiegata, ma soprattutto al modo in cui il flusso luminoso

prodotto viene raccolto e convogliato nel collettore che raccoglie i capi

del fascio a fibre ottiche. La lampada deve emettere una luce

particolarmente bianca (potenza massima di illuminazione superiore ai

500.000 lumen/m2 ) con temperatura di colore che va dai 3.500°K ai

6.000°K. Ne esistono di due tipi: allo xenon con potenze intorno ai

300 Watt e alogene con potenze di 100-150 Watt. Per ragioni di

sicurezza gli illuminatori di ultima generazione prevedono l’impiego di

due lampadine, di cui una da usare in caso di malfunzionamento della

principale.

I video endoscopi sono dotati di un sistema digitale di elaborazione

delle immagini in grado di migliorare nettamente il contrasto e la

nitidezza delle immagini. Ciò permette una visualizzazione ottimale di

strutture particolareggiate: il chirurgo riconosce più facilmente gli

organi, particolarmente i loro limiti e contorni e le strutture vascolari.

Le aree di interesse appaiono più nitide poiché è più facile distinguerle

dagli organi circostanti. Ciò aiuta anche nel migliorare la percezione di

profondità. Il contrasto può essere aumentato o diminuito

gradualmente. Il miglioramento del contrasto è ottenuto grazie ad una

modifica mirata di tutti i valori della scala cromatica di un’immagine. A

tale scopo, tutta l’immagine viene digitalizzata e quindi rielaborata con

Tesi di Dottorato di Luigi Gerovasi

5.5

un procedimento digitale. L’aumentata riconoscibilità dei particolari

non solo migliora le possibilità diagnostiche, ma facilita anche il

controllo durante fasi complicate della chirurgia endoscopica, ad

esempio durante una sutura. Inoltre la migliore qualità dell’immagine

a video diminuisce l’affaticamento del chirurgo. Negli interventi in cui

diversi procedimenti vengono eseguiti in parallelo con l’impiego di due

sistemi video (colecistectomia e coledocoscopia, immagine

laparoscopica ed endoscopica, immagine laparoscopica ed esterna)

questo sistema permette la visualizzazione simultanea di due immagini

video diverse e complementari su un monitor unico. In questo modo è

possibile coordinare meglio le informazioni, ottenere un controllo

intraoperatorio notevolmente migliorato concentrando l’attenzione su

un solo monitor.

5.2.2 Apparati innovativi ispirati agli strumenti

tradizionali

In questo gruppo è possibile identificare una caratteristica

unificante: riprogettazione dell’estremità della parte flessibile

dell’endoscopio per ottenere uno strumento capace di superare con

maggiore facilità le stenosi e le curve.

La maggior parte di queste proposte è tesa a rendere la parte

terminale dell’endoscopio attiva. Intendo per attiva, attuata

localmente, in grado quindi in qualche modo di consentire al chirurgo

di superare un ostacolo esercitando forza direttamente dall’interno. La

difficoltà maggiore che incontrano i progettisti di questi dispositivi è la

realizzazione di sistemi in grado di aderire in modo efficace ma

reversibile al tubo digerente.

Di seguito vengono riportati due esempi di questo tipo di

realizzazioni.

Capitolo 5 • Endoscopia innovativa

5.6

5.2.3 MUSYC: MUltifunctional mini-robot SYstem for

endosCopy

Si tratta di un prototipo di endoscopio realizzato dal MiTech Lab

della Scuola Superiore S. Anna di Pisa. L’obiettivo è quello realizzare

un dispositivo capace di avanzare con minori problemi rispetto agli

endoscopi tradizionali. Per ottenere questo scopo i ricercatori del

Sant’Anna, hanno progettato una estremità in grado di elongarsi

tramite una propulsione pneumatica. I due terminali di questa

appendice sono dotati di sistemi per il

bloccaggio al tubo digerente. Sono stati

implementati per questo fine varie

soluzioni: sistemi di aspirazione locale

in modo da far aderire la parte interna

dell’intestino all’endoscopio; sistemi

combinati di aspirazione e afferraggio;

estremità gonfiabili in modo da aderire

per interferenza con la sezione di

passaggio. Nessuna di queste soluzioni

ha dato per ora risultati soddisfacenti

per quanto riguarda la stabilità

dell’adesione.

Fig. 5.3

Fig. 5.4

In figura 5.3 è mostrato il dettaglio del sistema di afferraggio con

aspirazione e bloccaggio del lembo aspirato. In figura 5.4 è illustrato il

Tesi di Dottorato di Luigi Gerovasi

5.7

complesso del dispositivo con le estremità nella versione di pura

aspirazione. Il prototipo qui riportato ha una lunghezza minima di

85 mm ed una lunghezza massima di 145 mm, quindi una corsa utile

per ciascun passo di 60 mm. La massa di questa appendice è di 30

grammi.

5.2.4 EndoCrawler 3.1

La Scuola di Meccanica della Nanyang Technological University di

Singapore, da molti anni, porta avanti una serie di progetti per lo

studio dell’endoscopia innovativa. Tra questi, il robot EndoCrawler 3.1

è quello indirizzato alla endoscopia digestiva. L’obiettivo primario è

stato quello di realizzare un’unità endoscopica che avesse minori

difficoltà nell’attraversare il tubo digerente rispetto agli strumenti

tradizionali.

Fig. 5.5

Capitolo 5 • Endoscopia innovativa

5.8

Per raggiungere lo scopo i progettisti della Nanyang University

hanno cercato una soluzione intermedia tra quella tradizionale, in cui

l’avanzamento è dato semplicemente dalla forza applicata dal chirurgo,

e quella esposta nel paragrafo precedente, dove tutta la spinta

propulsiva è autogenerata dall’estremità attiva dell’endoscopio. Da

questo deriva che l’EndoCrawler, mostrato in figura 5.5, è del tutto

simile ad un apparato tradizionale all’infuori della vistosa appendice

terminale.

Quest’ultima è proprio una parte su

cui focalizzare l’attenzione. Come

mostrato in figura 5.6, è stato

progettato un sistema di aiuto alla

locomozione attuato con micro dita in

gomma. Queste piccole protuberanze

vengono gonfiate e sgonfiate

ritmicamente a file alterne in modo da

realizzare un’onda propulsiva.

Il prototipo realizzato ha dato buoni

risultati nelle prove di laboratorio

effettuate in vivo su maiali. Si è rilevato

una ottima capacità di superare le curve

intestinali con l’aiuto di una modesta

spinta propulsiva proveniente

dell’esterno.

Sono allo studio nuovi prototipi per

arrivare ad un dispositivo con le

seguenti caratteristiche: diametro

esterno dell’appendice propulsiva

inferiore o uguale ai 20 mm (oggi

33 mm); progettazione di una estremità dell’appendice attuata in

grado di orientarsi autonomamente per consentire al chirurgo il

raggiungimento di qualsiasi area di interesse; realizzazione di un

apparato in grado di avanzare autonomamente senza aiuti

dall’esterno.

Fig. 5.6

Tesi di Dottorato di Luigi Gerovasi

5.9

Per quanto riguarda quest’ultimo aspetto, non è pensabile un

sistema autonomo, dato che la propulsione ha una alimentazione

pneumatica.

5.3 Pillole endoscopiche

Questa classe di dispositivi sembra essere la più promettente per il

futuro ravvicinato tanto che esistono due prodotti commerciali che si

stanno diffondendo nella pratica diagnostica.

Le caratteristiche peculiari delle pillole endoscopiche sono le

seguenti: si tratta di piccoli dispositivi a forma di pillola, da ingerire

per via orale; una volta raggiunto il tubo digerente sono in grado di

trasmettere all’esterno immagini.

Questi dispositivi sono rivoluzionari sia nella metodica che

nell’impatto sul paziente. Mentre l’endoscopia è da considerarsi alla

stregua di un intervento chirurgico vero e proprio, la metodica

diagnostica connessa all’uso di una pillola endoscopica non comporta

nessuna delle problematiche e delle cautele tipiche della chirurgia.

5.3.1 Given Imaging MA2

La Given Imaging è una azienda israeliana che da molti anni si

occupa di tecniche diagnostiche non invasive. Nell’ottobre 2001 ha

iniziato la commercializzazione della pillola endoscopica MA2. Si tratta

di un dispositivo capace di inviare all’esterno del corpo del paziente

due immagini al secondo. L’esame può essere condotto mentre il

paziente compie la normale attività giornaliera. L’avanzamento nel

tubo digerente è garantito dalla peristalsi naturale. Questo consente di

scorrere l’intero tratto intestinale senza però potersi fermare né per

prelevare campioni(la pillola non ha al suo interno alcun sistema

preposto a questa funzione e neppure lo spazio necessario per

contenerlo) né per approfondire particolari poco visibili. All’interno

della capsula sono contenuti l’apparato ottico, l’unità di elaborazione e

Capitolo 5 • Endoscopia innovativa

5.10

trasmissione dei dati e le batterie. Per quanto riguarda l’unità ottica,

essa è così composta: la calotta ottica (1) contiene al suo interno la

lente di messa a fuoco (2) che è contornata da quattro led ultra

bianchi (3) che servono ad illuminare

l’area da esaminare. Sotto la lente è

posto un sensore CMOS (4) da 90.000

pixel. Nella zona centrale del dispositivo

sono collocate le batterie. Infine

nell’estremità opposta a quella ottica

sono contenute l’antenna (7) e l’unità di

elaborazione dell’immagini e di

trasmissione (6). Le batterie utilizzate

consentono alla pillola endoscopica una

autonomia compresa tra sei ed otto ore.

L’esame diagnostico viene condotto

con la seguente metodica: il paziente

dopo aver inghiottito la pillola viene

dotato di un’unità esterna, che viene

fissata tramite una cintura intorno alla

vita, in grado di ricevere le immagini

inviate dalla capsula e di registrarle su un hard disk contenuto al suo

interno.

Fig. 5.8

Fig. 5.7

Tesi di Dottorato di Luigi Gerovasi

5.11

Dopo alcune ore di normale attività, il paziente ritorna dal medico

che semplicemente collega il dispositivo di registrazione ad un

computer per poter visualizzare i dati. A questo punto resta solo lo

studio dei dati da parte del medico per arrivare alla diagnosi. Alcune

immagini sono mostrate in figura 5.8. La capsula dopo l’uso viene

espulsa con le feci e non viene recuperata.

Le immagini inviate sono utilizzabili solo per quanto riguarda

l’intestino tenue, poiché l’ottica a fuoco fisso restituisce immagini

nitide solo per una piccola zona di messa a fuoco che viene tarata

proprio sulle caratteristiche geometriche del tenue.

Il costo di una singola capsula si aggira intorno ai 400 euro.

5.3.2 Norika 3

La capsula endoscopica Norika 3 è probabilmente il dispositivo per

endoscopia intestinale più sofisticato tra quelli oggi in commercio. E’

prodotto da una azienda giapponese, RF System Lab., che dal 1993 si

occupa di microtelecamere, sensori e trasmissione di dati e potenza

senza fili.

Fig. 5.9

Come mostrato nella figura 5.9, anche questo dispositivo ha la tipica

forma a pillola. L’ingombro è significativamente inferiore rispetto alla

Capitolo 5 • Endoscopia innovativa

5.12

MA2 dato che al suo interno non sono presenti batterie. La potenza

elettrica viene trasmessa per induzione tramite un giubbino attivo che

il paziente indossa durante l’esame.

Per quanto riguarda la metodica di indagine è in tutto simile a quella

riportata per il caso precedente. Questo endoscopio consente inoltre di

compiere rotazioni, controllate dall’esterno, intorno al suo asse

longitudinale in modo da permettere al chirurgo la visione di tutte le

possibili aree di interesse.

Il progetto della zona ottica è di

grande interesse: i progettisti della

Norika sono riusciti, in un volume

ridottissimo, a inserire un’ottica che

consente la messa a fuoco dall’esterno

ed un sensore CCD da ben

400.000 pixel. Anche il sistema di

illuminazione è innovativo. Come

mostrato in figura 5.10, oltre ai

tradizionali led ultra bianchi sono stati

utilizzati altri due led, uno vicino all’infrarosso ed uno ad un’altra

lunghezza d’onda. Questo consente una visione dotata di maggiore

contrasto che permette al chirurgo di valutare meglio la profondità.

Dato il metodo di alimentazione, l’autonomia di funzionamento è

illimitata ed è quindi determinata solo dal tempo di attraversamento

del tubo digerente.

Infine nel progetto di questa capsula sono stati lasciati liberi due

vani corrispondenti al quaranta per cento del volume interno. Questo

spazio potrà essere utilizzato per implementare nuove funzioni, tra cui

per esempio, prelievo di campioni bioptici o somministrazione locale di

farmaci oppure altri utilizzi ancora. Allo stato attuale nessuna di

queste possibili funzionalità è stata messa a punto.

Il costo di una singola pillola è di circa 150 euro e come la MA2 non

viene recuperata dopo l’uso.

5.4 Endoscopi futuribili

Fig. 5.10

Tesi di Dottorato di Luigi Gerovasi

5.13

Moltissimi gruppi di ricerca ed inventori di tutto il mondo hanno

rivolto la loro attenzione verso la realizzazione di dispositivi innovativi

per endoscopia. Perciò, in questa sede, non si vuole riportare una

trattazione completa sull’argomento ma solo alcuni esempi.

Comunque è importante sottolineare che sono migliaia i brevetti

depositati che spaziano dai prototipi di ispirazione meccanica a quelli

di ispirazione biologica a quelli di pura fantasia.

5.4.1 Intelligent Microsystem Center

Nel 2000 il governo coreano ha avviato un progetto di ricerca di

ampio respiro della durata di dieci anni con l’obiettivo di arrivare alla

realizzazione di una microcapsula endoscopica per il tratto

gastrointestinale.

Fig 5.11

Questo progetto è articolato in tre fasi: la prima, appena conclusa,

avente come risultato la progettazione di una pillola endoscopica

passiva in grado di inviare all’esterno immagini dell’intestino tenue; la

Capitolo 5 • Endoscopia innovativa

5.14

seconda, che terminerà nel 2005, dovrà concludersi con la

realizzazione di una capsula endoscopica in grado di inviare immagini

utili anche del colon e che possa muoversi autonomamente ed aderire

alle pareti intestinali; infine la terza fase, che si concluderà nel 2009,

ha con obiettivo finale una microcapsula endoscopica in grado di

ispezionare lo stomaco e tutto l’intestino, di avanzare e aderire

autonomamente e di essere usata di per fini diagnostici che

terapeutici.

In figura 5.11 è riportato uno spaccato di quello che potrebbe essere

il dispositivo finale. Al suo interno si spera di inserire numerosi sensori

ed attuatori. Le dimensioni finali stimate sono di 20 mm di lunghezza

ed 8 mm di diametro. Anche in questo progetto, per ora, si pensa di

realizzare l’adesione per aspirazione tramite una micropompa. Forse

questo è il punto su cui i ricercatori coreani dovranno faticare di più.

5.4.2 US 5595565

In questo paragrafo si descrive un brevetto registrato negli Stati

Uniti nel 1997. E’ stato progettato da W. S. Trimmer e M. Treat ed è

stato presentato con la seguente denominazione: Self-Propelled

Endoscope using Pressure Driven Linear Actuators. Si tratta di un

dispositivo semiautonomo in grado di avanzare nel tubo digerente.

Come mostrato nella figura 5.12, l’apparato proposto è dotato di

quattro attuatori pneumatici lineari comandati in sequenza da un

opportuno elemento di distribuzione. Il sistema è collegato con

l’esterno del paziente tramite un cavo guida con consente

l’approvvigionamento di aria e di potenza elettrica e lo scambio di dati.

Infatti nella parte anteriore è possibile montare sensori e una

telecamera.

Tesi di Dottorato di Luigi Gerovasi

5.15

Fig. 5.12