factibilidad de detección de parásitos en el cuerpo humano...
TRANSCRIPT
1
Factibilidad de Detección de Parásitos en el Cuerpo Humano con el Uso de Ultrasonido
Parte I: Motivación A. Mazon1, C. Ribas2, M. Yafar2, V. Alfaro2, J. Oliva2, F. Farias2
1Unidad Profesional Interdisciplinaria de Biotecnología
Instituto Politécnico Nacional, Ciudad de México, Av. Acueducto s/n, Barrio La Laguna Ticomán, CDMX, GAM, .C.P. 07340
2Cátedra de Ultrasonido para Uso Médico, Departamento de Electrónica y Automática, Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de San Juan, Capital San Juan, Av. Libertador Gral. San Martin
1109, J5400ARL - San Juan [email protected] - carlosbio87gmail.com [email protected] - [email protected]
[email protected] - [email protected] Resumen En este trabajo se describe la viabilidad de detectar parásitos en el intestino delgado por el método de ultrasonido A-scan. El estudio se dividió en tres partes, en la primera se realizó una investigación sobre los distintos parásitos que pueden desarrollarse en el interior del cuerpo humano. A continuación se determinó el tipo de parásitos que, de acuerdo a su tamaño y a su ubicación en el organismo, tuviera mayor posibilidad de detección con A-scan. En función de lo anterior, se realiza una descripción de la parasitología, de los diagnósticos que se emplean en la actualidad, y se hace una breve descripción de la anatomía abdominal y del órgano digestivo en donde se realizará el estudio de detección. Posteriormente en la Parte II, se desarrolla el marco teórico necesario para determinar las reflexiones y transmisiones del haz de ultrasonido en su recorrido por medio, definiéndose las características que deberá tener el fantoma que se usará en él laboratorio. Por último, en la Parte III se realizan pruebas de laboratorio usando un ecógrafo y fantoma, demostrando que es factible el uso de ultrasonido en la detección de parásitos intestinales. Palabras clave: ultrasonido, diagnostico, parásitos intestinales, simulación, registros A-Scan 1. Introducción Los parásitos afectan a la salud de millones de personas cada año, infectando tejidos musculares y órganos, causando epilepsia, choques anafilácticos, disentería amebiana y otra serie de problemas. Algunos parásitos pueden vivir en el cuerpo humano durante décadas. A pesar del enorme coste social y su impacto a nivel mundial, existe por lo general falta de información sobre de donde proceden estos parásitos, cómo viven en el cuerpo, y la forma en que enferman a las personas. Es por eso, que los parásitos representan un problema de salud importante en los seres humanos, el cual sin un adecuadodiagnóstico, no puede ser tratado de forma eficiente.Por lo que uno de los objetivos de este trabajo es ver la factibilidad que tiene el uso de ultrasonido como técnica complementaria al diagnóstico de parásitos del cuerpo. Para comenzar se explica que es un parasito, características importantes de las parásitos, así como, una clasificación general.También se habla de los métodos de diagnósticos que existen en la actualidad para su determinación, junto con una breve descripción del intestino delgado y área abdominal, con la finalidad de determinarcaracterísticasfactibles que ayuden en la detección de parásitos. Con esta información se explica cómo se realizan las pruebas de simulación junto con las pruebas físicas y así, analizar si la técnica de diagnóstico por ultrasonido complementa de manera positiva un diagnostico tradicional de parasitosis. Parasito se le define a todo organismo que viven sobre otro huésped o en su interior y que se alimentan a expensas de este, ya sea de forma temporal o permanente1. Estos organismos tienen distintas características para asegurar su permanencia en el huésped, resistir factores adversos y poder infectar. Algunas características de las parasitosis son:
• Predominan en las regiones tropicales y subtropicales • La prevalencia general tiene similar distribución que la pobreza y el hambre
2
• Están vinculadas directamente a: o Carencia de agua potable y saneamiento o Viviendas insalubres o Presencia de vectores o Educación deficitaria
• Se ven favorecidas y/o se expanden por: o Costumbres alimenticias o Condiciones ambientales o Migraciones humanas (razones económicas, políticas)
Actualmente se estima que un 30% de la población mundial está infectada con parásitos, con un índice más alto en áreas rurales de países con bajos ingresos, afectando a todos los grupos etarios siendo los niños los más perjudicados debido al efecto negativo que producen en su crecimiento y desarrollo, tanto físico como psíquico, por lo que se estima que el 12% de las enfermedades de la niñez son debidas a parasitosis2.Así mismo, existen numerosos estudios que muestran una elevada prevalencia de estas enfermedades asociadas a parasitosis intestinales, tanto en Argentina como en el resto del mundo. Dicha prevalencia se mantiene especialmente en países en vías de desarrollo debido a las deficientes condiciones de saneamiento ambiental y la falta de control, prevención y educación sanitaria, entre otros factores, como lo es la contaminación fecal del suelo, el agua y los alimentos, que son fuentes de infección. A continuación se muestra en la tabla 1 los parásitos con más número de infectados y muertes al año.
Tabla 1 Importancia de a parasitosis en el mundo. Parasitosis Nro. de infectados Nro. de muertes/año
Malaria 500 000 000 1-2 000 000 Chagas 18 000 000 N/R
Ascaridiasis 1472 000 000 60 000 Ancylostomiasis 1298 000 000 65 000
Oncocercosis 13 000 000 45 000 tricocefalosis 1049 000 000 10 000
schistosomiasis 200 000 000 20 000 Confirmando así la gran relevancia de los parásitos como una enfermedad que produce miles de muertes en el ser humano a nivel mundial, fundamentalmente en países tropicales y subtropicales donde son más prevalentes. En Argentina, estudios descriptivos han informado una prevalencia de parasitosis por encima del 80% en algunas localidades del norte y sur del país, mientras que en la zona central se registran porcentajes cercanos a 45 % 1.Aunque el auge de los viajes a otros continentes y el aumento progresivo de la inmigración y de la adopción internacional, ha aumentado el riesgo de aparición de parasitosis intestinales en los países desarrollados. En la actualidad la parasitación intestinal es la afección más frecuente en niños inmigrantes y adoptados (25-75%) y, además con frecuencia la parasitación es múltiple2. Como se observa los parásitos se relacionan directamente al desarrollo que presenta un país, ya que condiciones como el agua, costumbres alimenticias o ambientales son un factor importante en la prevalencia de estas en el ser humano.
1.2. Transmisión de parásitos Los parásitos son transmitidos a las personas por medio de alimentos o aguas contaminados con materia fecal que contiene los huevos de los parásitos.Los parásitos suelen contagiarse por la boca o la piel; los que entran por la boca son deglutidos y pueden permanecer en el intestino o penetrar a través de la pared intestinal invadiendo otros órganos, y los que entran por la piel, la perforan
3
directamente o se introducen mediante la picadura de un insecto infectado (vectores). Los parásitos que infectan a las personas son:
• Los protozoos (como las amebas), que consisten en una única célula • Los helmintos (como los anquilostomas y las tenias), que son de mayor tamaño, son
pluricelulares y tienen órganos internos. Los protozoos, que se reproducen por división celular, son capaces de reproducirse en el interior de los seres humanos. Los helmintos, en cambio, producen huevos o larvas que se desarrollan en el entorno antes de ser capaces de infectar a los seres humanos, este desarrollo implica a otro animal (un huésped intermediario). Por otra parte para el estudio de los distintos parásitos que existen, los especialistaslos clasificaronsegún distintos criterios como; el lugar donde habitan o el tiempo de permanenciaen el huésped. A continuación se presenta una clasificación general y una descripción de los distintos parásitos que pueden habitar al ser humano. 1.3. Clasificación de los parásitos Dentro de la clasificación de parásitos se tiene:
1. Según habiten en el interior o en la parte externa del huésped, los cuales se clasifican en: · Endoparásitos, que permiten ser intracelulares, como Leishmania o extracelulares. · Ectoparásitos. Se suele dar el nombre de infección a la invasión interna y de infestación a la externa, por ectoparásitos.
2. Según el tiempo de permanencia del parásito en su huésped se clasifican en:
· Permanentes, requieren del huésped durante todo su ciclo evolutivo. · Temporales, el parásito sólo busca al huésped para alimentarse.
1.4. Endoparasitos intestinales El mayor número de padecimientos que afectan al ser humano, son las parasitosis intestinales que son infecciones causadas por parásitos que se alojan principalmente en el sistema digestivo3. Desde un punto de vista etiológico, las parasitosis intestinales que se desarrollan en el tubo digestivo son producidas por protozoos y por helmintos, siendo Giardia lamblia uno de los protozoario más frecuentes y Áscaris lumbricoides como los helmintos con mayor número de infecciones que se producen en el mundo; se estima que unos 2.000 millones de personas en el mundo tienen áscaris, constituyéndose la tercera enfermedad humana más común en el mundo4. A continuaciónen la tabla 2 se muestran los parásitos intestinales más relevantes en la cual se describe su forma de transmisión, morfología, forma y su huésped más común.
Tabla 2. Cuadro Descriptivo de Parásitos Intestinales
Agente Morfología Formas Modo de Transmisión
Huésped
Trichomonas vagimalis
Forma de pera, mide promedio 7x10µm.
Trofozoíto Contacto sexual, contaminación en el
canal de parto infectado.
Hombre
B Trichomonas hominis
Es piriforme, mide 5 a 14 µm. Trofozoíto Ingesta de los Trofozoíto.
Hombre
4
Trichomonas tenax
Piriforme. Trofozoíto Por saliva. Hombre
Isospora belli Forma oval, mide entre 20 a 30 µm de largo por 10 a 20 µm de
ancho.
Ooquiste Esporozoito
Agua y alimentos contaminados.
Hombre
Cryptosporidium Mide 4 a 6 µm. Forma oval. Ooquiste Esporozoito
Persona a persona, animal a persona o a
través del agua.
Hombre
Balantidium coli Trofozoito: forma Oval, mide 50 a 200 µm.
Quiste: forma redonda, mide 40 a 60 µm.
Trofozoito Quiste
Ingesta de alimentos o aguas
contaminadas por heces de cerdo.
Hombre
Cyclospora cayetanesis
Mide 8 a 9 µm. Ooquiste Esporozoito
Fecal Oral Hombre
Blastocystis hominis
Mide entre 5 a 30 µm. Vacuolada Granular
Amebiode
Fecal Oral Hombre
Áscaris lumbricoldes
Adultos: miden entre 15 y 17 cm, las hembras miden de 20 a 25 cm. Huevos: Fertiles, oval
miden entre 45 a 65 µm por 30 a 45 µm. Infertiles,
pleomorficos de 80 a 95 µm por 38 a 45 µm.
Larvas Huevos
Ingestión de los Huevos.
Hombre
Trichuris trichiura
Adultos: filiforme. Los machos miden 3 a 4 cm, y las hembras de 4 a 5 cm. Huevos: miden 50
a 60 µm por 22 a 25 µm.
Gusano o larva Huevos
Vía de contagio oral. Hombre
Enterobius vermicularis
Adultos: filiforme. Los machos miden 3 a 5 mm de largo, y las
hembras de 7 a 12 mm. Huevos: forma oval, miden 50
a 60 µm por 30 a 35 µm.
Gusano o larva Huevos
Ingestion o inhalación de huevos
infectados.
Hombre
Ancylostoma duodenale y
Necator americanus
Huevos: ovalados, miden 60 a 70 µm por 30 a 40 µm.
Larva rhabditoide 200 a 300 µm de largo. Larva filariforme 600 a 800 µm. Adulto de 8 a 11 mm de long. Por 0.4 a 0.5 mm de diámetro. En hembras
de 10 a 13 mm de long. Por 0.6 a 0.7mm de diámetro.
Huevo Larva
Rhabditoide L. filaforme
Forma adulta.
Vía dérmica por contacto de la piel o
por vía oral.
Hombre
5
Taenia Saginata Adulto: mide entre 3 a 4 metros, puede llegar a los 10
m. Forma piramidal. Huevos: son oval,, miden 30 a
40 µm por 26 x 30 µm.
Huevo Larva
Carne vacuna cruda o mal cocida.
Contaminada por los cisticercos.
Hombre
Taenia solium Adulto: mide entre 2 a 4 metros puede llegar a 6m.
Huevos Gusano
Ingirendo carne con Cisticerco.
Huevos.
Hombre
Hymenolepis nana
Adulto: mide hasta 40 mm de longitud. Huevos: redondos
miden 40 µm.
Huevos Gusano
Agua y vegetales contaminados.
Hombre Cerdo
Hymenolepis Diminuta
Adulto: mide entre 20 a 60 cm de longitud. Huevos: mide entre 60 a 80 µm de forma
redondeadas.
Huevos Gusano
Ingiriendo el Hymenolepis, por
insectos.
Hombre Roedor
Schistosoma mansoni
Huevos: miden 112 a 174 µm de largo por 50 a 70 µm de
ancho. Adulto: miden 6 a 17mm de
longitud.
Huevos Larvas
Infección a través de contacto de la piel o
mucosa.
Hombre
Fasciola hepática Huevos: miden 150 µm por 80 µm.
Adulto. Forma foliácea, mide de 2 a 3 cm por 8 a 15 mm.
Huevos Larvas
Ingerir vegetales contaminados.
Hombre
Como se observa en la Tabla 2 de los parásitos mencionados, la mayoría tiene un tamaño en el orden de los µm, lo que dificultaría un diagnóstico preciso para poder distinguir entre uno u otro. Pero en comparación con la gran diversidad de parásitos que puede habitar al ser humano, los intestinales son los que presentan un tamaño más grande como Áscaris lumbricoldes que tiene una longitud de 15 a 17cm, teniendo esto como ventaja en la detección por ultrasonido, ya que la sensibilidad no necesita ser tan pequeña. Otra ventaja de los parásitosintestinales es que presentan distintasformas, lo que las hace diferentes al medio. 1.5. Diagnostico de los parásitos Para realizar el diagnóstico de una enfermedad parasitaria, se debe efectuar un examen clínico complete con una historiaclínica que incluya antecedente epidemiológicos que orienten en el diagnóstico. En parasitología estos deben basarse en el hallazgo de los agentes etiológicos solamente, lo cual se logra por métodos de laboratorio de tipo parasitoscópicos, que deben emplearse en forma secuencial; de los más sencillos a los más complejos, ya que en la mayor parte de pacientes con parásitos de localización intestinal se hace el diagnostico con certeza empleando exámenes sencillos. Debido a las limitaciones de cada método de laboratorio para la realización del diagnóstico morfológico, el médico debe ser muy cuidadoso en la solicitud e interpretación de los mismos, ya que en la actualidad no existe un método coproparasitoscopico (CPS) ideal, con el que se puedan demostrar todos los parásitos de localización intestinal. El examen por medio de un solo procedimiento puede llevar al médico a un error de omisión, es decir resultados falsos negativos.
6
También es importante recordar la alta frecuencia de parasitosis mixtas, ósea que coexisten dos o másparásitos en un mismo paciente, lo cual es muy normal. Esto es muy importante ya que cuando se recurre a un solo método diagnostico como normalmente se hace, con frecuencia pasan desapercibidos casos de: teniasis, enteroabiasis, giardiasis, amibiasis, etc. Lo anterior es de fundamental importancia ya que un diagnóstico erróneo trae como consecuencia un mal manejo terapéutico y un pobre control sobre la prevalencia de parásitos que se alojan en el intestino5 Este diagnóstico utiliza técnicas con métodos directos; en los cuales se identifica a los parásitos o fases parasitarias en productos biológicos de la persona y que se conocen como exámenes parasitológicos, o procedimientos indirectos; como los estudios complementarios que incluyen analítica para valorar elevación de eosinófilos y de IgE que acompañan a la infección, así como, estudios por imágenes. Un diagnostico se basa en signos y síntomas observados por el médico especialista que solicitará estudios complementarios que avalen o refuten dicho diagnóstico. Estos exámenes complementarios son:
• Examen directo de materia fecal, también llamado análisis de huevos y parásitos (coprocultivo y coproparasitológico seriado).
• Endoscopia/Colonoscopia. • Análisis de sangre (valoración de ascenso de glóbulos blancos, plaquetas, reactantes de fase
aguda, eosinófilos e IgE). • Radiografía, resonancia magnética (RM), tomografía axial computarizada (TAC).
El diagnóstico parasitológico tiene por objetivo asociar la enfermedad actual con la presencia del parásito, el cual se basa en técnicas que requieren la optimización de parámetros para lograr una alta fiabilidad en los métodos y certeza en los resultados. La posibilidad de confirmar la infección depende de: la etapa en la que ésta es diagnosticada, la localización de los distintos estadios parasitarios, la carga parasitaria y/o características de la respuesta inmune frente al parásito, la adecuada elección, toma y procesamiento de las muestras. La correcta elección de las pruebas diagnósticas e interpretación de los resultados. Las limitantes para el uso de los métodos antes mencionados son: poca sensibilidad para la detección de un solo parasito, las pruebas depende del estadio en el que se encuentre el parasito, uso de métodos de contraste (pudiendo verse afectados pacientes en diálisis o con insuficiencia renal terminal), mala tolerancia del paciente al estudio. El objetivo de este trabajo es desarrollar un estudio para la detección de parásitos en el cuerpo por medios no invasivos, y ofrecer una alternativa complementaria aldiagnóstico de esta problemática, con ayuda de técnicas de ultrasonido. Por lo que se muestra a continuación información sobre la anatomía del abdomen e intestino delgado, por ser zonas donde se aplicara la técnica. 1.6 Anatomía del Abdomen El abdomen es una cavidad del cuerpo humano situada entre la cara inferior del tórax y la cara superior de la pelvis y las extremidades inferiores, en los mamíferos, separada de la caja torácica por el diafragma. Casi todas las vísceras que contiene la cavidad abdominal pertenecen al aparato digestivo, localizadas en los dos tercios frontales del abdomen. Los órganos abdominales se encuentran suspendidos en la cavidad abdominal por mesenterios, o situadas entre dicha cavidad y/o incrustadas en la pared musculo esquelética. Las vísceras abdominales son6:
• Esófago • Estómago • Intestino delgado • Intestino Grueso • Páncreas
7
• Vesícula Biliar • Bazo • Parte del aparato Urinario
1.7. Anatomía Del Intestino Delgado. El intestino delgado es una de las secciones del aparato digestivo que conecta el estómago con el intestino delgado grueso como se muestra en la Fig. 1. Se divide en tres partes: duodeno, yeyuno e íleon.
Figura 1. Intestino humano.
Cuenta con una longitud de 3 a 5 metros y tiene diversas funciones como: digestión, absorción e inmunidad. El yeyuno tiene mayor diámetro que el íleon, 3cm el yeyuno y 2cm el íleon. La estructura histológica del tubo digestivo se compone de la siguiente manera: epitelio o mucosa digestiva, submucosa, capa muscular externa, capa externa, como se ve en la Fig. 2.
Figura 2. Luz del intestino delgado
En la Fig. 3 se muestran las distintas capas que conforman al intestino, las cuales se mencionan a continuación:
Figura 3. Capas del intestino delgado.
• Epitelio o mucosa digestiva. Va a ser estratificado en aquellos segmentos en contacto con segmentos alimenticios grandes: boca, faringe, esófago y ano.
• Monoestratificado
8
Se da en las fases de digestión y de absorción. El epitelio presenta glándulas mucosas productoras de moco, con función protectora y lubricante.
• Submucosa. En esta Submucosa va a haber una gran abundancia de vasos sanguíneos. En ella se encuentra el plexo (red) submucoso de Meissner, este plexo es de carácter nervioso vegetativo, es el primer nivel de regulación digestiva. Que forma parte del sistema neuroentérico intrínseco. El plexo submucoso va a tener un papel principal de regular la secreción de las glándulas.
• Capa muscular externa. Se encuentran dos capas de fibras musculares; la primera capa es circular y por encima de ella está la capa muscular longitudinal. En esta capa más externa se encuentra el plexo mientérico de Auerbach, que es el primer componente del sistema neuroentérico intrínseco, actúa sobre el músculo del tubo digestivo, es decir regula la motilidad muscular.
• Capa externa. Está formada por la adventicia (o capa más externa del tubo digestivo) o por la serosa que recibe el nombre de peritoneal. El peritoneo recubre a gran parte de estructuras intraabdominales. Finalizando, el estudio se enfocara a la detección de parásitos en el interior de la luz del el intestino delgado. 2. Conclusiones Esta primera parte del trabajo se centró en la relevancia de la parasitosis como un problema de salud a nivel mundial, en donde Argentina tiene un índice mayor al 80%, por lo que el objetivo es apoyar al diagnóstico de parásitos con técnicas de ultrasonido. Por todo lo visto, se tiene:
1. Se eligió en específico la detección de parásitos intestinales debido al tamaño que presentan en comparación con otros parásitos del cuerpo, ya que su tamaño y su similitud con el medio, volvían la detección una tarea complicada.
2. Se pretende comprobar si el ultrasonido puede ser utilizado como técnica de apoyo al diagnóstico, así que se optó por la detección de los parásitos más grandes, los cuales según la investigación se encuentran en el intestino. Así mismo, en este órgano la cantidad de parásitos es mayor que en algún otro órgano, por lo que la probabilidad de detección aumenta.
3. Con el uso del ultrasonido se busca un método complementario de mayor accesibilidad y que permita un rápido diagnóstico al profesional para poder iniciar un rápido tratamiento; a su vez, se pretende utilizar como estudio de seguimiento para poder valorar el resultado del esquema terapéutico instaurado. Actualmente no está incluido el diagnóstico mediante el uso de ultrasonido como una técnica de rutina para los especialistas, por lo que este trabajo pretende analizar la posibilidad de detección de parásitos en el intestino por medio de ultrasonido con simulaciones e implementación de pruebas físicas con un ecógrafo sobre un fantoma del intestino delgado realizado en el laboratorio de imágenes en el Gabinete de Tecnología Medica, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de San Juan.
Referencias
1. Ministerio de salud, Presidencia de la nación. (n.d.). Parasitosis intestinales. Retrieved July 3, 2017, from http://www.msal.gob.ar/index.php/programas-y-planes/410-parasitosis-intestinales
2. C. S., Dra. (n.d.). PARASITOSIS INTESTINALES: ANTIGUAS Y VIGENTES. Ministerio de Desarrollo Social y Salud. ,1-3. Retrieved July 3, 2017, from http://www.revistabioanalisis.com/arxius/notas/diagnostico3.pdf
3. Tsuji, O. V. (1993). Estudio de pacientes con parasitosis intestinal mediante algoritmos. Revista Mexicana de patología clínica, 40(3), 123-124. Retrieved June 30, 2017, from https://books.google.com.ar/books?id=nN6DK1HKRBgC&pg=PT33&lpg=PT33&dq=estad
9
istica diagnóstico de parásitos intestinales&source=bl&ots=JilzcnFz-1&sig=6OIFiLS8mblEGmK6SkX-x6f5c2c&hl=es&sa=X&ved=0ahUKEwjaw-2-o-XUAhWBHZAKHW7SDQ8Q6AEISzAF#v=onepage&q=estadistica%20diagnostico%20de%20parasitos%20intestinales&f=false.
4. Faussart, A., & Thellier, M. (2008). Parasitosis intestinales. EMC - Tratado de Medicina, 12(1), 1-8. doi:10.1016/s1636-5410(08)70613-5
5. Rotta, L. C. (2006). Actualización en parasitosis intestinales. Medwave, 6(3). doi:10.5867/medwave.2006.03.2491
6. El aparato digestivo y su funcionamiento. (n.d.). Retrieved Julio 03, 2017, from https://www.niddk.nih.gov/health-information/informacion-de-la-salud/enfermedades-digestivas/aparato-digestivo-funcionamiento
10
11
Factibilidad de Detección de Parásitos en el Cuerpo Humano con el Uso de Ultrasonido
Parte II: Marco Teórico y Estimación de los Ecos A. Mazon1, C. Ribas2, M. Yafar2, V. Alfaro2, J. Oliva2, F. Farias2
1Unidad Profesional Interdisciplinaria de Biotecnología
Instituto Politécnico Nacional, Ciudad de México, Av. Acueducto s/n, Barrio La Laguna Ticomán, CDMX, GAM, .C.P. 07340
2Cátedra de Ultrasonido para Uso Médico, Departamento de Electrónica y Automática, Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de San Juan, Capital San Juan, Av. Libertador Gral. San Martin 1109,
J5400ARL San Juan [email protected] - carlosbio87gmail.com [email protected] - [email protected]
[email protected] - [email protected] Resumen
En esta segunda parte del trabajo se hará al principio una breve descripción anatómica del intestino delgado y de sus propiedades acústicas. A continuación, se desarrollarán los modelos de reflexión y transmisión sobre los que se trabajará a lo largo del trabajo. Posteriormente, se simularán los ecos esperados y en condiciones ideales a fin de determinar la posición teórica de las interfaces que permitirán predecir la zona donde es posible encontrar parásitos. Seguidamente se repetirá la simulación teniendo en cuenta los coeficientes de atenuación de los ecos debido a las atenuaciones por reflexión, transmisión y absorción para una frecuencia de 3 MHz y relaciones de señal-ruido entre 50dB y 20dB. En función de lo anterior se estimará la ganancia mínima del sistema de registro. Finalmente, se presentará una propuesta de fantoma y las diferencias a tener en cuenta durante la faz de laboratorio que se tratará en la tercera y última parte de este estudio. Palabras clave: A-Scan, traza, atenuación, relación señal-ruido, fantoma 2. Introducción Como todo fenómeno de propagación elástica, el ultrasonido es medio dependiente. El medio de propagación además de ser el sostén de la energía transmitida, impone modificación en las características de la señal que lo atraviesa. Estas alteraciones a la señal emitida normalmente se las describe como variación en la forma y atenuación del eco recibido. La primera depende de la naturaleza y posición de los reflectores que se encuentran en el trayecto. La segunda, es función del medio donde se propaga la señal acústica. Por lo dicho, el conocimiento del medio es de suma importancia a la hora de interpretar la información contenida en la señal de eco. En función de lo anterior, este trabajo está organizado de la siguiente manera: En el apartado 3 en forma escueta se mostrará desde el punto de vista anatómico el sistema digestivo humano, haciendo hincapié en el intestino delgado, lugar donde se llevará a cabo la posible detección de parásitos. Se obtendrán los valores de densidad, velocidad de propagación, atenuación del sonido e impedancia acústica de las diferentes capas con las que se encontrará el pulso ultrasónico emitido. A partir de esta información quedarán definidas las interfaces y el modelo del medio que se usará en la faz de simulación. En función de los datos obtenidos, en el apartado 4 se generaran en ambiente de simulación las trazas, obteniendo estimaciones de lo que se espera encontrar en la faz de laboratorio. En el apartado 5 se propondrá un modelo de phantom que se utilizará en la faz de laboratorio. 3. Anatomía del Abdomen y Propiedades Acústicas. 3.1. Descripción anatómica El intestino delgado (Fig. B.1), órgano del aparato digestivo con forma de tubo de 8 metros de longitud y un diámetro cercano a los 6 cm1. En la Fig. B.22,3 se observa un corte ecográfico en modo B del
12
intestino delgado. En la parte superior se muestra el área examinada y en la parte inferior el detalle del corte. Se observa que el espesor entre la piel y la pared exterior del tubo intestinal es de aproximadamente 6,5 cm y de espesor de aproximadamente 1 cm.
Figura B.1. Vista anatómica del intestino delgado
Figura B.2. B-Scan de un sector del intestino delgado
3.2. Propiedades Acústicas del medio En la Tabla B.1 se muestran valores de densidad (ρ), velocidad de propagación longitudinal (cL), velocidad de propagación transversal (cT) e impedancia acústica (Z) de los medios a ser tenidos en cuenta. La reducida diferencia entre ellos, es una característica de los medios biológicos. La Tabla B.2 muestra los coeficientes de reflexión típicos para las diferentes interfaces biológicas. Estos valores se tomarán como referencia a la hora de verificar los cálculos.
13
Tejido o Medio ρ[Kg/m3]*103 cL[m/s]*103 cT[m/s]*103 Z[Kg/m s]*106
Piel 1,53
Tejido Graso 0.937 1.479 0.07 1.33
Tejido Muscular 1.048 1.546 0.185 1,67
Músculo estriado 1.07 1.566 0.15 1.80
Sangre 1.055 1.580 0.034 1.66
Agua 1,00 1,5 1,5
Aire/gas 1,2 0.335 0,0004
Tabla B.1. Propiedades acústicas de tejidos biológicos, agua y gas
Los valores medios del coeficiente de reflexión acústica para interfaces biológicas se encuentran tabulados e a continuación.
Interfaz R Piel-aire 99,9 Piel-tejido graso 0.90 Grasa-músculo 0,80-1,00 Músculo-sangre 0,74 Agua-tejido graso 0,20 Palpador-gel acoplador Prácticamente nulo
Tabla B.2. Coeficientes de reflexión
La constante de atenuación del medio βgenérica para medios biológicos se muestra en la Tabla B.3 y en función de la frecuencia de trabajo se muestra en la Tabla B.4.
Medio Biológico β[dB/cm]
Musculo 1.5 Grasa: 0.6
Tejidos blandos 0.7 Sangre 0.2
Tabla B.3. Constante de atenuación de medios biológicos
Medio β[dB/cm] 1MHz 3MHz
Vaso sanguíneo 0,4 1,2 Grasa 0,14 0,42 Piel 0,62 1,86
Músculo 0,76 2,28 Aire (20º C) 2,76 8,28
Tabla B.4. Constantes de atenuación de medios biológicos en función de la frecuencia de trabajo
14
3.3.2. Modelo simplificado del intestino delgado La Fig. B.3 muestra las capas y el espesor que tiene que atravesar el haz de ultrasonido para llegar a la luz del intestino. A la izquierda se tiene el modelo real y a la derecha el modelo simplificado que se usará en las simulaciones.
Figura B.3. Capas de tejido y espesores medios en el modelo real y en el simplificado Para el estudio no se tendrán en cuenta las capas de piel y del peritoneo por tener un espesor muy pequeño, haciendo bastante complicada la simulación. En la Fig. B.4 se muestran desde el punto de vista de la impedancia acústica, el modelo simplificado para el caso de que la luz del intestino contenga gas (izquierda) o líquido(derecha).
Figura B.4. Modelo simplificado plano del intestino delgado.
Izquierda con gas en el interior de la luz, derecha conteniendo líquido 3.3.2.1. Determinación de la atenuación del haz de ultrasonido La atenuación del haz de ultrasonido está compuesta por la pérdida de emergía, sobre una interfaz y por fenómenos de absorción y dispersión que le impone el medio por donde se propaga. 3.3.2.1.1. Atenuación por reflexión y transmisión En función de lo visto, en la Figura B.5 se completa el esquema del modelo simplificado agregando para cada caso, los coeficientes de reflexión (Rxx) y transmisión (Txx).
15
Figura B.5. Reflexión y transmisión del haz de ultrasonido en los modelos reales y simplificado para
los casos con aire y líquido en el interior de la luz (izquierda y derecha respectivamente) A partir de la impedancia acústica Z (quinta columna Fig. B.1), se determinarán los coeficientes de reflexión (R) y transmisión (T) para calcular la atenuación por reflexión y transmisión de acuerdo a:
R =�����
����� (1)
T =��
����� (2)
3.3.2.1.2. Atenuación por divergencia y absorción Cuando no existe cambio de medio, la disminución de la presión acústica emitida por una fuente se debe a la combinación de los efectos de divergencia y absorción4. Atenuación por divergencia se rige por la denominada ley de la inversa del cuadrado de la distancia y tiene en cuenta, sólo la distancia (d) al emisor. La atenuación por absorción se debe a la absorción del medio, dependiente de la frecuencia, humedad, partículas en suspensión, etc. Para determinar la disminución de la presión acústica debida a los efectos de atenuación por divergencia y absorción se emplearán los datos de las Tablas B.3 y B.4. 4. Generación de la traza Cuando se trabaja en ultrasonido con la técnica pulso-eco, el registro más simple que contiene toda la información del medio donde se propaga la energía acústica es el denominado A-Scan o registro de amplitud. El inconveniente que presenta es el gran volumen de muestras necesarias para representar la traza, como ventaja, la simplicidad del procesamiento respecto a una imagen B-Scan o C-Scan4. Para generar la traza se tuvo en cuenta: a- la frecuencia del palpador dependerá de la profundidad de penetración. Para este estudio se adoptó 3MHz, ya que la mayoría de los estudios ecográficos se trabaja
16
con este valor. b-el número de muestras necesarias para representar la longitud del registro. c- los coeficientes R, T y α que determinarán la atenuación de los ecos. Para modelar la envolvente de los ecos se utilizará el modelo polinómico descripto por la ecuación (3), ya que los palpadores comerciales responden a este modelo4:
�� �� = �� � − ������� ���������2��� � − ��� + �� � − ��� + η �� (3) dónde: C0 es una constante de amplitud del eco recibido, α la constante de amortiguamiento del transductor, n una constante que depende del rango de frecuencias que se esté empleando, tt el tiempo de tránsito, θ la fase de señal que retorna, u(t) la función escalón unitario y η una función que modela al ruido. En este estudio se tomará como referencia ruido blanco con distribución gaussiana. 4.1. Traza Ideal En primer lugar se determinará la traza ideal que consistirá en la simulación de los ecos sin tener en cuenta los efectos de atenuación, obteniendo los tiempos de transito de las diferentes interfaces. Primero se generará la traza correspondiente al caso de que el interior del intestino contenga gas, posteriormente, para el caso con líquido. Se usara la función genera_poly15
4 que entregará el A-Scan y la correspondiente envolvente: [eco,env]=genera_poly15(f0_nor,t,α,nm,EX,snr) dónde: f0_nores la frecuencia de muestreo normalizada, t el vector que define la longitud del registro, EX la amplitud del eco, nm el número de muestras al máximo del eco y snr la relación señal-ruido.La frecuencia de muestreo se eligió como 10 veces la frecuencia de trabajo del palpador, entonces, la frecuencia normalizada para frecuencia de trabajo de3MHz será:
�!_��#$%&' =3)*+
30)*+= 0,1
El número de muestras al máximo de la envolvente, se obtiene a partir de [4] como:
nm =123456
738269693:;3<1836 (3)
4.1.1. Generación de la traza considerando el modelo simplificado con líquido en la luz La longitud total del registro se determinó en función dela frecuencia, espesor y velocidad del sonido en cada medio, teniendo en cuenta el modelo simplificado de la Fig. B.5 (derecha), obteniendo con la expresión (3) para el medio I, 203 muestras y para el medio 2, 356 muestras, para el medio 3, 394 muestras y medio 4, 630 muestras. El resto de los parámetros necesarios para la simulación fueron: snr
ideal de 50dB y una amplitud del eco EX=1 ya que, en este caso no se tiene en cuenta la atenuación del medio. El valor de la constante de amortiguamiento del palpador es α = 0,134 .Con estos parámetros se obtendrá la traza ideal compuesta por cuatro ecos. Con esto se obtendrá el límite de la profundidad de penetración y la ubicación donde se estima encontrar a los parásitos. Entonces, introduciendo estos valores en la función genera_poly15: [eco1,env1]=genera_poly15(0.10,[0:700],0.13,3,203,1,50,1) [eco2,env2]=genera_poly15(0.1,[0:700],0.13,3,356,1,50,1) [eco3,env3]=genera_poly15(0.1,[0:700],0.13,3,394,1,50,1)
17
[eco4,env4]=genera_poly15(0.1,[0:700],0.13,3,630,1,50,1) El resultado de la simulación se observa en la figura B.6.
Figura B.6. Resultado de la simulación para el caso ideal A continuación, con la función genera_traza
4 se simula la respuesta de los 3 ecos que se esperan recibir. Todo ellos tienen un valor de amplitud unitaria (EX=1), debido a que en esta etapa no se consideran los efectos de reflexión, trasmisión y atenuación. Como se utiliza el mismo palpador, se sigue considerando la misma frecuencia de muestreo normalizada y constante de amortiguamiento. La relación señal ruido se mantendrá fija, ya que se seguirá la evaluación sobre el caso ideal. La función que resuelve el algoritmo de las trazas es4: [traza,env] = genera_traza(f0_nor,t,a,snr,EX1,EX2,EX3,nm1,nm2,nm3) quedando la función: [traza,env] = genera_traza(0.1,[0:929],0.13,3,50,1,1,1,203,356,394,1) El resultado de la simulación se muestra en la Fig. B.6. La línea roja indica el número de muestras a partir de donde se pueden encontrar los parásitos. Como se observa, los últimos 2 picos, al tener un número de muestras muy cercanos (356 y 394), se ven contemplados en una sola envolvente. Esto es debido a que el espesor de la pared del intestino no supera el centímetro.
0 100 200 300 400 500 600 700-1
0
1A-Scan
0 100 200 300 400 500 600 7000
0.5
1
0 100 200 300 400 500 600 700-1
0
1
0 100 200 300 400 500 600 7000
1
2
0 100 200 300 400 500 600 700-1
0
1
0 100 200 300 400 500 600 7000
1
2
Numero de muestras
18
Figura B.7. Simulación de la traza para el caso ideal
4.2. Estudio aproximado de la realidad En este apartado se describirá con los efectos reales de atenuación del medio en estudio y se obtendrá un resultado más aproximado a la realidad. Para ello se calcularon las amplitudes de los ecos según los coeficientes de transmisión, reflexión y atenuación correspondientes a los medios de estudio. 4.2.1. Caso I: Gas en el interior del intestino Debido a que se trata de una interfaz con gas, existirá una reflexión total, impidiendo que el haz de ultrasonido penetre en el interior del intestino. De acuerdo con la parte inferior derecha de la Fig. B.5, la amplitud del primer eco viene dada por:
AE@ = AAR@2α@ ; con A0=1 (6)
donde R21 es el coeficiente de reflexión medio 2-medio 1 y α1 el coeficiente de atenuación del medio 1. Repitiendo para el segundo y tercer eco, se tiene:
AE = AAT@R$T@2α@2α (7)
AE$ = AAT@T$RB$T$T@2α@2α2α$ (8) A partir de las ecuaciones (6), (7) y (8) y teniendo en cuenta los valores de atenuación dados por la Tabla B.4, se arribó a los siguientes valores:AE1 = 0,3670, AE2 = 0,21 y AE3 = 0,099, generándose la traza:genera_traza(0.1,[0:699],0.13,3,3.376,.21,0.099,203,356,,394,50,1), rresultando el registro de la Fig. B.7.
0 100 200 300 400 500 600 700-1
0
1
2
Am
plit
ud
A-Scan
0 100 200 300 400 500 600 7000
0.5
1
1.5
Am
plit
ud
Envolvente
Numero de muestras
19
Figura B.9. Traza para el caso I
Como se observa, el resultado de la reflexión total genera un solapamiento del eco 2 con el eco 3, haciendo imposible determinar el inicio del eco 3. En la Fig. B.10 y en la Fig. B.11 se observa el A-scan y la envolvente para SNR de 50dB, 40dB, 30dB y 20dB, respectivamente.
Figura B.10. A-scan para SNR de 50dB, 40dB, 30dB y 20dB
0 100 200 300 400 500 600 700 800-0.4
-0.2
0
0.2
0.4A-scan
Numero de muestras
Am
plit
ud
0 100 200 300 400 500 600 700 8000
0.1
0.2
0.3
0.4Envolvente de la traza
Numero de muestras
Am
plit
ud
0 100 200 300 400 500 600 700-0.5
0
0.5
0 100 200 300 400 500 600 700-0.5
0
0.5
0 100 200 300 400 500 600 700-0.5
0
0.5
0 100 200 300 400 500 600 700-0.5
0
0.5
Numero de muestras
20
Figura B.11. Envolventes para SNR de 50dB, 40dB, 30dB y 20dB
La ganancia necesaria G del amplificador del sistema de registro para llevar la envolvente del eco de mayor amplitud a 5volt es:
G = 20log5
0,00998= 54dB
4.2.2. Caso II: Líquido en el interior del intestino La amplitud del cuarto eco queda modelada por:
AEB = AAT@T$ T$T@M$B�NB2α@2α2α$2OB (9)
Reemplazando los valores de los coeficientes, la amplitud del cuarto eco es AE4 = 0,0081, generándose la traza: genera_traza(0.1,[0:699],0.13,3,3.376,.21,0.099,0.0081,203,356,394,630,50,1) resultando el registro de la Fig. B.12. Al cambiar la interfaz 3-4 (líquido en lugar de gas), el coeficiente de reflexión R43 disminuye notablemente, permitiendo que el 90% de la energía se transmita al interior del intestino, desapareciendo la superposición del segundo eco con el tercero. La zona de esta interfaz queda libre para la detección de algún elemento extraño a la misma (por ejemplo, los parásitos).
0 100 200 300 400 500 600 7000
0.2
0.4
0 100 200 300 400 500 600 7000
0.2
0.4
0 100 200 300 400 500 600 7000
0.5
0 100 200 300 400 500 600 7000
0.5
1
Numero de muestras
21
Figura B.12. Traza para el caso II
En la Fig. B.13 y en la B.14 se observa el A-scan y la envolvente para SNR de 50dB, 40dB, 30dB y 20dB, respectivamente. Hasta una SNR de 30 dB se distinguen los tres ecos.
Figura B.13.A-scan para SNR de 50dB, 40dB, 30dB y 20dB
0 100 200 300 400 500 600 700-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
Am
plit
ud
A-scan
Número de muestras
0 100 200 300 400 500 600 7000
0.1
0.2
0.3
0.4
Número de muestras
Envolv
ente
0 100 200 300 400 500 600 700-0.5
0
0.5A-scan
0 100 200 300 400 500 600 700-0.5
0
0.5
0 100 200 300 400 500 600 700-0.5
0
0.5
0 100 200 300 400 500 600 700-0.5
0
0.5
Numero de muestras
22
En este caso, la ganancia necesaria G del sistema de registro para llevar la envolvente del eco de mayor amplitud a 5volt es:
G = 20log5
0,0081= 55,8dB
Figura B.14.Envolventes para SNR de 50dB, 40dB, 30dB y 20dB
5. Modelo de Fantoma Los phantoms5 o fantomas están pensados para imitar las propiedades acústicas de los tejidos, esto es, aproximación a la velocidad del ultrasonido, atenuación media, reflexión, etc. Para la implementación experimental, normalmente se opta por la realización de dos tipos de fantomas. Una de ellas consiste en elaborar solo a partir de agua y gelatina, y la otra con agua, gelatina y agar. El agar se utiliza frecuentemente en los casos en que se necesita un agente de suspensión, estabilización, espesamiento o gelificación. En este trabajo se utilizará un fantoma realizado con gelatina y agua. Debido a la imposibilidad de contar con un laboratorio para construir fantomas que se parezca lo más posible al modelo de intestino delgado, se propuso uno simplificado como el que muestra la Fig. B.15.
0 100 200 300 400 500 600 7000
0.2
0.4
0 100 200 300 400 500 600 7000
0.2
0.4
0 100 200 300 400 500 600 7000
0.5
0 100 200 300 400 500 600 7000
0.5
1
Numero de muestras
23
Figura B.15. Propuesta de modelo de Fantoma
Estará compuesto por tres zonas; la primera y la tercera, por gelatina y la segunda por un film delgado con espesor de 2mm. La simulación de los parásitos consistirá en colocar entre el film y la zona tres, lombrices emulando a éstos. El diseño e implementación, se llevará a cabo en la tercera parte de este trabajo. 6. Conclusiones Este trabajo estuvo orientado en primer lugar, a generar los modelos teóricos para determinar la posibilidad de detección de parásitos en la pared interna del intestino delgado mediante ultrasonido. En base a las propiedades acústicas del medio, se generaron en ambiente de simulación las trazas que genera el haz ultrasónico a lo largo del medio bajo estudio. Al principio se trabajó con el modelo ideal determinado la posición de los ecos que generan las diferentes interfaces, obteniendo el lugar donde es posible la detección de parásitos. Posteriormente, se impusieron las condiciones reales de atenuación por reflexión y absorción del haz de ultrasonido, logrando emular la realidad. Finalmente se esbozó como deberá ser el diseño del fantoma necesario para la faz de simulación que se llevará a cabo en la tercera y última parte de este estudio. En función de lo citado, se puede resumir:
1. Los modelos ideales realizaron fueron corroborados en ambiente de simulación, permitiendo determinar con precisión el número de muestras del inicio de cada eco.
2. Los modelos reales permitieron corroborar por un lado, que cuando el interior del intestino contiene gases, no es posible la detección por solapamiento de ecos. Por otro, cuando el interior contiene líquido, es posible que el haz ultrasónico detecte tanto la pared opuesta del intestino como la de algún cuerpo extraño en su interior.
3. Las simulaciones con diferentes relaciones señal-ruido, indicaron que hasta una relación de 30dB, es posible determinar con claridad los ecos que determinan el ancho de la pared intestinal.
4. Se determinó que la ganancia necesaria del sistema de registro para llevar la envolvente a 5Volt, está en el orden de 5dB, cifra fácilmente de lograr con la tecnología actual.
5. Si bien el modelo propuesto del fantoma se aleja un poco de la realidad, servirá por un lado, para verificar los modelos y por otro, sentará la base para desarrollar con el tiempo fantomas más reales.
Agradecimientos Los autores agradecen la colaboración de la Dra. Ing. Natalia López del Gabinete de Tecnología Médica, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de San Juan, por el asesoramiento en anatomía del intestino.
24
Referencias 1-. https://biblioteca.enfermeria21.com/producto/manual-de-anatomia-y-fisiologia-humana/ 2-.://www.emaze.com/@AFTFOFZT/Proc-de-alimentos 3-. http://www.revespcardiol.org 4-. Ultrasonido para Ingenieros y Estudiantes de Ingeniería, A. C. Veca, E. Accolti. Primera
edición,2016. http://dea.unsj.edu.ar/ultrasonido/ 5-. Caracterización de Phantoms por ultrasonidos. Carlos OrtíAnglé. Trabajo de Fin de Carrera,
Universidad Politécnica de Valencia, Escuela Politécnica Superior de Gandia, I.T. Telecomunicación (Sonido e Imagen), 2012.
25
Factibilidad de Detección de Parásitos en el Cuerpo Humano con el Uso de Ultrasonido
Parte III: Pruebas de Laboratorio con Fantoma A.Mazon1, C.Ribas2, M.Yafar2, V.Alfaro2, J.Oliva2, F. Farias2
1Unidad Profesional Interdisciplinaria de Biotecnología
Instituto Politécnico Nacional, Ciudad de México, Av. Acueducto s/n, Barrio La Laguna Ticomán, CDMX, GAM, .C.P. 07340
2Cátedra de Ultrasonido para Uso Médico, Departamento de Electrónica y Automática, Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de San Juan, Capital San Juan, Av. Libertador Gral. San Martin
1109, J5400ARL San Juan [email protected] - carlosbio87gmail.com [email protected] - [email protected]
[email protected] - [email protected]
Resumen En esta última parte del trabajo se desarrolla el marco experimental con la finalidad de determinar en laboratorio, la posibilidad de detección de parásitos en el interior del intestino delgado, en función de lo aportado por las partes I y II. Se desarrollaron dos fantomas basados en un sustrato de gelatina comercial en el que se depositaron lombrices de tierra, emulando a los parásitos. También a modo de referencia se remplazaron las lombrices por tubos de goma conteniendo en su interior aire. Se usaron dos ecógrafos trabajando en modo B, barriendo en forma manual sobre una grilla XY, manteniendo constante el foco del palpador sobre el fondo del fantoma. Los resultados obtenidos indican que es factible la detección de parásitos en el interior del intestino delgado en condiciones controlables de laboratorio. Palabras clave: fantoma, ecografía, penetración, eco de fondo (EF), relación señal-ruido (SNR) 1. Introducción Teniendo en cuenta los estudios realizados, en la cual se determinó que analizando las zonas donde se pueden hallar parásitos; la de mayor probabilidad de encontrarlos, mediante ultrasonido, es en el intestino delgado, debido a que las características morfológicas de estos son más distinguibles que los que se encuentran en otras partes, es por ello que esta investigación se centró en esta porción del cuerpo humano. Tal como se describió en las partes I y II del trabajo, la zona donde se propone realizar la búsqueda en la porción abdominal, la cual consta de 4 capas de tejidos: piel, zona grasa-muscular, pared intestinal (que consta de varias etapas de tejido epitelial que se considerará como una sola) y la luz intestinal, tal como lo muestra la Fig. C.1.
Figura C.1. Representación simplificada
En la Fig. C.2 se observa cómo se va a desarrollar el esquema experimental. Las lombrices se ubicarán en el espacio que simulará la luz del intestino para tener como referencia el EF.
26
Figura C.2. Esquema del fantoma a desarrollar
3. Instrumental El instrumental utilizado consistió de ecógrafos, el primero, Pie Medical Philipsweg1 y el segundo, Toshiba UZVC180A2, ambos operando en modo B y disponibles en el Laboratorio de Calibración del Gabinete de Tecnología Médica, Fac. de Ing. UNSJ. El primero tiene un palpador mono elemento sumergido en aceite que trabaja a 3,5 MHz. (Ver Fig .C.4). El barrido se realiza en forma mecánica. El segundo, más moderno, está basado en un array y opera a 3.75 MHz. El ecógrafo Toshiba presenta a la izquierda de la pantalla, información sobre la curva TGC3. No es más que símil a la curva CAD3 de los sistemas de ultrasonido para END. Como ser verá a continuación, la curva TGC ajusta automáticamente la ganancia de acuerdo a la reflexión, logrando que no se produzcan saturaciones. Lamentablemente no se dispuso de información técnica más detallada de los ecógrafos.
Figura C.3. Ecógrafos usados. Pie Medical, izquierda y centro.
Toshiba UZVC180A, izquierda
Ambos ecógrafos se configuraron para una profundidad (foco) máxima de 6cm. 4. Ensayos 4.1. Primer ensayo De acuerdo con lo citado en el apartado 5 de la parte II, para la construcción del fantoma se utilizó, gelatina para representar la luz del intestino y la zona adiposa-muscular, a su vez, la pared del intestino fue simulada con un film de plástico comercial con un espesor cercano a 2mm. El conjunto fue envuelto en otro film de plástico más fino con un espesor del orden de 0,05mm, que además sirvió, por un lado, simular la piel y por otro, para contener y aislar la gelatina del agua, donde se
27
encontraba sumergido el fantoma. Este recipiente tenía una altura de 8cm, un lago de 10cm y un diámetro de 19cm. La Fig. C.4 izquierda, muestra el esquema del fantoma y en la parte derecha, este en el interior del recipiente que sirvió de sostén.
Figura C.4. Representación del fantoma y su posición en el interior del recipiente lleno de agua.
Se procedió a llenar el recipiente hasta las marcas establecidas con gelatina. Esta última se preparó tal cual lo sugiere el fabricante, con medio litro de agua caliente y medio litro de agua fría. Primero se llenó hasta la primera marca, se colocaron lombrices en el fondo (las lombrices se encontraban muertas). Las lombrices tenían un diámetro de 3,5mm y una longitud comprendida entre 5 y 7cm. A continuación se depositó el film de 2 mm y se dejó que la gelatina solidifique. Una vez solidificada, se colocaron lombrices sobre la superficie y a la mitad del recipiente para disponer de referencias a distintas profundidades, se volvió a colocar gelatina hasta la segunda marca (6 cm). Finalmente, se recubrió todo el fantoma con el film de 0.05mm y se lo introdujo en una heladera para que finalizara de solidificar (Fig. C.5).
Figura C.5. Vistas del fantoma desarrollado. Izquierda, fin de proceso de solidificación. Derecha,
fantoma en recipiente con agua
Al retirar el fantoma de la heladera se observó gran cantidad de hielo tanto en la superficie como en el interior, como consecuencia de la baja temperatura en el interior de la heladera, siendo muy difícil manipularlo ya que tenía tendencia a desarmarse cuando fue introducido en el recipiente conteniendo agua. Por esta razón se pensó que los resultados de las ecografías no serían los esperados. De todas formas, se continuó con el ensayo.
Figura C.6. Resultado Prueba 1. Desplazamiento de los materiales como consecuencia del
congelamiento. Izquierda: incorrecta ubicación del palpador. Derecha: marca roja pared intestinal, naranja, EF.
28
Los resultados obtenidos se muestran en la Fig. C.6. La ecografía de la Fig. C.6. derecha no permite ubicar el eco de fondo ni la presencia de lombrices. Esto se debe a la orientación del palpador. En la parte derecha, se observa el film separador de 2mm de espesor, ubicado a 3cm de a superficie y reflexiones múltiples que podrían referirse a la presencia de lombrices. Aquí se trabajó con la orientación del palpador. Hay que resaltar que las distancias reales de las capas constitutivas del fantoma y la ubicación final de las lombrices no fueron las previstas debido a los movimientos del fantoma como consecuencia del descongelamiento. Esto se puede corroborar en la parte derecha de la Fig. C.6 donde se ve claramente que la membrana de 2mm de espesor se encuentra desplazada hacia adentro 0.5cm aproximadamente. 4.2. Segundo ensayo 4.2.1. Búsqueda de lombrices En este caso, el objetivo fue por un lado, obtener con los mismos elementos, un fantoma más robusto y estable mecánicamente. Por otro, introducir un elemento de gran contraste de forma cilíndrica y dimensiones similares al de una lombriz, que en su interior contenga aire. Para la construcción del nuevo fantoma se tuvo en cuenta el cambio de densidad, la capa que representa la luz intestinal se hizo más diluida (a costa de perder consistencia quedando más liquida, siendo más difícil de manipular). Para ello se siguieron los pasos indicados en el apartado anterior, pero se utilizó la mitad de gelatina en 1 litro de agua. Una vez solidificada, se colocó el film que representa la pared intestinal y se preparó nuevamente gelatina, pero en este caso un paquete y medio de gelatina, manteniendo la cantidad total de agua (1 litro). De esta forma se incrementó la densidad del fantoma. El nuevo fantoma se puede apreciar en la figura a continuación, donde se pueden ver las lombrices.
Figura C.7. Vista del segundo fantoma donde se observan claramente las lombrices
En este caso se utilizó como acoplante acústico un gel neutro en vez de agua, mejorando notablemente el acoplamiento palpador-fantoma. Al principio se trabajo con el ecógrafo Toshiba porque al ser más moderno tiene mayor sensibilidad. En la Fig. C.8 se observan los resultados obtenidos. En la ecografía superior se observa claramente la lombriz y la pared intestinal superior e inferior. Esta última representa el EF. En la ecografía media se observa otra lombriz que al final del endurecimiento de la gelatina quedo posicionada verticalmente. En la ecografía inferior se ven dos lombrices, una en el extremo izquierdo y la segunda en el derecho. En los tres casos se observa con claridad la interfaz que emula la luz del intestino. Se hace hincapié en la detección del EF ya que es el parámetro que servirá de contraste absoluto para los casos que no se detecten las lombrices por su ubicación en el interior de la luz. Es importante destacar que en ninguna de las ecografías se observa la sombra que produce la lombriz al EF. Esto se debe que de la forma que se realizó la ecografía, no hay paralelismo entre el haz ultrasónico y la lombriz.
29
En todas las ecografías se pone de manifiesto el movimiento de las lombrices cuando fueron depositadas sobre la capa inferior de gelatina que emula a la pared inferior del intestino. Esto es resultado de la reducida densidad de la gelatina al principio del proceso de gelificación.
Figura C.8. Detección del EF, pared intestinal y lombrices con ecógrafo Toshiba
30
4.2.2. Búsqueda del tubo con aire En esta parte del ensayo se pretendió encontrar el tubo de plástico que simula gas en el interior de la pared intestinal (ver parte II, apartado 4.2.1.). A fin de comparar las indicaciones se trabajó con los dos ecógrafos. La Fig. C9 muestra el resultado de las ecografías (parte superior, ecógrafo Pie Medica, inferior, Toshiba).
Figura C.9. Detección del Tubo. Superior, ecógrafo Pie Medical. Inferior, Toshiba
Si bien en ambas ecografías se observa claramente donde se encuentra el tubo con aire en su interior, a los objetivos de este trabajo, esta información no es la buscada como se indicó en el apartado 4.1 de la parte II. Efectivamente, para analizar la detección de lombrices en un ambiente que contiene gas, la parte del fantoma debajo del film de 2mm debería contener aire. Entonces se estaría antes el caso de una reflexión total que indiscutiblemente incrementaría la relación señal-
31
ruido haciendo más fácil la detección. En todos los registros se observa alta SNR que permite rápidamente ubicar los puntos de interés. Comparando estos resultados con las simulaciones realizadas en la parte II, se está ante una SNR del orden de 40dB. 5. Conclusiones Esta tercera y última parte del trabajo estuvo orientada a comprobar en laboratorio la posibilidad de detección de parásitos en la pared interna del intestino delgado mediante ultrasonido. Para tal fin se desarrollaron dos fantomas conteniendo en su interior lombrices; el primero basándose únicamente en los resultados de simulación llevados a cabo en la parte II de este estudio. Para el desarrollo del segundo, se tuvo en cuenta además aspectos funcionales en los que respecta a la preparación de la gelatina y al montaje en el recipiente que la contiene. Se llevaron a cabo dos experiencias; la primera con lombrices y la segunda con un tubo de plástico de dimensiones similares a la de una lombriz con aire en su interior, logrando tener un patrón de reflexión muy grande. La primera experiencia demostró que pese a la fragilidad del fantoma, se observa el EF, la interfaz de la lámina de plástico y la interfaz palpador-fantoma. Además, se verifica la profundidad de las mismas, corroborando los resultados de simulación. En la segunda, por un lado se mejoró la estabilidad mecánica del fantoma, por otro, se usaron dos ecógrafos; el de la primera experiencia y otro más moderno con mayor definición. En ambos casos, se detectaron las lombrices y el tubo conteniendo aire en su interior. Por todo lo visto, se concluye que:
1. Para mejorar la estabilidad del fantoma debe utilizarse además de gelatina, agar. Durante el fraguado, debe cuidarse que la temperatura del medio donde se encuentre almacenado no disminuya por debajo de los 4ºC, ya que en caso contrario, se produce hielo generando ante la excitación ultrasónica gran cantidad de reflectores que complican la ubicación de las lombrices. Además, el fantoma pierde robustez mecánica.
2. Las ecografías obtenidas pusieron de manifiesto la correspondencia entre los modelos usados en la faz de simulación y la faz de laboratorio.
3. El empleo de un reflector basado en agua permite tener un punto de referencia para corroborar cualitativa y cuantitativamente la detección y ubicación de las lombrices.
4. Si bien la SNR obtenida es excelente, no inferior a los 40dB, trata de un caso de laboratorio donde no existe movimiento alguno. En un caso real, esta será menor. De todas formas, de acuerdo a lo visto en la parte II, hasta una SNR de 25dB, la detección no estará comprometida.
5. Se deberían realizar pruebas de laboratorio con parásitos para determinar los alcances reales de esta metodología.
6. En caso que el ítem anterior diera resultados positivos, quedaría hacer determinaciones reales llevadas a cabo en centros médicos, ya que por lo visto, sería una forma de detección más rápida que el tradicional examen con heces.
Agradecimientos Los autores agradecen al Dr. Ing. Juan Pablo Graffigna, jefe del Departamento de Electrónica y Automática, por permitir el uso del Laboratorio de Calibración del Gabinete de Tecnología Médica, Facultad de Ingeniería, UNSJ para realizar este trabajo. Referencias 1. Pie Medical Philipsweg 1. 2. Toshiba UZVC180A. 3. Ultrasonido para Ingenieros y Estudiantes de Ingeniería. A. Veca, E. Accolti, Primera edición
2016. www.dea.fi.unsj.edu.ar/ultrasonido.