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Diseño e implementación de un Prototipo “Cámara Órganos Aislados” Para la Adquisición y Procesamiento Digital de Imágenes que permita medir la Vasoreactividad en el Tejido Muscular de la Aorta Torácica in Vitro.
Ing. Renée M. Condori Apaza
Ing. Nancy Orihuela Ordoñez
Md. Víctor Bellido Vela
Ing. Ulises Gordillo Zapana
Universidad Nacional San Agustín de Arequipa
INSTITUTO DE BIOINGENIERIA APLICADA
ANTECEDENTES DEL PROBLEMA
Los estadounidenses Robert F. Furchgott Louis J. Ignarro y Ferid Murad; fueron
los tres Premio Nobel en Fisiología / Medicina en 1998, “por descubrir que el óxido
nítrico (NO) puede ser utilizado para:
Alterar el comportamiento de las arterias y provocar artificialmente un mayor o
menor flujo sanguíneo” en diversos órganos del cuerpo.
Los investigadores demostraron que el óxido nítrico (NO) ayuda a mantener el
sistema cardiovascular estable, protege el corazón y estimula el cerebro.
Además de inhibir la contracción de las células musculares de las arterias,
favorece la dilatación de los vasos sanguíneos, distribuye la sangre, regulariza la
presión arterial e impide la formación de trombos [Furchgott Robert F, 1998]
.
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El uso de fármacos para la prevención, conservación y restablecimiento de la
buena salud es una práctica ampliamente aceptada.
Pero la falta de una herramienta adecuada para poder obtener dichas respuestas
de la calidad de estos fármacos con un adecuado tratamiento al tejido en estudio
(aorta torácica) in vitro; es que nos condujo al diseño de un sistema que sea
capaz de ofrecernos esta información, de gran importancia para los investigadores
en el área de la Ingeniería Biomédica y Medicina.
Por las consideraciones expuestas y por tener una herramienta para las Buenas
Practicas de Calidad, nuestra meta es: ¿Cómo determinar de manera eficiente y
efectiva el efecto vasodilatador y vasoconstrictor en la aorta torácica?
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La presente investigación se justifica en el hecho de que no existe una
herramienta para la prueba de fármacos y productos naturales.
La Bioingeniería nos proporciona herramientas que nos permiten medir, evaluar,
analizar los fenómenos físicos/químicos y biológicos haciendo uso de técnicas y
métodos para poder cuantificar parámetros fisiológicos.
Las mediciones logradas anteriormente en los laboratorios de Investigación de
nuestra universidad lo realizábamos manualmente y usando un sensor de
tensión conectado a un polígrafo Grass (Polygraph DC Driver Amplfier). Para
luego por análisis estadístico demostrar las variaciones de porcentaje de
relajación del anillo de aorta eran registradas.
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JUSTIFICACIÓN DEL PROBLEMA
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OBJETIVO GENERAL
Diseñar e implementar un Prototipo “Cámara Órganos Aislados” Para la Adquisición y
Procesamiento Digital de Imágenes que permita determinar el efecto vasodilatador y
vasoconstrictor producido por un fármaco en la Aorta Torácica de un Guinea Pig in Vitro.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Diseñar e implementar una cámara de órganos aislados que mantenga el tejido muscular en
condiciones adecuadas para las pruebas in Vitro, con los respectivos fármacos.
Controlar el flujo, temperatura de la solución fisiológica Ringer y fármacos a través del tejido
muscular.
Adquirir, almacenar y procesar imágenes capturadas durante el comportamiento del tejido
muscular (aorta torácica) de acuerdo a los estímulos aplicados (según los fármacos usados;
Acetil colina y KCL).
Validar el funcionamiento del sistema in vitro de la aorta torácica mediante el análisis de la data.
METODOLOGIA
El presente trabajo de investigación es del tipo experimental el cual permite
descartar y explorar los factores variables que intervienen en el fenómeno que nos
proponemos a investigar. Partiendo del trabajo realizado por Robert F. Furchgott,
Louis J. Ignarro y Ferid Murad, Premios Nobel en Fisiología Medica en 1998.
La Bioingeniería nos proporciona herramientas que nos permiten evaluar, medir y
analizar los fenómenos físicos, químicos y biológicos haciendo uso de técnicas y
métodos para poder cuantificar parámetros fisiológicos.
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Conceptos Básicos
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Sistema Cardiovascular
El Sistema Cardiovascular está formado por el corazón, la sangre y los vasos
sanguíneos; cada uno desarrolla una función vital en el cuerpo humano. La función
principal del sistema circulatorio es transportar materiales en el cuerpo: la sangre
recoge el oxígeno en los pulmones, y en el intestino recoge
nutrientes, agua, minerales, vitaminas y los transporta a todas las células del cuerpo.
Corazón
Es un órgano muscular hueco que funciona como una bomba aspirante e
impelente, con dos funciones que desempeñar:
Bombear la sangre venosa a los pulmones para que los eritrocitos intercambien su
carga de bióxido de carbono por una nueva carga de oxígeno.
Bombear la sangre oxigenada recibida de los pulmones a todas las partes del
cuerpo.
Partes del Corazón
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1. Aurícula derecho, 2. Aurícula izquierdo, 3. Vena cava superior,4. Aorta, 5. Arteria
pulmonar, 6. Vena pulmonar, 7. Válvula mitral, 8. Válvula aórtica, 9. Ventrículo
izquierdo, 10. Ventrículo derecho, 11. Vena cava inferior, 12. Válvula tricúspide, 13.
Válvula pulmonar.
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Sangre
La sangre tiene una densidad de 1.04 g/cm³, muy cercana a la del agua que es de 1.00
g/cm³ y su pH es ligeramente básico (pH= 7,36), por lo que podemos hablar del sistema circulatorio
como un sistema hidráulico donde las venas y las arterias son similares a mangueras.
Como sucede con cualquier circuito hidráulico, la presión en el sistema circulatorio varía a
través del cuerpo, la acción de la gravedad es muy notoria en las arterias donde la presión
varía de un punto a otro.
La Aorta
La aorta es la principal arteria del cuerpo. Sale directamente del corazón, concretamente del
ventrículo izquierdo, y da origen a todas las arterias del sistema circulatorio (excepto a las arterias
pulmonares, que salen del ventrículo derecho). Termina a nivel de la IV vértebra lumbar, donde se
bifurca para dar origen a las arterias iliacas primitivas.
Su porción central o proximal se conoce con el nombre de arco o cayado aórtico, constando de una
parte ascendente, otra transversal y descendente (aorta torácica descendente). La parte ascendente
tiene una disposición libre (sin ramificaciones), pero en la parte transversal la aorta tiene su primera
Arteria.
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Estructura de la pared arterial
La pared arterial está compuesta de tres capas:
Túnica íntima: reviste al vaso, consiste en endotelio (células que están en contacto con la sangre en el
lumen o espacio del vaso).Tejido parecido al epitelio escamoso.
Túnica media: tejido conectivo y células de músculo liso.
Túnica externa: fibras elásticas y tejido conectivo rico en colágeno. Estas le dan capacidad de dilatarse
y recuperarse.
El Endotelio
Es la capa de células que cubre el interior de los vasos sanguíneos, como una epidermis
que facilita el desplazamiento de la sangre.
También es considerado actualmente como un órgano, que está constituido por millones de
células que forman una capa muy delgada que recubre la totalidad de la superficie interna
del corazón, de las arterias, de nuestros vasos capilares y de nuestras venas, siendo su
peso aproximado de casi 3.5 kg. (5% del peso corporal total en un adulto de 70 kg.),
consumiendo sus células gran cantidad de energía, fruto de su activo metabolismo.
Función Principal del Endotelio
Mantenimiento de un tono vascular dilatado en la proporción exacta para conservar la
presión arterial en valores normales y permitir la perfusión tisular. Esta función la cumple a
través de la fabricación del OXIDO NITRICO (NOs), mediante la enzima convertidora
Endotelina.
El Oxido Nítrico
El óxido nítrico (NO) es una molécula multifuncional que interfiere con los mecanismos
anteriormente mencionados activados tras la denudación del endotelio. El NO inhibe la
interacción de las plaquetas con la pared vascular, la activación leucocitaria, la proliferación
de las CMLV y la síntesis de proteínas de matriz.
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Entre las principales sustancias vasodilatadoras se encuentra el Oxido Nítrico (NO) al que
se le reconocen además propiedades antiagregantes y antiproliferativas.
Las sustancias vasoconstrictoras más conocidas son la Angiotensina II (A II) de acción
constrictora directa e indirecta a través del estímulo para la liberación de la Endotelina (ET-
1), ésta última es la más potente sustancia vasoconstrictora conocida.
Generación de NO por parte de la NOs y su interacción con la Guanilato Ciclasa.
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Muestra Biológica
En el presente estudio de investigación se debe tener en cuenta las consideraciones éticas y de sentido
común que restringen la investigación en humanos. Por esta razón el uso de modelos animales para el
estudio de “desórdenes humanos” ha jugado un rol crítico en entender los procesos de enfermedades y,
de hecho, han sido de gran valor para el diseño y test de regímenes de tratamiento. Una gran variedad
de especies, vertebrados e invertebrados, han sido utilizados con estos fines. Por tanto un animal de
laboratorio es cualquier especie animal utilizada en experimentación con fines científicos.
Para la investigación se uso un Cobayo nombre científico Cavia Porcellus y/o Guinea Pig.
Procesamiento Digital de Imágenes
El procesamiento digital de imágenes no sólo se usa en el ámbito científico y tecnológico, también en el
ámbito de mercadotecnia y en la cinematografía (procesamiento digital de video).
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Imagen
Se entiende por "imagen" la apariencia visible de una forma. Esta definición se extiende corrientemente
hasta aceptar que una imagen es, así, la "representación" de una forma o de una entidad determinada.
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Sistema Procesamiento de Imágenes
Un Sistema de Procesamiento de imágenes sirve para representar en forma digital una
imagen y someterla a una serie de operaciones que permitan obtener una imagen
resultante que muestre algunas características deseadas no presentes en la imagen original
o que permita obtener Información para el logro de un objetivo particular.
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Sistema de procesamiento de
Imágenes IMAGEN
Nueva(s) Imagen(s)
Comandos de Control
Datos(Información)
Etapas del Procesamiento Digital de Imágenes
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Modelo de una Imagen Digital
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n
m
255,,2,1,0,
ji
M
.,,2,1
;,,2,1
mj
ni
Imagen Digital en nivel de gris
jiM
, 1, jiM
jiM
,1 1,1 jiM
jiM
,11,1 ji
M
1, jiM
Ventajas del Uso de MATLAB
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MATLAB
Fuera de línea
En línea, usando VFM
Ingeniería del Proyecto
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Subsistema De Acondicionamiento de Órganos Aislados
El diseño de este subsistema partió del rediseño de las cámaras realizadas en investigaciones
anteriores, para órganos aislados y agentes de vasoreactividad, las cuales eran pequeñas y poco
eficientes en la recirculación de agua. Estas nueva cámara es conectada en paralelo con el Termo
Regulador rediseñado en el Instituto de Bioingeniería Aplicada el cual era un MEDINGEN/SITZ
FREITAL, en el cual recircula agua a 37,5º C por las cámaras antes descritas, con la finalidad de
someter a Baño María la aorta torácica, la aorta en espera, la solución fisiológica denominada Ringer, la
que es usada para mantener con vida la aorta en estudio y las aortas en espera, y los fármacos de
vasodilatación y vasoconstricción. El subsistema mencionado anteriormente se muestra en la figura
siguiente:
Construcción de Cámara de Órganos Aislados y Repotenciación de un
Termorregulador
Para esta fase de la construcción de la cámara se procedió hacer los planos respectivos en Autocad y
construir con un material inerte el cual no afecte a ningún tejido que se pueda trabajar, para lo cual se
uso Acrílico y accesorios de teflón y materiales usados en venoclisis. Como se muestra en las
siguientes Figuras. La cámara estuvo provista también de un controlador de flujo para el Ringer 2 ml/s
a 50 ml/s (7 ml/s).
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ESQUEMA OPTIMO DEL SUBSISTEMA DE ACONDICIONAMIENTO DE
ÓRGANOS AISLADOS
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Temperatura:
37.5 C 0.01 C
Flujo:
7 ml/seg
ETAPA CONTROL DE TEMPERATURA
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ETAPA CONTROL DE FLUJO
Subsistema De Adquisición y Procesamiento de Imágenes
Para el siguiente subsistema de adquisición de imágenes se utilizó una video cámara Sony Handycam
DCR-TRV250 y su adecuado Video Visualizer, se utilizo este sistema por su excelente capacidad de
zoom, focalización y la disponibilidad de las salidas de video RCA. También se conto con una HP
Pavilion dv1000-Laptop para realizar el procesamiento en si de las imaginas y darnos la data
procesada., en las siguiente figuras se muestran los equipos usados.
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Desarrollo del Software de Adquisición y Procesamiento
Como para todo diseño de productos lo esencial es la creatividad y para el caso
de software no es la excepción es una actividad eminentemente creativa, en la
cual se toma en cuenta las necesidades del cliente, una interfaz amigable,
guardado de información, modularidad en el software.
Se siguieron estrategias de Diseño de Jerarquías hacia Abajo, pues se tuvo que
partir de información general para obtener información específica, la cuales son
las variaciones de contornos laterales y superficies de la aorta torácica.
Estructura del Diseño
Para la adquisición y procesamiento de imagen se conto con una video cámara
Sony Handycam DCR-TRV250 y con el Software denominado MATLAB
primordialmente.
Con estas herramientas se logro desarrollar el software SBAT-ABI.
La representación de todo el proceso se muestra a continuación en el siguiente
grafico.
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El software Biométrico Aórtico SBAT-ABI
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Interfaz principal de SBAT-ABI
A continuación se describen los tres bloques mostrados en la siguiente figura.
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33ABI - UNSA
Imagen para ser procesada por SBAT-ABI
Resultados
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Linea base Estable
t
Proceso de Estabilización con Ringer
Las tomas fueron hechas cada 10 segundos, el Ringer es un suero fisiológico especial con sus
respectivos nutrientes útiles para mantener vivo cualquier tejido o célula a un Ph de 7.45 y debidamente
oxigenado (95% de O2 y 5% CO2). Este grafico es de 20 minutos V.S. Diámetro externo (mm).
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2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
2.75
2.8
2.85
2.9
2.95
Tiempo
Dia
met
roDiametro Aortico Base
y = - 2e-006*x5 + 9.8e-005*x
4 - 0.0017*x
3 + 0.011*x
2 - 0.022*x + 2.8
Datos Base Ringer
Funcion Representativa
Máximo: 2.89195592 mm
Mínimo: 2.79591513 mm
Promedio: 2.84574813 mm
Proceso de Vasodilatación con Acetil-colina 3 µM (Ach).
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2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
2.75
2.8
2.85
2.9
2.95
3
3.05
3.1
3.15
3.2
Tiempo
Dia
met
roDiametro Aortico VasoDilatacion
y = 3.2e-005*x4 - 0.0013*x
3 + 0.017*x
2 - 0.042*x + 2.9
Datos Vasodilatacion
Funcion Representativa
Máximo: 3.20510969 mm
Mínimo: 2.84873416 mm
Promedio: 3.05246625 mm
Proceso de Vasoconstricción con Cloruro de Potasio 70mM (KCl).
ABI - UNSA 37
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
3
3.1
3.2
3.3
3.4
Tiempo
Dia
met
ro
Diametro Aortico VasoContraccion
y = - 1.3e-006*x6 + 8e-005*x
5 - 0.0018*x
4 + 0.02*x
3 - 0.11*x
2 + 0.23*x + 3
Datos VasoContraccion
Funcion Representativa
Máximo: 3.27115048 mm
Mínimo: 2.50873416 mm
Promedio: 2.82737704 mm
Data de los Tres Casos del Proceso de Investigación
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Tiempo
minutos
Ringer
Estabilización
D.Ext. - mm
Vasodilatación
Acetilcolina (Ach)
D.Ext. - mm
Vasoconstricción Cloruro de
Potasio (KCl)
D.Ext. - mm
1 2.839942322 2.86074776 3.187928726
2 2.819136883 2.848734164 3.115109692
3 2.808734164 2.86074776 3.271150479
4 2.871150479 2.891955917 3.056720569
5 2.854372232 2.96074776 3.015109692
6 2.871150479 2.971150479 2.987928726
7 2.850364024 3.008734164 2.967123288
8 2.891955917 3.091955917 2.998350781
9 2.850345041 3.131571975 2.850345041
10 2.829539602 3.119136883 2.871150479
11 2.808734164 3.079961374 2.891955917
12 2.86074776 3.160766674 2.691955917
13 2.79591513 3.102358636 2.629539602
14 2.871150479 3.205109692 2.512761355
15 2.871150479 3.087928726 2.687928726
16 2.798331445 3.139942322 2.508734164
17 2.881571975 3.118331445 2.656720569
18 2.881571975 3.108734164 2.508734164
19 2.798331445 3.139961374 2.598331445
20 2.860766674 3.16074776 2.539961374
Grafica Comparativa Entre Ringer, Ach(3µM ) y KCl(70mM).Fármacos
Estándares.
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5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 602.5
2.6
2.7
2.8
2.9
3
3.1
3.2
3.3
Time
Dia
met
roAnalisis Comparativo de Diametro
Ringer - VasoDilatacion - VasoContraccion
y = 5.7e-008*x5 - 8.3e-006*x
4 + 0.0004*x
3 - 0.0075*x
2 + 0.052*x + 2.8
Comportamiento de Aorta
Funcion Representativa del Comportamiento
Conclusiones Se logro diseñar e implementar una cámara de órganos aislados adecuado para la presente
investigación la cual mantuvo el tejido muscular de la aorta torácica en condiciones adecuadas para las
pruebas in Vitro (Ringer), con los respectivos fármacos.
En la cámara de órganos aislados se implemento y adecuo los controladores de flujo, temperatura de la
solución fisiológica Ringer y fármacos a través del tejido muscular y el respectivo control del baño
maría.
Se pudo obtener un software para la Adquisición, almacenamiento y procesamiento de imágenes
capturadas durante el comportamiento del tejido muscular (aorta torácica) de acuerdo a los estímulos
aplicados (según los fármacos usados; Acetil colina o KCL).
Con los resultados obtenidos del procesamiento de datos e imágenes se comprobó nuevamente que la
Acetil colina es un buen vasodilatador y el KCl cumple su función como vasoconstrictor.
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Recomendaciones Se propone en una siguiente etapa poder trabajar con otros fármacos existentes en el mercado, ya que
se tiene una base de datos como parámetros estándar para realizar las respectivas evaluaciones y
análisis, también es recomendable mejorar este software para poder analizar los tramos de aorta
torácica o cualquier otro tejido similar en 3 dimensiones y poder realizar reconstrucciones en estos
tejidos como un objeto tridimensional.
Al hacer la adquisición de las imágenes procurar evitar la mayor cantidad de sombras que se puedan
generar en la imagen por el posicionamiento de la iluminación y/o contra poner un fondo oscuro.
Este sistema como un equipo de análisis de imágenes de tejidos en bioingeniería puede ser usado por
ejemplo en bronquios, intestinos, etc., donde se desee observar las variaciones de los Diámetros,
perímetros y áreas.
ABI - UNSA 41
GRACIAS POR SU ATENCION
ABI - UNSA 42
Investigando por un sueño, la Ciencia.!!
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INSTITUTO DE BIOINGENIERIA APLICADA
ABI – UNSA
Dirección: San Agutin115, 2do. Piso, Cercado–Arequipa.
Telf. : 54-286256
renee.condori @ abi-unsa.edu.pe
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