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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

ABI - UNSA 21

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).

ABI - UNSA 36

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.

ABI - UNSA 39

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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