Paolo Daño y Añanna Menciassi son profesores de robóticabiomédica en la Esruela Superior de Santa Ana. de Pisa. Inventoren los años noventa del primer robot colonoscópico autopropulsado.Dario ha sido también uno de lOspioneros en el desarrollode los endoscopios robóticos capsulares. Mendassi seha espedalizado en miauingenieria para tratamientosmínimamente invasivos y en nanotecnología médica.

Cápsulas robotEn un futuro próximo, diminutos dispositivos operarán,administrarán fármacos o diagnosticarán enfermedades

Paolo Dario y Arianna Menciassi

UANDO EN 1966 SE ESTRENÓ VIAJE ALUCINANTE,

la película representaba ciencia-ficción en es-tado puro: un equipo de médicos miniaturi-zado viajaba por el torrente circulatorio de unimportante científico para reparar en su cere-J bro ciertas lesiones que le salvarían la vida.Pero cuando en 1987 HoUywood optó por un

segundo intento con la comedia El chip prodigioso, ingenierosde carne y hueso estaban emprendiendo la construcción deprototipos de robot del tamaño de una cápsula farmacéutica,ad€é:;,¡a.dos para recorrer el tubo digestivo humano y prestarservicios médicos. En el año 2000, los pa~ientes engulleron lasprimeras cámaras encapsuladas de producción comercial, quehan venido utilizándose desde entonces para captar imágenesde recónditos pliegues del intestino delgado, muy difíciles deobtener sin cirugía.

Una fantasía todavía viva de Viaje alucinante es que algúndía tales microcámaras maniobren por medios propios y se des-placen hacia un tumor para efectuar una biopsia, reducir infla-maciones del intestino delgado e incluso administrartratamien-tos para las úlceras. En años recientes, se han logrado grandesavances en la conversión de los elementos básicos de una micro-cámara pasiva en un minibot activo (un robot diminuto). Exis-ten prototipos avanzados, ensayados en animales, que disponende patas, sistemas de implUsión, objetivos fotográficos muyavanzados y sistemas de teleguiado inalámbrico. Puede que den-tro de poco esos robots diminuros ya se estudien en ensayos clí-

nicos en humanas. _AJ1Dramismo, los minibots están poniendo aprueba los límites de la miniaturización en robótica.

TRANSFOR}IACIÓN DE CÁPSULAS PASIVASEl tubo digestivo constituye el primer reto a superar. La prime-ra microcámara cndoscópica inalámbrica, M2A, introducida en1999 por la compañía israelí Given Imaging, y los modelos quela siguieron demostraron la utilidad de examinar e! aparato di-gestivo mediémte nn dispositivo inalámbrico. Esta técnica, laendoscopia capsular, se apiica de forma rutinaria en la prácticamédica actuaL Desgraciadamente, esas Inicrccámaras pasivasno se pueden controlar desde el exterior, lo que causa un eleva-do número de falsos negativos. Las cámaras no se detienen aexaminar zonas problemáticas, defecto inaceptable en un ins-trumento diagnóstico. Si la finalidad de la inspección del inte-rior del cuerpo es un cribado (scTeení7l.g) preventivo o el exa-men detallado de un supuesto problema, lo que más desea elmédico es detener la cámara y maniobrarla para estudiar lasregiones de interés.

La transformación de una cápsula pasiva en un dispositivomás fiable pa.ra el examen gastrointestinal exige la adición de ac-tuadores o apéndices móviles que permitan propulsar la cápsulapor el interior del cuerpo o manipular tejidos. Para el control ymanejo de los elementos móviles se requieren transmisionesinalámbricas rápidas y bidireccionales, necesarias para la recep-ción de imágenes y la comunicación de instrucciones. Las cápsu-las endoséópicas habrán de convertirse, de hecho, en microrro-

las cámaras encapsliladas han permiti-do la observación del interior del tubodigestivo. pero las aplicadones y la preci-sión de las cápsulas pasivas son limitadas.

Se están desa~ronando cápsulas ro-bóticas activas del !amaño de una p11-dora para procedimientos de cribado.diagnóstico o terapéuticos.

la rniniaturización de compQr¡~n-tes robóticos para que realicen tareasintracorpóreas plantea problemas deingeniería novedosos. las dificul!a-

des están gefle@ndo soluciones ima-ginativas que influirán tanto en larobótica como en otras técnicasmédicas.

bots que respondan al instante a las órdenes de un técnico. Esosdispositivos precisan una l:antidad sulil:ientc tle energía para lle-var a buen fin su tarea. cn un periplo quc pudicra durar hasta12 horas. Y todo ello ha de l:aber en un receptáculo de no más dedos centímetros cúbicos -al~o así como un caralllelo- para queel paciente pueda tragársclo sin excesiva dificultad.

El mismo año en que apatTl:iá la microcámara M2A, otrocentro en Seúl, Intelligent Microsystellls Center ({Me>, puso enmarcha un proyecto de unos diez ,li'!OS de duración para el de-sarrollo de endoscopios capsulan:s dotados de característicasavanzadas. Tal cápsula mbótica integraria una serie de sensoresy una fuente de luz para la obtención de il1Já.~cnes. Contaríatambién con dispositivos para administrar tratamientu:; farllla-cológicos y con elementos para efectuar biopsia.'>. Y tendría ca-pacidad de locc.,noción. l'fll1lrolarla ,1 distancia por vía inahím-brica por el endoscopisla. \)e:~de el aiio 2000.' otras ('rJlllpai'iía:o;y gmpos de investigación:;e han interesado por este campo. Enparticular, 18 equipos europeos han l:onstituidq un eonsqrciocon el IMe con el objetivo <1e desarrollar robo!.s capsulares para

la detección y tratamiento del cáncer. Nuestro grupo de la Es-cuela Superior de Santa Ana., en Pisa, con supervisión y guía mé-dica de Marc O. Schurr, de Novineon, en Tubinga, se encarga dela coordinación científica y técnica de ese proyecto, llamadoVECTOR (sigla en inglés de «Cápsula endoscópica versátil parala identítkación y tratamiento de tumores gastrointestinales»).

Esos grupos del ámbito académico e industrial han apor-tado numerosas ideas innovadoras. Han propuesto todo unabanico de soluciones para la dificultad principal, a saber, elcontrol del movimiento de dispositivos capsulares en el inte-rior del organ ismo. l.a mayoría de ellos adoptan una de dos me-todologías básicas_

En la primera. la dirección del movimiento se confía a actua-dores instalados a bordo del dispositivo. Se trata de elementosmóviles, como paletas, patas, hélices u otros apéndices similaresintegrados en el contenedor del (lispOsitivo, que se desplieganuna vez la c[lpsula se halla en el tubo digc:;tivo. Los actuadores,propulsados por Illicromotol'es, sirven sobre todo para gobernarel nHJvÍmicnto cle la cápsula: pero en algunos disei'los, las patas

Minibots con múltiples funcionesres para imágenes y una fuente de energía: todo ello en una cápsula quese pueda deglutir. He aquí ejemplos de tareas que se desea encomendara los minibots y vías para superar los problemas técnicos.

La construcción de robots diminutos (minibots) que actúen en el tubodigestivo exige hallar formas de controlar a distancia su locomoción y s.usmovimientos finos. Han de alojar los instrumentos necesarios. los senso-

LocomociónElmovimiento de los robots endoscópicos se controla por actuado res instaladosa bordo (patas, paletas, hélices o apéndices ciliares) o mediante campos magnéticosextracorpóreos.

Distensión de tejidosUna de las formas de apartar tejidos.para poder avanzar o examinar,es dotar al robot de fuertes propulsores. Un método menos consuntivo deene;gía consiste en hacer que el paciente beba agua (derechal.lo que distiendeel tubo digestivoy permite maniobrar a una cápsula impulsada por hélice.

pueden asimismo separar o distender tejidos, sea para observar-los mejor o para facilitar el paso de la-cápsula a través-de-algúntramo aplastado del intestino. Los motores y los mecanismosactuado res, como los engranajes, ocupan una gran proporcióndel volumen total de la cápsula, que ha de poderse tragar. Ellodificulta la integración de otros elementos terapéuticos esencia-les, como instrumentos para la toma de imágenes o de muestraspara biopsia. Por otra parte, para distender tejidos, la cápsula hade ejercer fuerzas equivalentes a 10 o 20 veces su propio peso.Ello exige un importante esfuerZo de los motores, lo que suponeun oneroso consumo energético de las baterías (alrededor demedio vatio) y limita el tiempo de actuación de los dispositivos.

Para conservar al máximo la energía de la batería, una solu-ción intermedia consistiría en utilizar lo~ actuado res solo parala propulsión y hallar otros medios para distender los tejidos.Podría hacerse ingerir al paciente medio litro de líquido trans-parente justo antes de e~"Ullir una cápsula propulsada por hé-lice, de modo que el estómago quedara distendido duranteunos 20 minutos antes de que el líquido fluy:erahacia el intesti-no delgado_ Durante ese tiempo, la cápsula podría «nadar»bajo control inalámbrico y examinar el revestimiento de la pa-red estomacaL •..

E.Ivolumen y el consumo energético de los actuadores ubi-cados a bordo han llevado a otros investigadores a centrarse enotra metodología: la aplicación de campos magnéticos desde elexterior del cuerpo para controlar a distanéia el movimiento de

• Diagnóstico y tratamientoLacápsula puede portar WliL variedad de instrumentos:una cámara espectroseópica para examinar células bajola capa superficialde un tejido,un dip para tomarmuestras o un pocillocon una dosis de medicamento.

la cápsula. Olympus y Siemens presentaron en 2005 un sistemamagnético de teleguía para girar su cámara en~l!R.suladapasi-va. Según publicaciones de Siemens, el movimiento helicoidalinducido genera una fricción leve que facilita el tránsito de lacámara por estrechamientos del tubo digestivo, como ocurre enel intestino delgado.

Conducir por los intestinos una cápsula endoscópica conayuda de imanes es cosa sencilla, pero lograr un control posi-cional fiable utilizando solo elementos magnéticos supone una ~dificultad extrema. La intensidad del campo magnético decae ~rápidamente con la distancia, y en vista de la irregular geome- ~tría intestinal, las alteraciones súbitas de la intensidad del lcampo pueden provocar un cambio brusco de la posición de la tcápsula o interrumpir el control magnético sobre ella. En la _

-!lpráctica, esa inestabilidad puede provocar que el operador pier- "da el-eontacto con la cápsula y no consiga volver a encontrarla. !Es posible compensar esos inconvenientes mediante más irna- Ines, lo que proporcionaría mayor control y estabilidad, pero ~ello exigiría engorrosas configuraciones de las bobinas que ge- i1i

neran los campos magnéticos. ~~%HÍBRIDOS A LA MEDIDA !

En vista"de las limitaciones que plantean los métodos tanto ~internos como externos de control del movimiento de la cápsu- !la, proponemos combinar ambas estrategias para hallar una so- ;;lución lo menos molesta para el paciente y que ofrezca diagnós- ~

Cirugía mediante control remotoUna forma de ampliar las tareas de las cápsulas robot es diseñarlas par¡¡ que seensamblen por sí mismas. El paciente ingeriría una docena o más de tales cápsulasy. una vez. en el estómago. se .OJmbinarían unas con otras par¡¡ formar un robot de mayortamaño y potencia. Los cirujanos controlarían el dispositivo por vía inalámbrica. Finalizadala intervención. el robot se descompondría en cápsulas. que serían evacuadas sin riesgopor el tubo digestivo.

ticos ftables. La locomoción magnética dirigida desde el exteriorserviría para el posicionamiento grosero de la cápsula en unazona intestinal; los actuadores pedunculares resultarían útilespara desplazarla desde su posición actual o para maniobrarlay buscar mejores vistas.

Nuestro grupo de investigación ha diseñado una cápsula hí-brida dotada de cuatro patas accionadas por un motor. Se haensayado en un cerdo, cuyo intestino presenta las mismas di-mensiones que el de los humanos. Mientras se engulle el artilu-gio y durante la mayor parte de su trayecto por el tubo digesti-vo, las patas de la cápsula se mantienen cerradas. Un generadormagnético externo, mantenido cerca del abd.omen, va guiandoel'avance de la cápsula. Cuando esta se encuentra con un seg--5

~ mento de intestino con las paredes aplastaua.:>,alza el tejido cir-~ cundante extendiendo sus patas y se desplaza hacia adelante a';1 través de la abertura.'>'~ En casi todas las regiones de los intestinos delgado y grueso,~ un sistema morido de locomoción proporcionaría el control~ que los médicos necesitan para efectuar una concienzuda íns-;¡jIX pección visual. Situaciones diferentes exigirán soluciones dis-8- tintas. El proyecto VEc..TOR ha desarrollado así tres conceptos1 de cápsula solG-para el intestino delgado. La primera consiste

en una cámara encapsulada .pasiva, útifen exámenes nórmales.~ La segunda es una cápsula diagnóstica con locomoción activa y~ un sensor espectroscópioo para detectar anomalías subyacen-g tes a la superficie tisular. Ese mismo sensor se incorporará a la

Una cápsula híb:l'ida,guiada por imanes desdeel exterior, navega por elcolon de un cerdo. Dispo-ne de patas extensiblespara ajustar su posicióno separar tejidos.

tercera cápsula VECTOR, todavía en fase de diseño, que irá do-tada, además, de un instrumento para biopsias: tomará unamuestra de tejido y la almacenará en su interior, muestra quese recuperará cuando la cápsula sea eXcretada por el paciente.

Los robots capsulares endoscópicos se convertirían en ins-trumentos médicos todavía más importantes si realizasen biop-sias u otras acciones terapéuticas más complejas, como inter-venciones quirúrgicas. Pero algunos problemas fundamentales,entre ellos el suministro de energía, las restricciones de espacioy lo limitado de la fuerza de torsión, pueden impedir que unasola cápsula de un par de centímetros cúbicos efectúe accionesterapéuticas que conllevan movimientos complicados y la in-tervención de múltiples actuado res.

Por esa razón trabajamos ahora en una idea avanzada: ro-bots quirúrgicos autoconfigurables dentro del organismo. Elpaciente debería ingerir un fluido que distendiera el estómagoy después tragar unas 10 o 15 cápsulas. Cada cápsula sería uncomponente miniaturizado provisto de imanes en sus extre-mos. Una vez en el interior del estómago, las cápsulas, guiadaspor control remoto, se ensamblarían rápidamente entre sí,adoptando la configuración deseada. Después, el cirujano utilí-zaIía el robot ensamblado como un instrumento gobernado adistancia, que operaría sin necesidad de efectuar ni una sola i.n-cisión desde el eXlerior del cuerpo. Una vez terminada la inter-vención, los enlaces magnéticos entre las cápsulas podrían re-configurarse o eliminarse, de modo qüe las piezas se expulsa-rían illocuamente tras recorrer el resto del tubo digestivo.

COntamos ya con-Urí1'5Í'ótotipoinicial, basado en cápsulas dedos centímetros, con actuado res y pi.ezas internas configura-bles para cada caso. Una o más cápsulas podrían ir dotadas decámaras, otras, de instrumentos, y todas se controlarían por víainalámbrica.

Los componentes robóticos miniaturizados pueden acabarhallando usos más generales en nuestro organismo, con multi-tud de fine:;. Los sistemas de guiado y las micra cámaras de-sarrolladas para la endoscopia capsular están influyendo ya entécnicas biomédicas afines, como en los equipos más modernosde endoscopia o cirugía laparoscópica. Más allá de la atenciónsanitaria, esas técnicas forman parte de la tendencia generalhacia la robótica multifuncional miniaturizada con control ina-lámbrico. No hay duda de que los robots capsulares contribui-rán al desarrollo de máquinas robóticas con otras aplicaciones,además de la médica.

WareIess capsule endoscopy: from diagnostic devices to multipurpose robotic systems.Andrm MogIia. Arianna Menciassi. Marc Oliver Sd1urr y PaoJo Dario en Biomedical Microdevices.~. 9.11.' 2, págs. 235-243. 12de diciembre de 2006.WareJess therapeutic endoscopic capsule: In vivo expeñmeliF.P. Valdastri el al. en Endos-aJfI)' 2008. vol. 40. n'12. págs. 979-9'02. diciembre de 2008.WareJess reconfigurabfe modules for robotic endoIuminal surgery. Kanako HalOda.Ekawahyu Susilo. Arianna Menciassi y PaoIo Dano en Proceedings of the 2009 IEEE Intematiollal[on~ on Robotics and,l\utnmation. Kobe, Japón. mayo de 2009.