Progettazione e realizzazione di un sistema di telemetria multicanale per capsula endoscopica miniaturizzata

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 Nel panorama attuale esistono solamente dispositivi dotati di locomozione 
passiva, che viaggiano trasportati dai movimenti peristaltici del canale alimentare, 
dunque non in grado di focalizzare l�indagine su punti prestabiliti o di particolare 
interesse medico. Da quanto detto si capisce l�importanza di sviluppare un efficiente 
meccanismo di locomozione, controllabile da un operatore esterno, in grado di 
portare gli strumenti d�indagine, presenti nella capsula, nei siti di maggior interesse 
diagnostico. 
Nella realizzazione del sistema di spostamento da parte del gruppo E.Mi.L., � 
emersa la necessit� di integrare, nei vari prototipi realizzati, un sistema di 
trasmissione di dati utili al controllo del moto, ricavati da sensori di pressione, di 
spostamento, di slittamento e di flusso presenti a bordo.   
Nell�ottica della realizzazione di una capsula ingeribile, questa tesi si propone di 
progettare e sviluppare un sistema di telemetria wireless, la cui specifica pi� 
stringente � legata alle dimensioni del circuito di trasmissione, che dovr� essere 
collocato all�interno del dispositivo di analisi.  
Le maggiori difficolt� che un obiettivo di questo tipo comporta sono: 
• L�attenta scelta di una frequenza di trasmissione in grado di attraversare lo 
schermo offerto dai tessuti umani; 
• Stabilire un limite massimo alla potenza di trasmissione che eviti danni di 
qualsiasi tipo al paziente; 
• Scegliere dei componenti elettronici che rispettino le specifiche richieste, 
tra cui le ristrette dimensioni del sistema di trasmissione; 
• Progettare un tipo di antenna compatibile con la forma e le dimensioni 
della capsula; 
• Realizzare un�interfaccia utente semplice ed intuitiva, che possa essere 
sfruttata per visualizzare i dati ricevuti. 
 
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Si procede ora ad una descrizione dell�apparato digerente, da un punto di vista 
anatomico-funzionale, e delle sue principali patologie, seguita da una panoramica dei 
metodi d�indagine del tratto gastro-intestinale oggi utilizzati in campo medico e delle 
capsule ingeribili per acquisizione di dati diagnostici; segue poi una pi� approfondita 
descrizione del progetto E.Mi.L. Da qui si passa all�esposizione del lavoro di 
progettazione svolto, costituito da una prima parte in cui viene scelta la frequenza di 
trasmissione e svolta un�analisi delle normative vigenti in materia. Nella seconda 
parte vengono scelti i componenti elettronici adatti al sistema di trasmissione e, dopo 
averne fornito una breve descrizione, viene illustrato il circuito elettronico 
progettato, la modalit� di funzionamento dei vari dispositivi e le dimensioni che 
l�intero sistema verr� ad avere una volta realizzato. Nella terza parte si propone una 
soluzione per la parte di ricezione, che comprende una panoramica sui dispositivi 
che possono essere utilizzati, la motivazione della scelta effettuata, la descrizione del 
circuito elettronico progettato e dell�interfaccia utente realizzata. 
Nel seguito vengono descritti i due sistemi di validazione realizzati con la 
finalit� di avere riscontri sperimentali alla progettazione svolta; viene inoltre  
presentato un primo prototipo dell�intero sistema ed illustrate le problematiche 
affrontate durante la sua realizzazione. A questo capitolo seguono i risultati 
sperimentali raccolti durante le prove eseguite, la loro analisi e le conclusioni che se 
ne pu� trarre.  
 
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Capitolo 1
 
Apparato Digerente e sue Patologie 
 
1.1 Descrizione Anatomica 
 
Una colazione consumata in fretta, un pranzo di lavoro, una cena in 
un�occasione importante�.tali situazioni sono legate da un elemento comune: il 
cibo. Questo assicura le materie prime e le sostanze nutritive che le cellule utilizzano 
per sopravvivere, svolgere la loro funzione ed, eventualmente, riprodursi. L�energia 
necessaria per espletare tali funzioni viene prodotta dal catabolismo delle molecole 
organiche, che derivano dal cibo. La funzione dell�apparato digerente � quella di 
cambiare complesse molecole nutritive presenti negli alimenti in composti organici 
ed inorganici pi� semplici, che possano essere assorbiti nel sangue e quindi essere 
trasportati alle cellule. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  
Fig. 1.1 Gli organi della digestione 
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1.1.1 Suddivisioni dell’apparato 
 
Le due parti principali in cui l�apparato � suddiviso sono il canale alimentare e 
gli organi accessori (Fig. 1.1). Il canale alimentare si estende dalla bocca all�ano. 
Esso � formato dalla cavit� orale, dalla faringe, dall�esofago, dallo stomaco, 
dall�intestino tenue e dall�intestino crasso. La digestione ha luogo nella cavit� orale, 
nello stomaco e nell�intestino tenue; la maggior parte dell�assorbimento delle 
sostanze nutritive si svolge nel tenue. Materiale indigeribile, soprattutto cellulosa, 
viene eliminato attraverso l�intestino crasso (chiamato anche colon). 
Gli organi accessori sono i denti, la lingua, le ghiandole salivari, il fegato, la 
cistifellea ed il pancreas. La digestione non ha luogo all�interno di questi organi, ma 
ciascuno di essi contribuisce al processo digestivo. 
 Prima di procedere nella discussione sui principali organi dell�apparato 
gastrointestinale, verr� esaminata la struttura del canale alimentare. Questo, visto in 
sezione, mostra cinque strati (Fig. 1.2): la mucosa, la muscolaris mucosa, la 
sottomucosa, lo strato muscolare esterno e la sierosa. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
           Fig. 1.2 Sezione della parete del canale alimentare 
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Ogni strato ha una struttura specifica, le cui funzioni contribuiscono all�attivit� 
dell�organo: 
• La mucosa � formata da tessuto epiteliale. Nell�esofago essa presenta un 
epitelio squamoso stratificato, mentre nello stomaco e nell�intestino � un 
epitelio cilindrico semplice. La mucosa secerne muco, che lubrifica le pareti 
dell�organo ed il cibo al suo passaggio; oltre a ci� secerne gli enzimi 
digestivi dello stomaco e dell�intestino tenue. Appena sotto l�epitelio vi sono 
dei linfonodi che contengono macrofagi in grado di fagocitare batteri ed altro 
materiale estraneo che oltrepassi l�epitelio. 
• La muscolaris mucosa � lo strato muscolare che separa la mucosa dalla 
sottomucosa. 
• La sottomucosa � composta da tessuto connettivo areolare (lasso) con molti 
vasi sanguigni e vasi linfatici. Una rete nervosa autonoma, chiamata plesso 
di Meissner, innerva la mucosa per regolarne la secrezione, che viene 
aumentata dagli impulsi parasimpatici e diminuita dagli impulsi simpatici. 
• Lo strato muscolare esterno  � formato da due strati di muscoli lisci: uno 
interno circolare, ed uno esterno longitudinale. Esistono tuttavia eccezioni: 
nell�esofago, questo strato � formato da muscolatura striata, che 
gradualmente si trasforma in muscolo liscio nella porzione pi� bassa; lo 
stomaco presenta tre strati di muscolatura liscia, anzich� due. Le contrazioni 
di questo strato muscolare aiutano a frammentare il cibo ed a mescolarlo col 
succo digestivo. La contrazione peristaltica unidirezionale, che ha la 
funzione di spingere il cibo verso l�ano, � dovuta al Plesso di Auerbach, con 
cui si identifica la rete nervosa autonoma presente in questo strato: impulsi 
simpatici riducono la contrazione e la peristalsi, mentre impulsi 
parasimpatici le aumentano.  
• La sierosa, nel tratto di esofago sopra il diaframma, � costituita da tessuto 
fibroso connettivo. La cavit� addominale � ricoperta dal cosiddetto peritoneo 
parietale, in genere chiamato semplicemente peritoneo. Il liquido sieroso fra 
mesentere e peritoneo previene l�attrito quando il canale alimentare si 
contrae e gli organi scivolano l�uno contro l�altro. 
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1.1.2 Anatomia dello stomaco 
 
Lo stomaco � situato nel quadrante superiore sinistro della cavit� addominale e 
si estende dall�esofago all�intestino. Grazie alla sua forma a sacca, funge da 
serbatoio per il cibo, cosicch� la digestione possa procedere in modo graduale. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Le parti principali dello stomaco sono mostrate nella figura 1.3: il cardias � 
l�apertura che lo pone in comunicazione con l�esofago; il fondo � la porzione posta 
sotto il livello di questa apertura; il corpo dello stomaco � la parte centrale pi� larga, 
limitata lateralmente dalla grande curvatura e medialmente dalla piccola 
curvatura; il piloro � la parte terminale dello stomaco, prima del duodeno (che � 
parte dell�intestino tenue), e lo sfintere pilorico circonda il tratto di congiunzione tra 
queste due porzioni. Il fondo ed il corpo sono porzioni prevalentemente dedicate 
all�accumulo di cibo, mentre la parte che comprende il piloro ha principalmente 
funzione digestiva. 
Fig. 1.3 Vista anteriore dello stomaco 
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Quando lo stomaco � vuoto, la mucosa appare raggrinzita o ripiegata; le pieghe 
che si formano vengono dette pliche; esse si stirano quando lo stomaco si riempie e 
permettono la distensione della superficie senza che si verifichino lacerazioni. 
Le ghiandole dello stomaco sono formate da diversi tipi di cellule, che 
producono il succo gastrico. Il muco secreto da cellule mucipare protegge la parete 
dello stomaco dall�erosione del succo gastrico. Le cellule principali rilasciano 
pepsinogeno, il quale, in ambiente acido, si attiva divenendo pepsina, responsabile 
della prima digestione delle proteine in polipeptidi. L�acidit� del succo gastrico � 
dovuta all�acido cloridrico, rilasciato dalle cellule parietali, a cui conferisce un pH 
di circa 1 o 2. 
Il succo gastrico � secreto in piccole quantit� anche alla vista e all�odore del cibo 
per effetto di una risposta parasimpatica. L�arrivo del cibo provoca, da parte della 
mucosa, la secrezione dell�ormone gastrina, che stimola la produzione di maggiori  
quantit� di succo gastrico. 
Lo strato muscolare esterno dello stomaco � formato da tre livelli di muscolatura 
liscia; questi conferiscono all�organo propriet� meccaniche molto efficaci, che 
trasformano il cibo in una spessa massa semiliquida, chiamata chimo. 
Lo sfintere pilorico � normalmente contratto quando il cibo staziona nello 
stomaco; ma si rilascia per alcuni intervalli di tempo per consentire al chimo di 
passare nel duodeno; lo sfintere poi si ricontrae, per evitare il reflusso del contenuto 
intestinale nello stomaco.  
 
1.1.3 Anatomia dell’intestino tenue 
 
L�intestino tenue (o piccolo intestino) presenta un diametro di 2.5 cm ed una 
lunghezza approssimativa di circa 6 metri; si estende dallo stomaco alla parte 
dell�intestino crasso chiamato cieco. All�interno della cavit� addominale, l�intestino 
crasso circonda la �matassa� del tenue (Fig. 1.4).  
Il duodeno costituisce i primi 25 cm del piccolo intestino. Il digiuno � lungo 
circa 2.5 metri e l�ileo 3.5 metri. 
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La digestione � completata nel piccolo intestino, dove i prodotti finali della 
digestione vengono riassorbiti nel sangue. Lo strato muscolare mostra la tipica 
struttura circolare e longitudinale e, contraendosi, mescola il chimo con le secrezioni 
digestive e lo spinge verso il colon. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Le fonti di secrezione nell�intestino tenue sono tre: il fegato, il pancreas e lo 
stesso intestino tenue. 
1.1.4 Anatomia dell’intestino crasso 
 
L�intestino crasso, detto anche colon dal nome del segmento principale, � lungo 
approssimativamente un metro e mezzo, presenta un diametro medio di circa 6.3 cm 
e si estende dall�ileo del tenue all�ano.  
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 1.4 La �matassa� del tenue 
 
Fig. 1.5 L�intestino crasso
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Il primo tratto � costituito dal cieco ed alla sua congiunzione con l�ileo si trova la 
valvola ileocecale: un restringimento che svolge una funzione analoga a quella di 
uno sfintere. La chiusura di tale valvola evita il reflusso di materiale fecale verso il 
tenue. 
Nella regione cecale � collocata l�appendice: un prolungamento vermiforme a 
fondo chiuso, ricco di tessuto linfatico, lungo dai 6 agli 8 centimetri. Questo � un 
organo vestigiale o residuo strutturale, cio� non svolge nessuna funzione 
apparente. 
Il resto del colon � formato dal colon ascendente, dal colon traverso e da quello 
discendente, che circondano l�intestino tenue; il colon sigmoideo (o sigma) decorre 
all�interno della fossa iliaca sinistra ed all�indietro nello scavo pelvico; il retto, 
composto dal canale anale e dall�ampolla rettale, � lungo circa 12 cm. 
Nel colon non avviene alcuna digestione; viene riassorbita acqua e secreto del 
muco, che facilita il passaggio e lo scorrimento del materiale fecale. La parete 
esterna del colon � formata da muscolatura liscia, disposta longitudinalmente in tre 
nastri, chiamati tenie del colon. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Tra le tenie si formano tre serie di tasche chiamate haustra, che aumentano la 
superficie interna dell�organo. 
 
Fig. 1.6 Particolari dell�intestino crasso 
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1.2 Fisiologia dell’apparato digerente 
 
1.2.1 Tipi di digestione 
 
Il cibo che mangiamo viene frammentato attraverso due processi complementari: 
• la digestione meccanica � lo spezzettamento fisico del cibo, tipico della 
masticazione, dove il cibo viene ridotto in frammenti, la cui superficie risulta 
maggiormente esposta all�azione degli enzimi; 
• la digestione chimica consiste nel lavoro degli enzimi digestivi, per cui 
molecole chimiche complesse vengono trasformate in molecole semplici, 
utilizzabili dall�organismo. 
I tre tipi di molecole organiche complesse che si trovano nel cibo sono i 
carboidrati, le proteine ed i grassi. I primi vengono trasformati in monosaccaridi, 
le seconde sono scisse in aminoacidi ed i grassi convertiti in acidi grassi e glicerolo. 
Vengono inoltre rilasciate, durante la digestione, vitamine, sali minerali ed acqua. 
1.2.2 Motilità del tratto gastrointestinale mesenteriale 
 
Il tratto gastrointestinale � innervato da fibre sia simpatiche, che parasimpatiche, 
attraverso cui i centri del sistema nervoso autonomo influenzano le attivit� motorie e 
secretorie e regolano il calibro dei vasi. La muscolatura esterna � responsabile del 
rimescolamento e della propulsione del contenuto del tratto gastrointestinale. 
Le cellule muscolari lisce, che rivestono il canale alimentare, sono accoppiate 
elettricamente ed il loro potenziale di membrana a riposo presenta oscillazioni, il cui 
ritmo � caratteristico per ogni singolo segmento. Tali andamenti sono chiamati onde 
lente e controllano la cadenza e la forza delle contrazioni dei muscoli; la loro 
frequenza varia da 3 al minuto nello stomaco, fino a 12 al minuto nel duodeno. La 
struttura anatomica delle cellule interstiziali, che generano le onde lente, e dello 
strato muscolare esterno, garantisce il rapido propagarsi dell�impulso nervoso in 
ciascun segmento del tratto gastrointestinale. 
L�attivit�  motoria dello stomaco ha la funzione di mescolare il cibo con il succo 
gastrico, nonch� di suddividerlo meccanicamente. Lo svuotamento gastrico � 
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finemente regolato in modo da assicurare che il chimo non venga riversato nel 
duodeno ad una velocit� superiore a quella con cui duodeno e digiuno neutralizzano 
l�acido gastrico e modificano il chimo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
La principale attivit� contrattile dell�intestino tenue � la segmentazione (Fig. 
1.7), che garantisce il rimescolamento del contenuto intestinale, senza per� una 
rilevante capacit� propulsiva: la ridotta velocit� di trasporto del contenuto intestinale 
consente un tempo di transito adeguato alle necessit� digestive e di assorbimento. La 
frequenza di queste contrazioni va da circa 11-12 per minuto nel duodeno ad 8-9 
nella porzione terminale dell�ileo. 
Lo sfintere ileocecale, normalmente chiuso, si rilascia in risposta alla presenza di 
onde peristaltiche corte nella porzione terminale dell�ileo, consentendo l�eiezione di 
piccole quantit� di chimo nel cieco. Solitamente tale passaggio avviene ad una 
velocit� sufficientemente bassa da consentire al colon di assorbire la maggior parte 
dei sali e dell�acqua residui. 
1.2.3 Motilità del colon 
 
Il colon riceve, dalla porzione terminale dell�ileo, da 500 a 1500 millilitri di 
chimo al giorno. La maggior parte dei sali e dell�acqua che vi entra viene riassorbita: 
le feci prodotte in 24 ore contengono, infatti, solamente 50-100 millilitri di acqua al 
giorno (Fig. 1.8). 
Come si vede in figura, problemi di assorbimento possono portare ad eventi 
diarroici o di stipsi nel caso in cui si abbia una disfunzione dell�intestino tenue o del 
crasso, rispettivamente. 
 
Fig. 1.7 Tipi di contrazione del tratto gastrointestinale 
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Le contrazioni del colon mescolano il chimo e ne determinano il movimento 
lungo la superficie mucosa; mano a mano che il chimo diviene semisolido, il 
miscelamento assume le caratteristiche di un movimento di impasto. La progressione 
del contenuto del colon � lenta, raggiungendo valori di velocit� massimi di circa 10-
15 cm all�ora. 
La maggior parte delle contrazioni del cieco e della porzione prossimale 
dell�intestino crasso sono di tipo segmentario, molto pi� adatte pertanto al 
mescolamento del contenuto intestinale, che alla sua propulsione. Questa azione 
facilita l�assorbimento dei sali e dell�acqua da parte dell�epitelio. 
Contrazioni segmentarie localizzate suddividono il colon in porzioni adiacenti di 
forma ovoidale, denominati haustra; per questa ragione, nel colon, la segmentazione 
� denominata austrazione (Fig. 1.9).  
La pi� evidente differenza tra la segmentazione dell�intestino tenue e 
l�austrazione consiste nella regolarit� delle sezioni prodotte da quest�ultima e dalla 
notevole estensione dell�intestino che ne � interessato. 
Nel primo tratto del colon, i movimenti �antipropulsivi� sono assai frequenti e 
possono manifestarsi sia sotto forma di peristalsi inversa, che di onde propulsive 
segmentali dirette verso il cieco. 
 
Fig. 1.8 Assorbimento dell�acqua nell�intestino 
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Questi movimenti tendono a trattenere il chimo nel colon ascendente, favorendo 
l�assorbimento dei sali e dell�acqua. 
Da una a tre volte al giorno si verifica un moto di contrazione simile ad un�onda 
peristaltica, chiamata movimento di massa, caratterizzata dal fatto che i segmenti 
interessati rimangono contratti a lungo. Questi movimenti hanno la funzione di 
spingere, in direzione aborale, il materiale presente in una cospicua frazione di 
colon. 
Il retto, che � generalmente vuoto, ha un�attivit� contrattile segmentaria 
superiore a quella del colon sigmoideo e, di conseguenza, il contenuto rettale tende 
ad essere trasportato all�indietro, verso il sigma. Il canale anale � saldamente chiuso 
dall�azione di appositi sfinteri; prima della defecazione, il retto viene riempito per 
l�azione di un movimento di massa del colon sigmoideo. La distensione che ne 
consegue induce il rilassamento riflesso dello sfintere anale interno e la contrazione, 
sempre per via riflessa, dello sfintere anale esterno, che produce la sensazione di 
urgenza di defecare. 
 
Fig. 1.9 Immagine radiografica del colon