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Please use this identifier to cite or link to this thesis: http://hdl.handle.net/10589/123475

Author: GRAMUGLIA, FRANCESCO
Supervisor: DE MOMI, ELENA
Scientific Disciplinary Sector: ING-INF/06 BIOINGEGNERIA ELETTRONICA E INFORMATICA
Date: 28-Jul-2016
Academic year: 2015/2016
Title: Design and implementation of an ultra low cost endoscopic platform for gastric cancer screening : the hydrojet endoscopic system
Italian abstract: In un panorama dove il cancro allo stomaco risulta una delle principalicause di morte per cancro nel mondo e considerando la concentrazionedei focolai di tale malattia in paesi sottosvluppati (LMIC), diverse pro-blematiche impediscono efficaci programmi di cura e prevenzione. Cisono molte ragioni che portano all’impossibilit`a di effettuare un efficaceprevenzione in paesi in via di sviluppo e con risorse limitate come loHonduras: l’elevato costo di una piattaforma endoscopica, la carenza dioperatori speciaizzati, la fragilit`a della strumentazione e il lungo tempo diriparazione e manutenzione dei dispositivi.La diagnosi precoce ha mostrato una significativa riduzione dellamortalit`a del cancro allo stomaco. Per questa ragione, risulta necessariauna piattaforma che permetta programmi di screening di massa in zonecon risorse limitate di pesi in via di sviluppo.Lo Hydrojet Endoscopic System (HES)`e una piattaforma endoscopicaazionata ad acqua, disegnata per zone in cui vi siano risorse limitate inpaesi in via di sviluppo. La sua solida struttura e il suo design compatto,intermaente integrato in una valigetta, rende il sistema facile da traspor-tare in aree rurali remote e di difficile accesso. La piattaforma presentauna unit`a di controllo principale dove sono collocate sia la componenteelettronica che quella idraulica, necessarie per il corretto funzionamento.Inoltre, un catetere multilume con 7 canali indipendenti che termina nellacapsula rappresenta l’effettivo dispositivo endoscopico. Lo HES, grazieall’innovativo sistema di attuazione a getti d’acqua (a differenza dellanormale attuazione a cavi) abbatte i costi per singola procedura. Infatti,utilizzando una attuazione a Bowen-Cable, non`e possibile implementareun dispositivo monouso con un costo inferiore ai 100 USD. Un ulterioremiglioramento rispetto al precedete design`e l’ottimizzazione dell’architet-tura modulare della capsula. Infatti, la capsula`e composta da tre moduli:il guscio esterno; il modulo interno; la met`a posteriore. La natura usa egetta dell’intera porzione della piattaforma che entra in contatto con il pa-ziente fa s`ı che non siano necessari costosi e a volte inaffidabili processi diriprocessamento della strumentazione. Il modulo interno, dove`e collocatala micro camera, risulta essere la parte pi`u costosa. Considerato il fattoche il design della capsula isoli completamente il modulo interno dall’am-biente esterno, questo pu`o essere riutilizzato (evitando riprocessamento).Questa strategia permette un ulteriore riduzione dei costi (circa 2 USD perprocedura). La capsule presenta piccole dimensioni: 9mm in diametroand 26mm in lunghezza. Inoltre, grazie alla facile ed intuitiva interfaccia fornita dall’unita di controllo, la curva di apprendimento risulta piuttostoripida.In questo lavoro di tesi`e presentato lo sviuppo di una nuova versio-ne dello HES. Viene fornita una dettagliata descrizione dei principi difunzionamento di tutte le parti che compongono il sistema. Inoltre, sonopresentati i risultati ottenuti dagli esperimenti effettuati durante la fasedi prototipazione. L’adozione di un nuovo sistema di distribuzione del-l’acqua, in combinazione con l’uso di valvole pinch proporzionali, rendeil sistema pi`u stabile e affidabile rispetto al precedente design. In pi`u, lamanovrabilit`a e il workspace della capsula sono stati migliorati.Il sistema, integrato in una normale valigetta, soddisfa anche il requisitolegato alla portabilit`a del sistema.In conclusione, lo Hydrojet possiede il potenziare per avere un forteimpatto in termini di prevenzione del cancro allo stomaco in LMIC.Durante questo lavoro di ricerca, sono stati pubblicati gli studi sulla ca-ratterizzazione degli ugelli e del tether. Inoltre, la piattaforma ha ricevutoil premio come miglior applicazione durante lo ”Hamlyn Symposium” edha vinto il primo premio della ”Surgical Robotic Challenge” all’ImperialCollege di Londra il 1/7/2016.
English abstract: In a scenario where gastric cancer results one of the principal causeof cancer death worldwide, and considering the concentration of themain incidence sites of this disease in Low and Middle Income Countries(LMIC), several problems prevent an effective treatment and preventionprograms. There are many reasons that address the impossibility toperform an effective prevention in LMIC like in Honduras: the high costof endoscopic devices, the lack of specialized operators, the fragility ofthe instrumentation, and the long downtime given by both reparationsand maintenance. The early diagnosis shows a significant reductionof mortality for gastric cancer. For this reason, a platform that allowsmass screening program in limited-resource settings (LRS) zone in low-income countries is needed. The Hydrojet Endoscopic System (HES) is awater actuated endoscopic platform specifically designed for LRS zone inLMIC. Its rugged and compact design, entirely embedded in a briefcase,makes the system easily portable in rural and remote areas. The platformpresents a main control unit where both the electronic and the hydrauliccomponents needed for its correct operation are located. Moreover, a 7channels multi-lumen catheter that terminates in the capsule representsthe actual endoscopic device. The HES, thanks to its innovative water-jetactuation (unlike the common cable steering) breaks down drastically thecosts per procedure. Indeed, using the Bowden-Cable-Based Actuation it isnot possible to reduce the cost under 100 USD for a disposable endoscopicdevice. A further improvement with respect to the previous design isthe optimization of the modular architecture of the capsule. Indeed, thecapsule is composed by three modules: the outer shell; the inner core; theback half of the capsule. The disposable nature of the entire portions thatcome in contact with the patient makes no more necessary an expensivereprocessing of the device. The inner module, where the micro camera islocated, results to be the most expensive component. Since the capsuledesign seals completely the inner module from the outside environment, itcan be reused. This strategy allows a further cost reduction (about 2 USD perprocedure). The capsule present small dimension: 9mm in diameter and26mm in length. Moreover, thanks to the easy and intuitive user interfaceprovided by the control unit, the learning curve results to be rather steep.In this thesis it is presented the development of a new version of theHES. It is provided a detailed description of the principle of operation ofall the parts composing the system, furthermore, the results obtained fromthe experiments performed during the prototyping process. The adoption of new water distribution system, combined with the use of proportionalpinch valves, makes the system more stable and reliable with respect tothe previous design. In addition, the maneuverability and the workspaceof the capsule it is improved. The system is also embedded in a normalbriefcase, satisfying also the portability requirement. In conclusion, theHydrojet platform has the potential to have a big impact in terms of gastriccancer prevention in LMIC.During this work, the studies on the nozzle characterization and thetether characterization were published. Moreover, the platform receivedthe ”best application prize” at the Hamlyn symposium and it won the”Best overall award” at the ”Surgical Robotic Challenge” at the ImperialCollege in London on the 1/7/2016.
Italian keywords: screening per il cancro allo stomaco; attuazione a getti d'acqua; modellazione e controllo
English keywords: gastric cancer screening; water-jet actuation; modelling and control
Language: eng
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