El Síndrome del Intestino Irritable (IBS) se define como una alteración de la función gastrointestinal caracterizada por dismotilidad e hipersensibilidad visceral. En la mayoría de pacientes con este síndrome el número de mastocitos de mucosa intestinal (IMMC) y su actividad están aumentados. Este hecho podría jugar un papel central en las alteraciones funcionales, sensitivas y motoras del IBS ya que la activación de esta población celular provocaría la liberación de mediadores que podrían afectar a la excitabilidad de las neuronas entéricas y a la de las aferentes primarias, así como a la contractilidad del músculo liso intestinal. No obstante, este síndrome presenta un diagnóstico difícil y un tratamiento poco efectivo ya que los factores que lo causan aún no están claros. Recientemente los procesos alérgicos no diagnosticados hacia componentes de la dieta se han propuesto como posible factor desencadenante del IBS. Se requiere sin embargo disponer de modelos in vivo para estudiar los mecanismos implicados e identificar nuevas dianas terapéuticas. El modelo experimental inducido en rata Sprague Dawley (SD) a la que se expone a ovo-albúmina (OVA) por vía oral reproduce algunos de los hallazgos observados en pacientes con IBS: un aumento de la actividad mastocitaria y una alteración en la motilidad.El objetivo de esta tesis doctoral ha sido contribuir a caracterizar el modelo de exposición oral a OVA en rata SD; determinar el tipo de respuesta inmune inducida por el antígeno, evaluar la actividad mastocitaria y su implicación en la dismotilidad inducida por OVA y valorar la participacion del factor de crecimiento nervioso (NGF) en el proceso.La exposición oral a OVA, a diferencia de otras proteínas como la gelatina, produjo un aumento en la actividad mastocitaria en el intestino delgado y el colon, como reflejan el aumento del número de IMMC y el incremento de la concentración intestinal de RMCPII. Sin embargo, parámetros como la concentración de IgE o IgG específicas anti-OVA, IL4 o la presencia de eosinófilos y celulas IgE+ en tejido intestinal no se vieron afectados por la exposición a OVA. Estos resultados, junto con el aumento de liberación de histamina tras la estimulación directa de mastocitos con OVA in Vitro, sugirieron que el efecto de esta proteína podría deberse a una interacción directa, no mediada por anticuerpos, entre OVA y el mastocito. La exposición oral a OVA también produjo un incremento en parámetros relacionados con la respuesta motora principalmente en colon, así como en la expresión de NGF en tejido intestinal. Finalmente, el tratamiento con ketotifeno disminuyó significativamente el aumento inducido por OVA sobre la actividad mastocitaria y la respuesta motora y la expresión de NGF. Además se observó una correlación entre el efecto de OVA sobre la actividad mastocitaria y la respuesta motora especialmente en colon, que contribuye a proponer la hipótesis de que los mastocitos están implicados en la alteración de la motilidad intestinal.La exposición de ratas SD a OVA por vía oral induce una alteración de la motilidad intestinal que no es mediada por una reacción de naturaleza alérgica. A la disfunción motora provocada por la OVA contribuyen sin embargo los mastocitos, probablemente mediante la interacción directa entre esta población celular y la proteína que puede generar, entre otros mediadores, la liberación de NGF. Este mecanismo no alérgico que implica a los mastocitos puede ser relevante en ciertos tipos de pacientes con IBS, cuyo abordaje terapéutico quizás requiera de un replanteamiento. Este trabajo ha apuntado el camino para una caracterización más profunda del modelo con el objetivo de identificar nuevas dianas terapéuticas. / Irritable Bowel Syndrome (IBS) is an alteration of the gastrointestinal function characterised by dismotility and visceral hypersensitivity. In most patients with this syndrome the number of intestinal mucosal mast cells (IMMC) and its activity are increased. This could play a central role in any physiological, sensory and motor IBS because activation of this cell population would result in the release of mediators that could affect the excitability of enteric neurons and primary afferents, as well as the intestinal smooth muscle contractility. However, this syndrome presents a difficult diagnosis and ineffective treatment because the factors that cause it are still unclear. Recently undiagnosed allergic processes to dietary components have been proposed as a possible trigger of IBS. However is required to have in vivo models to study the mechanisms involved and identify new therapeutic targets. The rat experimental model induced in Sprague Dawley (SD) which is exposed to ovo-albumin (OVA) orally play some of the findings in patients with IBS: increased mast cell activity and altered motility. The aim of this PhD was to characterize the model of oral exposure to OVA in SD rat; determine the type of immune response induced, the mast cell activity and assess their involvement in the OVA-induced dysmotility and evaluate the participation of Nerve growth factor (NGF) in the process. Oral exposure to OVA, unlike other proteins such as gelatin, induced an increase in mast cell activity in the small intestine and colon, as reflected in the increased number of IMMC and intestinal RMCPII concentration. However, parameters such as concentration of specific IgE or IgG anti-OVA, IL4 or the presence of eosinophils and IgE + cells in intestinal tissue were not affected by exposure to OVA. These findings, coupled with increased histamine release after direct stimulation of mast cells with OVA in vitro, suggested that the effect of this protein could be due to direct interaction between OVA and the mast cell. Oral exposure to OVA also produced an increase in parameters related to motor response mainly in the colon, as well as in the expression of NGF in intestinal tissue. Finally, treatment with ketotifen significantly reduced the OVA-induced increase of mast cell activity and motor response and the expression of NGF. We observed a correlation between the effect of OVA on mast cell activity and motor response especially in the colon, which contributes to hypothesize that mast cells are involved in altering intestinal motility.Oral exposure to OVA in SD rats induces a disturbance in motor response that is not mediated by an allergic reaction. However, mast cells have a key role in the disturbance of intestinal motility, probably through direct interaction between this cell population and the protein, which can generate, among other mediators, the release of NGF. This nonallergic mechanism involving mast cells may be relevant in certain types of patients with IBS, whose therapeutic approach may require a restatement. This work has pointed the way for a deeper characterization of the model with the aim of identifying new therapeutic targets.

[EN] Intestinal motility is responsible for the functions of segmentation, mixing and transport of the chime poured from the stomach. These functions are of main importance in the processes of nutrients digestion and absorption. Intestinal contractile activity is determined by the myoelectrical activity of intestinal muscular layers. Precisely, intestinal myoelectrical activity, which is also called electroenterogram (EEnG), is the result of two components: a low frequency component (slow wave, SW) that is always present and a high frequency component (spike bursts, SB) which is associated with bowel contractions. Despite of the diagnostic significance of internal recordings of EEnG, clinical application of this technique is limited due to its invasiveness. Thus, surface recording of EEnG could be a solution for non-invasive monitoring of intestinal motility. The aim of this Ph.D. Thesis is the recording of surface electroenterogram and the identification of slow wave and spike bursts activity in order to quantify bowel motor activity in dogs. We conducted simultaneous recordings of IMA in bowel serosa and on abdominal surface of Beagle dogs in fast state. Both signals were analyzed in spectral domain and a frequency band for slow wave and spike bursts energy were determined. Likewise, the effects of abdominal layers and of possible interferences on surface recording of EEnG were also studied. For this purpose it was necessary to define new signal-to-interference and attenuation functions. We calculated different spectral parameters of surface EEnG that quantify presence and intensity of SB taking into consideration the attenuation behavior of abdominal layers and interference effects. These parameters have shown a strong correlation with bowel contractile activity. The research about surface EEnG is complemented with an analysis of signal dynamics throughout the pattern of bowel motor activity in fast state. Stationarity of the signal was evaluated in every period of contractile activity with different window-lengths. The study finishes with the definition of an algorithm that provides a variable window-length, adapting EEnG analysis to the spectral content of signal at every moment. This permits the generation of a fast non-invasive index of bowel contractile activity for future real-time applications. Three main conclusions can be deduced out of the obtained results: - It is possible to identify both bowel’s slow wave and spike bursts activity on surface recordings of EEnG. - Quantification of SB activity on surface EEnG allows non-invasive monitoring of small bowel mechanical activity. - It has been developed a new adaptive analysis method that improves intestinal motility indexes based in traditional techniques as it considers non-stationarity of EEnG. / [ES] La motilidad intestinal es responsable de las funciones de segmentación, mezcla y transporte del quimo vertido desde el estómago. Estas funciones son fundamentales en los procesos de digestión y absorción de nutrientes. La actividad contráctil intestinal está determinada por la actividad mioeléctrica de las capas musculares intestinales. Concretamente, la actividad mioeléctrica intestinal, también denominada electroenterograma (EEnG), es el resultado de dos componentes: una componente de baja frecuencia que está siempre presente (onda lenta, OL); y una componente de alta frecuencia (potenciales rápidos de acción o spike bursts, SB) que está asociada directamente a las contracciones intestinales. A pesar del valor diagnóstico de los registros internos del EEnG, su aplicación clínica está limitada debido a su carácter invasivo. Por tanto, el registro en superficie del EEnG podría ser una solución a la monitorización no-invasiva de la motilidad intestinal. El objetivo de la presente tesis doctoral es el registro del electroenterograma de superficie y la identificación de la actividad de la onda lenta y de los spike bursts para la cuantificación no-invasiva de la actividad contráctil intestinal en perros. Se han llevado a cabo registros simultáneos del EEnG en la serosa intestinal y en superficie abdominal de perros Beagle en estado de ayunas. Ambas señales se han analizado en el dominio espectral para la determinación de los rangos de frecuencia en que se localiza la energía tanto de la OL como de los SB. Asimismo se ha estudiado la influencia de las capas abdominales y de posibles interferencias sobre el registro externo. Para ello ha sido necesario definir las funciones señal-interferencia y de atenuación, inéditas hasta la fecha. Teniendo en cuenta estos efectos de atenuación e interferencia, se han calculado distintos parámetros espectrales del EEnG de superficie que cuantifican la existencia e intensidad de SB. Estos parámetros han mostrado una elevada correlación con el grado de actividad contráctil intestinal interno. La investigación sobre el EEnG de superficie se complementa con un análisis de la dinámica de la señal a lo largo del patrón de motilidad intestinal en ayunas. Se ha valorado el grado de estacionariedad de la señal en cada estado de actividad contráctil para distintos anchos de ventana. El estudio finaliza con la definición de un algoritmo que proporciona un ancho de ventana variable, adaptando el análisis del EEnG al contenido espectral de la señal en cada momento. Esto permite generar un indicador no-invasivo de actividad contráctil intestinal, rápido de obtener, para futuras aplicaciones en tiempo real. De los resultados obtenidos se extraen tres conclusiones fundamentales: - Es posible identificar tanto la actividad de la onda lenta intestinal como la actividad de los potenciales rápidos de acción (SB) en el registro del EEnG de superficie. - La cuantificación de la actividad de los SB del EEnG de superficie permite la monitorización no invasiva de la actividad mecánica del intestino delgado. - Se ha desarrollado un método de análisis adaptativo que mejora los índices de motilidad intestinal basado en técnicas tradicionales, ya que tiene en cuenta la no estacionariedad del EEnG. / [CA] La motilitat intestinal és responsable de les funcions de segmentació, mixtió i transport del quimo abocat des de l'estómac. Aquestes funcions són fonamentals en els processos de digestió i absorció de nutrients. L'activitat contràctil intestinal està determinada per l'activitat mioelèctrica de les capes musculars intestinals. Concretament, l'activitat mioelèctrica intestinal, també denominada electroenterograma (EEnG), és el resultat de dos components: una component de baixa freqüència que està sempre present (ona lenta, OL); i una component d'alta freqüència (potencials ràpids d'acció o spike bursts, SB) que està associada directament a les contraccions intestinals. A pesar del valor diagnòstic dels registres interns del EEnG, la seva aplicació clínica està limitada a causa de el seu caràcter invasiu. Per tant, el registre en superfície del EEnG podria ser una solució al monitoratge no-invasiu de la motilitat intestinal. L'objectiu de la present tesi doctoral és el registre de l’electroenterograma de superfície i la identificació de l'activitat de l'ona lenta i dels spike bursts per a la quantificació no-invasiva de l'activitat contràctil intestinal en gos. S'han portat a terme registres simultanis del EEnG en la serosa intestinal i en superfície abdominal de gossos Beagle en estat de dejunes. Ambdues senyals s'han analitzat en el domini espectral per a la determinació dels rangs de freqüència on es localitza l'energia tant de la OL com dels SB. Així mateix s'ha estudiat la influència de les capes abdominals i de possibles interferències sobre el registre extern. Per a això ha estat necessari desenvolupar les funcions senyal-interferència i d'atenuació inèdites fins a la data. Tenint en compte aquests efectes d'atenuació i interferència, s'han definit distints paràmetres espectrals del EEnG de superfície que quantifiquen l'existència i intensitat de SB. Aquests paràmetres han mostrat una elevada correlació amb el grau d'activitat contràctil intestinal intern. La investigació sobre el EEnG de superfície es completa amb una anàlisi de la dinàmica del senyal al llarg del patró de motilitat intestinal en dejú. S'ha valorat el grau de estacionarietat del senyal en cada estat d'activitat contràctil per a distints amples de finestra. L'estudi finalitza amb la definició d'un algorisme que proporciona un ample de finestra variable, adaptant l'anàlisi del EEnG al contingut espectral del senyal a cada moment. Això permet generar un indicador no-invasiu d'activitat contràctil intestinal, ràpid d'obtenir, per a futures aplicacions en temps real. Els resultats obtinguts permeten extreure tres conclusions fonamentals: - És possible identificar tant l'activitat de l'ona lenta intestinal com l'activitat dels potencials ràpids d’acció (SB) en el registre del EEnG de superfície. - La quantificació de l'activitat dels SB del EEnG de superfície permet el monitoratge no invasiu de l'activitat mecànica de l'intestí prim. - S'ha desenvolupat un mètode d'anàlisi adaptatiu que millora els índexs de motilitat intestinal basat en tècniques tradicionals, ja que té en compte la no-estacionarietat del EEnG. / Garcia Casado, FJ. (2005). Identificación de la Señal Mioeléctrica del Intestino Delgado Registrada en Superficie Externa Abdominal. Comparativa con Registros Internos [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/135956 / TESIS

[ES] La endoscopia capsular (CE) es una ampliamente utilizada alternativa mínimamente invasiva a la endoscopia tradicional, que permite la visualización de todo el intestino delgado, mientras no es posible hacerlo fácilmente con los procedimientos más invasivos. Sin embargo, esos métodos tradicionales aún suelen ser la primera opción de tratamiento, ya que todavía existen desafíos importantes en el campo de la CE, incluyendo el tiempo necesario para el diagnóstico por vídeo después del procedimiento, el hecho de que la cápsula no se puede controlar activamente, la falta de consenso sobre una buena preparación del paciente y el coste alto. En esta tesis doctoral, nuestro objetivo es extraer más información de los procedimientos de endoscopía por cápsula para ayudar a aliviar estos problemas desde una perspectiva que parece estar subrepresentada en la investigación actual. Primero, como el objetivo principal en esta tesis, pretendemos desarrollar un método de evaluación de la limpieza en procedimientos de CE automático y objetivo para asistir la investigación médica en métodos de preparación de los pacientes. Específicamente, a pesar de que una preparación adecuada del paciente pueda ayudar a obtener una mejor visibilidad, los estudios sobre el método más efectivo son contradictorios debido a la ausencia de tal método. Por lo tanto, pretendemos proporcionar un método de ese tipo, capaz de presentar la limpieza en una escala intuitiva, con una novedosa arquitectura relativamente ligera de una red neuronal convolucional en su núcleo. Entrenamos este modelo en un conjunto de datos extensivo de más de 50,000 parches de imágenes, obtenidos de 35 procedimientos CE diferentes, y lo comparamos con métodos de clasificación del estado del arte. A partir de la clasificación, desarrollamos un método para automáticamente estimar las probabilidades a nivel de píxel y deducir los puntos en la escala de la evaluación de la limpieza a través de umbrales aprendidos. Después, validamos nuestro método en un entorno clínico en 30 videos de CE obtenidos nuevamente, comparando las puntuaciones resultantes con las asignadas de forma independiente por especialistas humanos. Obtuvimos la mayor precisión de clasificación para el método propuesto (95,23%), con tiempos de predicción promedios significativamente más bajos que para el segundo mejor método. En la validación, encontramos un acuerdo aceptable con dos especialistas humanos en comparación con el acuerdo interhumano, mostrando su validez como método de evaluación objetivo. Adicionalmente, otro objetivo de este trabajo es detectar automáticamente el túnel y ubicar el túnel en cada fotograma. Para este objetivo, entrenamos un modelo basado en R-CNN, concretamente el detector ligero YOLOv3, en un total de 1385 fotogramas, extraídos de procedimientos de CE de 10 pacientes diferentes. De tal manera, alcanzamos una precisión del 86,55% y una recuperación del 88,79% en nuestro conjunto de datos de test. Ampliando este objetivo, también pretendemos visualizar la motilidad intestinal de una manera análoga a una manometría intestinal tradicional, basada únicamente en la técnica mínimamente invasiva de CE. Para esto, alineamos los fotogramas con similar orientación y derivamos los parámetros adecuados para nuestro método de segmentación de las propiedades del rectángulo delimitador del túnel. Finalmente, calculamos el tamaño relativo del túnel para construir un equivalente de una manometría intestinal a partir de información visual. Desde que concluimos nuestro trabajo, nuestro método para la evaluación automática de la limpieza se ha utilizado en un estudio a gran escala aún en curso, en el que participamos activamente. Mientras gran parte de la investigación se centra en la detección automática de patologías, como tumores, pólipos y hemorragias, esperamos que nuestro trabajo pueda hacer una contribución significativa para extraer más información de la CE también en otras áreas frecuentemente subestimadas. / [CA] L'endoscòpia capsular (CE) és una àmpliament utilitzada alternativa mínimament invasiva a l'endoscòpia tradicional, que permet la visualització de tot l'intestí prim, mentre no és possible fer-lo fàcilment amb els procediments més invasius. No obstant això, aqueixos mètodes tradicionals encara solen ser la primera opció de tractament, ja que encara existeixen desafiaments importants en el camp de la CE, incloent el temps necessari per al diagnòstic per vídeo després del procediment, el fet que la càpsula no es pot controlar activament, la falta de consens sobre una bona preparació del pacient i el cost alt. En aquesta tesi doctoral, el nostre objectiu és extraure més informació dels procediments de endoscopía per càpsula per a ajudar a alleujar aquests problemes des d'una perspectiva que sembla estar subrepresentada en la investigació actual. Primer, com l'objectiu principal en aquesta tesi, pretenem desenvolupar un mètode d'avaluació de la neteja en procediments de CE automàtic i objectiu per a assistir la investigació mèdica en mètodes de preparació dels pacients. Específicament, a pesar que una preparació adequada del pacient puga ajudar a obtindre una millor visibilitat, els estudis sobre el mètode més efectiu són contradictoris a causa de l'absència de tal mètode. Per tant, pretenem proporcionar un mètode d'aqueix tipus, capaç de presentar la neteja en una escala intuïtiva, amb una nova arquitectura relativament lleugera d'una xarxa neuronal convolucional en el seu nucli. Entrenem aquest model en un conjunt de dades extensiu de més de 50,000 pegats d'imatges, obtinguts de 35 procediments CE diferents, i el comparem amb mètodes de classificació de l'estat de l'art. A partir de la classificació, desenvolupem un mètode per a automàticament estimar les probabilitats a nivell de píxel i deduir els punts en l'escala de l'avaluació de la neteja a través de llindars apresos. Després, validem el nostre mètode en un entorn clínic en 30 vídeos de CE obtinguts novament, comparant les puntuacions resultants amb les assignades de manera independent per especialistes humans. Vam obtindre la major precisió de classificació per al mètode proposat (95,23%), amb temps de predicció mitjanes significativament més baixos que per al segon millor mètode. En la validació, trobem un acord acceptable amb dos especialistes humans en comparació amb l'acord interhumà, mostrant la seua validesa com a mètode d'avaluació objectiu. Addicionalment, un altre objectiu d'aquest treball és detectar automàticament el túnel i situar el túnel en cada fotograma. Per a aquest objectiu, entrenem un model basat en R-CNN, concretament el detector lleuger YOLOv3, en un total de 1385 fotogrames, extrets de procediments de CE de 10 pacients diferents. De tal manera, aconseguim una precisió del 86,55% i una recuperació del 88,79% en el nostre conjunt de dades de test. Ampliant aquest objectiu, també pretenem visualitzar la motilitat intestinal d'una manera anàloga a una manometría intestinal tradicional, basada únicament en la tècnica mínimament invasiva de CE. Per a això, alineem els fotogrames amb similar orientació i derivem els paràmetres adequats per al nostre mètode de segmentació de les propietats del rectangle delimitador del túnel. Finalment, calculem la grandària relativa del túnel per a construir un equivalent d'una manometría intestinal a partir d'informació visual. Des que concloem el nostre treball, el nostre mètode per a l'avaluació automàtica de la neteja s'ha utilitzat en un estudi a gran escala encara en curs, en el qual participem activament. Mentre gran part de la investigació se centra en la detecció automàtica de patologies, com a tumors, pòlips i hemorràgies, esperem que el nostre treball puga fer una contribució significativa per a extraure més informació de la CE també en altres àrees sovint subestimades. / [EN] Capsule endoscopy (CE) is a widely used, minimally invasive alternative to traditional endoscopy that allows visualisation of the entire small intestine, whereas more invasive procedures cannot easily do this. However, those traditional methods are still commonly the first choice of treatment for gastroenterologists as there are still important challenges surrounding the field of CE. Among others, these include the time consuming video diagnosis following the procedure, the fact that the capsule cannot be actively controlled, lack of consensus on good patient preparation and the high cost. In this doctoral thesis, we aim to extract more information from capsule endoscopy procedures to aid in alleviating these issues from a perspective that appears to be under-represented in current research. First, and as the main objective in this thesis, we aim to develop an objective, automatic cleanliness evaluation method in CE procedures to aid medical research in patient preparation methods. Namely, even though adequate patient preparation can help to obtain a cleaner intestine and thus better visibility in the resulting videos, studies on the most effective preparation method are conflicting due to the absence of such a method. Therefore, we aim to provide such a method, capable of presenting results on an intuitive scale, with a relatively light-weight novel convolutional neural network architecture at its core. We trained this model on an extensive data set of over 50,000 image patches, collected from 35 different CE procedures, and compared it with state-of-the-art classification methods. From the patch classification results, we developed a method to automatically estimate pixel-level probabilities and deduce cleanliness evaluation scores through automatically learnt thresholds. We then validated our method in a clinical setting on 30 newly collected CE videos, comparing the resulting scores to those independently assigned by human specialists. We obtained the highest classification accuracy for the proposed method (95.23%), with significantly lower average prediction times than for the second-best method. In the validation of our method, we found acceptable agreement with two human specialists compared to interhuman agreement, showing its validity as an objective evaluation method. Additionally, we aim to automatically detect and localise the tunnel in each frame, in order to help determine the capsule orientation at any given time. For this purpose, we trained an R-CNN based model, namely the light-weight YOLOv3 detector, on a total of 1385 frames, extracted from CE procedures of 10 different patients, achieving a precision of 86.55% combined with a recall of 88.79% on our test set. Extending on this, we additionally aim to visualise intestinal motility in a manner analogous to a traditional intestinal manometry, solely based on the minimally invasive technique of CE, through aligning the frames with similar orientation and using the bounding box parameters to derive adequate parameters for our tunnel segmentation method. Finally, we calculate the relative tunnel size to construct an equivalent of an intestinal manometry from visual information. Since we concluded our work, our method for automatic cleanliness evaluation has been used in a still on-going, large-scale study, with in which we actively participate. While much research focuses on automatic detection of pathologies, such as tumors, polyps and bleedings, we hope our work can make a significant contribution to extract more information from CE also in other areas that are often overlooked. / Noorda, RA. (2022). Clearing the Way in Capsule Endoscopy with Deep Learning and Computer Vision [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/183752 / TESIS