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无线胶囊内窥镜图像小肠息肉的自动识别

中国生物医学工程学报 2019年第5期38卷 522-532页

作者：范姗慧刘士臣曹鹗范一宏魏凯华厉力华杭州电子科技大学生命信息与仪器工程学院杭州310018 浙江省中医院消化内科杭州310006

息肉是小肠常见疾病之一。无线胶囊内窥镜(WCE)是检查小肠疾病的常规手段,但每次检查都会产生大量图像,却仅可能包含少数病变图像。目前WCE病变的筛查高度依赖于医生的临床经验,耗时费力,且可能发生漏检或误检,因此实现WCE图像小肠息肉... 详细信息

息肉是小肠常见疾病之一。无线胶囊内窥镜(WCE)是检查小肠疾病的常规手段,但每次检查都会产生大量图像,却仅可能包含少数病变图像。目前WCE病变的筛查高度依赖于医生的临床经验,耗时费力,且可能发生漏检或误检,因此实现WCE图像小肠息肉的自动识别意义重大。基于深度学习框架,结合数据增强技术和迁移学习策略,提出实现小肠息肉识别的新方法。基于原始数据集(包含4 300张正常图像和429张息肉图像)和拓展数据集(包含6 920张正常图像和6 864张息肉图像),对比分析不同的深度卷积神经网络模型(AlexNet、VGGNet和GoogLeNet)对息肉的识别效果。实验结果表明,在随机初始化的卷积神经网络中,GoogLeNet模型对息肉的识别效果最好,其敏感性、特异性和准确性分别达到97.18%、98.78%和97.99%,说明增加网络深度可以有效提高识别率。但网络深度增加需要更高的硬件配置和训练时间,因此结合迁移学习策略,AlexNet模型的敏感性、特异性和准确性分别达到了96.57%、98.89%和97.74%,AUC为0.996,表明该方法能有效提高模型整体性能,同时降低对训练时间和实验配置的要求。与传统手工提取图像特征或仅基于深层卷积神经网络进行分类的方法相比,所提出的方法可以在有限的训练数据和实验环境下为小肠息肉的自动识别提供有效的解决方案,有望帮助医生高效完成基于WCE检查的消化道疾病的精准诊断。

关键词：自动识别小肠息肉卷积神经网络迁移学习无线胶囊内窥镜

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应用于生物医疗的无线胶囊内窥镜天线研究

应用于生物医疗的无线胶囊内窥镜天线研究

作者：李鑫宁华南理工大学

学位级别：硕士

消化道疾病如今是一种全球性多发疾病,能够采用有效的检测方式对该类疾病进行预防和治疗显得尤为重要。无线胶囊内窥镜在实现消化道组织的全面、无创检测等方面具有显著优势,受到了越来越多的关注。而天线作为无线胶囊内窥镜与体外设备... 详细信息

消化道疾病如今是一种全球性多发疾病,能够采用有效的检测方式对该类疾病进行预防和治疗显得尤为重要。无线胶囊内窥镜在实现消化道组织的全面、无创检测等方面具有显著优势,受到了越来越多的关注。而天线作为无线胶囊内窥镜与体外设备进行通信的关键部件,其性能的优良程度直接关乎到通信质量的好坏。由于胶囊天线在穿过人体消化道时需要经历电磁特性各异的有耗组织,且在这个过程中其位置和姿态也具有随机性,这些因素都可能导致体内外设备间发生通信故障,因此对其开展相关研究具有重要的价值和意义。本论文由广东省科技计划(No.2015B010101006,No.2014A010103014,No.2017xm057)、国家自然科学基金(No.61372008)等项目资助,研究用于生物医疗的无线胶囊内窥镜天线,主要的研究工作有:(1)宽带圆极化无线胶囊内窥镜天线。考虑到在人体消化道工作过程中,胶囊位置和姿态改变会造成极化失配等问题,设计了一款具有宽频特性的圆极化胶囊天线。天线由两对交叉偶极子臂和两个矩形的耦合贴片构成。通过在偶极子臂上引入蜿蜒路径,使得天线尺寸减小。每对偶极子臂由四分之三圆环形状的相位延迟线连接,从而产生90°相位差,通过加载矩形贴片进一步优化了天线的圆极化特性。通过将天线与胶囊内表面共形的方式起到了节省空间的作用,其尺寸为18×15×0.254 mm。天线最终实现了38.5%(2.31–3.41 GHz)的–10-d B阻抗带宽和37.5%(2.36–3.45 GHz)的3-d B轴比带宽,均覆盖了所工作的2.4–2.48 GHz的ISM频段。由于可摄入式的无线胶囊内窥镜除了进行数据通信以外,还会执行无线能量传输等功能,而由于工作环境的不断变化要确保设备的鲁棒性。因此,本文提出了一款用于数据通信以及无线能量传输的双频宽带无线胶囊内窥镜天线。(2)双频宽带无线胶囊内窥镜天线。通过在贴片上加载四个矩形槽以及在贴片内加载两个C形缝隙的方式,引入了多个不同的谐振模式,使得天线能够覆盖915-MHz和2.45-GHz两个ISM工作频段并实现宽频特性,对应阻抗带宽分别为46.0%(0.82–1.31GHz)和48.2%(1.89–3.09 GHz),最大增益分别为–24.4 d Bi和–35.1 d Bi。与上一天线类似,该天线通过与设备共形的方式节省设备内部空间,其尺寸为π×(5.4-5.3)×11mm。文中进行了相关参数分析,评估了不同胶囊外壳材料、厚度以及电子元件等因素对天线性能的影响,并进行了实物制作和验证。此外,对天线进行了链路预算的分析。由于人体环境复杂多变,而前两个天线仅实现了单一的辐射状态,其辐射通信范围有限,对于抵抗胶囊设备的旋转和位置变化带来的影响仍然具有一定局限性。所以本文设计了一款具有准各向同性辐射方向图的可重构无线胶囊内窥镜天线。(3)辐射方向图可重构的无线胶囊内窥镜天线。天线采用复合结构,由两个共形臂和一个PIFA结构组成,通过探针加载和引入弧形电流路径的方式实现了天线的小型化,在共形结构上加载PIN二极管实现了两种不同状态的重构。天线的不同状态在空间中呈现不同的辐射特性,且两种状态均工作在915-MHZ ISM频段,阻抗带宽均为0.88–0.95GHz(7.6%)。两种状态的辐射方向图在经过重构后可实现空间中辐射较弱区域的互补,在所创建的单层人体组织模型中呈现准各向同性的辐射性能,最大增益为–17.9 d Bi,且增益变化范围仅为4.5 d Bi。文章对天线的工作原理进行了介绍,对关键参数的影响和电磁兼容特性进行了分析,并对SAR值和通信距离进行了评估。本文提出的无线胶囊内窥镜天线具有节省空间、圆极化、鲁棒性高和辐射方向图可重构等优点。希望能通过本文的相关研究,为无线胶囊内窥镜天线的设计提供参考。

关键词：无线胶囊内窥镜圆极化宽频共形可重构

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基于磁导航的无线胶囊内窥镜定位策略

基于磁导航的无线胶囊内窥镜定位策略

作者：张嘉炜湖南大学

学位级别：硕士

随着医疗内窥镜的大力发展,内窥镜诊断技术已经获得了长足进步,但由各类消化道病变而引发的癌症仍旧是科研人员和医疗工作者需要共同面对的挑战。无线胶囊内窥镜(Wireless Capsule Endoscopy,WCE)现已成为胃肠道疾病检测领域关注的焦点... 详细信息

随着医疗内窥镜的大力发展,内窥镜诊断技术已经获得了长足进步,但由各类消化道病变而引发的癌症仍旧是科研人员和医疗工作者需要共同面对的挑战。无线胶囊内窥镜(Wireless Capsule Endoscopy,WCE)现已成为胃肠道疾病检测领域关注的焦点和未来内窥镜技术的发展方向。为了提高病灶检测的准确度和患者体验的舒适度,未来无线胶囊内窥镜技术将会逐渐取代传统的胃肠道内窥镜,通过有效的筛查及时发现病灶,进一步降低癌症发生的病变概率。因此,针对无线胶囊内窥镜的定位研究,将会对消化道病灶的位置检测提供有力的支持和帮助。本文通过探究无线胶囊内窥镜在磁导航技术中的定位和姿态显示,实现了胶囊在体内移动时的位置判定,在医生使用机械臂对无线胶囊内窥镜进行磁操纵时,能够更好地帮助医生确定病灶的具体位置。此外,对于在磁导航动物实验中出现的无法确定无线胶囊内窥镜运动方向的难题,进一步增加了胶囊的运动传感模块,并成功实现了胶囊的实时姿态显示。本文采用基于AI(Artificial Intelligence)的k-NN(k-Nearest Neighbour)算法来实现对无线胶囊内窥镜的定位。传统的对无线胶囊内窥镜的定位多采用基于磁场的定位策略,而本研究从基于电磁波的定位策略入手,利用无线电波——射频(Radio Frequency,RF)定位的方式来提高对胶囊的定位精度。研究阐述了k-NN算法的使用原因,重点推导了k-NN算法的数学模型,介绍了k-NN算法的分类依据和判定,并基于MATLAB工具搭建仿真环境,随机生成胶囊的任意运动路径,以此来判断估计的胶囊位置和实际的胶囊位置之间的误差。进一步地,为了缩小无线胶囊内窥镜的定位误差,采用融入扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter,EKF)的k-NN算法对胶囊定位,在MATLAB中加入了扩展卡尔曼滤波的数学模型。仿真结果表明,融入扩展卡尔曼滤波的k-NN算法的胶囊定位精度更高,定位误差更小。该仿真将为未来的磁导航人体实验奠定充足可靠的理论基础。为了解决磁导航动物实验中,无线胶囊内窥镜的姿态判定问题,对未来设计的无线胶囊内窥镜的结构中加入了运动传感模块——MPU6050。本文利用该模块检测胶囊的运动姿态,并通过搭载MATLAB上位机对胶囊的姿态信息(包括三轴加速度、陀螺仪和欧拉角)进行实时采集,进一步采用基于四元数(Quaternion)的姿态建模对胶囊的姿态进行解算,并实现图形可视化。在系留线内窥镜姿态测试实验中,成功实现了内窥镜的姿态显示,为未来无线胶囊内窥镜运动传感模块的设计和磁导航胶囊的运动控制奠定了理论基础与技术验证。

关键词：无线胶囊内窥镜磁导航 k-NN算法射频定位扩展卡尔曼滤波四元数

无线胶囊内窥镜图像检索及视频摘要方法研究与系统实现

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无线胶囊内窥镜图像检索及视频摘要方法研究与系统实现

作者：詹昌飞北京工业大学

学位级别：硕士

无线胶囊内窥镜是消化道检测技术的里程碑,它不仅克服了传统消化道检测方法对于人体的伤害,而且能够对整个消化道部位进行检测,消除了小肠的检测盲区。从无线胶囊内镜问世以来,现已有超过百万例的临床检测记录,逐渐成为消化道检测领域... 详细信息

无线胶囊内窥镜是消化道检测技术的里程碑,它不仅克服了传统消化道检测方法对于人体的伤害,而且能够对整个消化道部位进行检测,消除了小肠的检测盲区。从无线胶囊内镜问世以来,现已有超过百万例的临床检测记录,逐渐成为消化道检测领域的首选方法。无线胶囊内镜通过人工吞服,利用人体肠道蠕动提供动力,实现整个消化道的拍摄。通常情况下,整个检查过程耗时8小时,拍摄约为300000000幅消化道图像。通过从这些消化道图像中筛查出病变图像进行疾病诊断对于阅片医生来说,是一项繁重枯燥的工作。因此,为了有效地降低医生劳动强度,提高诊断效率,针对无线胶囊内镜的计算机辅助诊疗技术不断发展。本文针对去除无线胶囊内镜图像冗余,从图像检索和视频摘要两个方面进行了研究。图像检索旨在从庞大的无线胶囊内镜图像数据库中快速选取出医生想要的类似图像,减少医生寻找类似图片的时间。视频摘要是为了去除内容相似、代表性弱的图像,使得无线胶囊内镜图像序列的图像总帧数大幅减少,达到缩减阅片医生的诊断时间和提高诊断效率的目的。针对图像检索技术,本文基于无线胶囊内镜图像特点,提出了基于内容的无线胶囊内镜图像检索技术。针对视频摘要技术,本文提出了两种方法,分别为基于显著图的无线胶囊内镜视频摘要方法和基于卷积神经网络的无线胶囊内镜视频摘要方法。基于内容的无线胶囊内镜图像检索方法中,本文提取了无线胶囊内镜图像的颜色特征、纹理特征和Sift特征,并对颜色特征和纹理特征进行特征融合,用于描述人眼感官特性,Sift特征用于描述图像的局部细节信息。最后,通过比值法进行相似度度量,得到相似度从高到低的检索结果。实验结果显示了基于内容的无线胶囊内镜图像检索技术,能够有效地检索出类似图像,平均检索精度达到88.3%。基于显著图的无线胶囊内镜视频摘要方法中,本文在传统Itti显著图提取方法的基础上进行改进,得到适用于无线胶囊内镜的显著图提取方法。根据得到的显著图提取颜色特征与纹理特征,并进行特征融合。帧间差检测利用了突变检测与渐变检测,有效地避免了因视频渐变而遗漏缓变的视频关键帧。最终组合关键帧得到视频摘要。实验中敏感度、特异性、准确率与压缩比指标均取得了不错的结果,证明了本方法能够为无线胶囊内镜视频摘要生成提供一条可参考的方法。基于卷积神经网络的无线胶囊内镜视频摘要方法中,本文根据无线胶囊内镜视频缓变的特点,进行时序分割操作,将视频分割成时序序列集。然后,对时序段图像进行K-means聚类,去除内容相似图像,并对剩余图像进行专业医生标定,利用Alex Net卷积神经网络进行训练,得到关键帧识别模型。最后,组合得到的关键帧形成无线胶囊内镜视频摘要。实验结果证明了本方法不仅拥有较好的实验指标,而且能够有效地保留视频中的病变信息。基于上述研究内容,本文利用MFC框架实现了无线胶囊内镜图像检索与视频摘要系统,便于使用者进行实验与操作。最后,本文对整体工作进行了总结与分析,并对后续工作进行了展望。

关键词：无线胶囊内窥镜颜色特征纹理特征 Sift特征显著图卷积神经网络

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无线胶囊内窥镜精确定位系统研究与芯片设计

无线胶囊内窥镜精确定位系统研究与芯片设计

作者：韦胶二桂林电子科技大学

学位级别：硕士

无线胶囊内窥镜（Wireless Capsule Endoscope,WCE）是肠胃疾病检查技术的重大突破,是人体局域网（Body Area Network,BAN）在生物医学领域最具代表性的应用。相对于传统的缆线胃镜检查方式,无线胶囊内窥镜检测技术具有无交叉感染、无... 详细信息

无线胶囊内窥镜（Wireless Capsule Endoscope,WCE）是肠胃疾病检查技术的重大突破,是人体局域网（Body Area Network,BAN）在生物医学领域最具代表性的应用。相对于传统的缆线胃镜检查方式,无线胶囊内窥镜检测技术具有无交叉感染、无痛感、易于吞服等优点。针对无线胶囊内窥镜的定位系统,射频定位技术是其研究的热点之一,其中到达时间（Time of Arrival,TOA）算法的定位精度最优,但是其存在时间延迟误差,会对WCE的定位精度产生影响。一些研究者将TOA算法与其他定位技术相混合,以期提高WCE的定位精度,但是依旧无法消除其存在的时间延迟误差。在室内射频定位技术中,到达时间差（Time Difference of Arrival,TDOA）的定位算法可以消除到达时间延迟误差,但其在方程组求解的过程中,存在模糊解的问题,并不适用于WCE的定位。针对以上无线胶囊内窥镜中存在的问题,本文从以下几个方面展开研究:（1）提出ΔTOA定位算法:根据WCE采样周期短的特点,将其在体内的运动轨迹近似为匀速直线运动,在相邻的两个状态中,利用带有时间延迟误差的WCE位置差等于去除时间延迟误差的WCE位置差的特点,达到消除时间延迟误差、提高定位精度的目的。根据仿真结果:在相同的误差下,所提出的ΔTOA算法定位精度优于TOA算法的定位精度。（2）设计无线胶囊内窥镜超宽带接收机的低噪声放大器电路:由于WCE的定位系统与能量监测密切相关,故采用非相干接收机应用于WCE的定位系统。本文设计实现了非相干接收机的低噪声放大器,并采用带有源极负反馈电感的共源共栅结构;为了满足其所需的超宽带性能指标,使用RC负反馈结构增加其带宽;最后,通过无源Balun的结构实现单端输入全差分输出的转换。仿真结果表明:本文所设计的低噪声放大器均能满足设计指标。

关键词：无线胶囊内窥镜射频定位技术到达时间算法低噪声放大器

一款用于无线胶囊内窥镜系统的微带天线设计与仿真

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传感技术学报 2014年第8期27卷 1125-1129页

作者：赵德春张龙生马成群重庆邮电大学光电工程学院重庆400065

基于时域有限差分方法,采用真实人体数字三维模型,仿真了天线在人体消化道内辐射情况,分析了天线结构参数对天线辐射性能的影响。针对无线胶囊内窥镜(Wireless Capsule Endoscopy,WCE)在人体消化道内工作特点,设计了一款能够用于发送消... 详细信息

基于时域有限差分方法,采用真实人体数字三维模型,仿真了天线在人体消化道内辐射情况,分析了天线结构参数对天线辐射性能的影响。针对无线胶囊内窥镜(Wireless Capsule Endoscopy,WCE)在人体消化道内工作特点,设计了一款能够用于发送消化道内图像数据的WCE微带天线,该微带天线谐振频率为500 MHz,输入回波损耗S11<-10 dB时相对带宽为8%,带内VSWR<2.0,最后采用仿真优化后的结构参数和材料制作了天线,并进行了测试,得到了满足实际应用要求的微带天线。

关键词：无线胶囊内窥镜微带天线中心频率 FDTD算法

基于nRF24LE1的无线胶囊内窥镜医疗机器人

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华中科技大学学报（自然科学版） 2013年第S1期41卷 293-296页

作者：刘波程磊徐建省吴怀宇陈洋武汉科技大学信息科学与工程学院湖北武汉430081 北京大学工学院北京100871 中国科学院电工研究所北京100190

为了更好地检测胃肠道疾病,提出了一种基于nRF24LE1的无线胶囊内窥镜医疗机器人,胶囊内窥镜机器人集微型执行器、图像传感器和微能源于一体,该方案采用自带JPEG压缩引擎的CMOS(互补金属氧化物半导体)摄像头OV2640和2.4GHz频段无线收发... 详细信息

为了更好地检测胃肠道疾病,提出了一种基于nRF24LE1的无线胶囊内窥镜医疗机器人,胶囊内窥镜机器人集微型执行器、图像传感器和微能源于一体,该方案采用自带JPEG压缩引擎的CMOS(互补金属氧化物半导体)摄像头OV2640和2.4GHz频段无线收发控制一体芯片nRF24LE1进行图像采集与无线传输.实验结果表明:通过无线射频芯片nRF24LE1可以接受到质量较高的JPEG彩色图像,整个系统运行速率快、功耗低,并且胶囊机器人尺寸小,能够满足临床需求,提高临床胃肠道疾病的诊断率.

关键词：机器人无线胶囊内窥镜 JPEG压缩 OV2640图像传感器 nRF24LE1

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基于JPEG的数字式无线胶囊内窥镜的设计

测控技术 2010年第1期29卷 7-9,12页

作者：邱祥玲颜国正潘国兵上海交通大学电子信息与电气工程学院上海200240

为了提高胃肠道疾病的诊断率,设计了一种新型的基于JPEG图像格式的数字式无线胶囊内窥镜(WCE,wireless capsule endoscopy)系统,并研制出了样机。该胶囊内窥镜能将所获得的胃肠道(GI,gas-trointestinal)图像压缩为JPEG图像格式,然后以... 详细信息

为了提高胃肠道疾病的诊断率,设计了一种新型的基于JPEG图像格式的数字式无线胶囊内窥镜(WCE,wireless capsule endoscopy)系统,并研制出了样机。该胶囊内窥镜能将所获得的胃肠道(GI,gas-trointestinal)图像压缩为JPEG图像格式,然后以数字式无线通信的方式将图像数据传输到病人的体外,并被体外接收盒接收存储,最后通过上位机工作站进行显示处理。在离体实验中该胶囊内窥镜成功地得到了清晰的猪小肠的图像,取得了满意的效果。

关键词：无线胶囊内窥镜图像传感器数字无线通信 JPEG图像

融合时域特征的无线胶囊内窥镜序列图像出血段定位算法研究

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融合时域特征的无线胶囊内窥镜序列图像出血段定位算法研究

作者：石玮西南交通大学

学位级别：硕士

出血病症是人类肠道疾病中最为易见疾症之一。随着无线胶囊内窥镜(Wireless Capsule Endoscopy,WCE)技术的进步与发展,现已经广泛运用于各种病症分析,特别是针对肠胃出血的检测。就单个无线胶囊内窥镜序列来说一般大约包含50,000-60,00... 详细信息

出血病症是人类肠道疾病中最为易见疾症之一。随着无线胶囊内窥镜(Wireless Capsule Endoscopy,WCE)技术的进步与发展,现已经广泛运用于各种病症分析,特别是针对肠胃出血的检测。就单个无线胶囊内窥镜序列来说一般大约包含50,000-60,000帧图像,医生纯人工检测的话通常需要一帧一帧将整个图像序列都观察完,这对于医生来说是一个非常大的体力活和技术活。因此,迫切需求既高效又拥有高精度的计算机辅助诊断方法。本文提出融合时域特性来定位WCE序列图像中的出血段算法。结合序列图像预处理、超像素分割、颜色模型、特征融合和时域模型学习几个部分来优化处理无线胶囊内窥镜序列图像的出血段定位检测问题。首先,本文建立了无线胶囊内窥镜的序列段数据集;其次分析了现有出血检测的特征提取算法。重点对于无线胶囊内窥镜序列图像提出CBRF算法进行了预检测处理,去除了无线胶囊内窥镜序列图像中常有的背景、褶皱、肠腔区域黑洞等干扰。本文在超像素分割方面采用了gSLIC,运算速度有很大的提升。同时针对暗色陈旧出血序列段,结合SVM算法训练出了颜色模型进行预检测优化,本文经过特征选择提取出红色比特征和a特征,并进行了特征融合。针对目前基于单张图像的无线胶囊内窥镜出血检测的识别效果问题,本文提出融合时域特性的连续帧之间信息来对检测进行优化。由于序列图像中肠壁的背景在变化的时间序列里能提供更多的信息,通过对于连续帧之间信息的运用,能在出血病变检测的问题上得到更好的效果。实验结果也显示出本文提出算法的有效性。

关键词：无线胶囊内窥镜出血检测超像素分割时域模型