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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

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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

基于无线胶囊内窥镜图像的小肠病变智能检测与识别研究

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基于无线胶囊内窥镜图像的小肠病变智能检测与识别研究

作者：刘士臣杭州电子科技大学

学位级别：硕士

近年来,无线胶囊内窥镜（Wireless Capsule Endoscopy,WCE）技术因具有安全、无痛、无创及能检查到传统内窥镜难以到达的小肠内部区域等优点,在临床消化道检查中得到了广泛的应用。但在每次检查中,WCE都会产生5到8万张图像,医生需要花... 详细信息

近年来,无线胶囊内窥镜（Wireless Capsule Endoscopy,WCE）技术因具有安全、无痛、无创及能检查到传统内窥镜难以到达的小肠内部区域等优点,在临床消化道检查中得到了广泛的应用。但在每次检查中,WCE都会产生5到8万张图像,医生需要花费大量的时间去阅览图像作出诊断,造成医疗资源的浪费,同时由于病变图像较少及长时间阅览导致的注意力不集中等问题使误检和漏检的几率大大增加。因此,实现WCE图像小肠病变智能检测和识别具有十分重要的意义。目前在WCE图像小肠病变智能检测和识别的研究领域中,大多数研究采用传统机器学习的方法对单一病变进行检测,但这些方法需要手工提取特征,过程繁琐,检测效率和准确率具有局限性。深度学习技术因具有自动提取特征,反向传播更新参数等优势在WCE图像病变识别研究中得到了广泛应用。然而,目前基于深度学习的WCE图像病变研究大多只针对单一病变进行检测和识别,鲜有关于多病变的研究。因此,本文基于深度学习思想,提出利用深层卷积神经网络（Deep Convolutional Neural Networks,DCNN）和R-CNN（Region-CNN）方法并结合迁移学习策略,展开对WCE图像小肠病变智能检测和识别的研究,其主要研究内容如下:（1）小肠幽门和回盲瓣识别研究实现小肠幽门（小肠起点）和回盲瓣（小肠终点）区域定位是帮助医生快速、准确找到小肠区域对其病变进行检测的关键一步。本文通过结合迁移学习策略,构建基于Res Nets的区域分类模型,实现了对小肠前,小肠和小肠后图像的分类,并提出幽门和回盲瓣定位算法实现对幽门和回盲瓣位置的精准定位。结果证明二者区域定位的偏离度误差绝对值均不超过0.5%,甚至无误差精确定位。（2）小肠病变智能检测方法研究本研究的重点之一在于实现对小肠病变（出血、溃疡、糜烂和息肉）的智能检测研究。本文通过结合迁移学习策略构建的基于Dense Nets的多病变检测分类模型,实现了对小肠病变的智能检测分类。实验结果表明,各类别病变的AUC（Area Under the Receiver Operating Characteristic Curve）平均值为0.9985。（3）小肠息肉病灶识别方法研究本研究的另外一个研究重点是实现对小肠息肉病灶的识别（检测和实例分割）研究。通过对不同R-CNN方法的实验对比后,结合迁移学习策略构建的基于Res Net101-FPN（Feature Pyramid Networks）的Mask Scoring R-CNN模型,实现了对息肉病灶相对精准的识别。在此基础上提出了基于输出结果的集成学习方法,进一步提升模型的性能,实验结果表示集成模型的总体性能,包括精确率、召回率、Jaccard系数、Dice相似度,均优于单一模型,PR（Precision-Recall）曲线和FROC（Free-response Receiver Operating Characteristic）曲线也证实了集成模型的优越性,其中AP（Average Precision）值最高达到了0.8411。（4）小肠病变智能检测原型系统研发本研究结合小肠区域定位算法研究及小肠病变智能检测方法研究中建立的两个最优模型,研发设计了一款智能检测软件系统,实现了利用计算机对无线胶囊内窥镜图像的辅助诊断。本研究利用深层卷积神经网络和R-CNN方法并结合迁移学习策略,实现了对小肠病变的智能检测和识别,实验结果证明训练得到的模型具有较高的检测和识别准确性。基于现有模型,研发设计了一款智能检测软件系统,实现了利用计算机对无线胶囊内窥镜图像的辅助诊断,有利于进一步推广WCE在临床上的应用。

关键词：无线胶囊内窥镜小肠病变检测病灶识别密集连接卷积网络(DenseNet) 区域卷积神经网络(Region-CNN) 迁移学习

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

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基于FDTD的无线胶囊内窥镜电磁辐射研究

基于FDTD的无线胶囊内窥镜电磁辐射研究

作者：陈晓宇重庆邮电大学

学位级别：硕士

无线胶囊内窥镜检测技术具有无痛和非侵入式,可以检测胃溃疡、小肠糜烂等消化道疾病,但是目前仍有许多问题尚未解决,比如电磁辐射安全性。在胶囊内窥镜内的天线,是主要造成人体生物电磁辐射效应的原因。如何在狭小的胶囊空间内实现天线... 详细信息

无线胶囊内窥镜检测技术具有无痛和非侵入式,可以检测胃溃疡、小肠糜烂等消化道疾病,但是目前仍有许多问题尚未解决,比如电磁辐射安全性。在胶囊内窥镜内的天线,是主要造成人体生物电磁辐射效应的原因。如何在狭小的胶囊空间内实现天线的微型化设计同时,满足电磁辐射安全设计,是本文的研究重点。因此本文开展了如下工作:首先,本文搭建了天线理论模型,陈述了本文的空间电磁场FDTD方法。同时使用Varipose软件,绘制数字真实三维人体模型,设置不同组织在特定频率下的电磁特性参数,完成仿真所需要的人体模型搭建。通过对比研究最新的电磁辐射安全标准,选择与医疗设备最相关的ICNIRP作为本研究的参考限值。接下来研究了圆锥形螺旋微带天线的线长、初始极径、线径、螺距(XY平面投影,Z方向)、螺旋方向、介质基板相关参数(基板厚度,基板与天线距离,基板半径)等物理参数对天线性能的影响,最终确定2.4GHz发射频率的发射天线,为研究电磁辐射安全提供了天线模型基础。最后研究了该天线模型在人体消化道内的电磁辐射的分布情况,对照电磁辐射安全限值进行了分析。本文将人体消化道分为食管、胃、小肠、大肠,在这些部位中均匀选点以模拟胶囊在这四个部位的运动状况,共107个点。然后对这些点进行电磁辐射仿真并讨论辐射分布情况,重点分析了SAR RAW、SAR、SAR、极化方向等参数。通过统计每个部位所有的SAR RAW值,总结各个部位的SAR分布特点;通过查看SAR最大值点的极化方向讨论人体内天线辐射的极化特点;通过将SAR和SAR与参考限值进行对比,讨论电磁辐射安全条件。通过修改天线的输入功率最后得到,在输入功率低于75mW时,胶囊在整个消化道内最大SAR低于2W/kg(该点位于小肠),此时SAR最大值为0.27mW/kg,也低于80mW/kg限值。从各个部位的人体SAR分布图上得出,辐射方向沿最大SAR值点方向,满足天线辐射安全的设计要求。

关键词：生物电磁辐射安全无线胶囊内窥镜圆锥型螺旋天线比吸收率

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无线胶囊内窥镜的研究进展和讨论

中国医疗设备 2011年第8期26卷 60-62页

作者：顾卫忠高邮中医院设备科江苏扬州225600

本文介绍了无线胶囊内窥镜的国内外研究进展,详细分析了无线胶囊内窥镜的组成结构和工作原理,深入探讨了目前无线胶囊内窥镜研发和应用过程中存在的多种问题,并针对问题提出了相应的解决办法和思路。

关键词：无线胶囊无线胶囊内窥镜无线内窥镜系统

应用于无线胶囊内窥镜的超宽带人体信道特性研究进展

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生物医学工程研究 2020年第4期39卷 413-418页

作者：彭双段吉海韦胶二朱岛桂林电子科技大学信息与通信学院桂林541004

无线胶囊内窥镜(wireless capsule endoscopy,WCE)作为一种用于胃肠道(gastrointestinal tract,GI)无痛、无创检查的植入式器件,已得到广泛应用。为了在WCE中实现更高的图像帧分辨率和传输速率,从而发现病变部位,帮助诊断,建立由体内到... 详细信息

无线胶囊内窥镜(wireless capsule endoscopy,WCE)作为一种用于胃肠道(gastrointestinal tract,GI)无痛、无创检查的植入式器件,已得到广泛应用。为了在WCE中实现更高的图像帧分辨率和传输速率,从而发现病变部位,帮助诊断,建立由体内到体外的高速数据传输信道必不可少。在不增加传输功耗的条件下,基于超宽带频段内进行传输信道路径分析已成为热门趋势。本研究主要基于信道传播特性和实验分析方法两方面介绍了应用于超宽带频段内WCE的人体信道特性研究现状,并对未来超宽带频段人体信道传输特性的研究方向进行分析与展望。

关键词：无线胶囊内窥镜超宽带信道特性路径损耗模型信道模型比吸收率

基于CF卡的无线胶囊内窥镜体外接收存储系统

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电子测量技术 2008年第7期31卷 103-107页

作者：王富民颜国正王文兴上海交通大学医学精密工程与智能微系统研究室上海200240

本文介绍了一种基于CF卡的无线胶囊内窥镜体外接收存储系统的结构与原理。该系统采用高速单片机对接收的图像帧进行同步,采用FIFO对接收到的高速图像数据进行缓存,并在FPGA和单片机的共同控制下于胶囊休眠期将数据写入数据卡,成功实现... 详细信息

本文介绍了一种基于CF卡的无线胶囊内窥镜体外接收存储系统的结构与原理。该系统采用高速单片机对接收的图像帧进行同步,采用FIFO对接收到的高速图像数据进行缓存,并在FPGA和单片机的共同控制下于胶囊休眠期将数据写入数据卡,成功实现了实时记录长时间图像数据的功能,提高了系统的可靠性。

关键词： CF卡无线胶囊内窥镜 FPGA FIFO FAT32

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胶囊内窥镜数字无线通信模块的设计

上海交通大学学报 2009年第6期43卷 894-897页

作者：潘国兵颜国正宋昕帅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图像格式的无线胶囊内窥镜(Wireless Capsule Endoscope,WCE).针对图像数据量大、JPEG压缩格式对传输误码率要求苛刻以及WCE微型化、低功耗的特点和要求,对数字式无线通信应用于WC... 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图像格式的无线胶囊内窥镜(Wireless Capsule Endoscope,WCE).针对图像数据量大、JPEG压缩格式对传输误码率要求苛刻以及WCE微型化、低功耗的特点和要求,对数字式无线通信应用于WCE以传输JPEG图像进行了研究,设计并研制了合适的发射和接收无线通信模块.实验测试表明,当发射功率为-30 dBm时,该通信模块的最大通信距离为7 m,无线数字信号经过脂肪组织后,数据接收误码率仅为0.03%,数据传输速率为110 Kb/s,平均功耗仅2.8 mA,完全符合系统的要求.在此基础上研制了无线胶囊内窥镜系统样机,并在离体实验中得到了清晰的猪小肠的图像,取得了满意的效果.

关键词：无线胶囊内窥镜数字无线通信 JPEG图像消化道疾病