基于无线供能的胃肠道视频胶囊内窥镜系统及肿瘤图像识别算法研究

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无线胶囊内窥镜（Wireless capsule endoscopy，WCE）系统作为一种安全方便、无创无痛、全消化道检测方法，通过采集人体消化道内壁图像使临床医生获得病灶处最直观的信息。近年来，有关WCE的研究已经成为国内外医疗器械领域的研究热点之一。然而现有 WCE系统的图像分辨率、图像传输帧率以及工作时间还无法满足临床使用要求。同时WCE一次检查获取的消化道图像多达几万张，对于临床医生来说，WCE视频的判读是一个费时费力的过程，这也阻碍了 WCE在临床上的进一步推广应用。本文在国家和省级多项科研计划项目资助下，开展了基于无线供能的视频胶囊内窥镜系统和肿瘤图像识别算法的研究。
　　分析了人体胃肠道生理特征及其对WCE系统设计的影响，提出两种不同类型的新型视频胶囊内窥镜系统样机：基于NTSC制式的视频胶囊内窥镜系统和基于Raw图像的数字式视频胶囊内窥镜系统。分别对它们内部的各功能模块进行了研究与设计。选择新型CMOS图像传感器，设计与之匹配的针孔镜头和照明模块；选择满足性能要求的微型控制处理器，完成视频胶囊内窥镜控制电路与数据处理模块的设计。结合图像传感器输出的视频图像格式，设计了能量利用率高、信号穿透力强、频带宽的无线视频传输电路；在视频胶囊内窥镜内部空间尺寸的限制下，设计了法向模螺旋发射天线，并建立仿真模型对其参数进行了优化。最后，设计了体外视频图像接收显示系统，在实现视频图像的接收、显示与存储的同时，让医生对视频胶囊内窥镜的工作状态进行监测。
　　为了满足视频胶囊内窥镜系统的能量需求，分析了感应耦合式无线能量传输的基本原理，在安全性和稳定性约束条件下，提出视频胶囊内窥镜无线能量传输系统的模块化设计思想。围绕人体电磁安全性、磁场均匀性和频率稳定性等方面要求，设计了满足要求的能量发射电路和类椭圆螺线管对结构的便携式能量发射线圈。以人体组织电流密度和比吸收率（SAR）为参量分析了人体电磁辐射安全性；根据电磁场基本原理，推导不同能量发射线圈内部磁场分布表达；通过驱动电流的下降程度，分析发射线圈的频率漂移问题。从温升安全性、接收能量的稳定性出发，设计了满足要求的能量接收电路和新型三维空心圆柱接收线圈。通过检测不同线圈的温升情况，讨论了能量接收线圈内阻的安全范围；建立不同的坐标模型，分析了新型接收线圈的姿态稳定性。最后，分析了无线能量传输效率，以利于后续参数的实验优化。
　　为了降低临床医生的工作量，提高诊断率，提出了基于多尺度分析和分形技术的WCE肿瘤图像自动识别算法。在RGB和HSV颜色空间中，首先将离散曲波变换和分形技术相结合，利用离散曲波变换选取合适的尺度重构WCE纹理图像，采用分形技术计算重构图像的局部分形维数，然后通过提取高斯型二阶矩统计特征和非高斯型三阶矩统计特征来区分WCE肿瘤和正常图像。建立基于遗传算法（GA）和支持向量机（SVM）的特征选择及分类识别方法，获取分类效果最优的特征集，降低特征向量维度的同时提高分类效率。采用K-fold交叉验证方法对SVM分类器的参数C和x实现智能优选，并确定最优参数。针对选定的WCE图像数据集，对提出的算法进行测试，最终得到的分类识别灵敏度为97.8%，特异度为96.7%，基本实现了WCE肿瘤图像的初步诊断。
　　在实验研究的基础上，按照功能结构的不同，分别对视频胶囊内窥镜系统进行系统集成以及功能验证。测试了其内部照明电路，图像采集模块，数据压缩模块和无线传输模块的工作性能。通过离体肠道实验，采集到清晰的离体肠道图像，验证了整个功能模块的可行性。在无线能量传输系统的实验中，先后对能量发射和接收线圈进行了实验优化，确定了二者的参数数据，同时验证了新型三维空心圆柱接收线圈的姿态稳定度优于三维正交接收线圈。然后在不同介质中，对无线供能的NTSC视频胶囊内窥镜进行测试，进一步验证了在生物组织影响下，整个视频胶囊内窥镜系统的能量传输性能和通信性能，取得了本课题研究的阶段性成果，为下一步的研究和改进打下了良好的基础。

著录项

作者
刘刚;
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作者单位

上海交通大学;

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授予单位上海交通大学;
学科精密仪器及机械
授予学位博士
导师姓名颜国正;
年度 2016
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类仪器、设备;
关键词
无线供能; 视频胶囊内窥镜; 肿瘤图像识别算法; 胃肠道检测; 生理特征;

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