基于视觉胶囊内窥镜导航及研究.pdf

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工学硕士学位论文


基于视觉的胶囊内窥镜导航研究




硕士研究生: 赵荧
导师: 楼云江副教授
申请学位: 工学硕士
学科: 控制科学与工程
所在单位: 深圳研究生院
答辩日期: 2013 年 6 月
授予学位单位: 哈尔滨工业大学
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Dissertation for the Master Degree in Engineering



VISION BASED NAVIGATION FOR CAPSULE
ENDOSCOPIES





Candidate: Zhao Ying
Supervisor: Associate Prof. Lou Yunjiang
Academic Degree Applied for: Master of Engineering
Speciality: Control Science and Engineering
Affiliation: Shenzhen Graduate School
Date of Defence: June, 2013
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学硕士学位论文
摘要
胶囊内镜是对现有胃肠道内窥镜的改进与提高——将基于缆线的影像传输
改进为无线信息传输,使得内镜可以进入小肠做检测,扩展了消化道内窥镜检
测范围;将被动式移动变为主动式,使得内镜在人体内存留时间由原来的 6~8
小时降为 20 分钟左右,减轻了病患在诊疗过程中的痛苦。胶囊内镜在消化道内
主动式移动需要导航系统提供位置信息以正确通过腔道而不造成消化道壁损
伤。这里为最大程度地减小胶囊尺寸,我们将不额外增加传感器,仅利用内镜
头部固摄像头实现胶囊内镜基于视觉的自主导航。
文章提出基于暗区的自适应导航算法,其理论核心是内镜图像上最暗的部
分(暗区)对应腔道的延伸方向。但在观察真实内镜图片后我们发现,光源角
度及腔道内固有杂物会使得暗区消失或出现暗区群。为此,我们基于“相邻图
片导航点近似一致”原则,设立感兴趣区以减小搜索范围;引入数字形态学手
段去除常见的干扰物,如囊泡、憩室等;引入“位置权重”概念,在无法找到
有效暗区的情况下,根据上一帧导航点位置,合理推断本帧导航信息。此外,
为保证暗区法失效时仍能有效导航,我们提出基于模板匹配的导航方法。该方
法的基础是工业中常见的基于灰度的模板匹配技术,其运算速度快且与暗区法
原理上截然不同,可作为一种独立的导航方式与暗区法并行存在。我们提出将
两种算法串行化融合,并通过仿真证明,合并后的算法在导航成功率及处理速
度上皆优于上述两种算法各自运行时的结果。
我们进行了仿真及实验以验证算法性能。仿真基于大量的、来源不同的内
镜图片,通过对比我们发现本文算法性能优于现有算法。实验中,将本文算法
应用于智能小车上,验证其是否可以顺利通过肠道形状的软管。实验证明,导
航算法使得小车在顺利通过 10 m 长软管,其处理速度满足实时性的要求。



关键词:胶囊内镜;视觉导航;模板匹配;感兴趣区;位置权重
- I -
哈尔滨工业大学硕士学位论文
Abstract
Since the world's first capsule endoscopy "M2A" was essfully developed in
Israel in 1999, there have been several products available. Compared with
traditional ones, capsule endoscopy effectively eases patients’ pain in the process of
diagnosis and extended the range of detection into small intestine. For an
autonomous set, it's essential to equip with a navigation system. Allowing for
minimizing the size of capsules, we us