结肠内窥镜视觉导航系统中光流寻径算法的研究

摘要

智能化医疗设备和医疗机器人技术，是一个多学科交叉的热门领域，其应用的一个重要方面是无创微创外科手术（MIS），即利用人体的天生管腔或手术小孔来导入医疗器械或医疗机器人以实现对人体的检测、诊断、治疗和手术等。结肠内窥镜是诊疗结肠癌等疾病的重要手段，但目前手术操作存在某些不足，如穿孔、出血等。因此，利用机器人和计算机技术对结肠内窥镜诊疗设备进行智能化改造具有重要的研究意义和应用前景。本文以克服内窥镜检查穿孔、提高内窥镜智能化水平为目标，研究了结肠内窥镜视觉导航系统的光流寻径算法，主要内容如下：
　　（1）针对常用结肠内窥镜寻径方法的优缺点，研究了基于光流法的自主机器人避障系统，得出了将光流法与结肠内窥镜视觉导航系统相结合的基本思路。
　　（2）在传统光流算法的基础上，研究了一种改进的微分算法—稀疏LK光流法。分析了HS光流法、LK光流法、匹配法以及稀疏LK光流法，在MATLAB7.0软件平台上进行对比实验，验证了稀疏LK光流法在运行时间和结果精度上都要优于另外三种。
　　（3）考虑到稀疏 LK光流法在帧间运动较大时，容易光流丢失，导致效果较差，本文提出一种改进的稀疏LK光流法：金字塔LK稀疏光流法。通过分析比较，确定了3层金字塔LK稀疏光流法作为本文研究的主要算法。将改进的光流法与传统的LK光流法进行了性能对比实验，结果表明：金字塔LK稀疏光流法在计算间隔较大的帧间光流场时,计算结果精度较高，程序运行所消耗的时间也大大减少了。
　　（4）制定了基于光流法的平衡策略方案。针对原始平衡策略只适用于走廊等简单环境，提出了一种改进的内窥镜寻径平衡策略。该策略利用图像中心部分的光流幅值来判断前方是否存在即将碰撞的肠腔壁，实验结果表明，改进的平衡策略能使结肠内窥镜做出较好的行动决策。利用MATLAB7.0重建结肠CT图像的三维体，在重建的结肠三维体上进行了光流寻径算法的实验，实现了视觉寻径。

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第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究状况

1.3 本文主要工作

第二章 结肠内窥镜视觉导航系统寻径原理及分析

2.1 结肠内窥镜结构及诊断技术

2.2 结肠内窥镜视觉导航寻径原理

2.3 基于光流法的自主机器人避障系统

2.4本章小结

第三章 光流算法的研究

3.1 光流法

3.2 经典光流法

3.3 改进的微分算法-稀疏LK光流法

3.4 实验分析与比较

3.5 本章小结

第四章 结肠内窥镜视觉导航系统中光流寻径算法的研究

4.1 改进的稀疏LK光流法—金字塔LK稀疏光流算法

4.2 光流寻径算法的研究

4.3 实验分析及比较

4.4本章小结

第五章 总结及展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

附录A（攻读学位期间发表论文）

附录B（部分程序）