高光譜成像系統(tǒng)在中醫(yī)舌診中的應(yīng)用研究

高光譜成像系統(tǒng)在中醫(yī)舌診中的應(yīng)用研究
摘要：舌診是傳統(tǒng)中醫(yī)診病的重要方法，然而傳統(tǒng)舌診c 存在一個很大的問題是具有主觀性，難于進(jìn)行定量化描 述．隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，圖像處理和模式識別技術(shù)正在用于舌診的輔助診斷．目前舌圖像的采集方法基本都是 使用數(shù)碼相機(jī)，所提供的舌圖像包含的病理信息有限，使得分析算法非常復(fù)雜且效果不甚理想．針對這種情況，提 出使用高光譜成像系統(tǒng)代替數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行舌圖像的采集．由于高光譜舌圖像具有豐富的圖譜信息，初步試驗(yàn)表明 了這一方法的有效性，為中醫(yī)舌診提供了一種新方法． 引言 舌診是通過觀察舌象的變化，了解機(jī)體生理功 能和病理變化的一種診斷方法，為歷代中醫(yī)所重視， 是辯證論治的主要依據(jù) ．傳統(tǒng)的舌診依賴于醫(yī)生 定性觀察，具有主觀性，重復(fù)性也差，給舌診的進(jìn)一 步發(fā)展帶來嚴(yán)重的困難． 現(xiàn)代圖像處理技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)圖像 的分析之中，這為醫(yī)學(xué)診斷提供了有益的幫助，近十 余年來，舌診客觀化的研究受到普遍重視，已有的 r_ 作已經(jīng)證明圖像分析技術(shù)用于舌診客觀化的可行 性．但是這些方法都是圍繞數(shù)碼相機(jī)或者其他設(shè)備 拍攝的RGB舌圖像進(jìn)行分析，由于圖像信息有限， 再加上外界光源的變化、設(shè)備的隨機(jī)噪聲等影響因 作者簡介：李慶利(1977．)，男，山東平邑人，博士研究生，主要研究方向?yàn)楦吖庾V成像技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)上二的應(yīng)用． 商光譜成像系統(tǒng) 敏面 豐控計(jì)算機(jī) 1 ． 1高速數(shù) 數(shù)據(jù)記 外圍接 錄設(shè)備 口設(shè)各 ． 圖1 高光譜舌象采集系統(tǒng) Fig．1 Schematic diagram of hyperspectral imaging system 素，使得舌圖像分析算法非常復(fù)雜，而且效果并不是 很理想，制約了舌診現(xiàn)代化的進(jìn)一步發(fā)展． 針對中醫(yī)舌診現(xiàn)代化巾存在的問題，本研究使 用高光譜成像技術(shù)代替數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行舌圖像的采 集．通過試驗(yàn)初步獲得了部分高光譜舌圖像，并從 圖、譜結(jié)合的角度分析高光譜舌圖像在中醫(yī)舌診中 的應(yīng)用，為巾醫(yī)舌診的客觀化提供了一種新的途徑．

1 高光譜舌象采集系統(tǒng) 本研究中采集舌象使用的高光譜成像儀根據(jù)推 帚式成像光譜儀的原理進(jìn)行設(shè)計(jì) 』，系統(tǒng)原理圖如 圖1所示．整個系統(tǒng)由分光計(jì)、面陣CCD相機(jī)、儀器 平動裝置、數(shù)據(jù)采集與控制模塊等幾部分組成．處于 固定架上的采集目標(biāo)被柯勒照明系統(tǒng)照明，瞬時視 場內(nèi)的樣品條帶首先成像于光譜儀的狹縫處，再經(jīng) 過光柵及棱鏡分光組件后，在垂直樣品條帶方向按 光譜色散，晟后成像于CCD像面．CCD光敏面平行 于狹縫的一維稱為空間維，垂直于狹縫的一維稱為 光譜維，空間維每一行光敏元上得到的是樣品條帶 一個光譜波段的像，這樣面陣CCD相機(jī)每幀圖像便 對應(yīng)于一個樣品條帶的多光譜圖像． 要獲得整個觀測目標(biāo)的二維圖像，還必須對另 一維進(jìn)行推帚．用于航空遙感的推帚式成像光譜儀 是借助飛機(jī)的向前運(yùn)動來完成推帚的．本高光譜舌 象采集系統(tǒng)是利用儀器的平動來實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的推帚 成像，因此該系統(tǒng)配備了儀器平動裝置．為了獲得準(zhǔn) 確的光譜圖像，必須對儀器的運(yùn)動速度進(jìn)行精確的 控制．本系統(tǒng)利用步進(jìn)電機(jī)連接滾珠絲杠，將滾珠絲 杠的移動橫梁連接到儀器本身，來驅(qū)動其運(yùn)動．儀器 的推帚速度通過對步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制來實(shí)現(xiàn)，而 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制是通過單片機(jī)產(chǎn)生方波脈沖信 號來觸發(fā)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行步進(jìn)旋轉(zhuǎn)．因此，單片機(jī)產(chǎn)生 的方波脈沖信號頻率晟終決定了儀器的推掃速度． 通過平動裝置對樣品進(jìn)行推掃，就得到整個樣品的 二維圖像及光譜數(shù)據(jù)，即圖像立方體(如圖2)．圖像 中每一個象素點(diǎn)都有兩個屬性，一個是光譜屬性；另 一個是亮度屬性．系統(tǒng)的光譜范圍400～800 nm。有 效象元數(shù)652×488，共120個波段，光譜分辨率優(yōu) 于5nm，完全滿足舌圖像采集的要求．

2 高光譜舌象在舌診中的應(yīng)用
2．1 高光譜舌象采集方法 為了驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性，根據(jù)高光譜成像系統(tǒng) 需要推帚的特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)有的舌圖像采集方法，設(shè)計(jì) 了如下的高光譜舌圖像采集方法．
(1)舌象檢查的時間固定在清晨6：30～7：50h 進(jìn)行，囑接受檢查的患者在拍攝前2h內(nèi)不進(jìn)食，不 吸煙，不刷牙和漱口，不飲用有刺激性或有顏色的藥 水及飲料(可以飲少量清水)，以免影響檢查結(jié)果．
(2)調(diào)節(jié)頭部固定架與成像系統(tǒng)鏡頭的位置， 去除由于距離變化對成像的影響．
(3)對病人伸舌姿勢進(jìn)行統(tǒng)-~JII練和示范，讓 病人坐在檢查椅上，調(diào)節(jié)操作臺高度，使病人下頜舒 空間維 圖2 高光譜舌圖像立方體 Fig．2 Hyperspectral tongue imagery date cube 圖3 不同波段的舌圖像 Fig．3 Images of tongue collected at various wavelengths using the hyperspeetral imaging system 適地放于頭部固定架的下頜托板上，前額依靠橫梁， 雙手自然下垂或前伸曲肘放在固定架兩側(cè)．
(4)囑病人吸干舌面水分，張口，自然伸舌，舌 尖下垂，充分暴露舌面，利用本系統(tǒng)采集舌面高光譜 圖像． (5)采集過程中肉眼觀察病人舌質(zhì)、舌苔、舌 形、舌態(tài)、津液及舌下脈等情況并進(jìn)行記錄． 采用以上舌圖像采集方法采集高光譜舌圖像并 存儲，根據(jù)采集過程中肉眼觀察結(jié)果進(jìn)行分類整理， 以備試驗(yàn)分析使用．

2．2 高光譜舌圖像 按照中醫(yī)學(xué)舌診的理論，人的不同臟器的健 康狀況很大程度E可以通過舌質(zhì)和舌苔來判斷． 由于采用了高光譜成像系統(tǒng)，使得描述舌象的信 息非常豐富，使用本系統(tǒng)獲得的其中一景403．7～ 865．2nm光譜范圍的高光譜舌圖像如圖3所示． 從圖中可以看出，在不同波段舌體不同區(qū)域都有 著不同的表征，只要結(jié)合一定的圖像處理算法，即 可以方便地進(jìn)行舌體區(qū)域分割、舌質(zhì)舌苔分析、舌 裂紋提取等操作．

2．3 舌體分割 盡管在拍攝過程中可以通過調(diào)節(jié)硬件的狀態(tài)以 獲得最大的舌體原始圖像，但由于每個被檢測人的 情況不同，因此非舌體的部分如臉頰、唇和牙齒仍然 (a) (b) (c) (d) 圖‘4 舌體分割 ， Fig．4 Tongue segmentation 會存在．原始圖像巾的非舌部分對舌體和舌苔的顏 色鑒定以及舌苔的紋理特性有影響，從原始圖像巾 檢測與分離出舌圖像是很有必要的，岡此在進(jìn)行舌 體與舌苔鑒定以前先要將非舌體的部分分離出去． 目前已有的分割方法大多數(shù)是基于顏色和紋理進(jìn)行 分割¨’n ，但是由于嘴唇、臉頰等部位與舌體的顏 色相近，分割效果不是很理想，而且算法相對復(fù)雜． 在使用高光譜舌圖像采集系統(tǒng)后，得到的舌圖 像包含了豐富的光譜信息，可以采用一種綜合光譜 特征一圖像特征的邊緣信息提取方法來進(jìn)行舌體分 割．該方法在進(jìn)行空間特征分析之前，先進(jìn)行光譜分 解，從而產(chǎn)生一系列的二值圖像，步驟如下： (1)產(chǎn)生一系列在給定灰度水平分割的二值圖 像； (2)使用象元替換方法處理每個二值圖像； (3)處理可能的腐蝕或膨脹效果，提取邊緣信 息并存儲結(jié)果； (4)對于圖像的下一個灰度級別，重復(fù)(2)、 (3)步驟； (5)合成每個灰度級別的邊緣信息，得到最終 分割結(jié)果． 使用Snake方法對第22波段圖像進(jìn)行舌體分 割的結(jié)果如圖4(a)和(c)所示，使用本文介紹的方 法進(jìn)行舌體分割的結(jié)果如罔4(h)和(d)所示．通過 比較發(fā)現(xiàn)，采用圖譜結(jié)合的邊緣信息提取的效果明 顯好于傳統(tǒng)的邊緣檢測結(jié)果．

2．4 假彩色合成 由于高光譜舌圖像具有l(wèi)2O波段，為了突出舌 圖5 假彩色合成圖像 Fig．5 The pseudocolor tongue images 體某些特征，可以進(jìn)行假彩色合成．根據(jù)各部分光譜 特征不同，選擇第22波段(中心波長492．5nm)， 第1 10波段(中心波長799．3nm)和第77波段(中 心波長674．8nm)3個波段合成的舌體假彩色圖像 如圖5所示．從圖中可以看出，舌體的不同部分經(jīng) 過假彩色合成后明顯得到了增強(qiáng)，為中醫(yī)舌診提 供了方便．

2．5 光譜曲線 使用高光譜成像系統(tǒng)采集舌圖像，不僅可以獲 得舌的單波段圖像信息，而且也可以獲得圖像上每 一點(diǎn)的光譜曲線．圖6列出了正常舌質(zhì)、舌苔和膽囊 炎病人舌質(zhì)、舌苔的典型光譜曲線，其中圖6(a)正 常舌質(zhì)的光譜；(b)為正常舌苔的光譜；(C)為膽囊 炎舌質(zhì)光譜；(d)為膽囊炎舌質(zhì)光譜．通過對比這些 光譜曲線可以看出，正常舌與膽囊炎疾病舌的舌質(zhì) 舌苔在400—800nm范匍的光譜存在較大的差異． 如果通過試驗(yàn)建立各種疾病的舌質(zhì)舌苔典型光譜 庫，則可以根據(jù)其光譜特征進(jìn)行疾病的輔助診斷．

3 結(jié)語 本文介紹了一種基于推帚式的高光譜成像系 統(tǒng)，并對該系統(tǒng)在中醫(yī)舌診中的應(yīng)用進(jìn)行了初步的 探討．使用該系統(tǒng)采集了部分高光譜舌圖像，采用圖 譜結(jié)合的算法進(jìn)行了舌體分割，同時進(jìn)行了舌圖像 假彩色合成．初步試驗(yàn)表明，相對于采用數(shù)碼相機(jī)采 集的舌圖像，高光譜舌圖像采集系統(tǒng)提供了更加豐 富的舌圖像信息，為舌體區(qū)域分割、舌質(zhì)與舌苔特征 提取、舌裂紋提取等舌圖像分析提供了一種新的方 法，是中醫(yī)舌診的一種新途徑．在后續(xù)研究工作巾， 我們將采用高光譜圖像分析技術(shù)從圖譜結(jié)合的角度 進(jìn)行舌質(zhì)舌苔特征提取、舌紋分析等，并通過這些 分析，結(jié)合大量的病例，建立舌象、病癥與光譜之 間的物理機(jī)理聯(lián)系，最后建成高光譜舌象輔助診 斷系統(tǒng)．