高光譜成像系統在中醫舌診中的應用研究
摘要：舌診是傳統中醫診病的重要方法，然而傳統舌診c 存在一個(gè)很大的問(wèn)題是具有主觀(guān)性，難于進(jìn)行定量化描 述．隨著(zhù)計算機技術(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 使用數碼相機，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代替數碼相機進(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，初步試驗表明 了這一方法的有效性，為中醫舌診提供了一種新方法． 引言 舌診是通過(guò)觀(guān)察舌象的變化，了解機體生理功 能和病理變化的一種診斷方法，為歷代中醫所重視， 是辯證論治的主要依據 ．傳統的舌診依賴(lài)于醫生 定性觀(guān)察，具有主觀(guān)性，重復性也差，給舌診的進(jìn)一 步發(fā)展帶來(lái)嚴重的困難． 現代圖像處理技術(shù)已經(jīng)廣泛地應用于醫學(xué)圖像 的分析之中，這為醫學(xué)診斷提供了有益的幫助，近十 余年來(lái)，舌診客觀(guān)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(guān)化的可行 性．但是這些方法都是圍繞數碼相機或者其他設備 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、設備的隨機噪聲等影響因 作者簡(jiǎn)介：李慶利(1977．)，男，山東平邑人，博士研究生，主要研究方向為高光譜成像技術(shù)在生物醫學(xué)上二的應用． 商光譜成像系統 敏面 豐控計算機 1 ． 1高速數 數據記 外圍接 錄設備 口設各 ． 圖1 高光譜舌象采集系統 Fig．1 Schematic diagram of hyperspectral imaging system 素，使得舌圖像分析算法非常復雜，而且效果并不是 很理想，制約了舌診現代化的進(jìn)一步發(fā)展． 針對中醫舌診現代化巾存在的問(wèn)題，本研究使 用高光譜成像技術(shù)代替數碼相機進(jìn)行舌圖像的采 集．通過(guò)試驗初步獲得了部分高光譜舌圖像，并從 圖、譜結合的角度分析高光譜舌圖像在中醫舌診中 的應用，為巾醫舌診的客觀(guān)化提供了一種新的途徑．

1 高光譜舌象采集系統 本研究中采集舌象使用的高光譜成像儀根據推 帚式成像光譜儀的原理進(jìn)行設計 』，系統原理圖如 圖1所示．整個(gè)系統由分光計、面陣CCD相機、儀器 平動(dòng)裝置、數據采集與控制模塊等幾部分組成．處于 固定架上的采集目標被柯勒照明系統照明，瞬時(shí)視 場(chǎng)內的樣品條帶首先成像于光譜儀的狹縫處，再經(jīng) 過(guò)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(chēng)為空間維，垂直于狹縫的一維稱(chēng)為 光譜維，空間維每一行光敏元上得到的是樣品條帶 一個(gè)光譜波段的像，這樣面陣CCD相機每幀圖像便 對應于一個(gè)樣品條帶的多光譜圖像． 要獲得整個(gè)觀(guān)測目標的二維圖像，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 是借助飛機的向前運動(dòng)來(lái)完成推帚的．本高光譜舌 象采集系統是利用儀器的平動(dòng)來(lái)實(shí)現對目標的推帚 成像，因此該系統配備了儀器平動(dòng)裝置．為了獲得準 確的光譜圖像，必須對儀器的運動(dòng)速度進(jìn)行精確的 控制．本系統利用步進(jìn)電機連接滾珠絲杠，將滾珠絲 杠的移動(dòng)橫梁連接到儀器本身，來(lái)驅動(dòng)其運動(dòng)．儀器 的推帚速度通過(guò)對步進(jìn)電機的轉速控制來(lái)實(shí)現，而 步進(jìn)電機的轉速控制是通過(guò)單片機產(chǎn)生方波脈沖信 號來(lái)觸發(fā)步進(jìn)電機進(jìn)行步進(jìn)旋轉．因此，單片機產(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(guò)平動(dòng)裝置對樣品進(jìn)行推掃，就得到整個(gè)樣品的 二維圖像及光譜數據，即圖像立方體(如圖2)．圖像 中每一個(gè)象素點(diǎn)都有兩個(gè)屬性，一個(gè)是光譜屬性；另 一個(gè)是亮度屬性．系統的光譜范圍400～800 nm。有 效象元數652×488，共120個(gè)波段，光譜分辨率優(yōu) 于5nm，完全滿(mǎn)足舌圖像采集的要求．

2 高光譜舌象在舌診中的應用
2．1 高光譜舌象采集方法 為了驗證系統的有效性，根據高光譜成像系統 需要推帚的特點(diǎn)，結合現有的舌圖像采集方法，設計 了如下的高光譜舌圖像采集方法．
(1)舌象檢查的時(shí)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)，以免影響檢查結果．
(2)調節頭部固定架與成像系統鏡頭的位置， 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-~JII練和示范，讓 病人坐在檢查椅上，調節操作臺高度，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．
(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，利用本系統采集舌面高光譜 圖像． (5)采集過(guò)程中肉眼觀(guān)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，根據采集過(guò)程中肉眼觀(guān)察結果進(jìn)行分類(lèi)整理， 以備試驗分析使用．

2．2 高光譜舌圖像 按照中醫學(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(guò)舌質(zhì)和舌苔來(lái)判斷． 由于采用了高光譜成像系統，使得描述舌象的信 息非常豐富，使用本系統獲得的其中一景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域都有 著(zhù)不同的表征，只要結合一定的圖像處理算法，即 可以方便地進(jìn)行舌體區域分割、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(guò)程中可以通過(guò)調節硬件的狀態(tài)以 獲得最大的舌體原始圖像，但由于每個(gè)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(huì )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，而且算法相對復雜． 在使用高光譜舌圖像采集系統后，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(lái)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(gè)二值圖像； (3)處理可能的腐蝕或膨脹效果，提取邊緣信 息并存儲結果； (4)對于圖像的下一個(gè)灰度級別，重復(2)、 (3)步驟； (5)合成每個(gè)灰度級別的邊緣信息，得到最終 分割結果． 使用Snake方法對第22波段圖像進(jìn)行舌體分 割的結果如圖4(a)和(c)所示，使用本文介紹的方 法進(jìn)行舌體分割的結果如罔4(h)和(d)所示．通過(guò) 比較發(fā)現，采用圖譜結合的邊緣信息提取的效果明 顯好于傳統的邊緣檢測結果．

2．4 假彩色合成 由于高光譜舌圖像具有l2O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．根據各部分光譜 特征不同，選擇第22波段(中心波長(cháng)492．5nm)， 第1 10波段(中心波長(cháng)799．3nm)和第77波段(中 心波長(cháng)674．8nm)3個(gè)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(guò)假彩色合成后明顯得到了增強，為中醫舌診提 供了方便．

2．5 光譜曲線(xiàn) 使用高光譜成像系統采集舌圖像，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(xiàn)．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(xiàn)，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(guò)對比這些 光譜曲線(xiàn)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(guò)試驗建立各種疾病的舌質(zhì)舌苔典型光譜 庫，則可以根據其光譜特征進(jìn)行疾病的輔助診斷．

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