高光谱成像系统在中医舌诊中的应用研究

【摘要】  舌诊是传统中医诊病的重要方法，然而传统舌诊c存在一个很大的问题是具有主观性，难于进行定量化描述．随着计算机技术的发展，图像处理和模式识别技术正在用于舌诊的辅助诊断．目前舌图像的采集方法基本都是使用数码相机，所提供的舌图像包含的病理信息有限，使得分析算法非常复杂且效果不甚理想．针对这种情况，提出使用高光谱成像系统代替数码相机进行舌图像的采集．由于高光谱舌图像具有丰富的图谱信息，初步试验表明了这一方法的有效性，为中医舌诊提供了一种新方法．

【关键词】  高光谱成像系统  舌像  舌诊  传统中医

引言

舌诊是通过观察舌象的变化，了解机体生理功能和病理变化的一种诊断方法，为历代中医所重视，是辩证论治的主要依据．传统的舌诊依赖于医生定性观察，具有主观性，重复性也差，给舌诊的进一步发展带来严重的困难．现代图像处理技术已经广泛地应用于医学图像的分析之中，这为医学诊断提供了有益的帮助，近十余年来，舌诊客观化的研究受到普遍重视，已有的r_作已经证明图像分析技术用于舌诊客观化的可行性．但是这些方法都是围绕数码相机或者其他设备拍摄的R G B舌图像进行分析，由于图像信息有限，再加上外界光源的变化、设备的随机噪声等影响因

素，使得舌图像分析算法非常复杂，而且效果并不是很理想，制约了舌诊现代化的进一步发展．针对中医舌诊现代化巾存在的问题，本研究使用高光谱成像技术代替数码相机进行舌图像的采集．通过试验初步获得了部分高光谱舌图像，并从图、谱结合的角度分析高光谱舌图像在中医舌诊中的应用，为巾医舌诊的客观化提供了一种新的途径．

1高光谱舌象采集系统

本研究中采集舌象使用的高光谱成像仪根据推帚式成像光谱仪的原理进行设计，系统原理图如图1所示．整个系统由分光计、面阵C C D相机、仪器平动装置、数据采集与控制模块等几部分组成．处于固定架上的采集目标被柯勒照明系统照明，瞬时视场内的样品条带首先成像于光谱仪的狭缝处，再经过光栅及棱镜分光组件后，在垂直样品条带方向按光谱色散，晟后成像于C C D像面．C C D光敏面平行于狭缝的一维称为空间维，垂直于狭缝的一维称为光谱维，空间维每一行光敏元上得到的是样品条带一个光谱波段的像，这样面阵C C D相机每帧图像便对应于一个样品条带的多光谱图像．要获得整个观测目标的二维图像，还必须对另一维进行推帚．用于航空遥感的推帚式成像光谱仪是借助飞机的向前运动来完成推帚的．本高光谱舌象采集系统是利用仪器的平动来实现对目标的推帚成像，因此该系统配备了仪器平动装置．为了获得准确的光谱图像，必须对仪器的运动速度进行精确的控制．本系统利用步进电机连接滚珠丝杠，将滚珠丝杠的移动横梁连接到仪器本身，来驱动其运动．仪器的推帚速度通过对步进电机的转速控制来实现，而步进电机的转速控制是通过单片机产生方波脉冲信号来触发步进电机进行步进旋转．因此，单片机产生的方波脉冲信号频率晟终决定了仪器的推扫速度．通过平动装置对样品进行推扫，就得到整个样品的二维图像及光谱数据，即图像立方体(如图2)．图像中每一个象素点都有两个属性，一个是光谱属性；另一个是亮度属性．系统的光谱范围4 0 0～8 0 0 n m。有效象元数6 5 2×4 8 8，共1 2 0个波段，光谱分辨率优于5 n m，完全满足舌图像采集的要求．

2高光谱舌象在舌诊中的应用

2．1高光谱舌象采集方法

为了验证系统的有效性，根据高光谱成像系统需要推帚的特点，结合现有的舌图像采集方法，设计了如下的高光谱舌图像采集方法．

(1)舌象检查的时间固定在清晨6：3 0～7：5 0 h进行，嘱接受检查的患者在拍摄前2 h

内不进食，不吸烟，不刷牙和漱口，不饮用有刺激性或有颜色的药水及饮料(可以饮少量清水)，以免影响检查结果．

(2)调节头部固定架与成像系统镜头的位置，去除由于距离变化对成像的影响．

(3)对病人伸舌姿势进行统-~J I练和示范，让病人坐在检查椅上，调节操作台高度，使病人下颌舒空间维图2高光谱舌图像立方体F i g．2 Hy p e r s p e c t r a l t o n g u e i ma g e r y d a t e c u b e6期李庆利等：高光谱成像系统在中医舌诊中的应用研究4 6 7

图3不同波段的舌图像F i g．3 I ma g e s o f t o n g u e c o l l e c t e d a t v a r i o u s w a v e l e n g t h s u s i n gt h e h y p e r s p e e t r a l i ma g i n g s ys t e m适地放于头部固定架的下颌托板上，前额依靠横梁，双手自然下垂或前伸曲肘放在固定架两侧．

(4)嘱病人吸干舌面水分，张口，自然伸舌，舌尖下垂，充分暴露舌面，利用本系统采集舌面高光谱图像．

(5)采集过程中肉眼观察病人舌质、舌苔、舌形、舌态、津液及舌下脉等情况并进行记录．采用以上舌图像采集方法采集高光谱舌图像并存储，根据采集过程中肉眼观察结果进行分类整理，以备试验分析使用．

2．2高光谱舌图像

按照中医学舌诊的理论，人的不同脏器的健康状况很大程度E可以通过舌质和舌苔来判断．

由于采用了高光谱成像系统，使得描述舌象的信息非常丰富，使用本系统获得的其中一景4 0 3．7～8 6 5．2 n m光谱范围的高光谱舌图像如图3所示．从图中可以看出，在不同波段舌体不同区域都有着不同的表征，只要结合一定的图像处理算法，即可以方便地进行舌体区域分割、舌质舌苔分析、舌裂纹提取等操作．

2．3舌体分割

尽管在拍摄过程中可以通过调节硬件的状态以获得最大的舌体原始图像，但由于每个被检测人的情况不同，因此非舌体的部分如脸颊、唇和牙齿仍然

会存在．原始图像巾的非舌部分对舌体和舌苔的颜色鉴定以及舌苔的纹理特性有影响，从原始图像巾检测与分离出舌图像是很有必要的，冈此在进行舌体与舌苔鉴定以前先要将非舌体的部分分离出去．目前已有的分割方法大多数是基于颜色和纹理进行分割¨'n，但是由于嘴唇、脸颊等部位与舌体的颜色相近，分割效果不是很理想，而且算法相对复杂．在使用高光谱舌图像采集系统后，得到的舌图像包含了丰富的光谱信息，可以采用一种综合光谱特征一图像特征的边缘信息提取方法来进行舌体分割．该方法在进行空间特征分析之前，先进行光谱分解，从而产生一系列的二值图像，步骤如下：

(1)产生一系列在给定灰度水平分割的二值图像；

(2)使用象元替换方法处理每个二值图像；

(3)处理可能的腐蚀或膨胀效果，提取边缘信息并存储结果；

(4)对于图像的下一个灰度级别，重复(2)、

(3)步骤；

(5)合成每个灰度级别的边缘信息，得到最终分割结果．

使用S n a k e方法对第2 2波段图像进行舌体分割的结果如图4(a)和(c)所示，使用本文介绍的方法进行舌体分割的结果如罔4(h)和(d)所示．通过比较发现，采用图谱结合的边缘信息提取的效果明显好于传统的边缘检测结果．

2．4假彩色合成

由于高光谱舌图像具有l 2 O波段，为了突出舌体某些特征，可以进行假彩色合成．根据各部分光谱特征不同，选择第2 2波段(中心波长4 9 2．5 n m)，第1 1 0波段(中心波长7 9 9．3 n m)和第7 7波段(中心波长6 7 4．8 n m)3个波段合成的舌体假彩色图像如图5所示．从图中可以看出，舌体的不同部分经过假彩色合成后明显得到了增强，为中医舌诊提供了方便．

2．5光谱曲线使用高光谱成像系统采集舌图像，不仅可以获得舌的单波段图像信息，而且也可以获得图像上每一点的光谱曲线．图6列出了正常舌质、舌苔和胆囊炎病人舌质、舌苔的典型光谱曲线，其中图6(a)正常舌质的光谱；(b)为正常舌苔的光谱；(C)为胆囊炎舌质光谱；(d)为胆囊炎舌质光谱．通过对比这些光谱曲线可以看出，正常舌与胆囊炎疾病舌的舌质舌苔在4 0 0—8 0 0 n m范匍的光谱存在较大的差异．如果通过试验建立各种疾病的舌质舌苔典型光谱库，则可以根据其光谱特征进行疾病的辅助诊断．

3结语

本文介绍了一种基于推帚式的高光谱成像系统，并对该系统在中医舌诊中的应用进行了初步的探讨．使用该系统采集了部分高光谱舌图像，采用图谱结合的算法进行了舌体分割，同时进行了舌图像假彩色合成．初步试验表明，相对于采用数码相机采集的舌图像，高光谱舌图像采集系统提供了更加丰富的舌图像信息，为舌体区域分割、舌质与舌苔特征提取、舌裂纹提取等舌图像分析提供了一种新的方法，是中医舌诊的一种新途径．在后续研究工作巾，我们将采用高光谱图像分析技术从图谱结合的角度进行舌质舌苔特征提取、舌纹分析等，并通过这些分析，结合大量的病例，建立舌象、病症与光谱之间的物理机理联系，最后建成高光谱舌象辅助诊断系统．