HSV色彩空間罐斑顏色特征研究

孔林濤，夏國坤

(天津科技大學(xué)理學(xué)院，天津 300457)

HSV色彩空間罐斑顏色特征研究

孔林濤，夏國坤

(天津科技大學(xué)理學(xué)院，天津 300457)

中醫(yī)拔罐技術(shù)通過負(fù)壓作用改變局部皮膚血液分布進(jìn)行治療時形成罐斑.對健康群體實施低強度常溫拔罐，在HSV色彩空間中，分析此類罐斑顏色特征.結(jié)果表明：與正常皮膚相比，罐斑的h參量具有明顯變化，f參量基本不變，h直方圖重心變化不明顯；而病變紅斑的顏色特征不同，其f參量變化較大，h直方圖重心左移.

HSV色彩空間；罐斑；皮膚

皮膚顏色特征能夠反映人體的健康狀態(tài)，通過皮膚顏色特征分析可以進(jìn)行無損檢測和客觀化測量.皮膚紅斑顏色特征已有不少研究，得到了可用于分割的參數(shù)[1].但影響皮膚顏色特征變化的多個因素獨立作用情況還不清楚，進(jìn)一步分析各因素的作用情況對于區(qū)分病變的種類和程度將起到重要作用.

中醫(yī)治療的拔罐技術(shù)已有悠久歷史[2]，治療后留下的罐斑與人體的狀態(tài)有直接而緊密的聯(lián)系.罐斑的產(chǎn)生與施罐溫度、負(fù)壓值和持續(xù)時間有關(guān)，與施罐部位、受罐者年齡、性別和身體健康情況也存在關(guān)系[3-5].但對罐斑的顏色特征尚無色度學(xué)角度的分析.將施罐時間、強度和溫度設(shè)置到合適條件，會出現(xiàn)局部輕度充血的罐斑，本文對健康人群實施此強度的拔罐，研究此種罐斑的顏色特征，并與皮膚病變紅斑的顏色特征進(jìn)行比較，以便尋找表征皮膚病變紅斑充血外的顏色特征.

1 實驗原理

1.1 人類皮膚顏色原理及其光學(xué)特性

Dawson等[3]和 Diffey等[4]建立的人類皮膚組織結(jié)構(gòu)模型被廣泛采用.該模型將皮膚從外向內(nèi)分為：角質(zhì)層、表皮層、真皮層及皮下組織.

表皮層的厚度為 0.027～0.150,mm[5]，主要包括角化細(xì)胞、黑素細(xì)胞、郎格罕氏細(xì)胞.光在表皮層中傳播，發(fā)生散射和吸收.表皮層的吸收特性主要來自一種生色團——黑色素.

表皮層下是真皮層，厚度為 0.6～3,mm[5]，光在該層傳播時發(fā)生散射和吸收.其本身又分為：乳禿狀真皮層和網(wǎng)狀真皮層.它們由致密、不規(guī)則的包括神經(jīng)和血管的組織構(gòu)成.表皮層中血液的比例為0.2%～7%.血色素是在血細(xì)胞中存在另外一種生色團.由于血色素的吸收特性導(dǎo)致血液呈現(xiàn)紅色，其在血液中的質(zhì)量濃度為 134～173,g/L.在人體動脈中，有 90%～95%的血色素是氧合血色素；在靜脈中，超過 47%是去氧合血色素.這兩類血色素分別稱為：氧合血紅蛋白和去氧合血紅蛋白，兩者的吸收特性有輕微的差異.

真皮層的底層是由皮下脂肪組織構(gòu)成的，它對可見光的吸收可以忽略.通常不將其視為皮膚的組成部分，真皮層厚度在身體的各個部位不同.真皮底層中沉積的大量細(xì)胞成串排列的形成白脂肪.由于這些白脂肪的沉積，大部分的可見光被反射回去.

1.2 實驗裝置及影響測量的因素

實驗裝置[6]如圖 1所示.所用光源是 150,W 鹵素?zé)?SCHOTT公司，ACEI型，能提供模擬CIE D65的照明，色溫為 3,200,K)，通過環(huán)形光纖均勻地投射到被測量的皮膚表面.為了減小光源溫度的影響，光源箱中加入了紅外濾光片.為避免環(huán)境光的影響，在鏡頭前面(光源前方)安裝了一個長 270,mm 的黑色遮光套筒.數(shù)碼相機采用SONY F717.

圖1 實驗裝置Fig.1 Diagram of the experimental setup

不同個體的皮膚顏色有較大差異，同一個體不同部位也有差異.主要影響因素有[7]：皮膚部位、身體姿勢、血管的舒縮、神經(jīng)內(nèi)分泌的變化及疾病、溫度、皮膚局部外用制劑和探頭的壓力等.要測試獨立因素的變化，需保證影響皮膚顏色的其他因素沒有變化.

1.3 HSV色彩空間及坐標(biāo)平移

HSV色彩空間[6]的色度分量具有明顯的皮膚聚類性，因此被廣泛地應(yīng)用于與皮膚有關(guān)的圖像分割、圖像檢索、人臉檢測等領(lǐng)域.HSV色彩空間把顏色表示成色度(hue)、飽和度(saturation)和亮度(value 或brightness)3個分量(文中 3個分量分別用 h、s、v表示)，它們獨立感知顏色變化，其中色度 h對同一顏色屬性的物體具有比較穩(wěn)定和較窄的數(shù)值變化范圍，常被作為識別的基本參量.

黃種人皮膚圖像的色度 h集中在 0～0.2和0.8～1兩區(qū)域內(nèi)，因此統(tǒng)計平均值就會落在中間非紅色區(qū)域，不能正確反映顏色分布情況.本文所用的HSV色彩空間對色度 h進(jìn)行了平移，將所有點色度加 0.2，對于超過 1的情況，移到坐標(biāo)軸最左邊，即減去1，得到新的色度h的分布圖.

坐標(biāo)平移使色度分布連續(xù)化，在進(jìn)行求平均值時，不會產(chǎn)生完全不同顏色的結(jié)果，能夠保證結(jié)果與視覺效果相一致；平移的幅度沒有特別的規(guī)定，能夠保證色度分布連續(xù)即可，從 0.2～0.7均可，一般采用0.2.平移幅度對區(qū)分病變和正常皮膚沒有影響.

1.4 拔罐原理

中醫(yī)拔罐治療的歷史悠久，但拔罐治療的機理多數(shù)為中醫(yī)理論解釋，沒有量化和客觀化的數(shù)據(jù)分析，更沒有同皮膚組織的屬性及變化關(guān)聯(lián)起來.常見的定性描述為：拔罐的負(fù)壓導(dǎo)致局部迅速充血、淤血，甚至毛細(xì)血管破裂，紅細(xì)胞被破壞，引起自身溶血而出現(xiàn)罐斑，溶血現(xiàn)象是一種良性刺激[8].結(jié)合皮膚結(jié)構(gòu)的表述為：皮膚處在正常狀態(tài)時，皮下組織中的毛細(xì)血管網(wǎng)、小靜脈和動脈中的血量維持在一個正常水平，皮膚的顏色也維持在一個正常范圍.當(dāng)皮膚處于負(fù)壓狀態(tài)時，毛細(xì)血管中血色素的濃度發(fā)生變化，毛細(xì)血管的直徑增大，血流量也增加，皮膚局部充血，出現(xiàn)罐斑.而施罐時間和負(fù)壓大小對罐斑的顏色有較大影響，當(dāng)拔罐刺激較強時，可形成瘀斑，或水泡等，皮膚發(fā)生的變化遠(yuǎn)不止局部充血的程度.

當(dāng)實驗條件設(shè)置為施罐 5,min、壓力－0.03,MPa時，為最佳刺激量，能保證毛細(xì)血管充分充血而不破裂[9].而當(dāng)負(fù)壓達(dá)到－0.04,MPa及以上時，毛細(xì)血管就會破裂，皮膚出現(xiàn)瘀斑[10].

2 實驗設(shè)計

2.1 實驗對象及相關(guān)設(shè)置

(1)實驗對象：17～20歲的20名健康學(xué)生，其中10名男生，10名女生；無感冒發(fā)燒等異常情況；實驗前平靜約15,min；施罐部位無紅腫、壓痛等情況.

(2)施罐部位：前臂內(nèi)側(cè)，左右手不限；坐姿施罐.拔罐器為北京康達(dá)五洲醫(yī)療器械生產(chǎn)的康祝拔罐器，B4型罐.

(3)施罐方法：保證抽氣閥暢通，在不用連接管的情況下滿程抽氣一次；留罐時間5,min.

(4)采集內(nèi)容：采集該環(huán)境下灰板的圖像；采集未施罐時皮膚圖像各 2張；采集施罐后 1～2,min后的皮膚圖像；24,h后仍有罐斑者，另采集圖像2張.

實驗裝置與皮膚零接觸，實驗持續(xù)時間較短，保證施罐前后，僅有局部皮膚充血變化，其他因素不發(fā)生變化.

2.2 負(fù)壓計算

B4型罐容積V1約 60,mL，一次滿程的抽氣體積變化ΔV約34,mL，考慮皮膚變形 ΔV ′約4,mL影響，施罐過程中，溫度不變，罐內(nèi)壓強為

即一次滿程抽氣形成的負(fù)壓約為-0.033,MPa，能保證毛細(xì)血管充分充血而不破裂.

3 實驗現(xiàn)象及分析

施罐后 20名實驗對象均有罐斑出現(xiàn)，深淺程度不一；同一對象的罐斑顏色分布不均；實驗 24,h后，18名實驗對象罐斑完全消失，2名女生仍有罐斑，這說明兩女生的施罐負(fù)壓強度大，出現(xiàn)毛細(xì)血管破裂溶血現(xiàn)象；有罐斑者均為女生，占女生人數(shù) 20%，驗證了罐斑情況與性別相關(guān).

隨機選取 10例實驗對象，對施罐前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果見表1—表3.

表1 正常皮膚參數(shù)Tab.1 Parameters of normal skin

表2 罐斑皮膚參數(shù)Tab.2 Parameters of plaque

表3 數(shù)據(jù)對比Tab.3 Data comparison

h參量在施罐前后區(qū)分明顯，數(shù)值減?。籪(f=(s+v)/2)參量施罐后變化較小，可以認(rèn)為基本不變；參量s和v變化無規(guī)律.

圖2為隨機選取的3名實驗對象施罐前后h的直方圖對比，其中橫坐標(biāo)為色度 h，縱坐標(biāo)為相應(yīng)色度的像素點數(shù)量.可見，h直方圖重心無明顯偏移，基本呈對稱分布.

圖2 h直方圖比較Fig.2 Data comparison of h histogram

在同樣的實驗條件下采集病變皮膚的紅斑圖像，其f參量數(shù)值明顯小于正常皮膚，且相應(yīng)的h直方圖的重心呈不對稱分布，重心偏左[6].兩種情況相差較大.因此，可以通過色度 h的直方圖分布規(guī)律辨別皮膚紅斑圖像和正常皮膚的罐斑圖像，f參量作為參考.

4 結(jié) 語

對健康群體實施低強度常溫拔罐，分析局部充血的罐斑色度特征，并與施罐前同一部位圖像的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較.結(jié)果表明，與正常皮膚相比，罐斑皮膚圖像色度 h的數(shù)值減小，其直方圖分布無明顯變化，呈對稱分布，f參量基本保持不變，這與病變紅斑圖像的變化規(guī)律完全不同.因此，可以通過色度 h的直方圖分布規(guī)律辨別皮膚紅斑圖像和正常皮膚的罐斑圖像，f參量作為參考.,,,

［1］尚可可，劉迎，路毅行. HSV色彩空間中的膚色特征及其新的識別參量[J]. 光電子·激光，2007，18(11)：972–974.

［2］趙學(xué)敏. 本草綱目拾遺[M]. 北京：人民衛(wèi)生出版社，1963：22.

［3］Dawson J B，Barker D J，Ellis D J，et al. A theoretical and experimental study of light absorption and scattering by in vivo skin[J]. Physics in Medicine and Biology，1980，25(3)：695–709.

［4］Diffey B L，Oliver R J，F(xiàn)arr PM. A portable instrument for quantifying erythema induced by ultraviolet radiation[J]. British Journal of Dermatology，1984，111(1)：663–672.

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［6］孔林濤，夏國坤，劉迎. HSV色彩空間皮膚紅斑特征研究 [J]. 天津科技大學(xué)學(xué)報，2009，24(5)：65–67.

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［8］未秋平，馮強. 罐斑產(chǎn)生機制探討[J]. 實用中醫(yī)藥雜志，2008，24(1)：54–55.

［9］田宇瑛，秦麗娜，張維波. 不同拔罐負(fù)壓對皮膚血流量影響的初步觀察[J]. 針刺研究，2007，32(3)：184–185.

［10］趙喜新，童伯瑛，王雪霞，等. 時間和壓力因素對拔罐罐斑顏色影響的初步觀察[J]. 中國針灸，2009，29(5)：385–388.

Study of Characteristics of Plaque due to Cupping in HSV Color Space

KONG Lintao，XIA Guokun
(College of Science，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300457，China)

Traditional Chinese medical cupping technique can change the blood distribution of skin by negative pressure treatment，and plaque due to cupping is left. Some healthy people underwent certain low pressure cupping and the features of their pot spot color were studied in HSV color space. Results show that，compared with normal skin h parameter has obvious changes，f parameter is essentially constant，and histogram gravity change of h parameter is not obvious.But the erythema of diseased skin is different.f parameter often changes visibly，and the distribution center of h parameter tends to move left.

HSV color space；plaque due to cupping；skin

TP391.41

A

1672-6510(2012)02-0070-04

2011–10–28；

2012–01–19

天津市教委理工類項目(20080812)

孔林濤（1979—），男，山東煙臺人，講師，klt8341@tust.edu.cn.

常濤