新型舌圖像客觀化采集裝置設(shè)計(jì)研究

新型舌圖像客觀化采集裝置設(shè)計(jì)研究

章鳴銘1，瞿婷婷1，楊晨陽(yáng)1，夏春明1，王憶勤2，錢鵬2

1.華東理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院(上海，200237)

2.上海中醫(yī)藥大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院(上海，201203)

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(81173199)

通信作者：夏春明，E-mail:cmxia@ecust.edu.cn

【摘要】該文研究的新型舌圖像客觀化采集裝置，主要用于采集患者舌體的圖像。與國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品相比，該裝置提出了動(dòng)態(tài)采集的新概念，通過(guò)嵌入式系統(tǒng)控制攝像頭運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)舌面的垂直拍攝。該采集方式下，舌圖像具有更高的保真度，更加完整清晰的舌體特征，以及更加逼近自然光照射下的舌面色澤。較好地克服了原先由于靜態(tài)采集帶來(lái)的舌體信息反映不完全的弊端。

【關(guān)鍵詞】中醫(yī)舌診；舌圖像采集；圖像處理；采集裝置

doi:10.3969/j.issn.1674-1242.2015.02.001

基金項(xiàng)目：“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2006BAI08B01-04)；

作者簡(jiǎn)介：章鳴銘，E-mail:brucechang8@163.com

【中圖分類號(hào)】R445.9

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

文章編號(hào)：1674-1242(2015)02-0065-04

Abstract【】The device designed in this paper is mainly used for taking photos of the patient's tongue. Compared with similar products on the market, this one has put forward a new concept of dynamic acquisition, which is aimed at taking the photos from a vertical vision. In this condition, the tongue image could have higher fidelity, more complete and clear feature, and more close to the irradiation of tongue color under the natural light. This device has overcome the original problems caused by the static collection model to some extent.

收稿日期：(2015-03-23)

Design of a New Equipment for Objectification of Tongue Diagnosis

ZHANG Mingming1, QU Tingting1, YANG Chenyang1, XIA Chunming1, WANG Yiqin2, QIAN Peng2

1. School of Mechanical and Power Engineering,

East China University of Science and Technology (Shanghai, 200237)

2. Basic Medical College, Shanghai University of Traditional Chinese Medicine (Shanghai, 201203)

【Key words】TCM tongue, tongue image capture, image processing, acquisition device

0　引言

中醫(yī)學(xué)憑借其獨(dú)特的望聞問(wèn)切的診療手段和顯著的臨床療效屹立于世界醫(yī)學(xué)之林。在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，中醫(yī)學(xué)也以其特有的理論體系，被視為與西醫(yī)學(xué)互補(bǔ)的生命科學(xué)學(xué)科。但是由于中醫(yī)診療過(guò)于依賴醫(yī)生的臨床診斷，主觀性太強(qiáng)，導(dǎo)致大量醫(yī)術(shù)失傳，很多病例及其治療方法都沒(méi)有得到有效的記載，限制了中醫(yī)在近現(xiàn)代的發(fā)展。

近年來(lái)，國(guó)家充分意識(shí)到了中醫(yī)學(xué)巨大的潛在價(jià)值，正積極推動(dòng)中醫(yī)診斷現(xiàn)代化的進(jìn)程。中醫(yī)四診客觀化的研究是推動(dòng)中醫(yī)現(xiàn)代化的必然途徑，目前國(guó)家對(duì)中醫(yī)診療儀器的研制給予了諸多支持。舌診是中醫(yī)“望診”的重要內(nèi)容，舌圖像的客觀化采集是舌診客觀化研究的基礎(chǔ)，對(duì)推動(dòng)中醫(yī)現(xiàn)代化有著重要意義。

1　國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品

早期的中醫(yī)舌象采集裝置是北京工業(yè)大學(xué)信號(hào)與信息處理研究所研制的SIPL型中醫(yī)舌象分析儀[1]，該設(shè)備經(jīng)過(guò)三次更新?lián)Q代，較好地解決了重癥臥姿病人的舌象采集問(wèn)題。ZBOX-I型舌脈象數(shù)字化分析儀[2]采用色溫為5 000 K的標(biāo)準(zhǔn)光源，光源特性接近自然光源，其設(shè)計(jì)的暗箱結(jié)構(gòu)可有效防止拍攝的舌象照片產(chǎn)生陰影。天津中醫(yī)藥大學(xué)研制的新型中醫(yī)舌診面診儀[3]采用LCD光源，增設(shè)了紫外線殺菌燈管及換氣扇裝置，以利于儀器內(nèi)的消毒與通風(fēng)，防止交叉感染。北京工業(yè)大學(xué)發(fā)明的箱式中醫(yī)舌象分析儀[4]，通過(guò)凸面式的內(nèi)腔設(shè)計(jì)有效地解決了舌體反光點(diǎn)的問(wèn)題。

研究發(fā)現(xiàn)，上述提及的幾款比較先進(jìn)的舌診儀，其采集裝置都是固定后置的。而由于患者舌體的形狀各異，大小不同，在接受診療時(shí)，不同患者伸出的舌面與水平面的夾角也各不相同，并不能夠保證處于采集裝置視角內(nèi)的舌面清晰完整。這種情況對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的比對(duì)分析及后續(xù)的病情輔助診斷將造成較大影響，一定程度上阻礙了舌診客觀化的發(fā)展。本文研究將重點(diǎn)解決上述問(wèn)題。

2　整體方案設(shè)計(jì)

新型舌圖像客觀化采集裝置的設(shè)計(jì)，主要是從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面完成的。該裝置的硬件部分是基礎(chǔ)，軟件部分是核心。新型舌圖像客觀化采集裝置的硬件主要包括提供穩(wěn)定采集環(huán)境的腔體，由大小兩個(gè)舵機(jī)組成的、用于調(diào)節(jié)攝像頭拍攝角度的雙自由度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及“鹵光燈”光源等。

在裝置運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)程序算法控制兩個(gè)舵機(jī)的打角，不斷調(diào)整攝像頭的位置和拍攝視角，使得攝像頭能夠在其鏡面法線方向與患者舌面垂直的情況下，完成舌圖像的采集。圖1為采集裝置整體框架示意圖。

圖1　采集裝置整體框架示意圖

2.1硬件設(shè)計(jì)

2.1.1腔體設(shè)計(jì)

本課題所研發(fā)的新型舌圖像客觀化采集裝置屬于高端中醫(yī)診療器械，因而對(duì)采集圖像的品質(zhì)提出了很高的要求。在圖像采集過(guò)程中，為了盡可能減少外界環(huán)境(包括光線、溫度、濕度等)對(duì)圖像采集帶來(lái)的影響，本裝置采用了暗箱式的腔體結(jié)構(gòu)。同時(shí)，腔體的采集窗口邊緣套上了一層橡膠圈，患者在就診時(shí)，只需將面頰貼近采集窗口，通過(guò)橡膠圈與臉頰的自動(dòng)契合就可以使得腔體達(dá)到完全封閉的狀態(tài)，從而提供了一個(gè)不受環(huán)境變化干擾的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境，提高了圖像采集的穩(wěn)定性和可靠性。

為了保證腔體內(nèi)的光照環(huán)境均勻穩(wěn)定，在腔體內(nèi)側(cè)涂刷一層吸光性材料，使得腔體于照明之外并無(wú)透射，也不產(chǎn)生映射以及大塊的耀斑和反光，腔體通過(guò)漫反射處的部分光線保持舌體的明暗層次。本裝置的內(nèi)腔形狀采取了積分球式的構(gòu)造，這樣從光源發(fā)出的光線經(jīng)腔體內(nèi)壁在采集腔內(nèi)發(fā)生的漫反射更加均勻，從而提高了采集環(huán)境的質(zhì)量，增加了采集裝置捕捉到舌體的保真性。

2.1.2驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

新型舌圖像客觀化采集裝置的研發(fā)目的是能夠提取一幅模擬自然光照射下的不失真舌象，被提取舌象應(yīng)當(dāng)舌面完整，紋理清晰，色澤層次感分明。由于就診患者不同，伸出舌體姿態(tài)也就各異。要滿足以上評(píng)價(jià)指標(biāo)，最可行的方案就是能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)舌體表面的垂直拍攝。該采集方式對(duì)設(shè)備的采集裝置的運(yùn)動(dòng)靈活性提出了較高的要求。

本裝置中，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的主體由一上一下的兩個(gè)舵機(jī)組成。大舵機(jī)扭矩大，急停性能很好，固定安裝在設(shè)備的底部。小舵機(jī)響應(yīng)速度快，安裝在由大舵機(jī)帶動(dòng)的連臂上。底部的大舵機(jī)用來(lái)實(shí)現(xiàn)采集裝置的粗定位，而跟隨大舵機(jī)運(yùn)動(dòng)的小舵機(jī)則通過(guò)軟件算法控制打角來(lái)實(shí)現(xiàn)采集裝置的精確定位。在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程中，大舵機(jī)快進(jìn)到工作位置附近，隨后小舵機(jī)通過(guò)軟件控制，自動(dòng)調(diào)整采集裝置姿態(tài)獲得垂直采集視角，從而實(shí)現(xiàn)最終的拍攝。

臨床研究表明，患者在就診過(guò)程中，舌體能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間約為5 s。實(shí)驗(yàn)表明，本驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有響應(yīng)快速的特點(diǎn)，在實(shí)際采集過(guò)程中耗時(shí)2～3.5 s，很好地滿足了這一生理?xiàng)l件。圖2為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的整個(gè)采集過(guò)程主副舵機(jī)的打角響應(yīng)曲線。

2.1.3采集裝置選型

國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品的圖像采集裝置主要包括攝像機(jī)、高速照相機(jī)和普通照相機(jī)這三種形式。由于新型舌圖像客觀化采集裝置的設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)是動(dòng)態(tài)采集，因此對(duì)于采集裝置的選擇必須另辟蹊徑。為了實(shí)現(xiàn)整體機(jī)構(gòu)的小巧、靈活、響應(yīng)快的特點(diǎn)，本裝置采用了OV2640彩色攝像頭進(jìn)行采集。由于OV2640是可編程控制的攝像頭，可以直接通過(guò)嵌入式系統(tǒng)對(duì)攝像頭進(jìn)行控制。本裝置對(duì)于攝像頭的控制是通過(guò)C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)的，大大縮短了圖像傳輸和處理的時(shí)間，并且實(shí)現(xiàn)了短時(shí)間內(nèi)的快速捕捉，不但提高了設(shè)備的使用性能，也極好的解決了患者不能長(zhǎng)時(shí)間保持舌體靜止的問(wèn)題。

圖2主副舵機(jī)打角響應(yīng)曲線

Fig.2Response curve of the servos

2.1.4光源選型及布局

(1)光源選型

在光源的選型過(guò)程中，必須要從光源的顯色性、色溫以及光照強(qiáng)度這幾個(gè)主要方面來(lái)考慮。光源的顯色性是指與參照標(biāo)準(zhǔn)(如標(biāo)準(zhǔn)照明體、日光等)相比較，一個(gè)光源對(duì)物體外貌顏色所產(chǎn)生的效果，它是衡量光源視覺(jué)質(zhì)量的重要指標(biāo)。不同色溫的光源具有不同的光譜，直接影響攝像頭接收的反射光譜，造成成像的差異。對(duì)于光照強(qiáng)度，其過(guò)強(qiáng)或過(guò)弱都會(huì)降低色彩飽和度，所以光照強(qiáng)度必須適中。同時(shí)，由于設(shè)備是近距離拍攝，因此要求光源的熱輻射盡可能小，以免導(dǎo)致色溫的升高和就診環(huán)境的惡化。綜合考慮，本裝置選擇使用光效好，顯色性強(qiáng)，色溫低和平均壽命長(zhǎng)的鹵鎢燈作為設(shè)備的光源。

(2)光源布局

本裝置采用了國(guó)內(nèi)目前比較先進(jìn)成熟的光源布局方案，即漫射/垂直(d/0)照明方式[5]。這種方式下，光照要求比較容易實(shí)現(xiàn)，照明光線由光源發(fā)出，經(jīng)腔體內(nèi)壁發(fā)生多次漫反射在舌體上產(chǎn)生的光照將更加均勻，其產(chǎn)生的測(cè)試效果與被測(cè)物體的形狀幾乎無(wú)關(guān)。

2.1.5人性化設(shè)計(jì)

本裝置還增加了一些人性化設(shè)計(jì)。在腔體的采集窗口套裝了一層橡膠圈，避免患者臉頰與設(shè)備金屬外殼的直接接觸。同時(shí)，裝置底部安裝的紫外燈和換氣扇有助于設(shè)備內(nèi)的空氣流通和消毒，防止產(chǎn)生交叉感染。

2.2軟件設(shè)計(jì)

新型舌圖像客觀化采集裝置需要軟件算法來(lái)控制的主要有兩部分：第一部分是對(duì)于攝像頭運(yùn)動(dòng)軌跡的控制，其目的是為了尋找到最佳的拍攝位置和拍攝角度；第二部分是圖像的傳輸和處理，攝像頭采集到的圖像需要有選擇性地傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，隨后單片機(jī)需要通過(guò)圖像處理程序分析當(dāng)前圖像，并及時(shí)調(diào)整攝像頭的當(dāng)前位置和視角。該采集裝置的軟件算法流程圖如圖3所示。

圖3整體流程圖

Fig.3Overall flowchart

2.2.1運(yùn)動(dòng)軌跡控制

新型舌圖像客觀化采集裝置創(chuàng)造性地提出了動(dòng)態(tài)采集的概念，及采集裝置是可以通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整來(lái)適應(yīng)不同患者的不同舌體姿態(tài)，這就給攝像頭的運(yùn)動(dòng)控制提出了較高的要求。通過(guò)查閱相關(guān)資料，預(yù)先人為設(shè)定了患者伸出舌體后舌面的中心位置，控制運(yùn)動(dòng)軌跡的目的就是使得攝像頭在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能夠始終對(duì)準(zhǔn)這個(gè)假想的中心點(diǎn)，這樣大大簡(jiǎn)化了算法，提高了舌象采集的速度。

本裝置的主要驅(qū)動(dòng)元件為兩個(gè)舵機(jī)，控制算法主要圍繞著給兩個(gè)舵機(jī)同時(shí)發(fā)匹配的PWM波。由于兩個(gè)舵機(jī)的響應(yīng)速度不同，理論計(jì)算出來(lái)的結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行效果偏差很大。但是由于其余硬件都是固定的，亦即相互間的幾何關(guān)系一定，便可在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上不斷進(jìn)行調(diào)試，以達(dá)到最初的目的。

2.2.2圖像傳輸和處理

(1) 圖像的采集和傳輸

由于采集裝置為可編程的OV2640，因此圖像的采集和傳輸可以借助DMA來(lái)完成，即使用場(chǎng)中斷和行中斷，DMA傳輸。如果需要先過(guò)濾部分行不采集，則設(shè)置一個(gè)靜態(tài)變量，每次行中斷來(lái)了都自加1，根據(jù)值來(lái)選擇采集或不采集某些行。每個(gè)PCLK 上升沿都會(huì)觸發(fā)DMA 傳輸，把攝像頭輸出的值讀取到內(nèi)存數(shù)組里。當(dāng)觸發(fā)次數(shù)等于圖像列數(shù)目時(shí)后，DMA 傳輸停止。當(dāng)行中斷次數(shù)等于一幅圖像的行數(shù)時(shí)，就結(jié)束圖像采集，關(guān)閉行中斷和場(chǎng)中斷，等待下一個(gè)場(chǎng)中斷的觸發(fā)。采集程序每間隔10 ms觸發(fā)一次場(chǎng)中斷，即攝像頭每隔10 ms傳輸一次圖像。圖像采集和傳輸?shù)恼w算法流程圖如圖4所示。

圖4舌象處理分析算法流程圖

Fig.4Image processing flowchart

(2) 圖像的處理

對(duì)于圖像的處理主要分為兩步。第一步是提取舌體。裝置采用了讀取跳變的方式來(lái)提取舌體的輪廓。由于舌體的顏色與人體面部皮膚的顏色明顯不同，通過(guò)判斷相鄰像素點(diǎn)的強(qiáng)度之差的大小，來(lái)判斷此處是否跳變，從而提取輪廓[6]。在此基礎(chǔ)上，算法中還加入了必要的濾波程序。第二步是計(jì)算舌體面積。投影理論表明，當(dāng)光源正對(duì)被照射物時(shí)，陰影面積最大。因此，可以得出最優(yōu)舌圖像對(duì)應(yīng)著最大舌面積的結(jié)論。通過(guò)尋找具有最大舌體面積的拍攝位置，即可反求出攝像頭與舌體呈垂直拍攝情況時(shí)的位置。舌體面積的計(jì)算，只需對(duì)第一步中提取的舌體輪廓進(jìn)行加減處理即可。舌圖像提取以及分析計(jì)算的算法流程圖如圖4所示。

3　結(jié)語(yǔ)

新型舌圖像客觀化采集裝置的研發(fā)，創(chuàng)造性地采用了動(dòng)態(tài)采集的圖像采集模式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于舌體的垂直拍攝，保證了被提取舌體的完整性、舌面紋理的清晰度以及舌面色澤的層次感和保真度。該裝置的硬件部分和軟件部分相輔相成，隨著研究的不斷深入，控制攝像頭運(yùn)動(dòng)的算法得到優(yōu)化，最大限度的發(fā)揮了雙自由度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的靈巧性，大大縮短了采集時(shí)間，簡(jiǎn)化了采集過(guò)程，提高了裝置的使用效率。為了進(jìn)一步完善該裝置的性能，課題組后期還將進(jìn)行對(duì)于舌圖像分析和處理算法的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。同時(shí)，筆者認(rèn)為，舌診儀在未來(lái)應(yīng)向小型化發(fā)展，采集過(guò)程應(yīng)當(dāng)更加迅速，采集圖像的質(zhì)量應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步提高。只有這樣，才能真正推動(dòng)我國(guó)舌診客觀化的進(jìn)程，才能推動(dòng)中醫(yī)診斷的現(xiàn)代化。

參考文獻(xiàn)

[1] 何岳.基于數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的舌圖像采集平臺(tái)設(shè)計(jì)方案[D].北京工業(yè)大學(xué)，2009.

[2] 王憶勤,石強(qiáng),周越.舌象數(shù)字化信息采集裝置：中國(guó)，2004200222907.X[P].2005-08-24.

[3] 胡廣芹,陸小左,吳喜慶,等.舌診面診儀：中國(guó)，200920160772.6[P].2010-05-19.

[4] 沈蘭蓀,劉曉民,劉長(zhǎng)江,等.箱式中醫(yī)舌象分析儀：中國(guó)，200910237462.4[P].2011-08-17.

[5] 曹美玲，沈蘭蓀.新型中醫(yī)舌象儀的研制和舌圖像的顏色重現(xiàn)[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2008.

[6] 韋玉科，范鵬，曾貴.改進(jìn)的GrabCut方法在舌診系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 傳感器與微系統(tǒng)，2014，33(10):157-161.