一種數(shù)字化影像識(shí)別篩查人眼屈光不正的遠(yuǎn)程診斷技術(shù)研究

李志勇+金晨暉+廖素華

摘要： 遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)應(yīng)用是衛(wèi)生信息化的主要建設(shè)內(nèi)容，也是醫(yī)療信息平臺(tái)之智慧醫(yī)療建設(shè)的主要任務(wù)之一。本研究將開(kāi)發(fā)一種能應(yīng)用于遠(yuǎn)程診斷人眼屈光不正的技術(shù)，該技術(shù)將對(duì)廣泛人群眼屈光狀態(tài)的篩查和及時(shí)處理具有重要作用和意義。目前常用的屈光不正檢查方法有三種，分別是電腦驗(yàn)光、攝影驗(yàn)光和視網(wǎng)膜檢影驗(yàn)光。本研究將基于視網(wǎng)膜檢影技術(shù)原理，結(jié)合數(shù)字影像識(shí)別技術(shù)，開(kāi)發(fā)一套遠(yuǎn)程診斷技術(shù)裝置。該技術(shù)裝置具有視頻顯示眼底影動(dòng)功能，可存儲(chǔ)影像信息、傳遞診斷信息，使檢查者更能直觀、簡(jiǎn)易、準(zhǔn)確地診斷人眼屈光不正，特別是針對(duì)老人、兒童、殘障等溝通有障礙的患者，其影像識(shí)別程序可輔助檢查者（特別針對(duì)非專業(yè)人士）判斷屈光不正診斷，適用于家庭、學(xué)校、社康中心和醫(yī)院等場(chǎng)所使用。系統(tǒng)中的影像、視頻存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)傳輸功能可供臨床醫(yī)生共享屈光診斷電子病歷和遠(yuǎn)程診斷。

關(guān)鍵詞：屈光不正；遠(yuǎn)程診斷；數(shù)字化；影像

中圖分類號(hào)：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）08-0171-04

Abstract： Telemedicine application is the main construction content of health information technology， is also one of the main tasks of smart medical health information platform construction. This study will develop a application of the remote diagnosis technology of myopia diagnosis. The technology has important f and profound significance for myopia diagnosis and treatment. There are three methods of ametropia inspection technology such as computer optometry technology， photography optometry and retina shadow optometry technology at present. Unfortunately these detection equipments are not only expensive， but also need strong professional knowledge and skills， which leads to an clinician mastering the skill is very difficult. In order to overcome the above disadvantages， we use retinoscopy theory combining with the digital image technology to develop a myopia inspection technology suitable for household， and reduce the difficulty of optometry check. The technology has the following characteristics such as video display eye shadow， Image recognition program aided inspectors to determine ametropia diagnosis ， store image information， transfer diagnostic information and so on. Which make the inspectors more intuitive， simple and accurate diagnosis of myopia. The system is suitable for families ，school， community healthy center and hospital， Especially for the elderly， children， the disabled and other communication disorders of the patients. The functions such as images and video storage ，data transmission is available for clinicians to share myopia diagnosis of electronic data and remote diagnosis.

Key words： ametropia ； remote diagnosis； digital； image

1 概述

遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)應(yīng)用是衛(wèi)生信息化的重要建設(shè)內(nèi)容，也是醫(yī)療信息平臺(tái)之智慧醫(yī)療建設(shè)的主要任務(wù)之一。本研究將開(kāi)發(fā)一種能應(yīng)用于遠(yuǎn)程診斷人眼屈光不正的技術(shù)，該技術(shù)將對(duì)廣泛人群眼屈光狀態(tài)的篩查和及時(shí)處理具有重要作用和意義。目前常用的屈光不正檢查方法有三種，分別是電腦驗(yàn)光、攝影驗(yàn)光和視網(wǎng)膜檢影驗(yàn)光。本研究將基于視網(wǎng)膜檢影技術(shù)原理，結(jié)合數(shù)字影像識(shí)別技術(shù)，開(kāi)發(fā)一套遠(yuǎn)程診斷技術(shù)裝置。該技術(shù)裝置具有視頻顯示眼底影動(dòng)功能，可存儲(chǔ)影像信息、傳遞診斷信息，使檢查者更能直觀、簡(jiǎn)易、準(zhǔn)確地診斷人眼屈光不正，特別是針對(duì)老人、兒童、殘障等溝通有障礙的患者，其影像識(shí)別程序可輔助檢查者（特別針對(duì)非專業(yè)人士）判斷屈光不正診斷[1-7]，適用于家庭、學(xué)校、社康中心和醫(yī)院等場(chǎng)所使用。系統(tǒng)中的影像、視頻存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)傳輸功能可供臨床醫(yī)生共享屈光診斷電子病歷和遠(yuǎn)程診斷。關(guān)于基于視網(wǎng)膜檢影技術(shù)原理的數(shù)字化檢影裝置研究有：國(guó)內(nèi)溫州醫(yī)學(xué)院曾有人將檢影鏡進(jìn)行數(shù)字化改造[8]，裝置能將視網(wǎng)膜反光影動(dòng)顯示于屏幕上；另外，本研究小組曾對(duì)模擬眼數(shù)字化研究[9]和檢影眼底影像進(jìn)行數(shù)字化采集和該類裝置的移動(dòng)化改造[10]。而本研究的創(chuàng)新和重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容在于設(shè)計(jì)眼底影像的識(shí)別軟件，進(jìn)而自動(dòng)判斷患者屈光不正性質(zhì)。

本文第二部分提供了本系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思路，包括系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖、模塊圖和數(shù)據(jù)流圖。第三部分提出了一種數(shù)字化影像識(shí)別屈光不正的算法框架，在第四部分中我們總結(jié)本系統(tǒng)的特點(diǎn)和提供了未來(lái)進(jìn)一步的研究工作。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

本系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是使用數(shù)字影像系統(tǒng)取代人眼觀察，使在傳統(tǒng)視網(wǎng)膜檢影驗(yàn)光中，檢查者直接觀察到的被檢者眼底反射光影轉(zhuǎn)化為視頻圖像顯示于液晶屏幕上，通過(guò)影像識(shí)別程序判斷影動(dòng)性質(zhì)（順動(dòng)、逆動(dòng)、不動(dòng)、剪動(dòng)），提示檢查者有無(wú)近視、遠(yuǎn)視和散光，再通過(guò)液晶屏的數(shù)字顯示標(biāo)記來(lái)確定被檢者的屈光不正參數(shù)，如散光軸向，來(lái)方便遠(yuǎn)程家庭檢查者、醫(yī)生更加準(zhǔn)確地觀察判斷被檢者屈光不正度數(shù)。

根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，屈光不正數(shù)字影像識(shí)別系統(tǒng)由圖像采集裝置、光源、模擬眼、機(jī)械裝置、PC機(jī)、顯示裝置組成。其中圖像采集裝置視覺(jué)傳感器由CCD視覺(jué)傳感器、鏡頭組成。如圖1所示。

光源來(lái)自傳統(tǒng)帶狀光檢影鏡，機(jī)械裝置由調(diào)節(jié)裝置、固定底座、固定支架、運(yùn)動(dòng)滑軌組成，機(jī)械裝置將視覺(jué)傳感器、光源組合起來(lái)，通過(guò)調(diào)節(jié)裝置可調(diào)整圖像采集裝置和光源的位置和角度，通過(guò)移動(dòng)模擬眼支架在滑軌中的位置可以調(diào)節(jié)模擬眼與圖像采集裝置之間的工作距離，在X86平臺(tái)的PC機(jī)上運(yùn)行識(shí)別軟件，對(duì)圖像傳感器采集的模擬眼圖像進(jìn)行分析。

帶狀光檢影鏡將帶狀光投射到模擬眼上，CCD圖像采集裝置采集到模擬眼圖像后，傳送到PC機(jī)上，識(shí)別軟件將模擬眼識(shí)別為“正?！薄ⅰ吧⒐狻?、“遠(yuǎn)視”、“近視”四種狀態(tài)，并將四種狀態(tài)輸出顯示。系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)處理流程

3.1 總體流程

一種屈光不正的數(shù)字化影像識(shí)別方法過(guò)程可以簡(jiǎn)單表示如下：

1）將帶狀光光源投射到人眼上，驅(qū)動(dòng)帶狀光光源沿水平方向運(yùn)動(dòng)，采用CCD圖像采集裝置對(duì)人眼拍照，連續(xù)獲取多幀原始灰度圖像數(shù)據(jù)；

2）對(duì)單幀原始灰度圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行眼球反射光帶重心識(shí)別處理，得到眼球反射光帶的重心位置Peye_ctr（x，y），并放入眼球重心序列；

3）對(duì)單幀原始灰度圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行帶狀投射光帶重心和最小外接矩形識(shí)別處理，得到帶狀投射光帶最小外接矩形的頂點(diǎn)坐標(biāo)Rectlight（P0（x，y）， P1（x，y）， P2（x，y）， P3（x，y））和帶狀投射光帶的重心位置Plight_ctr（x，y），并將帶狀投射光帶的重心位置放入光帶重心序列；

4）對(duì)單幀原始灰度圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行眼球反射光帶角度識(shí)別處理，得到眼球反射光帶的角度值∮eye；

5）對(duì)步驟3處理得到的帶狀投射光帶的最小外接矩形的頂點(diǎn)坐標(biāo)Rectlight（P0（x，y）， P1（x，y），P2（x，y）， P3（x，y））進(jìn)行處理，得到帶狀投射光帶的角度值∮light；

6）對(duì)步驟四得到的眼球反射光帶的角度值∮eye和步驟五得到的帶狀投射光帶的角度值∮light進(jìn)行比較，若眼球反射光帶的角度值∮light和帶狀投射光帶的角度值∮eye的差值大于預(yù)設(shè)閾值，則作為散光處理；

7）對(duì)經(jīng)過(guò)步驟二處理得到的眼球重心序列進(jìn)行運(yùn)動(dòng)位置識(shí)別處理，若判斷為不動(dòng)，作為正視處理，否則，得出眼球重心序列的運(yùn)動(dòng)方向，包括以下內(nèi)容：

對(duì)由連續(xù)n幀（n>1）原始灰度圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)步驟二處理后得到的眼球反射光帶的重心位置序列Peye_ctr（xi，yi） （其中i=1…n）進(jìn)行運(yùn)動(dòng)位置識(shí)別處理，若任意眼球反射光帶的重心位置Peye_ctr（xi，yi）與眼球反射光帶重心位置序列的平均值Peye_ctr0 = ∑Peye_ctr（xi，yi） / n （其中i=1…n）之間的差值的絕對(duì)值Diffeye（i） = | Peye_ctr（xi，yi） - Peye_ctr0 |小于預(yù)設(shè)閾值，則可判別為不動(dòng)，作為正視處理；否則，可得出連續(xù)n幀眼球反射光帶的運(yùn)動(dòng)方向（向左或向右），即眼球重心序列的運(yùn)動(dòng)方向（向左或向右）；

8）對(duì)經(jīng)過(guò)步驟三處理得到的光帶重心序列進(jìn)行運(yùn)動(dòng)位置識(shí)別處理，若判斷為不動(dòng)，作為錯(cuò)誤識(shí)別處理，否則，得出光帶重心序列的運(yùn)動(dòng)方向，包括以下內(nèi)容：

對(duì)由連續(xù)n幀（n>1）原始灰度圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)步驟三處理后得到的帶狀投射光帶的重心位置序列Plight_ctr（xi，yi） （其中i=1…n）進(jìn)行運(yùn)動(dòng)位置識(shí)別處理，若任意帶狀投射光帶的重心位置Plight_ctr（xi，yi）與帶狀投射光帶重心位置序列的平均值Plight_ctr0 = ∑Plight_ctr（xi，yi） / n （其中i=1…n）之間的差值的絕對(duì)值Difflight（i） = | Plight_ctr（xi，yi） - Plight_ctr0|小于預(yù)設(shè)閾值，則可判別為識(shí)別錯(cuò)誤；否則，可得出連續(xù)n幀（n>1）帶狀投射光帶的運(yùn)動(dòng)方向（向左或向右），即光帶重心序列的運(yùn)動(dòng)方向（向左或向右）；

9）對(duì)步驟7得到的眼球重心序列的運(yùn)動(dòng)方向和步驟八得到的光帶重心序列的運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行比較，兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向一致則判別為順動(dòng)，作為遠(yuǎn)視處理，兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向不一致則判別為逆動(dòng)，作為近視處理。

基于以上分析，整個(gè)系統(tǒng)流程框架如圖3所示。

根據(jù)以上所述，在系統(tǒng)整個(gè)處理流程中，有四個(gè)步驟至關(guān)重要，即眼球反射光帶的重心識(shí)別處理、帶狀投射光帶的重心識(shí)別處理、帶狀投射光帶的角度值識(shí)別處理以及眼球反射光帶的角度值識(shí)別處理。

3.2 眼球反射光帶重心位置識(shí)別處理

對(duì)單幀原始灰度圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行眼球反射光帶重心識(shí)別處理，得到眼球反射光帶的重心位置，包括以下步驟：

1）對(duì)原始灰度圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像二值化處理，得到眼球反射光帶的二值化圖像數(shù)據(jù)，有關(guān)圖像二值化的詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參見(jiàn)[11]；

2）對(duì)眼球反射光帶二值化圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像腐蝕處理，得到眼球反射光帶二值腐蝕圖像，有關(guān)圖像腐蝕算法的更多內(nèi)容，參見(jiàn)[12]；

3）對(duì)眼球反射光帶二值腐蝕圖像進(jìn)行圖像平滑處理，得到眼球反射光帶平滑圖像，有關(guān)圖像平滑處理算法的更多內(nèi)容，參見(jiàn)[13]；

4）對(duì)眼球反射光帶平滑圖像進(jìn)行圖像膨脹處理，得到眼球反射光帶膨脹圖像，有關(guān)圖像膨脹算法的更多內(nèi)容，參見(jiàn)[14]；

5）對(duì)眼球反射光帶膨脹圖像進(jìn)行圖像腐蝕處理，得到眼球反射光帶腐蝕圖像；

6）對(duì)眼球反射光帶腐蝕圖像進(jìn)行最大連通域處理，若最大連通域不存在，則丟棄該幀圖像，若最大連通域存在，則可計(jì)算出該最大連通域的最小外接矩形，從而計(jì)算出該最小外接矩形的重心位置即眼球反射光帶的重心位置，并放入眼球重心序列。

根據(jù)上述步驟，簡(jiǎn)要介紹眼球反射光帶重心位置問(wèn)題，如圖4所示。

3.3 帶狀投射光帶重心及角度識(shí)別處理

對(duì)單幀原始灰度圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行帶狀投射光帶重心和最小外接矩形識(shí)別處理，得到帶狀投射光帶的重心位置和最小外接矩形頂點(diǎn)坐標(biāo)，并將帶狀投射光帶的重心位置放入光帶重心序列，包括以下步驟：

1）對(duì)原始灰度圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像避位處理，得到帶狀投射光帶避位處理圖像數(shù)據(jù)，避位區(qū)域內(nèi)的所有像素值置為0，避位區(qū)域?qū)⑷搜垩矍虿糠秩扛采w；

2）對(duì)帶狀投射光帶避位處理圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像二值化處理，得到帶狀投射光帶的二值化圖像數(shù)據(jù)；

3）對(duì)帶狀投射光帶二值化圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像腐蝕處理，得到帶狀投射光帶二值腐蝕圖像；

4）對(duì)帶狀投射光帶二值腐蝕圖像進(jìn)行圖像平滑處理，得到帶狀投射光帶平滑圖像；

5）對(duì)帶狀投射光帶平滑圖像進(jìn)行圖像膨脹處理，得到帶狀投射光帶膨脹圖像；

6）對(duì)帶狀投射光帶膨脹圖像進(jìn)行圖像腐蝕處理，得到帶狀投射光帶腐蝕圖像；

7）對(duì)帶狀投射光帶腐蝕圖像進(jìn)行最大連通域處理，若最大連通域不存在，則丟棄該幀圖像，若最大連通域存在，則可計(jì)算出該最大連通域的最小外接矩形，從而計(jì)算出該最小外接矩形的頂點(diǎn)坐標(biāo)和該最小外接矩形的重心位置即帶狀投射光帶的重心位置，并將帶狀投射光帶的重心位置放入光帶重心序列。

基于以上分析，帶狀投射光帶重心及角度識(shí)別處理流程如圖5所示。

3.4 眼球反射光帶角度識(shí)別處理

對(duì)單幀原始灰度圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行眼球反射光帶角度識(shí)別處理，得到眼球反射光帶的角度值，包括以下步驟：

1）對(duì)原始灰度圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像二值化處理，得到眼球反射光帶的二值化圖像數(shù)據(jù)；

2）對(duì)眼球反射光帶二值化圖像進(jìn)行圖像膨脹處理，得到眼球反射光帶的膨脹圖像數(shù)據(jù)；

3）對(duì)眼球反射光帶膨脹圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行最佳二值化閾值處理，得到眼球反射光帶最佳二值化閾值圖像；

4）對(duì)眼球反射光帶最佳二值化閾值圖像進(jìn)行直線擬合處理，若不存在滿足條件的最長(zhǎng)線段，則丟棄該幀圖像，若存在滿足條件的最長(zhǎng)線段，則可計(jì)算出該最長(zhǎng)線段與水平線的夾角即眼球反射光帶的角度值。

基于以上分析，眼球反射光帶角度識(shí)別處理流程如圖6所示。

4 結(jié)論

本文將數(shù)字影像技術(shù)與傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)備的進(jìn)行結(jié)合，提出了一種新的數(shù)字化影像識(shí)別方法代替人工進(jìn)行診斷，該方法可應(yīng)用于遠(yuǎn)程篩查人眼屈光不正。該系統(tǒng)由攝像頭（透鏡）、CCD芯片、顯示器等組成，通過(guò)數(shù)字影像系統(tǒng)取代人眼觀察，可將眼底影動(dòng)顯示于液晶屏幕上供檢查者觀察。同時(shí)系統(tǒng)輔助影像識(shí)別程序設(shè)計(jì)，將采集到的眼底影動(dòng)電信號(hào)，通過(guò)計(jì)算編程識(shí)別，自動(dòng)判斷影動(dòng)性質(zhì)、顯示屈光不正性質(zhì)（近視、遠(yuǎn)視及散光），可供非專業(yè)人士使用。該系統(tǒng)除了可以對(duì)人眼屈光不正進(jìn)行有效的篩查外，它還能解決了視網(wǎng)膜檢影驗(yàn)光法一直以來(lái)存在的主要兩個(gè)問(wèn)題：

其一，解決了學(xué)習(xí)視網(wǎng)膜檢影驗(yàn)光法較難的現(xiàn)狀。眼科醫(yī)生和驗(yàn)光師只能靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)掌握該項(xiàng)臨床檢查技能，依靠語(yǔ)言和示意圖進(jìn)行交流，難免出現(xiàn)交流理解上的差異。

其二，解決了視網(wǎng)膜檢影的昏暗環(huán)境所造成眼科醫(yī)生、驗(yàn)光師以及患者的不適，特別是兒童易在昏暗環(huán)境中感受到恐懼，以致不能有效配合屈光檢查的問(wèn)題。

本系統(tǒng)具有非常顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，對(duì)于家庭，該技術(shù)能方便家庭成員使用，隨時(shí)觀察家庭成員（特別是兒童和青少年）的屈光不正，如有問(wèn)題可及時(shí)就診，給予矯治，避免屈光性弱視的發(fā)生；對(duì)于臨床工作，該技術(shù)能提高眼科醫(yī)師、驗(yàn)光師以及全科醫(yī)師檢影驗(yàn)光的工作效率和準(zhǔn)確率。在本系統(tǒng)中患者眼底影動(dòng)圖像、視頻可以存儲(chǔ)，并可通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)傳輸影像資料，以供臨床醫(yī)生共享資料或遠(yuǎn)程診斷。

盡管本文提出的屈光不正的數(shù)字化影像識(shí)別方法有著上述優(yōu)勢(shì)，但未來(lái)的研究還須在兩個(gè)點(diǎn)上著力。一方面，沒(méi)有對(duì)算法進(jìn)行深度的理論研究。另一方面，在目前的工作中，系統(tǒng)只解決了屈光不正檢測(cè)的效率問(wèn)題，對(duì)屈光不正檢測(cè)的準(zhǔn)確率還有待進(jìn)一步研究和驗(yàn)證等。

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