光譜法的中醫(yī)舌診研究與應(yīng)用概況

焦文 崔驥 周昌樂(lè) 許家佗

摘要：舌診是中醫(yī)獨(dú)特的診法之一，文字、語(yǔ)言及圖畫(huà)等主觀性、經(jīng)驗(yàn)性的描述雖沿用至今，但很難全面、客觀表達(dá)舌象的完整信息；現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展為中醫(yī)舌診研究提供了新的思路和方法，如光譜法的應(yīng)用，對(duì)還原舌象信息具有重要意義。本文簡(jiǎn)要介紹光譜法，歸納其在中醫(yī)舌診領(lǐng)域的研究與應(yīng)用概況，并提出存在的問(wèn)題及展望，為進(jìn)一步研究提供參考。

關(guān)鍵詞：光譜法；光譜成像技術(shù)；中醫(yī)；舌診；應(yīng)用；綜述

DOI：10.3969/j.issn.1005-5304.2018.11.032

中圖分類(lèi)號(hào)：R241.25 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-5304（2018）11-0130-05

Abstract： Tongue diagnosis is one of unique techniques of TCM diagnosis. Its subjective and empirical description of written words， spoken language and pictures have been used until now， however， which cannot express the complete information of tongue image comprehensively and objectively. The development of modern technology provides new ideas and methods for the study of tongue diagnosis in TCM. For example， the application of spectroscopy is of great significance for restoring tongue image information. This article briefly introduced the spectroscopy method， summarized its research and application in the field of TCM tongue diagnosis， and put forward the problems and prospects to provide references for further research.

Keywords： spectroscopy method； spectral imaging technique； TCM； tongue diagnosis； application； review

舌診是中醫(yī)獨(dú)特的診法之一，舌象蘊(yùn)含大量與人體生理、病理高度相關(guān)的信息。文字、語(yǔ)言及圖畫(huà)等主觀性、經(jīng)驗(yàn)性的描述雖沿用至今，但難以全面、客觀表達(dá)舌象完整的信息。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，新型設(shè)備和儀器與望舌察病相結(jié)合，可更客觀、全面還原舌象信息，減少信息失真，開(kāi)啟中醫(yī)舌診現(xiàn)代研究的新篇章。20世紀(jì)50年代伊始，逐漸形成以中醫(yī)理論為根源，與數(shù)碼攝像[1-4]、紅外熱成像[5-6]、光電轉(zhuǎn)換等[7]技術(shù)交叉融合，識(shí)別舌象信息的中醫(yī)舌診現(xiàn)代研究。21世紀(jì)初，光譜技術(shù)的發(fā)展，對(duì)還原舌象信息具有重要意義，為中醫(yī)舌診現(xiàn)代研究提供了新的思路。

本文簡(jiǎn)要介紹光譜法，歸納其在中醫(yī)舌診領(lǐng)域的研究與應(yīng)用概況，并提出問(wèn)題與展望，為進(jìn)一步研究提供參考。

1 光譜法簡(jiǎn)介

光譜法是一種光學(xué)分析法，指根據(jù)物質(zhì)與電磁波的相互作用，測(cè)量物質(zhì)所輻射或吸收的電磁波的波長(zhǎng)和強(qiáng)度，或測(cè)量與物質(zhì)相互作用的電磁波的波長(zhǎng)和強(qiáng)度改變的分析方法[8]。光（電磁波）與舌體相互作用時(shí)，發(fā)生折射、反射、散射、干涉、衍射等現(xiàn)象，目前中醫(yī)舌診現(xiàn)代研究主要利用反射現(xiàn)象，故又稱(chēng)為反射光譜法，是一種通過(guò)測(cè)量光譜反射率來(lái)檢測(cè)舌體物理特性的方法。如圖1所示，Φ1（λ）為入射光通量，Φ2（λ）為反射光通量，Φ3（λ）為吸收光通量。光譜反射率ρ（λ）為波長(zhǎng)λ的光照射下，舌體反射光通量Φ2與舌體入射光通量Φ1的比值公式為：ρ（λ）=[Φ2（λ）/Φ1（λ）]×100%。

光譜法具有無(wú)創(chuàng)和快速的特點(diǎn)，可獲得豐富而準(zhǔn)確的舌象信息[9]：可得到特定波長(zhǎng)的舌體光譜反射率；舌苔、舌質(zhì)等部位的光譜反射率為固有屬性，并可通過(guò)色度學(xué)公式，計(jì)算舌體顏色參數(shù)，如RGB、XYZ、La*b*等；不同波長(zhǎng)的光照射下，舌體光譜反射率不同，由此得出舌體光譜反射率與波長(zhǎng)的曲線(xiàn)；有助于研究光照條件及舌色的同色異譜現(xiàn)象[10]，即光譜反射率不同但三刺激值相同的舌質(zhì)舌苔色；此外，目前光譜及光譜成像技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可獲取光譜連續(xù)的圖像信息，用于裂紋、齒痕、舌苔面積等紋理信息的研究。光譜及光譜成像技術(shù)不僅在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有極廣闊的應(yīng)用前景，該技術(shù)在中醫(yī)舌診現(xiàn)代研究中亦有重要的意義。但光譜法與中醫(yī)舌診現(xiàn)代研究的結(jié)合尚處于探索階段，優(yōu)勢(shì)尚未充分顯現(xiàn)，并未在中醫(yī)舌診現(xiàn)代研究中發(fā)揮出應(yīng)有的價(jià)值和作用。

2 光譜法的中醫(yī)舌診現(xiàn)代研究

2.1 采集與識(shí)別

舌象采集與識(shí)別是通過(guò)光譜設(shè)備獲取有價(jià)值舌象信息的過(guò)程。由于技術(shù)尚不完善，研究受光譜儀器如儀器規(guī)格、設(shè)備參數(shù)等條件的限制較大。在采集設(shè)備方面，常用設(shè)備多為美國(guó)海洋光學(xué)公司生產(chǎn)的的微型光譜儀，如NIR-512近紅外光譜儀（波長(zhǎng)范圍853.59～1737.26 nm）、USB2000光譜儀（波長(zhǎng)范圍450～1200 nm），USB4000可見(jiàn)光光譜儀（波長(zhǎng)范圍200～900 nm）、USB4000型VIS/NIR可見(jiàn)近紅外光譜儀（波長(zhǎng)范圍360～1000 nm）、QE65000型可見(jiàn)光譜儀（波長(zhǎng)范圍200～1100 nm），以及上海中醫(yī)藥大學(xué)聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研發(fā)的PHE201型體表紅外光譜儀（波長(zhǎng)范圍1.5～16 μm）[11]。與光譜法相結(jié)合的中醫(yī)舌診除涵蓋可見(jiàn)光范圍外，還擴(kuò)展至紅外光譜，可作為中醫(yī)舌診內(nèi)容的延伸。

在光源及波長(zhǎng)選擇方面，曾常春等[12]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)光源A、B、C、D65、E照明下，正常舌尖舌色光譜反射率曲線(xiàn)存在明顯差異，且600～780 nm和380～500 nm波段差異較大。趙靜等[13]研究發(fā)現(xiàn)，在500～600 nm波段無(wú)舌苔附著部位和有舌苔附著部位的光譜曲線(xiàn)差異較大，于579.9 nm處差異最大，可為“苔-質(zhì)”分離提供參考。嚴(yán)文娟等[14]研究發(fā)現(xiàn)，在620～950 nm和1000～1150 nm波段舌體內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)對(duì)光譜的漫反射強(qiáng)度較大，能更好地去除環(huán)境雜散光的干擾，反映舌體內(nèi)部組織成分、微循環(huán)狀態(tài)等信息。劉明等[15]研究發(fā)現(xiàn)，舌苔和舌質(zhì)部分光譜差異最大的波段為525～600 nm波段，進(jìn)一步提取發(fā)現(xiàn)527.548 0 nm處能最能反映舌苔情況。Yamamoto S等[16]采用高光譜相機(jī)（HSC1700，日本北海道Satellite 公司）研究發(fā)現(xiàn)，舌質(zhì)同舌苔、口唇、口周區(qū)域相比分別在400～600 nm、650～800 nm、400～800 nm波段光譜反射率存在差異，由此提取舌質(zhì)區(qū)域。

此外，采集方式有與舌體接觸式和非接觸式2種。接觸式主要用于獲取舌體內(nèi)部信息[14]，但因采集衛(wèi)生條件要求較高等原因而研究較少；非接觸式主要用于獲取舌體表面信息，更加便捷、衛(wèi)生而大量用于中醫(yī)舌診現(xiàn)代研究。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理是指對(duì)光譜設(shè)備輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪和校正的過(guò)程，為提高數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。盡管舌體的光譜反射率不會(huì)受到光源的影響，但采集過(guò)程中受其他因素影響易產(chǎn)生噪點(diǎn)，造成光譜反射率的計(jì)算誤差。噪點(diǎn)多來(lái)源于采集環(huán)境、采集方法及采集儀器等。李剛等[17]采用光調(diào)制技術(shù)可去除舌體反射光譜采集環(huán)境中環(huán)境雜散光的干擾，提高光譜法舌診測(cè)量的信噪比。趙靜等[18]研究發(fā)現(xiàn)，將反射率歸一化法用于光譜舌診數(shù)據(jù)預(yù)處理，可降低光譜采集中操作方法對(duì)測(cè)量的干擾、提高設(shè)備靈敏度等。蔡軼珩等[19-20]為消除光照環(huán)境和采集儀器等因素造成的噪點(diǎn)，從光譜反射率復(fù)原角度，采用基于有限維模型的舌象圖像顏色校正方法，利用此方法復(fù)原光譜反射率曲線(xiàn)，計(jì)算得到更準(zhǔn)確的顏色值。

2.3 舌象信息提取

舌象內(nèi)涵豐富，涉及舌質(zhì)、舌苔及舌下絡(luò)脈等，其內(nèi)涵包括色度及紋理。目前，光譜法用于舌象信息的研究主要集中于舌質(zhì)和舌苔顏色。

舌質(zhì)色度方面，曾常春等[21]將反射光譜數(shù)據(jù)反演于CIE-1964色度圖，得出正常舌色的色品坐標(biāo)、明度、主波長(zhǎng)、色純度等色度學(xué)參數(shù)，分別為x100.341 3±0.008 5和y100.332 6±0.005 11、17.96±3.78、626.3±51.6、0.083±0.031；孔猛等[22]采用可見(jiàn)光譜，通過(guò)670 nm光譜能量強(qiáng)度與590～780 nm紅色域光譜能量比，達(dá)到舌質(zhì)色的定量化的目的，并與常見(jiàn)舌質(zhì)如淡白舌、淡紅舌、紅舌、絳舌取得較好對(duì)應(yīng)。

舌苔色度方面，林凌等[23]以“薄白苔”“黃腐苔”為例，采用數(shù)學(xué)方法處理光譜特性?xún)?nèi)涵，發(fā)現(xiàn)“黃腐苔”“薄白苔”在光譜特征值和曲線(xiàn)形態(tài)特征（如一階微分曲線(xiàn)主峰寬度）等方面存在較明顯差異，探索一種舌象與歸一化預(yù)處理的光譜曲線(xiàn)間的聯(lián)系，進(jìn)而為預(yù)測(cè)模型的建立提供參數(shù)等。

2.4 高光譜成像技術(shù)

此外，高光譜成像技術(shù)亦用于中醫(yī)舌診現(xiàn)代研究。高光譜成像技術(shù)起源于20世紀(jì)80年代，由一維光譜特性與二維圖像技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生。高光譜成像技術(shù)補(bǔ)充了光譜法用于裂紋、齒痕等舌象圖像紋理特征研究的不足，擴(kuò)展了舌象信息的維度，是一種新型非接觸式光學(xué)診斷技術(shù)[24]。

李剛等[25]提出一種基于X-Y振鏡掃描式舌診高光譜采集系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集、歷史數(shù)據(jù)分析、高光譜圖像顯示等設(shè)計(jì)。李家星等[26]利用高光譜成像技術(shù)采集舌象，并從整體分析舌體交疊混合的圖譜信息，結(jié)合多種數(shù)據(jù)挖掘算法關(guān)聯(lián)證候，提取特異光譜指標(biāo)集，從生理、生化指標(biāo)等角度解讀證候，進(jìn)而提出一種證候客觀化診斷的新模式。李慶利等[27-30]設(shè)計(jì)一種基于推帚式的高光譜成像系統(tǒng)，采用圖譜結(jié)合算法進(jìn)行舌體分割，利用高光譜圖像、光譜信息，提出一種基于Gabor濾波器的舌紋分析算法，并進(jìn)一步研發(fā)舌象輔助診斷系統(tǒng)，包含圖像采集與存儲(chǔ)、舌象特征提取、輔助診斷等功能。

3 光譜法的中醫(yī)舌診現(xiàn)代應(yīng)用

3.1 臨床指標(biāo)預(yù)測(cè)

臨床化驗(yàn)指標(biāo)多數(shù)是有創(chuàng)檢查，需要采集患者體/血液進(jìn)行分析。因此，探索無(wú)創(chuàng)檢驗(yàn)成為一種需求。目前，主要以血液生化指標(biāo)為主進(jìn)行預(yù)測(cè)研究。

趙靜等[31]采用偏最小二乘法建立模型，生化指標(biāo)真實(shí)值同驗(yàn)證集未知樣本的預(yù)測(cè)結(jié)果間的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.883、0.979，平均相對(duì)誤差分別為1.88%、1.65%，提示近紅外光譜分析結(jié)合偏最小二乘法或可為血細(xì)胞壓積、平均血紅蛋白濃度的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)提供一種新的方法。李家星等[32]采用支持向量機(jī)分別建立人體血清白蛋白、球蛋白和總蛋白成分近紅外光譜定量回歸模型，相關(guān)系數(shù)依次為0.894、0.931、0.863，預(yù)測(cè)的均方誤差依次為2.19、1.93、4.38，取得較為理想的預(yù)測(cè)效果，提示舌尖處近紅外光譜特性可較客觀地預(yù)測(cè)人體血清蛋白的變化。林凌等[33]采用舌尖近紅外光譜數(shù)據(jù)用于血清總蛋白含量無(wú)創(chuàng)檢測(cè)，分別建立主成分分析結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（平均相對(duì)誤差7.35%，均方根誤差3.069 1 g/L）和偏最小二乘法模型（平均相對(duì)誤差4.77%，均方根誤差0.130 1 g/L），提示舌診近紅外光譜可較準(zhǔn)確地用于總蛋白含量的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)。李剛等[34]建立紅細(xì)胞總數(shù)與光譜數(shù)據(jù)的偏最小二乘回歸模型，該模型相關(guān)系數(shù)為0.994，真實(shí)值與預(yù)測(cè)值間相關(guān)系數(shù)、平均相對(duì)誤差、均方根誤差分別為0.994、0.81%、0.472，提示舌尖部可無(wú)創(chuàng)檢測(cè)紅細(xì)胞。

3.2 疾病無(wú)創(chuàng)篩查

某些疾病的篩查是有創(chuàng)的，臨床實(shí)際當(dāng)中頻繁的篩查可能會(huì)給患者造成不良的體驗(yàn)。本著“人文關(guān)懷”原則，探索疾病無(wú)創(chuàng)篩查已成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)進(jìn)步的一種訴求。目前光譜研究主要應(yīng)用于心血管、消化、內(nèi)分泌等系統(tǒng)疾病篩查。

李剛等[35-36]采用光譜法用于健康組、高黏血癥傾向組、脂肪肝組、冠心病組預(yù)測(cè)，其中間隔偏最小二乘法模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率高達(dá)85%，與可見(jiàn)光波段相比，近紅外波段含有更多與疾病分類(lèi)相關(guān)的信息，并提出一種基于光譜法的脂肪肝無(wú)創(chuàng)、快速診斷新方法，通過(guò)建立3層BP網(wǎng)絡(luò)模型，用于健康人和脂肪肝患者樣本分類(lèi)預(yù)測(cè)，正確率達(dá)89.7%。應(yīng)薦等[37]采用自主研發(fā)的PHE201體表紅外光譜儀檢測(cè)乳腺增生病患者舌體各部的紅外輻射光譜，發(fā)現(xiàn)乳腺增生病患者舌前、舌中、舌邊5個(gè)部位紅外輻射光譜具有相似的形態(tài)，其中有17個(gè)波長(zhǎng)檢測(cè)點(diǎn)乳腺增生病患者舌前與其他部位紅外輻射強(qiáng)度比較有明顯差異，初步探索舌面各部紅外輻射光譜的臨床意義。嚴(yán)文娟等[38-42]采集舌尖等部位近紅外光譜數(shù)據(jù)，建立診斷模型，用于：①健康人、脂肪肝患者、肝炎患者的預(yù)測(cè)；②健康人、糖尿病患者的預(yù)測(cè)；③健康人、冠心病患者、糖尿病患者和肝炎患者4類(lèi)人群快速、無(wú)損的識(shí)別；④健康人和肝炎患者快速、無(wú)創(chuàng)篩查；⑤病毒性肝炎患者與健康人快速、精確分類(lèi)篩查。

3.3 中醫(yī)證候研究

中醫(yī)舌象便于觀察，能直接反映臟腑狀況，是臨床辨證施治不可或缺的重要依據(jù)。目前，光譜法主要涉及肝癌、高血壓等疾病不同中醫(yī)證候的研究以及健康人與不同疾病證候之間的差異性等。

徐穎等[43]采用一種光譜測(cè)色法采集133名原發(fā)性肝癌患者的舌色光譜數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)肝郁脾虛證、濕熱蘊(yùn)結(jié)證、肝腎陰虛證、氣滯血瘀證4種舌色之間有明顯色差，與臨床特點(diǎn)相符。程南方[44]使用可見(jiàn)-近紅外光譜儀采集舌尖部舌色信息，發(fā)現(xiàn)高血壓病痰濕壅盛型、肝火亢盛型與正常人群組及其兩者之間的舌色差異在光譜色度學(xué)指標(biāo)Dominant Wavelength、Purity等方面存在不同程度上的反映。林凌等[45-46]用可見(jiàn)光光譜數(shù)據(jù)，對(duì)表寒里熱證患者、健康人、風(fēng)寒患者舌象數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)和預(yù)測(cè)，其中支持向量機(jī)模型用于健康人與表寒里熱證患者的預(yù)測(cè)，準(zhǔn)確率達(dá)100%，預(yù)測(cè)誤差平方均值為0.077 34。

4 問(wèn)題與展望

上述研究為光譜法在中醫(yī)舌診現(xiàn)代研究奠定了一定基礎(chǔ)。但仍存在以下問(wèn)題：①傳統(tǒng)中醫(yī)或現(xiàn)代醫(yī)學(xué)理論指導(dǎo)不足。如中醫(yī)理論以整體觀念為主要特點(diǎn)，單純通過(guò)光譜舌象數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)疾病及其證候等，相關(guān)指標(biāo)的特異性及敏感性有待進(jìn)一步探索。②研究深度和廣度不足。由于研究的樣本量不足，涉及疾病較少，尚有許多疾病如癌癥舌象等有待研究；在疾病診斷與預(yù)測(cè)方面，雖然取得一定成果，但與臨床相結(jié)合仍有很長(zhǎng)的路程。③由于中醫(yī)舌診現(xiàn)代研究具有自身的特點(diǎn)，對(duì)光譜技術(shù)提出了新的需求和挑戰(zhàn)，如儀器設(shè)備昂貴、光源波長(zhǎng)范圍等問(wèn)題制約光譜數(shù)據(jù)的色度學(xué)參數(shù)計(jì)算等。④目前光譜法用于中醫(yī)舌診現(xiàn)代研究的基礎(chǔ)尚未完善，存在一些重復(fù)性研究，減緩了光譜法應(yīng)用于中醫(yī)舌診現(xiàn)代研究的步伐。這些問(wèn)題導(dǎo)致現(xiàn)階段光譜法并未在中醫(yī)舌診現(xiàn)代研究中發(fā)揮應(yīng)有的優(yōu)勢(shì)和作用。

目前，光譜法與中醫(yī)舌診現(xiàn)代研究的結(jié)合尚處于探索階段，但該技術(shù)在中醫(yī)面色診現(xiàn)代研究中已取得了一系列有意義的成果，提示光譜法應(yīng)用現(xiàn)代中醫(yī)診斷技術(shù)研究的可行性及優(yōu)勢(shì)。許家佗、吳宏進(jìn)等[47-49]觀測(cè)400～550 nm波段，發(fā)現(xiàn)健康組、亞健康組及疾病組面部光譜反射率存在規(guī)律：亞健康組>健康組>疾病組，其中亞健康組在400～560 nm段光譜反射率明顯偏高。通過(guò)對(duì)亞健康組中不同臟腑辨證組間光譜反射率比較，發(fā)現(xiàn)肺型在400～520 nm明顯低于其他臟型、脾型在420～600 nm明顯高于其他臟型，提示光譜特性可作為亞健康狀態(tài)、疾病狀態(tài)診斷的參考指標(biāo)。從現(xiàn)代中醫(yī)理論和光譜技術(shù)等角度來(lái)看，面色診與舌診同屬中醫(yī)望診范疇，其研究方法和內(nèi)容存在諸多共同點(diǎn)，故面色診的研究成果及經(jīng)驗(yàn)可適當(dāng)借鑒到中醫(yī)舌診現(xiàn)代研究中。同時(shí)，光譜及光譜成像技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域已開(kāi)展較多方面的應(yīng)用，如熒光多標(biāo)記共定位、染色體核型分析、眼底病變檢測(cè)、光譜成像癌變檢測(cè)、生物芯片檢測(cè)、無(wú)損血糖監(jiān)測(cè)及拉曼癌變檢測(cè)等[50]，上述領(lǐng)域的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)可為中醫(yī)舌診現(xiàn)代研究提供借鑒。

綜上，以光譜法為代表的光譜技術(shù)具有巨大的研究?jī)r(jià)值和廣闊的發(fā)展前景，與數(shù)碼攝像、紅外熱成像、光電轉(zhuǎn)換等技術(shù)同為中醫(yī)舌診現(xiàn)代研究的重要內(nèi)容。光譜法提升了中醫(yī)舌診現(xiàn)代研究的維度，為該領(lǐng)域研究提供了新的思路和方法。但光譜法的應(yīng)用尚未發(fā)展成熟，亟待進(jìn)一步探索和挖掘。在已有成果基礎(chǔ)上，將光譜技術(shù)與中醫(yī)理論相融合，才能發(fā)揮光譜法在中醫(yī)舌診現(xiàn)代研究中的應(yīng)用價(jià)值，促進(jìn)學(xué)科快速發(fā)展。

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