一體式中醫(yī)舌象采集分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

，， ， ，

(1.青島科技大學(xué) 自動(dòng)化與電子工程學(xué)院，山東 青島 266042； 2.中國(guó)科學(xué)院 光電研究院，北京 100094；3.中國(guó)科學(xué)院 微電子研究所健康電子研發(fā)中心，北京 100029)

0 引言

舌象診斷是中醫(yī)診斷的重要組成部分，傳統(tǒng)的舌象診斷僅依靠醫(yī)生的主觀觀察來(lái)得出結(jié)論，這將帶來(lái)一個(gè)較為嚴(yán)重的缺陷：診斷結(jié)果會(huì)受到主觀和客觀因素的影響，例如環(huán)境光線、病人的配合程度、病人的姿勢(shì)以及醫(yī)生的臨床經(jīng)驗(yàn)甚至醫(yī)生在診斷時(shí)的狀態(tài)等[1]。因此診斷的準(zhǔn)確性受到較為嚴(yán)重的影響，不利于中醫(yī)交流，阻礙了中醫(yī)的發(fā)展。近年來(lái)，人們根據(jù)舌象分析的特點(diǎn)研制出了多種舌象采集分析儀，其中包括小型手持式舌象分析儀[2]，分布式舌象分析儀[3]，積分球式舌診儀[4]。但是小型手持式舌象分析儀容易受到外界光源的干擾，并且由于體積過(guò)小，導(dǎo)致采集設(shè)備距離舌體太近，這就導(dǎo)致患者呼出的空氣在鏡頭上形成霧化效果，無(wú)法保證采集到舌象顏色的準(zhǔn)確性，影響舌象分析的結(jié)果。分布式舌象分析儀將采集設(shè)備與控制設(shè)備分開(kāi)，不僅浪費(fèi)空間，而且操作繁瑣，并且由于采用直接照射的方式，容易導(dǎo)致部分舌體光照過(guò)強(qiáng)，影響后期的分析處理。積分球式舌診儀將整個(gè)積分球暴露于外部光照環(huán)境中，容易導(dǎo)致外部光源進(jìn)入積分球內(nèi)部，形成干擾，并且舊式積分球僅在積分球上部放置光源，這就導(dǎo)致舌體下部以及舌兩側(cè)邊緣部分受光不足，影響到采集的準(zhǔn)確性。針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種一體式的封閉舌象采集系統(tǒng)，將積分球內(nèi)膽放置于一個(gè)箱體之中，且積分球前部加裝T型遮光罩，這樣就完全排除了外部光源的影響。積分球設(shè)計(jì)中，在積分球下部增加一個(gè)通光孔，設(shè)置有輔助光源，兩個(gè)光源的設(shè)計(jì)保證了舌體的各個(gè)部位受光均勻、充足。本文研究了一種手動(dòng)調(diào)節(jié)相機(jī)白平衡參數(shù)的方法，彌補(bǔ)了自動(dòng)白平衡的不足，保證了采集過(guò)程中顏色的準(zhǔn)確性，獲取了一套標(biāo)準(zhǔn)的顏色數(shù)據(jù)，為后期的顏色校正打下基礎(chǔ)。

1 硬件系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成框圖如圖1所示。主要包括：圖像采集設(shè)備、封閉式暗箱、積分球、光源、升降臺(tái)、高清液晶顯示器和嵌入式工控機(jī)等。由積分球、暗箱、標(biāo)準(zhǔn)光源組成封閉的采集環(huán)境，攝像機(jī)將采集到的圖像舌象通過(guò)USB數(shù)據(jù)線發(fā)送到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)完成舌象的顯示與保存，以及舌象的處理與診斷，將診斷結(jié)果保存。

圖1 舌象采集分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

本文設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)采用一體式結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)置于升降臺(tái)之上，高度可調(diào)節(jié)，可以滿足不同身高患者的要求。本文設(shè)計(jì)一個(gè)箱體，箱體的一側(cè)裝有T型遮光板，將積分球放入箱體之中，可以完全避免外部光源的干擾。箱體的一側(cè)有圓形開(kāi)口，可以完美地與積分球契合，另外一側(cè)放置有液晶顯示屏，用于采集控制，方便使用者使用，具體如圖2所示。圖3為所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)實(shí)物圖。

圖2 一體式舌象采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3 一體式舌象采集系統(tǒng)

1.2 光源的選擇

光照是圖像采集的靈魂[5]，光源在圖像采集中對(duì)圖像的質(zhì)量起到了決定性的作用，尤其是舌象采集，對(duì)色彩還原的要求度很高。因此舌象色彩的重現(xiàn)，將直接影響到系統(tǒng)對(duì)舌象分析的準(zhǔn)確性。中醫(yī)望診需要在白天充足、柔和的自然光下觀察舌象[6]，但是很難營(yíng)造出自然光源環(huán)境，因此需要選擇一種接近自然光的人工光源作為舌象采集所用光源。光源的選擇需要考慮光源的兩個(gè)特性：顯色性和色溫。顯色性的好壞通常用“顯色指數(shù)”(Ra)來(lái)表示[7]。Ra值越高顯色性越好，顯色性越好圖像色彩越準(zhǔn)確。色溫是表示光源光譜質(zhì)量的通用指標(biāo)，日光的平均色溫為6 500 k，色溫偏高時(shí)，圖像偏藍(lán)；色溫偏低時(shí)，圖像偏紅。

目前在舌象信息客觀化的同類研究中，所選擇的光源雖各不相同，但各種標(biāo)準(zhǔn)光源是研究中比較明確的選擇[8]。用于舌象采集中的人工光源大多選擇色溫在4 500～6 500 k之間。通過(guò)在不同色溫的光源下拍攝舌象進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)6 500 k色溫下拍攝的圖像最接近肉眼觀察到的圖像。對(duì)比表1中的光源性能指標(biāo)可以看出，白熾燈和鹵鎢燈雖然顯色性較高，但色溫偏低，散熱較大且使用壽命低；熒光燈雖然有全系列色溫，顯色性較好，但是市面上的熒光燈體積過(guò)大；LED燈光效強(qiáng)，顯色性好，且能夠保證6 500 k的色溫，使用壽命長(zhǎng)，成本低廉，因此本設(shè)計(jì)選擇貼片式白光LED燈作為采集用光源，滿足性能指標(biāo)的同時(shí)，也能滿足尺寸小的要求。

表1 常用光源性能指標(biāo)

1.3 積分球的設(shè)計(jì)

如果光源直接照射到舌體上，會(huì)導(dǎo)致舌體某一部分過(guò)亮，嚴(yán)重影響色彩還原。通過(guò)在不同光照方式下的拍攝實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)采用漫反射入射，垂直觀測(cè)[9]的方式能夠保證舌體受光均勻。本文通過(guò)積分球來(lái)實(shí)現(xiàn)漫反射。積分球是個(gè)橢圓形球體，內(nèi)部涂滿了漫反射材料，且分布均勻。積分球的前后兩端分別有一個(gè)開(kāi)口，其中一端為相機(jī)放置口，另一端放置目標(biāo)舌體。舌體開(kāi)口一端，設(shè)置有可調(diào)節(jié)高度的頜托，頜托采用人體工程學(xué)設(shè)計(jì)，可以有效的固定住患者的面部，保證采集過(guò)程中的穩(wěn)定性。在相機(jī)的一端，上下45度的位置各有兩個(gè)通光孔，用于放置光源，其中上部為主光源，下部為輔助光源。原有積分球設(shè)計(jì)僅上部有一個(gè)光源，這就導(dǎo)致光照無(wú)法覆蓋整個(gè)舌體，導(dǎo)致舌體兩側(cè)邊緣部分受光不足，而舌兩側(cè)同樣也是舌象診斷的重要部分，本設(shè)計(jì)通過(guò)增加輔助光源來(lái)彌補(bǔ)這一缺陷。通光孔的內(nèi)部放置有一個(gè)涂有漫反射材料的擋板，可以有效的防止光源直接照射到舌體上。圖4為所設(shè)計(jì)的積分球，其中上下兩個(gè)圓柱狀物體為L(zhǎng)ED光源，光源上有光闌，可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)進(jìn)光量。

圖4 積分球

1.4 采集與顯示設(shè)備的選擇

舌象采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，需要標(biāo)準(zhǔn)光源、合理的光照環(huán)境以及性能優(yōu)越的圖像采集設(shè)備。因此，圖像采集設(shè)備的選擇需要滿足以下要求：分辨率高，模數(shù)轉(zhuǎn)換精度高，信噪比高等。

本系統(tǒng)的圖像采集設(shè)備，采用大恒公司生產(chǎn)的MER-500-14U3x系列相機(jī)，該相機(jī)的分辨率達(dá)到2 592x1 944，采用COMS傳感器，模數(shù)轉(zhuǎn)換精度達(dá)到12 bit，信噪比為47 db，能夠滿足采集要求。顯示設(shè)備統(tǒng)一采用DELL-E1715S液晶顯示器。

2 軟件系統(tǒng)

舌象采集系統(tǒng)的軟件平臺(tái)是基于Windows系統(tǒng)操作系統(tǒng)和Visual Studio 2013(VS2013)，VS2013是全功能C++集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，再加上MFC類庫(kù)，足以滿足舌象采集系統(tǒng)的編程需要，程序流程圖如圖5所示。

圖5 程序流程圖

在圖6所示的舌象采集界面中，共有四大功能區(qū)，分別是：舌象顯示區(qū)、設(shè)備控制區(qū)，采集控制區(qū)，處理控制區(qū)。

圖中的舌象顯示區(qū)，直接顯示了患者實(shí)時(shí)的舌狀態(tài)，醫(yī)生可以根據(jù)顯示的圖像，指揮患者改變舌姿態(tài)，選擇最佳的拍攝角度。

第二部分是設(shè)備控制，本部分包含4個(gè)按鈕，“打開(kāi)設(shè)備”按鈕用于打開(kāi)攝像機(jī)，注冊(cè)回調(diào)函數(shù)；“開(kāi)始采集”按鈕使左側(cè)圖像顯示區(qū)顯示視頻；“停止采集”用于結(jié)束采集功能，“關(guān)閉設(shè)備”按鈕用于關(guān)閉攝像機(jī)，并且注銷回調(diào)函數(shù)。

第三部分是采集控制，此部分包括保存圖像，設(shè)置保存路徑，設(shè)置圖片名稱，顏色校準(zhǔn)等功能。其中“采集圖像”按鈕功能為保存舌圖像，此時(shí)視頻流定幀，“繼續(xù)采集”按鈕的功能是恢復(fù)視頻流，保證了下一患者采集的連貫性。可以通過(guò)輸入的方式對(duì)采集到的舌象進(jìn)行命名，并且選擇圖像保存的路徑。

第四部分是處理控制，其中“打開(kāi)舌象”按鈕用于在打開(kāi)已經(jīng)采集到的圖像并顯示在左側(cè)圖像采集區(qū)，“舌象處理”按鈕功能是調(diào)用舌象處理程序，完成對(duì)舌象的分析。通過(guò)在文本框中輸入相應(yīng)的圖片名稱，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定圖片的分析。

圖6 舌象采集程序界面

對(duì)軟件的界面說(shuō)明之后我們給出部分程序的相關(guān)定義，用來(lái)說(shuō)明程序的實(shí)現(xiàn)原理。

GX_DEV_HANDLE m_hDevice; ///<設(shè)備句柄；

BITMAPINFO *m_pBmpInfo; ///< BITMAPINFO 結(jié)構(gòu)指針，顯示圖像時(shí)使用；

BYTE *m_pBufferRaw; ///<原始圖像數(shù)據(jù)；

BYTE *m_pBufferRGB; ///< RGB圖像數(shù)據(jù)，用于顯示和保存bmp圖像；

char m_chBmpBuf[2048];///< BIMTAPINFO 存儲(chǔ)緩沖區(qū)， m_pBmpInfo即指向此緩沖區(qū)；

CString m_strSavePath; ///< BMP圖像默認(rèn)保存路徑；

BOOL m_bIsSaveImg; ///<標(biāo)識(shí)是否保存圖像；

BOOL m_bDevOpened; ///<標(biāo)識(shí)是否已打開(kāi)設(shè)備；

BOOL m_bIsSnap; ///<標(biāo)識(shí)是否開(kāi)始采集；

BOOL m_bIsImproveImg; ///<標(biāo)識(shí)是否進(jìn)行；

void GetImageImproveParam();/// 圖像質(zhì)量提升；

void UnPrepareForShowImg();/// 釋放為圖像顯示準(zhǔn)備資源；

void DrawImg();/// 顯示圖像；

void SaveImage();/// 保存圖像。

3 白平衡參數(shù)設(shè)置方法

舌象的顏色識(shí)別是進(jìn)行舌象定量和定性分析的基礎(chǔ)[10]，如何保證顏色的準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)是舌象采集的一個(gè)重要問(wèn)題。相機(jī)白平衡參數(shù)的設(shè)定對(duì)彩色重現(xiàn)具有重要的作用。

白平衡分為自動(dòng)白平衡和手動(dòng)白平衡。自動(dòng)白平衡(AWB)是指相機(jī)通過(guò)拍攝純白色目標(biāo)物自動(dòng)調(diào)節(jié)RGB三個(gè)參數(shù)值[11]，但是對(duì)于色彩還原度高的舌象采集來(lái)說(shuō)，即使通過(guò)相機(jī)自動(dòng)白平衡也無(wú)法保證顏色的準(zhǔn)確性，因此需要借助手動(dòng)調(diào)節(jié)RGB值，并通過(guò)多位中醫(yī)專家比較采集的舌象和肉眼觀察到的舌體，確定出最優(yōu)的RGB參數(shù)。RGB色度空間的的缺點(diǎn)是與設(shè)備有關(guān)，但是由于舌象分析儀的采集設(shè)備是固定的，因此可以采用RGB色度匹配。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：對(duì)于RGB值的調(diào)節(jié)會(huì)直接改變圖像顏色，當(dāng)R值過(guò)大，即R/G>3，R/B>2時(shí)意味著紅色起主導(dǎo)作用，拍出的照片會(huì)偏紅，色溫偏低，色調(diào)偏暖；當(dāng)B值過(guò)大，即B/G>3，B/R>2時(shí)藍(lán)色起主導(dǎo)作用，拍出的照片會(huì)偏藍(lán)，色溫偏高，色調(diào)偏冷。因此針對(duì)以上的規(guī)律，在完成顯示器顏色校準(zhǔn)以及設(shè)置好相機(jī)曝光時(shí)間的前提下，對(duì)目前使用的相機(jī)進(jìn)行白平衡參數(shù)選擇時(shí)采取以下步驟：

1) 置RGB參數(shù)分別為1、1和2，且不再改變G的大小。

2)針對(duì)當(dāng)前參數(shù)下的照片進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，分別調(diào)節(jié)R值和B值。由于B/R=2，拍出的圖像會(huì)偏藍(lán)，因此R只能調(diào)大，B只能調(diào)小，保證比例不會(huì)大于2，且不會(huì)小于1，以一定的尺度L調(diào)節(jié)參數(shù)，拍出若干圖像，記錄下每張圖像的參數(shù)。

3)將拍攝到的舌象同時(shí)顯示于顯示器上，對(duì)拍出的圖像進(jìn)行評(píng)價(jià)。由3人以上的經(jīng)驗(yàn)豐富的中醫(yī)專家通過(guò)比較肉眼觀察的舌象，投票選出顯示器上最接近肉眼觀察的舌象，并記錄下該舌象的RGB參數(shù)。

4)若票選出的舌象滿足色彩重現(xiàn)，則把該圖像的RGB參數(shù)作為后續(xù)拍攝的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)；否則，在此圖像基礎(chǔ)上，改變調(diào)節(jié)尺度L1=L/2，在此尺度下拍出若干圖像，記錄下每張圖像的參數(shù)，將采集到的舌象顯示于顯示器上，由觀察者比較，選出最接近肉眼觀察的舌象。

5)若步驟4選出的舌象能夠滿足色彩還原的要求，則把該舌象的參數(shù)作為后續(xù)舌象采集的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，否則返回步驟4。

按照上述方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并在舌體下方放置色標(biāo)，對(duì)比色標(biāo)顏色可以更加準(zhǔn)確地選擇合適參數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。其中圖7(a)圖參數(shù)為R=1.2、B=1.8；7(b)圖參數(shù)為R=1.3、B=1.8；7(c)圖參數(shù)為R=1.4、B=1.8。7(a)圖中由于R值較小，所以顏色偏藍(lán)，調(diào)整R值得到7(b)圖，并對(duì)比肉眼觀察下的舌象，此時(shí)舌象顏色最接近期望值，繼續(xù)調(diào)高R值，發(fā)現(xiàn)舌象顏色偏紅(如圖7(C)所示)。因此確定7(b)圖參數(shù)為最佳參數(shù)。雖然上述方法在操作上比較繁瑣，但通過(guò)中醫(yī)主觀觀察與客觀參數(shù)調(diào)節(jié)的有機(jī)結(jié)合，不僅保證了在本設(shè)備上的顏色重現(xiàn)，而且可以得到一套在此光照條件下標(biāo)準(zhǔn)的RGB參數(shù)，并以此RGB值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的色度值，實(shí)現(xiàn)圖像顏色數(shù)據(jù)的規(guī)范化，為以與設(shè)備無(wú)關(guān)的CIE-XYZ或CIE-Lab色度空間的變換提供標(biāo)準(zhǔn)的顏色數(shù)據(jù)，從而為后期通過(guò)算法進(jìn)行顏色校正打下基礎(chǔ)。

圖7 實(shí)驗(yàn)圖片

4 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的一體式舌象采集分析系統(tǒng)的工作性能，展開(kāi)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。在光源穩(wěn)定，整個(gè)系統(tǒng)上電之后，實(shí)驗(yàn)對(duì)象將下巴放置于頜托之上并保持吐舌姿勢(shì)，如圖8(a)所示。操作者打開(kāi)舌象采集軟件界面，設(shè)置圖片保存路徑，點(diǎn)擊“打開(kāi)設(shè)備”，設(shè)置好相機(jī)參數(shù)，點(diǎn)擊“開(kāi)始采集”按鈕，此時(shí)界面顯示圖像，然后點(diǎn)擊“采集圖像”完成采集。點(diǎn)擊“舌象處理”按鈕，如圖8(b)所示。通過(guò)框選的方式在采集的舌象上選擇出診斷區(qū)域，雙擊此區(qū)域進(jìn)行處理，診斷時(shí)間大約十幾秒，診斷結(jié)果如圖9所示。

圖8 舌象采集與處理

圖9 舌象診斷結(jié)果

從圖8可以看出，本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)舌象的采集功能，并且采集到的舌象受光均勻，沒(méi)有出現(xiàn)局部過(guò)亮的情況，充分驗(yàn)證了積分球漫反射的作用以及結(jié)構(gòu)的封閉性。圖9所示的實(shí)驗(yàn)診斷結(jié)果，將舌體分為5個(gè)部分，并分別對(duì)顏色、齒痕和苔厚程度進(jìn)行判別，并綜合中醫(yī)專家的肉眼觀察得出的診斷結(jié)果，二者判別結(jié)果基本一致，保證了采集過(guò)程中的顏色還原，充分驗(yàn)證了手動(dòng)白平衡調(diào)節(jié)得到的RGB參數(shù)的準(zhǔn)確性，從而獲得標(biāo)準(zhǔn)的顏色數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

針對(duì)目前中醫(yī)舌象客觀化研究的需要，本文提出了一種一體式舌象分析儀的設(shè)計(jì)方案。首先，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)將積分球、光源、顯示器以及采集設(shè)備整合到暗箱當(dāng)中，不僅減小了系統(tǒng)體積，而且避免了外部光源的干擾，并且在舌體一端設(shè)計(jì)了一種T型遮光罩，完全阻隔了外界光源的進(jìn)入；其次，通過(guò)各類型光源的顯示性與色溫對(duì)比，選擇了一種最適合用于舌象采集的光源；在照明方式上，通過(guò)積分球?qū)崿F(xiàn)漫反射，保證了舌體受光的均勻性。由于采用積分球使采集設(shè)備與舌體之間的距離不會(huì)太近，避免了霧化問(wèn)題。針對(duì)自動(dòng)白平衡在顏色校準(zhǔn)上的不足，提出了一種手動(dòng)白平衡調(diào)節(jié)方法，獲得準(zhǔn)確的RGB值作為顏色校正的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步通過(guò)算法進(jìn)行顏色校正奠定了良好的基礎(chǔ)。

[1]黃 丹. 中醫(yī)舌象的采集與分析研究[D]. 天津: 天津大學(xué), 2008.

[2]邸 丹, 周 敏, 周會(huì)林,等.手持式舌象儀的研制[J]. 上海中醫(yī)藥雜志, 2016 , 50(2) :12-14.

[3]衛(wèi)保國(guó), 沈蘭蓀, 王艷清, 等.數(shù)字化中醫(yī)舌象分析儀[J].中國(guó)醫(yī)療器械雜志, 2002, 26(3) : 164-166.

[4]蔡軼珩, 沈蘭蓀, 劉長(zhǎng)江, 等.新型舌象分析儀關(guān)鍵技術(shù)研究[J].電子學(xué)報(bào), 2006, 34(4): 713-716.

[5]沈蘭蓀,蔡軼珩,張新峰,等.中醫(yī)舌象的采集與分析[M].北京: 北京工業(yè)大學(xué)出版社, 2007.

[6]劉 齊, 黃小陽(yáng), 王博亮,等. 自然環(huán)境下舌診圖像偏色檢測(cè)及其顏色校正[J].廈門大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版,2016 ,55(2):278-284.

[7]何 岳,劉長(zhǎng)江, 沈蘭蓀. 基于數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的舌象采集平臺(tái)設(shè)計(jì)方案[J].世界科學(xué)技術(shù)-中醫(yī)藥現(xiàn)代化, 2007, 9(5):102-105.

[8]宋賢杰, 徐晨潔, 劉曉谷, 等. 采集舌象用光譜的研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2008, 28(5):978-982.

[9]蔡軼珩, 劉長(zhǎng)江, 沈蘭蓀, 等. 新型舌象分析儀的設(shè)計(jì)方案[J]. 測(cè)控技術(shù), 2005, 24(5): 34-36,47.

[10]郭 睿, 王憶勤, 顏建軍, 等. 中醫(yī)舌診的客觀化研究[J]. 中國(guó)中西醫(yī)結(jié)合雜志, 2009, 29(7) : 642-645.

[11]劉天弼, 宋春林, 江興歌, 等. 基于標(biāo)準(zhǔn)白色模板的擴(kuò)展RGB顏色校正算法[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用, 2010, 30(8) : 2083-2087.