基于高光譜圖像技術(shù)的中醫(yī)舌診客觀化研究展望?

張 冬，張俊華△，孟昭鵬，張伯禮，胡鏡清

(1. 天津中醫(yī)藥大學(xué)，天津 300193； 2. 中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院，北京 100700)

舌診屬于中醫(yī)“望診”范疇，舌診信息為臨床辨證施治提供依據(jù)[1]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從上世紀(jì)80年代開始利用計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)對(duì)舌象進(jìn)行了數(shù)字化分析，開始了對(duì)舌診客觀化的探索[2-3]。

張伯禮教授建立了全國(guó)第一家中醫(yī)工程研究所，將舌診客觀化研究作為切入點(diǎn)，建立了計(jì)算機(jī)舌診文摘庫及檢索系統(tǒng)[4]，并進(jìn)行了大規(guī)模健康人群舌象調(diào)查，開展了舌診生理基礎(chǔ)參數(shù)及影響因素研究，開拓了舌象色度學(xué)研究[5]，創(chuàng)建了舌紅外熱像檢查技術(shù)，研制了舌津測(cè)定儀等系列儀器[6]，進(jìn)行了多中心、多病種舌象動(dòng)態(tài)觀察研究[7]。1995年，他主持的“舌診客觀化研究”項(xiàng)目獲國(guó)家科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。此后，研究人員相繼進(jìn)行舌色苔色[8-9]、舌質(zhì)[10-11]、舌苔的量化[12-13]研究。

本文介紹了高光譜技術(shù)的基本特征及原理，并闡述了在中醫(yī)舌診客觀化研究中的價(jià)值與意義，總結(jié)并分析了目前高光譜圖像技術(shù)在舌診客觀化方面的研究現(xiàn)狀與存在問題，并以此為基礎(chǔ)對(duì)未來的研究方向和任務(wù)進(jìn)行了展望。

1 基于高光譜圖像中醫(yī)舌診客觀化研究進(jìn)展

1.1 現(xiàn)有中醫(yī)舌診客觀化研究的不足

現(xiàn)有的中醫(yī)舌診客觀化研究主要基于彩色圖像，采集方法具有局限性，在舌象采集方式、舌色量化表達(dá)方法、舌色指標(biāo)臨床應(yīng)用等方面存在著一些問題，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.1.1 現(xiàn)有舌象研究基于可見光分析，存在“看不準(zhǔn)”“拍不全”的問題 包括“四診儀”“舌診專家”在內(nèi)的研究主要依賴于相機(jī)拍攝的數(shù)碼圖像，是由紅光(R，700 nm)、綠光(G，546.1 nm)、藍(lán)光(B，435.8 nm) 3個(gè)通道疊加而成，但是其他范圍的光譜信息沒有采集，忽略了人眼和照相機(jī)“看不見”的波段，不可避免地失去許多舌色客觀化、量化的特征信息，并在舌體圖像采集過程中易受周圍環(huán)境尤其是光照的影響。

1.1.2 現(xiàn)有舌診客觀化還不適用于疾病診斷與臨床療效評(píng)價(jià)指標(biāo)生成 目前，中醫(yī)舌診客觀化研究主要集中在對(duì)舌色、舌形、舌苔的分類分析，形成的指標(biāo)多為概括性描述，缺乏量化指標(biāo)和量化標(biāo)準(zhǔn)，因此目前舌診儀器大多用于輔助養(yǎng)生指導(dǎo)或醫(yī)學(xué)院校教學(xué)等，還不適用于臨床診療指標(biāo)應(yīng)用。

1.1.3 現(xiàn)有舌診客觀化研究缺乏特征數(shù)據(jù)庫和量化模型 當(dāng)前應(yīng)用較多的舌診儀器主要針對(duì)個(gè)體進(jìn)行舌象的分析，缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的舌象特征數(shù)據(jù)庫。同時(shí)在對(duì)舌診參數(shù)進(jìn)行量化研究時(shí)，大多使用已有算法，沒有針對(duì)中醫(yī)舌診特點(diǎn)進(jìn)行算法研究和模型開發(fā)。

1.2 高光譜圖像技術(shù)簡(jiǎn)介和優(yōu)勢(shì)

高光譜圖像技術(shù)結(jié)合了光譜學(xué)、圖像學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多個(gè)學(xué)科，具有光譜信息豐富、圖譜合一等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，同時(shí)采集目標(biāo)物體豐富的光譜和空間信息是其最大的優(yōu)勢(shì)和特征。

圖1顯示，相比于數(shù)碼相機(jī)采集的舌象照片，高光譜技術(shù)能夠同時(shí)采集舌象在幾百個(gè)不同的光譜波段(包括可見光和不可見光)下的成像信息，最大程度地模擬人眼在觀察舌體時(shí)的光譜反射場(chǎng)景，極大程度地豐富了舌象信息，使得研究人員能夠在數(shù)碼相機(jī)拍攝不到的光譜范圍內(nèi)對(duì)舌象進(jìn)行分析。右側(cè)為高光譜圖像示意圖，其中空間軸(x軸和y軸)上實(shí)現(xiàn)對(duì)舌象表面的光學(xué)成像，光譜軸(z軸)上展現(xiàn)該位置的光譜反射率信息。

高光譜舌象圖像呈現(xiàn)三維立體結(jié)構(gòu)，從空間軸角度能夠?qū)ι嘞笤诓煌庾V波長(zhǎng)下的成像內(nèi)容進(jìn)行分析與比較，從光譜軸角度能夠提取舌象某一區(qū)域的光譜反射率變化情況，從而進(jìn)行該區(qū)域的光學(xué)特征分析。

1.3 高光譜技術(shù)在舌診客觀化研究中的應(yīng)用

基于高光譜圖像分析技術(shù)的醫(yī)療病例分析鮮少與傳統(tǒng)中醫(yī)學(xué)理論相結(jié)合，尤其是舌診輔助診療方面，當(dāng)前大部分研究集中在以下兩方面。

1.3.1 在舌診參數(shù)方面的應(yīng)用研究 高光譜圖像能夠?yàn)檠芯咳藛T提供舌象在空間和光譜2個(gè)維度上的信息。曾常春[18]等進(jìn)行了516例正常人舌色與唇色的光譜色度學(xué)量化研究。林凌[19]等在可見光譜下研究了4種舌色的量化與對(duì)比。楊新宇[20]對(duì)11類舌色進(jìn)行了分類研究。李慶利使用高光譜技術(shù)分析了16種典型中醫(yī)舌紋[21]。劉明等[22]在高光譜圖像上進(jìn)行了舌苔位置的判斷和提取。

1.3.2 高光譜特征用于疾病診斷 近年來，研究人員還探索了高光譜圖像用于疾病輔助診斷的研究。李慶利[23]等采集400～800 nm范圍內(nèi)的高光譜舌象，分析了正常舌質(zhì)、正常舌苔、膽囊炎舌質(zhì)、膽囊炎舌苔的光譜曲線差異，驗(yàn)證了高光譜舌象用于疾病輔助診斷的可行性，并建立了基于高光譜成像技術(shù)的中醫(yī)舌象輔助診斷系統(tǒng)[24]。李剛等[25]提出了一種基于X-Y振鏡掃描式高光譜采集系統(tǒng)完成對(duì)舌體的高光譜信息采集，并進(jìn)行了脂肪肝疾病的快速篩查、高黏血癥疾病的無創(chuàng)診斷和冠心病疾病的快速篩查。

1.4 現(xiàn)有高光譜圖像中醫(yī)舌診客觀化研究的不足

從上述研究成果來看，高光譜技術(shù)用于中醫(yī)舌診客觀化方面雖然取得了一定的研究進(jìn)展，但是依然還存在一些值得改進(jìn)和挖掘的地方，主要表現(xiàn)在：一是沒有建立多人群、多病種的舌象高光譜特征數(shù)據(jù)庫；二是當(dāng)前對(duì)高光譜舌診的研究大多為分類任務(wù)，屬于概括性描述，對(duì)舌診關(guān)鍵參數(shù)的數(shù)字量化研究不足；三是當(dāng)前研究很少關(guān)注舌診臨床評(píng)價(jià)指標(biāo)，沒有針對(duì)典型臨床證候確定舌診參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)值，舌診參數(shù)在臨床評(píng)價(jià)指標(biāo)中的作用不突出。

2 基于高光譜技術(shù)的舌診客觀化研究?jī)r(jià)值

2.1 基于高光譜技術(shù)的舌診客觀化研究?jī)r(jià)值

高光譜圖像分析技術(shù)從中醫(yī)臨床需求出發(fā)，探索舌象在“看的見和看不見”光下的所有信息，有效彌補(bǔ)了當(dāng)前研究中大多依賴彩色圖像，忽略“看不見”光下的有效信息，為推動(dòng)中醫(yī)舌診客觀化研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和方法學(xué)支撐。

2.1.1 獲取“看的見”和“看不見”光譜下的舌象信息 高光譜圖像能夠采集舌象在“看的見和看不見”光譜下的特征信息，有效彌補(bǔ)了當(dāng)前研究局限在3個(gè)單色光(RGB)下的缺陷，推進(jìn)中醫(yī)舌診客觀化研究的深度和廣度，是從舌體圖像采集源頭方面對(duì)舌診客觀化的補(bǔ)充和挖掘。

2.1.2 提高舌診客觀化在臨床上的應(yīng)用價(jià)值 高光譜舌體圖像具有豐富的光譜和空間特征信息，通過圖像處理，能夠?qū)崿F(xiàn)舌診參數(shù)的可量化、標(biāo)準(zhǔn)化，形成具有中醫(yī)特色的臨床診療體系以及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

2.1.3 開發(fā)具有中醫(yī)特色的舌象分析系統(tǒng)和儀器 以中醫(yī)舌象高光譜特征數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，形成具有中醫(yī)特色的舌診參數(shù)量化系統(tǒng)，應(yīng)用于便攜式設(shè)備開發(fā)，對(duì)推動(dòng)中醫(yī)舌診客觀化、規(guī)范化具有重要意義。

2.2 基于高光譜圖像技術(shù)的舌診客觀化研究重要任務(wù)

高光譜技術(shù)為舌診參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究、舌象與證候疾病的映射關(guān)系以及新型舌診儀器的開發(fā)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)與理論基礎(chǔ)。今后高光譜舌診研究的重要任務(wù)主要集中在以下幾個(gè)方面。

2.2.1 采集方案的規(guī)范化 在舌體高光譜圖像采集過程中，采集位置、波長(zhǎng)選擇、基準(zhǔn)光源選取等均會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響，需要研究并加以規(guī)范。

2.2.2 優(yōu)化算法與分析模型 當(dāng)前的高光譜舌診模型沒有深入考慮舌象特征和光譜曲線特征，不一定適用于舌診客觀化研究。因此與最新的大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，建立一套符合中醫(yī)特色的的舌診參數(shù)量化模型和輔助診療模型是未來研究的重要內(nèi)容之一。

2.2.3 舌象參數(shù)的可量化、標(biāo)準(zhǔn)化研究 在當(dāng)前舌診客觀化的研究中，研究目標(biāo)大多集中在舌色、舌形、舌苔的分類上，屬于概括性的判別研究。因此需要結(jié)合臨床需求，建立舌象參數(shù)的數(shù)字化量化體系，實(shí)現(xiàn)舌象參數(shù)的可量化和標(biāo)準(zhǔn)化。

2.2.4 光譜曲線差異形成原因探討 通過提取舌象高光譜曲線特征可以發(fā)現(xiàn)，同一舌體不同位置、不同舌體同一位置、不同疾病同一位置的光譜曲線特征存在差異，因此需要從微觀化學(xué)等方向探討差異形成的機(jī)制和原因。

2.2.5 舌象與證候參數(shù)的循證關(guān)系研究 研究舌象與疾病證候的關(guān)系，對(duì)臨床疾病證候判斷指標(biāo)、臨床療效評(píng)價(jià)指標(biāo)的建立提供可靠的證據(jù)基礎(chǔ)。因此還需要進(jìn)行多中心、多病種、多人群的高光譜舌象分析，建立具有中醫(yī)特色的高光譜舌象數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

2.2.6 新型舌診儀器的研發(fā) 當(dāng)前舌診儀器大多基于普通相機(jī)，對(duì)周圍環(huán)境、光線、顯示設(shè)備有著較高的要求。因此，研究便攜式、不易受外界環(huán)境干擾、采集信息豐富、符合舌象采集特點(diǎn)的新型舌診儀器也是未來的研究方向。

3 總結(jié)

本文系統(tǒng)總結(jié)了當(dāng)前舌診客觀化研究現(xiàn)狀和存在的不足，指出利用高光譜圖像技術(shù)進(jìn)行舌診客觀化研究的價(jià)值和意義，并分析了當(dāng)前高光譜圖像技術(shù)進(jìn)行中醫(yī)舌診客觀化的研究現(xiàn)狀，分析了其中存在的問題，并提出新的研究方向和任務(wù)。