傅里葉描述子在AIDS 患者智能化舌診中的應(yīng)用

孔凡梅，劉璞，賴昌生

（1.右江民族醫(yī)學(xué)院康復(fù)醫(yī)學(xué)與理療專業(yè)，廣西 百色 533000；2.玉林市紅十字會醫(yī)院科教科，廣西 玉林 537099）

舌診是望診的重要組成部分，是中醫(yī)特色鮮明的診法之一，是指以舌質(zhì)和舌苔狀態(tài)來探究人體內(nèi)氣血陰陽運行、臟腑功能變化的診察方法。在臨床實踐中可根據(jù)舌象來了解人體的功能和病理變化，在據(jù)此進(jìn)行辨證施治。二千多年前《黃帝內(nèi)經(jīng)》就有“厥陰終者……甚則知卷，卵上縮而終矣”的記載，臨床實踐證明，在疾病的發(fā)生和發(fā)展過程中，舌象的變化迅速而靈敏，每一臟腑都與舌象之間存在密切的關(guān)系，臟腑的虛實、氣血的盛衰、津液的盈虧、病位的深淺、預(yù)后的好壞，都能客觀地從舌象中反映出來。但傳統(tǒng)中醫(yī)因受主客觀各種因素的制約，客觀化、定量化、標(biāo)準(zhǔn)化往往不足，已嚴(yán)重影響其在臨床的應(yīng)用和發(fā)展。傳統(tǒng)舌診中往往只能做出舌象種類的定性診斷，如“黃苔”“淡舌苔”“青紫舌”等，無法定量化舌象結(jié)果；此外，主觀上，不同醫(yī)生對舌象診斷存在明顯差異，如石強(qiáng)[1]通過13 名中醫(yī)師對40 例舌象照片進(jìn)行觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)13 名中醫(yī)診斷的舌色、舌質(zhì)、舌形存在明顯差異。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，中醫(yī)舌象客觀化研究取得了長足的進(jìn)展，并應(yīng)用于中醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)及臨床研究。舌象采集系統(tǒng)、舌象定量化研究、現(xiàn)代儀器應(yīng)用與舌象基礎(chǔ)研究等都取得了一定的成果，《中醫(yī)舌診研究與臨床應(yīng)用》對其發(fā)展進(jìn)行了很好的總結(jié)[2]。目前，舌診客觀化研究主要包含兩方面的內(nèi)容：舌圖像分割和舌圖像識別。前者包括舌體分割和苔質(zhì)分離；后者主要包括舌圖像顏色識別、形狀識別和紋理識別，它是舌圖像自動診斷識別體系中最關(guān)鍵的部分。相對其它兩種識別方法，形狀識別取得的進(jìn)展緩慢，成果不多[2]，是舌圖像智能識別的瓶頸所在，而傅里葉描述子在計算機(jī)形狀識別領(lǐng)域異軍突起，引起了各方的關(guān)注。通用傅里葉描述子方法在形狀識別方面的綜合效果要好于拉東柱狀圖方法、Hu 不變矩方法和多尺度積分不變量方法[3]。而艾滋病領(lǐng)域的智能舌診研究較少，為此，本研究主要就傅里葉描述子在艾滋病患者智能化舌診的應(yīng)用進(jìn)行探索，現(xiàn)報道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選取2020 年2 月-2022 年1 月玉林市紅十字會醫(yī)院艾滋病門診就診的48 例艾滋病患者，其中男34 例，女14 例；年齡19～68 歲，平均年齡（48.02±13.45）歲；有配偶37 例，未婚7 例，離異3例，喪偶1 例；文化程度：不詳2 例，小學(xué)17 例，初中15 例，高中8 例，中專1 例，大專3 例，本科2例；職業(yè)以農(nóng)民為主，31 例；感染途徑：全部為性傳播，其中異性傳播43 例，同性傳播4 例，不詳1 例。

1.2 納入與排除標(biāo)準(zhǔn) 納入標(biāo)準(zhǔn)：以廣西壯族自治區(qū)2001 年以來在抗病毒治療基礎(chǔ)上納入中醫(yī)藥治療項目的HIV 感染者為研究對象；經(jīng)玉林市疾病預(yù)防控制中心檢查確診為HIV/AIDS 的患者，診斷標(biāo)準(zhǔn)參照中國2021 年版《艾滋病診療指南》；年齡＞18歲。排除標(biāo)準(zhǔn)：參與中醫(yī)藥治療項目少于6 個月；不愿意配合研究者。

1.3 方法 舌圖像識別過程包括舌圖像分割、特征提取和分類識別3 個階段。拍攝條件：患者面朝設(shè)備光源，取坐位，令其將舌伸出口外，自然下伸，盡量張口使舌體充分暴露，然后使用數(shù)據(jù)相機(jī)（尼康S6900），在M 檔白平衡模式下采集舌象圖像，并對48 例彩色圖像進(jìn)行圖像分割和特征提取。

1.3.1 舌圖像的分割 本研究采用交互式的方式取得其舌體的輪廓，將艾滋病患者的舌圖像加載到Matlab 中，然后用沿著舌體圖像的嘴巴輪廓用鼠標(biāo)選擇取15～20 個點，用代碼精確獲取輪廓點的坐標(biāo)，將獲取的點存入x、y 集合中，當(dāng)點擊鼠標(biāo)右鍵時，取點停止，然后對輪廓線進(jìn)行插值，精準(zhǔn)還原嘴巴的輪廓，另外，用代碼將輪廓外的圖像的點清除，所有運算只對舌體內(nèi)的點進(jìn)行。

1.3.2 舌圖像特征提取 實驗選取圖像的形狀作為識別特征，顏色和紋理特征不在本次研究之列。特征提取的具體方法是用傅里葉描述子。其基本思想是用物體邊界信息的傅里葉變換作為形狀特征，將輪廓特征從空間域變換到頻域內(nèi)，提取頻域信息作為圖像的特征向量，即用一個向量代表一個輪廓，將輪廓數(shù)字化，從而能更好地區(qū)分不同的輪廓，進(jìn)而達(dá)到識別物體的目的。上述舌圖像分割所取得的圖像矩陣形成的形狀是一條封閉的曲線，沿邊界曲線用鼠標(biāo)提取的動點P（l）的坐標(biāo)變化x（l）+iy（l）是一個以形狀邊界周長為周期的函數(shù)，這個周期函數(shù)可以用傅里葉級數(shù)展開表示，傅里葉級數(shù)中的一系列系數(shù)z（k）是直接與邊界曲線的形狀有關(guān)的，這就是傅里葉描述子。用復(fù)數(shù)S（S=x+iy）表示每一個坐標(biāo)，對S進(jìn)行傅里葉變換，變換到頻域FD，求其13 個分量的傅里葉描述子數(shù)值（NFD），即有：

這13 個描述子可以對應(yīng)圖像的總體形狀，利用其頻域內(nèi)容各頻率分量能量和相位信息來比較不同輪廓的相似性。

1.3.3 艾滋病患者的辨證分型標(biāo)準(zhǔn) 中醫(yī)診斷標(biāo)準(zhǔn)確參照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《中醫(yī)臨床診療術(shù)語》（中國標(biāo)準(zhǔn)出版社出版），擬定為10 種實證和8 種虛證。但這些辨證分型眾多而復(fù)雜，在臨床上不易掌握，而本研究只有48 個病例，故將辨證分型歸結(jié)為虛實兩證，實證的癥候特點有：舌瘡、咽痛、瀉下暢利、脫發(fā)、消瘦、咳痰色黃、低熱、咳痰黏稠、胸悶、皮膚瘙癢、皮膚粗糙、丘疹、口干不欲飲、舌紅、苔黃、舌苔膩、口苦、脈數(shù)、脈滑等；虛證的癥候特點有：神疲乏力、苔膩、納呆食少、脈沉、惡寒、脈細(xì)、心慌心悸、苔黃、失眠多夢、胸悶、腰痛、消瘦、脫發(fā)、皮膚瘙癢、痞滿、活動氣喘、淋巴結(jié)腫大、脈數(shù)、稀便、咳痰色白、咳痰黏稠、心煩急躁、惡心、腰膝酸軟、自汗、頭暈、瀉下暢利、面色萎黃、視物模糊、皮膚粗糙、咽干、渴喜熱飲、盜汗、咽痛、口淡、頭脹痛、低熱、干咳、口干不欲飲、舌質(zhì)淡、舌胖大、脈沉細(xì)等，本組病例中，實癥患者共29 例，虛證患者共18 例。

1.3.4 圖像識別 本實驗樣本屬于小樣本數(shù)據(jù)，特征數(shù)據(jù)較多，共有13 個，最終的證型分類識別是二分類問題，即舌圖像只有兩種可能，即虛證和實證，故以患者的虛實證型作為分組字段（虛證取值為1，實證取值為0），以傅里葉描述子13 個參數(shù)作為測試變量，使用SPSS 23.0 統(tǒng)計學(xué)軟件進(jìn)行兩獨立樣本的非參數(shù)檢驗，以P＜0.05 為差異有統(tǒng)計學(xué)意義；然后以“是否為虛證”為因變量，傅里葉描述子13 個參數(shù)進(jìn)行Logistic 回歸，同樣以P＜0.05 為差異有統(tǒng)計學(xué)意義，利用傅里葉描述子參數(shù)建立中醫(yī)虛實兩證的預(yù)測方程。

2 結(jié)果

2.1 傅里葉描述子數(shù)據(jù) 通過Matlab 程序，最終得到48 例患者舌體輪廓的傅里葉描述子數(shù)據(jù)，其中F1～F13 為傅里葉描述的13 個參數(shù)，每行對應(yīng)1 位患者的傅里葉參數(shù)，見表1。

表1 傅里葉描述子數(shù)據(jù)

表1（續(xù)）

2.2 傅里葉描述子提取的舌形輪廓 以傅里葉描述子數(shù)據(jù)還原患者的舌形輪廓，選取其中1 例患者，謝某，男，60 歲，已婚，小學(xué)文化，艾滋病確診于2016年，CD4 為227 cell/μl，有發(fā)熱，腹瀉咳嗽等癥狀，脈數(shù)，舌紅，苔厚，其中醫(yī)辨證分型為無癥狀期的痰熱內(nèi)擾型，屬實證，用13 個傅里葉描述子參數(shù)還原舌形，與患者舌頭輪廓一致，見圖1。

圖1 傅里葉描述子描繪的舌體輪廓

2.3 虛實兩證型的13 個特征比較情況 以患者的虛實證型作為分組字段（虛證取值為1，實證取值為0），以傅里葉描述子13 個參數(shù)作為測試變量，行兩獨立樣本的非參數(shù)檢驗，結(jié)果表明，傅里葉描述子各參數(shù)與“是否虛證”變量密切相關(guān)，虛證與實證的各個傅里葉參數(shù)（F1～F13）比較，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），說明傅里葉描述子能很好地區(qū)分虛實兩證，見表2。

表2 虛實兩證型的13 個特征比較情況

2.4 Logistic 回歸結(jié)果 以“是否為虛證”為因變量，傅里葉描述子13 個參數(shù)（F1～F13）作為自變量，利用逐步回歸的方法做Logistic 回歸，得到模型 的-2 Log likelihood 值為39.18，Cox &Snell R Square 值為0.392，Nagelkerke R Square 值為0.532，模型尚可，得到Logistic 預(yù)測方程：

其中S 為概率值（S 介于0～1），F(xiàn)1～F13 為傅里葉描述子參數(shù)，入選方程的有F10、F11、F12、F13 4個參數(shù)。利用此預(yù)測方程進(jìn)行識別準(zhǔn)確率見表3，其中分類正確虛癥為24 例，實證為12 例，共36 例，即虛實兩證分類準(zhǔn)確者有36 例，分類的準(zhǔn)確率為76.60%（36/48）。

3 討論

3.1 傅里葉描述子對物體形狀具有較好的識別作用本研究用13 個傅里葉描述子參數(shù)，精準(zhǔn)地還原舌體的輪廓?；颊叩纳囿w輪廓千差萬別，以往的研究只能用圖像來表示，但本研究用精確的量化指標(biāo)（即13 個參數(shù)的具體值）來描繪，除了有較好的視覺效果外，還可以用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，這在以往的研究很難做到，運用這些數(shù)據(jù)，本研究成功的進(jìn)行了非參數(shù)統(tǒng)計和Logistic 回歸分析，使物體的外形描述成為中醫(yī)辨證分型的依據(jù)成為了可能。

3.2 傅里葉描述子對中醫(yī)辨證分型具有很好的區(qū)分作用 本研究顯示，13 個傅里葉描述子在中醫(yī)的虛實兩證上都具有良好的區(qū)分作用，提示虛實兩證的差異反映在每個傅里葉參數(shù)上，每個參數(shù)都能虛實兩證進(jìn)行區(qū)分。

3.3 利用傅里葉描述子可構(gòu)建虛實兩證的預(yù)測方程以傅里葉描述子13 個參數(shù)為自變量，以中醫(yī)證型為因變量，本研究成功構(gòu)建了艾滋病患者的虛實證型Logistic 回歸方程，通過該回歸方程可以預(yù)測患者的虛實證型，其預(yù)測的準(zhǔn)確為76.60%，由于模型比較簡單易行，因而具有較好的實用價值。

3.4 傅里葉描述子在舌診領(lǐng)域的應(yīng)用價值 舌診是中醫(yī)望診中的重要組成部分，也是中醫(yī)“辨證”的重要依據(jù)。傳統(tǒng)的臨床結(jié)果準(zhǔn)確與否和中醫(yī)醫(yī)生的臨床經(jīng)驗息息相關(guān)，致使舌診過于主觀化，缺乏客觀性。中醫(yī)舌診客觀化研究的目的是為了解決傳統(tǒng)舌診的模糊性、不確定性問題。在舌診客觀化方面，數(shù)學(xué)圖像處理技術(shù)占有獨特的優(yōu)勢。運用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)分析中醫(yī)的舌診規(guī)律，輔助臨床辨證來提高應(yīng)用價值已經(jīng)成為今后舌診客觀化的研究方向。近年來，圖像處理技術(shù)在中醫(yī)舌像取得了一些進(jìn)展。然而，這些舌診研究多是研究者基于舌圖像本身來實現(xiàn)舌圖像分割、特征提取或舌象識別，沒有依據(jù)舌圖像本身特征對臨床證型分類識別的研究，更沒有體現(xiàn)出“舌診是中醫(yī)辨證的主要依據(jù)之一”這一重要中醫(yī)思想，造成舌診客觀化研究成果應(yīng)用價值不高。本研究表明，每一個傅里葉描述子用13 個參數(shù)就描述了舌體的形狀，而且這些描述子與中醫(yī)的辨證分型密切相關(guān)，虛實兩種證型在每一個描述子上都有差異（P＜0.05），并且可以利用舌體圖像的傅里葉描述子構(gòu)建虛實兩證的預(yù)測方程，用比較簡單的Logistic 回歸方程作為分類器，預(yù)測準(zhǔn)確率達(dá)到76.60%，初步顯示了傅里葉描述子不但還原舌體的外形輪廓，更為重要的是，本研究將舌診與中醫(yī)辨證論治聯(lián)系起來，通過構(gòu)建預(yù)測方程實現(xiàn)了中醫(yī)虛實兩證的分類預(yù)測。至于目前精度不是很高的原因，一方面與研究納入的病例數(shù)不足有關(guān)，本次僅納入48 例患者，相信隨著病例的增加，其預(yù)測準(zhǔn)確度還會提升；另一方面是所采用的分類器只是簡單的經(jīng)過對數(shù)化處理的線性模型，如果采用的是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）、支持向量機(jī)（SVM）或隨機(jī)森林（RF）、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）或圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GNN）等數(shù)據(jù)挖掘或人工智能的非線性模型，其預(yù)測精度還會進(jìn)一步提高。這些都說明傅里葉描述子在智能化舌診領(lǐng)域有其獨特的價值和發(fā)展前景。

傅里葉描述子是描述物體形狀特征的有力工具，而形狀識別是智能舌診中最為薄弱的環(huán)節(jié)。有關(guān)形狀分析和表示的計算機(jī)方法主要有以下4 類：①基于輪廓點的空間關(guān)系的方法，以形狀上下文法最具代表性意義；②基于多角度的形狀描述法，具體方法是平面曲線中存的凹凸點作為參照，達(dá)到形狀描述的目的；③基于變換域的描述形式，主要包括傅里葉變換以及小波變換；④以輪廓區(qū)域的方法為基礎(chǔ)，包括多種方法，如凸包、骨架等。在這4 種方法之中，傅里葉描述子具有屬于第3 種類型，即變換域的方法，這種方法近年得到廣泛的應(yīng)用。如李東等[4]采用傅里葉描述子和支持向量機(jī)提出一種新型的服裝款式的識別方法。王福斌等[5]用傅里葉描述子重建飛秒激光光斑輪廓。高小康[6]把傅里葉描述子用于人物背面步態(tài)的識別。郇戰(zhàn)等[7]利用傅里葉描述子表示軌跡曲線的全局輪廓特征，方向角描述子表示軌跡曲線的局部特征，二者結(jié)合成一個聯(lián)合軌跡曲線特征向量，這樣的軌跡曲線特征能夠有效地用于步態(tài)身份識別。劉電霆等[8]基于傅里葉描述子，提出了手勢軌跡模板匹配方法。高澤等[9]基于傅里葉描述子發(fā)展了圖像檢索技術(shù)。陳斌等[10]基于傅里葉描述子和Hu 不變矩發(fā)展了油茶果識別的新技術(shù)。王鵬等[11]針對不規(guī)則果形梨，基于傅里葉描述子和共振頻率構(gòu)建了硬度評估指標(biāo)。謝澤奇等[12]基于傅里葉描述子和加權(quán)稀疏表示提出了軍事圖像分類新方法。付強(qiáng)等[13]應(yīng)用傅里葉描述子識別理論，提出了基于紅外圖像的絕緣子串鋼帽和盤面區(qū)域自動提取方法。張玉明等[14]發(fā)展了基于矩－傅里葉描述子的不同姿態(tài)三維人臉識別新技術(shù)。邸馨瑤等[15]提出了基于優(yōu)選傅里葉描述子的粘連條銹病孢子圖像分割方法。曾凌峰[16]運用傅里葉描述子等多種特征提取方法，設(shè)計了基于樹莓派的人體跌倒監(jiān)測系統(tǒng)。唐旭[17]采用傅里葉描述子等多種特征描述方法，設(shè)計了基于機(jī)器視覺的雙臂機(jī)器人智能分揀系統(tǒng)。這些研究均取得了不錯的成效，但在此之前沒有在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用。在本研究中，傅里葉描述子具有出色的表現(xiàn)，用13 個參數(shù)就可以把舌體的輪廓描繪出來，并且對于中醫(yī)辨證分型具有很好的區(qū)分和識別能力，和分類器結(jié)合起來，能將各種證型很好地區(qū)分開來，解決了智能舌診中形狀識別方法不多且應(yīng)用復(fù)雜的問題，同時也為有更多的計算機(jī)形狀識別方法進(jìn)入醫(yī)學(xué)和中醫(yī)舌診領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。

本研究取得了初步的成績，同時也展示了較好的研究前景，后期將繼續(xù)沿以下方向努力：①繼續(xù)完善艾滋病其它中醫(yī)證型的舌圖像研究。本研究運用傅里葉描述子與虛實兩種證型舌圖像識別技術(shù)進(jìn)行了研究，說明舌圖像識別技術(shù)識別中醫(yī)證型的方案可行，這為后續(xù)其他證型（或更細(xì)的中醫(yī)辨證分型）的識別奠定研究基礎(chǔ)。今后可繼續(xù)沿用此研究思路，對艾滋病其他證型的舌圖像識別進(jìn)行探討，逐步完善艾滋病多種證型的舌圖像識別，實現(xiàn)艾滋病數(shù)字化舌診技術(shù)；②進(jìn)一步挖掘舌診與中醫(yī)辨證的關(guān)系，建立各種舌象與中醫(yī)診斷的關(guān)系模型。智能舌診的圖像處理、特征提取研究的目的是為了提高準(zhǔn)確率，使其更好的服務(wù)臨床診斷，本研究將繼續(xù)為中醫(yī)舌診的形態(tài)學(xué)鑒別診斷提供新的技術(shù)手段，對于腫大舌、瘦薄舌、齒痕舌、裂紋舌及其所隱含著的中醫(yī)證候信息提供全新的研究方法。

綜上所述，傅里葉描述子不但可以描述舌體的輪廓，而且還與中醫(yī)辨證分型密切相關(guān)，具有較好的研究前景。