便攜式中醫(yī)目診設(shè)備的設(shè)計(jì)

劉延勇，駱學(xué)榮，侯建偉，朱 婷，張家亮，王文君，李 航，王 東

（博奧生物集團(tuán)有限公司健康技術(shù)研究院，北京 102206）

0 引言

目診是通過(guò)觀察眼睛的神、色、形態(tài)等特征信息，判斷病位、病性和病因以及預(yù)后的一種方法，是傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的重要組成部分[1-2]。目診在壯醫(yī)[3]和瑤醫(yī)等[4]民族醫(yī)學(xué)的臨床診斷中也廣泛應(yīng)用。望目診病常會(huì)涉及到白睛、黑睛、眼瞼、眼眥等部位，其中以白睛應(yīng)用最多[5]。傳統(tǒng)的中醫(yī)目診通過(guò)肉眼觀察來(lái)判斷人體健康狀況，這種觀察與判斷是建立在醫(yī)生醫(yī)療實(shí)踐的積累之上的，易受個(gè)人主觀因素、環(huán)境因素等影響，也給中醫(yī)目診的臨床應(yīng)用、教學(xué)、科研帶來(lái)了諸多不便[6]。近年來(lái)，隨著科技的進(jìn)步，中醫(yī)目診的客觀化和智能化進(jìn)一步發(fā)展。2016 年，黃國(guó)亮等[7]研發(fā)了眼象健康成像儀。該儀器基于傳統(tǒng)中醫(yī)目診理論，結(jié)合人工智能、無(wú)影成像、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，通過(guò)拍攝白睛照片可以辨識(shí)體質(zhì)傾向和中醫(yī)證候。但是該儀器體積較大，需要配備專用計(jì)算機(jī)和相機(jī)來(lái)獲取和處理數(shù)據(jù)，且價(jià)格昂貴，不適合基層社區(qū)醫(yī)療機(jī)構(gòu)和家庭使用。因此，在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，本研究設(shè)計(jì)一款高度集成、簡(jiǎn)便易用的便攜式中醫(yī)目診設(shè)備，通過(guò)構(gòu)建穩(wěn)定統(tǒng)一的光源環(huán)境，利用高性能攝像頭模組，自助式獲取白睛圖像，并進(jìn)行后期分析診斷，特別適合在家庭、基層社區(qū)醫(yī)療機(jī)構(gòu)等場(chǎng)景中應(yīng)用。

1 具體設(shè)計(jì)

本研究以中醫(yī)目診理論為基礎(chǔ)研發(fā)便攜式中醫(yī)目診設(shè)備。該設(shè)備主要由硬件系統(tǒng)（電氣系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)組件）和軟件程序（設(shè)備端App 軟件和移動(dòng)終端App 軟件）組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。該設(shè)備通過(guò)攝像頭模組拍攝高分辨力的眼睛圖像，然后將壓縮后的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)Wi-Fi 傳輸至移動(dòng)終端（平板計(jì)算機(jī)、手機(jī)等）。移動(dòng)終端實(shí)時(shí)獲取、顯示和存儲(chǔ)眼睛圖像，并可通過(guò)語(yǔ)音提示或者按鍵操控等方法控制目診拍照流程。最后，移動(dòng)終端將對(duì)眼像圖像進(jìn)行分析與處理，進(jìn)而獲得受試者的健康信息。

圖1 便攜式中醫(yī)目診設(shè)備結(jié)構(gòu)框圖

1.1 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣系統(tǒng)主要由主控模組、攝像頭模組、光源控制模組、電源模組和Wi-Fi 通信模組5 個(gè)部分組成。主控模組采用Rockchip RK3399 六核64 bit（A72×2+A53×4）處理器。該處理器主頻高達(dá)1.8 GHz，某集成四核Mali-T860 圖形處理器（graphic processing unit，GPU），具有強(qiáng)大的硬件編解碼能力，且內(nèi)置雙硬件圖像信號(hào)處理（image signal processing，ISP）單元。處理器外接2 GiB LPDDR4 內(nèi)存、16 GiB 高速eMMC5.1 存儲(chǔ)器以及RK818 電源管理芯片等。主控模組可以實(shí)現(xiàn)接口控制、充放電管理、按鍵處理、Wi-Fi 通信以及設(shè)備端程序運(yùn)行等功能。攝像頭模組由OV13850感光芯片和舜宇3907D-400 鏡頭組成，可以提供高達(dá)1 200 萬(wàn)像素的圖像分辨力。攝像頭模組通過(guò)移動(dòng)工業(yè)處理器接口-攝像頭串行接口（mobile industry processor interface-camera serial interface，MIPI-CSI）與主控芯片連接，可實(shí)現(xiàn)拍照、預(yù)覽等功能。Wi-Fi 通信模組采用雙頻柔性電路板（flexible printed circuit，F(xiàn)PC）天線。電源模組采用12850 鋰電池組，可提供3 000 mAh 電量，并通過(guò)Type C 接口充電。

光源控制模組為課題組自研，其基于恒流源架構(gòu)設(shè)計(jì)，色溫和亮度可調(diào)，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)光源環(huán)境參數(shù)，從而獲得最優(yōu)的圖像信息。光源控制模組電路如圖2 所示。其中VIN1 通過(guò)運(yùn)算放大器U1B、Q2 和R1 控制LED D1、D2 的總電流，即光環(huán)境的亮度參數(shù)。VIN2 通過(guò)運(yùn)算放大器U1C、Q1 和R2 控制D2 的電流，即在總電流不變的情況下，調(diào)節(jié)D1、D2 的電流分配比例。如果D1 和D2 選擇不同色溫的燈珠，就可以通過(guò)改變VIN2 的電壓，調(diào)節(jié)光環(huán)境的色溫。而通過(guò)分別改變VIN1 和VIN2 兩路信號(hào)的電壓水平，就可以分別調(diào)節(jié)光源的亮度和色溫2 個(gè)參數(shù)，并且在調(diào)節(jié)過(guò)程中兩者之間互不影響。本設(shè)計(jì)中，D1 和D2 分別選取色溫為4 600 K 和5 800 K 的高性能LED 燈珠。該設(shè)備共有4 組LED 光源，分布在上、下、左、右4 個(gè)方向。

圖2 光源控制模組電路圖

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)組件設(shè)計(jì)

便攜式中醫(yī)目診設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)組件由硅膠眼罩、圖像采集模塊、勻光照明模塊、開關(guān)按鍵等組成。其結(jié)構(gòu)與實(shí)物圖如圖3 所示。

圖3 便攜式中醫(yī)目診設(shè)備結(jié)構(gòu)與實(shí)物圖

硅膠眼罩提供人眼檢測(cè)窗口，符合人體工程學(xué)設(shè)計(jì)，可適配人體眼部生理結(jié)構(gòu)。拍攝時(shí)，上部眼罩輔助翻開上眼皮，手指通過(guò)手指避讓孔翻開下眼皮，露出白睛部分，實(shí)現(xiàn)自助式白睛成像，操作示意圖如圖4 所示。圖像采集模塊由固定攝像頭模組的結(jié)構(gòu)件和近攝鏡頭組成，以眼睛為在體成像檢測(cè)對(duì)象，根據(jù)瞳孔的位置變化拍攝不同角度的眼睛圖像。勻光照明模塊由固定光源控制模組的結(jié)構(gòu)件和勻光罩組成。4 組LED 光源通過(guò)有機(jī)玻璃材質(zhì)的筒狀勻光罩實(shí)現(xiàn)均勻布光。同時(shí)，勻光罩和硅膠眼罩可以有效地遮蔽外部光線，減少拍攝時(shí)的外部光環(huán)境干擾。開關(guān)按鍵實(shí)現(xiàn)設(shè)備開關(guān)機(jī)、拍照和系統(tǒng)喚醒等控制功能。

圖4 操作示意圖

1.3 軟件程序設(shè)計(jì)

設(shè)備端App 軟件和移動(dòng)終端App 軟件2 個(gè)部分基于Android Studio開發(fā)。其中設(shè)備端App軟件包括開關(guān)機(jī)控制、電量檢測(cè)、按鍵拍照、攝像頭圖像預(yù)覽與拍照、圖像數(shù)據(jù)壓縮編碼、數(shù)據(jù)Wi-Fi 上傳、光源調(diào)節(jié)等功能模塊。移動(dòng)終端App 軟件主要包括Wi-Fi 通信、圖像解壓、信息錄入、圖像顯示與存儲(chǔ)、圖像數(shù)據(jù)分析與處理、語(yǔ)音提示、流程控制、結(jié)果分析與報(bào)告等功能模塊，界面如圖5 所示。

圖5 移動(dòng)終端App 軟件界面

拍照流程如圖6 所示，需要設(shè)備端App 軟件和移動(dòng)終端App 軟件配合實(shí)現(xiàn)。移動(dòng)終端與設(shè)備端連接后，受試者根據(jù)系統(tǒng)語(yǔ)音提示，扒開上下眼皮，依次進(jìn)行左視、右視、上視、下視和正視拍攝視角的圖像采集，直至雙眼拍攝完成。移動(dòng)終端通過(guò)人工智能模型給出圖像類別（左視、右視、上視、下視和正視5 類）和分割結(jié)果（黑睛、白睛和背景3 個(gè)部分），然后計(jì)算分割區(qū)域參數(shù)和白睛區(qū)域清晰度，并判斷感興趣區(qū)域（即關(guān)注到的黑睛和白睛區(qū)域）是否合格以及拍攝類別與識(shí)別類別是否一致。移動(dòng)終端App軟件會(huì)根據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算出的結(jié)果給出不同的語(yǔ)音提示，幫助受試者調(diào)整姿勢(shì)或視角等。

圖6 便攜式中醫(yī)目診設(shè)備拍照流程圖

2 性能測(cè)試

現(xiàn)階段沒有目診類設(shè)備的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，因此，本研究參考與目診類似且較為成熟的舌診診斷設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)要求[8]（YY/T 1488—2016《舌象信息采集設(shè)備》）進(jìn)行設(shè)備部分參數(shù)（色溫、照度、顯色指數(shù)、分辨力以及色彩還原度等）檢測(cè)。

本研究采用MK350N PLUS UPRtek 手持式光譜儀分別測(cè)量4 組LED 光源的光學(xué)參數(shù)，光源亮度設(shè)定為240 lx，光源色溫設(shè)定為5 200 K。為保證測(cè)量的一致性，光譜儀測(cè)試窗口位于拍攝面中心位置。測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

表1 光源性能參數(shù)

本研究采用分辨力測(cè)試卡檢測(cè)圖像采集模塊的圖像分辨力。通過(guò)分析獲得的圖像，分辨力可以達(dá)到20 lp/mm，如圖7 所示。

圖7 分辨力測(cè)試結(jié)果

本研究選用X-Rite 24 色色卡進(jìn)行設(shè)備顏色還原度測(cè)試。由于成像窗口較小，本研究將24 色分為4 組，制作了測(cè)試工裝，如圖8 所示。采用該設(shè)備為4組測(cè)試工裝拍照，然后測(cè)定每個(gè)色塊的RGB 值，并轉(zhuǎn)換到Lab 色空間，按以下公式計(jì)算每個(gè)色塊的Lab色差，結(jié)果見表2。

表2 色塊LAB 測(cè)量值以及與標(biāo)準(zhǔn)值的色差

圖8 24 色色卡測(cè)試工裝

式中，ΔE*ab為色塊的色差；ΔL*為色塊的明度指數(shù)L*測(cè)得值與標(biāo)準(zhǔn)值的差；Δa*為色塊的色品指數(shù)a*測(cè)得值與標(biāo)準(zhǔn)值的差；Δb*為色塊的色品指數(shù)b*測(cè)得值與標(biāo)準(zhǔn)值的差。

將測(cè)試結(jié)果與YY/T 1488—2016 進(jìn)行對(duì)比。在光源參數(shù)方面，設(shè)備光源的色溫、照度等參數(shù)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。光源的顯色指數(shù)＞95，遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)中“顯色指數(shù)大于85”的規(guī)定。在設(shè)備的成像質(zhì)量方面，測(cè)試了分辨力和色彩還原度2 個(gè)參數(shù)。設(shè)備的圖像分辨力為20 lp/mm，遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)要求的“不小于5 lp/mm”。共拍攝24 色色卡，各顏色的Lab 色空間的色差最大為16.1，滿足“Δ不得超過(guò)20”的要求。

3 討論

傳統(tǒng)中醫(yī)的診斷結(jié)果既受醫(yī)生的臨床經(jīng)驗(yàn)、診斷水平以及思維能力等主觀因素的影響，也受光線、溫度等外界環(huán)境因素的影響。所以，診斷結(jié)果往往主觀性強(qiáng)、缺乏客觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，辨證的精確性和重復(fù)性較差[9-11]。目診作為中醫(yī)望診的重要組成部分，也面臨數(shù)據(jù)采集不方便、圖像信息不準(zhǔn)確以及智能化水平低等問(wèn)題。本公司前期研制的MyEyeD-10 中醫(yī)目診儀配備專業(yè)級(jí)的單反照相機(jī)、高質(zhì)量光學(xué)鏡頭以及高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等精密設(shè)備來(lái)獲取高質(zhì)量的白睛眼像信息，設(shè)備成本高、體積大，不易推廣到基層社區(qū)醫(yī)療機(jī)構(gòu)和家庭。為此，本研究設(shè)計(jì)了一款便攜式中醫(yī)目診設(shè)備。該設(shè)備通過(guò)基于ARM（advanced RISC machine）架構(gòu)的電氣系統(tǒng)和精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)，在移動(dòng)終端的配合下，使用定制的攝像頭模組實(shí)現(xiàn)自助拍攝白睛圖像，設(shè)備成本低、輕便小巧、簡(jiǎn)單易用。

白睛成像質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到最終診斷結(jié)果，而影響成像質(zhì)量的因素主要有攝像模組的性能和光源環(huán)境。因此，本研究設(shè)計(jì)了可調(diào)色溫和亮度的恒流源架構(gòu)的光源控制模組。固定該模組的結(jié)構(gòu)件與勻光罩組成勻光照明模塊，可在成像區(qū)域形成穩(wěn)定的光源環(huán)境。同時(shí)，本研究選用高性能攝像頭模組（1200 萬(wàn)像素、圖像畸變<1%）獲取最優(yōu)的成像效果。參考中國(guó)醫(yī)藥行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn)YY/T 1488—2016 的相關(guān)要求，本研究測(cè)量了設(shè)備的光源色溫、照度、顯色指數(shù)以及圖像獲取模塊的成像分辨力、色彩還原度等參數(shù)，各指標(biāo)均達(dá)到了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

本研究為中醫(yī)目診的客觀化、智能化研究奠定了基礎(chǔ)。在接下來(lái)的工作中，本研究將進(jìn)行算法設(shè)計(jì)[6，12]，實(shí)現(xiàn)各種眼象特征信息的自動(dòng)分類識(shí)別，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建智能、準(zhǔn)確的專家診斷系統(tǒng)[13]，通過(guò)臨床大量數(shù)據(jù)的訓(xùn)練，最終獲取最優(yōu)參數(shù)的中醫(yī)目診智能診斷方案。