引用本文
刘明, 赵静, 吴太夏, 张立福, 汤宏颖, 陆小左, 李刚. 双波长比值光谱差异度指数用于人体舌苔舌质分离[J]. 光谱学与光谱分析, 2018,38(6): 1798-1803.
LIU Ming, ZHAO Jing, WU Tai-xia, ZHANG Li-fu, TANG Hong-ying, LU Xiao-zuo, LI Gang. Separation of Tongue Coat and Tongue Proper Based on Optical Spectrum Dissimilarity Index Using Double-Wavelength Ratio[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2018,38(6): 1798-1803.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2018)06-1798-06  
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双波长比值光谱差异度指数用于人体舌苔舌质分离
刘明1, 赵静2,*, 吴太夏4, 张立福4, 汤宏颖5, 陆小左2, 李刚3
1. 中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所, 天津 300192
2. 天津中医药大学中医药工程学院, 天津 300193
3. 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
4. 中国科学院遥感与数字地球研究所, 北京 100101
5. 昆明理工大学信息工程与自动化学院, 云南 昆明 650504

作者简介: 刘 明, 1981年生, 中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所助理研究员 e-mail: liuming_tju@163.com

收稿日期: 2016-11-15
基金: 协和青年科研基金项目(3332016103), 国家自然科学基金项目(81202643, 81774148), 云南省教育厅科学研究基金项目(2015Z045)资助
摘要

舌苔舌质信息定量描述作为中医舌诊的重要内容, 直接影响到中医临床舌诊的准确性。 基于生物医学光子学理论, 利用高光谱技术, 提出一种基于双波长比值光谱差异度指数进行人体舌质舌苔分离的光谱分析新方法。 首先采集被测对象371.200~992.956 nm之间共343个波长的舌体高光谱信息, 随机选取15位被测对象进行光谱特征分析。 绘制15位被测对象舌质舌苔全波段光谱曲线并进行比较, 通过观察发现, 舌质舌苔反射光特征差异与血红蛋白在该波段的光学特征变化相吻合, 在500~750 nm之间, 水对光的吸收很少, 而舌体表面布满血管, 光的吸收主要受到血红蛋白的影响, 基于舌质舌苔在573和700 nm两波段光谱吸收差异, 计算双波长比值, 提取舌质舌苔光谱特征差异度指数, 根据个体差异, 分别提取不同被测对象舌质舌苔光谱特征差异指标, 进行舌质舌苔区域分离, 实验结果发现, 对同一被测对象舌体苔质提取光谱差异度指数SDI, 舌苔舌质光谱差异度指数存在一定差异性, 由于个体的不同, 具有各自明显的舌质、 舌体差异度指数分割线, 实验结果表明, 运用双波长比值光谱差异度指数的光学表达形式能够用于舌质舌苔分离, 同时该方法也能够为进一步中医临床舌诊提供客观依据。

关键词: 双波长比值; 光谱差异度指数; 舌苔; 舌质; 分离
中图分类号:O433.4 文献标志码:A
Separation of Tongue Coat and Tongue Proper Based on Optical Spectrum Dissimilarity Index Using Double-Wavelength Ratio
LIU Ming1, ZHAO Jing2,*, WU Tai-xia4, ZHANG Li-fu4, TANG Hong-ying5, LU Xiao-zuo2, LI Gang3
1. Institute of Biomedical Engineering, Chinese Academy of Medical Sciences and Peking Union Medical College, Tianjin 300192, China
2. Institute of Chinese Medicine, Tianjin University of Traditional Chinese Medicine, Tianjin 300193, China
3. State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments, Tianjin University, Tianjin 300072, China
4. Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China
5. Faculty of Information Engineering and Automation, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650504, China
Abstract

Quantitative description of the tongue proper and tongue coat isperceivedas the important content for tongue diagnosis in traditional Chinese medicine, which directly affects the accuracy of clinical diagnosis. A new method fortongue proper and tongue coat separationusing spectrum dissimilarity index (SDI) by double-wavelength ratio is presented, which isbased on hyper spectroscopy and theory of biomedical photonics. The 343 wavelengths of hyperspectral tongue information of subjects is obtained in the range of 371.200 to 992.956 nm. Moreover, the hyperspectral data of 15 subjects is selected randomly for spectral characteristics analysis. By comparison with the spectral curve of the wavelength range, it can be seen that optical spectrum characteristic dissimilarity between tongue proper and tongue coat is resemble the optical characteristic of hemoglobin, since the surface of the tongue is full of blood vessels and the absorption of water is small in the range of 500 to 750 nm. In addition, double wavelength optic reflection ratio is used to extract optical spectrum characteristic dissimilarity index of tongue proper and tongue coat based on spectral absorption features of hemoglobin atthe wavelength of 573 and 700 nm, finally tongue proper and tongue coat is separated. It is can be seen that the SDI with tongue proper and tongue coat of one subject is a certain difference and has the obvious difference index line between tongue proper and tongue coat. The experiment results show that spectrum dissimilarity indexis very helpful for tongue coat and tongue proper separation in traditional Chinese medicine, and this new analysis approach may providean objective standard for TCM tongue diagnosis.

Keyword: Double wavelength ratio; Spectrum dissimilarity index; Tongue coat; Tongue proper; Separation
引 言

中医遵循望闻问切四诊合参的整体观, 从而进行辨证施治。 舌诊是中医望诊的重要组成部分, 早在元代《敖氏伤寒金镜录》一书中就以图文并茂的形式对中医舌诊做了最早的系统叙述。 舌质舌苔信息的获取在中医舌诊中具有重要意义。 传统中医医师主要通过肉眼观察来做出舌部信息判断, 然而人通过视觉感知对颜色等信息做出的判断受到医师经验以及视神经灵敏度等的影响[1, 2], 因此, 通过肉眼观察判断带有很大的主观性, 这也是一直以来中医舌诊没有明确的客观指标用于舌象信息判定的原因。 随着科学技术的发展, 研究者展开了对舌诊客观化的研究。 这些研究主要基于数码相机拍照和图像处理技术来进行舌象信息采集与分析[3, 4], 然而在舌象信息的判定方面, 由于采用RGB颜色空间来对舌体信息进行描述, 信息量不足, 目前还没有明确的客观判定指标, 因此也限制了舌诊客观化的研究。

高光谱成像可以同时获得被测对象的二维图像信息和一维光谱信息[5], 相较于传统RGB三基色图像, 在信息量方面具有突出的优势, 随着高光谱技术的发展, 高光谱成像已经成为一种新兴的医学成像方式, 在疾病诊断[6, 7]和疾病治疗[8, 9]方面得到越来越广泛的应用。

本研究将高光谱成像用于中医舌诊客观化研究, 获取被测对象舌质舌苔高光谱信息, 基于生物医学光子学理论, 利用双波长反射光比值提取光谱差异度指数, 用光学表达形式来定量描述舌质舌苔信息, 为中医舌诊定量化做出新的尝试, 也为中医舌诊客观化的研究提供一种新的途径。

1 实验部分
1.1 设备

实验用高光谱采集装置如图1所示。 高光谱采集系统基于摆镜装置实现对整体被测对象的高光谱信息获取。

图1 高光谱采集装置
(a): 高光谱采集装置实物图; (b): 高光谱采集装置框图Fig.1 Hyper spectroscopy instrument
(a): Photo of hyperspectral instrument; (b): Diagram of hyperspectral instrument

1.2 数据来源

被测对象数据来源于天津武清泉达医院和天津市人民医院, 被测对象为年龄介于20岁到65岁之间的体检人员, 基于《中医诊断学》中医舌诊观察体位描述, 对被测对象进行伸舌训练, 采集被测对象高光谱数据信息, 光谱波段介于371.200~992.956 nm之间, 343个波长。

1.3 数据处理

首先对获取的被测对象高光谱图像信息进行预处理, 获取被测对象舌体舌质舌苔光谱信息, 基于舌质舌苔在573和700 nm波长上的差异比, 计算舌质舌苔光谱差异度指数, 从而实现被测对象舌质、 舌苔的分离。

2 结果与讨论

采集被测对象舌体高光谱数据信息, 随机选取15位被测对象进行光谱特征分析。 图2为15位被测对象舌质、 舌苔光谱曲线图。

图2 15位被测对象舌质舌苔光谱曲线Fig.2 Tongue proper and tongue coat optical spectra of 15 samples

舌质舌苔信息描述是中医舌诊的重要参考指标, 对舌质舌苔信息的客观化描述也是中医舌诊客观化研究的重要内容之一。

水和血红蛋白为组织体从可见到近红外波段范围内光的主要吸收物质, 在500~750 nm之间, 水对光的吸收很少[10], 而舌体表面布满血管, 光的吸收主要受到血红蛋白Hb的影响, 血红蛋白Hb在500~750 nm之间的吸收光谱曲线如图3所示。

图3 血红蛋白吸收光谱曲线Fig.3 Absorption spectra of hemoglobin

在组织体生理窗口“ 650~900 nm” , 血红蛋白Hb在573 nm左右有一个明显的吸收峰, 而在700 nm对光的吸收较弱, 由图2中15位被测对象舌质舌苔光谱曲线进行观察发现, 舌质舌苔反射光信息与血红蛋白光学特征相吻合, 因此利用血红蛋白Hb在573和700 nm两波段光谱吸收差异, 提取光谱特征指标, 使得利用光谱特征指标进行舌质舌苔客观描述成为可能。

利用舌质舌苔反射光谱在573和700 nm两波段的光谱差异特征, 定义光谱差异度指数(spectrum dissimilarity index, SDI)。 光谱差异度指数定义如式(1)所示。

SDI=X700-X573X700+X573(1)

其中, X700为在700 nm波长处舌体被测位置反射光强度; X573为在573 nm波长处舌体被测位置反射光强度。

随机选取4位被测对象, 对每位被测对象随机提取舌体表面舌质与舌苔各12个测试点光谱, 并计算各测试点光谱差异度指数, 如图4所示。

图4 4位被测对象舌体表面舌质与舌苔各12个测试点的光谱差异度指数比较Fig.4 Optical spectrum characteristic dissimilarity index comparison between tongue proper and tongue coat of 4 samples

由图4观察可见, 被测对象1~4舌质舌苔光谱差异度指数SDI分别为0.64, 0.63, 0.62, 0.58, 依据该指数分别对4位被测对象舌体表面舌质、 舌苔进行分离, 如图5所示。 同时利用天津市天中依脉科技开发有限公司开发的中医舌象辅助诊断系统对4位被测对象舌体进行舌质舌苔分离, 并将分离结果与本研究计算结果进行比较, 比较结果图表1所示。

图5 对4位被测对象舌体表面舌质、 舌苔进行分离Fig.5 Tongue coat and tongue proper separation of four samples

表1 4位被测对象舌苔所占舌面面积比 Table 1 Four samples’ tongue coat area proportion

由图4可见, 运用公式(1), 对同一被测对象舌体表面舌质、 舌苔提取光谱差异度指数SDI, 舌苔舌质光谱差异度指数存在一定差异性, 且基于个体的不同, 具有各自明显的舌质、 舌体差异度指数分割线, 这也说明, 通过对被测对象提取光谱差异度指数SDI, 就可以进一步实现整个舌体的舌质、 舌苔分离。

利用双波长比值光谱差异度指数对4位被测对象整个舌体表面光谱信息进行数据处理, 根据图4获取的舌质舌苔光谱差异度指数SDI, 对被测对象1~4舌质舌苔进行分离, 实验结果如图5和表1所示。 将4位被测对象舌体图像以及利用双波长比值光谱差异度指数SDI进行分离的结果与利用中医舌象辅助诊断系统进行的舌苔舌质分离的实验结果对比发现, 两种方法的处理结果无显著性差异, 因此基于双波长反射光比值法进行舌质舌苔分离得到了较好的实验结果。

由实验结果可见, 双波长比值光谱差异度指数用于人体舌质舌苔分离具有一定的可行性, 在本指数的基础上, 研究一种基于个体差异的自适应指数指标提取方法从而提高舌质舌苔分离精度是下一步工作的重点。

3 结 论

对采集的被测对象舌体高光谱数据进行分析, 基于生物医学光子学理论, 在组织体光学窗口“ 600~900 nm” 波段, 舌质舌苔反射光特征与血红蛋白在573 nm波段的光谱的强吸收特征以及700 nm对光的吸收很少的特征相吻合, 舌质舌苔在573 nm波段具有反射谷, 700 nm处具有反射峰的特征, 两波段光谱差异能够敏感的反映被测对象舌质与舌苔的客观特征, 基于此, 提出双波长比值光谱差异度指数SDI用于舌质舌苔分离, 实验结果表明, 该指数用于中医舌诊舌质舌苔分离具有一定的可行性, 同时也为中医舌诊临床舌质舌苔信息客观定量描述提供一种新的途径。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
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