CN112790738A - 基于偏振光的中医舌苔润燥信息分析装置及方法 - Google Patents
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Abstract
基于偏振光的中医舌苔润燥信息分析装置及方法属于中医望诊的客观化研究领域。在固定的光照条件下，得到短时间内有无偏振片情况下拍摄的两组图像。基于两组图像的差异，得到偏振片滤除的反光亮斑区域，该区域的像素数作为舌苔润燥的量化参考。对舌苔润燥这一舌象特征，主要依据舌面图像上的水分亮斑来进行量化分析，舌苔比较润时亮斑面积大，舌苔干燥时亮斑面积几乎为零。但是，由于舌表面白苔的图像数据与水分亮斑的数据非常接近，影响了分析的准确度。本方法基于水分反光的偏振特性，提出采用偏振片消除水分反光，从而在获得包含水分反光图像和不包含水分反光图像两组图像后，确定水分反光的像素范围，实现了更为准确的舌苔润燥量化分析。
Description
技术领域
本发明属于中医望诊的客观化研究领域，特别涉及中医望诊中舌苔润燥量化领域，用于实现舌苔润燥量化与分级，为医生提供量化数据参考。
背景技术
中医舌诊是通过观察舌象变化了解人体生理功能和病理变化的诊察方法，在中医临床诊断中起着重要的作用。传统的舌诊方法依赖于中医的目视观察及语言描述，缺乏量化描述指标和客观记录手段，给中医舌诊传承及推广带来了困难。随着现代科学技术手段在中医舌诊方面的发展，舌诊客观化、标准化的研究已经成为中医舌诊重要的发展方向。
在舌色客观化的处理研究中，普遍应用数字图像处理和分析技术。而其中对于舌苔润燥，即舌苔表面水分多少的分析，主要基于舌表面图像的高亮部分像素的统计分析。但是，由于舌表面白苔的影响，高亮部分像素除了舌苔表面水分形成的亮斑外，往往包含同样具有高亮度的白苔部分，使得统计结果不准确。有效去除舌表面白苔对舌苔润燥分析的影响，实现舌苔表面水分亮斑的提取与分析，对舌苔润燥更为准确的量化分析具有客观必要性。
发明内容
中医理论中，舌苔润燥是描述舌苔表面水分多少的一个舌象特征指标，与其他舌象特征一起反映身体的证候及体质。在基于数字图像的中医舌象信息采集与分析领域中，舌苔润燥分析可以通过对舌图像中舌苔表面水分形成亮斑的分析来实现。为了去除舌表面白苔的影响，本发明根据镜面反光的偏振效应，以及利用偏振片可消除镜面反光的物理原理，对在有无偏振片情况下拍摄的两组图像进行分析，实现舌苔润燥的量化。
本发明具体方案设计如下：在固定的光照条件下，得到短时间内有无偏振片情况下拍摄的两组图像。基于两组图像的差异，得到偏振片滤除的反光亮斑区域，该区域的像素数作为舌苔润燥的量化参考。
依次包括如下步骤：
1.获取有无偏振片情况下的两组图像
在固定的光照条件下，采用数码相机快速拍摄舌体正面图像。在数码相机镜头前，设计偏振片的电动移动装置。电动装置可以控制偏振片快速移动，使得偏振片在短时间内实现相对镜头的覆盖与移开，并可与相机快门同步控制。从而在短时间内拍摄移除偏振片以及镜头前装载偏振片的两组舌体正面图像。电动装置移动速度大于500mm/s；
2.计算两组图像的亮度差
分别计算有无偏振片情况下的两组图像的亮度矩阵，并逐像素将无偏振片图像亮度减掉有偏振片图像亮度，得到亮度差灰度图。由于偏振片会消除反光，因此舌表面水分反光形成的亮斑会被消除，对应像素亮度与无偏振片情况下的亮度差别很大，在亮度差灰度图中形成高亮度区域。而其余占大部分的像素只有小幅度亮度衰减，在亮度差灰度图中呈现比较低的亮度值。
3.确定反光亮斑分割阈值
统计得到亮度差灰度图的亮度直方图，确定直方图最高峰值对应亮度L1(对应灰度图中的大部分像素)，确定直方图的次高峰值对应亮度L2，取L1和L2之间的中值，即为反光亮斑分割阈值。
4.确定舌苔润燥量化值
统计亮度差灰度图中大于阈值的像素数，将该像素数除以舌体范围像素数，作为舌苔润燥量化值。
为了消除拍摄角度可能带来反光亮斑的干扰，可设计不同角度光照，不同光照下重复上述操作，得到多个舌苔润燥量化值，取最大值作为润燥量值。
目前，舌象信息的采集与分析主要采用相机拍摄数字图像的方式，通过数字图像处理与分析算法，得到包含舌色、苔色、裂纹、齿痕、胖瘦等等舌象特征量化指标。对舌苔润燥这一舌象特征，主要依据舌面图像上的水分亮斑来进行量化分析，舌苔比较润时亮斑面积大，舌苔干燥时亮斑面积几乎为零。但是，由于舌表面白苔的图像数据与水分亮斑的数据非常接近(表现为红绿蓝三颜色通道值均较高)，影响了分析的准确度。
本方法基于水分反光的偏振特性，提出采用偏振片消除水分反光，从而在获得包含水分反光图像和不包含水分反光图像两组图像后，确定水分反光的像素范围，实现了更为准确的舌苔润燥量化分析。
(1)、本方法基于水分反光的偏振特性，更有针对性地确定舌图像中水分反光区域，消除舌苔对量化分析的影响，实现更为准确的舌苔润燥量化。
(2)、本方法在有无偏振片的情况下拍摄两幅图像，两幅图像用于分析舌苔润燥量值，而有偏振片图像仍可用于分析其他舌象特征。由于滤除了水分反光，相应位置的舌质和舌苔特征得以显现在图像中，有利于舌色、苔色、舌苔腐腻及一些舌形特征的分析。
(3)、本方法确定了舌表面水分反光区域像素相对于舌表面像素比例作为舌苔润燥的量化值，消除了不同采集设备以及设置下图像中舌体占比的影响，可以给临床提供比较合理的润燥特征量值参考。
采用本方法，可以确定舌面水分反光亮斑的范围，得到舌苔润燥量值，方便病历信息的记录和比对。医生可以借助这一量值，结合其他舌象特征指标以及四诊信息，根据中医诊断学对病人做出证候判断。另一方面，在治疗的过程中，这一量值的变化反映了舌苔润燥的程度变化，可以作为疗效评价指标的一部分。在信息采集达到一定规模后，可形成舌苔润燥大数据，任何病例的舌苔润燥指标可以在此背景下比对找到参考样例，有助于中医学的传承和进一步发扬。
装置技术方案的组成见方框图1，图象采集器内部件分布示意见图2。本发明包括有信息采集器，存储并处理拍摄图象的计算机7，显示图象的显示器8，其特征在于，信息采集器主要由封闭机箱6，供电电源3，及机箱6内设置的图象摄取器支架11，放置于支架11上的图象摄取器4，图象拍摄所需的光源1，固定拍摄对象位置的颚部托架12，固定在支架上的偏振片2以及控制支架移动的电动滑台组件5组成。
以上所述的数字化中医舌苔润燥信息采集装置中，采用了内壁为哑光漆涂黑的机箱，机箱仅在放置图象摄取器4处和固定舌部图象位置的颚部托架处、即目标位各开了一个门形口9。
以上所述的数字化中医舌苔润燥信息采集装置中，所述的颚部托架12具有可进行高度调节的旋钮13。
以上所述的数字化中医舌苔润燥信息采集装置中，采用了可微调图象摄取器位置、并与下颚托12距离相对固定的图象摄取器支架11。
以上所述的数字化中医舌苔润燥信息采集装置中，偏振片及支架2固定在电动滑台5上，电动滑台由步进电机驱动在轨道上滑行，实现固定在上面的偏振片在相机镜头前的横向移动。
以上所述的数字化中医舌苔润燥信息采集装置中，光源1固定在机厢内图象摄取器4一侧的四个角上。
以上所述的图象摄取器4可采用数码相机，数码相机的输出口可经传输电缆线与计算机的USB串口相连接。
实现舌苔润燥信息采集的途径是：通过尽可能封闭的机箱排除外界环境不稳定的杂散光的干扰；通过采用国际通用的标准光源得到一个稳定、可靠的照明环境；采用下颚托固定受试者头部姿势，避免产生运动模糊，同时使受试者感到舒适；相机机架与下颚托的距离相对固定，使得拍摄出的舌图象视野固定。最为关键的是：采用步进电机控制的电动滑台使得装载其上的偏振片移动，实现数字相机在有、无偏振片时对被摄舌体的图像采集，从而得到含有舌苔表面水分反光和滤除舌苔表面水分反光的两张照片；通过对两张照片的数据对比分析，可以实现舌苔润燥信息的提取。
本发明采用数字相机拍摄的数字化舌图象，传送并保存至计算机。在计算机中通过算法对照片的数据进行分析，实现舌苔润燥的量化分析，并可通过显示器显示照片及分析效果。
附图说明：
图1：本发明的方框示意图，
1、光源，2、偏振片及支架，3、电源，4、数码相机，5、电动滑台组件，6、机箱，7、计算机，8、显示器；
图2：本发明中机箱内部部件分布示意图，
9、门形口，10、反光灯罩，11、图象摄取器支架，12、下颚托，13、调节旋钮；
具体实施方式
本发明的构成可参见图1和图2装配，其中，舌苔润燥信息采集部分是本发明的重点。其主要构成有：机箱，下颚托，标准光源，电源插座，相机机架，数码相机，偏振片及支架，电动滑台组件等，由电动滑台、偏振片及支架、数码相机及机架构成了舌苔润燥信息拍摄核心部件。
机箱内壁用无反光漆涂黑，以减小内壁的反射干扰。机箱只有相机位和目标位开有大小合适的门形口，其它地方封闭。通过机箱使采集环境相对封闭，避免其它光源或物体反射造成干扰。
光源的照明几何条件为45/0，灯座上安装有用亚光铝片制成的反光罩，两个灯座固定在机箱内相机一侧的四个角上，通过电源插头从机箱外部取电。
图象摄取器可为佳能EOS系列数码相机。
传输缆线采用数码相机自带的USB缆线即可。一端接在数码相机的输出口，一端接在计算机的USB串口。显示设备可采用真彩色显示器。
偏振片可选用0.17mm线偏无胶片，采用光学夹持器固定。电动滑台可选用单轴步进电控箱控制的100mm行程、行进速度0-600mm/s滑台组件。
采用前述各部分与计算机装配成的数字化中医舌苔润燥信息采集装置，达到了本发明所设计的目的要求。又由于计算机中配置了舌苔润燥信息分析算法软件，更使功能齐全，界面友好，使用方便。
1.获取有无偏振片情况下的两组图像
在封闭的图像采集箱内，选用全光谱照明光源，形成固定的光照条件。采用数码相机拍摄舌体正面图像。在数码相机镜头前，采用步进电机控制的电动滑台使得装载其上的偏振片移动，实现数字相机在有、无偏振片时对被摄舌体的图像采集，从而得到含有舌苔表面水分反光和滤除舌苔表面水分反光的两张照片；偏振片可选用0.17mm线偏无胶片，采用光学夹持器固定。电动滑台可选用单轴步进电控箱控制的100mm行程、行进速度0-600mm/s滑台组件。这样，电动装置可以控制偏振片快速移动，使得偏振片在短时间内实现相对镜头的覆盖与移开，并可与相机快门同步控制。从而在短时间内拍摄移除偏振片以及镜头前装载偏振片的两组舌体正面图像。
2.计算两组图像的亮度差
分别采用通用亮度计算公式：Y(亮度)＝0.299*R+0.587*G+0.114*B，计算有无偏振片情况下的两组图像的亮度矩阵Y1、Y2(Y1<Y2)；
逐像素将无偏振片图像亮度减掉有偏振片图像亮度，得到亮度差灰度图D:D＝Y2-Y1。
3.确定反光亮斑分割阈值
统计得到亮度差灰度图D的亮度直方图，即每个亮度值的像素数。由于D在水分反光亮斑处的值很高，而其他占图像大多数的像素处值很低，直方图会呈现双峰形态，且低亮度峰值更高。取像素数最多的亮度值，即直方图最高峰值对应亮度L1。取直方图次高峰值对应亮度L2，取L1和L2之间的中值，即为反光亮斑分割阈值T。
4.确定舌苔润燥量化值
统计亮度差灰度图中大于阈值T的像素数P1；
采用舌体分割算法将舌体从图像背景中分离出来，并统计舌体区域像素数P2，舌苔润燥量化值M＝P1/P2。
5.舌苔润燥量值的精确化
为了消除拍摄角度可能带来反光亮斑的干扰，可设计不同角度光照，得到多组图像。例如，在封闭空间内被摄舌体的对面四个角放置光源，即左上、右上、左下、右下，上方两光源组成一组，下方两光源组成二组，分别在两组光照下重复上述1-4操作，得到两个舌苔润燥量化值M1、M2，取最大值作为最终的精确化润燥量值。
Claims (3)
1.基于偏振光的中医舌苔润燥信息分析装置方法，其特征在于包括以下步骤：
1)获取有无偏振片情况下的两组图像
在固定的光照条件下，采用数码相机快速拍摄舌体正面图像；在数码相机镜头前，设计偏振片的电动移动装置；电动装置控制偏振片快速移动，使得偏振片在短时间内实现相对镜头的覆盖与移开，并与相机快门同步控制，从而拍摄移除偏振片以及镜头前装载偏振片的两组舌体正面图像；电动装置移动速度大于500mm/s；
2)计算两组图像的亮度差
分别计算有无偏振片情况下的两组图像的亮度矩阵，并逐像素将无偏振片图像亮度减掉有偏振片图像亮度，得到亮度差灰度图；由于偏振片会消除反光，因此舌表面水分反光形成的亮斑会被消除，对应像素亮度与无偏振片情况下的亮度差别很大，在亮度差灰度图中形成高亮度区域；而其余占大部分的像素只有小幅度亮度衰减，在亮度差灰度图中呈现比较低的亮度值；
3)确定反光亮斑分割阈值
统计得到亮度差灰度图的亮度直方图，确定直方图最高峰值对应亮度L1，确定直方图的次高峰值对应亮度L2，取L1和L2之间的中值，即为反光亮斑分割阈值；
4)确定舌苔润燥量化值
统计亮度差灰度图中大于阈值的像素数，将该像素数除以舌体范围像素数，作为舌苔润燥量化值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
1)在封闭的图像采集箱内，选用全光谱照明光源，形成固定的光照条件；采用数码相机拍摄舌体正面图像；在数码相机镜头前，采用步进电机控制的电动滑台使得装载其上的偏振片移动，实现数字相机在有、无偏振片时对被摄舌体的图像采集，从而得到含有舌苔表面水分反光和滤除舌苔表面水分反光的两张照片；计算两组图像的亮度差
2)分别采用通用亮度计算公式：Y(亮度)＝0.299*R+0.587*G+0.114*B，计算有无偏振片情况下的两组图像的亮度矩阵Y1、Y2，；
逐像素将无偏振片图像亮度减掉有偏振片图像亮度，得到亮度差灰度图D:D＝Y2-Y1；
3)确定反光亮斑分割阈值
统计得到亮度差灰度图D的亮度直方图，即每个亮度值的像素数；由于D在水分反光亮斑处的值很高，而其他占图像大多数的像素处值很低，直方图会呈现双峰形态，且低亮度峰值更高；取像素数最多的亮度值，即直方图最高峰值对应亮度L1；取直方图次高峰值对应亮度L2，取L1和L2之间的中值，即为反光亮斑分割阈值T；
4)确定舌苔润燥量化值
统计亮度差灰度图中大于阈值T的像素数P1；
采用舌体分割算法将舌体从图像背景中分离出来，并统计舌体区域像素数P2，舌苔润燥量化值M＝P1/P2。
3.基于偏振光的中医舌苔润燥信息采集装置，包括有信息采集器，存储图象的计算机，显示图象的显示器(8)，其特征在于，信息采集器包括封闭机箱(6)，供电电源(3)，及机箱(6)内设置的图象摄取器支架(11)，放置于支架上的图象摄取器(4)，图象拍摄所需的光源(1)，固定拍摄对象位置的颚部托架(12)，固定在支架上的偏振片(2)以及控制支架移动的电动滑台组件(5)。
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