基于高光譜圖像技術的中醫舌診客觀化研究展望?

張 冬，張俊華△，孟昭鵬，張伯禮，胡鏡清

(1. 天津中醫藥大學，天津 300193； 2. 中國中醫科學院，北京 100700)

舌診屬于中醫“望診”范疇，舌診信息為臨床辨證施治提供依據[1]。國內外學者從上世紀80年代開始利用計算機圖像技術對舌象進行了數字化分析，開始了對舌診客觀化的探索[2-3]。

張伯禮教授建立了全國第一家中醫工程研究所，將舌診客觀化研究作為切入點，建立了計算機舌診文摘庫及檢索系統[4]，并進行了大規模健康人群舌象調查，開展了舌診生理基礎參數及影響因素研究，開拓了舌象色度學研究[5]，創建了舌紅外熱像檢查技術，研制了舌津測定儀等系列儀器[6]，進行了多中心、多病種舌象動態觀察研究[7]。1995年，他主持的“舌診客觀化研究”項目獲國家科技進步三等獎。此后，研究人員相繼進行舌色苔色[8-9]、舌質[10-11]、舌苔的量化[12-13]研究。

本文介紹了高光譜技術的基本特征及原理，并闡述了在中醫舌診客觀化研究中的價值與意義，總結并分析了目前高光譜圖像技術在舌診客觀化方面的研究現狀與存在問題，并以此為基礎對未來的研究方向和任務進行了展望。

1 基于高光譜圖像中醫舌診客觀化研究進展

1.1 現有中醫舌診客觀化研究的不足

現有的中醫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、舌色量化表達方法、舌色指標臨床應用等方面存在著一些問題，具體表現在以下幾個方面。

1.1.1 現有舌象研究基于可見光分析，存在“看不準”“拍不全”的問題 包括“四診儀”“舌診專家”在內的研究主要依賴于相機拍攝的數碼圖像，是由紅光(R，700 nm)、綠光(G，546.1 nm)、藍光(B，435.8 nm) 3個通道疊加而成，但是其他范圍的光譜信息沒有采集，忽略了人眼和照相機“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境尤其是光照的影響。

1.1.2 現有舌診客觀化還不適用于疾病診斷與臨床療效評價指標生成 目前，中醫舌診客觀化研究主要集中在對舌色、舌形、舌苔的分類分析，形成的指標多為概括性描述，缺乏量化指標和量化標準，因此目前舌診儀器大多用于輔助養生指導或醫學院校教學等，還不適用于臨床診療指標應用。

1.1.3 現有舌診客觀化研究缺乏特征數據庫和量化模型 當前應用較多的舌診儀器主要針對個體進行舌象的分析，缺乏標準化的舌象特征數據庫。同時在對舌診參數進行量化研究時，大多使用已有算法，沒有針對中醫舌診特點進行算法研究和模型開發。

1.2 高光譜圖像技術簡介和優勢

高光譜圖像技術結合了光譜學、圖像學、計算機科學等多個學科，具有光譜信息豐富、圖譜合一等特點，被廣泛應用于多個領域，同時采集目標物體豐富的光譜和空間信息是其最大的優勢和特征。

圖1顯示，相比于數碼相機采集的舌象照片，高光譜技術能夠同時采集舌象在幾百個不同的光譜波段(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的光譜反射場景，極大程度地豐富了舌象信息，使得研究人員能夠在數碼相機拍攝不到的光譜范圍內對舌象進行分析。右側為高光譜圖像示意圖，其中空間軸(x軸和y軸)上實現對舌象表面的光學成像，光譜軸(z軸)上展現該位置的光譜反射率信息。

高光譜舌象圖像呈現三維立體結構，從空間軸角度能夠對舌象在不同光譜波長下的成像內容進行分析與比較，從光譜軸角度能夠提取舌象某一區域的光譜反射率變化情況，從而進行該區域的光學特征分析。

1.3 高光譜技術在舌診客觀化研究中的應用

基于高光譜圖像分析技術的醫療病例分析鮮少與傳統中醫學理論相結合，尤其是舌診輔助診療方面，當前大部分研究集中在以下兩方面。

1.3.1 在舌診參數方面的應用研究 高光譜圖像能夠為研究人員提供舌象在空間和光譜2個維度上的信息。曾常春[18]等進行了516例正常人舌色與唇色的光譜色度學量化研究。林凌[19]等在可見光譜下研究了4種舌色的量化與對比。楊新宇[20]對11類舌色進行了分類研究。李慶利使用高光譜技術分析了16種典型中醫舌紋[21]。劉明等[22]在高光譜圖像上進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范圍內的高光譜舌象，分析了正常舌質、正常舌苔、膽囊炎舌質、膽囊炎舌苔的光譜曲線差異，驗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的中醫舌象輔助診斷系統[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完成對舌體的高光譜信息采集，并進行了脂肪肝疾病的快速篩查、高黏血癥疾病的無創診斷和冠心病疾病的快速篩查。

1.4 現有高光譜圖像中醫舌診客觀化研究的不足

從上述研究成果來看，高光譜技術用于中醫舌診客觀化方面雖然取得了一定的研究進展，但是依然還存在一些值得改進和挖掘的地方，主要表現在：一是沒有建立多人群、多病種的舌象高光譜特征數據庫；二是當前對高光譜舌診的研究大多為分類任務，屬于概括性描述，對舌診關鍵參數的數字量化研究不足；三是當前研究很少關注舌診臨床評價指標，沒有針對典型臨床證候確定舌診參數的標準基準值，舌診參數在臨床評價指標中的作用不突出。

2 基于高光譜技術的舌診客觀化研究價值

2.1 基于高光譜技術的舌診客觀化研究價值

高光譜圖像分析技術從中醫臨床需求出發，探索舌象在“看的見和看不見”光下的所有信息，有效彌補了當前研究中大多依賴彩色圖像，忽略“看不見”光下的有效信息，為推動中醫舌診客觀化研究提供數據基礎和方法學支撐。

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，有效彌補了當前研究局限在3個單色光(RGB)下的缺陷，推進中醫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舌診客觀化的補充和挖掘。

2.1.2 提高舌診客觀化在臨床上的應用價值 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，能夠實現舌診參數的可量化、標準化，形成具有中醫特色的臨床診療體系以及數據庫系統。

2.1.3 開發具有中醫特色的舌象分析系統和儀器 以中醫舌象高光譜特征數據庫為基礎，形成具有中醫特色的舌診參數量化系統，應用于便攜式設備開發，對推動中醫舌診客觀化、規范化具有重要意義。

2.2 基于高光譜圖像技術的舌診客觀化研究重要任務

高光譜技術為舌診參數標準化研究、舌象與證候疾病的映射關系以及新型舌診儀器的開發提供了數據基礎與理論基礎。今后高光譜舌診研究的重要任務主要集中在以下幾個方面。

2.2.1 采集方案的規范化 在舌體高光譜圖像采集過程中，采集位置、波長選擇、基準光源選取等均會對結果產生影響，需要研究并加以規范。

2.2.2 優化算法與分析模型 當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。因此與最新的大數據、人工智能等技術進行結合，建立一套符合中醫特色的的舌診參數量化模型和輔助診療模型是未來研究的重要內容之一。

2.2.3 舌象參數的可量化、標準化研究 在當前舌診客觀化的研究中，研究目標大多集中在舌色、舌形、舌苔的分類上，屬于概括性的判別研究。因此需要結合臨床需求，建立舌象參數的數字化量化體系，實現舌象參數的可量化和標準化。

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現，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等方向探討差異形成的機制和原因。

2.2.5 舌象與證候參數的循證關系研究 研究舌象與疾病證候的關系，對臨床疾病證候判斷指標、臨床療效評價指標的建立提供可靠的證據基礎。因此還需要進行多中心、多病種、多人群的高光譜舌象分析，建立具有中醫特色的高光譜舌象數據庫系統。

2.2.6 新型舌診儀器的研發 當前舌診儀器大多基于普通相機，對周圍環境、光線、顯示設備有著較高的要求。因此，研究便攜式、不易受外界環境干擾、采集信息豐富、符合舌象采集特點的新型舌診儀器也是未來的研究方向。

3 總結

本文系統總結了當前舌診客觀化研究現狀和存在的不足，指出利用高光譜圖像技術進行舌診客觀化研究的價值和意義，并分析了當前高光譜圖像技術進行中醫舌診客觀化的研究現狀，分析了其中存在的問題，并提出新的研究方向和任務。