盧 玲，徐學軍，馬 燕，唐 偉，唐俊安

長沙理工大學 物理與電子科學學院， 湖南 長沙 410114

引言

舌診——中醫(yī)望診的核心內容，通過觀察人體舌像特征對人體疾患進行判斷。舌像信息能反映人體臟腑功能及隨時令的變化情況。隨著現(xiàn)代數(shù)字圖像處理技術的不斷發(fā)展，舌體圖像的分割以及舌像特征的提取與分類的方法均得到了實現(xiàn)。利用圖像處理技術獲得的舌像信息數(shù)據(jù)，滿足了舌診定量化、科學化發(fā)展的要求。

舌像特征提取的研究中常用的方法有神經(jīng)網(wǎng)絡分類器[1]、區(qū)域生長的彩色圖像特征提取[2]、顏色空間的特征提取[3]、深度學習的特征提取[4]、KNN 分類器的分層圖像特征提取[5]等。

項目進行了顏色模型特征提取與顏色特征向量提取的對比研究，并結合中醫(yī)時間醫(yī)學驗證了舌像信息的時令變化規(guī)律。這種有效的特征提取手段能夠提供科學的舌診診斷依據(jù)，促進中醫(yī)舌診和數(shù)字化醫(yī)療體系的發(fā)展。

1 中醫(yī)舌診

舌像局部對應五臟六腑，映射周身如圖1 舌體區(qū)域與內臟器官的映射關系所示。

圖1 舌體區(qū)域與內臟器官的映射關系Fig.1 Mapping relationship between tongue body region and visceral organs

人體的臟器疾患信息有規(guī)律地反映在體表的相關部位。這種映射是分層次的，且人體不同部位的敏感程度和表現(xiàn)也不盡相同[6]。中醫(yī)時間醫(yī)學認為晝夜以陰陽劃分，晝?yōu)殛枺篂殛?，晝夜的陰陽變化產(chǎn)生不同時刻氣血運動的變化從而影響各個五臟器官的功能變化[7]。一日不同的時刻對應人體不同器官功能的活動情況，通過觀察舌像可以了解各個器官生理功能的變化特征。舌診作為中醫(yī)望診的重要手段，其與現(xiàn)代數(shù)字圖像處理技術的結合推動了無損傷疾病診療體系的發(fā)展。

本文主要通過觀察采集的舌像中舌色信息來判斷人體的健康狀況。首先，將舌像根據(jù)不同舌位的五行變換進行分割得到舌體區(qū)域分割圖像；其次，通過顏色空間轉換，將原始采集的 RGB 舌體區(qū)域分割圖像轉換成 HSI 顏色空間圖，并獲取各顏色分量特征及分量信息的占比圖，再結合中醫(yī)理論對舌像特征進行描述說明；同時，對原始采集的 RGB 舌體區(qū)域分割圖像使用 HOG 特征提取方法獲取舌像特征向量變化；最后，將 HOG 特征與 HSI 顏色空間的舌像特征變化進行對比研究，推衍出舌像時令特征的變化規(guī)律。舌像時令特征變化的研究，為人類健康管理和醫(yī)療服務提供了幫助，為舌像信息的深入研究提供了方向。

2 現(xiàn)代技術基礎上的舌診

2.1 舌像采集

項目采集一天中四個時間變化節(jié)點的舌體圖像，時間點分別是一日中卯時、午時、酉時、子時。由于光照條件 (照明幾何和光照顏色)的不穩(wěn)定性和采集設備光學特性的差異，舌圖像的顏色往往會發(fā)生畸變[8]。因此需要對采集的舌像照片進行預處理，其主要目的是消除圖像中與研究內容無關的信息，獲得真實有效的數(shù)據(jù)[9]。通常拍攝的舌像照片包含舌體和面部圖像信息如圖2 (a)舌像原圖所示。進行預處理得到感興趣區(qū)域，提高舌像區(qū)域亮度得到如圖2 (b)預處理后的舌像。

2.2 舌像區(qū)域分割

圖像分割是將圖像分割成不同區(qū)域，即解決具有相似性的像素分類問題，它是圖像處理和圖像分析的一個關鍵步驟[10]。為了未來深入研究的統(tǒng)一，舌像區(qū)域劃分采用洛書九宮圖。洛書九宮是觀測太一之車，即北斗斗柄從中央臨御四正四隅而形成的，且與八卦的陰陽變化存在的密切關系，同時闡明了"太一游宮"引起的四時八節(jié)及二十四節(jié)氣的節(jié)令轉移和氣象變化[11]。根據(jù)不同舌位的五行變換和舌像區(qū)域與內臟器官的對應關系結合圖3 洛書將舌像進行區(qū)域劃分。主要劃分為如圖5 (a)[4，3，8] 左舌邊、圖5 (b)[2，7，6] 右舌邊、圖5 (c)[8，1，6] 舌尖、圖5 (d)[5] 舌中和圖5 (e)[4，9，2] 舌后根的五個舌像區(qū)域，如圖5 四時舌像區(qū)域分割圖像所示。

2.3 HSI 顏色空間舌像特征獲取

區(qū)域、顏色、紋理、形狀、動態(tài)是舌像信息的主要來源，而顏色和紋理是舌像診斷的重要信息[12]。本研究將舌體各個部分的顏色特征作為舌像觀察的主要參考對象。舌色信息主要以紅色為主色調，其范圍在淡白、淡紅、紅、紅絳到淡紫[13]。

采集的舌像照片一般為 RGB 色彩模式，該色彩模式主要通過紅 (R)、綠 (G)、藍 (B)三個顏色通道的變化以及它們相互之間的疊加來得到各式各樣的顏色[14]。在圖像處理中，如果直接對紅、綠、藍顏色分量進行處理，其處理過程可能會引起三個量不同程度的變化，使圖像發(fā)生明顯的顏色的扭曲[15]。因此，使用HSI 顏色模型來描述舌像的特征，能有效解決顏色扭曲的問題，且符合人們用色調 (H)、飽和度 (S)和亮度 (I)來描述物體的方法[16]。

2.4 舌像特征向量提取

HOG 特征提取主要是根據(jù)局部信息的綜合考慮計算圖像的局部區(qū)域內梯度方向直方圖，通過梯度或者邊緣方向的密度分布對圖像局部信息特征進行準確描述[17]。使用 HOG 特征提取，首先將獲取的數(shù)字圖像分割成相對較小且保持一定程度連通性的細胞單元；然后重復計算每個細胞單元中的梯度值和邊緣位置來得到各個細胞單元的方向直方圖；最后對獲得的特征信息進行處理獲得可用的圖像特征信息[18]。概括總結為以下的算法步驟：

· 歸一化圖像

· 梯度計算

· 構建每個單元格的梯度方向直方圖

· HOG 特征的形成

圖2 (a)舌像原圖 (b)預處理后的舌像Fig.2 (a)Tongue image (b)The image of the tongue after pretreatment

圖3 洛書Fig.3 Lo Shu

圖4 舌像區(qū)域劃分圖Fig.4 Division of the tongue-like region

圖像經(jīng)上述處理后計算每個 patch 的方向梯度直方圖，再對patch進行卷積，計算每個像素點處的梯度方向和幅值[19]。HOG 提取的舌像特征向量主要是描述舌像特征的變化情況。

3 舌診舌像的特征變化

3.1 RGB 舌像數(shù)值變化特征

上海中醫(yī)藥大學黃景斌等研究了“日節(jié)律”相關因素對健康人舌像圖像特征的影響。其研究選取 42 名健康女大學生 15日晨起后、午餐前 (午時)、午餐后、傍晚 (餐前)、睡前 (子時)5 個時間點的舌像圖像。通過分析研究發(fā)現(xiàn)：舌像圖像特征呈現(xiàn)出“日節(jié)律”的變化趨勢，舌像客觀化應用研究中需要重視時間、飲食因素對舌像特征的影響[20]。本研究對比選取了年齡為 22～26 周歲的健康壯年人作為研究對象。實驗分別采集了兩組四個時間變化節(jié)點的 7日舌體圖像信息，再通過 MATLAB 處理獲得的 R、G、B 數(shù)值，求其平均值得到數(shù)據(jù)如表1和表2。

將表1、表2女性和男性在四個時間點的舌像 R、G、B 數(shù)值直觀化得圖6 (a)、6 (b)、6 (c)、6 (d)的男女舌像顏色數(shù)值變化圖。

分析可以看出一天中實驗人員的舌像有明顯的特征變化，說明舌像的變化與時令的變化有一定的關系。同樣，一年中也會有相似的陰陽變化。實驗驗證可推衍出舌像是具有時令變化的特點。

表1 女性在四個時間點的舌像 R、G、B 值Table1 Tongue image R, G, B values for women at four time points.

表2 男性在四個時間點的舌像 R、G、B 值Table2 Tongue images R, G, B values for men at four time points.

3.2 HSI 舌像區(qū)域特征

將采集的舌像區(qū)域分割圖像進行顏色空間轉換，得到 HSI 顏色模型下的各個舌像區(qū)域分割圖像，且與中醫(yī)辨證論治結合，進行舌像時令變化特征分析。

中醫(yī)根據(jù)晝夜的陰陽變化提出人體氣血隨晝夜變化氣血運行也會產(chǎn)生相應的變化[22]。

清晨，氣血運行到肝臟，肝氣充盈[23]。肝臟功能對應舌邊部分，圖7 (a)和圖7 (b)分別為四個時刻的 HSI 顏色模型的左右舌邊圖像，可以看出人體從卯時左右開始舌邊處于血氣旺盛的時刻。

酉時左右此時人體陽氣處于不斷衰減的狀態(tài)，此時氣血運行到肺，中醫(yī)認為“肺氣主降，上逆則為病。”[24]根據(jù)圖8 四個時刻的 HSI 顏色模型的舌尖圖像可以看出酉時左右是肺部的氣血處于衰減的狀態(tài)舌色也比其他三個時刻要弱。

圖6 男女舌像顏色數(shù)值變化圖Fig. 6 Change of the color of the tongue and the tongue of the male and female

脾胃通于長夏，五行中屬土，受到木即肝臟的制約，脾胃之氣受到克制[25]。圖9 四個時刻的 HSI 顏色模型下的舌中圖像反映出卯時的舌中區(qū)域未呈現(xiàn)明顯的紅色區(qū)域。午時心氣旺盛且胃腸中血量不斷增加使得脾胃功能旺盛[26]，此時可以觀察到舌色紅潤充盈。酉時人體陽氣收斂，肺氣的宣發(fā)作用減弱，此時脾胃功能受到抑制[27]，舌色呈現(xiàn)出淡白現(xiàn)象。子時腎精不斷加強，使得其他臟腑功能受到激發(fā)，此時脾臟功能亦得到激發(fā)。

子時，合于腎氣，腎主封藏作用[28]。圖10 四個時刻的 HSI 顏色模型下的舌根圖像中看出子時左右的舌根區(qū)域處于氣血旺盛的時刻。

3.3 舌像 HSI 顏色模型分量占比

圖7 四個時刻的 HSI 顏色模型的左右舌邊圖像Fig. 7 Left and right tongue images of the HSI color model at four times

圖8 四個時刻的 HSI 顏色模型的舌尖圖像Fig. 8 Tongue tip image of HSI color model at four times

圖9 四個時刻的 HSI 顏色模型下的舌中圖像Fig. 9 The image in the tongue under the HSI color model at four times

不同的顏色狀況反映人體不同器官的健康狀況，以顏色特征為準則分析舌像信息能夠很好的歸納總結人體的健康信息[29]。獲取舌像 HSI 顏色模型的顏色分量占比能夠定量描述各分量與舌像顏色特征含量的關系，也可作為定量化描述舌像特征的指標。

Matlab 處理的結果如圖11 四時舌尖 HSI 顏色分量占比圖可觀察到午時舌中區(qū)域的紅色分量占比高于其他顏色分量占比，符合中醫(yī)日中之時血氣運行至心臟的規(guī)律[30]。同時從圖8中可以看出午時舌尖區(qū)域紅色突出符合顏色分量占比圖的觀察效果。

圖10 四個時刻的 HSI 顏色模型下的舌根圖像Fig. 10 Tongue root image under the HSI color model at four moments

圖11 舌尖 HSI 顏色分量占比圖Fig. 11 Percentage map of color component of HSI at the tip of tongue

3.4 舌像 HOG 提取特征向量

使用 HOG 特征提取方法對 RGB 顏色模型下的舌像進行特征向量提取，得到如圖12 HOG 特征提取處理后的四時舌部圖像特征向量變化圖的結果圖。根據(jù)中醫(yī)一年24 節(jié)氣可應一日24 時的理論，圖12 中 4 時段以春、夏、秋、冬概述便于讀者理解。從圖12中可觀察到舌中區(qū)域的特征向量的變化程度明顯符合中醫(yī)人體時令變化理論。

依據(jù)中醫(yī)理論分析，結合圖12 與圖6 可看出：人體除了在四季變化過程中存在著生理節(jié)律，在一日的時間變化中也具有一定的時間節(jié)律特點。例如圖12 中秋季舌中圖像的梯度變化要比其他三個季節(jié)變化要明顯。而脾臟功能主要在秋季運行，此時應主要保護脾胃運化功能適應季節(jié)變化帶來的生理變化。以此類推可知其他臟腑功能也具有像脾臟功能一樣具有明顯的時間變化規(guī)律符合中醫(yī)臨床要求。

4 結語

人生百年是一個動態(tài)變化發(fā)展的過程，相應一年而言，春夏秋冬對應著人生的生長壯老，恰如一年四季的季節(jié)和氣候變化。對于舌像信息的研究，面對正常情況有一生的春生、夏長、秋收、冬藏，也有一日的時間變化規(guī)律；還對應不同舌像位置的金木水火土和人體的氣血變化的可控規(guī)律。本研究通過模型構建與算法分析將人體舌像隨時間的變化與一日的時間氣血的變化聯(lián)系起來，實現(xiàn)了復雜主觀的人體健康狀況的舌像表象與現(xiàn)代圖像技術有機結合。通過采集舌像圖像進行特征提取，獲得顏色空間的基準數(shù)據(jù)進行對比分析研究，為中醫(yī)舌像的客觀化奠定了基礎，隨著圖像處理進一步完善的表達以及望聞問切，四診合參的統(tǒng)一必將推動中醫(yī)臨床突破，無損傷診斷預防醫(yī)學與人類健康管理前景廣泛。

圖12 HOG 特征提取處理后的四時舌中圖像特征向量變化圖Fig.12 Image feature vector change map in tongue of four moments after HOG feature extraction