孫哲,任玉,蔡紅星,周建偉,蔣雨鵬
(長春理工大學(xué)物理學(xué)院 吉林省光譜探測科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林 長春 130022)
痤瘡是一種尋常型慢性皮膚疾病,通常伴有皮脂分泌過盛,濾泡表皮過度增生、炎癥等問題,有時(shí)還會(huì)有疤痕的出現(xiàn)[1]。而痤瘡的形成由多種原因?qū)е拢ㄟz傳、皮脂腺活動(dòng)、細(xì)菌、皮膚狀況、壓力、食用不健康的食物、藥物等[2]。我國臨床上根據(jù)皮損性質(zhì)和嚴(yán)重程度將痤瘡分為三度四級(jí)[3]:1、輕度(Ⅰ級(jí)):僅有粉刺;2、中度(Ⅱ級(jí)):炎性丘疹;3、中度(Ⅲ級(jí)):膿皰;4、重度(Ⅳ級(jí)):結(jié)節(jié)、囊腫。目前,常見的痤瘡識(shí)別大多依賴于主觀觀測,多數(shù)患者通過臨床醫(yī)師的視覺診斷、進(jìn)行計(jì)算和標(biāo)記臉上的痤瘡[4],這種觀察方法只能獲取不準(zhǔn)確的痤瘡數(shù)量,且需要大量的時(shí)間和精力。市面上另一種痤瘡識(shí)別方法是用傳統(tǒng)的RGB相機(jī)來實(shí)現(xiàn)[5],但由于其色彩的還原度較差,存在較大的識(shí)別誤差。
為了解決這一問題,多光譜成像技術(shù)由于獲取圖像精度高,包含信息多等優(yōu)點(diǎn)被應(yīng)用到此領(lǐng)域,科研工作者對相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了大量研究[6-9]。郭長青[6]等人設(shè)計(jì)了一套多光譜成像系統(tǒng),采集了人體皮膚和生活中常見物品的多光譜圖像,并利用SVM分類器進(jìn)行皮膚檢測,實(shí)現(xiàn)了皮膚與其他類似目標(biāo)的區(qū)分。萬友銘[7]等人設(shè)計(jì)了一套膚質(zhì)測評系統(tǒng),利用多光譜光源,對目標(biāo)皮膚區(qū)域進(jìn)行圖像采集。通過相應(yīng)算法對皮膚圖像進(jìn)行處理,評估皮膚的異常。Shen[8]等人基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)了面部痤瘡的自動(dòng)診斷方法,對采集的多光譜圖像進(jìn)行特征提取,并使用二分類器對人臉面部皮膚和痤瘡進(jìn)行識(shí)別。Johnson[9]等人研發(fā)出了Skin Scanner for Neutrogena膚質(zhì)識(shí)別系統(tǒng)(簡稱為SSN系統(tǒng)),可實(shí)現(xiàn)對人體皮膚水分、紋理、色斑等識(shí)別,但是SSN系統(tǒng)無法獨(dú)立運(yùn)行,必須和手機(jī)一起配合使用。
綜上所述,目前通過光學(xué)法對皮膚識(shí)別的研究有了一些實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。為了使痤瘡識(shí)別系統(tǒng)民用化,本論文提出了一種基于多光譜成像技術(shù)的面部痤瘡無創(chuàng)識(shí)別系統(tǒng),搭建了一套基于多光譜相機(jī)的實(shí)驗(yàn)裝置,即結(jié)合光照條件和多光譜相機(jī)記錄不同嚴(yán)重程度痤瘡患者的多光譜圖像信息,對采集到的圖像目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行標(biāo)定;并根據(jù)人體皮膚獨(dú)特的生理特征和光學(xué)特性,得出皮膚的光譜響應(yīng)函數(shù);建立SVM痤瘡樣本分類模型,根據(jù)四個(gè)等級(jí)痤瘡嚴(yán)重程度的光譜曲線差異性,有效實(shí)現(xiàn)痤瘡三度四級(jí)分類,證實(shí)了研制的面部痤瘡識(shí)別系統(tǒng)無創(chuàng)探測性和進(jìn)行嚴(yán)重程度分類的可行性。
人類皮膚由表皮、真皮和皮下組織組成,厚度各不相同。表皮屬于皮膚最外層的淺層結(jié)構(gòu),厚度約為0.5 mm[10]。真皮位于表皮之下,厚度約為1~2 mm,皮下組織位于真皮下層,含有脂肪、動(dòng)脈等。當(dāng)光束輻照到皮膚表面時(shí),一部分光會(huì)反射出皮膚表面;另一部分光會(huì)進(jìn)入皮膚表皮和真皮,被皮膚組織和細(xì)胞反復(fù)吸收、散射,最終返出皮膚表面進(jìn)入空氣中[11],這一部分光稱為漫反射光,它攜帶了皮膚內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的信息。當(dāng)這部分光被多光譜相機(jī)接收到,并最終反演出光譜信息,可以用來分析皮膚內(nèi)部的狀態(tài),物理過程如圖1所示。
圖1 光在皮膚中傳輸?shù)奈锢磉^程
經(jīng)由皮膚組織和細(xì)胞溢出的漫反射光可以用Kubelka-Munk函數(shù)進(jìn)行定量分析,其表達(dá)式為:
(1)
(2)
在漫反射分析中,R∞與樣品中的組分濃度不成線性關(guān)系,反射吸光度是與組分含量成線性關(guān)系的反射函數(shù)。
漫反射吸光度A表達(dá)式為[12]:
(3)
通過獲得的漫反射光譜轉(zhuǎn)化為吸光度可與物質(zhì)的成分建立關(guān)聯(lián)。
皮膚的吸光度等光譜特性與皮膚的生理結(jié)構(gòu)有著重要的關(guān)系[13]。由于皮膚在多光譜成像下的反射率譜特征表現(xiàn)獨(dú)特,所以能區(qū)分正常皮膚和痤瘡皮膚等相似的目標(biāo)。為了更精確獲取皮膚的光譜特性,使用光譜儀等相關(guān)設(shè)備在同等實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行測量,最終與多光譜相機(jī)反演譜線的趨勢進(jìn)行對比分析。
痤瘡患者面部患處部位是由痤瘡丙酸桿菌物質(zhì)產(chǎn)生,成份為卟啉類衍生物[14]。卟啉這一物質(zhì)對光的吸收有直接關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)卟啉是痤瘡發(fā)生的直接原因[15],它是一種大分子雜環(huán)化合物,分子式為C84H90N8O12S4。生物分子的光譜通常是由許多譜帶疊加的結(jié)果,主要與C—H,O—H,N—H 等含氫基團(tuán)的倍頻和合頻吸收疊加而成[16]。這一物質(zhì)中所含的C—H 和O—H 化學(xué)鍵對光有較強(qiáng)的吸收,其衍生物也具有特征的紫外-可見吸收光譜,主要包括Soret帶和Q帶[17],Soret帶在420 nm左右,Q帶在500~700 nm之間,存在四個(gè)吸收峰,分別為523.2 nm,563.6 nm,597.4 nm和656.6 nm[18]。利用高精度光譜儀測得正常皮膚與卟啉類衍生物光譜曲線如圖2所示,其中圖2(a)為正常皮膚,圖2(b)(c)(d)(e)為帶有卟啉類衍生物的不同嚴(yán)重程度痤瘡皮膚,從圖中可以看出(a)與(b)(c)(d)(e)的譜線線型存在差異,表現(xiàn)為(b)(c)(d)(e)在535 nm和575 nm處出現(xiàn)較為明顯的吸收峰。
圖2 正常與痤瘡皮膚的精準(zhǔn)反射率曲線
本文采用SVM的方法,進(jìn)行面部正常與不同嚴(yán)重程度痤瘡皮膚的分類。SVM方法可解決有限小樣本的分類問題[19]。支持向量機(jī)是在樣本數(shù)據(jù)中尋找最優(yōu)分類曲面從而將各類樣本準(zhǔn)確的分開,分類曲面可以更好地分離不同類別的樣本數(shù)據(jù),使樣本和分類曲面之間的距離縮到最小,從而保證分類識(shí)別的準(zhǔn)確性,降低錯(cuò)分樣品的概率,實(shí)現(xiàn)樣本數(shù)據(jù)的分類。
SVM的數(shù)據(jù)樣本為x1,x2,x3……xn,分類超平面表達(dá)式寫為
wT+b=0
(4)
其中,x為支持向量即落在分類面上的數(shù)據(jù)量,w為垂直于分類面的向量,b為位移量。
基于結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化的條件,平行超平面要將類別正確分開且它們之間的距離要達(dá)到最大,以確保找到的平行超平面的經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)最小,并且對樣本的錯(cuò)分概率小。所以平行超平面可以表示為:
wTx+b=1
(5)
wT+b=-1
(6)
f(x)=sgn{(wT·x)+b}
(7)
實(shí)驗(yàn)樣本選自長春市美容整形醫(yī)院的100例痤瘡患者,按嚴(yán)重程度分為4個(gè)小組,每組中20人作為樣本集數(shù)據(jù),5人作為訓(xùn)練集數(shù)據(jù),以其正常皮膚部位和痤瘡皮膚部位作為研究對象。被試皮膚應(yīng)保持清潔、素顏,不得使用化妝品,以免影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
本實(shí)驗(yàn)在室溫(25±1)℃,相對濕度25%,除輻照光源外的標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)暗室中進(jìn)行。
實(shí)驗(yàn)裝置包括:溴鎢燈(LSP-T50型)、多光譜相機(jī)、光纖、相機(jī)三維旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、固定架、光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等配套設(shè)施。本實(shí)驗(yàn)使用的多光譜相機(jī)如圖3所示,為吉林求是光譜數(shù)據(jù)科技有限公司自主研制。
圖3 多光譜相機(jī)示意圖
此款多光譜相機(jī)可輸出、探測物質(zhì)的光譜信息和多光譜圖像信息,其體積小、成本低廉、能量利用率高,在成像和物質(zhì)識(shí)別方面相較于其它光譜探測設(shè)備有明顯的優(yōu)勢。多光譜相機(jī)的具體測試參數(shù)如表1。
表1 多光譜相機(jī)的測試參數(shù)
溴鎢燈開啟后,需靜置10分鐘以上,目的是為了等待其發(fā)光穩(wěn)定。將多光譜相機(jī)置于光學(xué)平臺(tái)上固定,通過USB數(shù)據(jù)線與PC端連接;調(diào)整多光譜相機(jī)與樣本的距離,打開相機(jī)靜置待穩(wěn)定后,調(diào)試焦距使成像清晰。受試者在檢測環(huán)境中接受面部正常與痤瘡部位多光譜圖像的采集,如圖4所示。
圖4 多光譜相機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖
利用多光譜相機(jī)拍攝樣本皮膚的多光譜圖像,如圖5(a)與6(a)所示。
為了實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)區(qū)域的識(shí)別,需要對多光譜圖像進(jìn)行算法處理。本文采用圖像二值化[20]方法對采集的信息進(jìn)行圖像處理,其作用是便于識(shí)別圖像中包含的痤瘡信息,且此方法可加快識(shí)別效率。將兩組痤瘡樣本的多光譜圖像進(jìn)行二值化處理,結(jié)果如圖5(b)、圖6(b)所示:
圖5 痤瘡樣本一多光譜圖像(a)與二值化處理圖像(b)
圖6 痤瘡樣本二多光譜圖像(a)與二值化處理圖像(b)
經(jīng)二值化處理后的多光譜圖像,可以清楚的辨析出痤瘡部位與正常部位。圖5(b)與6(b)白色區(qū)域?yàn)槟槻繀^(qū)域,黑色的點(diǎn)代表痤瘡區(qū)域。且這些黑點(diǎn)可以與采集到的多光譜圖像上痤瘡的位置、數(shù)量一一對應(yīng)。白色區(qū)域并沒有發(fā)現(xiàn)存在黑色的點(diǎn),這說明對正常皮膚的判斷是準(zhǔn)確的,并不會(huì)出現(xiàn)識(shí)別失誤的狀況。
接下來使用Matlab軟件對多光譜圖像進(jìn)行特征提取,反演出單像素點(diǎn)下的光譜曲線,光譜特征數(shù)據(jù)采集界面如7所示。
圖7 特征提取軟件頁面
每個(gè)像素點(diǎn)可在400~800 nm范圍內(nèi)提取8通道光譜數(shù)據(jù)。圖8為正常皮膚和四個(gè)等級(jí)痤瘡皮膚反演出的光譜曲線。
圖8 單像素點(diǎn)光譜曲線
將圖8多光譜相機(jī)的反演光譜曲線結(jié)果與圖2高精度光譜儀測得結(jié)果對比可知,400 nm~800 nm波段范圍內(nèi)正常和痤瘡皮膚的光譜曲線在趨勢上完全相同。多光譜相機(jī)反演出的痤瘡皮膚光譜同樣在500 nm~600 nm這個(gè)波段內(nèi)存在特征峰,且問題皮膚與正常皮膚的譜線線型存在差異。同時(shí)可以看出相同嚴(yán)重程度皮膚反射率譜線在變化趨勢上完全一致,不同嚴(yán)重程度的痤瘡皮膚光譜強(qiáng)度存在差異,圖8中(a)-(j)依次為正常皮膚-痤瘡重度四級(jí)的光譜反演曲線,由此可實(shí)現(xiàn)多光譜相機(jī)反演光譜在痤瘡嚴(yán)重程度上的分類效果。原因在于作為樣本的痤瘡患者的患處嚴(yán)重程度不同,對光的吸收不同,因此造成了譜線強(qiáng)度的差異。
在建立模型前,通過隨機(jī)法對兩個(gè)樣本集按4∶1的比例劃分訓(xùn)練集和測試集,其中訓(xùn)練集有80個(gè),測試集有20個(gè)。在Matlab中調(diào)用libsvm軟件包中函數(shù)svmtrain和svmpredict對光譜原始數(shù)據(jù)集建立SVM分類模型,預(yù)測結(jié)果如圖9所示。
圖9 面部痤瘡的分類結(jié)果
其中樣本類別中“1”為正常皮膚,“2”為輕度Ⅰ級(jí)皮膚,“3”為中度Ⅱ級(jí)皮膚,“4”為中度Ⅲ級(jí)皮膚,“5”為重度Ⅳ級(jí)皮膚。分類的總準(zhǔn)確率為90%,“3”(中度Ⅱ級(jí))的準(zhǔn)確率為75%,“4”(中度Ⅲ級(jí))的準(zhǔn)確率為75%,“1”(正常皮膚)、“2”(輕度Ⅰ級(jí))和“5”(重度Ⅳ級(jí))的準(zhǔn)確率均為100%,具體結(jié)果如表2。
表2 面部痤瘡的分類結(jié)果
由于中度Ⅱ級(jí)和中度Ⅲ級(jí)痤瘡的形態(tài)相似,所以在分類鑒別時(shí)存在一定的誤差,識(shí)別正確率為75%,而正常皮膚、輕度Ⅰ級(jí)和重度Ⅳ級(jí)痤瘡的特征明顯,識(shí)別準(zhǔn)確都為100%,平均識(shí)別正確率為90%。
本文提出了一種基于多光譜成像技術(shù)識(shí)別痤瘡的方法,并利用多光譜相機(jī)對此種方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明,基于此項(xiàng)技術(shù)的圖像與光譜分析均能對痤瘡進(jìn)行有效識(shí)別分類,并且反演出的光譜信息與高精度光譜儀的反射率譜線趨勢一致,而根據(jù)建立的SVM痤瘡分類模型可實(shí)現(xiàn)較高的準(zhǔn)確率,證實(shí)了基于多光譜技術(shù)進(jìn)行痤瘡識(shí)別的可行性,這種基于多光譜技術(shù)識(shí)別皮膚問題的方法在未來具有廣闊的應(yīng)用前景。