【作 者】蘇祈艷，陳新

福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，福州市，350108

基于阻抗與雙目視覺(jué)的經(jīng)絡(luò)可視化系統(tǒng)

【作 者】蘇祈艷，陳新

福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，福州市，350108

為了使經(jīng)絡(luò)能夠在人體體表準(zhǔn)確測(cè)量和顯示，提出了一種基于阻抗與雙目視覺(jué)的經(jīng)絡(luò)可視化方法。首先，利用交變恒流源在人體皮膚表面注入電流信號(hào)，然后采用多通道皮膚阻抗檢測(cè)儀根據(jù)經(jīng)絡(luò)的低阻抗特性檢測(cè)各對(duì)電極之間人體皮膚的電壓，從而間接獲取經(jīng)絡(luò)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的通道，通過(guò)串口通信，將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)。其次，利用張氏攝像機(jī)標(biāo)定法獲取攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)，對(duì)光學(xué)標(biāo)靶進(jìn)行角點(diǎn)篩選與匹配，獲得經(jīng)絡(luò)點(diǎn)的三維信息，再根據(jù)雙目視覺(jué)原理對(duì)三維信息進(jìn)行坐標(biāo)變換，最后利用曲線擬合和圖像融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)絡(luò)可視化。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)經(jīng)絡(luò)的實(shí)時(shí)檢測(cè)與準(zhǔn)確顯示。

阻抗；雙目視覺(jué)；人體經(jīng)絡(luò)；可視化

0 引言

經(jīng)絡(luò)“內(nèi)屬于臟腑，外絡(luò)于肢節(jié)”，是人體氣、血運(yùn)行的通道，是人體體表各部分與內(nèi)臟器官之間相互聯(lián)系、相互影響的作用通道[1]。實(shí)現(xiàn)經(jīng)絡(luò)在人體體表的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確顯示與可視化，對(duì)于中醫(yī)臨床診斷、治療與療效評(píng)估有重大的意義。

1 經(jīng)絡(luò)可視化系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)旨在實(shí)現(xiàn)人體經(jīng)絡(luò)的檢測(cè)與實(shí)時(shí)顯示，即在人體體表上直接測(cè)量并定位經(jīng)絡(luò)的具體位置，最終實(shí)時(shí)顯示在人體上，實(shí)現(xiàn)經(jīng)絡(luò)可視化。系統(tǒng)采用上下位機(jī)工作模式，見圖1。系統(tǒng)中的下位機(jī)連接多通道皮膚阻抗檢測(cè)儀，獲取經(jīng)絡(luò)點(diǎn)通道數(shù)據(jù)，上位機(jī)連接定位攝像機(jī)，對(duì)所獲得的經(jīng)絡(luò)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)經(jīng)絡(luò)線的實(shí)時(shí)顯示。

圖1 經(jīng)絡(luò)可視化系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of the meridian visualization system

1.2 經(jīng)絡(luò)阻抗檢測(cè)系統(tǒng)

系統(tǒng)包含多通道皮膚阻抗檢測(cè)與多路數(shù)據(jù)采集。多通道皮膚阻抗檢測(cè)采用基于四電極測(cè)量技術(shù)的32×2電極陣列阻抗檢測(cè)方法，根據(jù)經(jīng)絡(luò)的低阻抗特性[2]，通過(guò)壓控電流源產(chǎn)生交變恒流源激勵(lì)于人體待

測(cè)部位測(cè)量人體體表的阻抗信息，篩選出經(jīng)絡(luò)在人體體表的候選點(diǎn)。多路數(shù)據(jù)采集卡為四塊MP425采集卡，通過(guò)上位機(jī)控制下位機(jī)打開A/D采集卡并用采集卡本身產(chǎn)生的脈沖控制四塊采集卡同步開始采集，同時(shí)，創(chuàng)建多媒體定時(shí)器和串口接收線程，分別用于讀取緩存數(shù)據(jù)和與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

1.3 經(jīng)絡(luò)定位顯示系統(tǒng)

包含定位攝像機(jī)標(biāo)定與立體匹配、三維信息重建及二維顯示。首先，通過(guò)攝像機(jī)標(biāo)定來(lái)確定物理空間位置與像素之間的關(guān)系，而后完成基于雙目視覺(jué)的三維信息提取、經(jīng)絡(luò)定位以及場(chǎng)景圖象定位，最后根據(jù)曲線擬合和圖像融合技術(shù)完成經(jīng)絡(luò)線在人體上的二維顯示。

2 經(jīng)絡(luò)可視化系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

依據(jù)經(jīng)絡(luò)的低阻抗特性，設(shè)計(jì)了此多通道人體經(jīng)絡(luò)檢測(cè)系統(tǒng)。該多通道人體經(jīng)絡(luò)檢測(cè)系統(tǒng)將傳統(tǒng)的中醫(yī)與現(xiàn)代科技相結(jié)合，操作簡(jiǎn)單，無(wú)痛無(wú)刺激，有較高的檢測(cè)精度。系統(tǒng)包含電極模塊、信號(hào)處理與數(shù)據(jù)采集模塊和通信模塊。

2.1 電極系統(tǒng)

電極系統(tǒng)包含激勵(lì)電極和測(cè)量電極兩部分。激勵(lì)電極將激勵(lì)恒流源產(chǎn)生的交變電流信號(hào)導(dǎo)入待測(cè)肢體部位，并且將電流相對(duì)均勻地分布在待測(cè)肢體之間，電極矩陣中有32對(duì)測(cè)量電極（并排的兩電極是一對(duì)測(cè)量電極）。由于待測(cè)肢體之間有一定的電阻抗，在激勵(lì)電流的作用下產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的電壓差，該電壓差由相應(yīng)部位的測(cè)量電極導(dǎo)入隔離放大電路并進(jìn)行后續(xù)的處理。

2.2 信號(hào)處理與數(shù)據(jù)采集模塊

由于系統(tǒng)前端的信號(hào)十分微弱，隔離放大電路用于放大由測(cè)量電極獲得的微弱的電壓信號(hào)。通過(guò)調(diào)節(jié)平衡電位器來(lái)調(diào)節(jié)AD620放大器的內(nèi)部平衡，以此來(lái)改進(jìn)前置放大電路的共模抑制比，減小共模信號(hào)特別是50 Hz工頻的干擾，提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。

系統(tǒng)采用雙運(yùn)放LM358制作的三階有源濾波器，通過(guò)選擇合適的電阻、電容參數(shù)，可使50 Hz的工頻干擾衰減達(dá)到-90 dB，20 kHz的有用信號(hào)的增益可達(dá)到10 dB，從而滿足整個(gè)系統(tǒng)的要求。

由電極輸出的各路電壓信號(hào)經(jīng)放大處理后仍是交流信號(hào)，必須經(jīng)有效值檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，然后送MP425采集卡進(jìn)行多路的A/D變換，計(jì)算機(jī)利用其計(jì)算并轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)確度較高的各路阻抗數(shù)據(jù)。

2.3 上、下位機(jī)數(shù)據(jù)同步與通信

系統(tǒng)中，上下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信是通過(guò)計(jì)算機(jī)串口進(jìn)行的，系統(tǒng)采用多線程技術(shù)，將下位機(jī)采集的皮膚阻抗信息分成等間隔的連續(xù)時(shí)間片向上位機(jī)發(fā)送，上位機(jī)截取中間部分時(shí)間片的信息與三維坐標(biāo)信息進(jìn)行匹配。下位機(jī)利用多線程技術(shù)，一邊監(jiān)聽串口，響應(yīng)上位機(jī)指令，一邊采集人體體表皮膚阻抗，每10 ms組成一組數(shù)據(jù)向串口發(fā)送；上位機(jī)也采用多線程技術(shù)，一邊響應(yīng)主程序命令，一邊接收下位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的皮膚阻抗數(shù)據(jù)，通過(guò)設(shè)置多媒體定時(shí)器，每70 ms對(duì)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)求一次期望與阻抗數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，并清空緩沖區(qū)。該過(guò)程不存在時(shí)間上的累積誤差，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步通信。

3 雙目定位顯示系統(tǒng)

系統(tǒng)軟件處理流程如圖2所示。主要包括以下幾個(gè)步驟：左右攝像機(jī)的標(biāo)定、光學(xué)定位標(biāo)靶上角點(diǎn)的定位、經(jīng)絡(luò)點(diǎn)通道的篩選與三維坐標(biāo)計(jì)算以及經(jīng)絡(luò)線的實(shí)時(shí)繪制。

圖2 雙目定位顯示系統(tǒng)軟件流程圖Fig.2 Software flow pattern of binocular visualization system

在實(shí)際測(cè)量之前，先利用棋盤格模板對(duì)左、右攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，獲得攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)。標(biāo)定完成后，可進(jìn)行實(shí)際的人體經(jīng)絡(luò)測(cè)量，通知下位機(jī)開始工作，并開啟監(jiān)聽線程，對(duì)下位機(jī)的通信數(shù)據(jù)進(jìn)行接收及處理，移動(dòng)附有X角點(diǎn)的電極標(biāo)靶，通過(guò)對(duì)角點(diǎn)的檢測(cè)與坐標(biāo)提取，并結(jié)合下位機(jī)的數(shù)據(jù)信息，計(jì)算出低阻抗通道所對(duì)應(yīng)的電極探針觸點(diǎn)坐標(biāo)，從而間接獲得經(jīng)絡(luò)的三維信息。最后把經(jīng)絡(luò)的三維信息投影到場(chǎng)景攝像機(jī)的實(shí)時(shí)場(chǎng)景上，即可在人體體表圖象上顯示出經(jīng)絡(luò)線。

3.1 攝像機(jī)標(biāo)定

攝像機(jī)標(biāo)定旨在校正鏡頭畸變，是獲取兩個(gè)攝像機(jī)相對(duì)位置信息、保證測(cè)量精度的關(guān)鍵步驟，也是三維信息投影到二維圖像的必經(jīng)步驟。本系統(tǒng)中采用張氏標(biāo)定法[3]，即在一定的攝像機(jī)成像模型下，基于特定的標(biāo)定條件，利用一系列的數(shù)學(xué)變換和優(yōu)化算法可求取攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)。

3.2 角點(diǎn)檢測(cè)與立體匹配

角點(diǎn)是指圖像上灰度變化劇烈的點(diǎn)。本文中將光學(xué)定位標(biāo)靶粘貼在電極探針模塊的表面，利用光學(xué)定位X角點(diǎn)的位置，從而根據(jù)低阻通道位置間接獲得經(jīng)絡(luò)線的三維信息。圖3為所采用的光學(xué)標(biāo)靶。傳統(tǒng)的角點(diǎn)檢測(cè)方法是直接對(duì)圖像的灰度或灰度梯度進(jìn)行處理，以Smith 和Brady提出的SUSAN角點(diǎn)檢測(cè)法[4]、Harris C和Stephens M提出的Harris角點(diǎn)檢測(cè)法[5]為應(yīng)用代表。本文采用Harris角點(diǎn)檢測(cè)方法，其基本思想是在圖像中選取一個(gè)小窗口，并平移微小位移，當(dāng)檢測(cè)到角點(diǎn)時(shí)，其灰度改變量不管窗口沿哪個(gè)方向平移時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生較大大的變化，據(jù)此綜合判斷角點(diǎn)的初步位置。

圖3 光學(xué)標(biāo)靶圖Fig.3 Optical target

在初步角點(diǎn)檢測(cè)完成后，根據(jù)迭代算法求取角點(diǎn)的亞像素坐標(biāo)，并采用基于灰度對(duì)稱和灰度跳變進(jìn)行角點(diǎn)篩選，篩選結(jié)果只剩三個(gè)X角點(diǎn)。之后在左右兩個(gè)相機(jī)拍攝的兩幅圖像中找到他們之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，完成特征點(diǎn)的立體匹配[6]。

3.3 坐標(biāo)變換與經(jīng)絡(luò)顯示

人的雙眼在觀察物體的時(shí)候，大腦會(huì)自然的對(duì)物體有一定深度或遠(yuǎn)近的意識(shí)，產(chǎn)生這種意識(shí)的效應(yīng)稱為立體效應(yīng)。雙目立體視覺(jué)仿照這種效應(yīng)的原理，采用兩個(gè)攝像機(jī)從不同角度去觀察同一目標(biāo)，并同時(shí)獲取目標(biāo)的兩幅圖像，通過(guò)目標(biāo)在成像中的相對(duì)視差恢復(fù)其三維信息，達(dá)到立體定位的效果。如圖4所示，為雙目立體視覺(jué)成像原理圖。

完成三個(gè)X角點(diǎn)定位以后，可以根據(jù)電極探針頂點(diǎn)與X角點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系，計(jì)算出每個(gè)通道的探針頂點(diǎn)的三維坐標(biāo)，即與人體皮膚接觸點(diǎn)的三維信息，后期只要得知低阻抗的經(jīng)絡(luò)點(diǎn)在哪個(gè)通道上，便可以獲得經(jīng)絡(luò)點(diǎn)的三維信息。在獲取了經(jīng)絡(luò)點(diǎn)的準(zhǔn)確三維坐標(biāo)后，采用曲線擬合技術(shù)，通過(guò)基于像素的圖像疊加，將擬合后的經(jīng)絡(luò)線投影疊加到二維的實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)圖像上，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)絡(luò)線的平滑顯示。

圖4 雙目視覺(jué)成像原理Fig.4 Principle of binocular vision

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 經(jīng)絡(luò)檢測(cè)系統(tǒng)

為了檢測(cè)多通道經(jīng)絡(luò)檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度及系統(tǒng)各參數(shù)對(duì)測(cè)量精度的影響，在32通道測(cè)量電極與參考電極間接入純電阻。在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件下，采用單一變量法，保持激勵(lì)電流源的頻率和電流不變，對(duì)純電阻的阻抗值進(jìn)行多次測(cè)量求平均值。測(cè)量結(jié)果圖5所示：

圖5 純電阻測(cè)量結(jié)果圖Fig.5 Results of pure resistance measurement

由圖5可以看出測(cè)得的阻值和真實(shí)阻值的差值在-0.3 kΩ ～0.3 kΩ之間，相對(duì)誤差在2%以內(nèi)，測(cè)量結(jié)果的精度基本滿足實(shí)驗(yàn)的要求。

4.2 經(jīng)絡(luò)顯示系統(tǒng)

標(biāo)定獲得的內(nèi)部參數(shù)和形變參數(shù)如表1所示。從表中可以看出，左、右攝像機(jī)的實(shí)際光心位置不在攝像機(jī)的圖像平面幾何中心上，也就是說(shuō)實(shí)際的攝像機(jī)鏡頭存在一定的畸變，這可能是在鏡頭的加工或者安裝過(guò)程中造成的。

表1 攝像機(jī)標(biāo)定參數(shù)Tab.1 The parameters of camera calibration

表2 Bouguet標(biāo)定結(jié)果Tab.2 The parameters of Bouguet’s camera calibration

為了驗(yàn)證標(biāo)定結(jié)果的正確性，這里采用Bougue[7]提出的Camera Calibration Toolbox for Matlab工具箱對(duì)上述的棋盤格再次進(jìn)行標(biāo)定，獲得攝像機(jī)的參數(shù)如表2。

比較兩個(gè)表數(shù)據(jù)，兩種算法的結(jié)果非常接近，表明所采用的標(biāo)定算法是有效的。

在人體實(shí)驗(yàn)中，以部分心包經(jīng)為例。將貼有標(biāo)靶的電極在左下臂滑動(dòng)，通過(guò)經(jīng)絡(luò)檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)出阻抗最低的通道，再根據(jù)坐標(biāo)變換和三維坐標(biāo)重建，得到經(jīng)絡(luò)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，最后通過(guò)圖像疊加和曲線擬合技術(shù)獲得人體經(jīng)絡(luò)線，實(shí)現(xiàn)經(jīng)絡(luò)的可視化。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)基于阻抗與雙目視覺(jué)的經(jīng)絡(luò)可視化系統(tǒng)進(jìn)行原理闡述和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，從所獲得的結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)能夠測(cè)得較為精確的結(jié)果。本系統(tǒng)的研究不僅為經(jīng)絡(luò)定位成像提供一種方便、實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確的手段，也為中醫(yī)針灸臨床診斷提供科學(xué)的理論和依據(jù)。

[1] 夏培肅, 李華. 關(guān)于經(jīng)絡(luò)系統(tǒng)研究的評(píng)述和建議[J]. 中國(guó)科學(xué)院院刊, 2014, 29(3):383-388

[2] 楊威生. 低阻經(jīng)絡(luò)研究 Ⅲ. 對(duì)經(jīng)絡(luò)組織學(xué)本質(zhì)的推斷[J]. 北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2008, 44(2): 277-280

[3] Zhang ZY. A flexible new technique for camera calibration[J]. IEEE Trans Pattern Analy Mach Intellig, 1996, 22(11): 1330-1334.

[4] Smith SM, Susan BM. A new approach to low level image processing[J]. Int J Comput Vision, 1997, 23(1): 45-78.

[5] Harris C, Stephens M. A combined corner and edge detector[J]. Alvey Vision Conf, 1988: 147-151.

[6] Hu T, Qi B, Wu T, et al. Stereo matching using weighted dynamic programming on a single-direction four-connected tree[J]. Comput Vision Image Understand, 2012, 116 (8): 908-921.

[7] Bouguet JY. Camera calibration toolbox for matlab[R/OL]. [2013-12-02]. http://www.vision.caltech.edu/bouguetj/calib_doc.

熒光試劑檢測(cè)微小卵巢腫瘤

眾所周知，癌腫瘤早期診斷很重要，早期手術(shù)治療效果較好。對(duì)于卵巢癌腫瘤來(lái)說(shuō)，當(dāng)癌腫瘤在1 mm以下就得到診斷，并進(jìn)行手術(shù)切除，其治療效果將大幅提高。但是，這些微小的癌腫瘤是很難與正常組織區(qū)分開來(lái)。

日本東京大學(xué)科研人員開發(fā)了一種無(wú)色透明的“gGlu-HMRG”的熒光試劑，gGlu-HMRG與卵巢癌細(xì)胞中的“β-半乳糖苷酶”發(fā)生反應(yīng)后，就會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈熒光。以此可以早期鑒別正常組織與卵巢癌腫瘤經(jīng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)，當(dāng)向患有卵巢癌的實(shí)驗(yàn)鼠噴灑gGlu-HMRG熒光試劑后，存在癌細(xì)胞的癌腫瘤在數(shù)分鐘后就能發(fā)出非常明亮的熒光，用肉眼便可觀察到，能高精度檢測(cè)出1 mm以下的微小癌腫瘤。術(shù)者只要以熒光為標(biāo)記，就能成功切除了癌腫瘤。

由于在檢測(cè)癌腫瘤時(shí)只需噴灑微量的試劑，所以副作用很小。至于gGlu-HMRG熒光試劑的精確度和安全性還需進(jìn)一步驗(yàn)證，目前還未開展臨床試驗(yàn)。

當(dāng)然，用這種方法還可以開發(fā)其它更多的試劑，與不同的酶結(jié)合，用于不同種類的癌細(xì)胞的檢測(cè)。

（本刊訊）

A Meridian Visualization System Based on Impedance and Binocular Vision

【W(wǎng)riters】SU Qiyan, CHEN Xin
College of Physics & Information Engineering, Fuzhou, 350108

To ensure the meridian can be measured and displayed correctly on the human body surface, a visualization method based on impedance and binocular vision is proposed. First of all, using alternating constant current source to inject current signal into the human skin surface, then according to the low impedance characteristics of meridian, the multi-channel detecting instrument detects voltage of each pair of electrodes, thereby obtaining the channel of the meridian location, through the serial port communication, data is transmitted to the host computer. Secondly, intrinsic and extrinsic parameters of cameras are obtained by Zhang's camera calibration method, and 3D information of meridian location is got by corner selection and matching of the optical target, and then transform coordinate of 3D information according to the binocular vision principle. Finally, using curve fitting and image fusion technology realizes the meridian visualization. The test results show that the system can realize real-time detection and accurate display of meridian.

impedance, binocular vision, meridian, visualization

R197.6

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2015.03.003

1671-7104(2015)03-0166-04

2015-11-25

福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2012J01267）

蘇祈艷，E-mail: teasu_72@163.com