徐彬鋒 陳梓健 馬曉嬡 胡亞榮

（廣東食品藥品職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510520）

現(xiàn)代社會生活節(jié)奏快，競爭激烈，工作繁忙，使得大多數(shù)人的身體都處于亞健康狀態(tài)。因此，每個人對身體健康都非常關(guān)注，但因?yàn)楣ぷ鞣泵?、看病開銷大、病情涉及到隱私問題（如尿液、糞便、精液等檢測化驗(yàn)）等原因，使很多人都沒辦法或者不想去醫(yī)院進(jìn)行檢查，只是根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行治病，導(dǎo)致誤判而錯過了最佳治療時間，一些隱私問題也無法得到解決。而同時，智能手機(jī)卻在人的生活中扮演了越來越重要的角色，手機(jī)硬件性能的提升以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展使得手機(jī)的應(yīng)用范圍越來越廣。利用手機(jī)實(shí)現(xiàn)便攜式醫(yī)學(xué)診斷也逐漸成為可能。中醫(yī)學(xué)在醫(yī)學(xué)診斷方面有“望、聞、問、切”4個方面。本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)聚焦于“望”這個環(huán)節(jié)，利用創(chuàng)新顯微技術(shù)結(jié)合智能手機(jī)平臺強(qiáng)大的圖像處理能力，設(shè)計(jì)出一種基于智能手機(jī)的“望診系統(tǒng)”。經(jīng)過應(yīng)用，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對使用者病情的初步診斷并同時對病人的病情進(jìn)行監(jiān)控，在亞健康控制方面有深遠(yuǎn)的應(yīng)用意義。

1 望診系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成，如圖1所示為本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，硬件系統(tǒng)借助高倍的顯微鏡采集圖像數(shù)據(jù)送入智能手機(jī)，軟件系統(tǒng)對采集的圖像與數(shù)據(jù)庫中的圖像作比對，給使用者給出可能的診斷建議。

2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要由兩部分組成：一部分是顯微鏡系統(tǒng)，另外一部分是智能手機(jī)部分。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)使用高倍的顯微鏡并對其進(jìn)行改進(jìn)，外加裝置可以將顯微鏡輕松安裝固定在手機(jī)上，手動調(diào)節(jié)裝置，便可以實(shí)現(xiàn)通過手機(jī)前置攝像頭和后置攝像頭的數(shù)據(jù)采集。如圖2所示為顯微鏡固定裝置結(jié)構(gòu)圖。該裝置利用金屬滑軌可以調(diào)節(jié)顯微鏡鏡頭的位置，從而可以適應(yīng)不同品牌的手機(jī)來使用。為了避免裝置將手機(jī)閃光燈的光線擋住，本裝置設(shè)計(jì)了光源在顯微鏡旁邊，電池供電。

光學(xué)部分采用了優(yōu)質(zhì)的非球面鏡片，其鏡頭畸變微不可察，而且它還擁有極高的分辨率，通過對測試圖紙的觀察得出，最微小的測試線條之間的間隔僅為3微米。本系統(tǒng)光學(xué)部分設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

由于現(xiàn)在主流的智能手機(jī)配置已經(jīng)達(dá)到了很高的標(biāo)準(zhǔn)，性能相當(dāng)于小型電腦，本系統(tǒng)另外一部分硬件系統(tǒng)直接采用智能手機(jī)平臺來完成，加快了開發(fā)速度，同時降低了用戶的使用成本，便于推廣。

3 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)框

望診系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于Android平臺的軟件系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)上從功能上主要分為兩部分，一個是圖像拍攝，一個是診斷分析，分別對應(yīng)軟件中兩個按鍵，由用戶根據(jù)自己需求選擇合適的功能。圖像拍攝部分主要是調(diào)用智能手機(jī)的攝像頭，采集由顯微鏡獲取的數(shù)據(jù)，使用者可以直接對放大400倍的圖像進(jìn)行分析，得出診斷分析結(jié)果。診斷分析部分主要由系統(tǒng)對所獲取的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，給出參考的診斷意見。如圖4所示，用戶打開軟件后，選擇合適的功能，按照系統(tǒng)提示便可完成測試。

圖2 顯微鏡固定裝置結(jié)構(gòu)

圖3 系統(tǒng)光學(xué)部分結(jié)構(gòu)

醫(yī)學(xué)圖像處理部分是本項(xiàng)目的關(guān)鍵部分，如圖5所示為本系統(tǒng)的圖像處理過程。在初步診斷研究中，我們使用了中醫(yī)圖像的診斷技術(shù)。

在系統(tǒng)采集到圖像后，我們對圖像進(jìn)行預(yù)處理，去掉一些干擾信息，使得圖像更容易進(jìn)行圖像分割和特征提取等步驟。在圖像預(yù)處理環(huán)節(jié)，本系統(tǒng)主要使用了常見的圖像降噪、圖像平滑、圖像增強(qiáng)以及偽彩技術(shù)等，對圖像進(jìn)行濾波降噪處理，提高圖像的對比度和色彩，為下一步圖像處理做準(zhǔn)備。圖像分割是整個系統(tǒng)中定量化分析最重要的步驟。由于所采集的圖像具有不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，如舌體、面部等，如果采用矩形的圖像采集方法必然會包含很多無用的圖像區(qū)域，需要使用圖像分割算法將感興趣區(qū)域（ROI，Region of Interest）提取出來。本系統(tǒng)所運(yùn)用的算法是將所采集的RGB圖像映射到HSV空間，從而生成對應(yīng)的灰度圖。對灰度圖像使用拉普拉斯、Canny算子與Sobel算子相結(jié)合的梯度邊緣檢測算法進(jìn)行梯度較強(qiáng)邊緣的提取，然后根據(jù)濾波生成的輪廓區(qū)分邊緣像素點(diǎn)，獲得ROI像素點(diǎn)的色調(diào)范圍。然后，對H通道圖像設(shè)定一個色調(diào)閾值范圍，使整個H通道圖像中在色調(diào)閾值范圍的區(qū)域?yàn)楸Ａ魠^(qū)域，將其他的色調(diào)區(qū)域刪除。最后，通過輪廓搜索與區(qū)域連接，從而得到精確的ROI輪廓。得到診斷圖像ROI后，需要對其進(jìn)行特征提取，本系統(tǒng)所涉及的特征提取主要包含兩個方面：一個是ROI顏色特征提取，因?yàn)楦鶕?jù)中醫(yī)診斷學(xué)理論，不同的顏色代表不同的病理，例如舌色和臉色等。第二是ROI的幾何特征，不同的幾何外觀和外形也代表不同的病理。對于顏色特征提取，使用RGB顏色空間的通道值直接作為顏色取值；而對于幾何特征提取，同樣使用如上所述的邊緣檢測算法，對ROI的面積、偏斜角、長度、寬度、圓形度和矩形度等參數(shù)進(jìn)行獲取，得到ROI的外觀和外形特征。最后，根據(jù)軟件所獲取的特征數(shù)據(jù)，與已有數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，得出相關(guān)診斷建議給使用者參考。

圖4 軟件使用流程

圖5 圖像處理算法設(shè)計(jì)思路

4 望診系統(tǒng)的應(yīng)用

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行初步應(yīng)用，如圖6所示為本系統(tǒng)的軟件界面。

圖6 望診系統(tǒng)軟件界面

中醫(yī)經(jīng)過整體觀念與辨證論治形成最終一個重要理論—中醫(yī)診斷學(xué)。經(jīng)過古代人民的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，中醫(yī)診斷主要包括“望、聞、問、切”4個診斷疾病的方法。望診，作為4診之首，就是通過觀察病人的外在形、神、色等診法來診斷疾病。望診的主要內(nèi)容是面診和舌診。望面是指通過觀察病人的面部的五官色澤變化來判斷整個人及體內(nèi)相應(yīng)內(nèi)臟的健康情況，以此作為診斷和治療的依據(jù)。本系統(tǒng)的應(yīng)用主要有兩個方面：一個是對被測器官做細(xì)菌方面的分析，一個是結(jié)合中醫(yī)理論，針對被測器官的測試圖像，給出診斷學(xué)方面的相關(guān)建議。

4.1 細(xì)菌分析

本系統(tǒng)在該應(yīng)用時選擇拍攝毛發(fā)作為測試對象，經(jīng)顯示，測試效果良好。使用本系統(tǒng)拍攝時，主要關(guān)注點(diǎn)在4個部分的形態(tài)結(jié)構(gòu)，即：毛干、毛囊、皮表和毛細(xì)血管，采用非接觸的方式來拍攝。圖7為使用本系統(tǒng)拍攝的頭發(fā)顯微圖片。利用本系統(tǒng)自動診斷功能可以得出，該樣本顯示志愿者的毛發(fā)健康，顏色暗紅表明該頭發(fā)有染色情況發(fā)生或者頭發(fā)營養(yǎng)不足導(dǎo)致，毛發(fā)上白點(diǎn)為頭皮屑，建議該志愿者加強(qiáng)營養(yǎng)并及時洗頭。

4.2 病情診斷

圖7 毛發(fā)顯微

本系統(tǒng)該功能部分，軟件主要是結(jié)合中醫(yī)診斷學(xué)理論，使用面診和舌診兩個方面測試結(jié)果進(jìn)行分析診斷。面診是中醫(yī)辨證診斷中的重要內(nèi)容。面部是全身經(jīng)絡(luò)血脈匯聚的地方，人臉的面色、光澤、眼神、色素沉著、口唇顏色等特征能反映人體五臟的病變狀態(tài)。很多重要的臨床診斷信息都存在于人體的面部圖像，根據(jù)中醫(yī)理論，人體的五臟對應(yīng)面部的物種色澤，即青赤黃白黑。觀察面部的變化對于人體臟腑病變情況的判斷有著重要的作用。青、黑色可提示疼痛，赤、黃色可提示熱證，白色可提示寒證。在面診測試時，本系統(tǒng)同時結(jié)合了皮膚鏡技術(shù)。皮膚鏡技術(shù)是一種觀察人體皮膚微結(jié)構(gòu)及其病變的顯微圖像分析技術(shù)，它的觀察范圍從表皮一直到真皮的深部。由于這項(xiàng)技術(shù)對實(shí)現(xiàn)了在不必要損傷皮膚的前提下對肉眼不可見的部位進(jìn)行觀測，具有很高的臨床應(yīng)用價值和潛在的試驗(yàn)研究空間。人體皮膚并非絕對光滑，大量皮溝和皮脊對光線的散射是觀測皮膚最主要的障礙，因此必須處理如吸收系數(shù)、反射系數(shù)等光學(xué)相干的問題。皮膚鏡的觀察范圍從表皮一直到真皮深部。鏡下所觀察到皮膚顏色是由皮膚中的不同層次與深度所含的黑色素反射光線后形成的。由角質(zhì)淺層的黑色向真皮深層的藍(lán)色逐漸過渡，當(dāng)皮損的多層均含有色素，重合疊加之后也可呈黑色。血管數(shù)量的增多或擴(kuò)張則顯示為紅色。組織退化或瘢痕區(qū)域顯示為白死。圖8為系統(tǒng)拍攝分析面診皮膚圖像。經(jīng)過自動診斷，系統(tǒng)給出面部局部有痤瘡的主要原因可能是皮脂分泌過多等導(dǎo)致。

圖8 面診皮膚圖像

舌診是中醫(yī)診斷中最重要、應(yīng)用最廣泛的診斷方法之一，在臨床應(yīng)用和自我診斷中也有很高的價值。舌診的優(yōu)勢在于它的簡單性和即時性。每當(dāng)有一個復(fù)雜的疾病診斷充滿矛盾時，檢查舌頭往往可以迅速澄清主要的病理過程和證型分型。舌象通常反映患者的真實(shí)情況。中醫(yī)舌診理論中，舌象的變化反映身體五臟的健康狀況在改變。傳統(tǒng)中醫(yī)理論將人的舌體可分為五個部分，分別與人的五臟相對應(yīng)。如圖9所示。由于我們舌體表面的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此舌象主要包括舌苔和舌質(zhì)兩部分，舌象的苔質(zhì)主要靠顏色進(jìn)行區(qū)別，常見的舌苔顏色有灰色、白色、黃色和黑色，舌質(zhì)顏色主要有紅降色、紅色、紫色、白色和淡紅色等。根據(jù)所拍攝的舌尖圖像，系統(tǒng)給出結(jié)論，該被測試者舌質(zhì)顏色為淡紅色，表明該被測試者身體處于健康狀態(tài)。

圖9 舌診圖像中醫(yī)診斷示意及舌尖拍攝圖像

綜上所示，本項(xiàng)目利用手機(jī)顯微技術(shù)設(shè)計(jì)了望診系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)做了初步應(yīng)用，證實(shí)本系統(tǒng)有較好的實(shí)踐意義，值得進(jìn)一步推廣。