数字图像处理技术在中医药信息化中应用研究概况.doc -- 5 元

数字图像处理技术在中医药信息化中应用研究概况周苏娟1,涂泳秋1,黄展鹏1,蒋世忠1,孟江21.广东药学院医药信息工程学院,广东广州5100062.广东药学院中药学院,广东广州510006关键词数字图像处理技术中医药信息化综述DOI10.3969/j.issn.10055304.2012.05.中图分类号R205文献标识码A文章编号10055304201205基金项目广东省医学科学技术研究基金A2009313、B201015220世纪70年代,X射线计算机断层扫描成像XCT的发明引发了医学影像领域一场革命,数字图像处理开始应用于医学领域。医学图像处理在现代医学的医学诊断、临床治疗等方面起着非常重要的作用。2007年,国家中医药管理局发布的中医药信息化建设十一五规划纲要明确提出了未来中医药信息化的建设方向。大力推进中医药信息化是中医药事业发展的重要保障。笔者现将数字图像处理技术在中医药信息化中的应用研究现状作一介绍,并对其发展趋势加以探讨。1数字图像处理技术在中医药信息化中的应用现状中医临床的诊治是医生对于患者的观察由表及里,以点代面来综合把握患者的身体状况,对证施治,所以,其过程中必然牵涉到很多图像的辨证分析,通过图像处理技术的应用来解决这些问题,是中医信息化、现代化的重要路程之一。以下主要从中医领域和中药领域两个方向探讨数字图像处理技术在中医药信息化中的应用研究现状。1.1中医领域中医四诊客观化是中医现代化的重要内容,关系到中医辨证的规范化、病证诊断的标准化。近几十年来,国内外对四诊客观化的研究日益深入,取得不少进展。其中,图像处理技术在中医四诊客观化中的应用研究主要集中在望诊方面。望诊中的面象、舌象等包含了丰富的信息,利用图像处理技术提取人眼不易观察到的与中医诊疗相关的面部特征信息,有助于提取具有证候鉴别意义的望诊特征信息。1.1.1望面色面部与脏腑相关,脏腑的生理病理可以反映在面上,通过望面色就可以了解内脏的病变。刘氏等1采用数码摄像技术对亚健康状态大学生及慢性乙型肝炎肝肾阴虚证受试者的面部、手掌、舌象进行拍照,在中医舌诊专家系统中检测其红、绿、蓝色RGB值,结果亚健康状态及慢性乙型肝炎肝肾阴虚证在色诊方面存在着明显的区别。但研究中没有考虑到图像样本的色彩标准化问题。许氏等2应用数字图象分析技术对207名大学生进行面色特征分析,分析不同健康状态、亚健康不同证型的面部颜色特征。结果表明,亚健康各证性组之间存在较多显著差异。马氏3针对人脸图像信号获取的环境要素不稳定,以及以往研究中人脸颜色特征提取和分类方法设计不够合理的问题,提出了颜色校正策略、人脸病理区域分割以及针对肝病分类的特征提取算法。毛氏等4对可疑患者脸色与病例库中标准病例脸色之间的配准进行了研究,将基于肤色模型和动态外观模型的人脸多特征点精确定位方法相结合,应用于面向中医望诊的人脸图像特征定位中,利用所得特征点对人脸划分区域,在各区域内提取颜色特征,实现了基于颜色的图像配准。1.1.2望目五轮学说认为,观察目部不同部位的形色变化,可以诊察脏腑的病变。郭氏等5在中医望诊中眼神跟踪与分析中给出了目前用于眼睛定位、跟踪的算法与思路,包括双眼的精确定位中使用的区域分割法、边缘提取法、灰度投影法、模板匹配法、可变模板匹配等方法。但没有就如何通过望眼神与中医望诊关联诊测一个人的身体健康状况作进一步的详细阐述。金氏等6使用了20张有药物沉积斑的虹膜图像,11张有阳光放射沟的虹膜图像,采用多通道Gabor滤波提取虹膜纹理特征,研究如何提取身体某个部位发生病变后在虹膜上引起的相应变化。朱氏7对望目辨证数字化中的白睛颜色校正、络脉提取、斑块高度恢复等技术进行了研究,实现了相应的望目辨证数字化实验系统,初步验证了望目辨证数字化的可行性。1.1.3望手现代全息医学认为,手掌是全息器官,手掌上的信息可以反映整个人体的健康情况。哈尔滨工业大学在自动手掌诊断方面取得了较大的研究进展。邬氏等8针对掌色偏差较大的病态手掌图像的识别,定义了一类颜色特征基于色度和饱和度的二维统计特征,并根据手掌图像样本分布的特征,提出了用于手掌图像分类的多中心动态聚类算法。并首次对手掌上病理纹的提取进行了尝试,其根据掌纹线的特点设计了方向线检测器,并用这些检测器在不同方向上对掌纹线进行提取,然后将各方向上的掌纹线综合在一起形成完整的掌纹线,最后根据掌纹线各点的连通度对非封闭型病理纹进行了识别。程氏9在掌纹纹线的提取过程中,引入多分辨率分析,改进二进制小波模极大值算法,构造适合边缘检测的3次B样条小波,应用于纹线提取中,并根据掌纹图像中纹线的特征,提出一种小波滤波的纹线提取算法。看指纹是传统中医通过观察小儿指纹形色变化诊断小儿疾病寒热虚实的手段之一,一般用于3岁以下的患儿。李氏等10采用数码摄像机微距拍摄小儿指纹255例,观察分析食指指纹的颜色客观指标,并结合健康状况调查表,进行统计学处理,阐2ChineseJournalofInformationonTCMMay.2012Vol.19No.5述了小儿指纹变化与临床病证的相关性。1.1.4望舌传统舌诊主要依赖于医生个人经验和知识,这造成了诊断结果的主观性和可重复性差等缺点,并且,舌诊经验不能客观化地保留。因此,基于图像处理的舌诊客观化研究就显得非常重要。舌诊客观化研究中涉及图像处理的重要内容包括舌象分割和舌质舌苔的特征提取。舌象分割包括舌体的提取以及舌质舌苔的分离。舌象分割是舌象分析的重要前提。图像分割算法中的边缘分割法、区域分割法等被广泛应用于舌象分割中。在边缘检测法方面,许氏11设计了一种基于Sobel边缘检测的方法进行舌象提取。ZuoWM等12提出用极性边缘检测与动态轮廓模型相结合分割舌象。王氏等13提出了一种舌体边缘检测和梯度矢量流GVF动态轮廓线相结合的全自动舌体分割方法。在区域分割法方面,陈氏等14提出使用多个色彩通道动态选取阈值的舌苔舌质分离算法。李氏15提出基于直方图阈值和Snakes模型的舌象图像自动分割算法,实验表明样本分割准确率约95。WuJ等16提出用分水岭变换与动态轮廓模型结合提取舌象的方法。傅氏17提出基于区域生长和Snake模型的舌像分割。许氏等18提出基于图像区域分割方法的舌质与舌苔识别。除以上传统图像分割算法外,利用数学形态学、模糊理论、神经网络、遗传算法、粗糙集理论、小波分析和小波变换等数学工具,采用多种方法和模式的结合成为改善图像分割效果的有效手段。舌质的变化主要反映脏腑的虚实和气血的盛衰，而舌苔的变化主要用来判断感受外邪的深浅、轻重,以及胃气的盛衰。舌质与舌苔的特征主要包括舌质和舌苔的颜色、舌苔的纹理、厚薄、润燥等。这可以认为与图像的颜色、纹理、形状等主要底层特征相对应。20世纪90年代,出现了舌诊专家软件、舌诊仪、舌象自动分析仪等用于舌图像分割、舌象色彩校正、舌色苔色分类的仪器。台湾的CCChiu等19首次在舌象纹理方面开展工作。浙江大学与上海中医药大学合作开展了中医诊断系统的研究,并在舌象的纹理分析,点刺、瘀点的识别判断,裂纹的识别分析以及边缘生长和舌象提取等几个方面20取得了满意的结果。周氏等21提出了一种基于颜色和空间纹理特征的研究舌特征的新途径,根据2DGabor小波系数能量分布以及方位与舌纹的关系,采用不变矩的方法定性地描述舌纹的多少,从而为舌诊提供了重要的量化信息。陈氏等22提出了一种舌象裂纹检测的自适应阈值选择方法。诸氏等23将一种结合了颜色和纹理特征、基于内容的多特征图像检索算法引入到中医舌象的分析中。圣氏等24利用流形学习方法中LandmarkIsoma对3594幅舌图像的原始特征向量进行降维,有效提取出了舌图像的舌质颜色、舌苔颜色、舌色深浅等颜色特征。1.2中药领域图像处理在中药领域的应用研究主要集中在中药材鉴定方法中。长期以来,传统中药鉴定主要依赖经验鉴别以及基于二维平面和定性描述的显微鉴定,对易混淆的中药材品种难以作出全面、客观、准确的刻画。在中药显微鉴定方面,肖小河领衔完成的数字可视化中药,又称中药计算机三维重建与显示技术,利用中药材组织的连续切片,通过计算机进行自动分析和处理,以获取中药材及其组织细胞的三维几何信息和拓扑信息,构建和表征其立体形态结构,并以实时动态的方式显示出来25。阿木古楞等26通过形态变换的组合和柱状图均衡化操作,用Matlab实现了红花粉末中药显微特征灰度图像的噪声滤波,得到质量较好的预处理图像。王氏等27综合运用分形维数、二级小波变换和灰度梯度共生矩阵3种方法分析中药材贝母粉末显微图像的纹理,共提取了8个特征量用于模式识别实验,得到了较好的识别效果。张氏等28提出了一种基于RGB空间聚类的彩色图像分割算法,实现计算机自动判定中药叶片图像种类乃至中药叶片的分割。在中药理化鉴定方面,吴氏等29提出了一类基于小波变换的化学模式图像识别法,并应用于中药质量的直观表征与整体辨识。其采用二维灰度图对抽提出的中药样品化学特征信息进行图像表征,形成视觉可分辨的化学模式图像。将该方法用于不同等级、产地及采收年份的当归样品鉴定,结果表明,该方法可有效地解决中药质量整体辨识难题。张氏等30针对中药材光谱图像的特点提出了一种提取图像中感兴趣区ROI的区域增长算法。该方法能够根据不同的图像自动选取种子点、生长条件和终止条件在分割后对图像进行连通性分析,去除无意义的生长点采用区域填充法消除目标区域中可能出现的小孔洞,最终实现对中药材光谱图像ROI的成功提取,分割偏差小于8。在中药生物鉴定方面,王氏31提出用分子图像技术结合系统生物信息学方法研究中药复方的分子作用机制,为中药复方的研究指明了可能途径。吴氏32针对基于内容的中草药植物图像检索问题,对中草药植物叶子图像的领域特征提取、层次化检索策略、基于显著轮廓曲线的图像检索、基于视觉注意的花卉图像检索等问题进行了系统全面的研究。1.3其他领域1.3.1中西医结合CT、MRI、超声等现代生物医学影像技术被广泛应用在现代医学辅助诊断中。而分析利用各种成像技术得到的图像与中医辨证分型的关系,将是补充中医辨证方法的一种有效尝试。谢氏等33研究了乳腺增生病冷光透照图像与中医辨证分型的关系。吴氏34研究了胆石症超声图像特征与中医辨证分型关系。刘氏等35研究了慢性肾炎B超图像及病理改变与中医辨证分型的关系。结果中医辨证分型与这些图像及病理存在一定的内在联系,可以作为中医辨证参考指标,对患者病情发展、预后判断有重要的临床意义。1.3.2中医药教学数字化研究平台的出现可以为传统中医理论与现代数字技术的结合提供实践基础,为中医药教学提供一种理想和直观的多媒体手段。可视人体计划的实施掀起了世界范围内数字化解剖软件开发的热潮。针灸学知识也开始从图谱和腧穴铜人等二维描述形式逐步走向三维数字化表达方式36。20世纪80年代初,严氏等37对全身主要穴位进行活体人体CT扫描、拍片记录图像,并将穴位融合进去进行图像分析,再把分析图勾画出来。利用图像处理中的重建技术对人体全身穴位进行三维重建也在近些年成为研究热点。国内已有学者运用计算机图像数字处理技术重建人体针灸穴位应用解剖立体结构38,在微机上显示穴位的三维图像和多方位的立体结构,指导临床医生正确掌握针灸医术,同时制作出中国针灸穴位人三维重构图像数据库和三维重构软件及相配套系统。2展望随着计算机和数字图像处理技术的不断发展,越来越多的新技术被应用到传统中医药的信息化进程中。但中医药信息化毕竟涉及到中医药、信息技术多个不同领域的学科交叉,需要多学科研究人员协力攻关,其研究成果才有可能与中医临床实际紧密结合同时,如何加快将图像处理技术的最新成果应用于中医药信息化的进程中也是亟需解决的一个问题。如最近图像处理领域的研究热点吉布斯Gibbs随机场是否能够应用到中医舌体图像分割中,目前未见有相关的文献。目前研究的图像处理技术在中医中的应用主要集中在望诊的面象、舌象研究中,而中医望诊中包含的内容远不止这些。如甲诊,属中医望诊中望形的范畴,是通过观察爪甲形态与色泽变化来识别病证的一种方法。但与其他常见诊法相比,甲诊的应用尚不够广泛和深入,图像处理技术在这些领域的应用研究还有待进一步扩展。另外,目前尚无公认的标准中医图像数据库,使中医客观化研究的各种方法缺乏统一的评价标准和参照平台。因此,有必要建立包括面象图、舌象图等在内的相关病证中医四诊特征信息数据库,并利用数据库平台对中医四诊信息进行融合分析,利用数据挖掘技术发现四诊信息与辨证分型的关系,建立临床表征体系,以获取有关中医病性、病位的客观诊断依据。总之,利用数字图像处理技术辅助并模拟复杂的中医诊疗过程,促进中医药学的信息化现代化发展,是继承和发扬中华医药的一项具有深远意义的研究课题。参考文献1刘文兰,于玫,张炎,等.亚健康状态及慢性乙型肝炎肝肾阴虚证色诊客观化比较研究J.陕西中医,2004,2512728.2许家佗,李蕾,张志枫,等.基于图像处理的亚健康状态面色特征分析C//中国中西医结合学会诊断专业委员会2009年会论文集.北京中国中西医结合学会,200992.3马丽霞.彩色人脸图像颜色校正及其在肝病诊断中的应用研究D.哈尔滨哈尔滨工业大学,2009.4毛红朝,林坤辉,周昌乐,等.面向中医望诊的人脸图像配准J.郑州大学学报理学版,2007,392118131.5郭锋,林颖.中医望诊中眼神跟踪与分析综述J.心智与计算,2007,13391395.6金秋春,马琳,王宽全.虹膜图像上典型疾病特征提取及识别技术研究C//计算机在诊法中的应用与研究论文汇编.北京中国中西医结合学会,2004115117.7朱贵冬.中医望目辨证的数字化技术研究D.北京中国科学院研究生院计算技术研究所,2006.8邬向前,李乃民,王宽全,等.基于手掌颜色特征的癌症诊断C//计算机在诊法中的应用与研究论文汇编.哈尔滨中国中西医结合学会,2005105107.9程名.基于小波变换的多分辨率掌纹纹线提取D.厦门厦门大学,2006.10李吉宗,张乐平,顾星.基于微距摄影对小儿指纹的形色研究J.湖南中医药大学学报,2010,309152154.11许家佗.舌象辨证信息的计算机识别与量化及其应用研究D.上海上海中医药大学,2002.12ZuoWM,WangKQ,ZhangD,etal.CombinationofpolaredgedetectionandactivecontourmodelforautomatedtonguesegmentationC//ProceedingsThirdInternationalConferenceonImageandGraphics.HongKongQIRTJournal2004270273.13王郁中,杨杰,周越,等.一种舌图像中舌体的自动提取方法J.计算机仿真,2005,222233235.14陈海燕,卜佳俊,龚一萍.一种基于多色彩通道动态阈值的舌苔舌质分离算法J.北京生物医学工程,2006,255466469.15李胜旭.基于直方图阈值和Snakes模型的舌象图像自动分割J.辽宁科技大学学报,2009,326587589.16WuJ,ZhangY,BaiJ.TongueareaextractionintonguediagnosisoftraditionalChinesemedicineC//ConferenceofIEEEEngineeringinMedicineandBiologySociety,ShanghaiEMBS2005Conference.200549554957.17傅之成,李晓强,李福凤.基于区域生长和snake模型的舌像分割C//第十三届全国图象图形学学术会议论文集.南京清华大学出版社，2006279283.18许家佗,屠立平,张志枫,等.基于图像区域分割方法的舌质与舌苔识别J.上海中医药大学学报,2009,2334245.19ChiuCC.ThedevelopmentofacomputerizedtonguediagnosissystemJ.BiomedicalEngineeringApplication，BasisandCommnunications,1996,84342349.20孙炀,罗瑜,周昌乐,等.一种基于分裂合并方法的中医舌像区域分割算法及其实现J.中国图像图形学报,2003,8a1213951399.21周越,沈利,杨杰.基于图像处理的中医舌像特征分析方法J.红外与激光工程,2002,316490.22陈小芬,李翠华,杜晓凤.自适应阈值的舌象裂纹检测J.计算机技术与发展,2009,1911720.23诸薇娜,周昌乐,徐丹,等.基于颜色纹理的图像多特征检索技术在中医舌诊中的应用研究J.中国图象图形学报,2005,108990998.24圣少友,李斌,岳小强,等.基于流形学习的舌图像颜色特征提取J.航天医学与医学工程,2008,215435439.25刘桐.中药鉴定实现数字化可视化J.中药研究与信息,2004,5263.26阿木古楞,白云莉,白明柱,等.中药显微特征图像的形态滤波预处理J.内蒙古农业大学学报,2007,282194196.27王亚杰,李一波,李殿起.基于纹理的中药材贝母显微图像的识别J.4ChineseJournalofInformationonTCMMay.2012Vol.19No.5计算机工程与设计,2004,251016761677.28张翠萍,杨善超.基于K均值聚类算法的中药叶片显微图像分割J.石河子大学学报自然科学版,2009,273384386.29吴永江,余杰,程翼宇.用于中药质量整体辨识的小波基化学模式图像识别法J.浙江大学学报工学版,2002,364455458.30张万祥,庞其昌,赵静,等.中药光谱成像图像自适应区域增长分割方法J.应用光学,2010,3117882.31王晓明.用分子图像技术研究中药复方配伍理论J.世界科学技术中医药现代化,2010,123343345.32吴清锋.基于内容的中草药植物图像检索关键技术研究D.厦门厦门大学,2007.33谢素媛,周劬志,司徒红林.乳腺增生病冷光透照图像与中医辨证分型的关系J.广西中医药,1994,17121011.34吴曙军.胆石症超声图像特征与中医辨证分型关系探讨J.浙江中医杂志,1999,448353354.35刘雪玲,史伟.慢性肾炎B超图像及病理改变与中医辨证分型的关系J.中医药研究,2002,1847.36赵静,刘红菊,庄天戈,等.融合中医知识库的虚拟针灸三维浏览器J.上海针灸杂志,2005,2422930.37严振国,邵水金,刘延祥.针灸穴位医学工程学的构建J.浙江中医药大学学报,2009,335651.38余安胜,张海东,李凤梅,等.中国穴位三维人应用解剖学研究C//上海第三届中外针灸科研及临床会议资料.上海上海中医药大学。2002305306.收稿日期20110526,编辑梅智胜2012年5月第19卷第5期中国中医药信息杂志5