（计算机应用技术专业论文）中医舌诊辅助中成药使用系统中的舌象分析研究.pdf

摘要 摘要 舌诊是中医诊病的重要内容，中医通过舌诊可了解人体脏腑的虚实，辨别病 邪的深浅，病情的寒热，判断病势的轻重变化。中医舌诊辅助中成药使用系统采 用计算机舌诊的方法自动诊断，对诊疗和用药起指导作用，能够提高药品的销售 和使用的准确性和安全性，对诊疗和用药起到了很大的作用。舌象的分析和处理 是该系统中一个重要的组成部分，是影响系统性能的一个主要因素，也是舌诊客 观化研究的重要内容。 本文详述了中医舌诊辅助中成药使用系统的结构设计和功能实现，介绍了系 统的结构功能的各部分。在舌象分析方面的研究中，提出了用聚类分析方法来分 离舌苔和舌质，并和常用的基于阈值的算法进行了比较，说明了聚类在舌苔舌质 分离中的有效性。根据舌诊方式的特点，采用了模糊数学的方法改进聚类分析。 在研究中，采用h s v 和a 宰b 木颜色空间作为处理方法，改进r g b 颜色空间的 分离方法，降低了光照的影响，提高了分离的准确性。同时对比了两种颜色空间 的优缺点，分析了颜色分量对实验结果的影响，设计了较好的分离算法。在舌苔 舌质分类判断的研究中，利用聚类分离得到的舌苔舌质数据，采用b p 神经网络 来设计分类器，在实验中取得了较好的分类结果。 关键词：舌象分析，聚类，b p 网络 a b s t r a c t a b s t r a c t t o n g u ei n s p e c t i o ni s o fi m p o r t a n c ei nt r a d i t i o n a lc h i n e s em e d i c i n e ( t c m ) b y t o n g u ei n s p e c t i o n , h e r b a l i s td o c t o 璐c 锄k n o wt h ep a t i e n t sh e a l t hs t a t u s ，c a nt e l lt h e c o l do rh e a ts y n d r o m e ，e x c e s so rd e f i c i e n c ys y n d r o m e a u x i l i a r yp r o p r i e t a r yc h i n e s e m e d i c i n ep r e s c r i p t i o ns y s t e mu s i n gt o n g u ei n s p e c t i o n ( a p p s t i ) u s e sc o m p u t e r t e c h n o l o g yt os i m u l a t et h et o n g u ei n s p e c t i o np r o c e s si nt c m a n dc a lp r o v i d eu s e f u l i n f o r m a t i o nf o rt h ed i a g n o s i sa n dt h ep r e s c f i p t i o n i nt h i sw a ya p p s t ic a ni m p r o v e t h ev e r a c i t ya n ds e c u r i t yi ns e l l i n ga n du s i n gm e d i c i n ea n di so fg r e a tv a l u ei n p r a c t i c a lu s ei nd r u g s t o r e sa n dc l i n i c s t h et o n g u ei m a g ea n a l y s i sa n dp r o c e s s i n gi sa c r u c i a lp mi na p p s t ia n dh a sat r e m e n d o u si m p a c to nt h es y s t e mp e r f o r m a n c e i ti s a l s ot h em a i nt a s ki ns t u d i e so no b j e c t i v e n e s so ft c mi n s p e c t i o na n do fg r e a t s i g n i f i c a n c e t h ef t a m eo ft h ea p p s t is y s t e ma r c h i t e c t u r ea n dt h er e a l i z a t i o no fs y s t e m f u n c t i o na r cd e s c r i b e di nt h i sp a p e r t h et o n g u ei m a g ep r o c e s s i n ga n da n a l y s i si sf u l l y i n v e s t i g a t e d t h ec l u s t e r i n gm e t h o di si n t r o d u c e dt ot h es e p a r a t i o no ft o n g u ec o a ta n d s u b s t a n c e v i ac o m p a r i n gt ot h et r a d i t i o n a lt h r e s h o l ds e p a r a t i o nm e t h o d , t h ek - m e a n s c l u s t e r i n gs h o w sab e t t e rv a l i d i t y t h e n ，a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r eo ft h et o n g u e i n s p e c t i o nw o r k , f u z z yc l u s t e r i n gi sa p p l i e d t o i m p r o v et h eo r i g i n a l m e t h o d f u r t h e r m o r e ，h s va n dl a b c o l o rs p a c ei s u s e dt om o d i f yt h ec l u s t e r i n g p a r a m e t e r l i g h tc h a n g ec a nc a u s ei n a c c u r a c yi ns e p a r a t i o n h s va n dl + a b c o l o r s p a c ec a nd e s c r i b et h ei m a g e sm o r ea c c u r a t e l ya n dd e d u c et h el i g h t e f f e c t s v i a c o m p a r i n gt h et w oc o l o rs p a c e sa n da n a l y z i n gt h ec o l o rp a r a m e t e r si n f l u e n c eo n s e p a r a t i o nr e s u l t , an e ws e p a r a t i o nm e t h o di s d e v i s e da n di n v e s t i g a t e d i ns t u d yo f t o n g u ec o a ta n ds u b s t a n c ec l a s s i f i c a t i o n , t h eb pn e u r a ln e t w o r ki su s e dt op r o c e s st h e r e s u l t sf r o mt h et o n g u ec o a ta n ds u b s t a n c es e p a r a t i o n t h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h e b pn e u r a ln e t w o r ki se f f i c i e n ta n di sa ne a s yw a yt ob u i l tc l a s s i f i c a t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：t o n g u ei m a g ea n a l y s i s ，c l u s t e r i n g ，b p n 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。 本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明 确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。 声明人( 签名) ： 到牵 肋7 年罗月刁日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大 学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电 子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学 校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适 用本规定。 本学位论文属于 l 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( 4 ) ( 请在以上相应括号内打“4 ) 作者躲斛n 彦- i 导师签名。参彳弘 纠1 犹孑 l 1 r 。 日期：翮年期2 7 日 踹爰寸脚r 。 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 中医有着悠久的历史，她是中华民族灿烂文化的重要组成部分，几千年来为 中华民族的繁荣昌盛做出了卓越的贡献，并以显著的疗效、浓郁的民族特色、独 特的诊疗方法、系统的理论体系、浩瀚的文献史料，屹立于世界医学之林，成为人 类医学宝库的共同财富。2 0 0 1 年，江泽民同志在参加全国政协九届四次会议教 育医药卫生界联组会时强调指出：“中医药学是我国医学科学的特色，也是我国 优秀文化的重要组成部分，不仅为中华文明的发展作出了重要贡献，而且对世界 文明的进步产生了积极的影响。一【1 1 中医认为客观事物皆处于普遍的联系中，人体是各组成部分互相联系、相互 制约的有机整体。人体以五脏为中心，通过经络的联络，使各脏腑器官与整体的 联系密切。在正常情况下，由许多调节系统自行调节、自我平衡来维持人体的正 常生理活动，保持着信息的识别和处理的能力。而当人体某些调节系统发生故障 或出现病理变化时，人体就必然在其相应的部位发出异常的信息，通过研究这些 表征即可认识机体内部的变化。舌是人体全身脏腑、器官的缩影，人体各组织器 官的病变均可通过神经、血管和经络反映到舌的不同部位上来。舌上这种部位形 态的特异性、规律性改变就是望舌诊的重要依据。 中医舌诊历史的记载可追溯到3 0 0 0 多年前的西周年间，到了春秋战国、秦 汉时期作为一个中医诊断方法已形成存在，当时我国现存的中医经典著作i ：黄帝 内经上涉及的舌诊相关知识，包括舌质、舌苔、舌觉等方面的内容。汉唐时期 舌诊在中医实践中又不断发展验证，东汉中医名家张仲景( 公元1 5 0 年- 2 1 9 年) ， 将舌诊之重点放在观察舌质上，而唐代中医名家孙思邈( 公元5 8 1 6 8 2 年) 则 把舌诊观察舌象作为辩证脏腑的理论根据。宋金之时期，中医学界流传下来的医 著表明，中医理论和临诊学术著述颇丰，舌诊在此时期有较大发展。明清至民国 时期，明末至清代中叶，中医温病学趋于成熟，把“卫气营血辨证一搿三焦辨证一 结合起来，形成“温病察舌 的辩证原则，其中叶天士、吴鞠通更是将辨卫、气、 营、血、察津液存亡，将舌诊运用于辨温病属性、察三焦病位，成为指导施治的 指标，至民国时期：舌鉴总论、察舌辩证新法、辩舌入f - i 、 舌诊学 l 中医舌诊辅助中成药使用系统中的舌象分析研冤 等舌诊著述层出不穷，舌诊就更有了成熟充实的境况。新中国五十多年来，中医 舌诊学在中国研究院校，以及中医专家学者的临诊实践和科研推动下，血液流变 学、血液动力学、微循环、病理学、细胞学、生物化学、免疫学、微量元素分析， 使舌诊在客观化、规范化上有了很大的发展。1 舌诊是中医中“望、闻、观、切中的“望 ，是通过医生观察患者的舌象 及其变化，作出病情的诊断，同时了解病情的发展情况。“望 的过程，凭借 的是医生的经验，有经验的老中医，可以迅速准确地作出诊断。在舌诊自动化系 统中，采用计算机图像处理、模式识别的方法等手段，来对舌象进行分析，来模 拟医生的“望的过程，来达到初步给出病情诊断的目的。 目前许多诊所和药店普遍存在的现象是病人根据病征买药，而没有考虑到病 征的“寒热虚实一，往往不能对症下药，延缓了病情的治疗，甚至是加重病情。 我们研究的舌诊辅助用药系统正是要解决这一点，为病人提供“寒热虚实的信 息，并结合问诊信息，为病人提供参考性的用药。这将在很大程度上解决不能对 症下药的问题，也会为药店销售药品提供更高的医疗安全保证。 当前大多数药店还不具备咨询医生，病人往往是盲目的购药用药。因此本课 题的舌诊计算机系统可以有很大的社会意义和市场价值。只要简单的安装这样一 套设备，就可以初步达到对症下药，保证了病人的用药安全，同时也增加了药店 的信誉。 本课题在这样的背景下提出，由厦门大学医学院中医系和厦门大学计算机系 医学图像实验室合作研究。舌诊中医辅助用药系统依据了传统中医的舌诊理论， 实现了计算机在经验学科中的运用，也和国内外发展趋势相同，能解决大部分药 店售药的安全问题，也能为患者提供病症信息和用药参考，具有广泛的社会意义 和价值。 1 2 舌诊自动化系统( a t d s ) 的研究现状 目前国内外对舌诊自动化系统( a u t o m a t i ct o n g u ed i a g n o s i ss y s t e m ，a t d s ) 的开发作了很多研究。 舌象信息获取方面的研究b 6 1 ，在最近5 年得到极大的发展，已经开始了实 用化的临床应用。北京工业大学信号与信息研究室的沈兰荪、卫保国课题组在这 2 墨= 兰丝堡 方面进行了长期系统的研究，发表了2 0 余篇论文口 兹1 ，并开发了“中医舌像分 析仪一。 上海中医大学与厦门大学中医信息处理联合实验室所开展的工作，他们也开 展了较为系统的研究，发表了1 8 篇论文删，开发了“w z x 舌色分析系统。 香港理工大学与哈尔滨工业大学合作开展的中医诊断自动舌象分析与研究 取得进展，专家已在计算机中建立了有5 0 0 0 多个病例的舌象库。香港与内地专 家自行设计制作了舌象采集工具，与有数十年舌诊经验的中医专家合作，对大量 典型病例的舌诊照片进行分类整理并输入计算机，运用图像处理技术对舌图像的 舌质颜色、舌苔厚薄、纹理特征等进行处理，通过舌图像的多种参数及量化特征， 依据统计模式识别方法，建立了疾病诊断系统h u 。这一诊断系统主要是针对特定 的病症进行诊断，而对普遍病症的共同特征的判断并没有涉及到，同时也没有使 用药品数据库来为患者提供用药参考。 1 3 课题简介 本课题所设计的中医舌诊辅助中成药使用系统，主要包括了图像获取、图像 处理、综合诊断、诊断结果处理这几个功能部分，此外还包括了一些衔接的部分。 我们的主要的工作放在图像处理上，采用图像处理的方法研究舌象图片，包括了 舌象分割、舌质与舌苔的分离、舌象的分类判断。方法是：对前端获取的图像采 用合适的算法进行分割，在前端适当设置摄像的方式，可以得到相对一致的舌象 图片，寻找合适的分割算法；对分割完成的图片，进行舌质和舌苔的分离；对舌 质进行分析，判断舌色“红一、。淡红一、“淡白一，即舌象“寒修、寒热适中、“热一。 对舌苔进行分析，判断舌苔为厚苔、厚薄正常( 或薄苔) 、无苔或少苔，即舌象 “实一、虚实正常、“虚 ；然后结合问诊，给出“寒、热、虚、实一的判断。最 后，与中医药数据库相连，给出参考用药。中医药数据库的建立由厦门大学中医 学院的合作人员完成，其中的药品按照病症的“寒、热、虚、实一进行分类。 1 4 本文工作和创新点 本文的研究主要集中在舌象分析研究，即完成系统的舌苔舌质分离、舌色判 断、舌苔厚薄判断这些功能。初始数据是完成分割的舌体图像，目标是得到舌色 3 中医舌诊辅助中成药使用系统中的舌象分析研究 红淡和舌苔厚薄的分类结果，为下一步结合问诊信息，综合诊断“寒、热、虚、 实一做准备。本文的创新之处在于： l 、在舌象的分析中，采用聚类方法分离舌苔和舌质。 舌苔舌质分离是舌诊自动分析系统中重要的一个环节。聚类算法通过迭代， 把舌体图像中特征相似的点作为一类，划分出特征不同的几类，从而分离出舌苔 和舌质。通过实验，并和阈值分离算法进行比较，聚类算法有很好的自适应性和 准确性，在差异变化很大的不同图像中都能有较好的效果。 然后，根据舌苔和舌质判断上的模糊性，引入模糊概念，采用模糊方法来改 进聚类过程，让聚类过程更加接近医生的判断。 2 、采用不同的颜色空间来改进聚类分离方法。 采用h s v 和鹋胁空间，改变单纯的采用r g b 颜色空间进行处理。使得 在颜色空间上能够更加准确的描述舌象，减小光照对实验的影响。通过实验结果 的分析，提出了给不同的颜色分量赋予不同的权值，来得到最好的结果的方法。 最后根据这个思路，通过不断实验，设计了较好的分离算法 3 、用b p 神经网络完成舌色红淡和舌苔厚薄的判断。 利用聚类得到的数据训练b p 神经网络，构建舌色判断和舌苔判断的分类器。 1 5 本文的组织结构 本文共分7 章。 第一章主要介绍课题的背景意义和国内外的研究现状，并介绍了课题的内 容、本文的研究工作和创新之处 第二章介绍了舌象的基本特征和舌诊的基本方法，指出了舌诊诊断方法的特 点。此外还介绍了舌诊客观化的不同方法和研究的成果， 第三章从系统的设计、功能框架和系统框架几个方面描述了舌诊中医辅助用 药系统，阐明了该系统的工作原理。 第四章主要讨论了本文设计到的聚类分析的理论基础。主要介绍了基于划分 的聚类算法的原理。 第五章研究了聚类分析在舌象的舌苔舌质分离中的运用。首先r g b 颜色空间 下采用七一m e a n s 进行聚类，和阈值方法进行了对比，指出聚类在舌苔舌质分离 4 蔓二兰堡笙 - _ - _ l _ _ - - _ i _ - _ - _ - - _ _ _ i _ - _ - _ _ _ - _ _ _ - _ - i - _ - _ _ _ l _ _ _ - _ _ - - _ _ - _ _ _ - _ - 。- - 。_ _ - _ _ _ i _ _ - 。_ - 。_ 。1 。一一一 中的有效性。接着采用f c m 方法改进聚类算法，并讨论了改进的效果。 第六章研究用h s v 和h 秽b 举颜色空间来改进聚类分析，指出光照对分离 过程的影响，说明了光照权值选择对实验结果的影响很大。通过不断实验，调整 权值，设计了较好的分离方法。 第七章研究了用b p 神经网络来分类判断舌苔舌质。利用第六章的分离算法 得到的实验数据，对b p 网络进行训练。用b p 网络来完成舌色判断和舌苔厚薄判 断的的功能。 最后是总结和展望，总结本文的工作，指出创新点和不足之处，提出进一步 研究、改进的途径。 5 第二章舌诊的基本方法和舌诊客观化研究 第二章舌诊的基本方法和舌诊客观化研究 2 1 舌诊基本方法 舌诊是中医诊病的重要内容，中医通过舌诊可 了解人体脏腑的虚实，辨别病邪的深浅，病情的寒 热，判断病势的轻重变化。 中医为了深入观察舌象，将五脏分配于舌体各 部。常用的部份是，舌尖属心肺，舌中心属脾胃， 舌两边属肝胆。 舌诊分看舌苔和舌质两大部份。 2 1 1 望舌苔 舌苔指的是覆盖在舌面上的一层薄垢，可借以辨识胃气( 消化功能) 的强弱， 反映病邪的深浅和性质，以及肠胃( 消化系统) 的病变等。舌苔的形成，正常时由 胃气所产生，因此健康人的舌苔多薄白津润；病态时的舌苔，主要由于病邪的影 响。看舌苔着重观察苔质和苔色。 1 苔质 包括苔之有无、厚薄、于滑、腻粘等方面。 有无：可提示正气的盛衰、病势的进退。有苔表示病人胃气尚存，机体尚 有抗病能力；无苔则表示正气不足，抵抗力低，可见于热病后期的阴津亏损。 厚薄：可推断病邪的盛衰、病势的深浅。薄苔多表示正常或病邪在表，病 势轻浅；厚苔表示病邪盛，且入里，有的可兼有消化不良、上腹胀闷、打馊呃、 恶心等证候。如舌苔由薄变厚，则多为病邪由表入里，邪盛病增；如苔由厚变薄， 则是病邪退，正气复，病将好转。 干滑：可表示津液的存亡，推断病邪的性质。苔干多见于热性病高热，热 7 一一一一一! 墨重堡塑壁主堕垄堡旦墨竺! 塑重墨坌塑翌壅伤津液，伴有口干口渴；干苔亦见于阴虚内伤，津液不足。苔滑( 苔面水分过多) ， 则多见于寒证、湿证。 腻腐：可推断是否痰湿或食滞。所谓腻，是指苔细腻紧密，中厚边薄、光 滑，揩刮不去，白腻为寒湿，黄腻为湿热。腐苔，苔如腐渣，似腻而粗糙、疏松、 刮之易脱，多为食积、痰浊。 2 苔色 主要为白、黄、灰、黑四种。 白苔：主表证和寒证，病势较轻。如苔薄白津润，伴有恶寒发热、头身痛 的，多为外感风寒；若白滑腻，伴有胸闷呕恶、咳嗽痰多的是内有痰湿；舌苔白 中带黄，伴见寒热往来、口苦咽干，则为半表半里证；苔薄白微黄，也可见于风 热外感。 黄苔：一般为里证、热证。苔薄黄微干，为外感风热；苔黄厚干燥，多为 里热、实热：黄燥干裂，起刺，兼有腹满便秘的，为燥热伤津；若苔黄滑腻，则 多是湿热内蕴。 灰苔：多为里证，有寒证和热证之分。灰苔滑润的，为虚寒或寒湿；灰苔 干燥，多为实热伤津。 黑苔：多为重证，主寒盛或热极。黑苔润滑，体寒肢冷，则多为阳虚或阴 寒；舌苔于裂，多是热极或伤阴。 由上可知，中医通过对舌苔的望诊，可推断病证的性质和演变，如苔色由白 一黄一灰一黑；苔质由润一干一焦一裂，薄一厚，有一无，则多提示病邪由表入 里，病势由轻变重。若舌苔朝相反的方向演变，则常为病势好转、病退或正复的 征象。但望诊舌苔时，应注意鉴别假苔或染苔：哺乳期的婴儿，其舌苔多白腻， 吸烟者多苔色黄腻；食枇杷、核黄素、阿的平以及某些黄色药物，如黄连、栀子 等，可使舌苔变黄：食橄榄、腌菜、酸菜可使舌苔变黑等，这些都不能算病苔。 2 1 2 望舌质 观察舌的本质，包括舌的颜色和体态( 形体、动态) ，中医常用以辨认脏气( 正 气) 的虚实，气血的变化，病情的轻重。正常的舌质，应是淡红( 不浅不深) 、津 8 第二章舌诊的基本方法和舌诊客观化研究 润( 不干不湿) 、体态端正、运动灵活。 1 望舌的颜色 舌色主要有淡白、红、降( 深红) 、紫色等四种。 淡白( 比正常舌色淡) ：主见于虚证、寒证。舌色淡白嫩滑，多为阳虚或气 血不足( 脾阳虚可伴有食纳不香，腹胀便溏；肾阳虚可伴有畏寒、肢冷、面浮、 足肿：气血不足的，可兼见少气懒言，四肢倦怠，心悸健忘等) 。舌淡白苔白时， 如兼见食欲不振，大便稀薄，上腹胀痛，痛而喜热喜按的，则是脾胃虚寒；如伴 有口淡、腹满、腹胀胀泻、四肢沉重的，多是寒湿困脾。 红色( 舌色鲜红) ：多见于热证。舌红而干的，为热伤津液；鲜红起刺的， 为热盛化火；舌尖红的多为心火；舌边红的，多是肝胆火热。 绛色( 舌色深红) ：主要见于里热深重。外感热病出现绛舌是邪入营血的标 志。说明外邪已由表入里，里热深重，病情重笃。内伤杂病出现绎舌是阴虚火旺 之证，常见于久病、重病之人。 紫舌：多见于热证，寒证或淤证。舌紫红干裂，伴有高热、失水的，多是 热极阴亏；舌紫润滑，多见于阴寒盛、阳气虚；舌边间有紫色斑点，多为内脏瘀 血；舌紫蓝胀胖，则多是疫毒或中毒。 2 望舌的体态 包括观察舌本身的老嫩、胖瘦、伸缩、硬软、芒刺、裂纹、歪斜与震颤等形 态或动态。 老嫩：舌质坚敛苍老，多为实证；舌质浮胖、嫩滑，多属虚证。 胖瘦：舌体胀胖，多与痰、湿、热、毒有关，舌质淡白而胖的，多为脾肾 阳虚，也见于气血两虚的贫血；舌淡红而胖，边有齿痕，多为脾不运化、痰湿内 阻；舌红绛而胖，多为热毒炽盛，可见于感染性疾病，某些毒物中毒。舌体瘦小、 干瘪，多为阴血亏，虚火旺。 伸缩：舌伸长，吐露唇外，为“吐舌”；将舌摆弄于口唇外为“弄舌一， 均为心脾有热，多见于婴儿；舌体紧缩，不能伸张，多是重证。舌红绛短缩，多 属痰湿内阻。 9 ! 堕重堡堕壁! 壁堑堡旦墨竺! 塑重墨坌塑里塑 硬软：舌根强硬，运动障碍，语言不清或失语，多见于外感病人，热入心 包，痰浊内阻，或为中风预兆。舌体软缩，伸弱无力，多属气血虚极，阴液亏损， 筋脉失养所致。 芒刺与裂纹：芒刺是舌上的乳头( 味蕾) 突起，若舌质深红，为热病极期， 阴虚火旺；若兼老黄、黑苔，多是热邪很盛；舌面裂纹，若舌质深红，为热性病 热盛伤阴；若舌质淡白，为血虚不润。 偏斜与震颤：舌伸出时偏向一侧或半边舌体麻木或震颤，可见于中风：舌 不自主地伸出，舌质淡白，是阳虚或气血两虚，甚则正气已绝。 2 1 3 舌苔舌质图片示例 图2 1 所示是正常的舌象。 图2 2 和图2 3 所示是典型的无苔和典型的厚苔。 图2 3 和图2 4 所示是典型的淡自舌和典型的无苔。 l o 筇 图2l 正常的舌象 图2 2 典型的厚苔 图2 4 典型的淡白舌图2 5 典型的红舌 j ， 苷五的型典 32 图 中医舌诊辅助中成药使用系统中的舌象分析研究 2 2 舌诊客观化研究 传统的中医舌诊是一个高度主观的过程，诊断主要依靠医生的经验。不同的 医生在相同的诊断环境下的结论是有可能不同，或者对病情严重程度的判断不 同。因此，要能够使得舌诊的判断客观化，对舌象的特征描述定量化，是一件很 有意义的工作。这就是舌诊客观化研究的主要内容。 2 2 1 舌色研究 围绕舌色的鉴定研究，人们先后研制了一系列相应的设备，有些应用于中医 临床，使中医舌象研究迈上一个新的台阶如8 0 年代初，有单位按照国际色谱的色 位，由专业人员制成 舌诊简易色谱，用于舌色的观察蚴。在9 0 年代初期组织 全国2 9 家医疗单位，应用舌诊比色板对近万例癌症患者和健康人进行舌象观察、 分析，对癌症患者舌象与病种、舌象与诊断治疗、舌象与分期和舌象形成机制等 方面进行了研究枷。北京中医学院则采用光电转换原理，将红、绿、蓝等颜色 转换为电压信号，以电压值来反映色调、亮度、饱和度的信息用来对病人的舌色 进行客观测定。另处还有上海的光谱光度法舌色仪h 勒、哈尔滨的h r - 1 型舌色测定 仪比、江苏的舌色仪、天津和沈阳共同研制的s h s y - i 型舌色测定仪等均采用了 光谱光度法原理，即采用国际照明委员会( c l e ) 规定标准和推荐的颜色三刺激值 和色度坐标系，通过仪器对舌面的反射光谱特性进行直接测量，模拟人眼的标准 观察条件来检测人体的舌质舌苔的颜色，这一表色方法和人眼的观察结果基本相 一致m - 删。 2 2 2 舌色苔色分类 天津中医学院中医研究所承担“七五一全国重点科技攻关项目“中医舌诊 工程研究 中研制的s h s y i 型舌色测色仪所采用的数据处理系统将舌色分成 淡白舌、淡红舌、淡紫舌、红舌、暗红舌、暗紫舌6 种参考色。沈兰荪等在基于 图像处理的中医舌象分析仪的研究中将舌质、舌苔分为淡红舌、红舌、暗红舌、 白苔、黄苔、灰苔等基本类型作为参考指标n 屹】。王爱民等将舌色分为淡红、淡 白、红、暗红、青紫等类型，苔色分为白、黄、灰、黑等类型作为观察指标h 屹1 。 1 2 第二章舌诊的基本方法和舌诊客观化研究 在2 0 0 3 年最新出版的 中医临床舌诊图谱棚1 中将舌色分为淡白、淡红、红、 暗红、绛、紫、蓝和青8 种，也将苔色分为白色苔类、黄色苔类、黑( 灰) 色苔 类等4 类。 2 2 3 计算机技术在舌诊客观化中的运用 清华大学在9 0 年代初运用色度学、数字图象处理技术、现代光学技术，与 中医辨证论治学说以及丰富的临床经验相结合，借助计算机平台，研制了“中医 舌诊自动识别系统 。在( 相对) 标准的照明系统中，由彩色摄像机摄人图象，经 图象单元处理变成数字量信息，在彩色监视器中显示颜色识别以r g b 值控制，采 用模糊数学原理进行聚类分析，自动完成色样匹配，识别结果采用中文输出。经 与专家经验进行比较检验，结果令人满意嘲。 北京工业大学和北京市中医院合作，开发研制了以计算机为核心的数字化中 医舌象分析仪。在标准的成像环境下采集受试者的彩色舌图象，再进行图象处理 与分析，包括彩色校正、舌象分割和特征提取等，使用f c m 聚类算法，对舌色、 苔色、舌苔的厚度与湿度、齿痕、裂纹等舌象指标进行分类与定量化，同时实现 了数据资料的压缩、存储和管理口嘲。 上海中医大学与厦门大学中医信息处理联合实验室所开展的工作，他们也开 展了较为系统的研究，发表了1 8 篇论文汹删，开发了“w z x 舌色分析系统 。 香港理工大学与哈尔滨工业大学合作开展中医诊断自动舌象分析与研究。自 行设计制作了舌象采集工具，运用图像处理技术对图象的舌质颜色、舌苔厚薄、 纹理特征等进行处理，通过舌图象的多种参数及量化特征，依据统计模式识别方 法，建立了疾病诊断系统咖。目前，这一诊断系统已经能够判断就诊人的健康 程度，准确诊断胰腺炎，较好地诊断阑尾炎，并判断疾病特征。 2 2 4 舌诊客观化研究的途径 中医舌诊客观化是一个极其复杂的过程。决策所需要的许多信息都是不确定 的，如症状和疾病之间存在着一定的模糊性。某一症状的出现对诊断疾病所起的 作用不同且模糊，患者的状态很难准确定义等，医学知识的爆炸又使这些问题进 一步复杂化，医生要面对大量的模糊的、不确定信息，而又要从这些信息中得出 中医舌诊辅助中成药使用系统中的舌象分析研究 最后的结论和治疗方案。这就决定了舌诊客观化的复杂性。 计算机视觉与人工智能的飞速发展，不断地为用于医学目的的系统提供新的 数据获取与处理的手段，及时引入这些技术可以大大推进医学智能系统的发展。 中医舌诊客观化识别系统的建立和有效地使用取决于医学专家、工程技术专家、 医务人员的紧密配合。中医舌诊客观化识别系统中的图像处理系统首先需要可靠 的医学专家知识( 源知识) ；而系统结构的设计与优化，所采用的处掌理方法与 数据结构、人机对话的功能设计与实现等，则依赖于图像处理、人工智能专家的 努力。特别是对源知识的分析，只有通过医学专家与图像处理、人工智能专家通 力合作才能有效地进行。因此，计算机识别技术、图像处理技术与医学专家知识 的结合与互相渗透，特别是中医学知识领域的专家与知识工程师合作，是保证中 医舌诊客观化识别系统进行的关键h 1 。 1 4 第三章中医舌诊辅助中成药使用系统工作原理 第三章中医舌诊辅助中成药使用系统工作原理 我们设计的中医舌诊辅助中成药使用系统，主要包括了图像获取、图像处理、 综合诊断、诊断结果处理这几个功能部分，此外还包括了一些衔接的部分。我们 的主要的工作放在图像处理上，拟采用图像处理的方法研究舌象图片，包括了舌 象分割、舌质与舌苔的分离、舌象的分类判断。该系统要完成的功能就是给出舌 象的“寒、热、虚、实 的信息。 3 1 系统设计 我们设计的中医舌诊辅助中成药使用系统的工作原理是：在前端适当设置摄 像的方式，可以得到相对一致的舌象图片；对前端获取的图像采用合适的算法进 行分割；对分割完成的图片，进行舌质和舌苔的分离；对舌质进行分析，区分为 “红舌、淡红舌( 正常) 、紫舌一；对舌苔进行分析，区分为“厚苔、薄苔 。然 后结合问诊，给出“寒、热、虚、实 的判断。最后，与中医药数据库相连，给 出参考用药。中医药数据库的建立由厦门大学中医学院的合作人员完成，其中的 药品按照病症的“寒、热、虚、实进行分类。流程图如下： 图3 1 系统流程图 从下一节开始，从系统功能和系统结构两个方面来详细介绍舌诊中医辅助用 药系统。 1 5 中医舌诊辅助中成药使用系统中的舌象分析研究 3 2 系统功能 系统功能图如下： 图3 2 系统功能图 接下来按照功能各部分分别介绍。 1 图像获取 完成获取舌图像的功能。图像获取采用数码照相机近距离拍摄。数码照相机 通过u s b 端e l 和计算机连接，拍摄下来的照片保存在计算机硬盘上，可由程序读 取并操作。 1 6 第三章中医舌诊辅助中成药使用系统工作原理 2 图像处理和分析判断 这部分主要完成对图像的处理和给出判断的功能。 进入系统的图像首先要完成分割，把舌象从整副图像中分割出来，得到舌体 ( t o n g u eb o d y ) 。这为下一步的分析做好准备。图像分割不是这篇论文的主要工 作。分割是一个较困难的过程，如果才能得到一个更好的分割效果，我们做了很 多的研究。由于我们分割的对象都是在我们这个拍摄设备下取得的图片，因此， 调节好拍摄的角度和拍摄的光线强度，使得拍摄环境保持基本一致，这是获得较 好分割效果的一个前提。在这个前提下，我们尝试了不同的分割方法，寻找一种 最稳定可靠、效果最好的方法作为我们系统采用的分割方法。 图像分析是在分割得到舌体之后，对图像的分析处理，并从分析处理中得到 舌象信息，做出病症的判断。这部分内容是这篇论文的主要工作所在。舌象分析 我们才用的方法是先分离出舌苔( t o n g u ec o a t ) 和舌质( t o n g u es u b s t a n c e ) ， 然后对两部分分别做分析和判断。第一步的工作就是分离舌苔舌质。在实验中， 聚类分析算法表现了比较好的适应性，分离的效果也很不错，能够在一定程度上 描绘出舌苔在舌体上的分布。之后的第二步工作是舌苔和舌质的分别判断。舌质 上主要实判断舌的红的程度，区分红舌和白舌，以判断“热 症和“寒 症；舌 苔上主要是判断苔的厚薄程度，区分厚苔、薄苔无苔和无苔，以判断“实 症和 “虚“症；。我们设计了b p 神经网络，以前一步聚类方法得到的数据训练网络， 完成了舌苔厚薄和舌色红淡的分类判断器。 图像存储主要完成存储处理完成的图片，和相关的判断信息。图像保存下来， 有助于以后重新分析处理和判断。一副副的舌象图像保存下来，可以积累成为舌 象库，为以后的研究做数据的准备。( 这需要经过病人同意) 3 问诊信息的输入 这部分主要以问诊报告的形式，记录下病人的主要症状。主要的症状是可以 选择的几个选项。 4 综合判断 这部分对舌象图像判断得到的信息和问诊输入的信息做一个综合的处理，得 1 7 中医舌诊辅助中成药使用系统中的舌象分析研究 出主要症型的结论。从问诊信息，系统可以得到病人的症状的信息，在这个基础 上加入“寒、热、虚、实”，得到病人的病症的判断。 5 诊断信息处理 这部分包括几个主要的功能。首先是从上一个功能结构中得到病人的病症信 息，对信息进行显示并加以保存。保存时和之前图像的保存一一对应，以备将来 查询所用。另外一个主要功能是连接中医药数据库，根据病人的病症信息，给出 病人的处方并显示出来。处方中的药是一些平时比较常见的药品。处方中的药品 给病人作一个用药的参考，并不能完全代替医生的处方。 3 3 系统的结构 系统的功能部分由上面3 2 节叙述，为了完成以上各部分功能，系统结构和 连接上要进行合理的设计。我们设计中医舌诊辅助中成药使用系统的结构如图 3 3 所示。 图3 3 系统结构图 诊断结果 典型处方 其他信息 塑= 主! 堕重堡塑些! 些苎堡! ! 垒竺! 生堕里 图像数据即舌象由摄像机获得，然后经过舌象分割、舌苔舌质分离、分析判 断后，判断结果传递到综合诊断模块。问诊信息经过处理后也传递到综诊断模 块。综合诊断的信息传递到综合输出模块，在这单诊断信息提交给中医药数据库， 并得到典型处方的信息。最后，综合输卅模块把诊断结果、典掣处方等信息输出 显示。在这个处理过程中，始终进行着数捌保存的_ 作。 3 4 系统示意图 圈 圈圈圈 红舌+厚苔+ 腰摊j骺l a ，昂 0 第四章聚类分析理论基础 第四章聚类分析理论基础 聚类( c l u s t e r i n g ) 是一个将数据集划分为若干组( c l a s s ) 或类( g r o u p ) 的过程，并使得同一个组内的数据对象具有较高的相似度；而不同组中的数据对 象是不相似的陆1 锄。在分类的过程中，没有教师指导，因此是一种无监督的分 离过程。相似或不相似的描述是基于数据描述属性的取值来确定的。通常就是利 用( 各对象间) 距离来进行表示的。许多领域，包括数据挖掘、统计学和机器学 习都有聚类研究和应用。 4 1 聚类分析的概念 将一组( s e t ) 物理的或抽象的对象，根据它们之间的相似程度，分为若干 组( g r o u p ) ；其中相似的对象构成一组，这一过程就称为聚类过程( c l u s t e r i n g ) 。 一个聚类( c l u s t e r ) 就是由彼此相似的一组对象所构成的集合；不同聚类中对 象是不相似的。就是从给定的数据集中搜索数据项( i t e m s ) 之间所存在的有价 值联系。在许多应用，一个聚类中所有对象常常被当作一个对象来进行处理或分 析等操作。 聚类分析是人类活动中的一个重要内容。早在儿童时期，一个人就是通过不 断完善潜意识中的分类模式，来学会识别不同物体，如：狗和猫，或动物和植物 等。聚类分析已被应用到许多领域，其中包括：模式识别、数据分析、图像处理 和市场分析等。通过聚类，人可以辨认出空旷和拥挤的区域，进而发现整个的分 布模式，以及数据属性之间所存在有价值的相关关系。 聚类分析的典型应用主要包括，在商业方面，聚类分析可以帮助市场人员发 现顾客群中所存在的不同特征的组群；并可以利用购买模式来描述这些不同特征 的顾客组群。在生物方面，聚类分析可以用来获取动物或植物所存在的层次结构 ( t a x o n o m i e s ) ，以及根据基因功能对其进行分类以获得对人群中所固有的结构 更深入的了解。聚类还可以从地球观测数据库中帮助识别具有相似的土地使用情 况的区域。此外还可以帮助分类识别互联网上的文档以便进行信息发现。作为数 据挖掘的一项功能，聚类分析还可以作为一个单独使用的工具，来帮助分析数据 的分布、了解各数据类的特征、确定所感兴趣的数据类以便作进一步分析。当然 2 l 中医舌诊辅助中成药使用系统中的舌象分析研冤 聚类分析也可以作为其它算法( 诸如：分类和定性归纳算法) 的预处理步骤。 数据聚类分析是一个正在蓬勃发展的领域。聚类分析所涉及的领域包括：数 据挖掘、统计学、机器学习、空间数据库技术、生物学和市场学等。由于各应用 数据库所包含的数据量越来越大，聚类分析已成为数据挖掘研究中一个非常活跃 的研究课题。 作为统计学的一个分支，聚类分析已有多年的研究历史，这些研究主要集中 在基于距离的聚类分析方面。许多统计软件包，诸如：s - p l u s 、s p s s 和s a s ， 都包含基于七一均值( k m e a ? $ ) 、c 一中心等其它许多聚类分析工具。 4 2 聚类分析中的数据类型 假设一个要进行聚类分析的数据集包含刀个对象，这些对象可以是人、房屋、 文件等。数据矩阵是一个对象一属性结构。它是由刀个对象组成，如：人；这些 对象是利用p 个属性来进行描述的，如：年龄、高度、重量等。数据矩阵采用 关系表形式或以p 矩阵来表示，如式4 1 所示。 ( 4 1 ) 为了定量地进行分类，首先必须确定一些分类的