基于高光谱图像技术的中医舌诊客观化研究展望❋

张 冬，张俊华△，孟昭鹏，张伯礼，胡镜清

(1. 天津中医药大学，天津 300193； 2. 中国中医科学院，北京 100700)

舌诊属于中医“望诊”范畴，舌诊信息为临床辨证施治提供依据[1]。国内外学者从上世纪80年代开始利用计算机图像技术对舌象进行了数字化分析，开始了对舌诊客观化的探索[2-3]。

张伯礼教授建立了全国第一家中医工程研究所，将舌诊客观化研究作为切入点，建立了计算机舌诊文摘库及检索系统[4]，并进行了大规模健康人群舌象调查，开展了舌诊生理基础参数及影响因素研究，开拓了舌象色度学研究[5]，创建了舌红外热像检查技术，研制了舌津测定仪等系列仪器[6]，进行了多中心、多病种舌象动态观察研究[7]。1995年，他主持的“舌诊客观化研究”项目获国家科技进步三等奖。此后，研究人员相继进行舌色苔色[8-9]、舌质[10-11]、舌苔的量化[12-13]研究。

本文介绍了高光谱技术的基本特征及原理，并阐述了在中医舌诊客观化研究中的价值与意义，总结并分析了目前高光谱图像技术在舌诊客观化方面的研究现状与存在问题，并以此为基础对未来的研究方向和任务进行了展望。

1 基于高光谱图像中医舌诊客观化研究进展

1.1 现有中医舌诊客观化研究的不足

现有的中医舌诊客观化研究主要基于彩色图像，采集方法具有局限性，在舌象采集方式、舌色量化表达方法、舌色指标临床应用等方面存在着一些问题，具体表现在以下几个方面。

1.1.1 现有舌象研究基于可见光分析，存在“看不准”“拍不全”的问题 包括“四诊仪”“舌诊专家”在内的研究主要依赖于相机拍摄的数码图像，是由红光(R，700 nm)、绿光(G，546.1 nm)、蓝光(B，435.8 nm) 3个通道叠加而成，但是其他范围的光谱信息没有采集，忽略了人眼和照相机“看不见”的波段，不可避免地失去许多舌色客观化、量化的特征信息，并在舌体图像采集过程中易受周围环境尤其是光照的影响。

1.1.2 现有舌诊客观化还不适用于疾病诊断与临床疗效评价指标生成 目前，中医舌诊客观化研究主要集中在对舌色、舌形、舌苔的分类分析，形成的指标多为概括性描述，缺乏量化指标和量化标准，因此目前舌诊仪器大多用于辅助养生指导或医学院校教学等，还不适用于临床诊疗指标应用。

1.1.3 现有舌诊客观化研究缺乏特征数据库和量化模型 当前应用较多的舌诊仪器主要针对个体进行舌象的分析，缺乏标准化的舌象特征数据库。同时在对舌诊参数进行量化研究时，大多使用已有算法，没有针对中医舌诊特点进行算法研究和模型开发。

1.2 高光谱图像技术简介和优势

高光谱图像技术结合了光谱学、图像学、计算机科学等多个学科，具有光谱信息丰富、图谱合一等特点，被广泛应用于多个领域，同时采集目标物体丰富的光谱和空间信息是其最大的优势和特征。

图1显示，相比于数码相机采集的舌象照片，高光谱技术能够同时采集舌象在几百个不同的光谱波段(包括可见光和不可见光)下的成像信息，最大程度地模拟人眼在观察舌体时的光谱反射场景，极大程度地丰富了舌象信息，使得研究人员能够在数码相机拍摄不到的光谱范围内对舌象进行分析。右侧为高光谱图像示意图，其中空间轴(x轴和y轴)上实现对舌象表面的光学成像，光谱轴(z轴)上展现该位置的光谱反射率信息。

高光谱舌象图像呈现三维立体结构，从空间轴角度能够对舌象在不同光谱波长下的成像内容进行分析与比较，从光谱轴角度能够提取舌象某一区域的光谱反射率变化情况，从而进行该区域的光学特征分析。

1.3 高光谱技术在舌诊客观化研究中的应用

基于高光谱图像分析技术的医疗病例分析鲜少与传统中医学理论相结合，尤其是舌诊辅助诊疗方面，当前大部分研究集中在以下两方面。

1.3.1 在舌诊参数方面的应用研究 高光谱图像能够为研究人员提供舌象在空间和光谱2个维度上的信息。曾常春[18]等进行了516例正常人舌色与唇色的光谱色度学量化研究。林凌[19]等在可见光谱下研究了4种舌色的量化与对比。杨新宇[20]对11类舌色进行了分类研究。李庆利使用高光谱技术分析了16种典型中医舌纹[21]。刘明等[22]在高光谱图像上进行了舌苔位置的判断和提取。

1.3.2 高光谱特征用于疾病诊断 近年来，研究人员还探索了高光谱图像用于疾病辅助诊断的研究。李庆利[23]等采集400～800 nm范围内的高光谱舌象，分析了正常舌质、正常舌苔、胆囊炎舌质、胆囊炎舌苔的光谱曲线差异，验证了高光谱舌象用于疾病辅助诊断的可行性，并建立了基于高光谱成像技术的中医舌象辅助诊断系统[24]。李刚等[25]提出了一种基于X-Y振镜扫描式高光谱采集系统完成对舌体的高光谱信息采集，并进行了脂肪肝疾病的快速筛查、高黏血症疾病的无创诊断和冠心病疾病的快速筛查。

1.4 现有高光谱图像中医舌诊客观化研究的不足

从上述研究成果来看，高光谱技术用于中医舌诊客观化方面虽然取得了一定的研究进展，但是依然还存在一些值得改进和挖掘的地方，主要表现在：一是没有建立多人群、多病种的舌象高光谱特征数据库；二是当前对高光谱舌诊的研究大多为分类任务，属于概括性描述，对舌诊关键参数的数字量化研究不足；三是当前研究很少关注舌诊临床评价指标，没有针对典型临床证候确定舌诊参数的标准基准值，舌诊参数在临床评价指标中的作用不突出。

2 基于高光谱技术的舌诊客观化研究价值

2.1 基于高光谱技术的舌诊客观化研究价值

高光谱图像分析技术从中医临床需求出发，探索舌象在“看的见和看不见”光下的所有信息，有效弥补了当前研究中大多依赖彩色图像，忽略“看不见”光下的有效信息，为推动中医舌诊客观化研究提供数据基础和方法学支撑。

2.1.1 获取“看的见”和“看不见”光谱下的舌象信息 高光谱图像能够采集舌象在“看的见和看不见”光谱下的特征信息，有效弥补了当前研究局限在3个单色光(RGB)下的缺陷，推进中医舌诊客观化研究的深度和广度，是从舌体图像采集源头方面对舌诊客观化的补充和挖掘。

2.1.2 提高舌诊客观化在临床上的应用价值 高光谱舌体图像具有丰富的光谱和空间特征信息，通过图像处理，能够实现舌诊参数的可量化、标准化，形成具有中医特色的临床诊疗体系以及数据库系统。

2.1.3 开发具有中医特色的舌象分析系统和仪器 以中医舌象高光谱特征数据库为基础，形成具有中医特色的舌诊参数量化系统，应用于便携式设备开发，对推动中医舌诊客观化、规范化具有重要意义。

2.2 基于高光谱图像技术的舌诊客观化研究重要任务

高光谱技术为舌诊参数标准化研究、舌象与证候疾病的映射关系以及新型舌诊仪器的开发提供了数据基础与理论基础。今后高光谱舌诊研究的重要任务主要集中在以下几个方面。

2.2.1 采集方案的规范化 在舌体高光谱图像采集过程中，采集位置、波长选择、基准光源选取等均会对结果产生影响，需要研究并加以规范。

2.2.2 优化算法与分析模型 当前的高光谱舌诊模型没有深入考虑舌象特征和光谱曲线特征，不一定适用于舌诊客观化研究。因此与最新的大数据、人工智能等技术进行结合，建立一套符合中医特色的的舌诊参数量化模型和辅助诊疗模型是未来研究的重要内容之一。

2.2.3 舌象参数的可量化、标准化研究 在当前舌诊客观化的研究中，研究目标大多集中在舌色、舌形、舌苔的分类上，属于概括性的判别研究。因此需要结合临床需求，建立舌象参数的数字化量化体系，实现舌象参数的可量化和标准化。

2.2.4 光谱曲线差异形成原因探讨 通过提取舌象高光谱曲线特征可以发现，同一舌体不同位置、不同舌体同一位置、不同疾病同一位置的光谱曲线特征存在差异，因此需要从微观化学等方向探讨差异形成的机制和原因。

2.2.5 舌象与证候参数的循证关系研究 研究舌象与疾病证候的关系，对临床疾病证候判断指标、临床疗效评价指标的建立提供可靠的证据基础。因此还需要进行多中心、多病种、多人群的高光谱舌象分析，建立具有中医特色的高光谱舌象数据库系统。

2.2.6 新型舌诊仪器的研发 当前舌诊仪器大多基于普通相机，对周围环境、光线、显示设备有着较高的要求。因此，研究便携式、不易受外界环境干扰、采集信息丰富、符合舌象采集特点的新型舌诊仪器也是未来的研究方向。

3 总结

本文系统总结了当前舌诊客观化研究现状和存在的不足，指出利用高光谱图像技术进行舌诊客观化研究的价值和意义，并分析了当前高光谱图像技术进行中医舌诊客观化的研究现状，分析了其中存在的问题，并提出新的研究方向和任务。