摘要：过去的舌诊客观化方法，对采集环境、照明条件的要求非常严格，不利于数据的采集，而实际上物体对光的反射率是不随光源成分的改变而改变的，光谱法舌诊度量化的方法利用了这一原理，在综合各个波长的反射率信息的基础上，可以更加细致的区分舌象，为舌诊度量化提出一条新思路。为了寻找不同舌象间的差异，本文在临床上以淡红舌薄白苔和黄腐苔为例，在运用光谱法获得表面反射光谱数据的基础上，将提取特征值、微分光谱以及曲线形态参数等数学方法应用到数据处理中来，初步建立舌象的归一化光谱曲线与舌象之间的联系，为光谱法舌诊提供了观察角度和比较参数。

关键词：光谱，舌诊，特征提取

中图分类号：O433．4　　　　　文献标识码：A        文章编号：

Spectroscopic study of white thin coating and yellow rot coating on red tongue                                                                                                                                                                                                                                                                        

Abstract Past tongue information objectification rigorously depends on the acquisition manner and lighting condition. However, reflectivity is a physical property of object which will not change with the light resource. Based on this principle, the method of spectrum get the information at different wavelength, and this method distinguish very slight variation of tongue color. In this way, a new thinking of tongue inspection was found. In this paper, light red tongue with white thick coating and yellow tongue with rot coating are researched in a clinical manner. By using the differential spectrum and morphology method, the curve was processed to build the relationship between normalization curve of tongue spectrum and tongue image. This is a new view of tongue inspection and gives more parameters.

Key words spectrum；Tongue diagnose；characteristic extraction

引言

中医认为，人体五脏六腑均与胃气相通，并通过胃气上蒸于舌，附着于舌之表面，表现为苔^[1]。通过对舌质和舌苔的观察，可以测知脏腑气血各种生理功能、病理变化的部分情况，成为指导临床辨证论治的依据。

以往的舌色采集方法仍和传统的人眼观察法一样，受环境的影响非常大，对照明光源的色温、显色指数、采集使用的方法要求都非常严格，这样的方法虽然在实验室实现了舌象的采集，然而实际上并不适合临床应用。

根据物理上物体反射率的原理，物体对于某一波长的光的反射率应是物体自身的物理特性，不随光源光谱成分的变化而变化，本文利用这一原理，使用基于光谱的舌色度量化方法，这种方法操作简单方便，同时还大大降低了对光源参数和采集方法的依赖性，方法更加简便，同时又可以获得更加丰富的数据。

    光谱法获得的曲线能够在各个波段上体现出不同舌象间的差别，为了更加细致的寻找和刻画这些差别可以通过特征提取和分析的方法对曲线进行研究，这里，本文根据获得的淡红舌薄白苔和黄腐苔两种舌象的数据，初步进行了归一化反射率曲线特征提取的研究，创新性的将特征值提取、微分光谱分析等方法应用到舌诊客观化中来，为以后的研究奠定了基础，也为临床数据的采集和分析提供了初步的思路。

1         数据采集与处理

1.1  仪器与数据采集

本课题采用的是ocean公司生产的光谱仪USB2000，并利用配套软件ocean optics OOIBase32进行采样。光源和光纤采用定制的GY－30光纤耦合溴钨灯及其配套光纤，光源输出直接经过光纤耦合作为照明垂直入射到舌体表面，而反射光又通过探头上的光纤输入到光谱仪，由于软件有采集时间光谱的功能，经多次实验后确定将采集时间设定为10s，积分时间为300ms，共采集20个数据进行处理。采集到的数据经OOIBase32软件直接转化为光强通过USB口进入计算机，在450～1200nm之间可以采集2048个数据，平均每纳米可以采集3个数据。

淡红舌薄白苔在临床上多见于健康人舌象，舌质淡红，舌苔薄白，舌体大小老嫩适中，运动灵活，舌面荣润有光泽。见于正常人或外感风寒初起者。正常人正气旺盛，气血充足，上荣于舌，故白里透红，不深不浅。

黄腐苔多见于阳气不足，气化不利，痰湿内热。

本文采集了两种舌象受试者舌体舌中、舌尖、舌左右两侧的四个位置数据，并对于这部分数据进行了曲线特征提取方法的研究。

1.2  光谱数据预处理

    由于外界环境对采集到的数据存在着干扰，将获得的每组数据，先进行叠加平均，再经过31点平滑滤波，然后针对已经获得的光源光谱计算各个波长上的反射率，然后将反射率曲线进行归一化^[3、4]。并且光谱曲线的首尾端有较大的噪声，因此选择第41～1000个数据进行计算。如图1为五位淡红舌薄白苔受试者舌中舌象的归一化反射率曲线。曲线表明同种舌象在光谱上有较为良好的一致性。

图1  舌中舌象的归一化反射率曲线

2         特征提取

经过预处理后的数据是舌象对应的归一化反射率曲线，它详细的反映了舌的反射光谱信息，但是这样的曲线之间无法直接进行比较，也不利于舌象的定义，因此提取能够代表舌象的某些特征，是将舌诊度量化所必须要做的工作。本文尝试提取出几种特征参数刻画不同舌象间的区别。

2.1  特征数值的提取

（1）特征波长的反射率

光学上，定义红、绿、蓝三种色光中心波长分别为630nm、520nm和460nm，提取五组淡红舌薄白苔的RGB三色光对应归一化反射率，而黄色对于黄腐苔具有代表性，因此在黄色范围内提取出580.19nm处的归一化反射率，如表1所示（由于曲线中不存在460nm对应的数据，因此取最接近的值481.69nm）为舌中数据。

表1  五位淡红舌薄白苔舌中特征波长的比较

（2）曲线最大值和最小值

曲线的最大值和最小值的位置和数值对于反映物体颜色和区分颜色类型都具有重要意义。如表2列出了其中一组淡红舌薄白苔数据曲线最大值、最小值的数值以及各自出现的位置的比较。

表2  归一化反射率曲线最大值、最小值的比较

2.2  形态特征提取

谱图进行微分处理可以给出更多的信息^[5～7]，例如零阶光谱的极大值在一阶光谱中为0，在二阶光谱中为极值（极大、极小交替出现）。如图2为五位淡红舌薄白苔受试者舌中部位舌象的一阶微分光谱和二阶微分光谱比较。零阶光谱中不明显的变化可以在微分光谱中体现的更为明显，从图中可以看出，零阶光谱中较为平滑的450～600nm波段内，实际是存在着两个极大值的。

图2  四部位舌象一阶微分光谱以及二阶微分光谱的比较

定义一阶光谱最大值的位置为反射率曲线的上升沿的位置，并且可以通过一阶光谱最大值的大小来判断此上升沿的陡峭程度。再定义最大值两侧最近的两个拐点之间的距离为一阶微分光谱主峰的峰宽，对应零阶光谱的意义就是上升沿宽度。由于曲线上的数据并不连续，因此未必存在值绝对等于零的位置，这里，利用一阶微分光谱符号的变化来判断是否为零阶光谱的拐点，即当相邻的两个点处一阶微分光谱的符号发生了变化，便取前一个点的位置为近似的拐点。同样的方法还可以用于关注其他峰的参数，而若需要继续关注一阶微分光谱的峰值峰宽特性，则同样的提取方法也适用于二阶微分光谱曲线。如表3为一组淡红舌薄白苔四个部位曲线对应的一阶微分光谱最大值及其位置，以及对应的峰宽比较。

表3  曲线的一阶微分光谱最大值、位置及主峰峰宽

通过观察微分光谱，将原来不易直观比较的参数简单化了。可以看出，红舌的上升沿更加陡峭，而黄腐苔则有三个大小相近的峰值。通过MATLAB可以提取出这些特征进行定量化的判断。

2.3  黄腐苔与淡红舌薄白苔的比较

如表4为黄腐苔与淡红舌薄白苔的比较，只列出舌中和舌左侧部分的数据。

表4  黄腐苔与薄白苔舌象的比较