基于二维超声波成像的舌体胖瘦分析的研究毕业论文.docx
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基于二维超声波成像的舌体胖瘦分析的研究毕业论文
基于二维超声波成像的舌体胖瘦分析的研究毕业论文
目录
第一章引言······················································1
1.1概述·····················································1
1.2舌诊客观化研究的进展·······································2
1.2.1舌苔，舌质，及舌诊其他客观化研究进展···················2
1.2.2计算机技术在舌诊研究中的应用和进展·····················3
1.2.3对中医舌诊现代化的几点思考·····························3
第二章舌图像特征分析与主要舌图像分割方法··························3
2.1舌的形态和结构·············································3
2.2舌色，舌形特征及病理，舌纹理特征分析·······················4
2.2.1舌特征分析·············································5
2.2.2舌色，形特征及病理·····································6
2.2.3舌纹理特征分析·········································6
2.3舌图像自动分割方法··········································7
2.3.1舌体图像分割中效果偏差的分割方法介绍···················7
2.3.2普遍应用于分割的基于区域的分割方法····················10
2.3.2.1阈值法··············································11
2.3.2.2区域生长法··········································13
第三章舌体胖瘦客观化分析·········································15
3.1舌体胖瘦与肌体脏腑器官病理的关系··························15
3.2舌体大小的一种测量方法：
二维超声波成像····················16
3.2.1材料与方法···········································16
3.2.2实验结果及其准确性检验·······························16
3.2.3总结与讨论············································17
第四章结论与展望··················································18
参考文献···························································19
致谢·······························································20
第一章引言
1.1概述
舌诊,是充分体现中医诊断病症特色的方法之一,具有完整、系统，严密的理论体系,长久以来,在中医临床诊病中发挥着巨大的作用。
要更好的承继古人的舌诊经验,加快舌诊理论的发展,让舌诊更好的服务于中医现代临床,就必须对舌诊进行广泛、深入，积极的研究,并对已有研究的思路、方法进行仔细认真的梳理,对已经在研究中取得的经验和成果,进行认真地总结。
才能把舌诊真正客观化，微观化，定量化。
传统中医讲究是在经验的基础上对舌诊进行主观认知，其结果就难免会有偏差，而现代医学把计算机技术引入了中医舌诊中，让其数据化，客观化的同时，加以解剖学的分析，对中医舌诊的图像分析提出了一系列的自动分割法，也为舌诊的分析提供了更加有利方便并且高效的技术支持。
首先，传统的研究方法结合现代医学手段如电镜、热象仪、B超、舌体测算仪等的广泛使用，实验室血液流变学的检测、舌苔脱落细胞的检测以及一些分子生物技术的应用,让舌诊的研究进入了一个全新的崭新的平台。
其次，电子计算机技术以及网络信息技术的发展和应用，实现了舌象信息的全方位提取和舌色、苔色、苔厚、裂纹、润燥等指标的自动分析等，中医舌诊研究便由此进入了现代化、客观化、信息化、标准化的飞速发展的道路。
而对于舌体胖瘦的问题，传统医学也几乎是依靠个人的经验判断，这种方法因为人类肉眼无法清晰的辨别细微的变化而无形中加剧了病情的恶化，现代医学用二维超声成像测量与曲线拟合参数加以统计，不仅让测量的结果大大提高了精确度，也为测量结果的统计加大了便利度。
现代医学的发展日新月异，不断得研究新技术，新型研究的智能化舌体测量仪就在目前的技术上又更进了一步，而新颖的舌象特征提取方法，一改以往的复杂，不易操作；以上的两项虽然目前还在临床实验阶段，但是技术已经趋于成熟，是现代医学的新的里程碑。
舌诊在中医理论的体系及临床诊疗的实践中占有举足轻重的地位。
将计算机技术和图像处理技术与中医舌诊相互结合，实现舌诊的定量化、客观化、标准化，从而实现中医舌诊的现代化，是继承发扬传统中医诊断的重要手段，是一个尚在探索研究中的课题。
1.2舌诊客观化研究的进展
1.2.1舌苔，舌质，及舌诊其他客观化研究进展
舌象是反映人体体内变化的非常灵敏的标尺,能客观地反映人的正气盛衰、邪气性质、病情进退,对准确辨证预防、判断疾病转归、指导处方用药具有着重要意义。
在对舌苔客观化的研究中,北京工业大学率先提出了3种方法。
第1种方法是用多类支持向量机学习算法对舌苔做定性、定量的描述。
第2种方法是基于学习矢量量化神经网络的苔色进行自动分类的方法。
在分类器的设计之中,首先提出了基于2R0准则的训练的样本筛选方法,并且采用了Fisher比率作为色度的空间选择的依据,有效地提高了分类的正确率。
第3种方法是进行监督FCM聚类的算法应用的模糊点概念,设计多层去模糊处理以及舌象类别标定的方法,能够进行有效地对舌苔的颜色分类。
在舌质方面，王爱民等利用基于矢量Prewitt算子的多尺度边缘检测的方法对舌的裂纹特征进行了定量分析,得到一个经过定量化的裂纹指数,以此来反映裂纹的多少和深浅。
有关舌诊其他的客观化的研究中，蔡轶珩等人针对已有的舌象分析仪不能满足提供卧姿病人舌象采集的问题,提出新型的舌象分析仪的采集装置设计方法。
采用了数码相机的自带闪光灯作为仪器光源,缩小了仪器体积,提高了其电气的安全性；利用积分球照明的几何条件,努力提高了光照的均匀性。
蔡轶珩等人还对新型的采集装置进行实验研究,并加以确定了各项的采集参数。
对于新型的装置光学成像环境改变所引起的舌像颜色的数据变化,运用校准色板,利用离线彩色的校正算法,实现了图像从新型舌象采集装置光学环境到标准环境的颜色转换,从而最终实现了各舌象指标分析。
舌诊客观化研究在近年来有了很大的进展,呈现出许多多角度、多层次、多学科交叉的优秀特点,但仍然存在不少亟待解决的问题。
如在舌象信息的全面的综合识别、分析以及处理上还有明显不足；对人体舌象信息的阐释与临床应用的方面,还没有充分地和中医临床结合,使得舌象信息缺乏了临床实用性,不利于在临床推广；多学科的融合程度仍有待加强。
今后在研究中,我们要在中医理论指导下,紧密地结合临床实践,开展组织各学科专家的密切合作,利用计算机的视觉系统、光学技术和图像分析技术等临床现代科学技术,建立出舌诊客观统一的识别标准,为中医诊断规范化、定量化准确地提供客观的依据,促进了中医学术的发展。
1.2.2计算机技术在舌诊研究中的应用和进展
20世纪50年代末以来,少许学者在荧光染色检查、舌尖微循环、刮舌涂片、动物实验等方面进行了大量的研究工作,并取得一定的成绩,为舌诊现代研究奠定了坚实的基础。
1986年,我国首次将计算机图像识别技术应用于舌诊研究,以《中医舌苔谱》上的有代表性的舌象的彩色图片为蓝本,处理正常人、寒湿、实热、虚证、虚湿瘀证五种不同舌象彩色图片,其结果显示:
正常人的舌象与病理的舌象在红、绿、蓝三种色度变化及有明显差异。
这是计算机技术与图像处理在舌诊现代研究中的应用，说明了应用计算机图像识别技术在舌象进行定位、定量分析上是可行的。
自此在这方面的技术应用便逐渐涌现。
我国的研究者也慢慢有了更多的技术设想，可以算是舌诊在计算机技术方面理论基础：
孙氏设想在标准的光源条件下,应用新型彩色摄像机摄取舌象图像,经过电子计算机处理为数字图像（进行定量分析）,再参照主要脏腑不同病证及正常人，然后进行分类,在中医专家的直接或间接的参与下,通过不断修正、反馈,总结出了舌诊的定量分析的客观依据,建立了一套以分析舌象色度的变化为重点的识别系统。
郭振球等人则提出了将显微技术加以计算机技术相结合，应用于舌诊客观化研究的初步设想。
郭氏的设想是应用显微镜对舌乳头进行准确地显微观察、显微测量,然后再对显微图像进行处理,最后分析舌乳头的微观变化与疾病证候的关系,努力找到察舌辨证的客观指标。
以上的两个研究中，二者各有侧重,孙氏主要是从宏观图像的角度考虑,而郭氏则从微观角度入手,可以说是各有所长,都为舌诊研究开辟了新路,也为计算机技术在舌诊研究领域中的应用奠定了坚实的理论基础。
有基本的理论设想之后,人们开始摸索计算机舌象识别的系统及其应用软件的设计。
赵荣莱等人设计了“舌质、舌苔的定量分析系统”。
该系统采用了线阵摄像机和数字化电路,分别通过红、绿、蓝的滤色片,对舌象幻灯片进行拍摄,并进行数字化,输入计算机内进行存储和处理；在采集时，对数据进行标定是十分有必要的,用三色相对值来统计和分析,初步确定出各种舌质和舌苔的分类参数,可以根据分类参数来进行分类计算。
在此理论之上，隗继武等人认为舌质的颜色由舌蕈状乳头的分布密度和每个蕈状乳头血管袢的分布面积以及血管袢的颜色决定,借用了计算机图像处理与图形放大技术,对常见的消化系统疾病的舌象进行了观察。
其方法简述如下:
首先通过连接在一起的高分辨率的彩色摄像机与显微镜,将舌体放大到10倍,在病人的舌尖及左右的舌边处取直径为0.5cm的圆形区域,记录蕈状乳头的个数,并且求得蕈状乳头的分布密度；再从中任意取10个蕈状乳头，进行130倍的放大,对每个蕈状乳头的血管袢再进行计算机图像的扫描,求得直径及R、G、B三基色的平均值；最后再以各均值乘以蕈状乳头的分布密度，作为检测的结果。
上述各种计算机的舌诊系统能够在一定程度上对舌象进行准确地识别,为临床医学提供参考信息,说明了计算机在舌诊研究领域中的应用能够让该系统在舌象识别的方面达到、甚至超过传统舌诊效果。
1.2.3对中医舌诊现代化的几点思考
舌诊,因为其长久以来在传统中医临床诊断上的重要的地位，所以现代医学想要习得这一技术，并加以应用，据此更好得服务于现代社会，要达到这个目标我们就必须对舌诊的研究发展的思路和方法进行多方面的总结。
以下对今后舌诊的现代化研究提出了“五个必须”的观点：
（1）对舌诊的研究必须以中医理论作为指导，因为中医的舌诊是中医诊病的重要组成,是不可缺少的诊断方法。
为了能使中医的舌诊更好的为现代临床诊断服务,就必须继续深入的开展对舌诊的现代化研究。
我国国内对舌诊研究,已有近50年的历史了,在此期间有不少研究者对舌诊用多种方法，从多方面,多角度进行了研究,尽管已经取得了不少的成果。
但是,这些成果目前并未形成推动中医临床发展的作用,也未给传统的中医舌诊带来方法上的突破。
究其原因,主要是在研究中缺乏中医理论的指导,因而,造成研究的结果,只能是对不同舌象理化性质的揭示和增加现代医学对舌认识的深入,却很难与中医传统舌诊的理论互相作用,也很难反映出中医宏观、整体、辨证的指导思想。
因此,必须要充分认识到中医舌诊理论的特殊性以及舌象变化的复杂性,进行研究方案的设计也不能脱离中医理论的指导,否则对舌诊研究中所付出的所有努力,也将会付之于东流。
（2）对舌诊的研究必须首先建立舌诊临床的统一，客观，量化的识别标准；舌诊的现代化研究,必将最终推动中医舌诊的发展。
但目前为止还尚未形成一个统一的客观、量化的识别的标准,这又在很大程度上成了制约着舌诊的客观化、现代化进一步发展的瓶颈。
所以,在舌诊的客观条件达到相对成熟的情况下,我们有必要首先制定出一套统一的舌诊的客观量化识别的标准,这样一来既有助于指导临床和科研工作,又有助于促进规范临床资料,推动中西临床的交流和资源共享。
同时,对于舌诊的识别标准的制定还需要进行大样本、多变量的研究，才能得出结果,这也需要长期的协作研究。
（3）对舌诊的研究必须重视病，证的相互结合；辨病与辨证相结合,可以说是中医诊断学的基本的原则之一。
对中医舌诊的研究,也应当注重在病证结合上进行研究,探索出舌象与病证之间的相关性。
通过这些方面的研究,我们一方面弄清不同的病因和病理对舌象影响，和因此而产生改变的规律性,另一方面,还要密切注意在同一疾病发展过程中,处于不同阶段舌象变化的规律与不同疾病的相同证型的舌象变化的规律性,并注意寻找出在上述各种情况对舌象影响出现变化的特异性。
（4）对舌诊的研究必须注意季节，地域，体质等客观因素的影响；整体观念是中医学区别于西医的另一特色和优势,整体观中所体现的恒动观和联系观是属于中医个体化辨治的基础。
因此,在进行科研时,制定出舌诊客观化的标准或对舌象进行计量中,就必须考虑到某些季节、地域、体质等对舌象的影响,这是舌诊的客观化科研工作的很重要的一部分。
与此同时,要加强对这些问题的研究,这也将进一步提高我们的辨证的水平。
（5）对舌诊的研究必须要融入现代的科学技术，我们的时代，现代医学的发展日新月异，因此，中医诊断的技术与水平只有积极的去接受现代科学技术的融入，才能把中医诊疗带入真正意义上的客观化，规范化，定性以及定量诊断的时代，中医舌诊应当利用现代的先进技术,加以结合中医舌诊的理论及特点,积极去研制适合于中医临床舌诊的并且便于临床推广与应用的检测仪器,这种仪器将用以取代人的肉眼观察,这样我们就完全能够避免肉眼观察下所造成的误差,让色泽的表达更准确。
从而为临床的诊治提供客观、准确的诊断依据。
第二章舌图像特征分析与主要舌图像分割方法
2.1舌的形态和结构
舌的形态分为上，下两个面；上面圆隆称为舌背，舌背上由人字形的界沟将舌分为前方的舌体，后方约舌根；舌体的前端渐窄，称为舌尖。
舌的下面正中有舌系带，为一黏膜皱襞。
舌系带下端的两侧各有一小隆起，称为舌下阜，有下颌下腺管，舌下腺管的共同开口。
在舌下阜的后外侧，个有一粘膜皱襞，及舌下襞，其深面有舌下腺。
舌的结构由表面覆一粘膜，内有舌肌构成，组织结构可分为三层，分别为粘膜层，固有层和肌层。
其中粘膜层通常分四层，由浅向深为：
角化层，颗粒层，棘细胞层，基底层；由于粘膜层的组织结构特点，决定了其新陈代谢活跃，细胞更新速度较快，约每三天更好一次，为体内氧化代谢最活跃的场所之一。
而固有层为与粘膜层下，有结缔组织构成，其间包含有血管，淋巴管，神经和舌腺管等，可见到少量淋巴细胞，在舌背部的固有层形成许多大小不等的真皮乳头，伸入粘膜上皮层。
最有的肌层位于固有层下，有骨骼肌组成肌束，肌束之间有少量结缔组织，期间可见血管与神经。
2.2舌色，舌形特征及病理，舌纹理特征分析
2.2.1舌特征分析
舌特征包括舌质和舌苔的在各种情况下的表现,是中医辨证的论治的主要依据。
人体的舌质可以从颜色、光泽和形状等方面来进行描述,而舌苔可以用其颜色以及纹理的特征来描述。
舌色分淡红、淡白、红绛和青紫；舌形又有胖大、瘦小、裂纹和芒刺之分；苔色上有白、黄、灰、黑、蓝、褐之别；对于苔质，则有薄、厚、润、燥、腐、腻之分；此外,人的舌体还有软、硬、缩、颤等动态的特征。
根据这些特征，我们可以用特征提取的方法对舌质和舌苔进行客观的定量分析。
2.2.2舌色，形特征及病理
前一章节已经介绍了，舌苔，舌质的特征分析，这一节中将主要介绍舌色，及舌形的特征分析，舌色，即舌质的颜色，一般分为淡红，淡白，红，绛，青紫五种舌色；这五种颜色分别代表不同的临床意义，淡红表示气血调和，意味着心血充足，胃气旺盛；淡白表示气血两虚，阳虚，枯白舌主脱血夺气；红舌主实热，阴虚；绛舌主里热亢盛，阴虚火旺，一般是由红舌恶化演变而成；青紫舌分为淡紫舌，紫红舌，绛紫舌，青紫斑点舌，主血气不畅；下面是以上几种情况的舌图形：
图1淡白舌图2绛舌
图3青紫舌图4红舌
2.2.3舌纹理特征分析
舌纹理的特征分析，这包括舌裂纹与舌苔腐腻的相关的纹理分析，对于前者，王爱民等人采用了基于矢量Prewitt算子的多尺度边缘的检测方法对舌裂纹特征进行了定量的分析,得到一个经过定量化的裂纹指数,并以此来反映袭纹的多少与深浅。
而后者则是卫保国等人根据腐腻苔的纹理特点,通过改进的子空间法将舌苔区分成为固定大小的块,对各块加以投影长度比作为其分类判别特征,以此来分析其纹理结构的疏密,在可信度不够高时，再结合表达颗粒粗细的纹理粗糙度特征来进行分类。
在分类结果基础上再给出整幅舌图像的腐腻指数和图表描述。
2.3舌图像自动分割方法
2.3.1舌体分割中效果偏差的分割方法的介绍
基于边缘的分割方法，此方法首先检出图像之中局部特性的不连续性或是突变性,然后再将它们连成边界,这些边界又把图像分成不同的区域。
该方法的难点在于进行边缘检测时会产生抗噪性和检测精度之间的矛盾。
若加以提高检测精度,则其噪声产生的伪边缘会导致不合理的轮廓；若去提高抗噪性,则会产生出轮廓漏检和位置的偏差。
因此,世界在这一方面目前较常采用的是基于像素属性的边缘检测方法、基于数学形态学的边缘检测方法以及基于参数变形模板的边缘检测方法。
第一种是基于像素属性的边缘检测方法，这是边缘检测最通用的方法，是用于检测亮度值的不连续性。
这类方法主要是考虑像素数据,并没有考虑实际分割中对象中像素的分布的情况和实际目标的特点,从边界的一点入手,根据灰度的梯度等信息找到与之相近的其他边界点,最终会形成一条闭合的舌边界,这样可以确定包围在内部的部分就是舌体,这一方法的优点是边缘的定位准确,运算的速度快。
把常用的Roberts、Prewitt等一阶的检测算子和Canny等二阶算子一一进行了尝试和比较之后,可以发现其共同的缺陷：
①这样难以得到完整的闭合的舌外轮廓；②舌体内部的裂纹以及舌周边的牙齿、衣领等有强边界特征的物体也会容易对分割的效果产生影响；③有一些舌色与肤色接近的病人的病例图片上舌和嘴唇的边界就会模糊不易区分。
总体上来说,传统的边缘检测算子对含有噪声的图像上的处理效果不理想,丢失了有效边缘,不能进行有效的抑制噪声。
因此需要在边界检测之后加入大量的人为干预,用以辅助删除误检测到的边界,再添加上后丢失的边界,才能形成一个完整的舌外轮廓，最后加以分割。
数学形态学的理论是建立在集合论的基础上,是用于研究几何的形状和结构的一种数学的方法。
基本原理是将图像数据和结构元素做一次或多次形态学的运算,得出边缘检测结果。
从这个意义上讲,这是一种基于变换的分割的方法。
数学形态学的运算是用于边缘检测,这种检测存在着结构元素单一的问题。
它对和结构元素同方向的边缘更加敏感，而与其不同方向的边缘（或噪声）则会被平滑掉。
但如果我们采用对称的结构元素,又会减弱其对图像边缘的方向的敏感性。
所以,在边缘检测中,我们可以考虑用多方位的形态结构元素,运用不同的结构元素的逻辑组合来检测出不同方向的边缘。
为了提高图像分割的效果,高氏等人进行了研究，将模糊算子和数学形态学结合起来,提出了一种新的舌体区域分割算法,该算法完全可以获得更为精确的舌诊指标。
与此同时赵氏等人从数学形态学的基本理论出发,利用数学形态学可以描述图像形态特征的特点,结合HIS模型,并且充分考虑图像的彩色信息,最终提出了采用数学形态学和HIS彩色模型相互融合的医学舌图像的分割方法。
数学形态学已经被广泛的应用于图像处理和计算机的视觉领域,它是建立在积分几何和随机集论的基础上,能够全方位进行各种几何参数的间接测量,反映出图像的体视性质,适用于描述图像的随机性质.
基于参数变形模板的方法是将图像的数据、初始的轮廓、目标的轮廓和基于知识的约束统一在特征提取的过程中,Kass提出的Snake模型就是一种属于典型的参数变形的模板。
该模型是基于二维曲线的动态生长，目的是实现边缘检测的方法。
其最大的特点是结合图像的低层的特征与高层知识,最终实现边界的准确定位,此外还保持线性光滑,保证了作用的过程及最后的目标结果是一条完整的曲线。
在对人体舌体的自动分割的研究中,将Snake方法应用到舌体轮廓的提取上,可以取得一定的效果。
但该算法也有受制条件，因此,在实际应用过程中,嘴唇部分常常影响分割进程,使Snake最优的轮廓常收敛于嘴唇边缘,从而导致自动的分割失败。
这一方面的原因是舌体和嘴唇纹理通常相对复杂,如果只是利用图像的边缘的梯度信息作为Snake的外部能量,是很难收敛到最优的舌体边缘。
为了解决这一问题,傅氏等人提出了一种结合径向边缘检测与Snake模型的特殊的分割方法,首先是使用径向边缘检测，得到初始轮廓,再使用色彩对消,消除嘴唇的影响,最后用Snake获取舌体轮廓。
2.2.2普遍应用于舌体图像分割的基于区域的分割方法
应用于舌体图像分割的基于区域的普遍分割方法有阈值法和区域生长法。
阈值法是一种简单，有效的图像的分割方法,其基本理论思想是用一个或多个阈值将图像的灰度级分为几个等级,灰度值在同类中的像素是属于同一个目标。
阈值分割方法的优点是让计算简单、运算的效率较高、速度快,适用于目标与背景灰度有较强对比的情况,更重要的是，背景或物体的灰度是比较单一的,而且总是可以得到封闭且连通的区域的边界。
在得到一幅满足这样的条件的舌图像时,它的灰度直方图基本能看作是由分别对应舌和背景的两个单峰直方图相互混合而成。
如果这两个分布的大小接近均值且相距是足够远的,且均方差也足够小,则直方图便是双峰的,动态的阈值就更容易选取从而加以分割。
但是,在实际处理中能符合这样条件的舌图像很少,大部分的舌象的内部会由于舌苔的存在,让舌对象的直方图很难呈现单峰分布。
而且,其中某些舌色的舌边缘和嘴唇、皮肤等的颜色接近,用这种方法将难以准确的定位出边界。
对此,任氏等人针对彩色舌图像的特点,综合地考虑了几种常用的彩色图像分割的方法的特点,提出一种基于灰度空间的自动阈值的选取的分割算法,并将其应用在彩色舌图像的分割中。
杨氏等人则针对传统的阈值方法在舌体轮廓的提取存在的缺陷,将采集到的图像首先用直方图均衡化，进行预处理,从而提高图像颜色的分辨率,然后再根据舌体形状、位置等先验信息,用几何的方法修正受到嘴角和嘴唇影响得到的边缘,最终完成舌体的提取工作。
区域生长法是依据一定的生长准则,将若干个“相似”的子区域聚合成较大的区域,相邻的区域具有不同的均匀性,其中灰度级之间的比较可以说是最简单的相似测度。
我们在采用区域生长法时，关键在于种子点位置的选择、生长准则和生长顺序。
采用区域生长法的优点是计算简单,对于相对均匀的连通目标有较好的分割效果。
其主要缺点是,对于图像之中不相邻但灰度值相同或相近的区域,不能一次性分割出来,而只能一次分割一个区域。
对于舌图像来说,由于舌体的本身是一个完整的连通区域,因此其内部点的色彩性质也就趋于一致,因此就可以从舌体内部的一点开始,根据其4邻域或8邻域内点的相似度来延长舌体区域,直到到达舌边界。
此法比较容易得到完整的连通区域,但对于相似度的阈值则难以选取。
在相
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