基于安卓操作系統(tǒng)的傷口面積測量軟件設(shè)計(jì)*

張心苑 楊 琳* 王 靜 趙 強(qiáng) 喬愛科*

基于安卓操作系統(tǒng)的傷口面積測量軟件設(shè)計(jì)*

張心苑①楊 琳①*王 靜①趙 強(qiáng)①喬愛科①*

目的：針對(duì)臨床傷口面積測量便捷性及準(zhǔn)確度問題，設(shè)計(jì)基于安卓操作系統(tǒng)的傷口面積測量軟件。方法：利用安卓電子設(shè)備的拍照功能拍攝傷口圖像，裁剪圖片后進(jìn)行轉(zhuǎn)換灰度圖、圖像二值化、剔除無效區(qū)域及提取有效區(qū)域，統(tǒng)計(jì)傷口面積像素?cái)?shù)，根據(jù)像素比計(jì)算傷口面積，將傷口面積數(shù)據(jù)顯示在安卓電子設(shè)備的屏幕上。結(jié)果：傷口面積測量軟件能夠自動(dòng)標(biāo)注傷口區(qū)域，根據(jù)傷口區(qū)域與同一拍攝距離下1 cm2參照物的比例關(guān)系計(jì)算傷口面積并顯示傷口面積數(shù)據(jù)。軟件測量傷口面積的誤差在±1.112%之內(nèi)，能夠準(zhǔn)確地完成對(duì)不規(guī)則傷口的測量。結(jié)論：基于安卓系統(tǒng)的傷口面積測量軟件，通過拍攝、計(jì)算處理等間接測量的方法計(jì)算傷口面積，避免了傷口感染等問題，能夠代替廣泛用于臨床的直接測量方法。

安卓；傷口面積；圖像處理；像素

[First-author’s address] College of Life Science and Bio-engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China.

世界上約有1%的人口被持續(xù)性的創(chuàng)面問題所困擾，用于創(chuàng)面修復(fù)的治療費(fèi)約占醫(yī)療費(fèi)的5%；創(chuàng)面、尤其是慢性和難愈性創(chuàng)面的發(fā)病率呈逐年增高趨勢[1-2]。臨床上皮膚損傷面積的測量結(jié)果可作為一項(xiàng)觀察指標(biāo)來評(píng)估皮膚損傷的嚴(yán)重程度以及相關(guān)治療的恢復(fù)情況[3]。傳統(tǒng)傷口面積測量的方法是數(shù)格子法，繼而出現(xiàn)了掃描儀測算法和數(shù)碼相機(jī)攝像法[4-5]。數(shù)格子法測量傷口面積，其所用采樣物(透明膠布)與被測傷口直接接觸，會(huì)干擾未愈合的傷口，影響傷口愈合[6]；掃描儀測算法價(jià)格較為昂貴；運(yùn)用數(shù)碼相機(jī)直接采樣，拍攝物距、角度均需相對(duì)恒定，穩(wěn)定性較差[7]。傷口通常是不規(guī)則、非平面的，傳統(tǒng)測量方法很難達(dá)到便攜、簡單和低風(fēng)險(xiǎn)測量。隨著安卓系統(tǒng)應(yīng)用范圍的拓展，安卓系統(tǒng)軟件在健康醫(yī)療方面已有優(yōu)秀的先例，在家庭健康醫(yī)療監(jiān)控、監(jiān)控體育鍛煉的能量消耗及中醫(yī)管理藥方等方面的應(yīng)用程序已逐漸投入使用。本研究利用傷口檢測及傷口圖像鑒別方法，設(shè)計(jì)一款通用安卓系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)傷口簡單、便捷測量。通過手機(jī)、相機(jī)等在簡單的環(huán)境下達(dá)到傷口測量的目的。

1 安卓操作系統(tǒng)的傷口面積測量軟件

安卓系統(tǒng)的傷口面積測量軟件安裝于安卓系統(tǒng)電子設(shè)備中。安卓系統(tǒng)電子設(shè)備小巧，便于患者隨時(shí)攜帶，尤其是有慢性、難愈性創(chuàng)面問題的患者可利用其隨時(shí)隨地完成傷口面積的測量，同時(shí)安卓系統(tǒng)傷口面積測量軟件使用電子設(shè)備的拍照功能間接測量傷口，不影響傷口愈合，減輕測量傷口面積時(shí)給患者創(chuàng)面帶來的傷害。同時(shí)，對(duì)簡化臨床測量傷口面積的步驟和時(shí)間、評(píng)估傷勢嚴(yán)重程度和傷口愈合情況均具有重要意義。

影像圖片是空間三維物體在照相機(jī)成像平面上的二維投影。根據(jù)攝像機(jī)成像的射影幾何變換關(guān)系，若照相機(jī)光軸垂直于損傷區(qū)域面，損傷區(qū)域近似為平面時(shí)拍攝圖像中的損傷區(qū)域與體表上的實(shí)際損傷區(qū)域面積之間存在比例關(guān)系[8]。傳統(tǒng)的圖像測量技術(shù)是利用CCD攝像機(jī)采集到被測對(duì)象的圖像后由圖像采集卡讀入計(jì)算機(jī)中，然后運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)自動(dòng)計(jì)算出被測對(duì)象的待測參數(shù)[9-10]。由于每個(gè)像素代表的實(shí)際面積可以達(dá)到mm2級(jí)，因此利用圖像測量技術(shù)測量不規(guī)則形狀物體具有一定的優(yōu)勢[11-12]。

1.1 傷口面積的測量

以1 cm2的正方形作為參照物。在不同的拍攝距離下垂直拍攝參照物。根據(jù)正方形邊長與拍攝區(qū)域邊長的比值和拍攝區(qū)域的像素?cái)?shù)大小(在拍攝照片的屬性中可查看)，計(jì)算出不同拍攝距離下1 cm2正方形的像素值；取10次實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)的平均值。根據(jù)手機(jī)的相關(guān)資料，得到不同品牌不同型號(hào)手機(jī)在不同拍攝距離下1 cm2正方形的像素值，軟件識(shí)別傷口區(qū)域。根據(jù)傷口區(qū)域及參照物區(qū)域的比值以及已知參照物的面積推算出傷口區(qū)域的面積。

1.2 傷口面積測量軟件編程框圖

軟件編程主要分為圖像采樣、圖像處理和顯示數(shù)據(jù)3部分。圖像采樣需要調(diào)用系統(tǒng)相機(jī)及電子設(shè)備上具有拍攝功能的軟件，將采集到的圖像用于圖像處理步驟中。圖像處理部分共分為6步：①裁剪圖片，規(guī)定整個(gè)圖像的像素?cái)?shù)以便于統(tǒng)計(jì)；②轉(zhuǎn)換灰度圖，繪制亮度直方圖，利用中值濾波去除圖像噪聲，篩選并確定出傷口的閾值；③二值化，將圖像轉(zhuǎn)化為黑白圖像；④剔除無效區(qū)域；⑤提取有效區(qū)域，根據(jù)閾值提取傷口區(qū)域，并且通過邊界跟蹤獲得待測物區(qū)域邊界點(diǎn)信息；⑥面積計(jì)算，統(tǒng)計(jì)傷口區(qū)域像素?cái)?shù)。顯示數(shù)據(jù)部分，將提取出的傷口區(qū)域標(biāo)亮顯示，并顯示圖像處理部分第6步統(tǒng)計(jì)出的傷口區(qū)域像素?cái)?shù)及傷口面積數(shù)據(jù)(如圖1所示)。

圖1 傷口面積測量軟件功能分塊設(shè)計(jì)框圖

(1)圖像采樣。對(duì)醫(yī)學(xué)圖像的準(zhǔn)確采樣是圖像處理的重要前提[13-14]。安卓系統(tǒng)傷口面積測量軟件圖像采樣時(shí)需滿足以下圖像采樣條件：①對(duì)傷口垂直拍攝；②軟件需要搭配系統(tǒng)光源以達(dá)到最佳拍攝光線，輔助光源采用環(huán)形LED(發(fā)光二極管)視覺光源VS-RL 100 W，低溫，亮度可調(diào)、均衡無閃爍；③采樣區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)傷口；如果傷口面積過大，需要調(diào)節(jié)焦距，將傷口區(qū)域完整置于電子設(shè)備的取景框中。

(2)裁剪圖片。裁剪圖片用120像素×120像素的取景框進(jìn)行裁剪，不僅可將傷口的區(qū)域選定，而且裁剪后的圖片為恒定像素，統(tǒng)一了圖片的尺寸，有利于下步的公式計(jì)算和圖像處理。

(3)轉(zhuǎn)換灰度。轉(zhuǎn)換灰度算法：在程序中定義一個(gè)二維數(shù)組，使圖像中每個(gè)像素點(diǎn)均用數(shù)組表示。為避免越界的情況產(chǎn)生，不計(jì)算邊界的行和列，因此在算法中行和列的范圍分別為i＜width(圖像寬度)和j＜height(圖像高度)，計(jì)算每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值(公式1)：

pixelGray＝(int)(0.3×r＋0.59×g＋0.11×b (1)式中pixelGray為灰度值，r，g，b分別代表像素點(diǎn)顏色的RGB值。

(4)二值化、提取有效區(qū)域。采樣圖像經(jīng)灰度圖變化后采用最大方差法確定分割圖像的閾值，閾值范圍內(nèi)是傷口區(qū)域，其他部分為背景，然后將有效區(qū)域和背景分開。

本研究確定傷口顏色的閾值(RGB值)為(169，0，0)。傷口區(qū)域在可觀察到的表皮與正常皮膚之間[15-16]。傷口的顏色轉(zhuǎn)化為RGB值從(169，0，0)到黑色(0，0，0)[17]。二值化后的圖像中每一像素點(diǎn)的灰度值不同，根據(jù)確定的傷口閾值提取傷口區(qū)域。二值化處理前后圖像比如圖2所示。

圖2 二值化處理前后圖像對(duì)比圖

(5)軟件面積計(jì)算。利用公式：傷口面積＝傷口區(qū)域所占像素?cái)?shù)÷1 cm2正方形像素?cái)?shù)，計(jì)算傷口面積大小。軟件面積計(jì)算算法為公式2

式中，float為數(shù)據(jù)類型，area代表傷口面積，back_ num是后景色所占像素?cái)?shù)。其中a×a為不同拍攝距離下1 cm2的正方形所占像素?cái)?shù)。

本研究對(duì)像素?cái)?shù)隨拍攝距離變化的計(jì)算公式進(jìn)行修正：不同拍攝距離下1 cm2正方形所占像素?cái)?shù)=7－0.46×(拍攝距離－30)，并根據(jù)不同品牌不同型號(hào)手機(jī)的分辨率及鏡頭像素計(jì)算出不同拍攝距離下1 cm2正方形所占像素?cái)?shù)，校準(zhǔn)了算法中a×a的數(shù)值。

(6)數(shù)據(jù)顯示。將傷口區(qū)域所占的像素?cái)?shù)和傷口面積的實(shí)際大小數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，傷口面積單位為cm2，精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位，數(shù)據(jù)精確到mm2級(jí)。

2 結(jié)果

2.1 系統(tǒng)使用

系統(tǒng)操作流程如圖3所示。系統(tǒng)操作：①選擇手機(jī)品牌和型號(hào)確定已知手機(jī)的分辨率，如無該品牌或型號(hào)，可選擇近似型號(hào)或根據(jù)手機(jī)說明書相關(guān)參數(shù)自定義分辨率；②根據(jù)提示語“請(qǐng)輸入拍攝距離”輸入1～45范圍內(nèi)的數(shù)后確定拍攝距離；③根據(jù)提示語按下“拍照”鍵拍攝照片；④利用裁剪圖片工具裁剪圖片；⑤點(diǎn)擊“處理”進(jìn)入軟件界面(如圖4所示)。

表1 系統(tǒng)準(zhǔn)確度評(píng)估

圖3 系統(tǒng)操作流程圖

圖4 軟件界面

圖4 顯示，圖像框中紅色區(qū)域顯示為已被標(biāo)亮的傷口圖像區(qū)域，在圖像框的上方顯示兩行數(shù)據(jù)，分別是傷口面積數(shù)據(jù)及傷口像素?cái)?shù)。

2.2 系統(tǒng)準(zhǔn)確度評(píng)估

軟件編程完成后采用生物學(xué)圖像處理常用的軟件Image-Pro Plus 6.0模擬圖像處理步驟，利用閾值分割處理方法確定傷口面積的閾值，用自動(dòng)計(jì)數(shù)、測量工具統(tǒng)計(jì)傷口區(qū)域，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。本研究中制作了8個(gè)已知面積、RGB值為(190，0，0)的紅色硬紙板進(jìn)行準(zhǔn)確度評(píng)估，其中物體1～7為矩形，物體8為不規(guī)則物體。矩形根據(jù)已知的邊長計(jì)算面積，不規(guī)則物體用Adobe Photoshop CS6軟件繪制。畫布屬性設(shè)置為72像素/英寸(如圖5所示)。

圖5 物體8-不規(guī)則物體紅色硬紙板圖

不規(guī)則物體外側(cè)用膚色填充，用魔棒工具選取不規(guī)則物體區(qū)域。查看直方圖后得到區(qū)域的像素?cái)?shù)為8905。不規(guī)則物體的面積＝8905÷(72×72)=1.7178平方英寸=11.08 cm2。之后對(duì)8個(gè)物體分別進(jìn)行5次垂直拍攝，記錄數(shù)據(jù)取平均值并計(jì)算相對(duì)誤差。隨機(jī)對(duì)某款手機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后的數(shù)據(jù)分析見表1。經(jīng)計(jì)算平均相對(duì)誤差可以控制在±1.112%之內(nèi)。

3 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)的基于安卓系統(tǒng)傷口面積測量軟件具有簡潔、通用性強(qiáng)、原理簡單、操作簡便快捷及精度高等特點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)高精度的體表面積測量可采用體表三維測量方法，即先重建體表三維模型，然后在三維模型上完成面積的測量。通過已知的相機(jī)、照明位置以及正常皮膚與傷口的交界線構(gòu)造三維立體模型實(shí)現(xiàn)對(duì)曲面、不規(guī)則的傷口的更準(zhǔn)確測量。后續(xù)工作中將通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床實(shí)踐編寫出精度更高的傷口面積測量軟件。

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The design of wound area measurement software based on Android operating system/

ZHANG Xin-yuan, YANG Lin, WANG Jing, et al// China Medical Equipment,2014,11(8):29-32.

Objective: According to clinical wound area measurement's convenience and accuracy problem, the wound area measurement software based on the Android operating system is designed. Methods: The wound image was photographed by the photographed function of Android electronic equipment and was cut out and converted to grayscale then to binarizate image. The invalid area was eliminated and the valid area was extracted. The pixels of wound area were counted. According to the pixel than, the wound area was calculated and displayed on the screen of the Android electronic equipment. Results: The wound area can be marked automatically by wound area measurement software. According to the proportion of wound area and 1cm2 reference object on the same distance the wound area data is calculated and displayed. The error of the software measurement is within ±1.112%. The software can complete the measurement of irregular wounds accurately. Conclusion: The wound area is measured by the wound area measurement software based on Android operating system using untouched measurement such as taking picture, calculating and processing. It avoids the problem of wound infection and substitutes for direct measurement method which widely used in clinical.

Android; Wound area; Image processing; Pixel

1672-8270(2014)08-0029-04

R587 581

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.08.009

2014-03-25

北京市教委科技成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目(PXM2013_014204_07_000069)“下肢血管功能無創(chuàng)檢測技術(shù)(糖尿病足檢測儀)的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化”；北京工業(yè)大學(xué)星火基金項(xiàng)目(XH-2013-10-03)“基于安卓系統(tǒng)的傷口面積測量軟件”

①北京工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與生物工程學(xué)院 北京 100124

*通訊作者：yanglin@bjut.edu.cn；qak@bjut.edu.cn

張心苑，女，(1993- )，本科在讀。北京工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與生物工程學(xué)院，研究方向：醫(yī)學(xué)電子。