基于阻抗與雙目視覺的經絡可視化系統

【作 者】蘇祈艷，陳新

福州大學物理與信息工程學院，福州市，350108

基于阻抗與雙目視覺的經絡可視化系統

【作 者】蘇祈艷，陳新

福州大學物理與信息工程學院，福州市，350108

為了使經絡能夠在人體體表準確測量和顯示，提出了一種基于阻抗與雙目視覺的經絡可視化方法。首先，利用交變恒流源在人體皮膚表面注入電流信號，然后采用多通道皮膚阻抗檢測儀根據經絡的低阻抗特性檢測各對電極之間人體皮膚的電壓，從而間接獲取經絡點對應的通道，通過串口通信，將數據傳輸至上位機。其次，利用張氏攝像機標定法獲取攝像機內外參數，對光學標靶進行角點篩選與匹配，獲得經絡點的三維信息，再根據雙目視覺原理對三維信息進行坐標變換，最后利用曲線擬合和圖像融合技術，實現經絡可視化。測試結果表明，該系統能實現經絡的實時檢測與準確顯示。

阻抗；雙目視覺；人體經絡；可視化

0 引言

經絡“內屬于臟腑，外絡于肢節”，是人體氣、血運行的通道，是人體體表各部分與內臟器官之間相互聯系、相互影響的作用通道[1]。實現經絡在人體體表的實時準確顯示與可視化，對于中醫臨床診斷、治療與療效評估有重大的意義。

1 經絡可視化系統的總體結構

1.1 系統總體結構

本系統旨在實現人體經絡的檢測與實時顯示，即在人體體表上直接測量并定位經絡的具體位置，最終實時顯示在人體上，實現經絡可視化。系統采用上下位機工作模式，見圖1。系統中的下位機連接多通道皮膚阻抗檢測儀，獲取經絡點通道數據，上位機連接定位攝像機，對所獲得的經絡定位數據進行處理，實現經絡線的實時顯示。

圖1 經絡可視化系統的總體結構Fig.1 Overall structure of the meridian visualization system

1.2 經絡阻抗檢測系統

系統包含多通道皮膚阻抗檢測與多路數據采集。多通道皮膚阻抗檢測采用基于四電極測量技術的32×2電極陣列阻抗檢測方法，根據經絡的低阻抗特性[2]，通過壓控電流源產生交變恒流源激勵于人體待

測部位測量人體體表的阻抗信息，篩選出經絡在人體體表的候選點。多路數據采集卡為四塊MP425采集卡，通過上位機控制下位機打開A/D采集卡并用采集卡本身產生的脈沖控制四塊采集卡同步開始采集，同時，創建多媒體定時器和串口接收線程，分別用于讀取緩存數據和與上位機進行數據傳輸。

1.3 經絡定位顯示系統

包含定位攝像機標定與立體匹配、三維信息重建及二維顯示。首先，通過攝像機標定來確定物理空間位置與像素之間的關系，而后完成基于雙目視覺的三維信息提取、經絡定位以及場景圖象定位，最后根據曲線擬合和圖像融合技術完成經絡線在人體上的二維顯示。

2 經絡可視化系統硬件設計

依據經絡的低阻抗特性，設計了此多通道人體經絡檢測系統。該多通道人體經絡檢測系統將傳統的中醫與現代科技相結合，操作簡單，無痛無刺激，有較高的檢測精度。系統包含電極模塊、信號處理與數據采集模塊和通信模塊。

2.1 電極系統

電極系統包含激勵電極和測量電極兩部分。激勵電極將激勵恒流源產生的交變電流信號導入待測肢體部位，并且將電流相對均勻地分布在待測肢體之間，電極矩陣中有32對測量電極（并排的兩電極是一對測量電極）。由于待測肢體之間有一定的電阻抗，在激勵電流的作用下產生對應的電壓差，該電壓差由相應部位的測量電極導入隔離放大電路并進行后續的處理。

2.2 信號處理與數據采集模塊

由于系統前端的信號十分微弱，隔離放大電路用于放大由測量電極獲得的微弱的電壓信號。通過調節平衡電位器來調節AD620放大器的內部平衡，以此來改進前置放大電路的共模抑制比，減小共模信號特別是50 Hz工頻的干擾，提高系統的測量精度。

系統采用雙運放LM358制作的三階有源濾波器，通過選擇合適的電阻、電容參數，可使50 Hz的工頻干擾衰減達到-90 dB，20 kHz的有用信號的增益可達到10 dB，從而滿足整個系統的要求。

由電極輸出的各路電壓信號經放大處理后仍是交流信號，必須經有效值檢測電路轉換為直流信號，然后送MP425采集卡進行多路的A/D變換，計算機利用其計算并轉換為準確度較高的各路阻抗數據。

2.3 上、下位機數據同步與通信

系統中，上下位機之間的數據通信是通過計算機串口進行的，系統采用多線程技術，將下位機采集的皮膚阻抗信息分成等間隔的連續時間片向上位機發送，上位機截取中間部分時間片的信息與三維坐標信息進行匹配。下位機利用多線程技術，一邊監聽串口，響應上位機指令，一邊采集人體體表皮膚阻抗，每10 ms組成一組數據向串口發送；上位機也采用多線程技術，一邊響應主程序命令，一邊接收下位機發送過來的皮膚阻抗數據，通過設置多媒體定時器，每70 ms對三維坐標數據求一次期望與阻抗數據進行匹配，并清空緩沖區。該過程不存在時間上的累積誤差，能實現數據的同步通信。

3 雙目定位顯示系統

系統軟件處理流程如圖2所示。主要包括以下幾個步驟：左右攝像機的標定、光學定位標靶上角點的定位、經絡點通道的篩選與三維坐標計算以及經絡線的實時繪制。

圖2 雙目定位顯示系統軟件流程圖Fig.2 Software flow pattern of binocular visualization system

在實際測量之前，先利用棋盤格模板對左、右攝像機進行標定，獲得攝像機的內部參數和外部參數。標定完成后，可進行實際的人體經絡測量，通知下位機開始工作，并開啟監聽線程，對下位機的通信數據進行接收及處理，移動附有X角點的電極標靶，通過對角點的檢測與坐標提取，并結合下位機的數據信息，計算出低阻抗通道所對應的電極探針觸點坐標，從而間接獲得經絡的三維信息。最后把經絡的三維信息投影到場景攝像機的實時場景上，即可在人體體表圖象上顯示出經絡線。

3.1 攝像機標定

攝像機標定旨在校正鏡頭畸變，是獲取兩個攝像機相對位置信息、保證測量精度的關鍵步驟，也是三維信息投影到二維圖像的必經步驟。本系統中采用張氏標定法[3]，即在一定的攝像機成像模型下，基于特定的標定條件，利用一系列的數學變換和優化算法可求取攝像機內外參數。

3.2 角點檢測與立體匹配

角點是指圖像上灰度變化劇烈的點。本文中將光學定位標靶粘貼在電極探針模塊的表面，利用光學定位X角點的位置，從而根據低阻通道位置間接獲得經絡線的三維信息。圖3為所采用的光學標靶。傳統的角點檢測方法是直接對圖像的灰度或灰度梯度進行處理，以Smith 和Brady提出的SUSAN角點檢測法[4]、Harris C和Stephens M提出的Harris角點檢測法[5]為應用代表。本文采用Harris角點檢測方法，其基本思想是在圖像中選取一個小窗口，并平移微小位移，當檢測到角點時，其灰度改變量不管窗口沿哪個方向平移時，都會產生較大大的變化，據此綜合判斷角點的初步位置。

圖3 光學標靶圖Fig.3 Optical target

在初步角點檢測完成后，根據迭代算法求取角點的亞像素坐標，并采用基于灰度對稱和灰度跳變進行角點篩選，篩選結果只剩三個X角點。之后在左右兩個相機拍攝的兩幅圖像中找到他們之間的對應關系，完成特征點的立體匹配[6]。

3.3 坐標變換與經絡顯示

人的雙眼在觀察物體的時候，大腦會自然的對物體有一定深度或遠近的意識，產生這種意識的效應稱為立體效應。雙目立體視覺仿照這種效應的原理，采用兩個攝像機從不同角度去觀察同一目標，并同時獲取目標的兩幅圖像，通過目標在成像中的相對視差恢復其三維信息，達到立體定位的效果。如圖4所示，為雙目立體視覺成像原理圖。

完成三個X角點定位以后，可以根據電極探針頂點與X角點的相對位置關系，計算出每個通道的探針頂點的三維坐標，即與人體皮膚接觸點的三維信息，后期只要得知低阻抗的經絡點在哪個通道上，便可以獲得經絡點的三維信息。在獲取了經絡點的準確三維坐標后，采用曲線擬合技術，通過基于像素的圖像疊加，將擬合后的經絡線投影疊加到二維的實時現場圖像上，從而實現經絡線的平滑顯示。

圖4 雙目視覺成像原理Fig.4 Principle of binocular vision

4 實驗結果及分析

4.1 經絡檢測系統

為了檢測多通道經絡檢測系統的測量精度及系統各參數對測量精度的影響，在32通道測量電極與參考電極間接入純電阻。在相同的實驗環境條件下，采用單一變量法，保持激勵電流源的頻率和電流不變，對純電阻的阻抗值進行多次測量求平均值。測量結果圖5所示：

圖5 純電阻測量結果圖Fig.5 Results of pure resistance measurement

由圖5可以看出測得的阻值和真實阻值的差值在-0.3 kΩ ～0.3 kΩ之間，相對誤差在2%以內，測量結果的精度基本滿足實驗的要求。

4.2 經絡顯示系統

標定獲得的內部參數和形變參數如表1所示。從表中可以看出，左、右攝像機的實際光心位置不在攝像機的圖像平面幾何中心上，也就是說實際的攝像機鏡頭存在一定的畸變，這可能是在鏡頭的加工或者安裝過程中造成的。

表1 攝像機標定參數Tab.1 The parameters of camera calibration

表2 Bouguet標定結果Tab.2 The parameters of Bouguet’s camera calibration

為了驗證標定結果的正確性，這里采用Bougue[7]提出的Camera Calibration Toolbox for Matlab工具箱對上述的棋盤格再次進行標定，獲得攝像機的參數如表2。

比較兩個表數據，兩種算法的結果非常接近，表明所采用的標定算法是有效的。

在人體實驗中，以部分心包經為例。將貼有標靶的電極在左下臂滑動，通過經絡檢測系統測出阻抗最低的通道，再根據坐標變換和三維坐標重建，得到經絡點的三維坐標，最后通過圖像疊加和曲線擬合技術獲得人體經絡線，實現經絡的可視化。

5 結束語

本文通過對基于阻抗與雙目視覺的經絡可視化系統進行原理闡述和實驗結果分析，從所獲得的結果可以看出，該系統能夠測得較為精確的結果。本系統的研究不僅為經絡定位成像提供一種方便、實時和準確的手段，也為中醫針灸臨床診斷提供科學的理論和依據。

[1] 夏培肅, 李華. 關于經絡系統研究的評述和建議[J]. 中國科學院院刊, 2014, 29(3):383-388

[2] 楊威生. 低阻經絡研究 Ⅲ. 對經絡組織學本質的推斷[J]. 北京大學學報(自然科學版), 2008, 44(2): 277-280

[3] Zhang ZY. A flexible new technique for camera calibration[J]. IEEE Trans Pattern Analy Mach Intellig, 1996, 22(11): 1330-1334.

[4] Smith SM, Susan BM. A new approach to low level image processing[J]. Int J Comput Vision, 1997, 23(1): 45-78.

[5] Harris C, Stephens M. A combined corner and edge detector[J]. Alvey Vision Conf, 1988: 147-151.

[6] Hu T, Qi B, Wu T, et al. Stereo matching using weighted dynamic programming on a single-direction four-connected tree[J]. Comput Vision Image Understand, 2012, 116 (8): 908-921.

[7] Bouguet JY. Camera calibration toolbox for matlab[R/OL]. [2013-12-02]. http://www.vision.caltech.edu/bouguetj/calib_doc.

熒光試劑檢測微小卵巢腫瘤

眾所周知，癌腫瘤早期診斷很重要，早期手術治療效果較好。對于卵巢癌腫瘤來說，當癌腫瘤在1 mm以下就得到診斷，并進行手術切除，其治療效果將大幅提高。但是，這些微小的癌腫瘤是很難與正常組織區分開來。

日本東京大學科研人員開發了一種無色透明的“gGlu-HMRG”的熒光試劑，gGlu-HMRG與卵巢癌細胞中的“β-半乳糖苷酶”發生反應后，就會發出強烈熒光。以此可以早期鑒別正常組織與卵巢癌腫瘤經動物實驗證實，當向患有卵巢癌的實驗鼠噴灑gGlu-HMRG熒光試劑后，存在癌細胞的癌腫瘤在數分鐘后就能發出非常明亮的熒光，用肉眼便可觀察到，能高精度檢測出1 mm以下的微小癌腫瘤。術者只要以熒光為標記，就能成功切除了癌腫瘤。

由于在檢測癌腫瘤時只需噴灑微量的試劑，所以副作用很小。至于gGlu-HMRG熒光試劑的精確度和安全性還需進一步驗證，目前還未開展臨床試驗。

當然，用這種方法還可以開發其它更多的試劑，與不同的酶結合，用于不同種類的癌細胞的檢測。

（本刊訊）

A Meridian Visualization System Based on Impedance and Binocular Vision

【Writers】SU Qiyan, CHEN Xin
College of Physics & Information Engineering, Fuzhou, 350108

To ensure the meridian can be measured and displayed correctly on the human body surface, a visualization method based on impedance and binocular vision is proposed. First of all, using alternating constant current source to inject current signal into the human skin surface, then according to the low impedance characteristics of meridian, the multi-channel detecting instrument detects voltage of each pair of electrodes, thereby obtaining the channel of the meridian location, through the serial port communication, data is transmitted to the host computer. Secondly, intrinsic and extrinsic parameters of cameras are obtained by Zhang's camera calibration method, and 3D information of meridian location is got by corner selection and matching of the optical target, and then transform coordinate of 3D information according to the binocular vision principle. Finally, using curve fitting and image fusion technology realizes the meridian visualization. The test results show that the system can realize real-time detection and accurate display of meridian.

impedance, binocular vision, meridian, visualization

R197.6

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2015.03.003

1671-7104(2015)03-0166-04

2015-11-25

福建省自然科學基金項目（2012J01267）

蘇祈艷，E-mail: teasu_72@163.com