基于Web3D 的中醫(yī)嗅診智能分析系統(tǒng)的研究

區(qū)錦鋒，李振鵬，廖嘉鎮(zhèn)，黃飛雄，周華英，張 琦

（廣東藥科大學(xué)醫(yī)藥信息工程學(xué)院，廣州 510006）

0 引言

中醫(yī)四診“望、聞、問、切”是中醫(yī)診斷的核心與精髓。人體因各種疾病會引起自身氣味的改變，但由于人體氣味信息的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性，導(dǎo)致中醫(yī)嗅診的研究遠遠滯后于其他舌診、脈診等［1-3］。中醫(yī)嗅診仍停留在憑醫(yī)生的主觀嗅氣味診法，缺乏客觀標準。實現(xiàn)中醫(yī)聞診—嗅診數(shù)字化和智能化分析是眾多中醫(yī)人多年努力的目標和期望。因此，為了促進中醫(yī)四診智能診治融合發(fā)展，中醫(yī)嗅診智能化分析研究顯得尤為迫切［4-5］。林雪娟等［6］、吳敏等［7］運用電子鼻采集口腔氣味，研究得出可以根據(jù)口腔氣味特征初步判斷2 型糖尿病的虛實病性。王憶勤［8］開展四診信息融合辨證模型及中醫(yī)四診檢測系統(tǒng)的研究，指出中醫(yī)四診信息融合在標準化、規(guī)范化方面尚處于起步階段，在四診信息融合研究及中醫(yī)診斷智能平臺研發(fā)方面尚需加強。

本文基于仿生嗅覺技術(shù)，對中醫(yī)嗅診展開數(shù)字化分析與研究。利用電子鼻獲取口腔氣體的氣味信息，并對氣味信息進行數(shù)字化分析和研究。同時，通過三維可視化技術(shù)實現(xiàn)中醫(yī)嗅診智能分析過程的三維可視化。本研究對中醫(yī)嗅診數(shù)字化、中醫(yī)遠程醫(yī)療等具有重要的理論意義和應(yīng)用前景，有利于促進中醫(yī)四診數(shù)字化、中醫(yī)四診信息融合發(fā)展。

1 研究思路

本文基于Web3D 的中醫(yī)嗅診智能化分析可視化，需要通過數(shù)據(jù)服務(wù)實現(xiàn)中醫(yī)嗅診數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，然后在前端以網(wǎng)頁的形式為用戶呈現(xiàn)三維可視化的渲染結(jié)果。因此，本文從數(shù)據(jù)服務(wù)出發(fā)，將中醫(yī)嗅診三維數(shù)據(jù)全部存儲于服務(wù)器中，并設(shè)計一個基于Web 的中醫(yī)嗅診智能分析的三維可視化系統(tǒng)，在客戶端的網(wǎng)頁中進行三維可視化渲染處理，為用戶呈現(xiàn)中醫(yī)嗅診智能分析的三維可視化效果，整體設(shè)計思路如圖1 所示。

圖1 中醫(yī)嗅診智能分析可視化系統(tǒng)整體設(shè)計思路

本項目操作過程包括：客戶端頁面主要進行用戶的交互操作處理以及三維圖像的可視化渲染處理并展示；服務(wù)器端主要進行中醫(yī)嗅診智能分析三維數(shù)據(jù)的處理以及可視化數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)服務(wù)存儲與發(fā)布，二者通過網(wǎng)絡(luò)請求相互傳輸信息，其大致流程有以下三步：

（1）客戶端頁面根據(jù)用戶的具體操作向服務(wù)器發(fā)起對應(yīng)的數(shù)據(jù)請求；

（2）服務(wù)器端接收來自客戶端的請求，選出符合條件的數(shù)據(jù)傳輸回客戶端；

（3）客戶端接收服務(wù)器響應(yīng)，獲取對應(yīng)數(shù)據(jù)，再組織數(shù)據(jù)并在瀏覽器頁面可視化渲染和顯示。

2 研究方法和研究內(nèi)容

針對本文的研究目標，設(shè)計的技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 中醫(yī)嗅診智能分析可視化系統(tǒng)技術(shù)路線

根據(jù)圖2的技術(shù)路線，我們將從以下四個方面重點開展研究。

2.1 氣味信息采集與嗅診數(shù)字化表征

項目組擬選擇100例慢性肺炎住院病患者作為研究對象，100例健康者作為對照組。研究對象均來自廣州市某三甲醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科的慢性肺炎住院患者，對照組來自同一醫(yī)院體檢科的健康志愿者，所有數(shù)據(jù)采集均征求本人及家屬同意。

根據(jù)口腔氣味采集要求采集病患組和對照組的口腔氣體，并利用電子鼻系統(tǒng)檢測樣品氣味信息，檢測完畢保存好檢測數(shù)據(jù)，形成嗅診初始數(shù)據(jù)庫。根據(jù)電子鼻檢測的口腔氣體氣味信息庫，提取氣味特征信息（例如曲線的起始水平、上升速率、變化速度、方差、均值、最終穩(wěn)態(tài)值等）；建立一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對氣味特征進行描述，用以存儲嗅診參數(shù)信息（包含患者類別、檢測平均值、最大值、方差、標準差等），實現(xiàn)中醫(yī)嗅診數(shù)字化表示。

2.2 中醫(yī)嗅診智能分析模型構(gòu)建及實現(xiàn)

將針對200 個實驗樣本，按照7 ∶3 分成訓(xùn)練樣本和測試樣本。同時構(gòu)建多層結(jié)構(gòu)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：輸入層、多個隱含層和輸出層，并設(shè)置初始參數(shù)進行模型訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 中醫(yī)嗅診智能分析模型

課題組根據(jù)多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，研究激活函數(shù)：ReLU、Sigmoid、Tanh 等各函數(shù)特點，選擇適合氣味特征的激活函數(shù)，不斷訓(xùn)練和更新各層的權(quán)值和偏置值。同時，訓(xùn)練模型時根據(jù)訓(xùn)練誤差條件選擇學(xué)習(xí)率α 和batchsize 參數(shù)值大小，滿足多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)既充分訓(xùn)練又要避免訓(xùn)練時間過長而出現(xiàn)過擬合。訓(xùn)練結(jié)束，保存各參數(shù)，完成模型構(gòu)建與實現(xiàn)。

2.3 中醫(yī)嗅診智能分析平臺的三維數(shù)據(jù)分析及三維模型構(gòu)建

根據(jù)中醫(yī)嗅診智能分析的場景設(shè)計，進行三維數(shù)據(jù)分析及三維模型設(shè)計。通過將源數(shù)據(jù)中的信息依次轉(zhuǎn)換為幾何結(jié)構(gòu)、索引結(jié)構(gòu)以及紋理結(jié)構(gòu)三部分，完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理［9-10］。然后根據(jù)三部分存儲的信息以及3D 數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)規(guī)范構(gòu)建一個完整的3D 模型數(shù)據(jù)，為后續(xù)的基于Web 的三維可視化實現(xiàn)做準備。

2.4 中醫(yī)嗅診智能分析平臺的三維可視化展示

服務(wù)器端將采用SSM 架構(gòu)分層設(shè)計中醫(yī)嗅診智能分析3D 可視化平臺，底層的數(shù)據(jù)內(nèi)容除了常規(guī)參數(shù)數(shù)據(jù)外還包括三維數(shù)據(jù)；業(yè)務(wù)層主要對相關(guān)數(shù)據(jù)進行處理，即根據(jù)生成的中醫(yī)嗅診智能分析平臺的三維數(shù)據(jù)的3D 模型，通過對數(shù)據(jù)參數(shù)的邏輯處理將信息在視圖層展示；視圖層將基于Web GL 技術(shù)實現(xiàn)3D 可視化場景渲染與展示，完成Web 視圖頁面的三維展示功能［9，11］。客戶端無需安裝其他APP 應(yīng)用軟件，直接通過瀏覽器運行用3D 引擎——Three.js 組件，自動構(gòu)建三維可視化場景并渲染展示［12-13］。

3 研究結(jié)果

3.1 獲取口腔氣味信息

本文利用電子鼻檢測病患者和對照者的口腔氣味，如圖4 為口腔氣體氣味信息檢測過程。檢測完畢保存好檢測數(shù)據(jù)，形成嗅診初始數(shù)據(jù)庫。

圖4 口腔氣體氣味信息檢測

3.2 構(gòu)建中醫(yī)嗅診智能分析模型

利用深度學(xué)習(xí)算法的平移、扭曲、縮放具有一定程度的不變性，研究深度學(xué)習(xí)算法參數(shù)優(yōu)化方法，構(gòu)建基于深度學(xué)習(xí)算法的中醫(yī)嗅診智能分析模型和系統(tǒng)，實現(xiàn)中醫(yī)嗅診數(shù)字化和智能化分析，系統(tǒng)界面和分析結(jié)果分別如圖5和圖6所示。

圖5 中醫(yī)嗅診智能分析系統(tǒng)主界面

圖6 中醫(yī)嗅診智能分析結(jié)果

3.3 三維數(shù)據(jù)模型構(gòu)建

在三維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)中，核心內(nèi)容是營造三維虛擬場景，而虛擬環(huán)境的建立首先要進行三維數(shù)據(jù)建模，然后在建模的基礎(chǔ)上再進行渲染顯示。因此三維數(shù)據(jù)建模既是基礎(chǔ)又是關(guān)鍵技術(shù)，通過將源數(shù)據(jù)中的信息完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理，構(gòu)建一個完整的3D 模型數(shù)據(jù)是實現(xiàn)中醫(yī)嗅診智能分析平臺三維可視化的核心內(nèi)容。圖7所示為三維可視化的一個截圖。

圖7 中醫(yī)嗅診智能分析三維可視化

4 結(jié)語

中醫(yī)嗅診信息客觀化采集和數(shù)字化方法研究是中醫(yī)四診合參數(shù)字化、智能化發(fā)展的重要基礎(chǔ)。本文通過將Web3D 的可視化技術(shù)應(yīng)用于中醫(yī)嗅診智能化分析與研究，通過Web3D 技術(shù)完成中醫(yī)嗅診三維數(shù)據(jù)建模及建立中醫(yī)嗅診智能化分析的三維可視化平臺，旨在依托互聯(lián)網(wǎng)，通過直觀生動的三維場景畫面有效地展示中醫(yī)嗅診的復(fù)雜分析過程，有助于推動我國傳統(tǒng)中醫(yī)醫(yī)術(shù)和中醫(yī)文化在全世界范圍內(nèi)的廣泛宣傳和推廣。本研究為中醫(yī)嗅診數(shù)字化研究、中醫(yī)遠程醫(yī)療等提供新方法，有利于促進中醫(yī)四診數(shù)字化、中醫(yī)四診信息融合發(fā)展。