“透视”中药——访解放军302医院肖小河博士

　　肖小河：解放军302医院药学部副主任、药物研究中心主任、药学博士、研究员、博士生导师，国家中医药管理局临床中药学重点学科带头人、中华中医药学会常务理事、中华中医药学会中药鉴定学分会副主任委员、全军中药专业委员会副主任委员、中国信息化技术推进联盟医药卫生专业委员会副主任委员。
　　搞中药的人都知道，中药材的鉴别是一项很复杂的技术，尽管老祖宗给我们留下了丰富的经验鉴别的方法，后人又总结出了显微鉴别方法、理化鉴别方法以及仪器分析方法，但是，在实际工作中，对有些药材的鉴别仍然会感到比较棘手，尤其对于易混淆中药材品种，更是难以做出全面客观准确的刻画。最近听说有一项新的技术，既能让人看到中药材的外观形状，又可“透视”其内部结构和特征，使中药材的鉴别又多了一种更直观的手段。为此，记者走访了这项技术的研究者——解放军302医院药学部副主任、药物研究中心主任、博士生导师肖小河研究员。
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　　这是一项什么技术呢？说白了，就是数字技术。肖博士首先介绍说，这实际包括两个技术，一是中药形态结构数字可视化技术，简称中药可视化技术，利用该技术可以“形象直观”地再现药材的立体形态结构；一是中药组织细胞显微图像体视分析技术，简称中药体视分析，利用该技术可以从二维形态图像“抽象”地推导出三维形态结构参数。这两个技术为我们从组织形态学角度全面客观准确鉴定中药真伪优劣增添了一双“慧眼”。可以说，有了这双“慧眼”，我们就可以真正“透视”中药了。
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　　肖博士介绍说，中药可视化技术，又称中药计算机三维重建与显示技术，还可称为中药计算机三维仿真技术。计算机三维重建是指通过输入物体的两个以上的二维图像，利用计算机进行自动分析和处理，以获取该物体的三维几何信息和拓扑信息，建立物体的立体模型，并以适当的方式显示出来。具体地说，就是根据组织连续切片图形在量化过程中被赋予的相应的深度信息及其变化，将物体不同切片上的二维图像按照切片的空间位置关系依次叠加排列而组成物体的三维数据；再利用计算机图像处理技术、图形生成理论及视觉心理学原理，在二维平面上形成直观地显示出具有生动性和立体感的三维图像。
　　根据中药材的形态结构特点和鉴定要求，肖博士与重庆大学、第三军医大学等单位合作，首次开发了基于三角形面元和非均匀有理B样条的三维重建算法，并将模式识别的原理和方法引入多目标识别过程，率先研制出了国际上第一个中药材数字可视化技术及其图鉴系统，即“数字可视化中药”。该图鉴系统图像生动逼真，显示迅捷灵活，可在任意视角、任意层面、任意距离进行动态旋转观察，既可全方位观察中药外部形态，又可深入地“透视”中药材的内部结构及其空间位置关系。
　　肖博士说，该技术在中药和植物学的教学、科普、科研等方面有良好的推广应用前景：在鉴定方面，可为全方位刻画中药材形态结构、甄别道地与非道地药材等提供三维立体动态的鉴定技术和图像资料；在教学方面，能形象生动地再现中药和植物的外观和微观的立体结构，为中药鉴定学、生药学、植物解剖学和植物分类学等提供良好的辅助教学工具和图像资料；在科研方面，能形象生动地再现中药和植物的外观和微观的立体结构以及组织细胞的空间关系，有助于揭示植物和中药材的生长发育规律、次生代谢产物积累分布动态、中药材品质变化规律等，在植物生理解剖学、发育解剖学、中药栽培学、生药学等方面具有应用前景。
　　肖博士还说，数字可视化技术是随着计算机的发展而出现的。数字可视化技术在医学领域特别是人体解剖结构中的应用也并不鲜见。美国国家医学图书馆于1989年就确立了“可视人计划”。
　　数字可视化技术的出现使肖博士深受启发，从1992年他就开始了这方面研究。1993年当时还在四川省中药研究所工作（今重庆市中药研究院）的肖博士在国际上首先提出将该技术原理应用于生药学研究，并于同年获得了国家自然科学基金的支持。1996年，世界上第一例可视化人体在美国诞生，与此同时由肖博士领衔的课题组也成功地研制出我国第一个可视化中药。经过多年的不断摸索，课题组先后成功地建立了郁金类、附子类、麦冬类、姜黄类、白芍类等20多种典型道地药材的数字可视化三维图鉴模型。
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　　中药体视分析，又称中药显微图像定量分析，还可称为中药组织细胞指纹图谱技术，它是运用体视学原理和计算机图像分析方法建立的中药显微图像模式识别系统。它可以全息式描绘中药组织细胞数目、大小、形态及其空间分布等特征，再结合计算机人工技能分析技术，从组织形态学角度对中药真伪优劣进行综合鉴定和相关评价，可大大提高中药显微鉴定的客观性、准确性、可重复性和智能化程度，在中药鉴定学、植物分类学、生态解剖学、发育生物学和结构生物学等方面良好的应用价值和推广前景。
　　肖博士说，该技术特别适合于易混淆和非常近缘的中药品种鉴定及其原植物分类，尤其适合外部形态、内部构造和化学成分均十分相似、无明显标识性组织细胞特征或化学成分的中药近缘品种、中药栽培品种以及道地与非道地药材的鉴别。
　　比如，可以从不同来源、不同产地（道地）、不同规格（三七多少头的、人参多少支的）、导管的长度、木质化的药材木质化的程度、油细胞的大小多少、淀粉粒的多少等等，分析出药材的质量，使过去经验鉴别的东西变成了形象化的东西。肖博士说，过去在显微镜下我们只知道有什么东西，往往只能看到细胞大点小点的差异，大都差不多，很难明确区分；而现在我们不仅可以看到石细胞、淀粉粒、油细胞、气孔、晶体、纤维、导管等组织细胞及其内含物等的大小、数目、形状，还可以很快地测算出它们的平均值和最大直径、周长、面积、比表面积、体积、体密度（空间比例多少）等，包括平面的和立体的指标都可以非常全面地反映出来，展示给我们的是一个立体的空间，达到了“透视”其内部结构和特征的效果。再比如人参，不管是东北人参，还是中国其他地方的、朝鲜的、韩国的，我们都能分得出来。当然要做很多样品、很多批。肖博士说。
　　当然实现对中药的“透视”并不是一件容易的事情。肖博士介绍说，对一种药材进行三维重建，首先要选择有代表性和足够数量的药材样品，每批样品要使用相对一致的组织部位，每个药材要有足够的组织切片，而建立一种药材的组织细胞指纹图谱，还要通过计算机对每种药材的上百个数据（组织细胞体视学参数）进行分析，然后从中选择出少数几个最能反映形态结构特征和最有鉴别意义的、可以全方位多目标地综合刻画中药材显微图像的指标参数，如内皮层细胞平均最大直径、平均周长和平均直径、导管平均最大直径和截面平均长宽比、皮层内侧薄壁细胞面数密度和平均截面积、皮层外侧薄壁细胞圆形度、木栓细胞圆球度和淀粉粒平均截面积等。它们一般可以反映80%以上的信息量，所以叫它“显微指纹图谱”。这种形态学的指标，一般几百年、几十年不会有很大的变化，也不会像化学指纹图谱那样受操作、提取工艺、仪器操作条件等因素的影响，因此不会出现太大的误差。通过人工智能分析，最终从零散而浩繁的实测数据中归纳出分类鉴定特征和规律，建立显微定量图像模式识别系统，使传统的性状鉴别和显微鉴别数字化智能化规范化。
　　目前他们已完成了麦冬类Radix Ophiopogonis、郁金类Radix Curcumae、黄连类Rhizoma Coptidis（味连、云连、雅连、野连)、蛇床子类(Fructus Cnidii）等道地药材和易混淆中药以及部分常用叶类、花类、细小果实种子类中药材以及仙茅属（Curculigo）、榧属（Torreya）药用植物花粉和姜黄属（Curcuma）药用植物的体视形态学参数测定及其显微图像模式识别。此外，在综合考察中药组织体视形态参数与化学成分含量关系的基础上，首次提出并实现了了从组织形态学角度评价中药材特别是道地药材品质的新设想。
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　　上述两项“透视”中药的数字技术，一经问世就受到了广泛的关注，并已在全国多家教学、科研和药检单位推广应用。目前中药数字可视化技术被列为2003年度国家中医药管理局十大科技推广项目。前不久，这两项技术及相关研究内容还获得了2003年中华中医药学会科技进步一等奖。
　　关于下一步的工作，肖博士说，重点是技术推广应用，同时要进一步完善数字化中药鉴定技术系统，增加样本量，丰富数据库。主要推广应用计划有：一是可做成中药和植物解剖教学的数字可视化技术系统，主要用于中药和植物的科研和教学；二是建立常用名贵中药的数字可视化图像库（50-100种中药），主要用于中药和植物学的教学、鉴定、科研等；三是建立常用植物的数字可视化图像库（50-100药食植物），主要面向大、中、小学的自然生物的教学、科普等；四是中药和植物组织细胞指纹图像分析数据库（50-100种中药），主要用于中药和植物学的教学、鉴定、科研等；以进一步促进中医药向数字化现代化方向发展。