计算机图像处理和识别技术在中药研究中的应用进展.pdf

天津药学TianjinPharmacy2023年第35卷第4期计算机图像处理和识别技术在中药研究中的应用进展薛静1，2，陈鹏1，2，朱魁1，2，孙精通3*（1.天津中医药大学第一附属医院，天津300193；2.国家中医针灸临床医学研究中心，天津300193；3.天津中医药大学附属保康医院，天津300193）摘 要目的：由于计算机硬件及软件技术的飞速发展，近年来基于计算机而开发的图像处理和识别技术在多个领域得到了较为广泛的应用。通过对相关文献进行检索分析，对计算机图像识别所应用的相关技术进行简介，综述了计算机图像识别技术在中药资源的普查、中药饮片鉴别、中药质量控制等中药研究相关领域中的应用，同时对计算机图像处理和识别技术在中药研究中的发展趋势和技术优势以及现阶段该技术在中药研究领域应用的局限和不足进行探讨，以期为该技术的研究提供新的思考和方向。关键词计算机；中药；图像处理识别；中药资源普查；中药饮片鉴别；中药质量控制中图分类号：R282TP39文献标识：A文章编号：1006-5687（2023）04-0069-05Application progress of computer image processingand recognition technology in traditional Chinese medicine researchXue jing1，2，Chen peng1，2，Zhu kui1，2，Sun jingtong3*（1.First Teaching Hospital of Tianjin University of Traditional Chinese Medicine，Tianjin300193；2.National ClinicalResearch Center For Chinese Medicine Acupuncture And Moxibustion，Tianjin 300193；3.Baokang Hospital Affiliated toTianjin University of Traditional Chinese Medicine，Tianjin300193）ABSTRACTDue to the rapid development of computer hardware and software technology，image processing andrecognition technology based on computers has been widely used in many fields in recent years.Based on the retrieval andanalysis of related literature，this paper introduced the related technologies of computer image recognition and summarized theapplication of computer image recognition technology in various fields of traditional Chinese medicine research，including thegeneral survey of Chinese resources，identification of Chinese herbal pieces，quality control of Chinese medicine and otherrelated fields of Chinese medicine research.At the same time，the development trend and technical advantages of computerimage processing and recognition technology in the research of traditional Chinese medicines，as well as the limitations andshortcomings of the application of this technology in the field of traditional Chinese medicine research，were discussed，in orderto provide new thinking and direction for the research of this technology.KEY WORDS computer；image processing and recognition；traditional Chinese medicine收稿日期：2021鄄11鄄12*通讯作者：孙精通，E-mail:。计算机图像识别技术主要是通过图像摄取设备收集物体的图像数据，利用计算机图像处理以及计算机技术对人脑的识别和认知过程进行数据模拟，并分析和判断其中物体种类等信息1。近年来，图像识别技术发展迅猛，并在人脸识别、指纹识别、字体识别2、图像判读3等众多场景得到了应用，其应用前景十分可观，其中涉及医学4、农业5、工业自动化6、交通7、地质8、司法9、机器人等多个专业领域。传统中药行业，有很多方面涉及图像识别的应用，将现代数字图像处理识别技术与传统中医药行业进行有效的结合，对于中医药信息化、现代化有重要的推动作用。本文从计算机识别和图像处理的角度，综述了图像识别的基本步骤和常用算法，以及该技术在中药资源普查、饮片鉴别、质量控制等方面的应用，并对发展趋势及局限性进行探讨。1图像识别技术简介随着计算机硬件软件的不断迭代发展，图像识别技术不断成熟，先后经历了文字识别、数字图像识别与处理、多场景下物体识别等3个阶段10。一个完整的机器视觉应用系统一般包含图像捕捉模块、图像数69天津药学TianjinPharmacy2023年第35卷第4期字化处理模块、图像识别模块、智能判断决策模块11。其原理是利用图像捕获模块获取图像信息，进而借助图像数字化处理技术分析提取出目标的显著特征。图像的特征有多种，一般分为灰度、色彩、纹理等12-13，通过计算机的分析处理，可以识别出图像中纹理、形状、环境特征等方面的区别，并进行提取表征。作为计算机图像处理的核心模块，图像识别分类模块十分重要，其分类算法的选择直接关系到分类识别的准确性14。图像识别算法中现阶段比较普遍的有决策树、支持向量机、贝叶斯、人工神经网络等。其中，识别方式研究热点是人工智能神经网络，人工神经网络的算法也有多种类型，反向传播（BP）神经网络现阶段应用较广泛15-16。除此之外，还有表面相关多次波压制技术（SRME）、稀疏度反演法（EPSI）17和集合经验模态分解（EEMD）18等不同的算法。最后，智能判定模块以图像数据、判定结果为基础，根据规定的判读标准，应用执行机构实现数据判读、数据合计等流程。2图像识别技术在中药资源方面的应用图像识别在中药资源的调查分析领域应用较为广泛19，尤其是估算中药资源面积以及中药资源的储量等方面20-21，参考当地中药资源地域性、散生性特征，利用不同植物产生光谱特征不同的特点，采用卫星遥感图像22以及无人机等图像数据23的计算机识别，同时结合地上调查数据，极大地提高了计算效率和准确性。朱寿东等24将卫星多源遥感采集的图像进行计算机识别，同时结合地面空间采样技术，采用间接估计法整合数据，将中药材的地上部分和地下部分的定量估算建立数据模型，对当地栽培川续断的资源分布和资源总量做了比较准确的估算。孙志群等25通过采集Worldview-2遥感图像进行图像识别，同时结合目测解读等方法，对伊犁贝母的植物特征信息提取分析，并对伊犁贝母的总量以及分布面积进行了较为准确的分析。在植物病害防治方面，侯志松等26通过迁移学习和集成学习的方法提升了模型在目标类病害数据集测试结果的准确率。实验结果表明，在目标类病害数据集获得了98.324的测试准确率。此外，传统资源调查方法对于目标作物的动态描述不足，基于遥感图像的图像识别技术在中药目标资源的动态监测领域具有极大优势，对于资源调查的时效性有明显的提高，其依据数据的可靠分析结果对于市场方向的预测和相关政策的制定有着十分重要的借鉴意义，这对于中药饮片的生产、质量控制、价格预测等方面都具有非常重要的参考意义。史婷婷等27以吉林省抚松县为研究区域，采用资源3号（ZY3）卫星获取的高分辨率图像为分析材料，将遥感图像中的人参种植区特征用规则集面向对象的算法对目标特征进行提取分析，进而实现了对目标区域种植的人参药材生长环境、长势、病虫害情况等方面的动态监测。张小波等28通过整理不同时间段多伦县的遥感影像，并对影像数据中有野生芍药生长点不同时期的植被指数（NDVI）进行分析，同遥感植被特征的变化特点进行关联性评价，利用计算机图像识别技术分析光谱遥感数据，对野生芍药在生态环境中覆盖情况进行监测，成功构建了关系模型，通过模型的分析，对多伦县芍药资源总量进行了较为准确的动态分析与监测。3图像识别技术在中药饮片鉴定方面的应用传统中药饮片主要以经验鉴别为主，依据鉴别者的主观感受，缺乏客观评价指标，在实际应用中会造成因人而异的现象29。此外，鉴于现阶段传统中药鉴别领域富有经验的老药工等能熟练掌握传统鉴定技能人员逐渐减少，传统鉴别技术断代问题逐渐凸显。因此，近年来，对于中药的质量鉴定和质量控制的方法研究及对于相关标准的制定得到重视。图像识别技术属于人工智能技术范畴，这与老药工眼观学习饮片鉴别有相似之处，近年来在中药饮片鉴别方面受到了极大的关注30。将中药饮片鉴定与图像识别技术相结合31，有利于提高饮片在形态、颜色等方面鉴别的定量化、自动化水平31。目前针对中药饮片鉴定的图像识别研究中，主要是利用数字化图像对特征进行描述，通过颜色、纹理、轮廓等方面的特征进行提取分析32，进一步结合机器学习算法，应用实测样本提取的特征数据对分类器进行有针对性的训练，针对不同饮片的特征，建立图像特征分类模型。这种分类方法快速、高效、无损鉴别，为中药饮片分类识别提供了新的思路和方法。3.1颜色特征识别颜色特征对于收集的目标图像大小和图像方位变化等特征不敏感，并且颜色特征还具有表达直观、方便数据描述等固有的特点，此外颜色特征也是中药饮片种类识别与质量评价的重要内容33。基于以上原因，对于颜色特征的定量描述以及特征抽取在中药饮片鉴别中变得极为重要。将图像的颜色特征进行有针对性的定量描述有多种方法，可以70天津药学TianjinPharmacy2023年第35卷第4期采用不同的色彩空间进行分析，比较常用的有三原色光（RGB）模型、六角锥体（HSV）模型、色调、饱和度和强度（HSI）模型等34。王凤梅35选择药材横切面形状特征和HSV颜色空间模型计算H（色相）、S（饱和度）、V（亮度）三个分量的平均值，作为描述药材的特征量，将收集的特征数据采用BP神经网络模式进行识别，结果表明，该方法对多种目标中药材鉴别的准确率均大于90%。3.2纹理特征识别图像纹理特征的本质就是图像像素灰度值在空间上的不断变化而产生的，对于图像纹理特征的分析，就是在对图像空间位置上灰度分布规律进行的分析36。现阶段，比较常用的纹理特征的分析方法有灰度共生矩阵法、离散余弦（DCT）变换法、小波变换法等。其中灰度共生矩阵法是在中药研究中比较常用的描述灰度空间变化规律的方法，该方法主要是通过对矩阵进行处理分析，从而获得图像的14个纹理特征向量数据，大多数研究中为了简化计算，一般只采用14个向量数据的一部分进行分析，比较常用的特征向量有对比度、逆差矩、相关性、能量等37。贾伟等38采用符合生物视觉习惯的TAMURA纹理方法，通过对图像的粗糙度、对比度、方向度、线性度等多个方面特征分析，提取出相关中药饮片横切面纹理的特征数据，比较真实地描述了中药饮片的切面纹理特点，为相关中药饮片的自动识别提供了理论基础。王亚杰等39为实现贝母品种的有效分类识别，采用了多种特征提取算法对贝母的显微图像进行纹理特征、线条特征等数据的提取分析，包括分形分析方法、小波分析方法、灰度共生矩阵法等多种算法，并将不同算法的特征量进行对比组合分析，从而较好地实现了贝母的识别。3.3轮廓特征识别物体轮廓的几何形状特征提取一般采用描绘目标物体的边缘点，通过边界确定物体形状。轮廓特征的提取，一般先需要判定边界，描绘出目标物体的边缘点，从而对目标物体的轮廓数据进行提取分析40。对于中药饮片轮廓特征提取方法也有多种，比较常用的方法有傅里叶描述法、HU不变矩法等。轮廓特征一般通过计算和统计图像局部区域的颜色变化或者线条变化等实现，最终用梯度直方图来进行数据描述。这种直方图是图像特征的高度提取和浓缩，即使图像有遮挡和噪声等干扰也能够比较有效的进行特征提取分析，而且还具有平移、旋转、尺度不变等优点。利用提取形状特征来实现叶片类药材以及球类药材的识别已经得到较好的应用。Kan等41对不同叶片的10个性状特征和5个纹理特征进行了提取和表征分析，通过表征数据建立不同叶片分类器，通过此分类器对12种不同的药用植物的叶片进行分类识别，其整体识别正确率为93.3，表明采用药用植物叶片进行多特征提取，能较为准确地实现药材的自动识别。针对不同的中药饮片，提取算法会有很大影响，刘冰42通过对比发现，相对于不变矩算法，改进的傅里叶描述算法，对于纹理和轮廓的特征提取效果更好。4图像识别技术在中药饮片分级和质量控制中的应用在传统中药饮片的经验鉴别领域，中药饮片的等级分类以及质量控制和饮片的外观性状有着非常重要的联系，将计算机图像识别技术与中药饮片“辨状论质”技术进行深度的融合应用，将极大提高传统中药质量控制的定量化、智能化水平43。通过检索近年文献发现，现阶段图像识别技术在中药领域大多数集中在不同种类的中药饮片品种区分的识别方面，对于单味饮片的质量与图像识别技术结合的深入研究文献较少，主要集中在药食同源等少数中药品种。钱丹丹等44为了提高大枣的人工质检效率，通过对大枣品质特征值的提取分析，总结出三个质量相关的重要参数，分别为大枣饮片面积，大枣的颜色H分量值，缺陷面积的百分比，以朴素贝叶斯算法建立大枣质量分级模型。相对于人工质检，此种方法准确率和效率都有所提高，具有一定的应用价值。曾泽宇45通过颜色识别检测枸杞子发霉、发黑等变质现象，通过对比，选择RGB模型中R分量，HSV中的V分量作为评价依据，试验结果发现对霉变、发黑等颜色异常检出率96%；同时以枸杞的最大果宽、周长、面积作为枸杞子分级的特征参数进行了研究，最终选择投影面积法作为枸杞大小识别的参数特征。采用K-means聚类算法来制定枸杞子的等级分类标准，使用13级枸杞子样本各150粒进行分级检验的模式训练，最终将计算机分级结果与人工分级结果进行对比验证，计算机大小分级的准确率在97%以上。5讨论现代计算机数字图像处理识别技术因其高效、快速的图像分析处理特点，在中医药的相关领域逐渐受到关注，该技术在中药资源普查、饮片鉴别、质量控制等方面均得到了应用。现阶段的文献数据分析表明，71天津药学TianjinPharmacy2023年第35卷第4期图像处理识别技术用于中药鉴定识别方面的研究应用较多，同时存在一定的局限性。首先，图像处理识别技术对于图像质量要求较高，现阶段作为中药饮片分类鉴别所用的图像，一般严格需要单饮片图像，且背景要求干净。现实场景中多数情况下背景复杂，光照不均匀，实际应用中会有一定的困难。其次，为了简化计算，大多研究中将图像从颜色、纹理以及轮廓特征等底层信息进行抽象提取，这种抽象形式的特征描述必然会丢失部分图像信息，从而对图像识别造成影响。因此，采用深度学习网络对整体图像的特征进行大范围的提取，建立在复杂背景下的中药饮片图像鉴定识别方法46，避免因环境背景和信息丢失造成识别准确度降低将具有很强实用价值。中药的外观性状与成分定量检测同等重要，二者共同诠释了中药的质量等级。因此，借助于计算机图像识别技术，建立符合中药特点的外观品质和内在品质相结合的中药质量整体评价体系以及中药饮片可视化“辨状论质”体系，对于进一步规范中药特有的规格等级标准以及中药质量检验评价体系都具有极为重要的意义。现阶段图像识别技术在中药领域大多集中在不同种类的中药饮片品种的识别方面，对于单味中药的质量评价与图像识别技术结合的深入研究较少。目前应用于中药资源普查、饮片鉴别、质量控制等方面，同时存在一定的局限性。今后应深入进行对图像全局特征进行特征提取，建立复杂背景下的中药图像鉴定识别方法，以及借助于图像识别技术建立中药饮片的外观品质和内在品质相结合的中药质量整体评价体系等，对于提高中药鉴定效率，完善中药质量评价等方面具有广阔的研究前景。参考文献1王健庆，戴恺，李子柔.基于深度学习的中药饮片图像识别研究 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J.电子元器件与信息技术，2021，5（5）：197-199.72天津药学TianjinPharmacy2023年第35卷第4期中药外源性有害物质分析与研究王静（天津市药品检验研究院，天津300070）摘 要中药外源性有害物质已受到广泛关注，严重影响中药质量，危害人类健康。影响中药质量安全的因素主要包括真菌毒素、农药残留、重金属及有害元素三方面。本文针对以上三个方面分别对其毒理研究、现行标准、检验检测手段等进行归纳总结，并提出相关的建议与意见，为中药质量安全控制体系的完善与提升提供有益的参考。关键词中国药典2020年版；外源性有害物质；真菌毒素；农药残留；重金属及有害元素中图分类号：R917文献标识：A文章编号：1006-5687（2023）04-0073-06Analysis and study on exogenous harmful substances in Traditional Chinese medicineWang Jing（Tianjin Institute for Drug Control，Tianjin300070）ABSTRACT The exogenous harmful substances of traditional Chinese medicine have been widely concerned，seriouslyaffecting the quality of traditional Chinese medicine and endangering human health.The factors affecting the quality andsafety of traditional Chinese medicine mainly include mycotoxins，pesticide residues，heavy metals，and harmful elements.Inthis paper，the toxicological research，current standards，and testing methods of TCM were summarized respectively from theabove three aspects，and relevant suggestions and opinions were put forward to provide beneficial reference for improving andpromoting the quality and safety control system of TCM.KEY WORDSChinese Pharmacopoeia，2020 edition；exogenous harmful substances；mycotoxin；pesticide residues；heavy metals and harmful elements收稿日期：2022鄄08鄄27中药是中华民族五千多年的传统文化的瑰宝，是千百年医疗实践的结晶，也是世界优秀文化的精华。随着我国经济的迅猛发展，人民生活水平的不断提高，人们更加关注自身的健康问题，随之而来的中药30吕宇琛，王健庆.基于HOG-LBP特征的中药饮片图像识别 J.中国中医药信息杂志，2019，26（4）：106-110.31李涛，钟玉琴，曲明亮，等.基于高光谱成像技术的红景天品种神经网络模式识别方法 J.四川师范大学学报，2021，44（4）：547-553.32闫建伟，张乐伟，赵源，等.改进Retinanet的刺梨果实图像识别 J.中国农机化学报，2021，42（3）：79-82.33徐曼菲，吴志生，刘晓娜，等.从辨色论质谈中药质量评价方法 J.中国中药杂志，2016，41（2）：177-181.34谢树莹，周明，周金海.基于OpenCV的中药饮片“辨色”识别研究 J.时珍国医国药，2018，29（2）：510-512.35王凤梅.常见根茎类中药材数字图像的特征提取与识别 D.广州中医药大学，2019：33-40.36胡继礼，阚红星，丁桦，等.中药材微性状真伪自动识别系统设计与实现 J.电脑知识与技术，2016，12（36）：178-180.37陶欧，张燕玲，陈茜，等.基于灰度共生矩阵的中药饮片横切面图像纹理特征参数的提取 J.世界科学技术-中医药现代化，2014，16（12）：2531-2537.38贾伟，闫颖盈，温川飚，等.中药饮片切面纹理特征提取研究 J.成都中医药大学学报，2017，40（4）：1-6.39王亚杰，李一波，李殿起.基于纹理的中药材贝母显微图像的识别 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