可视化中药揭秘
计算机三维仿真及可视化是当今计算机领域最活跃的前沿学科，由于其在生物医学、空间技术、工程设计等领域的巨大应用价值，越来越受到人们的关注。其中由断层图像序列重建真实物体三维模型及其可见表面显示(即计算机三维重建与显示)是其主要手段之一。将这一手段应用于中药生药学研究是一个全新的尝试。日前，记者采访了在国际上率先将科学计算可视化技术的原理和方法引入中医药和植物学研究，并成功研制出可视化中药的中国人民解放军三○二医院药物研究中心主任肖小河教授。!]|@?5, 百拇医药
可视化研究为中药发展独辟蹊径!]|@?5, 百拇医药
■可视化中药与可视化技术同步发展!]|@?5, 百拇医药
可视化中药的基础——可视化技术是随着计算机的发展而出现的。1992年，受可视化技术的启发，当时还在四川中药研究院工作的肖小河在国际上首先提出将该技术应用于中药生药学研究，同年便获得了国家自然科学基金的支持。!]|@?5, 百拇医药
肖小河之所以提出这个设想是有原因的。长期与中药鉴定、教学、科研打交道的他深深地了解中药在推广、发展方面存在的一些障碍。一般来说，目前进行中药教学和科普主要依赖的是中药图鉴。这种图鉴主要是以照片的形式出现。但药材的内部结构怎样？生长发育过程如何？都无法在一时之间向学员以可视化的形式展示出来。另一方面，目前中药生药鉴定过程中往往采用的是显微鉴别，即鉴定人员将在显微镜下看到的生药材的组织结构与图谱上记载的二维图像及文字描述做比较。但这种二维图谱可视性差、易混淆，这就迫切需要更加人性化的三维图谱出现。!]|@?5, 百拇医药
可视化技术的出现使解决这些问题变成了可能。从1992年开始着手进行这项研究后，肖小河与重庆大学计算机系合作，创造性地研制出了世界上第一个中药生药可视化成像系统——多样本模式识别系统。该系统根据中药材的形态结构特点和鉴定要求，在国际上首次研制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獭U庖幌低衬芎芎?br>地满足中药材计算机三维重建与显示的速度和精度，保证重建图像生动逼真，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，“透视”中药材的形态品质。1995年，经过不断摸索，肖小河成功地做出了可视化附子和郁金。随后，他又建立了麦冬、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。!]|@?5, 百拇医药
■可视化中药创中药研究新模式!]|@?5, 百拇医药
肖小河介绍说，用可视化技术制作的“中药鉴定数字可视化技术及其图鉴系统”，实现了中药材形态组织三维动态显示及相关形态学参数测定。该图鉴重建速度快、精度高、清晰真实、生动性和立体感强。根据解剖学教学和科研要求，采取了灵活多样的三维动态显示方式。采用线框结构方式以观察物体的内部结构，采用光照模型方式得到具有真实感的表面形状。显示过程采取人机交互方式进行控制，可任意视角、任意距离观察目标物体的移动、放缩和旋转变化。既可抽取单个目标显示，又可多目标组合显示；既可显示局部形态，又可显示整体结构。从而对目标物体的立体构造、形态特征及其空间位置关系进行客观准确的全方位多目标刻画和分析。
肖小河指出，这种技术在中药和植物的鉴定、教学、科研和科普等方面均有较大的应用前景。在鉴定方面：该技术不仅可以准确刻画药材的外部形态，而且可以“透视”药材的内部构造，即组织细胞形态特征，因而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：该技术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：该技术能够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，因而在植物生理解剖学、发育解剖学、中药栽培学、生药学及中药GAP、GMP和GSP管理领域中具有广泛的应用前景。f-cq, 百拇医药
■可视化中药应用前景广阔f-cq, 百拇医药
可视化中药一经问世就受到了广泛关注。目前，该技术被列为2003年度国家中医药管理局十大科技推广项目，已在全国10多个单位推广应用。该技术以及相关研究内容还获得了2001年军队科技进步二等奖、2003年中华中医药学会科技进步一等奖。f-cq, 百拇医药
肖小河认为，这项研究为中药的鉴定、教学的发展独辟蹊径，今后有望在以下几个方面发挥更大的作用。一是制成中药和植物解剖教学的数字可视化技术系统，用于科研院校的科研、教学。二是完成常用名贵中药的数字可视化图像库(50~100种中药)，以面向科研院校的中药学或生药学教学、科普、检验、科研等；三是完成常用植物的数字可视化图像库(50~100药食植物)，以面向大、中、小学的生物学教学、科普、检验、科研。f-cq, 百拇医药
可视化中药制作原理f-cq, 百拇医药
中药数字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。其基本原理是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。肖小河教授以郁金为例，具体解释了可视化中药的制作过程。f-cq, 百拇医药
■选择药材样品f-cq, 百拇医药
肖小河指出，所选取的药材样品要有代表性，就像可视人一样，要选择最能代表某个人种特征的模特。因此，药材样品主要选择道地药材。在有关郁金的研究中，肖小河共选择了产自四川双流县、浙江瑞安市、广西横县等地的道地郁金样品8种。
■样本制备pu]-*, 百拇医药
由于CT成本较高，肖小河在进行郁金样本制备时采用大体制片和显微切片。即将药材进行整体连续切片(切片厚度约0.5毫米)，然后逐一投影到水平面上并描绘出截面及各种主要组织轮廓图。组织连续切片主要用于重建与显示特征组织的三维形态结构。常采用石蜡制片法，切片厚度为15厘米，然后通过自动显微照相得到郁金类各特征组织细胞的灰度图像。连续切片的基准定位是三维重建制片中一个十分关键而又棘手的技术难题，本实验主要依据有关郁金类生药学和发育解剖学以及经验知识而判别，同时结合微电极或激光打孔方式在药材组织蜡块上留下2~3个对位基准孔，以便轮廓校准，从而保证三维重建的真实性。全部切片图像均在PhotoStyler环境下，由扫描仪完成数字化(录入计算机)。pu]-*, 百拇医药
■数据预处理pu]-*, 百拇医药
其后要对数据进行预处理。即通过图像校准、目标分割、多目标识别和轮廓匹配等手段，将数字化后的离散断层图像序列分别处理成可直接用于表面重建的目标物轮廓图像。原始切片图像一般是包括目标物和各种背景的灰度图像，而最终用于表面重建的数据是各个目标物在各层切片上的轮廓多边形的顶点坐标，因此必须对原始切片图像进行增强、二值化、边界搜索等预处理，从而把感兴趣目标的轮廓提取出来。pu]-*, 百拇医药
由于各切片在采样过程中受技术条件的限制，它们之间的相对位置关系会发生不同程度的变化，给重建结果带来一定程度的失真。因此，为了使各样本在重建过程中能恢复其原来的空间相对位置关系，图像校准是数据预处理中必不可少的步骤，实验在进行组织切片时，通过微电极或激光打孔的方式，在每张切片上留下两个对位基准孔，作轮廓校准的基准点，以消除位移误差和旋转误差，从而保证三维重建的真实性。pu]-*, 百拇医药
■图像处理pu]-*, 百拇医药
图像处理技术中对感兴趣目标的分割有多种方法：简单阈值法、数学形态学法、模糊集合理论法等，这些方法分别用于不同场合和对象。但迄今为止，尚无一种普遍有效的完全自动的分割方法。由于目标图像数据的复杂性和多变性，在分割处理中适当的人工交互干预是必不可少的。目标的轮廓线标记后，轮廓提取就变得相对简单了。首先搜索起始轮廓点，然后搜索闭合轮廓，并以轮廓多边形化的方法对数据做压缩。pu]-*, 百拇医药
在现实情形中，被重建的对象大多是由多个目标物组成的，单目标物的重建只是多目标重建的一个特例，多目标物重建更具有实用价值。因此，解决重建对象中各个目标的识别问题是进行三维重建必不可少的工作。肖小河利用模式识别的理论和方法，实现了多目标情况下的目标识别和轮廓匹配，使自动完成各目标分散在各切片的断层轮廓图像能够彼此一一配准，从而准确实现多目标的三维重建。
其后，在计算机的帮助下进行三维重建，将这些二维图像变成三维、立体可视的数字化图像。k)elgux, 百拇医药
肖小河指出，在实际应用中，除了需要获得重建目标在显示屏幕上的直观立体形象外，往往还希望对物体的形态和空间分布做出定量的分析和判断，以获得物体实际的数量特征。由于在重建中形成和保留了物体表面的几何信息和拓扑信息，借此可利用重建结果把目标物的三维形态参数计算出来。主要参数有周长、截面积、表面积和体积等，此外还可结合体视学和计算机图像分析，进行体密度、数密度、面数密度、面密度和形状因子等参数测量。从而使中药组织形态研究向三维、定量及人工智能化方向发展。k)elgux, 百拇医药
由于这一研究系统环境要求较高，为了便于在教学和科研中推广应用，同时又能基本保证三维重建与动态显示的效果，肖小河正与重庆大学一起研制开发适于普通微机的中药组织细胞形态三维重建技术，应用目标插值形成二值化体数据，采用扫描线编码对体数据进行压缩，从而在微机有限的内存资源上实现物体快速旋转和多种方式显示。k)elgux, 百拇医药
【相关链】接计算机三维表面重建的三种方法k)elgux, 百拇医药
基于NURBS曲面的表面重建算法：作为表面重建方法之一，非均匀有理B样条(NURBS)不但可以表示标准的解析曲面，还可描述复杂的自由曲面。通过调整控制顶点和权因子，可灵活地改变曲面的形状。B样条基数具有计算稳定、快速的特点。k)elgux, 百拇医药
基于三角形面元的表面重建算法：该法的基本步骤是读入两层轮廓图像-轮廓分段处理-内最短距离连接。必要时，根据先验知识或推断原理，求取断面轮廓插值，插入新的断层，以提高层间分辨。k)elgux, 百拇医药
两种重建算法的结合应用：在多目标重建中，常常会出现一个或多个目标被其它目标所包含的情形，在光照模型显示方式下，如果选择所有目标进行显示，那么无论从什么角度去观察，被包含目标的表面或多或少地被其它目标表面所遮掩。在目标相互包含的情况下，可采用NURBS曲面法有选择地重建外层目标的不闭合表面或部分闭合表面，采用三角形面元法重建被包含目标的完整表面，这样就能够同时观察各个目标的三维结构及其空间位置关系，从而获得对重建对象的总体认识。k)elgux, 百拇医药
从显示效果看，用三角形重建的表面棱角较多，用NURBS曲面重建的表面则相对平滑，视觉效果明显优于前者。从重建精度看，基于NURBS曲面法由于采用三次曲面逼近物体表面，高于用三角形平面逼近表面。从重建速度看，NURBS曲面法采用浮点运算，算法比较复杂，运算时间较长；而三角形面元法的运算规则相对简单，重建速度远高于NURBS曲面法，尤适于大数据量和高实时性的场合。k)elgux, 百拇医药
文/图本报记者 徐亚静k)elgux, 百拇医药
图1:麦冬的内皮层细胞线框图。k)elgux, 百拇医药
图2:药物研究中心科研人员在进行研究。k)elgux, 百拇医药
图3:肖小河教授。
(徐亚静 )
可视化研究为中药发展独辟蹊径!]|@?5, 百拇医药
■可视化中药与可视化技术同步发展!]|@?5, 百拇医药
可视化中药的基础——可视化技术是随着计算机的发展而出现的。1992年，受可视化技术的启发，当时还在四川中药研究院工作的肖小河在国际上首先提出将该技术应用于中药生药学研究，同年便获得了国家自然科学基金的支持。!]|@?5, 百拇医药
肖小河之所以提出这个设想是有原因的。长期与中药鉴定、教学、科研打交道的他深深地了解中药在推广、发展方面存在的一些障碍。一般来说，目前进行中药教学和科普主要依赖的是中药图鉴。这种图鉴主要是以照片的形式出现。但药材的内部结构怎样？生长发育过程如何？都无法在一时之间向学员以可视化的形式展示出来。另一方面，目前中药生药鉴定过程中往往采用的是显微鉴别，即鉴定人员将在显微镜下看到的生药材的组织结构与图谱上记载的二维图像及文字描述做比较。但这种二维图谱可视性差、易混淆，这就迫切需要更加人性化的三维图谱出现。!]|@?5, 百拇医药
可视化技术的出现使解决这些问题变成了可能。从1992年开始着手进行这项研究后，肖小河与重庆大学计算机系合作，创造性地研制出了世界上第一个中药生药可视化成像系统——多样本模式识别系统。该系统根据中药材的形态结构特点和鉴定要求，在国际上首次研制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獭U庖幌低衬芎芎?br>地满足中药材计算机三维重建与显示的速度和精度，保证重建图像生动逼真，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，“透视”中药材的形态品质。1995年，经过不断摸索，肖小河成功地做出了可视化附子和郁金。随后，他又建立了麦冬、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。!]|@?5, 百拇医药
■可视化中药创中药研究新模式!]|@?5, 百拇医药
肖小河介绍说，用可视化技术制作的“中药鉴定数字可视化技术及其图鉴系统”，实现了中药材形态组织三维动态显示及相关形态学参数测定。该图鉴重建速度快、精度高、清晰真实、生动性和立体感强。根据解剖学教学和科研要求，采取了灵活多样的三维动态显示方式。采用线框结构方式以观察物体的内部结构，采用光照模型方式得到具有真实感的表面形状。显示过程采取人机交互方式进行控制，可任意视角、任意距离观察目标物体的移动、放缩和旋转变化。既可抽取单个目标显示，又可多目标组合显示；既可显示局部形态，又可显示整体结构。从而对目标物体的立体构造、形态特征及其空间位置关系进行客观准确的全方位多目标刻画和分析。
肖小河指出，这种技术在中药和植物的鉴定、教学、科研和科普等方面均有较大的应用前景。在鉴定方面：该技术不仅可以准确刻画药材的外部形态，而且可以“透视”药材的内部构造，即组织细胞形态特征，因而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：该技术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：该技术能够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，因而在植物生理解剖学、发育解剖学、中药栽培学、生药学及中药GAP、GMP和GSP管理领域中具有广泛的应用前景。f-cq, 百拇医药
■可视化中药应用前景广阔f-cq, 百拇医药
可视化中药一经问世就受到了广泛关注。目前，该技术被列为2003年度国家中医药管理局十大科技推广项目，已在全国10多个单位推广应用。该技术以及相关研究内容还获得了2001年军队科技进步二等奖、2003年中华中医药学会科技进步一等奖。f-cq, 百拇医药
肖小河认为，这项研究为中药的鉴定、教学的发展独辟蹊径，今后有望在以下几个方面发挥更大的作用。一是制成中药和植物解剖教学的数字可视化技术系统，用于科研院校的科研、教学。二是完成常用名贵中药的数字可视化图像库(50~100种中药)，以面向科研院校的中药学或生药学教学、科普、检验、科研等；三是完成常用植物的数字可视化图像库(50~100药食植物)，以面向大、中、小学的生物学教学、科普、检验、科研。f-cq, 百拇医药
可视化中药制作原理f-cq, 百拇医药
中药数字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。其基本原理是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。肖小河教授以郁金为例，具体解释了可视化中药的制作过程。f-cq, 百拇医药
■选择药材样品f-cq, 百拇医药
肖小河指出，所选取的药材样品要有代表性，就像可视人一样，要选择最能代表某个人种特征的模特。因此，药材样品主要选择道地药材。在有关郁金的研究中，肖小河共选择了产自四川双流县、浙江瑞安市、广西横县等地的道地郁金样品8种。
■样本制备pu]-*, 百拇医药
由于CT成本较高，肖小河在进行郁金样本制备时采用大体制片和显微切片。即将药材进行整体连续切片(切片厚度约0.5毫米)，然后逐一投影到水平面上并描绘出截面及各种主要组织轮廓图。组织连续切片主要用于重建与显示特征组织的三维形态结构。常采用石蜡制片法，切片厚度为15厘米，然后通过自动显微照相得到郁金类各特征组织细胞的灰度图像。连续切片的基准定位是三维重建制片中一个十分关键而又棘手的技术难题，本实验主要依据有关郁金类生药学和发育解剖学以及经验知识而判别，同时结合微电极或激光打孔方式在药材组织蜡块上留下2~3个对位基准孔，以便轮廓校准，从而保证三维重建的真实性。全部切片图像均在PhotoStyler环境下，由扫描仪完成数字化(录入计算机)。pu]-*, 百拇医药
■数据预处理pu]-*, 百拇医药
其后要对数据进行预处理。即通过图像校准、目标分割、多目标识别和轮廓匹配等手段，将数字化后的离散断层图像序列分别处理成可直接用于表面重建的目标物轮廓图像。原始切片图像一般是包括目标物和各种背景的灰度图像，而最终用于表面重建的数据是各个目标物在各层切片上的轮廓多边形的顶点坐标，因此必须对原始切片图像进行增强、二值化、边界搜索等预处理，从而把感兴趣目标的轮廓提取出来。pu]-*, 百拇医药
由于各切片在采样过程中受技术条件的限制，它们之间的相对位置关系会发生不同程度的变化，给重建结果带来一定程度的失真。因此，为了使各样本在重建过程中能恢复其原来的空间相对位置关系，图像校准是数据预处理中必不可少的步骤，实验在进行组织切片时，通过微电极或激光打孔的方式，在每张切片上留下两个对位基准孔，作轮廓校准的基准点，以消除位移误差和旋转误差，从而保证三维重建的真实性。pu]-*, 百拇医药
■图像处理pu]-*, 百拇医药
图像处理技术中对感兴趣目标的分割有多种方法：简单阈值法、数学形态学法、模糊集合理论法等，这些方法分别用于不同场合和对象。但迄今为止，尚无一种普遍有效的完全自动的分割方法。由于目标图像数据的复杂性和多变性，在分割处理中适当的人工交互干预是必不可少的。目标的轮廓线标记后，轮廓提取就变得相对简单了。首先搜索起始轮廓点，然后搜索闭合轮廓，并以轮廓多边形化的方法对数据做压缩。pu]-*, 百拇医药
在现实情形中，被重建的对象大多是由多个目标物组成的，单目标物的重建只是多目标重建的一个特例，多目标物重建更具有实用价值。因此，解决重建对象中各个目标的识别问题是进行三维重建必不可少的工作。肖小河利用模式识别的理论和方法，实现了多目标情况下的目标识别和轮廓匹配，使自动完成各目标分散在各切片的断层轮廓图像能够彼此一一配准，从而准确实现多目标的三维重建。
其后，在计算机的帮助下进行三维重建，将这些二维图像变成三维、立体可视的数字化图像。k)elgux, 百拇医药
肖小河指出，在实际应用中，除了需要获得重建目标在显示屏幕上的直观立体形象外，往往还希望对物体的形态和空间分布做出定量的分析和判断，以获得物体实际的数量特征。由于在重建中形成和保留了物体表面的几何信息和拓扑信息，借此可利用重建结果把目标物的三维形态参数计算出来。主要参数有周长、截面积、表面积和体积等，此外还可结合体视学和计算机图像分析，进行体密度、数密度、面数密度、面密度和形状因子等参数测量。从而使中药组织形态研究向三维、定量及人工智能化方向发展。k)elgux, 百拇医药
由于这一研究系统环境要求较高，为了便于在教学和科研中推广应用，同时又能基本保证三维重建与动态显示的效果，肖小河正与重庆大学一起研制开发适于普通微机的中药组织细胞形态三维重建技术，应用目标插值形成二值化体数据，采用扫描线编码对体数据进行压缩，从而在微机有限的内存资源上实现物体快速旋转和多种方式显示。k)elgux, 百拇医药
【相关链】接计算机三维表面重建的三种方法k)elgux, 百拇医药
基于NURBS曲面的表面重建算法：作为表面重建方法之一，非均匀有理B样条(NURBS)不但可以表示标准的解析曲面，还可描述复杂的自由曲面。通过调整控制顶点和权因子，可灵活地改变曲面的形状。B样条基数具有计算稳定、快速的特点。k)elgux, 百拇医药
基于三角形面元的表面重建算法：该法的基本步骤是读入两层轮廓图像-轮廓分段处理-内最短距离连接。必要时，根据先验知识或推断原理，求取断面轮廓插值，插入新的断层，以提高层间分辨。k)elgux, 百拇医药
两种重建算法的结合应用：在多目标重建中，常常会出现一个或多个目标被其它目标所包含的情形，在光照模型显示方式下，如果选择所有目标进行显示，那么无论从什么角度去观察，被包含目标的表面或多或少地被其它目标表面所遮掩。在目标相互包含的情况下，可采用NURBS曲面法有选择地重建外层目标的不闭合表面或部分闭合表面，采用三角形面元法重建被包含目标的完整表面，这样就能够同时观察各个目标的三维结构及其空间位置关系，从而获得对重建对象的总体认识。k)elgux, 百拇医药
从显示效果看，用三角形重建的表面棱角较多，用NURBS曲面重建的表面则相对平滑，视觉效果明显优于前者。从重建精度看，基于NURBS曲面法由于采用三次曲面逼近物体表面，高于用三角形平面逼近表面。从重建速度看，NURBS曲面法采用浮点运算，算法比较复杂，运算时间较长；而三角形面元法的运算规则相对简单，重建速度远高于NURBS曲面法，尤适于大数据量和高实时性的场合。k)elgux, 百拇医药
文/图本报记者 徐亚静k)elgux, 百拇医药
图1:麦冬的内皮层细胞线框图。k)elgux, 百拇医药
图2:药物研究中心科研人员在进行研究。k)elgux, 百拇医药
图3:肖小河教授。
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