全 文 ：συλτ : × «¨ ¶«¤³¨ ¤±§³µ²³¨µ·¬¨¶o °¬¦µ²¶¦²³¬¦¦«¤µ¤¦·¨µ¬¶·¬¦¶¬±µ²²·oµ«¬½²°¨o¯¨ ¤√ ¶¨º µ¨¨ º²µ®¨ §²∏·qΧονχλυσιον : Αστεροπψρυ µ ¦¤±
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∏´¤¯¬·¼ ¦²±·µ²¯ ²© ° §¨¬¦¬±¤¯ Αστεροπψρυ µ ³¯¤±·¶q
[ Κεψ ωορδσ] Αστεροπψρυ µ παλτατυ µ ; Αστεροπψρυ µ χαϖαλεριει ;³«¤µ°¤¦²ª±²¶¼ ~³¯¤±·¤±¤·²°¼
≈责任编辑 袁桂京 
一种基于分析数据可视化技术的
中药材质量分析与评价新方法
余 杰 o吴永江 o程翼宇
k浙江大学 制药工程研究所 o浙江 杭州 vtssuzl
≈摘要  目的 }研究中药材质量分析与评价的新方法 ∀方法 }运用科学计算可视化原理 o建立了仪器分析数据
可视化技术 ∀通过主成分分析和空间投影变换方法对药材的红外光谱分析数据进行预处理 o实现特征提取和高维
数据空间的降维 o进而采用二维灰度图对变换后的数据进行可视化处理 o获取中药材质量的特征指纹图谱 ∀结果 }
对野生 !栽培桑白皮及其伪品共 wu个样品进行了测定 ∀结果表明 o样品鉴别的准确率达到 |s qx h ∀结论 }该方法
是一种具有重要发展意义的中药材质量鉴定新技术 ∀
≈关键词  中药材鉴别 ~中药分析 ~分析数据可视化 ~指纹图谱
≈中图分类号  • u{u qx ≈文献标识码  … ≈文章编号  tsst2xvsukussulsu2ss|z2sw
1 引言
中药材的质量取决于多种条件和因素 o这造成
了药材的多样性与道地性问题≈t  ∀因此 o建立科学
可靠的中药材质量鉴定方法一直是中药现代化研究
领域的难题之一 ∀传统的中药材鉴别方法不能反映
其内在的化学信息 o缺乏科学的量化实验依据 o适用
范围有限 ∀随着色谱 !光谱等现代分析技术及计算
技术的引入 o中药材鉴别方法正逐步向科学化 !定量
化和多元化方向发展 o用于表征药材质量的化学信
息也越来越丰富≈u  ∀然而 o由于分析仪器复杂谱图
所形成的大量抽象数据缺乏整体直观的特征表达 o
使这类药材鉴别方法的进一步发展应用受到限制 ∀
≈收稿日期  usst2s{2s{
≈基金项目  国家重点基础研究发展规划 k|zv 计划 l
kŠt|||sxwwsxl及国家自然科学基金kv|{zs|wsl资助项目
≈联系人  程翼宇
≈作者通讯  电话 }ksxztl{z|xuxs| 传真 }ksxztl{z|{syy{
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本文旨在将基于灰度映像的二维可视化技术应
用于中药材鉴别 o以桑白皮的红外光谱分析数据为
例 o采用平面灰度图对不同桑白皮样品的分析数据
进行可视化处理 o以便发现 !提取和表达隐含在数据
中的质量特征信息 ∀通过上述手段可将药材的红外
光谱图转换成直观的药材质量特征指纹图谱 o从而
建立了一种新型的中药材质量评价方法 ∀实验结果
表明 o该方法可使野生 !栽培及伪品间呈现出显著性
灰度图像模式差异 o据此实现药材质量的直观鉴别 ∀
2 理论部分与算法步骤
2 q1 可视化原理
根据科学计算可视化原理≈v  o采用灰度映射
法 o建立≈s ot 区间内的数值与灰度间的一一对应关
系 o以灰度的深浅来连续表征不同数值的大小 o从而
将数据空间映射到灰度等级空间 o实现以图像灰度
变化来替代抽象数据变化 ∀在本文中 o采用线性灰
度图来实现数据可视化 o用一幅二维灰度图来表征
一个药材样品的化学组成信息 o以建立其特征指纹
图谱 ∀图谱的 Ξ轴上整数坐标表示各波数点或其
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线性组合 ,因此不同图谱间相同 Ξ坐标处的灰度深
浅差异即表征不同药材样品在各波数点或其线性组
合上的整体差异 o而 Ψ轴坐标为无量纲的标量 ∀由
于波数点是离散的 o故沿灰度图的 Ξ轴方向上相邻
波数点之间区域采用双线性法向插值≈w 的方式进
行梯度填充 o从而可实现灰度深浅的连续自然平滑
过渡 ∀
2 q2 主成分分析与空间投影变换
由于药材的原始光谱分析数据空间维数过高 o
使分析问题的复杂性增大 o若直接对原始数据进行
可视化处理会造成视觉辨识的困难 ∀而在对药材数
据矩阵的分析中 o发现大部分波数点的数据间具有
高度复相关性 o故可通过主成分分析 k°µ¬±¦¬³¤¯
≤²°³²±¨ ±·„±¤¯¼¶¬¶o°≤„l实现高维数据空间的降
维 o同时最大限度地保留原有化学信息 ∀
设药材的原始光谱分析数据矩阵为 }
φ € [ φt , φu , , , φµ ] (t)
其中 , φι为表征各样品在第 ι个波数点上响应
值的列向量 ∀设 φ的自相关矩阵为 Χφ :
Χφ € Ε{(φ p µ φ)(φ p µ φ) Τ} € Ρφ p µ Τφ (u)
其中 , µ φ € Ε(φ)表示 φ的均值向量 ∀那么 µ
维方阵 Χφ 的特征向量 αι 和特征值 Κι 满足以下关
系 :
Χφαι € Κιαι , ι € t ,u , , , µ (v)
根据特征值降序排列 ,从大到小依次选取前 κ
(κ  µ )个特征向量 ,组成主成分变换矩阵 Α :
Α € [ αt , αu , , , ακ] (w)
那么可以将原始数据矩阵 φ 投影到低维主成
分空间得到新矩阵 :
γ € (φ p µ φ) Τ ≅ Α (x)
而信息保留率为 :
Μ€
Ε
κ
ι € t
Κι
Ε
µ
ι € t
Κι
(y)
这样既最大限度地保留了药材的原始化学信
息 ,又可大大降低数据空间的维数 ,减少数据存储
量 ;同时由于 °≤ „是以方差最大的原则来选取主成
分的[ x] ,所以还起到了指纹特征提取和特征差异放
大的作用 ∀
2 .3 数据的标准归一化
由于从数据空间到灰度空间的映射是采用[ s ,
t]区间内的数值与不同灰度深浅之间的一一对应 ,
故还须对数据矩阵进行标准归一化处理 ∀
2 .3 .1 平移变换
设归一化前数据矩阵为[ Ξιϕ] ,各列向量中数据
最小值为 Ξϕµιν ,那么对各列向量中的数据点作如下
的平移变换 :
Ψιϕ€ Ξιϕp Ξϕµιν (z)
其中 ι € t ,u , , , µ (药材样品数) , ϕ€ t ,u ,
, ,κ(波数点数) ∀经过平移变换 ,相当于各坐标
轴上的最小数据点变为新坐标空间下的该坐标轴原
点 ,但不改变样本点集在空间的形状和相对位置 ∀
2 .3 .2 压缩变换
经平移变换后的数据矩阵设为[ Ψιϕ] ,令矩阵中
数据最大值为 Ψµαξ ,那么对矩阵中所有数据点作如
下压缩变换 :
Ζιϕ€ Ψιϕ/ Ψµαξ ({)
经过压缩变换 ,相当于将整个坐标空间压缩为
一个[ s ,t]超立方体 ,而变换前数据点分布形状和相
对位置也均保持不变 ∀
经过以上连续两步的空间等价变换 ,可实现数
据点的标准归一化 ∀
2 .4 特征指纹图谱的获取步骤
依据上述基本原理 ,本文提出的中药材质量特
征指纹图谱构建方法可分为以下几个步骤来实现 :
步骤一 构建原始信息矩阵 :以不同药材样品
的编号来表示行号 ,各样品的不同波数点序号表示
列号 ,将实验所得的红外光谱分析数据表征为矩阵
形式 ∀
步骤二 主成分分析与空间投影变换 :按式
(u) ,(v)对原始信息矩阵进行主成分分析 ,并根据式
(x)进行空间投影变换 ∀
步骤三 标准归一化 :将经过空间投影变换的
数据矩阵按公式(z) ,({)进行标准归一化处理 ,使所
有数据点变换到[ s ,t]超立方体内 ∀
步骤四 可视化处理 :对归一化后的数据矩阵
中每个行向量(表征一个样品)依次绘制其二维灰度
图 ,最终获取特征指纹图谱 ∀
3 实验部分
3 .1 红外光谱分析
桑白皮样品的红外光谱分析工作由浙江省中医
药研究院孙静芸研究员完成 ,并提供了 wu个桑白皮
样品(t|个野生正品 ,ty个栽培正品 ,z个伪品)在
tu个波数点上的红外分析数据 ,扫描范围为 wss ∗ w
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sss¦°p t ∀波数点的选择可由分析者依据经验选
定 o也可选择吸收最大的若干波数点 o或由计算机自
动选取 ∀样品经粉碎后采用压片法测定其红外光
谱 o每个样品重复 v次 o对 v次分析结果值取平均作
为一个样本分析值 ∀
3 q2 算法实现
本文算法的原程序采用 ¤·¯¤¥语言编写 o并调
用 ¤·¯¤¥x qv的 Œ°¤ª¨ °µ²¦¨¶¶¬±ª ײ²¯¥²¬中的库
函数来实现 o程序运行于本实验室 ° ±¨·¬∏° µvss兼
容机的 ¤·¯¤¥x qv环境下 ∀
在对原始红外光谱数据矩阵进行主成分分析
时 o从原有 tu个波数点中抽提 v个主成分以构成新
的低维子空间 o并将各数据点投影到该子空间 o其原
始化学信息的总保留率达到 |z qy h ∀
4 结果与讨论
4 q1 原始数据的可视化表征结果
取野生 !栽培桑白皮及伪品样品的红外光谱分
析数据集 o若不经过主成分变换 o而直接对原始数据
进行可视化表征 o其结果如图 t所示 ∀
图 t 桑白皮样品的原始红外光谱数据可视化处理结果
上 q伪品 中 q栽培正品 下 q野生正品k图 u同l
从图中可以看出 o栽培正品与野生正品及伪品
之间存在显著的灰度模式差异 o极易鉴别 o但野生正
品与伪品间差异并不明显 o说明仅通过分析者主观
经验选取的 tu个波数点上的红外分析数据仍难以
实现 v种不同质量类别样品的直观辨识 o还需采用
多元统计方法进行进一步的指纹特征提取 ∀
4 q2 特征指纹图谱的可视化表达结果
仍取 v种样品的红外光谱分析数据集 o运用本
文方法对其进行主成分提取和空间投影变换 o然后
再进行可视化处理 o建立特征指纹图谱 o其结果如图
u所示 ∀
从图中可以看出 o经过主成分分析和空间投影
变换后 ov种样品红外光谱图间的某些细微差异 o通
过在主成分方向上的投影得到了增强 ∀例如 o栽培
正品在第二主成分处有一白色细条纹 o野生正品在
其特征指纹图谱的右半部分几乎全为黑色 o而伪品
则在谱图的左半部几乎全黑 o通过这些特征指纹可
将它们直观而准确地区分开来 ∀采用该数据可视化
方法对原 wu个样品进行质量类别判定 o判对 v{个 o
准确率达到 |s qx h o表明本文方法效果较理想 o并
且不依赖于由分析者主观经验选取的特征波数点 o
可由计算机自动从药材的红外光谱分析数据集中提
取出指纹特征 o实现其直观鉴别与质量评价 ∀
图 u 桑白皮样品的特征指纹图谱可视化结果
5 结论
本文将 °≤ „ !空间投影变换和可视化技术综合
引入到中药材的质量分析与评价中 o以红外光谱分
析为例 o采用直观的二维灰度图构成特征指纹图谱
来表征复杂的中药材化学信息 o从而可有效地整体
辨识中药材质量 o并发展形成了一种药材质量条形
码标识方法 ∀对桑白皮样品的分类识别结果表明 o
该方法实现了中药材质量的整体鉴别和评价 o为建
立中药材质量指纹图谱分析技术开辟了新的研究方
向 ∀
≈参考文献 
≈t  王智民 o肖诗鹰 q对现代中药研究开发的几点看法 q中国中药杂
志 ousss ouxkwl }uww q
≈u  张汉明 o许铁峰 o秦路平 o等 q中药鉴别研究的发展和现代鉴别
技术介绍 q中成药 ousss ouuktl }tst q
≈v  ¦ ≤²µ°¬¦® … ‹ o ⁄¨ ƒ¤±·¬× „ o …µ²º±  ⁄q ∂¬¶∏¤¯¬½¤·¬²± ¬±
≥¦¬¨±·¬©¬¦≤²°³∏·¬±ªq≤²°³∏·¨µŠµ¤³«¬¦¶ot|{z outkyl }t{| q
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≈x  方开泰 q实用多元统计分析 q上海 }华东师范大学出版社 ot|{| q
u|t q
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Α Νοϖελ Φινγερπριντ Μετηοδ φορ Θυαλιτψ Εϖαλυατιον
οφ Χηινεσε Μεδιχιναλ Πλαντσ Βασεδ ον Αναλψτιχαλ ∆ατα ςισυαλιζατιον
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≈责任编辑 袁桂京 
usst年中国药学发展奖学科奖和地奥药学科科技奖k中药奖l
颁奖大会在北京举行
新世纪第 t年即将结束之际 o在北京人民大会堂隆重举行 usst年中国药学发展奖学科奖和地奥药学科技奖k中药奖l颁
奖大会 o全国人大常委会周光召副委员长 !国家药品监督管理局郑筱萸局长 !总后卫生部白书忠部长等出席了颁奖大会并讲
话 o同时为获奖者颁发奖杯 !证书和奖金 ∀国家经贸委经济运行局 !国家科技部奖励工作办公室 !中国科协 !中国科学技术发
展基金会 !中国药学会等单位的负责人和来宾 txs余人参加了大会 ∀
会议由药学发展基金委员会曹文庄副主任委员主持 o药学发展基金委员会马剑文主任委员致辞并介绍了中国药学发展
奖学科奖和地奥药学科学技术奖k中药奖l评审情况 ∀
中国药学发展奖学科奖获得者 特别贡献奖 }徐国钧院士k中国药科大学l ~中药奖 }谢宗万研究员k中国中医研究院中药
研究所l ~生物技术药品奖 }王荫椿研究员k兰州生物制品研究所l ~药物化学奖 }方起程教授k中国医学科学院药物研究所l o白
东鲁研究员k中国科学院上海药物研究所l ~药理学奖 }池志强院士k中国科学院上海药物研究所l ~药剂学奖 }空缺 ~药物分析
奖 }安登魁教授k中国药科大学l o王慕邹研究员k中国医学科学院药物研究所l ~医院药学管理奖 }陈志良主任药师k第一军医大
学南方医院l ~药学企业管理奖 }刘存周高级经济师k哈尔滨医药集团有限公司l o邹节明高级工程师k桂林三金药业集团有限
责任公司l ∀
地奥药学科科技奖k中药奖l获奖者 }一等奖 }朱大元研究员k中国科学院上海药物研究所l ~二等奖 }谢培山主任药师k广州
市药品检验所l o郑汉臣教授k第二军医大学l ~三等奖 }易杨华教授k第二军医大学l o徐绥绪教授k沈阳药科大学l o范礼理研究
员k中国医学科学院药物研究所l o屠鹏飞教授k北京大学中医药现代研究中心l o乌苏日乐特主任医师k内蒙阿拉善盟蒙医院l ∀
成都地奥制药集团有限公司在 t||{年和 usst年两次向药学发展基金委员会共捐赠 uss万元 o设立的中国药学发展奖地
奥药学科技奖k中药奖l特别受到关注 ∀广东顺峰制药厂 !桂林三金药业集团有限责任公司 !北京四环制药厂 !天津天士力制
药集团有限公司等单位均向药学发展基金委员会捐款 o支持中国药学发展奖的评审工作 o为我国的药学事业作出贡献 ∀
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