全 文 ： 药材 ·
黄连类中药组织显微定量图像模式识别△
第二军医大学药学 院 上海
四川省中药研究所
肖 , 、 河 命
舒光明
乔传率
夏文娟
苏中武
李隆云
摘 要 运 用计算机图像定量分析系统测定了不同 品种 、 不同产地 、 不 同部位的黄连类中药组织
细胞 余个体视学参数 , 并结合数值分类方法 , 建立了其显 微鉴定模式识别系统 , 为中药混乱品
种与多源道地药材鉴定提供了新的三维定量研究技术和 资料 。
关键词 黄连 组织形 态 体视学 图像分析 模式识别 鉴定
随着计算机技术的发展及其在生物医学 地药材形性识别及其与质量的相 关性研究 ,
中的应用 , 中药组织形 态学研 究开始 向三维 取得较满意的结果 。 现将黄连类中药显微图
和定量方向发展 , 同时使中药鉴定更加客观 、 像定量分析与分类鉴定研究结果报道如下 。
全面和准确 〔 〕。 近年来笔者将基于体视学和 材料与方法
计算机图像测试技术的图像定量分析 以及基 实验 材料 份供试材料 为笔 者历年
于图形生成理论和计算机 图形学的三维重建 来于黄连类各道地药材生产区采集 的对 口药
与显示技术用于 中药混乱品种鉴定和多源道 材样品 , 名称和来源见表 。
表 用于图像定 分析的黄连类中药
编号 名 称 采集时间 、产地 切片材料部位
味连南岸连 人 重庆石柱县 , 鸡爪头部
味连 南岸连 人 , 、 重庆石柱县 , ! 鸡爪中部
味连 南岸连 ‘ 重庆石柱县 , ! 鸡爪尾部
味连 南岸连 印 重庆石柱县 , ! 过桥
味连 南岸连 ‘ 重庆石柱县 , 鸡爪中部
味连 南岸连 、 重庆石柱县 , 鸡爪中部
味连 北岸连 重庆巫 , 鸡爪中部
味连 北岸连 重庆 巫山 , ! 鸡爪 中部
味连 北岸连 入 重庆 巫山 , 鸡爪中部
。 峨眉 野连 口 “ 、 四 川峨眉山 , ! 主根茎中部
峨眉野连 四 川峨眉山 , 主根茎中部
峨眉野连 四川峨眉 , ! 单枝 幼小中部
峨眉野连 四 川峨眉山 , ! 主根茎 头部
峨眉野连 ‘ 四 川峨眉山 , 主根茎 中部
峨眉野连 四 川峨眉 , 主根茎 尾部
云 连 云南贡山 , 根茎中部
云 连 云南贡山 根茎中部
云 连 · 云南中甸 , 根茎中部
雅 连 四 川洪雅 根茎 中部
。 雅 连 “ 四 川洪雅 , 根茎中部
雅 连 山 四 川洪雅 , ! 根茎头部
雅 连 、 四川洪雅 , 根茎尾部
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△ 国家自然科学基金项 目
《中草药》 年第 卷第 期
根据常规方法 , 将上述 份材料分别制
成石蜡切片 。 · 其中每份材料选取 支 一 支
典型药材 , 每支 药材选取 张 一 张有效切
片 , 每张切片对各观测组织选取 个 个
视野 。 木质部 由内到外 等份分别观测 。
以上凭证标本和切片存于四 川省中药研
究所标本馆 。
仪 器 和 方 法 体 视 学 参 数 测 量 采 用
一 图像定量分析系统 重庆大学研制 ,
年 · 。 原作金相分析用 , 根据
中药组织形态学特点和要 求 , 我们进行 了部
分改动 。基本步骤是 图像采集 , 将切片置
于配有 摄像机的显微镜下观察 采样 , 部
分材料切 片效果欠佳时 , 则显微描绘作 图后
直接以 摄像机采样 图像预处理 , 包
括编辑 、 轮廓修饰 、 灰度变换 、 逻辑运算 和二
值化操作等 , 以便获得清晰完整的 目标灰度
图像 参数测定 , 包括 统计和 形态两 大模
块 , 前者设置体密度 、 面数密度 、 数密度 、 面密
度 、 间距 、 直径 、 面积等参数 后者 设置 截面
积 、 周长 、 最大直径 、 等效直径 、 长宽 比 、 圆形
度 、 球化度等参数 , 各参数的定义和算法详见
文献 〔〕 数据倍数转换 , 求出 目标实际大小
和密度值 。 结果见表 下页 。 表 中 , 各组
织的体视学参数值均为所观测切片和视野的
平均值 。
数据处理采用系统聚类分析和主成分分
析作数值分类 。 结果见图 、 、 及表 、 。
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图 荃于全部参数的聚 合树状图 图 基于统计块参数的聚 合树状图 图 基于形态块参数的聚合树状图
表 统计块参数 的特征根与信息负荷 于黄连类中药显微 图像定量分析的模式识别
特征根 贡献率 累计贡献率 可为其提供 客观而全面的准确可重现的分类
鉴定手段 。
表 形态块参数 的特征根与信息负荷量
’ · · · 特征根 贡献率 累计贡献率
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4 6 3 2 9 4
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z 结果分析 : 2.6295 2.5。。4 5 9 . 1 1 5 2
黄连类中药来源比较复杂 , 其外观形状 、 8 1. 37 10 2. “63 8 91. 4 79 “
组织形 态和化学成分均十分相似 , 本文的基 ” ‘· 。89 0 1 · “7 6 ”3 · “行“
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《中草药》1 9 98 年i彩西畜雾币i
系统聚类分析
图 1 为基于全部 89 个细胞形态体视学
参数的 ’ 2 个黄连材料的聚合树状图 。 可见 ,
组织显微 定量图像模式识别能很好地区分不
同种类的黄连 。 不同产地和不同采收年份的
同种黄连组织细胞体视学形态具有很大的相
似性和重现性 , 不同种类黄连之间差异较大 ,
具有明显的间断性 。 味连为四川(今重庆)著
名道地药材 , 曾有北岸连 (长江以北之巫山县
等)和南岸连(长江以 南之石柱县)之分 , 并云
二者药材外观和质量有 明显差异 〔3〕 , 但据我
们产地调查和组织 显微定量 图像分析 , 二者
难有区别 。
图 1 还提示 , 不 同部位和不同生长发育
阶段黄连的组织显微定量 图像分析结果差异
明确 , 有时甚至超过种类所致差异 , 如南岸连
之桥杆 、野连之幼 小根茎和雅连之根 茎尾部
等 , 不同部位之 间定量 图像参数值常呈一定
的递变规律 。 调查还发现 , 野连幼小根茎常单
。枝 , 但老根茎有分枝 , 并多少鸡爪状 , 这与文
献报道不尽一致以〕。 因此 , 中药显微鉴定时 ,
取样部位十分重要 , 应具有代表性和可 比性 。
图 2 和 图 3 分 别是基于前 31 个 “ 统计
块 ”参数和后 58 个 “形态块 ”参数的聚合树状
图 。 可见 , 图 3 与图 1 的聚类结果具有很大的
相似性 , 即大小和形态因子两大类体视学参
数在显微定量 图像模式识别 中起主导作用 ;
图 2 与图 1 的聚类结果差异较大 , 说 明密度
类体视学参数在其模式识别中比重较小 。
2
.
2 主成分分析 (P C A ):“统计块 ” 和 “形态
块 ”参数 PC A 的特征根和信息负荷量分别见
表 3 、 4 。 “统计块 ”参数前 2 个主成分和“形 态
块 ” 参数 前 4 个 主成分 都 占其 总 信 息量 的
70% 以 上 , 说明二者分类排序 因子选 取比较
合理 , 并可有效地将其从 31 维和 58 维排 序
空间降低到低维空间 。 而其信息损失量很小 。
根据信息损失最小性 、 相关回 归最优性和变
异公差最优性原则 〔5〕, 综合考察前 2 个主成
分对 31 个 “ 统计块 ” 参数和前 4 个主成分对
58 个 “形 态块 ”参 数的影 响 , 分别 筛选出 10
·
5 5 2
·
个对分 类与排序最 有影响 的组 织体视 学参
数 , 它们是 :1) 统计块参数 :木质部 内层细胞
面数密度 , 木质部中层细胞体密度和面数密
度 , 木质部外层细胞体密度和面数密度 , 木栓
细胞体密度和面数密度 , 皮层薄壁细胞体密
度 、 面数密度和数密度 。说明体密度和面数密
度在其统计块定量 图像模式识别中起决定性
作用 。 2) 形态块参数 :髓部石细胞平均最大
直径 、 平均直径 、平均截面圆形度和腔壁面积
比 , 皮层石细胞平均最大直径 、 平均截面长宽
比和平均截面圆形度 , 中柱鞘纤维平均周 长
和平均截面圆球度 , 木栓细胞平均最大直径 。
可见 , 石细胞和 中柱鞘纤维 的大小 、 形 态 、 增
厚及分布情况等对其定量图像模式识别起主
导作用 , 并与黄连类中药显微图像定性鉴别
之特征组织细胞选取十分吻合 。
限于篇 幅 , 2 个材料的上述 20 个重要
组织细胞形态体视学参值排序略去 , 详见表
2 。
3 讨论
近缘品种是造成中药品种混乱和质量不
稳定 的重要根源之一 , 它们彼此之 间外观形
状 、 组织形态和化学成分往往基本一致 , 很少
有可资相互鉴别明显的特征组织或识别标识
化学成分 。 本文运用体视学原理和计算机图
像测试技术 , 从大小 、 密度和形态因子 3大类
参数全方位多 目标地综合刻划中药显微图像
的体视形态 , 在此基础上结合数值分类 , 从零
散而浩繁的实测数据中归纳出其分类鉴定特
征和规律 , 建立其显微定量图像模式识别系
统 , 从而为近缘 品种和混淆品种 中药鉴别提
供了 比较得心应手的分析手段 , 同时有助于
组织形态学研究 向三维和 定量化方 向发展 ,
有助于中药鉴定人工智能化 。
组织显微定量图像模式识别对中药品质
评价 、 植物生态解剖和发育解剖研究亦有重
要的借鉴意义 。 如中药化学成分与组织细胞
形态体视学参数的相关分析 , 植物组织细胞
形态体视学参数与生态环境和生长发育的相
关分析等 , 以后另将报道 。
要获得满意的显微定量图像分析结果 ,
取样数月应具有代表性 。 笔者以双流产黄丝
郁金作抽样误差与各级样本大小分析 , 结果
说明本实验取样方法和数 目合理 , 具有统计
学意义 , 与有关文献报道相吻合〔2 , 。 此外 , 显
微切片的质量亦是十分重要的 , 要求细胞轮
廓不支离破碎 、 胞腔 内无异质污染 , 不同切片
的色泽和背景应基本一致 。 今后可考虑计算
机层析技术(即 C T )用于获取中药组织断层
图像并放大 , 则可免去切片制样的浩繁工作 。
参 考 文 献
肖小河 , 等 . 药学学报 , 1 9 9 7 ; 3 2 ( 6 ) : 4 6 1
郑富盛 . 细胞形态立体计量学 . 北京 :北 医大一协和 医
大出版社 , 19 91 : 6
四川 省中药研究所 . 四川中药志 .二册 . 成都 :四 川人
民出版社 , 1 9 6 0 : 1 7 1 8
徐国钧 , 等 . 常用中药材品种整理与质量研究 . 一册 .
福 州 :福建科技出版社 , 1 9 9 4 : 5 0 3
王松 桂 , 等 . 科学通报 , 1 9 8 4 ; 2 9 ( 8 ) : 4 4 9
( 1 9 9 7
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1 9 收稿)
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甘草种子萌发初期的醋酶与蛋白质研究
中国医学科学院
中国协和医科大学药
用植物研究所(北京 100094) 高文远 ‘ 李志亮 肖培根
摘 要 用 电泳 和分光光 度法对甘草种子 萌发初期的醋酶和可溶性蛋 白质进行了研究 。 结果表
明 , 萌发后 48 h 左右 , 酉旨酶同工酶和 可溶性蛋 白质的电泳谱带数量较多 , 颜色较深 , 且可溶性蛋 白
质的含量较高 。 这说明 48 h 前后是甘草种子 萌发的代谢关键时期 。
关键词 甘草 种子 萌发 醋酶 蛋 白质
甘草 G匀叮户火iz a u ra le n sis F is eh . 为豆
科多年生草本药用植物 , 其根和根茎有补脾
益气 、清热解毒 、 止咳祛痰 、 缓急定痛 、 调和诸
药的功能 , 是最常用中药之一 。 甘草在药品 、
食品工业及轻工业方面的需求量越来越大 。
本文对甘草种子萌发初期的醋酶与蛋 白质进
. Address:Gao w enyuan , I n s t i t u t e o f M e d i e i n a l P l a n t
De
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高文远 男 , 1 9 8 9 年毕业 于吉林农业大学药用植物专业 , 同年考入中国协和 医科大学 , 1 9 9 4 年取得生药学博士学位 。
1 9 9 6 年晋升为副研究员 , 现在韩国忠北大学做博士后 。 研究方向为药用植物的生理生化 , 分子生物学 , 空间环境对植物的影响以及植物的组织培养和生物技术 , 获国家自然科学基金资助项 目 1 项 , 近年来在国 内知名刊物上发表论文 30 余篇 。
《中草药 》1 9 9 8 年第 29 卷第 8 期 · 5 5 3 .