全 文 ：· 药材 ·
中药附子形态结构计算机三维重建与动态显示△
四川省中药研究所 (重庆 6 3 0 0 6 5)
重庆大学电子信息学院
肖小河 命 舒光明 方清茂 李江陵 夏文娟 尹 国萍
陈 等 李时光
摘 要 实现了道地药材附子连续切片三维重建与动态显示 , 为计算机辅助生药学教学和鉴定提
供了具有生动性和立体感的三维图像技术和资料 。
关键词 附子 连续切片 三维重建 三维显示
由断层图像序列 (S e r ia l C r o s s 一 s e e t io n a l
Im ag
e )重建物体三维模型及其可见表面 显
示是当今国际科学计算可视化 (Vi su h za ti on
in S c ie n e e C o m p li le r in g )领域中十分活跃的
研究课题之一 , 并在形态学和组织学中展现
了应用前景〔‘〕。 该技术突破传统组织学和形
态学表达二维形态资料 的局限性 , 为生药学
研究和教学提供了形象直观 、立体感强 的三
维动态图像资料及其形态学参数 。 因而不仅
有助于对生药性状及其组织细胞进行完整且
准确的形态学描绘和鉴定 , 而且有助于 阐明
组织结构与生理功能 、品质构成以及各组织
细胞的空间位置相互关系 。为此 , 我们开发建
立了主要川产道地药及其对照品的计算机三
维重建模型图鉴系统 。 现将附子重建方法和
结果报道如下 。
1 原理与方法
三维重建与显示主要是根据组织连续切
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
数据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 ,
在二维平面上形象直观地显示出具有生动性
和立体感的三维图像 , 目前国际上研究较多
的是根据物体的断层图像序列重建出完整的
三维结构 , 断层 图像可以来自显微镜切片 、大
体制片和二维 C T 图像 。 由二维断层图像重
建三维 图像的方法主要有以下几种 : a )线框
模型法 (W ir e fr a m e m o d e l)〔2〕 ; b )立体图对
法 (s t e r e o 一p a ir )〔3〕 ; c ) 灰 度 表 面 模 型 法
(S h a d e S u r fa e e m o d el)〔‘〕 ; d ) 体 素模 型 法
(V o x el m o d e l)〔5〕 ; 。)深度彩色法 (D e p th 一 e o l-
o r )〔6〕; f)真 实立体 图像显 示法 〔7〕(R e a lis t ie
g r a p h ie s )
。
上述重建方法各有利弊 , 且大都是针对
不 同的研究对象而提 出的 , 因而均有一定的
适用范围 。 本文的研究对象—生药性状图形和组织细胞 , 为多 目标离散体或任意复杂
形状物体 , 有的 目标还相互包含 , 为了不失真
地 、快速清晰地将它们重建出来 , 作者提出了
基于三角形面元以及 N U R B S (非均匀有理 B
样条 )曲面的三维重建算法 , 并将模式识别的
原理和模式分类方法引入多 目标识别过程 ,
实现了中药组织三维动态显示及形态参数测
定〔8〕 。
三角形表面逼近算法 (T ri an g lar sur fa c e
a p p r o x im a t io n )是一种快速实用的表面重建
方法 , 适用于具有封闭的边界且表面细节不
多 的 对象 ; 而 样 条 曲 面 逼 近 法 (N U R B S
案 A d d r e s s : X ia o X ia o he S ieh u a n Pr o v in eia l In s t it u t e o f C h in e s e M
a te r ia M
e d ie a
,
C ho n g q in g
△ 国家自然科学基金项 目
现为第 几军医大学博 十生
《rt丁草药 》19 9 7 年第 2 8 卷第 3 期 . 1 6 7 ·
e u r v e d S u r fa e e a p p r o x im a t io n )的优 势 恰好
在于可以灵活地选择 目标的全体数据或部分
数据进行拟合 , 从而生成 闭合或不闭合的表
面 , 且重建的精细度和表面 的平滑程度都有
较大的提高 , 但其运算量大增 : 本研究首次提
出在同一重建场景中对细节不同的目标物分
别用平面法和曲面法重建其三维表面并同时
进行显示 ,满足不同的重建要求及观察需要 。
能够 同时观察到各个 目标的二维结构以及其
空间位量关系与递变规律 , 从而获得对重建
对象的总体认识 。
在多 目标识别过程 中 , 首次采用模式识
别 (p a t t e r n r e e o g n it io n )原 理 与模式 分 类
(p a t te r n c 一a s s ifie a t io n )方法 。 成功地解决 了
多 目标的 自动识别间题 , 为多 目标物离散断
层图像序列的三维重建奠定了理论基础 。 因
为在切片间隔充分 小的前提下 , 每两层相邻
切片的轮廓图中属于同一 目标的两个轮廓在
几何形状和断层平面上是有最大的相似性 ,
并以此为依据构造了任意两轮廓之间的距离
作为轮廓相似性的量度 , 将彼此之间距离最
小的两个轮廓归于同一个 目标 , 从而准确地
实现多 目标情况下轮廓匹配与 目标分离 。
对于重建结果 , 采取 了灵活多样的三维
显示方式 。 采用线框结构方式以观察物体的
内部构造 , 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 , 用户可以选择任意视角任意距离
观察物体 。实现 自动或手动旋转等动画效果 ,
有选择地显示各个目标 。
限于篇幅 , 现对实验所用三维重建与显
示方法之 函数运算 , 逻辑推论及程序设计不
一赘述 , 详见有关的文献〔8 、 9 〕 。
2 方法与结果
本实验主要步骤为 : a) 样本制备及切片
图形数字化 ; b) 图像 校准 , 目标分割 与轮廓
匹配 ; c )三角形面元法重建与 N U R B S 曲面
法重建 、三维形态学参数测量 ; d) 图形变换 、
隐面消 除 、 照明处理 ; e )利用 SG I 图形卡三
维动态显示 。
·
16 8
·
2
.
1 材料及样本制备 : 附子来源于毛葛科植
物乌头 A c o n it u n ; 。a r m ic h a e li D e b x . 的侧生
块根 , 有南瓜叶和花叶子等栽培品种类型 。南
瓜叶附子与花叶子附子在抗逆性 、产量 、植物
形态和生物碱含量等方面均有不同程度的差
异〔, ‘〕 。 新鲜附子于 1 9 9 4 一 0 5 采于其道地药材
产区一一四川江油市彰 明乡 , 去支根须根后于 F A A 中固定 , 凭证标本 存四川省中药研
究所标本馆 (S M ) , 样本制备比较简单 , 只需
将整个药材进行连续切片 (切 片厚度约 0 . 5
m m )
, 然后逐一投影到水平面上并刻划 出截
面及各种特征组织轮廓图 。 显微切片采用常
规的石蜡永久制片法 , 切片厚度为 15 拜m , 然
后通过 Ol y m Pu S 自动显微照像得到麦冬各
特征组织细胞的灰度 图像 , 要组织连续切片
的基准定位是三维重维制片中的一个技术难
题 , 本实验主要依据有关附子生药学和发育
解剖学的先验知识而判别 , 还可利用微 电极
或激光打孔方式在药材组织蜡块上留下 2一
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 p h o t o s t yle r 环境
下 , 由型号 为 S ca n M ake r 的扫描仪完成数字
化 。 扫描分辨率为 1 5 0 D P I(D o l Pe r In e h ) 。
2
.
2 实验系统环境 : 三维重建与显示的硬件
环境为 48 6 计算机 , S G I IV 一A T 24 2 三维实
时图形卡 、 N E C 大屏幕监视器 。 软件环境为
W i
n d o w
S 、 Ph lo lo s lyle r 1
.
0 3
、
S G I 图形库 G L
(G
r a p h ie s L ib r a r y )
, 全 部程 序采 用 H ig h C
及 M ic ro s of t c / c 一十 + 一语言编制 。
2
.
3 三维重建与显示的实现 : 本实验三维重
建结果是充分利用 S G I 图形 卡的图形生成
和快速运算功能并在大屏幕监视器上实现三
维动态显示的 , 该卡是近年来国际上具有代
表性的视象技术产 品之一 , 其 G ra p hi c S Li -
br a ry 可为图像处理和图像生成提从各种高
级和低级支持的图形程序和实用程序 , 在三
维显示过程 中 , 坐标变换 、隐面消除 、光 明处
理等功能可以调用 G L 中相应的例程 , 从而
使重建速度大幅度提高 , 显示方式灵活多样 ,
并且实现了在任意视角任意距离观察物体的
移动 、放缩和旋转变化 , 显示结果生动性和立
体感强 。为了便于本文图例说明 , 作者选拍了
部分瞬间定位显示模型图像并拼合成照片图
版 。
花叶子附子 : 短圆锥形或近圆珠形 , 长 2
一 5 。m , 直径 1一 3 。m 。 上部短钝 , 中部圆阔 ,
下部急尖 。表面有锥形瘤状突起的小支根 (习
称 “钉角 ,’) 。 横切面可 见多角形的形成层环
纹 。二维重建图像为双层立体结构 , 外层示药
材 外形 , 表面较平滑 , 可 见稀疏的“钉角 ” , 内
层为形成层环体结构 , 呈不规则长 圆锥形 , 表
面上锥形突起为 多角形形成 层环的外向角
突 , 以后部分发育成小支根或须根 (图 1 , 1一
4
、
9 )
。
南瓜叶附子 : 圆锥形或近椭圆形 , 比花叶
附子稍大 。 上部较粗 , 中下部渐细 。 表面“钉
角”较多 , 断面形成层环纹凹凸明显 。 三维重
建图像亦为双层立体结构 , 外层示药材外形 ,
“钉角 ”大都 已去 , 内层为多角形的形成层环
体结构 (图 1 , 5一 8 、 1 0 ) 。
图 1 附子三维重建模型图象
1
、
2
一花 叶子附子形态结构线框模型图和光照模型图 , 均 为双层立体结构 , 但光 照模型图 内层形成层 环纹结构
体被遮蔽 3 、 4一剥去外层 (表皮和 皮层 )后 , 花叶子附 子形成层环纹体线框模型图和光 照模型图 5 、 6 一南瓜 叶
附子形态结构线框模型和光 照模型 图 , 亦均为双层立体结构 7 、 8一剥去外层 (表皮和 皮层 )后南瓜叶附子形成
层 环纹体线框模型图和光照模型图 9 、 10 一花叶 子附子和南瓜叶附子 连续横切面轮廓图像选例
图实际大小参照 文中说明
此外 , 笔者还从显微切片重建了附子导 重建模型图鉴比传统平面绘图和照片图鉴更
管群和皮层石细胞三维结构模型 图像 , 但于 趋标准化 , 更具可比性 。 同时 , 可在计算机上
种下等级鉴别意义不大 , 本文从略 。 任意显示 , 或通过大屏幕显示器输出接 口与
3 讨论 录像机或摄像机相连 , 连续转录和复制重建
研究表 明 , 中药形 态组织计算机三维重 与显示图像 。
建模型形象直观 , 具有生动性和立体感 , 并可 影响三维重建图像效果的因素很多 , 除
根据先验知识进行适当的修饰 , 从而使三维 系统环境条件 、重建算法与显示方式外 , 断层
《中草药 》1 9 9 7 年第 28 卷第 3 期 . 1 6 9 .
切片图像的数量与质量亦是影响重建结果真
实性的重要因素 。一般来说 ,连续切片间断愈
小 , 数 目愈多 , 信息量愈丰 , 特征组织界线愈
分明 , 重建图像愈生动逼真 ,但其工作量浩繁
程度将剧增 , 由于组织细胞形态小 , 其连续切
片的数量和质量保证难度较大 , 通常药材外
形重建效果优于组织细胞重建 。
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作出定量的分析
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 , 藉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
面积和体积等 , 限于篇辐 , 以后再做报道 。
参 考 文 献
1 肖小河 , 等 . 首届 中国药物资源 开发研讨 会论文集 . 重
庆 . 1 9 9 2 . 5 8
2 W illey T J
.
IE E E T r a n
s , o n B io m e
.
E n g
,
Ju ly ] 9 7 3
.
2 8 8
3 工今著 . 生物物理学报 , 1 9 90 , 2 (3 ) : 1 7
4 H
e
ff
e
m a n PB
, e t a l
.
IE E E T
r a n s , o n M
e
d i
e a
l lm a g in g
.
1 9 8 5
.
M l
一 4 : 2 5
5 U d u p a JK
.
C o m p u t
.
G
r a p h Im a g
.
P r o e
.
l 9 8 2
, 1 8
.
2 1 3
6 F a r r e ll E J
.
IBM J R e s l)
e v e l
, 19 8 3
,
2 7 (4 )
: 3 5 6
7 李淑梁 , 等 . 清华大学学报 , 1 9 86 , 26 (5 ) : 10
8 陈 苦 . 币庆大学 硕士学位 论义 . 1 9 9 5
9 张家树 , 等 . 中国生物 医学 卜程学报 , 1 9 4 . 1 3 (l ) : 29
一。 肖小河 , 等 . , }, 药材 . 19 9 2 , 1 5 (5 ) : 1 8
(1 9 9 6
一
0 5
一
0 7 收稿 )
A M o d e l A tla s o f th e Sh a Pe a n d St r u e tu r e o f th e C r u d e D r u g F u z i (Aco n itu m ca rm i
c ha cli
in T r i一d im e n sio n a l C o m P u te r R e e o n st r u e tio n
X ia o X ia o h e
,
C he n g Jin g
, e t a l
A tr i
一
dim e n sio n a l e o m p u t e r r e e o n s t r u e tio n a n d a n im a t ed d is p la y fo rm s e r ia l t r a n s e e tio n s o f the g e n u in e
d r u g Fu z i (A e o n itu m c a r m ic ha eli )h a v e be e n a e h ie v e d
,
w hieh m a y o ffe r s o m e t r i
一
d im e n s io n a l im a g e t e e h n iq u e
a n d in fo rm a t io n fo r th e te a e h in g o f p h a rm a eo g n o sy a n d id e n tifie a t io n o f g e n u in e he r b a l d r u g s
.
蛇类药材的药源调查
南京师范大学生物系 (2 1 0 097 ) 王义权 带 周开亚
摘 要 对 1 9 9 0 年版《中国药典》收载的 3 种蛇类药材的药源调查表明 , 乌梢蛇的主要产区为江
苏 、浙江 、安徽 、江西 、湖南 、湖北和四川等省 。 薪蛇主产区为浙江 、江西 、湖南 、福建等省 。 金钱白花
蛇主产区为广东 、湖南 、江西等省 。 目前蛇类药材直接或间接来自野生蛇类 , 在人工养殖条件下尚
未实现大规模的人工繁殖 。
关键词 蛇类药材 主产区 药源调查
1 9 9。年版《中国药典 》所载蛇类药材有
乌梢蛇 、薪蛇和金钱白花蛇 3 种 。 1 9 93 一07 一。
~ 。8 一 2 9 对我国蛇类药材 的主产地四川 、湖
南 、湖北 、安徽 、广东 、广西 、福建 、江西 、江苏 、
浙江等省区进行 了药源调查 。 此次调查主要
是以走访各地药材公司 、药材站 、主要的药材
批发市场和中药店的形式进行 , 调查 中在各
药材市场和 中药店共购得乌梢蛇 药材标本
!
A d d r e ss : W
a n g Y iq u a n
,
N a n jin g T he ae h
‘ 5 U n l v e r s :、y
,
N a n jin g
现在巾国药科大学中药学院
·
17 0
·