中藥智能制造的發(fā)展與展望*

王瑩，肖莉，陳偉，晏峻峰

（湖南中醫(yī)藥大學信息科學與工程學院，湖南 長沙 410208）

中藥傳統(tǒng)制造主要是指依靠傳統(tǒng)中藥炮制技術提高藥物療效，將中藥制成臨床使用的中藥飲片。中藥炮制產(chǎn)業(yè)在我國有著悠久的歷史，中藥可以根據(jù)中醫(yī)處方直接入藥，或者經(jīng)過炮制充分激發(fā)藥性、減少毒性后再入藥。中藥炮制工藝復雜，因此在中國傳統(tǒng)制藥行業(yè)占據(jù)重要地位[1]。隨著高新技術的發(fā)展，與人工智能相結合的新型中藥制造業(yè)成為新的發(fā)展方向。本研究通過深入研究傳統(tǒng)中藥生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)設備和飲片質量問題及相關人才缺失現(xiàn)象，探討中藥飲片生產(chǎn)與人工智能結合的必要性和發(fā)展前景。

1 中藥傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

中醫(yī)藥文化是中國傳統(tǒng)文化的絢麗瑰寶，其中蘊含著大量可創(chuàng)新及與現(xiàn)代社會接軌的節(jié)點。近年來，隨著“健康中國”戰(zhàn)略模式的迅速發(fā)展，以及為促進中國醫(yī)療產(chǎn)業(yè)更好、更快發(fā)展戰(zhàn)略的出臺，中國醫(yī)療產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)了新的發(fā)展機遇。與此同時，與中藥行業(yè)息息相關的傳統(tǒng)中藥制造行業(yè)受到嚴峻挑戰(zhàn)，如資源配置高度分散，產(chǎn)品質量影響因素眾多，自動化生產(chǎn)困難重重，以及需求個體差異較大等諸多問題有待解決。為實現(xiàn)中藥產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展，推動中藥走向世界，中醫(yī)藥制造產(chǎn)業(yè)須向信息化、智能化方向發(fā)展。

1.1 飲片生產(chǎn) 中藥是中醫(yī)臨床治療的基礎。中藥安全性和有效性直接決定著患者生命的安全及中藥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。作為中藥湯劑的原料，中藥的種植、加工炮制對湯劑的質量有決定性作用。目前，中藥生產(chǎn)環(huán)節(jié)存在質量問題[2-6]，針對這些問題，國內(nèi)學者已開展廣泛探討，主要集中在中藥飲片質量監(jiān)管及標準建立[7-11]，制藥企業(yè)存在的問題分析及管理建議[12-14]，以及中藥行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及政策[15-17]等方面。但根據(jù)相關的統(tǒng)計分析，隨著中藥市場的不斷擴大，中藥飲片的需求持續(xù)增長，但目前中藥的來源更多地來自人工種植，導致了中藥品質的下降[17]。此外，中藥飲片的質量很大程度上取決于中藥的炮制技術，中藥炮制人員缺乏專業(yè)知識，可能會出現(xiàn)凈制不到位，飲片切制不合格，炮制方法錯誤等一系列問題，導致飲片質量出現(xiàn)紕漏。以葶藶子炮制為例，現(xiàn)代炮制品主要以炒葶藶子為主?！吨腥A人民共和國藥典》規(guī)定葶藶子的炮制標準仍然是以色澤和氣味來判別[18]。這要求炮制人員具有豐富的經(jīng)驗和深厚的專業(yè)知識。因此，要實現(xiàn)中醫(yī)藥事業(yè)的長遠發(fā)展，需要從根源上解決中藥飲片在生產(chǎn)質量上的諸多問題。

1.2 生產(chǎn)設備 如今，我國傳統(tǒng)制藥業(yè)發(fā)展緩慢，大多數(shù)企業(yè)自動化水平有限，處在標準化有待完善的階段[19]，而且藥材產(chǎn)地加工和炮制加工一體化重視程度不夠。所使用的大多數(shù)工具都是相對簡單的電子儀表或指針式儀表。這些設備的自動化程度和標準化程度相對較低，需要手動操作和手動記錄，降低了生產(chǎn)效率并帶來較大的主觀性問題。此外，一些中藥飲片企業(yè)由于成立時間較長，存在著占地面積不足、原設計生產(chǎn)流程和布局不合理、部分廠房和設施陳舊等情況。此外，凈化空調系統(tǒng)運行記錄不完整、地磅校驗證書更新不及時、自動包裝機儀表校驗不及時、檢測數(shù)據(jù)未及時審核、部分檢測工具損壞未及時修理等問題也有待解決。同時，中藥制藥行業(yè)設備標準化問題有待解決，而且藥品質量參差不齊，不同企業(yè)的制藥設備性能差異較明顯[20]。

1.3 技術人才 為了保證中藥飲片質量和從業(yè)人員專業(yè)素質的提高，在中藥的栽培、采購、加工及檢驗等環(huán)節(jié)均需要專業(yè)人員參與到整個產(chǎn)業(yè)鏈中，同時這也是解決中藥飲片質量參差不齊的關鍵。傳統(tǒng)的中藥生產(chǎn)陷入了“后繼乏人，后繼乏術”的困境，如現(xiàn)階段中藥傳統(tǒng)生產(chǎn)行業(yè)人員教育水平較低、專業(yè)背景和專業(yè)知識缺乏，限制了工業(yè)質量的提高。此外，中藥加工已從傳統(tǒng)的師承制度轉變?yōu)橐栽鷮嵗碚摫尘盀榛A的高等教育制度指導的教育模式[21]。后者雖較前者有更廣闊的知識面和扎實的理論基礎，但相對傳統(tǒng)而言缺乏實踐。實際上，畢業(yè)后從事相關職業(yè)的人數(shù)也相對較少。此外，中國傳統(tǒng)醫(yī)藥加工業(yè)存在加工環(huán)境混亂及薪資水平低等問題，導致業(yè)內(nèi)缺乏具有工匠精神的專家。資料顯示，目前我國從事中藥飲片炮制行業(yè)的專家不足50人[22]。由于繼承事宜沒有得到有效解決，隨著一些資深技工的退休，這些經(jīng)驗和出色的處理技術無法得到有效傳承。這使某些實用的炮制技術陷入了失傳的困境。

2 結合人工智能的中藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展預期

隨著信息社會的到來，人工智能技術的飛速發(fā)展，計算機的遠程處理功能及算法更新，以及計算機硬件創(chuàng)新，將先進的人工智能技術與中藥傳統(tǒng)的制藥業(yè)相結合已成為必然的發(fā)展趨勢。中藥智能制造借助物聯(lián)網(wǎng)技術、數(shù)據(jù)挖掘技術、傳感器技術、深度學習等信息技術實現(xiàn)了信息化與工業(yè)化的深度結合，實現(xiàn)了人工智能與傳統(tǒng)中藥制藥的完美結合，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程中對原材料、工作人員和生產(chǎn)流程的實時監(jiān)督和生產(chǎn)設備的智能化調度。（見圖1）中藥智能制造能保障工作人員的安全和工作流程的規(guī)范，從而推動中藥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

圖1 人工智能技術在中藥制藥人員管理中的應用

2.1 智能制藥的藥材產(chǎn)地加工 2015年“30種中藥飲片產(chǎn)地加工與炮制一體化關鍵技術規(guī)范研究”被國家中醫(yī)藥管理局批準。中藥原產(chǎn)地加工具有鮮明的優(yōu)勢，可以提高中藥飲片的生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本[23]。藥材產(chǎn)地加工可縮小藥材體積，使藥材更適于運輸和儲存。而且對于質地較硬的藥材，與干燥處理后再經(jīng)潤后切片比較，原產(chǎn)地加工的鮮藥切片更為便捷，克服了傳統(tǒng)切制的某些弊端。將產(chǎn)地鮮藥切片與人工智能結合起來，通過加工炮制設備、機械化工作降低人力成本，可減少飲片厚度不一、碎片過多等情況的發(fā)生，極大地提高藥品品質。

2.2 智能制藥的“視”“嗅”結合 中藥產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)跨度大，從中藥材的種植到中藥炮制再到臨床制劑，這個過程存在著大量的知識運用和以人為主體單位的信息傳導。分段式技藝布局形成的信息割裂使得大部分數(shù)據(jù)分散分布，形成“信息孤島”[24]。而且中藥的生產(chǎn)過程是一個動態(tài)變化的過程，生產(chǎn)過程中存在大量的關鍵節(jié)點參數(shù)盲區(qū)[25]。這些問題可以通過圖像處理技術與中藥制造方法相結合來解決，如：使用圖像傳感器技術，通過光學成像系統(tǒng)收集中藥原料圖像數(shù)據(jù)，然后使用圖像采集卡將光學圖像轉換為可分析的數(shù)字圖像。由于制作中藥時需要注意不同類型的物料，因此圖像傳感器必須快速、靈敏且穩(wěn)定。而且在選擇圖像傳感器時，須考慮到客觀環(huán)境因素，如：布置傳感器在中藥生產(chǎn)過程中的位置，以及數(shù)據(jù)清洗對圖像數(shù)據(jù)質量的影響。

機器視覺主要是通過圖片來識別、判斷藥品品質的優(yōu)劣，對于小部分主要依靠氣味、質感等信息鑒別品質優(yōu)劣的藥物而言，嗅覺技術和觸覺感知技術的應用更為重要。周華英等[26]利用仿生嗅覺技術檢測不同產(chǎn)地枳殼氣味信息，建立的枳殼氣味指紋圖譜，為其質量檢測提供了思路；ZHANG H J等[27]利用電子眼和電子舌區(qū)分陳皮中的功能化合物——黃酮類化合物和精油成分在4種不同的膳食制備方法下的效率，為陳皮消費的有效飲食指導提供了重要依據(jù)。在中藥生產(chǎn)過程中，將圖像傳感技術成熟應用到實際過程中，不僅可以實現(xiàn)物料加工的信息化，還可以實現(xiàn)倉庫建設的三維建模，使中藥飲片加工過程實現(xiàn)數(shù)字化管理。

2.3 智能制藥的藥材質量檢測 在人工智能進行中藥飲片質量檢測方面，主要檢測手段一般分為“辨形”和“辨色”。侯青等[28]通過統(tǒng)計閾值分割后葉片中的氣孔數(shù)，為葉類中藥視覺檢測提供了有力支持；李震[29]提出結合藥材的紋理和顏色形狀等特征對檳榔、蒼術、地榆、甘草、黃芪5種飲片進行識別，可以達到98%的正確率；FATANIYA B等[30]通過圖像分割和特征提取，利用SVM算法對甘草和大黃兩種易混淆飲片進行辨別，取得了較好的分類效果。研究表明，中藥的紋理、色澤與其含有的有效成分息息相關，不同產(chǎn)地、采收期的藥材色澤差異可以通過視覺檢測技術明顯體現(xiàn)出來[31]。計算機視覺分析可以協(xié)調許多因素，如顏色、形狀和紋理，并且可以智能地代替人工勞動。用于傳統(tǒng)中藥制造業(yè)的大多數(shù)設備是電子儀表或指針儀表，須手動操作和記錄。人工智能和視覺技術，可以減少人工成本，避免人工讀數(shù)引起的錯誤，而且通過視覺技術檢測中藥生產(chǎn)裝備中的履帶，獲得各項視覺參數(shù)，可以實時監(jiān)視設備的運行狀況，為企業(yè)節(jié)省能源并防止事故發(fā)生。因此，人工智能技術適用于多種中藥的生產(chǎn)和檢測，可以彌補人工質檢的不足，保障員工安全，并實現(xiàn)產(chǎn)品質量的完全可追溯。

3 結語

傳統(tǒng)中藥制造業(yè)存在一系列問題有待解決，因此人工智能技術與中藥制造業(yè)的結合為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。2020年發(fā)布的《道地藥材匯編》對每一種道地藥材的歷史沿革、基原、道地產(chǎn)區(qū)、性狀鑒別等進行了梳理和界定，這在最基礎的層次上對中藥質量標準作了界定，為后續(xù)的智能化中藥制藥奠定了良好的基礎。目前，我國中藥智能制造的研究尚處于起步階段，仍需要大批專家和研究人員對該領域關注和研究。相關行業(yè)的從業(yè)人員也應進行規(guī)范化培訓，提高專業(yè)素質與水平。相關企業(yè)應在加強人才培育基礎上更新儀器設備，逐步實現(xiàn)從業(yè)人員專業(yè)化、儀器設備機械化、儀器設備智能化。中藥制造業(yè)應大力發(fā)展道地藥材生產(chǎn)基地，構建規(guī)范性的飲片培育基地，在現(xiàn)有的技術基礎上加強儀器的智能化、信息化改造，實現(xiàn)智能化制藥，保障中藥飲片質量，更好地服務于臨床，為人類健康事業(yè)做出貢獻。