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(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410208）

中藥傳統(tǒng)制造主要是指依靠傳統(tǒng)中藥炮制技術(shù)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(guó)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(fù)雜，因此在中國(guó)傳統(tǒng)制藥行業(yè)占據(jù)重要地位[1]。隨著高新技術(shù)的發(fā)展，與人工智能相結(jié)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(shè)備和飲片質(zhì)量問題及相關(guān)人才缺失現(xiàn)象，探討中藥飲片生產(chǎn)與人工智能結(jié)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(guó)傳統(tǒng)文化的絢麗瑰寶，其中蘊(yùn)含著大量可創(chuàng)新及與現(xiàn)代社會(huì)接軌的節(jié)點(diǎn)。近年來，隨著“健康中國(guó)”戰(zhàn)略模式的迅速發(fā)展，以及為促進(jìn)中國(guó)醫(yī)療產(chǎn)業(yè)更好、更快發(fā)展戰(zhàn)略的出臺(tái)，中國(guó)醫(yī)療產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)了新的發(fā)展機(jī)遇。與此同時(shí)，與中藥行業(yè)息息相關(guān)的傳統(tǒng)中藥制造行業(yè)受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，如資源配置高度分散，產(chǎn)品質(zhì)量影響因素眾多，自動(dòng)化生產(chǎn)困難重重，以及需求個(gè)體差異較大等諸多問題有待解決。為實(shí)現(xiàn)中藥產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展，推動(dòng)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(chǔ)。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(duì)湯劑的質(zhì)量有決定性作用。目前，中藥生產(chǎn)環(huán)節(jié)存在質(zhì)量問題[2-6]，針對(duì)這些問題，國(guó)內(nèi)學(xué)者已開展廣泛探討，主要集中在中藥飲片質(zhì)量監(jiān)管及標(biāo)準(zhǔn)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(guān)的統(tǒng)計(jì)分析，隨著中藥市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，中藥飲片的需求持續(xù)增長(zhǎng)，但目前中藥的來源更多地來自人工種植，導(dǎo)致了中藥品質(zhì)的下降[17]。此外，中藥飲片的質(zhì)量很大程度上取決于中藥的炮制技術(shù)，中藥炮制人員缺乏專業(yè)知識(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)凈制不到位，飲片切制不合格，炮制方法錯(cuò)誤等一系列問題，導(dǎo)致飲片質(zhì)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(guó)藥典》規(guī)定葶藶子的炮制標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)和深厚的專業(yè)知識(shí)。因此，要實(shí)現(xiàn)中醫(yī)藥事業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，需要從根源上解決中藥飲片在生產(chǎn)質(zhì)量上的諸多問題。

1.2 生產(chǎn)設(shè)備 如今，我國(guó)傳統(tǒng)制藥業(yè)發(fā)展緩慢，大多數(shù)企業(yè)自動(dòng)化水平有限，處在標(biāo)準(zhǔn)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(duì)簡(jiǎn)單的電子儀表或指針式儀表。這些設(shè)備的自動(dòng)化程度和標(biāo)準(zhǔn)化程度相對(duì)較低，需要手動(dòng)操作和手動(dòng)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(shí)間較長(zhǎng)，存在著占地面積不足、原設(shè)計(jì)生產(chǎn)流程和布局不合理、部分廠房和設(shè)施陳舊等情況。此外，凈化空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行記錄不完整、地磅校驗(yàn)證書更新不及時(shí)、自動(dòng)包裝機(jī)儀表校驗(yàn)不及時(shí)、檢測(cè)數(shù)據(jù)未及時(shí)審核、部分檢測(cè)工具損壞未及時(shí)修理等問題也有待解決。同時(shí)，中藥制藥行業(yè)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化問題有待解決，而且藥品質(zhì)量參差不齊，不同企業(yè)的制藥設(shè)備性能差異較明顯[20]。

1.3 技術(shù)人才 為了保證中藥飲片質(zhì)量和從業(yè)人員專業(yè)素質(zhì)的提高，在中藥的栽培、采購(gòu)、加工及檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)均需要專業(yè)人員參與到整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中，同時(shí)這也是解決中藥飲片質(zhì)量參差不齊的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的中藥生產(chǎn)陷入了“后繼乏人，后繼乏術(shù)”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(shí)缺乏，限制了工業(yè)質(zhì)量的提高。此外，中藥加工已從傳統(tǒng)的師承制度轉(zhuǎn)變?yōu)橐栽鷮?shí)理論背景為基礎(chǔ)的高等教育制度指導(dǎo)的教育模式[21]。后者雖較前者有更廣闊的知識(shí)面和扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，但相對(duì)傳統(tǒng)而言缺乏實(shí)踐。實(shí)際上，畢業(yè)后從事相關(guān)職業(yè)的人數(shù)也相對(duì)較少。此外，中國(guó)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(dǎo)致業(yè)內(nèi)缺乏具有工匠精神的專家。資料顯示，目前我國(guó)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(yàn)和出色的處理技術(shù)無法得到有效傳承。這使某些實(shí)用的炮制技術(shù)陷入了失傳的困境。

2 結(jié)合人工智能的中藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展預(yù)期

隨著信息社會(huì)的到來，人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程處理功能及算法更新，以及計(jì)算機(jī)硬件創(chuàng)新，將先進(jìn)的人工智能技術(shù)與中藥傳統(tǒng)的制藥業(yè)相結(jié)合已成為必然的發(fā)展趨勢(shì)。中藥智能制造借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、傳感器技術(shù)、深度學(xué)習(xí)等信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)了信息化與工業(yè)化的深度結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了人工智能與傳統(tǒng)中藥制藥的完美結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程中對(duì)原材料、工作人員和生產(chǎn)流程的實(shí)時(shí)監(jiān)督和生產(chǎn)設(shè)備的智能化調(diào)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(dòng)中藥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

圖1 人工智能技術(shù)在中藥制藥人員管理中的應(yīng)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(guān)鍵技術(shù)規(guī)范研究”被國(guó)家中醫(yī)藥管理局批準(zhǔn)。中藥原產(chǎn)地加工具有鮮明的優(yōu)勢(shì)，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(yùn)輸和儲(chǔ)存。而且對(duì)于質(zhì)地較硬的藥材，與干燥處理后再經(jīng)潤(rùn)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(jié)合起來，通過加工炮制設(shè)備、機(jī)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(zhì)。

2.2 智能制藥的“視”“嗅”結(jié)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(gè)過程存在著大量的知識(shí)運(yùn)用和以人為主體單位的信息傳導(dǎo)。分段式技藝布局形成的信息割裂使得大部分?jǐn)?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(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程，生產(chǎn)過程中存在大量的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)參數(shù)盲區(qū)[25]。這些問題可以通過圖像處理技術(shù)與中藥制造方法相結(jié)合來解決，如：使用圖像傳感器技術(shù)，通過光學(xué)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(xué)圖像轉(zhuǎn)換為可分析的數(shù)字圖像。由于制作中藥時(shí)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(shí)，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(duì)圖像數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響。

機(jī)器視覺主要是通過圖片來識(shí)別、判斷藥品品質(zhì)的優(yōu)劣，對(duì)于小部分主要依靠氣味、質(zhì)感等信息鑒別品質(zhì)優(yōu)劣的藥物而言，嗅覺技術(shù)和觸覺感知技術(shù)的應(yīng)用更為重要。周華英等[26]利用仿生嗅覺技術(shù)檢測(cè)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(zhì)量檢測(cè)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(fèi)的有效飲食指導(dǎo)提供了重要依據(jù)。在中藥生產(chǎn)過程中，將圖像傳感技術(shù)成熟應(yīng)用到實(shí)際過程中，不僅可以實(shí)現(xiàn)物料加工的信息化，還可以實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫建設(shè)的三維建模，使中藥飲片加工過程實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理。

2.3 智能制藥的藥材質(zhì)量檢測(cè) 在人工智能進(jìn)行中藥飲片質(zhì)量檢測(cè)方面，主要檢測(cè)手段一般分為“辨形”和“辨色”。侯青等[28]通過統(tǒng)計(jì)閾值分割后葉片中的氣孔數(shù)，為葉類中藥視覺檢測(cè)提供了有力支持；李震[29]提出結(jié)合藥材的紋理和顏色形狀等特征對(duì)檳榔、蒼術(shù)、地榆、甘草、黃芪5種飲片進(jìn)行識(shí)別，可以達(dá)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(duì)甘草和大黃兩種易混淆飲片進(jìn)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(guān)，不同產(chǎn)地、采收期的藥材色澤差異可以通過視覺檢測(cè)技術(shù)明顯體現(xiàn)出來[31]。計(jì)算機(jī)視覺分析可以協(xié)調(diào)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(dòng)。用于傳統(tǒng)中藥制造業(yè)的大多數(shù)設(shè)備是電子儀表或指針儀表，須手動(dòng)操作和記錄。人工智能和視覺技術(shù)，可以減少人工成本，避免人工讀數(shù)引起的錯(cuò)誤，而且通過視覺技術(shù)檢測(cè)中藥生產(chǎn)裝備中的履帶，獲得各項(xiàng)視覺參數(shù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)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(shù)適用于多種中藥的生產(chǎn)和檢測(cè)，可以彌補(bǔ)人工質(zhì)檢的不足，保障員工安全，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的完全可追溯。

3 結(jié)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(shù)與中藥制造業(yè)的結(jié)合為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。2020年發(fā)布的《道地藥材匯編》對(duì)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(jìn)行了梳理和界定，這在最基礎(chǔ)的層次上對(duì)中藥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)作了界定，為后續(xù)的智能化中藥制藥奠定了良好的基礎(chǔ)。目前，我國(guó)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(duì)該領(lǐng)域關(guān)注和研究。相關(guān)行業(yè)的從業(yè)人員也應(yīng)進(jìn)行規(guī)范化培訓(xùn)，提高專業(yè)素質(zhì)與水平。相關(guān)企業(yè)應(yīng)在加強(qiáng)人才培育基礎(chǔ)上更新儀器設(shè)備，逐步實(shí)現(xiàn)從業(yè)人員專業(yè)化、儀器設(shè)備機(jī)械化、儀器設(shè)備智能化。中藥制造業(yè)應(yīng)大力發(fā)展道地藥材生產(chǎn)基地，構(gòu)建規(guī)范性的飲片培育基地，在現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)上加強(qiáng)儀器的智能化、信息化改造，實(shí)現(xiàn)智能化制藥，保障中藥飲片質(zhì)量，更好地服務(wù)于臨床，為人類健康事業(yè)做出貢獻(xiàn)。