中藥研究信息化進程的階段分析

劉海波，王彥峰，彭勇*，黃璐琦，肖培根

(1.中國醫學科學院 藥用植物研究所,北京 100193；2.北京市科學技術情報研究所，北京 100044；3.中國中醫科學院 中藥研究所，北京 100700)

專 稿

中藥研究信息化進程的階段分析

劉海波1，王彥峰2，彭勇1*，黃璐琦3，肖培根1

(1.中國醫學科學院 藥用植物研究所,北京 100193；2.北京市科學技術情報研究所，北京 100044；3.中國中醫科學院 中藥研究所，北京 100700)

計算機作為一種高性能的數據存儲和分析工具被引入到現代中藥研究中，至今已經有二十多年的歷史。通過收集和整理過去二十年間中藥研究信息化領域的重要科技文獻，結合管理學中的諾蘭模型，分4階段對中藥研究信息化過程進行了階段性分析，分別是初始階段(1990至1997年)，成長階段(1998至2007年)，控制階段(2008至未來5到10年)，集成階段。以此為基礎對中藥研究信息化過程進行了簡要回顧，并對未來發展趨勢進行預測。

中藥研究；信息化；中藥信息學；諾蘭模型

1 中藥研究的信息化過程

中藥研究的信息化始于20世紀80年代末[1-3]，國內的醫院、大學和研究機構逐漸開始使用計算機和數據庫技術對中藥數據進行收集和管理[4-5]。由于中藥現代化事業的快速發展，在中藥藥理學、植物化學等實驗研究領域，各類數據迅速積累；同時，對中藥學文獻典籍的發掘和整理也取得了豐碩的成果，積累了大量文本資料。這些數據積累催生了對海量數據進行存儲和管理的需求，數據庫技術成為唯一的解決之道。在不到10年的時間里，各類中藥數據庫紛紛涌現，為中藥研究的數據管理和信息查詢提供了有力支持[6]。大量數據的積累也使總體層面上的數據挖掘和統計分析研究成為可能，數據挖掘、數據倉庫等信息技術逐漸被引入到對中藥作用機理和物質基礎的研究中來[7]。

21世紀以來，人類社會全面進入信息時代，數據驅動的創新研究成為科學技術發展的主流模式，“科學即數據，數據即科學”已成為人們的共識[8]。2002年11月國家頒布了中藥現代化發展的綱領性文件《中藥現代化發展綱要(2002年—2010年)》，明確將“建立中藥數據庫，收集中藥品種、產地、藥效等相關的數據”，作為中藥現代化發展的重點任務之一，極大的推動了中藥研究信息化的發展速度[9-10]。中藥信息學作為一門獨立學科，也在這一時期逐漸成形[11-12]。中藥信息學是一門以中藥數據為研究對象的學科，是中藥科學與信息科學相結合的產物[13-15]，是中藥研究信息化進程的嶄新階段。

近年來，在化學信息學和生物信息學蓬勃發展的帶動下，中藥信息學獲得了長足的發展，并受到學術界越來越多的關注[16-19]。目前中藥信息學已經具備了在中藥創新藥物研發的各個環節給予信息支持的能力(圖1)。借助分子對接、藥效團等化學信息學技術，可以對中藥活性成分進行尋靶研究，預測其可能的生物活性；對天然產物庫進行虛擬篩選，尋找先導化合物，進而通過構效關系研究指導結構優化和天然藥物開發[20]。數據挖掘技術是處理中藥海量典籍資源、文本數據的最有效工具，對數十萬中藥方劑的成分和藥效進行挖掘，從中獲得藥物配伍規律，幫助人們設計出對治療疾病的最佳方劑，提高新藥創制的成功率[7-21]。使用模糊數學方法探索中藥復方作用機制，指導中藥組方優化和新產品開發，可以達到“強化主效應，兼顧次效應，減少副效應”的效果[22]。基于中藥色譜、光譜、電泳和DNA等指紋圖譜數據庫展開的數據挖掘和模式識別研究，已在中藥品質鑒定、質量控制、資源開發等方面得到了廣泛的應用[23-24]。

圖1 信息學方法在中藥新藥研發中的作用

從中文科技期刊文獻的發表量來看，1997年之前，中藥信息研究領域的文獻數量基本上每年在5篇以下，1997年之后開始進入快速增長期。數據庫建設領域的文章出現的最早，并且一直是中藥信息學研究的主體，在2001～2008年間達到每年5～15篇的水平，2009年開始下降。綜述評論類文章體現了中藥信息學領域的受關注度和思想活躍程度，該類文章在1998年之后開始大量出現，一直保持每年10篇以上的數量。數據分析類研究需要有高質量的中藥數據資源支持，因此在2002年之后才開始出現，但是有一個比較快的增長速度，在中藥信息學研究中的比例也不斷加大。

2 諾蘭模型

諾蘭模型(Nolan Growth Model)是一種信息系統進化的階段發展模型。1974年，美國管理信息系統專家諾蘭在對200多家企業和組織機構發展信息系統的實踐進行總結后，提出了信息化的4階段發展模型。該模型主要針對一個新興的信息技術被引入企業后，企業信息化的進程和發展規律。該模型認為，任何組織由手工信息系統向以計算機為基礎的信息系統發展時，都存在著一條客觀的發展規律。例如，一家企業由于認識到計算機對提升勞動效率的作用，開始購買計算機，嘗試將公司辦公系統進行信息化改造。開始，企業由于對新技術不熟悉，投入較少，員工逐步學習和適應使用計算機的工作方式，這一階段稱為初始階段(Initial Stage)；之后，企業信息化投入轉入一個快速增長的階段，稱為成長階段(Growth Stage)；當企業的計算機數量達到一定程度之后，新購入計算機所產生的效益逐漸下降，企業管理者開始控制投入并著力提高現有計算機的產出效率，稱為控制階段(Control Stage)；第四階段，企業將已有的計算機系統通過有效集成的方式提高效益，稱為集成階段(Integration Stage)。

任何組織在實現以計算機為基礎的信息系統時都必須逐階段依次發展，不能實現跳躍式發展。因此，制訂發展規劃的過程中，首先要明確本單位當前處于哪一個增長階段，進而根據該階段特征來指導信息化建設。諾蘭模型雖然是對企業引入新技術的發展規律的總結，但在本質上是一個組織進行信息化改造的內在發展規律。因此，使用諾蘭模型研究中藥研究信息化進程中的規律是可行的。

3 中藥學信息化的階段分析

基于對中藥學信息研究領域的科技文獻分析，并結合諾蘭模型，我們將過去20年里中藥信息學的發展分為3個階段：初始階段(1990～1997年)；成長階段(1998～2007年)；控制階段(2008～現在)，下面分階段進行討論。

3.1 初始階段(1990～1997年)

在1997年之前，計算機在國內的普及率較低，計算機的存儲和計算性能也比較有限。因此，這一時期的中藥研究的信息化還處于初級階段，綜述性文獻主要以介紹國外在這一領域的發展狀況為主[1]。在這一時期，開始出現數據庫建設方面的研究[4-5,25]，建立的數據庫具備了基本的存儲、管理、檢索等功能，有的還配備了統計分析功能。但整體數量仍然較少，至1998年，國內初具規模的中醫藥數據庫僅有不到20個[6]，且主要是由圖書館、信息情報領域研究機構建立的，直接由中藥研究機構建立的數據庫數量較少。這一時期，出現的利用計算機進行中藥應用性研究，主要集中在生藥學分類和品質鑒定等方面[26-28]。這一階段為中藥研究體系信息化進程的開始階段，各單位在信息化方面投入較少，重視程度較低，研究人員多數持觀望態度。這一階段雖然產出較少，但卻為后期的快速發展做好了鋪墊。

3.2 成長階段(1998～2007年)

從1997年開始，中藥研究信息化的發展速度開始加快，一個顯著標志是各種類型中藥數據庫數量的快速增加。大規模建庫首先從各大醫院中開始，計算機和數據庫技術被引入醫院藥房的管理中，大型醫院紛紛建立自己的藥房的數據庫。藥劑科是否使用計算機管理成為醫院達到“三甲”水平的主要標志之一[29]，這種需求推動了實用型中藥數據庫的建設。

這一時期醫院藥房的中藥數據庫一般使用FOXBASE或者FOXPRO作為開發工具。中藥材數據庫作為一個模塊，與藥品總庫管理模塊、門診藥房管理模塊等其他醫院信息系統相集成[29-31]。中藥編碼方式是從醫院藥房數據庫建設中衍生出的重要研究方向。醫院開發的中藥編碼系統可以分為三類：第一類偏重于醫生開處方時快速錄入[32-33]；第二類側重于藥房分類管理[34]，第三類可用于中藥學信息的存儲。后兩類編碼系統多采用線性編碼，根據需求在特定的位置存儲不同的信息[34-35]，如藥品類別、功效、藥性、藥用部位、炮制方法、動植物分類學信息、價格信息、劑型，等。中藥房數據庫有實用性強，檢索速度快，便于使用等優點。不足之處是存儲信息量少，各醫院間的數據存儲格式不統一，彼此間比較難進行數據交換。有鑒于此，在2004年以后，中藥信息標準化方面的研究逐漸增多[18,36-37]。

在科研領域，中藥數據庫的建設呈遍地開花之勢。到2003年為止，國內主要中醫藥單位基本都建立了自己的數據庫，代表性的有：南京中醫藥大學編寫的《中華本草》和《中醫方劑大辭典》數據庫；中國醫學科學院藥用植物研究所的760味中藥數據庫；中國中醫研究院中醫藥信息研究所的中醫藥文獻庫、中醫藥成果數據庫；中國中醫研究院中藥研究所的中草藥數據庫；中國藥材公司的全國中藥材資源普查資料數據庫；國家醫藥管理局的中國藥學文摘數據庫；天津醫學情報所的中草藥數據庫；天津藥物研究院的中藥化學結構數據庫；北京中醫藥大學建立的中醫方劑數據庫；北京大學的ChineseHerbalDrugDatabase；國家專利局的中國傳統藥物專利數據庫等[38]。

由于中藥實驗研究的快速發展，大量實驗數據快速積累，各類中藥數據庫的個體規模也相應快速膨脹。中科院過程工程研究所周家駒研究員建立的中藥化學數據庫，1999年收集化合物6 808種，到2007年達到了23 033種[39-40]，中藥數據庫數據量的增長速度由此可見一斑(圖2)。

圖2 中藥化學數據庫數據量的增長情況

2000年開始，互聯網技術逐步引入中藥信息交流中來，網絡數據庫開始出現[41]。以“中醫藥在線”為代表的一批中醫藥網絡信息平臺開始涌現[42-43]。網絡數據庫對于使用者來說具有較高的時效性和便利性，管理者便于維護更新，也利于知識產權保護。因此，中藥數據庫由單機轉向網絡平臺是信息時代的大勢所趨。基于Web2.0技術的互動性中藥信息平臺也在近年開始出現。

這一階段綜述和論述性文章較多，標志著中藥信息化研究的受關注度和活躍度不斷提高。肖培根院士在2000年發表的《21世紀與中藥現代化》一文中，將中藥信息化定為21世紀我國中藥現代化發展戰略的7個關鍵課題之一[44]，這是中藥信息化工作第一次被提高到戰略層面進行討論。

2002年出現了基于海量中藥數據的應用性研究，該領域主要有3個研究熱點：1、數據挖掘研究；2、化學/生物信息學研究；3、中藥指紋圖譜研究。數據挖掘技術是2000年后逐漸發展起來一個熱門技術，用于對海量數據的分析和利用，從中發現新規律。該技術引入到中藥信息學研究中，主要有中藥傳統藥效的研究、組方配伍研究、中藥文獻的文本挖掘等方向，是目前最活躍的一個研究領域，并取得了諸多可喜的成果[14,45-46]。化學/生物信息學近年發展速度非常快，化學信息學(計算機輔助藥物設計)目前已經建立了堅實的理論基礎，形成了成熟的研究路線，并有強大的軟件支持。將化學信息學方法與中藥研究相結合，可以在中藥天然產物數據庫建設、中藥物質基礎、作用機理研究等方面提供有力的支持。生物信息學方法目前主要用于中藥的生物標記等研究。中藥指紋圖譜是中藥特有一種數據類型，目前已經建立了很多指紋圖譜數據庫，在中藥質量控制、組效關系研究方面有廣闊的應用前景[47-48]。

中藥信息化的成長階段有如下特點：(1)信息技術應用范圍不斷擴大，研究人員相信新技術能夠對中藥學的現代化研究產生推動作用；(2)對信息化建設的投入產出比并沒有明確的考量方法，因此缺少理性控制；(3)對數據建設的實用性缺少評估，數據建設往往不考慮應用前景，資源閑置和重復建設等現象比較普遍。很多中藥數據庫是為完成項目而建庫，甚至為建庫而建庫。建庫前只考慮建設的可行性，不考慮數據的可維護性和可利用性，因此形成了很多“信息孤島”[49]。已建成的數據庫資源到底在多大程度上對中藥學術研究和產業發展產生了推動作用，這也是一個值得懷疑的問題。

這一階段形成了一支專門從事中藥信息學研究的科研隊伍，但是中藥信息學研究者與實驗研究者之間還缺乏有效的溝通，所取得的成果多數只具有參考價值，很少能直接指導實驗研究的方向。

3.3 控制階段(2008～現在)

2008年之后，中藥數據庫建設的文獻有減少的趨勢，這主要有兩方面的原因：第一，由于計算機和數據庫技術的普及，建立數據庫的技術門檻已經消失殆盡，建立新的數據庫不再具有學術或者技術上的創新性，因此科研領域的積極性減小了；第二，由于馬太效應，前期建立的數據庫在吸引國家科研資金投入和公共關注度方面占據了絕對的優勢，后期建立的數據庫很難與其抗衡，因此新建庫數量下降。中藥數據庫總體數量的減少和單庫規模的擴大，對中藥信息學的發展是一件好事，減少了重復建設，提高了現有數據的利用率。同時，這個趨勢也意味著中藥研究信息化進程的發展進入了第三個階段：控制階段。

中藥研究信息化進程的控制階段剛剛開始，發展趨勢還不明顯。目前已經可以看到的是基于大量數據的應用性研究迅速增加，可能在3～5年內成為中藥信息學研究的主體。中藥數據存儲格式的標準化研究也越來越受到重視。在前期，特別是2000年之前，中藥數據存儲的理論基礎工作還不完善。雖然有《中醫藥學主題詞表》等標準出版，但應用的范圍比較有限[18]。沒有一套完善的、科學的詞表作為基礎，很多數據庫匆促上馬，導致各單位中醫藥數據庫彼此間的數據交流無從談起。此類問題需要總體統籌，召集具備深厚的中醫理論基礎背景的中醫藥專家、醫學信息學專家、信息學專家參與，共同解決。

4 未來發展

信息技術引入中藥學研究的20年時間里，已經完成了諾蘭模型中前兩個階段的發展，目前進入了第三階段。這個階段可能需要5～10年左右的時間。在這個階段中，中藥數據庫建設仍然會以單庫規模擴大和整體數量下降的勢頭發展，一些旗艦型綜合數據平臺將出現。中藥數據庫的設計和建設由重視數據的收集和占有，轉向重視數據的利用和交流，這也是所有專業數據庫的共同趨勢。數據庫的設計更為開放，由規模主導轉向效益主導，這一點與計算機軟件行業的由“面向對象”向“面向服務”的發展趨勢相一致。在應用領域，目前的三個研究方向將會進一步發展，建立學科特有的研究方法體系[50]，進而成為單獨的學科。現有數據庫資源進一步整合，加強服務于數據挖掘研究的數據資源建設[51]，促進中藥信息學方法在中藥新藥創制中的應用。

在中藥研究信息化的第四階段，現有的信息系統完成整合，從支持單項應用發展成為在網絡技術、云技術、移動計算等新型IT技術支持下的綜合應用。整個中藥研究體系完全移植到中藥信息平臺上，信息資源的效用得到充分發揮。整個中藥信息學體系以文獻、組方、中藥、活性成分、靶點、生物信息等數據為核心，同時向外擴展出植物學、專利、商貿等多個外部庫。各類信息由不同研究機構負責維護，彼此以通用數據協議相互調用，用戶由一個入口就可以獲得所需的所有相關信息。在一項研究開始前，首先通過科技文獻和專利數據庫進行背景研究，之后通過數據挖掘方法尋找可能的創新點，使用虛擬篩選技術縮小研究范圍，以模擬技術預測實驗結果，最后通過實驗驗證預測結果。

5 結語

中藥研究的信息化是一個長期的進程：首先是研究人員情報信息獲取方式的轉變，通過建立大量的中藥數據庫滿足科研人員信息檢索需要；之后，轉向研究手段的信息化和新方法的開發，數據挖掘技術、指紋圖譜技術、化學和生物信息學技術被引入中藥研究中來；這一進程的最終目標必然是中藥研究思想和工作模式的轉化：由經驗性和偶然性驅動的研究模式，向由理性和知識驅動的研究模式過渡。中藥研究的信息化在特定的歷史背景中產生，并遵循客觀的發展規律。認清這一規律，有助于科研人員把握未來的方向，在方法學上取得事半功倍的效果。

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StageAnalysisontheProgressofTCMResearch’sInformatization

LIU Hai-bo1,WANG Yan-feng2,PENG Yong1,HUANG Lu-qi3,XIAO Pei-gen1

(1.InstituteofMedicinalPlantDevelopment,ChineseAcademyofMedicalSciences,Beijing100193,China2.BeijingInstituteofScienceandTechnologyInformation,Beijing100044,China3.InstituteofChineseMateriaMedica,ChinaAcademyofChineseMedicalSciences,Beijing100700,China)

As a type of high-performance equipment for data storage and utilization, computer has been introduced into the modernization of Traditional Chinese Medicine(TCM)research for 20 years.In this study,we systematically collected and filed the published paper in the field of TCM informatization in the past two decades.Nolan growth model,a well-accepted stage rule in management science,was employed in the analysis on the 4 stages of the progress of TCM informatization,including Initial Stage(1990～1997),Growth Stage(1998～2007),Control Stage(2008～5～10 years in the future),and Integration Stage.Also,the history of TCM informatization was briefly reviewed,and the trend was outlined.

TCM research; Informatization; TCM informatics; Nolan growth model

*

彭勇，E-mail：ypeng@implad.ac.cn

2012-08-10)