一个中药分类理论模型的构建

王梓菡　黄虹宁　李斯盛　蓝欣宇　贾静钰

关键词：自动化；模拟建模；分选技术

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）03-0026-04

1 研究背景

1.1 项目的提出

在我国悠久的历史文化中，中医药一直是人们身心健康的保障，承载着华夏民族璀璨的文明。随着时代的发展，现代社会中医药领域依旧展现着勃勃的市场生机，其中中药复方疗法在疫情防控中发挥了重大作用，其中中药作用机制的科学阐释是国内外西医专家、分子生物学专家非常关注的[1]。但本项目在对市场调研中发现，患者取药时往往要通过值班医师手工抓药，这不仅有着极大的人工劳动成本，并且相比现代化技术有时间成本较大等问题。医院药房实现自动化、数字化管理也是发展的必然趋势[2-3]。因此，基于以上问题，本项目提出了一种较为新颖的中药打包理论模型。

1.2 国内外发展动态

1.2.1 国内发展

1） 原创性构思阶段，如1995年四川大学开发的“自动发药机与信息处理系统”（但自动化程度较低），2004年我国“863”计划中的智能化药房；2） 半自动化阶段，如深圳三九集团开发的“盒装药物自动售药机”，采用矩阵型布局出药器。三、结合国情设计和制造适合的自动化药房阶段，如原理为根据药品包装盒的参数将药品分配至自动发药机中，能一次性出库各种类型的药品的系统，通过计算机操作直接对接到门诊信息系统[4]。例如，浙江大学附属邵逸夫医院配备的自动发药机[5]。以及我国研究人员提出来一种新型自动化药房分拣机械手为保证大量快速出药，设计了整筐出药装置[6]。

1.2.2 国外发展

国外市场已有许多成熟的自动化药房投入使用，大体可以概括为以下几类：

（1） 机械手式自动化药房，以德国ROMA公司的自动化药房为代表，是由一只真空吸附与机械夹协调动作的机械手实现药品的出库、入库，可以实现药盒的密集存储与集中管理，但该技术效率低，无法出入库同时进行。

（2） 储药槽式自动化药房，如荷兰的Robopharma公司的储药槽式自动化药房，采用重力落料原理，将药盒侧立摆放与水平方向有一定倾角的储药槽中，储药槽前端装有出药动作机构，依靠动作机构控制出药量及种类，因此加工和控制成本较高。

（3） 适用于散装药品的自动化药房，例如英国Mis?sion公司的ScriptPro Robot系列自动化药房，采取机械手抓取标准塑料药瓶，实现药品的灌装，封口，贴标签等自动化。

（4） 数控回转柜式自动化药房，德国Hanel公司的产品是典型。将储药斗铰接在回转式的链路上，出药（储存）时储药斗按照计算机管理系统发出的指令回转到指令位，等待药剂师拿取（放入）[7]。

总体而言，国外技术发展较早，技术水平提升较快，发展至今已经趋于成熟与完善，值得我国借鉴学习。

2 研究内容

该新技术包括前端、识别、称重、传送、打包五个部分。医生通过前端输入所需中药，机器通过对中药的识别技术分别从中药储存设备中自动取出中药至传送带上至打包处进行中药打包。

运用Mysql实现中药数据库的模拟搭建，Java实现医生操作前端的模拟搭建，建模的平面以及运用skatch up实现立体化的模拟搭建。理论模型中主要包括抓取、称量以及配送和包装四个重要环节，该理论模型预计通过计算机逻辑加以程序的处理，采用全信息化识别药物、運用自动化技术完成抓取、选用高智能程序处理传递和打包，以实现新时代创新型高精度全效率中医药采配装一体化。

2.1 前期理论模型的搭建

2.1.1 中药识别

依据中药的质量以及形状将中药原料分为三个大类：质量大的中药（可依靠自身重力从出药口滑落）；质量较小的中药（需要依靠外力作用才能从出药口滑落）；粉末状的中药。设计了三款中药储存设备分别命名为重型存放盒、轻型存放盒、粉末型存放盒（图1）。

（1） 重型存放盒：中药储存于非平放、有一定角度的双层方形存放盒中。在上层中药存放盒下方为过滤网，用于过滤中药存放产生的中药渣，药渣通过过滤网掉落到下层的药渣存放盒中，减少无效中药药渣滑落出药口到患者手中的中药所占总中药的份额。在上层中药存放盒前端设置中药出药口，由于存放盒有一定角度非平放，质量大的中药依靠重力可通过出药口自动下落到打包装置上。其次在出药口附近设置搅拌器二次去除中药药渣将药渣过滤到下方的药渣存放盒中，同时对中药原料进行搅拌，防止中药堵塞出药口。

（2） 轻型存放盒：轻型存放盒与重型存放盒原理相同，但由于此类中药原料质量过小无法依靠自身重力掉落到包装装置中，项目拟定在装置的后端额外加入小型风扇，利用风力将质量小的中药吹出出药口，使其掉落到打包装置上。

（3） 粉末型存放盒：此类中药原料为粉末状，不存在存放中产生药渣的情况，所以使用单层中药储存盒，去除中药药渣储存盒。下方过滤网也去除改为正常的储存盒（依旧为非平放，有一定角度的储存盒），储存盒前端设置出药口，粉末状药品依靠重力下落到打包装置上。

中药分装的第一步就是要准确地识别出中药。现今科技随着发展，计算机技术已经可以区分形状各异的中药药材。使得中药自动分装成为可能性，现今的识别技术对于物体识别十分准确，由于部分中药原料产地不同、形状各异容易形成错判误判的现象。为了减少此类现象的发生，结合现今中药采取分类摆放的模式，将识图技术变为辅助工具用于记录和校对是否准确取拿药物，而拟定使用数据库系统来实现中药的识别。

第一是收集数据，收集出中药的数据，将中药分为重、轻及粉末状三类，将中药的数据保存于数据库系统中。

第二是数据与中药的对应，实现中药的识别。

第三是将中药原料按固定位置保存在设计好的中药储存装置中，将分类处理好的中药原料一一分类放入储存盒中等待计算机的指令。

2.1.2 中药称量

为了解决中药原料称重的问题：

（1） 首先结合数据库系统，调取数据库里的大数据，读取病人所需的药材。

（2） 再对每种药材分别进行称取，实现自动化取药。

由于药材的形状、大小等会给药材的切割带来一定困难，需要对不同的药材进行不同的预处理。例如将大块状的中药材提前切成片状等。由于中药取出后再测量精确度无法准确控制，拟定将质量测量装置安装在中药存放盒内，用于测量整个中药存放盒以及中药的质量（图2） 。

为了减少测量时由于出药口与称量处之间距离所带来的误差，拟定以出药前后的存放盒质量的差值来代替所需中药质量，这样一来就可以避免药品称量时由于开放出药口时间与称重中药的时间中的时间间隙引起的称重误差，（将设置一定范围的误差值）在称取完毕后由传送系统传送、打包、分装，最后传送至病人的手中。这样一来药品的测量称取将全程实现自动化。

2.1.3 中药传送及打包

项目的研究内容还包括中药传送和打包装置。中药传送，就是在接受计算机的中药药方指令后，中药的包装纸开始从传送带起始处出发，经过储存不同中药药材的存放装置（所有存放装置置于传送带一侧，存放装置出药口面向传送带），停留在所需药材存放装置下获取药材后再启动，最后到达打包处进行包装；打包装置，就是将最后打包处的中药包装纸和其中的药材进行封装，并打印出其中中药药材的名称、数量、药效、服用注意事项。

编写程序，程序主要的指令是根据药方中的药材指定开始和中途传送带每次启动后的运行时长，让中药包装纸到达不同存放装置下获取药材。在此过程中，要依据由近及远的原则，即中药包装纸先到达所需中药药材的存放装置中离出发处最近的，依次往远推进。这就需要在启动传送带之前，系统先对药方中的药材所在位置离出发处的距离长短（到达所需不同药材的存放装置所需时间长短）进行排序，然后再调用存储不同位置间运行时间的数据库检索数据、生成传送带运行任务：全程中传送带每次启动后的运行时长。

以上为前期拟定的理论模型。

2.2 理论模型模拟实现阶段

该项目于理论模拟的初步构建后进入理论模型模拟实现阶段。该阶段拟实现了模拟中药数据库的搭建、医生操作界面前端模拟搭建以及理论模型的模拟机器概念模型立体化构建。

该项目在模拟理论阶段着重考虑到机器的理论模型构建，在理论模型模拟实现阶段更加着重于理论模型模拟实现的细节内容的理论构建。

该项目在理论模型模拟实现初期收集共两百种常见的中药药材资料，将这两百种收集的中药药材信息分为该项目理论模型中所支持的三种中药药材类型—质量大、质量小以及粉末状中药。在收集并处理好的中药药材资料的基础上利用构建中药数据库，用于模拟医院所需的中药药材数据库。该项目在模拟搭建医院中药数据库时考虑到不同的人员操作权限的不同为该数据库设置了三种不用的权限设置，并且在已有模拟中药数据库的基础上再分别对质量大的、质量小的、粉状的中药分别建立模拟中药数据库。

在項目制作初期，项目的主要构成在于对器械的构建与其本身理论依据的探索，模型构建的操作并不在考虑范围之内，而在之后真正进行模型的模拟实现时，发现该项目实现需要与之对应的操作系统配合，才能较好地实现相应的功能，因此后期的制作中，作者创建并引入了该项目与之配套的“医用中药配取”操作系统，以此来体现其完整的功能，也为使之得到范围推广。

对于该操作系统的实现，项目采用了Eclipse平台，在这一可拓展开发平台结合JAVA与MySql的方式创建该项目的操作系统，实现了包括登记患者信息、病因和开具诊疗单的功能，诊疗单中的中药数据采用MySql储存并提取调用（图3） ，其中主要的功能是经自定义类以传统下拉框类为父类，继承其基本功能并加入筛选功能同时连接数据库。与此同时，数据由用户提取自数据库，进而在Java程序中建立数组变量以此储存来实现在用户界面以下拉框形式提取显示中药数据，并可以被用户筛选、点击，并将处方单传至后台，经由项目产品打包，等待患者提取。

该操作系统可以实现主治医师与本项目产品的人机交互，强化了本项目产品的功能应用，实现处方开具与药品打包的同时进行，为医护工作者的工作提供了便利，也极大地简化了患者就医流程。

其流程为医师通过诊断，完成对病患情况的了解，随后通过该操作系统连接中药数据库并开具诊疗单后交予后台程序，最后送至抓取系统处理完成对于开具药方的药物的抓取，打包后送至取药处由病患领取。

在实践阶段，选用Sketch up完成理论基础上的实体模拟搭建，以形象直观地展示本项目拟实现的中药存放装置。

该项目在模拟搭建模型时考虑到制造一个有倾斜角的储药盒十分麻烦，故将原模型的设计更改为储药盒平置并将其中的过滤网改为斜置（图4） 。

在模拟搭建阶段，选取面向计算机的视野方向为正方向，选择一定宽度的空白空间作为传送带的放置区域（注：3D模拟搭建对传送带的构造不予体现，以留白区域表示）。在传送带的左侧搭建分为两层的四个长方体装置作为轻质量中药存放空间；在传送带的右侧搭建分为两层的四个长方体装置作为重质量中药存放空间；在传送带的正上方搭建仅一层的四个长方体装置作为粉末状中药存放空间且用于衔接左右两侧八个长方体装置，即顶部长方体装置左下的宽与左侧上层长方体装置右上的宽衔接，顶部长方体装置右下的宽与左侧上层长方体装置左上的宽衔接。至此，完成了拟实现的中药存放装置的整体模拟搭建（图5） 。

在整体装置搭建完成的基础上，对存放轻质量中药、重质量中药、粉末状中药的装置进行内部处理。对于左右两侧的存放装置，拟在最外层的侧面裁剪出一个拱形输出口，同时拟在装置内部构建斜面平台，用于输出轻质量与重质量药材。对于存放轻质量中药的装置，拟在最里层的侧面添置风扇，以便更方便地将轻质量中药材送至传送带上。对于存放重质量中药的空间，不需要做特殊处理。而对于顶部的存放装置，拟在底面裁剪出一个圆形输出口，用于输出粉末状药材。至此，完成了拟实现的中药存放装置的内部模拟搭建。综上演示，完成了所研究项目的理论基础上的实体模拟搭建。

3 总结

随着现代医疗技术不断进步、人们生活质量的提高和传统中药文化的大力弘扬，越来越多的人更倾向于中药治疗调养，此理论模型能够帮助传统的中药处方抓药文化不断传承发展，正如国外有学者指出，中医理论包含若干诺贝尔奖级的问题，中国要获诺贝尔奖，最有希望的是中医药，中医将日益国际化[8]。中医只有主动迎接挑战，才能尽快实现中医药现代化[9]。

此理论模型在设置药物存储箱时，在药箱底部添加了过滤网来筛掉中药残渣，能够减少抓药过程中冗余药材的无效使用，保障患者的个人利益，满足患者的需求。

此理论模型使电子技术与机器硬件相结合，统一管理中药抓取的不同环节，致力于实现医院内部中药抓取的自动化和便捷化，为未来医院中药抓取的智能化发展提供经验。

信息化、智能化的抓药方式可以减少操作失误，同时，中药分选称重传送打包的整个过程干净整洁，操作便利，有利于优化药剂师的工作环境，方便医生工作，减少患者取药的等待时间，体现了科技服务人类的人文理念，促进社会医疗事业的发展与进步。