王梓菡　黃虹寧　李斯盛　藍(lán)欣宇　賈靜鈺

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化；模擬建模；分選技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）03-0026-04

1 研究背景

1.1 項(xiàng)目的提出

在我國(guó)悠久的歷史文化中，中醫(yī)藥一直是人們身心健康的保障，承載著華夏民族璀璨的文明。隨著時(shí)代的發(fā)展，現(xiàn)代社會(huì)中醫(yī)藥領(lǐng)域依舊展現(xiàn)著勃勃的市場(chǎng)生機(jī)，其中中藥復(fù)方療法在疫情防控中發(fā)揮了重大作用，其中中藥作用機(jī)制的科學(xué)闡釋是國(guó)內(nèi)外西醫(yī)專家、分子生物學(xué)專家非常關(guān)注的[1]。但本項(xiàng)目在對(duì)市場(chǎng)調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，患者取藥時(shí)往往要通過(guò)值班醫(yī)師手工抓藥，這不僅有著極大的人工勞動(dòng)成本，并且相比現(xiàn)代化技術(shù)有時(shí)間成本較大等問(wèn)題。醫(yī)院藥房實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、數(shù)字化管理也是發(fā)展的必然趨勢(shì)[2-3]。因此，基于以上問(wèn)題，本項(xiàng)目提出了一種較為新穎的中藥打包理論模型。

1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài)

1.2.1 國(guó)內(nèi)發(fā)展

1） 原創(chuàng)性構(gòu)思階段，如1995年四川大學(xué)開發(fā)的“自動(dòng)發(fā)藥機(jī)與信息處理系統(tǒng)”（但自動(dòng)化程度較低），2004年我國(guó)“863”計(jì)劃中的智能化藥房；2） 半自動(dòng)化階段，如深圳三九集團(tuán)開發(fā)的“盒裝藥物自動(dòng)售藥機(jī)”，采用矩陣型布局出藥器。三、結(jié)合國(guó)情設(shè)計(jì)和制造適合的自動(dòng)化藥房階段，如原理為根據(jù)藥品包裝盒的參數(shù)將藥品分配至自動(dòng)發(fā)藥機(jī)中，能一次性出庫(kù)各種類型的藥品的系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)操作直接對(duì)接到門診信息系統(tǒng)[4]。例如，浙江大學(xué)附屬邵逸夫醫(yī)院配備的自動(dòng)發(fā)藥機(jī)[5]。以及我國(guó)研究人員提出來(lái)一種新型自動(dòng)化藥房分揀機(jī)械手為保證大量快速出藥，設(shè)計(jì)了整筐出藥裝置[6]。

1.2.2 國(guó)外發(fā)展

國(guó)外市場(chǎng)已有許多成熟的自動(dòng)化藥房投入使用，大體可以概括為以下幾類：

（1） 機(jī)械手式自動(dòng)化藥房，以德國(guó)ROMA公司的自動(dòng)化藥房為代表，是由一只真空吸附與機(jī)械夾協(xié)調(diào)動(dòng)作的機(jī)械手實(shí)現(xiàn)藥品的出庫(kù)、入庫(kù)，可以實(shí)現(xiàn)藥盒的密集存儲(chǔ)與集中管理，但該技術(shù)效率低，無(wú)法出入庫(kù)同時(shí)進(jìn)行。

（2） 儲(chǔ)藥槽式自動(dòng)化藥房，如荷蘭的Robopharma公司的儲(chǔ)藥槽式自動(dòng)化藥房，采用重力落料原理，將藥盒側(cè)立擺放與水平方向有一定傾角的儲(chǔ)藥槽中，儲(chǔ)藥槽前端裝有出藥動(dòng)作機(jī)構(gòu)，依靠動(dòng)作機(jī)構(gòu)控制出藥量及種類，因此加工和控制成本較高。

（3） 適用于散裝藥品的自動(dòng)化藥房，例如英國(guó)Mis?sion公司的ScriptPro Robot系列自動(dòng)化藥房，采取機(jī)械手抓取標(biāo)準(zhǔn)塑料藥瓶，實(shí)現(xiàn)藥品的灌裝，封口，貼標(biāo)簽等自動(dòng)化。

（4） 數(shù)控回轉(zhuǎn)柜式自動(dòng)化藥房，德國(guó)Hanel公司的產(chǎn)品是典型。將儲(chǔ)藥斗鉸接在回轉(zhuǎn)式的鏈路上，出藥（儲(chǔ)存）時(shí)儲(chǔ)藥斗按照計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)發(fā)出的指令回轉(zhuǎn)到指令位，等待藥劑師拿取（放入）[7]。

總體而言，國(guó)外技術(shù)發(fā)展較早，技術(shù)水平提升較快，發(fā)展至今已經(jīng)趨于成熟與完善，值得我國(guó)借鑒學(xué)習(xí)。

2 研究?jī)?nèi)容

該新技術(shù)包括前端、識(shí)別、稱重、傳送、打包五個(gè)部分。醫(yī)生通過(guò)前端輸入所需中藥，機(jī)器通過(guò)對(duì)中藥的識(shí)別技術(shù)分別從中藥儲(chǔ)存設(shè)備中自動(dòng)取出中藥至傳送帶上至打包處進(jìn)行中藥打包。

運(yùn)用Mysql實(shí)現(xiàn)中藥數(shù)據(jù)庫(kù)的模擬搭建，Java實(shí)現(xiàn)醫(yī)生操作前端的模擬搭建，建模的平面以及運(yùn)用skatch up實(shí)現(xiàn)立體化的模擬搭建。理論模型中主要包括抓取、稱量以及配送和包裝四個(gè)重要環(huán)節(jié)，該理論模型預(yù)計(jì)通過(guò)計(jì)算機(jī)邏輯加以程序的處理，采用全信息化識(shí)別藥物、運(yùn)用自動(dòng)化技術(shù)完成抓取、選用高智能程序處理傳遞和打包，以實(shí)現(xiàn)新時(shí)代創(chuàng)新型高精度全效率中醫(yī)藥采配裝一體化。

2.1 前期理論模型的搭建

2.1.1 中藥識(shí)別

依據(jù)中藥的質(zhì)量以及形狀將中藥原料分為三個(gè)大類：質(zhì)量大的中藥（可依靠自身重力從出藥口滑落）；質(zhì)量較小的中藥（需要依靠外力作用才能從出藥口滑落）；粉末狀的中藥。設(shè)計(jì)了三款中藥儲(chǔ)存設(shè)備分別命名為重型存放盒、輕型存放盒、粉末型存放盒（圖1）。

（1） 重型存放盒：中藥儲(chǔ)存于非平放、有一定角度的雙層方形存放盒中。在上層中藥存放盒下方為過(guò)濾網(wǎng)，用于過(guò)濾中藥存放產(chǎn)生的中藥渣，藥渣通過(guò)過(guò)濾網(wǎng)掉落到下層的藥渣存放盒中，減少無(wú)效中藥藥渣滑落出藥口到患者手中的中藥所占總中藥的份額。在上層中藥存放盒前端設(shè)置中藥出藥口，由于存放盒有一定角度非平放，質(zhì)量大的中藥依靠重力可通過(guò)出藥口自動(dòng)下落到打包裝置上。其次在出藥口附近設(shè)置攪拌器二次去除中藥藥渣將藥渣過(guò)濾到下方的藥渣存放盒中，同時(shí)對(duì)中藥原料進(jìn)行攪拌，防止中藥堵塞出藥口。

（2） 輕型存放盒：輕型存放盒與重型存放盒原理相同，但由于此類中藥原料質(zhì)量過(guò)小無(wú)法依靠自身重力掉落到包裝裝置中，項(xiàng)目擬定在裝置的后端額外加入小型風(fēng)扇，利用風(fēng)力將質(zhì)量小的中藥吹出出藥口，使其掉落到打包裝置上。

（3） 粉末型存放盒：此類中藥原料為粉末狀，不存在存放中產(chǎn)生藥渣的情況，所以使用單層中藥儲(chǔ)存盒，去除中藥藥渣儲(chǔ)存盒。下方過(guò)濾網(wǎng)也去除改為正常的儲(chǔ)存盒（依舊為非平放，有一定角度的儲(chǔ)存盒），儲(chǔ)存盒前端設(shè)置出藥口，粉末狀藥品依靠重力下落到打包裝置上。

中藥分裝的第一步就是要準(zhǔn)確地識(shí)別出中藥?，F(xiàn)今科技隨著發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)可以區(qū)分形狀各異的中藥藥材。使得中藥自動(dòng)分裝成為可能性，現(xiàn)今的識(shí)別技術(shù)對(duì)于物體識(shí)別十分準(zhǔn)確，由于部分中藥原料產(chǎn)地不同、形狀各異容易形成錯(cuò)判誤判的現(xiàn)象。為了減少此類現(xiàn)象的發(fā)生，結(jié)合現(xiàn)今中藥采取分類擺放的模式，將識(shí)圖技術(shù)變?yōu)檩o助工具用于記錄和校對(duì)是否準(zhǔn)確取拿藥物，而擬定使用數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)中藥的識(shí)別。

第一是收集數(shù)據(jù)，收集出中藥的數(shù)據(jù)，將中藥分為重、輕及粉末狀三類，將中藥的數(shù)據(jù)保存于數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中。

第二是數(shù)據(jù)與中藥的對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)中藥的識(shí)別。

第三是將中藥原料按固定位置保存在設(shè)計(jì)好的中藥儲(chǔ)存裝置中，將分類處理好的中藥原料一一分類放入儲(chǔ)存盒中等待計(jì)算機(jī)的指令。

2.1.2 中藥稱量

為了解決中藥原料稱重的問(wèn)題：

（1） 首先結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，調(diào)取數(shù)據(jù)庫(kù)里的大數(shù)據(jù)，讀取病人所需的藥材。

（2） 再對(duì)每種藥材分別進(jìn)行稱取，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化取藥。

由于藥材的形狀、大小等會(huì)給藥材的切割帶來(lái)一定困難，需要對(duì)不同的藥材進(jìn)行不同的預(yù)處理。例如將大塊狀的中藥材提前切成片狀等。由于中藥取出后再測(cè)量精確度無(wú)法準(zhǔn)確控制，擬定將質(zhì)量測(cè)量裝置安裝在中藥存放盒內(nèi)，用于測(cè)量整個(gè)中藥存放盒以及中藥的質(zhì)量（圖2） 。

為了減少測(cè)量時(shí)由于出藥口與稱量處之間距離所帶來(lái)的誤差，擬定以出藥前后的存放盒質(zhì)量的差值來(lái)代替所需中藥質(zhì)量，這樣一來(lái)就可以避免藥品稱量時(shí)由于開放出藥口時(shí)間與稱重中藥的時(shí)間中的時(shí)間間隙引起的稱重誤差，（將設(shè)置一定范圍的誤差值）在稱取完畢后由傳送系統(tǒng)傳送、打包、分裝，最后傳送至病人的手中。這樣一來(lái)藥品的測(cè)量稱取將全程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

2.1.3 中藥傳送及打包

項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容還包括中藥傳送和打包裝置。中藥傳送，就是在接受計(jì)算機(jī)的中藥藥方指令后，中藥的包裝紙開始從傳送帶起始處出發(fā)，經(jīng)過(guò)儲(chǔ)存不同中藥藥材的存放裝置（所有存放裝置置于傳送帶一側(cè)，存放裝置出藥口面向傳送帶），停留在所需藥材存放裝置下獲取藥材后再啟動(dòng)，最后到達(dá)打包處進(jìn)行包裝；打包裝置，就是將最后打包處的中藥包裝紙和其中的藥材進(jìn)行封裝，并打印出其中中藥藥材的名稱、數(shù)量、藥效、服用注意事項(xiàng)。

編寫程序，程序主要的指令是根據(jù)藥方中的藥材指定開始和中途傳送帶每次啟動(dòng)后的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，讓中藥包裝紙到達(dá)不同存放裝置下獲取藥材。在此過(guò)程中，要依據(jù)由近及遠(yuǎn)的原則，即中藥包裝紙先到達(dá)所需中藥藥材的存放裝置中離出發(fā)處最近的，依次往遠(yuǎn)推進(jìn)。這就需要在啟動(dòng)傳送帶之前，系統(tǒng)先對(duì)藥方中的藥材所在位置離出發(fā)處的距離長(zhǎng)短（到達(dá)所需不同藥材的存放裝置所需時(shí)間長(zhǎng)短）進(jìn)行排序，然后再調(diào)用存儲(chǔ)不同位置間運(yùn)行時(shí)間的數(shù)據(jù)庫(kù)檢索數(shù)據(jù)、生成傳送帶運(yùn)行任務(wù)：全程中傳送帶每次啟動(dòng)后的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)。

以上為前期擬定的理論模型。

2.2 理論模型模擬實(shí)現(xiàn)階段

該項(xiàng)目于理論模擬的初步構(gòu)建后進(jìn)入理論模型模擬實(shí)現(xiàn)階段。該階段擬實(shí)現(xiàn)了模擬中藥數(shù)據(jù)庫(kù)的搭建、醫(yī)生操作界面前端模擬搭建以及理論模型的模擬機(jī)器概念模型立體化構(gòu)建。

該項(xiàng)目在模擬理論階段著重考慮到機(jī)器的理論模型構(gòu)建，在理論模型模擬實(shí)現(xiàn)階段更加著重于理論模型模擬實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)內(nèi)容的理論構(gòu)建。

該項(xiàng)目在理論模型模擬實(shí)現(xiàn)初期收集共兩百種常見的中藥藥材資料，將這兩百種收集的中藥藥材信息分為該項(xiàng)目理論模型中所支持的三種中藥藥材類型—質(zhì)量大、質(zhì)量小以及粉末狀中藥。在收集并處理好的中藥藥材資料的基礎(chǔ)上利用構(gòu)建中藥數(shù)據(jù)庫(kù)，用于模擬醫(yī)院所需的中藥藥材數(shù)據(jù)庫(kù)。該項(xiàng)目在模擬搭建醫(yī)院中藥數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)考慮到不同的人員操作權(quán)限的不同為該數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)置了三種不用的權(quán)限設(shè)置，并且在已有模擬中藥數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上再分別對(duì)質(zhì)量大的、質(zhì)量小的、粉狀的中藥分別建立模擬中藥數(shù)據(jù)庫(kù)。

在項(xiàng)目制作初期，項(xiàng)目的主要構(gòu)成在于對(duì)器械的構(gòu)建與其本身理論依據(jù)的探索，模型構(gòu)建的操作并不在考慮范圍之內(nèi)，而在之后真正進(jìn)行模型的模擬實(shí)現(xiàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)需要與之對(duì)應(yīng)的操作系統(tǒng)配合，才能較好地實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，因此后期的制作中，作者創(chuàng)建并引入了該項(xiàng)目與之配套的“醫(yī)用中藥配取”操作系統(tǒng)，以此來(lái)體現(xiàn)其完整的功能，也為使之得到范圍推廣。

對(duì)于該操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，項(xiàng)目采用了Eclipse平臺(tái)，在這一可拓展開發(fā)平臺(tái)結(jié)合JAVA與MySql的方式創(chuàng)建該項(xiàng)目的操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了包括登記患者信息、病因和開具診療單的功能，診療單中的中藥數(shù)據(jù)采用MySql儲(chǔ)存并提取調(diào)用（圖3） ，其中主要的功能是經(jīng)自定義類以傳統(tǒng)下拉框類為父類，繼承其基本功能并加入篩選功能同時(shí)連接數(shù)據(jù)庫(kù)。與此同時(shí)，數(shù)據(jù)由用戶提取自數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)而在Java程序中建立數(shù)組變量以此儲(chǔ)存來(lái)實(shí)現(xiàn)在用戶界面以下拉框形式提取顯示中藥數(shù)據(jù)，并可以被用戶篩選、點(diǎn)擊，并將處方單傳至后臺(tái)，經(jīng)由項(xiàng)目產(chǎn)品打包，等待患者提取。

該操作系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)主治醫(yī)師與本項(xiàng)目產(chǎn)品的人機(jī)交互，強(qiáng)化了本項(xiàng)目產(chǎn)品的功能應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)處方開具與藥品打包的同時(shí)進(jìn)行，為醫(yī)護(hù)工作者的工作提供了便利，也極大地簡(jiǎn)化了患者就醫(yī)流程。

其流程為醫(yī)師通過(guò)診斷，完成對(duì)病患情況的了解，隨后通過(guò)該操作系統(tǒng)連接中藥數(shù)據(jù)庫(kù)并開具診療單后交予后臺(tái)程序，最后送至抓取系統(tǒng)處理完成對(duì)于開具藥方的藥物的抓取，打包后送至取藥處由病患領(lǐng)取。

在實(shí)踐階段，選用Sketch up完成理論基礎(chǔ)上的實(shí)體模擬搭建，以形象直觀地展示本項(xiàng)目擬實(shí)現(xiàn)的中藥存放裝置。

該項(xiàng)目在模擬搭建模型時(shí)考慮到制造一個(gè)有傾斜角的儲(chǔ)藥盒十分麻煩，故將原模型的設(shè)計(jì)更改為儲(chǔ)藥盒平置并將其中的過(guò)濾網(wǎng)改為斜置（圖4） 。

在模擬搭建階段，選取面向計(jì)算機(jī)的視野方向?yàn)檎较?，選擇一定寬度的空白空間作為傳送帶的放置區(qū)域（注：3D模擬搭建對(duì)傳送帶的構(gòu)造不予體現(xiàn)，以留白區(qū)域表示）。在傳送帶的左側(cè)搭建分為兩層的四個(gè)長(zhǎng)方體裝置作為輕質(zhì)量中藥存放空間；在傳送帶的右側(cè)搭建分為兩層的四個(gè)長(zhǎng)方體裝置作為重質(zhì)量中藥存放空間；在傳送帶的正上方搭建僅一層的四個(gè)長(zhǎng)方體裝置作為粉末狀中藥存放空間且用于銜接左右兩側(cè)八個(gè)長(zhǎng)方體裝置，即頂部長(zhǎng)方體裝置左下的寬與左側(cè)上層長(zhǎng)方體裝置右上的寬銜接，頂部長(zhǎng)方體裝置右下的寬與左側(cè)上層長(zhǎng)方體裝置左上的寬銜接。至此，完成了擬實(shí)現(xiàn)的中藥存放裝置的整體模擬搭建（圖5） 。

在整體裝置搭建完成的基礎(chǔ)上，對(duì)存放輕質(zhì)量中藥、重質(zhì)量中藥、粉末狀中藥的裝置進(jìn)行內(nèi)部處理。對(duì)于左右兩側(cè)的存放裝置，擬在最外層的側(cè)面裁剪出一個(gè)拱形輸出口，同時(shí)擬在裝置內(nèi)部構(gòu)建斜面平臺(tái)，用于輸出輕質(zhì)量與重質(zhì)量藥材。對(duì)于存放輕質(zhì)量中藥的裝置，擬在最里層的側(cè)面添置風(fēng)扇，以便更方便地將輕質(zhì)量中藥材送至傳送帶上。對(duì)于存放重質(zhì)量中藥的空間，不需要做特殊處理。而對(duì)于頂部的存放裝置，擬在底面裁剪出一個(gè)圓形輸出口，用于輸出粉末狀藥材。至此，完成了擬實(shí)現(xiàn)的中藥存放裝置的內(nèi)部模擬搭建。綜上演示，完成了所研究項(xiàng)目的理論基礎(chǔ)上的實(shí)體模擬搭建。

3 總結(jié)

隨著現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)不斷進(jìn)步、人們生活質(zhì)量的提高和傳統(tǒng)中藥文化的大力弘揚(yáng)，越來(lái)越多的人更傾向于中藥治療調(diào)養(yǎng)，此理論模型能夠幫助傳統(tǒng)的中藥處方抓藥文化不斷傳承發(fā)展，正如國(guó)外有學(xué)者指出，中醫(yī)理論包含若干諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)的問(wèn)題，中國(guó)要獲諾貝爾獎(jiǎng)，最有希望的是中醫(yī)藥，中醫(yī)將日益國(guó)際化[8]。中醫(yī)只有主動(dòng)迎接挑戰(zhàn)，才能盡快實(shí)現(xiàn)中醫(yī)藥現(xiàn)代化[9]。

此理論模型在設(shè)置藥物存儲(chǔ)箱時(shí)，在藥箱底部添加了過(guò)濾網(wǎng)來(lái)篩掉中藥殘?jiān)?，能夠減少抓藥過(guò)程中冗余藥材的無(wú)效使用，保障患者的個(gè)人利益，滿足患者的需求。

此理論模型使電子技術(shù)與機(jī)器硬件相結(jié)合，統(tǒng)一管理中藥抓取的不同環(huán)節(jié)，致力于實(shí)現(xiàn)醫(yī)院內(nèi)部中藥抓取的自動(dòng)化和便捷化，為未來(lái)醫(yī)院中藥抓取的智能化發(fā)展提供經(jīng)驗(yàn)。

信息化、智能化的抓藥方式可以減少操作失誤，同時(shí)，中藥分選稱重傳送打包的整個(gè)過(guò)程干凈整潔，操作便利，有利于優(yōu)化藥劑師的工作環(huán)境，方便醫(yī)生工作，減少患者取藥的等待時(shí)間，體現(xiàn)了科技服務(wù)人類的人文理念，促進(jìn)社會(huì)醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步。