专利名称：一种数字电磁式超声煎药装置及煎药方法
技术领域：
本发明涉及煎药装置技术领域，具体涉及到一种一种数字电磁式超声煎药装置及 煎药方法。
背景技术：
几千年来，中医药都是我国传统文化的瑰宝，是我国医药学的重要组成部分。近年 来，人们生活水平不断提高，由西方引进而来的先进药物也是日新月异，但中药的重要作用 不仅没有减弱，反而凭着其副作用少，对人的身体能治根治本的效用，自古到今都一直受到 人们的喜用。为适应市场化的要求，中药煎药机应运而生，而利用超声煎药，更是对传统中药煎 药机的一种大大的改进。超声煎药机，能避免高温对中药有效成分的破坏，缩短了煎煮的时 间，降低了能耗。在超声工程学上，超声可分为功率超声和检测超声，检测超声是指利用小 功率超声在媒质中的传播特性，检测或控制各种非声学量及其变化，又称为超声波的“被动 应用”，工作频率一般在0. 5 20 MHz ；功率超声又称为超声波的“主动应用”，是指用较大 功率的超声对物质作用，以改变或加速改变物质的一些物理、化学和生物特性或状态的技 术，其频率范围为15 60 kHz。然而，现有煎药装置的不足之处在于1.当医院或者企业进行大规模的煎药时， 无法保证药汁质量的一致性；2.煎煮中药的火候和时间只能从煎药人员的经验上判断，没 有一个准确的衡量标准；3.大规模煎煮时，没有一个很好的在线反馈控制装置，即只要认 为某一个中药药材已经煎煮好，就把所有的煎药机都停止煎煮，不能具体到某一个煎药装 置的煎煮情况上；4.已有的煎药装置并没有充分利用功率超声的能量。
发明内容
针对现有中药煎药机的不足，本发明提供了一种数字电磁式超声煎药装置及煎药 方法，即利用功率超声对中药药材进行照射，加速了药汁的溶出，利用检测超声对药汁浓度 进行实时监测，数据中心接收监测数据并判定药材的煎煮程度，确定何时停止煎煮，从而保 证了药汁质量的一致性，还可将煎煮过程具体到某一台煎药机上，实现分布式控制，本发明 所采用的技术方案如下。一种数字电磁式超声煎药装置，包括用于放置药材的壳体和位于壳体底部的电磁 加热装置，其还包括功率超声发射模块、温度测控模块、主控单元、煎药装置、检测模块、无 线通信模块和数据中心；其中主控单元分别与功率超声发射模块、温度测控模块、检测模 块连接，主控单元通过无线通信模块与数据中心连接；主控单元控制功率超声发射模块发 射超声的强度，并接收由接收温度测控模块发送过来的温度数据以及由检测模块发送过来 的超声传播时间数据，主控单元将数据通过无线通信模块发送到数据中心；数据中心存储 了各种已经煎煮好的中药药汁中的超声传播时间、药汁温度及药汁浓度关系的经验曲线数 据，数据中心根据接收到的数据反演出相应药汁的浓度。
上述的数字电磁式超声煎药装置中，温度测控模块包括温度传感器和温度控制电 路，温度传感器位于壳体内部，温度控制电路与电磁加热装置连接，温度传感器将测量结果 直接输出数字信号，温度控制电路控制电磁加热的温度。上述的数字电磁式超声煎药装置中，所述功率超声发射模块包括发射电路和超声 阵列换能器；超声阵列换能器接收由发射电路发送的脉冲信号后发出功率超声作用于壳体 中的药材混合物，并利用相控阵实现超声声束的聚焦，充分利用功率超声的能量。上述的数字电磁式超声煎药装置中，所述检测模块包括顺次连接的检测超声发射 电路、超声收发换能器阵列、放大整形电路、过零检测电路和计数器；超声发射电路通过超 声收发换能器阵列发射检测超声，反射回波由同一超声收发换能器阵列接收，经过放大整 形电路后接入过零检测电路，通过计数器记录回波过零的个数，推算出声波在药汁中的传 播时间。上述的数字电磁式超声煎药装置中，所述超声收发换能器阵列位于壳体内底部且 位于电磁加热装置上方；所述壳体内顶部涂有声反射率为0. 8^0. 9的反射材料，能使检测 超声更好的发射。煎药装置的加热部分为温度可控的电磁加热装置。上述的数字电磁式超声煎药装置中，所述数据中心包括计算机平台，计算机存储 有各种不同中药药汁超声传播时间、温度和浓度曲面数据。通过将收到的数据与既有经验 曲面的对比，查找出药汁浓度，数据中心可判定何时停止煎药装置的煎煮。本发明的一种数字电磁式超声煎药方法，包括如下步骤
步骤1 在数据中心中添加一个数据库，里面存有针对已经煎煮好的各种不同药材溶 液的超声传播时间、药汁温度和药汁浓度的经验数据；
步骤2:把已经浸泡好的中药药材放到煎药装置中，往煎药装置加入已经经过高温消 毒处理的饮用水；
步骤3:使用者通过数据中心查看相应的药汁经验数据，判断出超声煎煮中药所需的 最佳温度，然后依此设定加热温度，启动煎药装置，电磁加热装置开始对中药溶液加热，同 时功率超声发射模块的功率超声阵列换能器对中药溶液发射功率超声，温度测控模块控制 电磁加热的温度并实时将溶液的温度数据传送到主控单元；
步骤4 当温度达到预设的加热温度时，检测模块自动开始工作；检测模块通过超声收 发换能器阵列发射检测超声，获得超声在溶液中的超声传播时间数据；
步骤5 主控单元接收温度测控模块所发送过来的温度数据以及由检测模块发送过来 的超声传播时间数据，并通过无线通信模块将数据传给数据中心；
步骤6:数据中心将接收到的超声传播时间、药汁温度数据与存储在数据库中的数据 比较，判定出药汁的即时浓度；若药汁浓度已达到煎煮好的程度，则通过无线通信模块发送 停止信号到主控单元，煎药装置停止煎煮。上述一种数字电磁式超声煎药方法中，步骤1所述数据库是经过对已知药汁浓度 的训练样本进行训练所得，具体包括
步骤1.1 采用多次测量取平均值的方法获取超声信号在药汁样本溶液中的传播时间 和药汁的温度；
步骤1. 2 将测量数据拟合成“超声传播时间一药汁温度一药汁浓度”曲线；
步骤1. 3 将不同药汁样本溶液的“超声传播时间一药汁温度一药汁浓度”曲线数据存入数据库中。上述一种数字电磁式超声煎药方法中，步骤3中功率超声阵列换能器采用了超声 相控阵波束成形方式，在发射功率超声时，通过调节换能器阵列中每个换能器发射信号的 相位延迟，使超声声束指向需要加热的部位。上述一种数字电磁式超声煎药方法中，步骤4中，超声收发换能器阵列采用了超 声相控阵波束成形方式，在发射检测超声时，通过相位延迟，改变超声声束的聚焦方向，使 检测超声垂直发射，提高检测的准确性。与现有技术相比，本发明具有以下的优点
1.医院或企业进行大规模煎煮中药时，由于引入了在线检测技术，因而可以保证中药 药汁质量的一致性。2.为煎煮中药所需的火候和时间提供了一个准确的衡量标准，避免了多余的煎煮 时间，提高了煎煮的效率，实现了节能的功效。3.大规模煎煮时，不是采取相同的煎煮策略，而是针对各个煎煮装置中药汁煎煮 的不同情况，实现分布式的控制。4.发射功率超声使用了相控阵技术，充分利用了功率超声的能量，加速药汁的溶 出，另一方面利用相控阵超声使检测超声垂直发射，提高了检测超声监测药汁浓度的准确 性。5.利用了无线网络将数据进行传送，方便了工作人员对中药的煎煮进行远距离的 监控。
图1是本发明实施方式煎药装置的电原理结构框图。图2是本发明实施例的煎药装置结构示意图。图3是实施方式中CC2430模块的结构框图。图4是实施例实现中药煎药的方法流程图。
具体实施例方式下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限 于此。如图1所示，一种数字电磁式超声煎药装置，电原理结构由功率超声发射模块11、 温度测控模块12、主控单元13、煎药装置14、检测模块15、无线通信模块16和数据中心17 组成，功率超声发射模块11由发射电路111和超声阵列换能器112组成，温度测控模块12 由温度传感器121和温度测控电路122组成，检测模块15由检测超声发射电路151、超声收 发换能器阵列152、放大整形电路153、过零检测电路154和计数器155组成。功率超声发射模块11通过超声发射电路111发出振荡脉冲，超声阵列换能器112 接收到振荡脉冲后发出高强度的功率超声对煎药溶液进行照射，换能器表面涂有PVDF (聚 偏氟乙烯)，其化学性质稳定，与水的声阻抗相近，匹配状态较好。超声的空化效应可使中药 溶液中产生微小的气泡。气泡经过振动、生长、压缩以及崩溃的过程所产生的极大压力可造 成药物的细胞壁的破裂，大大加快了中药药物有效成分的溶出。其次功率超声的机械搅动效应也可以进一步加快药物的释放、扩散和溶解。温度测控模块12通过两个温度传感器121来探测溶液中的温度。温度传感器采 用了数字型传感器，其测温精度高，有良好的抗干扰能力。温度传感器121将得到的温度数 据传送给主控单元13和温度控制电路122，温度控制电路122控制煎煮装置14中电磁加热 的温度，以此达到了一种闭环温度测控的效果。检测模块15通过检测超声发射电路151产生脉冲信号，由超声收发换能器阵列 152发出检测超声，同时计数器开始计数。检测超声经过药汁溶液，煎药装置内壳发射后，由 同一超声收发换能器阵列152接收得到反射回波，回波信号经过幅度放大，回波整形后经 由过零检测电路154和计数器155，确定一段时间内回波过零的个数，由此来确定声波在药 物溶液的传播时间。主控单元13在处理数据时可以采取经多次测量取平均的方法，提高检 测的准确度。无线通信模块16采用ZIGBEE无线通信技术，由两个CC2430模块组成，两个 CC2430模块分别与主控单元13和数据中心17以串行接口 RS232来连接。在装置工作时， 每个CC2430模块相当于一个传感器节点，可实现数据的收发功能。数据中心17可以是设置在离煎药装置1(Γ50米左右的工作人员办公室内的电脑 平台，里面存储有各种不同中药药汁超声传播时间、温度和浓度曲面数据。通过将收到的数 据与既有经验曲面的对比，查找出药汁浓度，数据中心可判定何时停止煎药装置的煎煮。如图2所示，是本发明实施例的结构示意图。其中24为煎药装置的外壳，其内壳 部分涂有声发射系数为0. 8^0. 9的声反射物质，152是两个检测超声收发换能器阵列，用以 收发检测超声，121是两个温度传感器，112为功率超声阵列换能器，28为电磁加热装置，温 度可调控。功率超声发射模块21、温度测控模块22、主控单元23、检测单元25、电磁加热装 置28用导线依次连接起来。如图3所示，是CC2430模块的结构框图。整个结构中包括了电源、RS232接口电 路、天线和RF外围电路以及CC2430芯片。其中电源中包括电池和直直变换电路，用以分别 对CC2430芯片以及天线和RF外围电路提高电源供给。CC2430芯片内置CC2420射频芯片， 在单个芯片上整合了 ZIGBEE射频、内存和为控制器，控制器使用一个8位8051内核，具有 32ΚΒ、64ΚΒ、和128KB三种可编程内存和8KB的RAM，包含看门狗定时器、休眠模式定时器、模 拟数字转化器、4个定时器、21个可编程I/O引脚、掉电检测电路以及AES128协处理器。如图4所示，是本发明实现中药煎药的流程图，具体包括了以下步骤
步骤1 若是第一次使用煎药装置，可在数据中心中建立一个数据库，里面存有针对已 经煎煮好的各种不同药材溶液的超声传播时间、药汁温度和药汁浓度数据。数据库是经过 对已知药汁浓度的训练样本进行训练所得。训练时采用多次测量取平均值的方法获取超声 信号在药汁样本溶液中的传播时间和药汁的温度，将测量数据利用最小二乘法拟合成“超 声传播时间一药汁温度一药汁浓度”曲线并存入数据库中。数据库为开放系统，用户可自己 添加数据库中没有的关系曲线，从而可检测该药汁的浓度。实际检测时可以根据所测数据 查找曲线中相应的点，从而获取药汁的浓度。若不是第一次使用，则可以根据所煎煮的药材 选取相应的曲线，以便确定何时停止煎煮。步骤2 将要煎煮的药材充分浸泡，以使经加工炮制、脱水处理过的中药以充分湿 润而软化，使得药物的有效成分更加容易溶解。把经过浸泡的药材放到煎药装置里面，并加入适当的经消毒处理的饮用水。步骤3 把煎药装置盖子盖好，根据数据中心的经验数据，设定好使用电磁加热煎 煮所需的温度，启动煎药装置。功率超声发射模块对药液发射功率超声，通过调节换能器阵 列中每个换能器发射信号的相位延迟，使超声声束集中指向需要加热的部位，充分利用功 率超声的能量，加速药物有效成分的溶出。同时温度测控模块将煎煮药汁的实时温度数据 通过两个数字型温度传感器传送给主控单元。步骤4 当溶液的温度达到开始所设定的加热温度时，检测模块自动开始工作。由 检测超声发射电路经超声收发换能器阵列发出检测超声，利用超声相控阵技术，调节超声 聚焦方向，使得检测超声垂直发射，提高了超声检测浓度的准确性。同时计数器开始监测， 超声经过中药药汁后，到达装置内壳顶部反射，超声收发换能器阵列将接收到的回波放大、 整形后，由过零检测电路和计数器，将幅度通过零点的回波个数传送给主控单元，主控单元 将多次所得数据处理后取平均，从而推算出超声在溶液中的传播时间。步骤5 主控单元将经过温度数据和超声传播时间数据经由无线通信模块传送给 数据中心，其中无线通信模块采用了 ZIGBEE无线通信技术，通过两个CC2430模块实现数据 的收发。步骤6 数据中心将收到的数据与已经煎煮好的中药的经验曲线进行对比，搜寻 出药汁的即时浓度，若发现所收到的数据不在某一条具体的曲线上时，可选取与之最接近 的两条曲线，根据这两条曲线的浓度，用内插法的方法计算出即时的浓度。通过对比判断， 若药材已经煎煮好，则数据中心通过无线通信模块发送停止信号到主控单元，由主控单元 控制接收到停止信号后自动停止煎煮装置。本发明采用一种数字电磁式超声煎药的方法和装置，改进了传统超声煎药机，利 用检测超声实时检测，并利用无线网络进行远程监控，保证了药汁质量的一致性，适合医院 和企业广泛使用。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的 限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化， 均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种数字电磁式超声煎药装置，包括用于放置药材的壳体和位于壳体底部的电磁加热装置，其特征在于还包括功率超声发射模块、温度测控模块、主控单元、煎药装置、检测模块、无线通信模块和数据中心；其中主控单元分别与功率超声发射模块、温度测控模块、检测模块连接，主控单元通过无线通信模块与数据中心连接；主控单元控制功率超声发射模块发射超声的强度，并接收由接收温度测控模块发送过来的温度数据以及由检测模块发送过来的超声传播时间数据，主控单元将数据通过无线通信模块发送到数据中心；数据中心存储了各种已经煎煮好的中药药汁中的超声传播时间、药汁温度及药汁浓度关系的经验曲线数据，数据中心根据接收到的数据反演出相应药汁的浓度。
2.根据权利要求1所述的数字电磁式超声煎药装置，其特征在于温度测控模块包括温 度传感器和温度控制电路，温度传感器位于壳体内部，温度控制电路与电磁加热装置连接， 温度传感器将测量结果直接输出数字信号，温度控制电路控制电磁加热的温度。
3.根据权利要求1所述的数字电磁式超声煎药装置，其特征在于所述功率超声发射模 块包括发射电路和超声阵列换能器；超声阵列换能器接收由发射电路发送的脉冲信号后发 出功率超声作用于壳体中的药材混合物，并利用相控阵实现超声声束的聚焦。
4.根据权利要求1所述的数字电磁式超声煎药装置，其特征在于所述检测模块包括 顺次连接的检测超声发射电路、超声收发换能器阵列、放大整形电路、过零检测电路和计数 器；超声发射电路通过超声收发换能器阵列发射检测超声，反射回波由同一超声收发换能 器阵列接收，经过放大整形电路后接入过零检测电路，通过计数器记录回波过零的个数，推 算出声波在药汁中的传播时间。
5.根据权利要求1所述的数字电磁式超声煎药装置，其特征在于所述超声收发换能器 阵列位于壳体内底部且位于电磁加热装置上方；所述壳体内顶部涂有声反射率为0. 8^0. 9 的反射材料。
6.根据权利要求广5任一项所述的数字电磁式超声煎药装置，其特征在于所述数据中 心包括计算机平台，计算机存储有各种不同中药药汁超声传播时间、温度和浓度曲面数据。
7.一种数字电磁式超声煎药方法，其特征在于包括如下步骤步骤1 在数据中心中添加一个数据库，里面存有针对已经煎煮好的各种不同药材溶 液的超声传播时间、药汁温度和药汁浓度的经验数据；步骤2:把已经浸泡好的中药药材放到煎药装置中，往煎药装置加入已经经过高温消 毒处理的饮用水；步骤3:使用者通过数据中心查看相应的药汁经验数据，判断出超声煎煮中药所需的 最佳温度，然后依此设定加热温度，启动煎药装置，电磁加热装置开始对中药溶液加热，同 时功率超声发射模块的功率超声阵列换能器对中药溶液发射功率超声，温度测控模块控制 电磁加热的温度并实时将溶液的温度数据传送到主控单元；步骤4 当温度达到预设的加热温度时，检测模块自动开始工作；检测模块通过超声收 发换能器阵列发射检测超声，获得超声在溶液中的超声传播时间数据；步骤5 主控单元接收温度测控模块所发送过来的温度数据以及由检测模块发送过来 的超声传播时间数据，并通过无线通信模块将数据传给数据中心；步骤6:数据中心将接收到的超声传播时间、药汁温度数据与存储在数据库中的数据 比较，判定出药汁的即时浓度；若药汁浓度已达到煎煮好的程度，则通过无线通信模块发送停止信号到主控单元，煎药装置停止煎煮。
8.根据权利要求7所述一种数字电磁式超声煎药方法，其特征在于步骤1所述数据库 是经过对已知药汁浓度的训练样本进行训练所得，具体包括步骤1. 1 采用多次测量取平均值的方法获取超声信号在药汁样本溶液中的传播时间 和药汁的温度；步骤1. 2 将测量数据拟合成“超声传播时间一药汁温度一药汁浓度”曲线；步骤1. 3 将不同药汁样本溶液的“超声传播时间一药汁温度一药汁浓度”曲线数据存 入数据库中。
9.根据权利要求8所述一种数字电磁式超声煎药方法，其特征在于步骤3中功率超声 阵列换能器采用了超声相控阵波束成形方式，在发射功率超声时，通过调节换能器阵列中 每个换能器发射信号的相位延迟，使超声声束指向需要加热的部位。
10.根据权利要求8所述一种数字电磁式超声煎药方法，其特征在于步骤4中，超声收 发换能器阵列采用了超声相控阵波束成形方式，在发射检测超声时，通过相位延迟，改变超 声声束的聚焦方向，使检测超声垂直发射。
全文摘要
本发明公开一种数字电磁式超声煎药装置及煎药方法，所述装置包括功率超声发射模块、温度测控模块、主控单元、煎药装置、检测模块、无线通信模块和数据中心；其中主控单元分别与功率超声发射模块、温度测控模块、检测模块连接，主控单元通过无线通信模块与数据中心连接；所述方法利用功率超声对中药药材进行照射，加速了药汁的溶出，利用检测超声对药汁浓度进行实时监测，数据中心接收监测数据并判定药材的煎煮程度，确定何时停止煎煮，从而保证了药汁质量的一致性，还可将煎煮过程具体到某一台煎药机上，实现分布式控制。
文档编号A61J3/00GK101984951SQ20101053349
公开日2011年3月16日 申请日期2010年11月5日 优先权日2010年11月5日
发明者凌丽娟, 崔杰恩, 张军, 聂文斐, 韦岗 申请人:华南理工大学