多媒体远程医疗技术及其应用.docx

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1、多媒体远程医疗技术及其应用张树京一、多媒体远程医疗的意义所谓多媒体远程医疗是指通过通信与多媒体技术，同医疗技术相结合，旨在提高诊 断与医疗水平、降低医疗开支、满足广大人民的保健需求。目前正在飞速进展的通信网 络已有可能将医学图象高度精确地从一家诊所（或者地区医院）传送到另一家医院（或 者中心医院），同时提供实时的交互服务。多媒体技术将音频（话音）与视频（图片与活 动图象）完美地融合在一起，将病员与医生（专家）之间的距离拉近，就象在进行面对 面的受诊一样，提供完整的医疗信息。因此，从90年代中期开始，掀起的多媒体远程医 疗是高科技在医疗领域内应用的一个方面，并立即引起各国政府与医疗主管部门的重视

2、 与支持，同时也得到一批具有远见的企业界的关注，这是面向新世纪的全球性的潜在市 场，相信不久会有一批新的多媒体远程医疗产品问世。实际上从1959年开始，就出现了远程医疗的历史【1,2，当时要紧是通过电视与录 象信息传输，应用的范围很局限，同时没有联网。在70与80年代，远程医疗技术要紧 集中在改进电视画面来传送医学图象，但这种模拟通信方式无法实现多媒体医疗信息的 综合集成与有效处理。进入90年代后，数字化技术在医疗器械与通信技术中广泛使用， 特别是信号处理技术与通信网络的进展，为多媒体远程医疗跃上一个新台阶。多媒体技 术的进展为远程医疗如虎添翼，数据、文本、音频、视频同时提供医疗信息，几乎达到

3、 完美无缺的程度【10】。多媒体远程医疗系统的应用功能用率。PACS及其延伸设备如图（2）所示。医用数字图象与通信标准DICOM自1983年就开始制定，它解决了医用图象的 互连标准问题。最近的版本是DICOM 3.0，它提供一批标准格式用于图象交换。目 前PACS与其它远程医疗系统都使用DICOM标准格式，不仅在美国，而且在世界各 国均能够参考使用。 农村远程医疗咨询网。由华盛顿州、阿拉斯加州、蒙达那州与依达瓦州构成的WAMI （各州的第一个字母）农村远程医疗网【9】是在1995年华盛顿大学研制成功的，它 用一对56Kb/s帧中继线路连接到4个州的农村医院，使用基于PC机的桌面远程会 议系统，

4、其中包含数字话筒与耳机、传真机、CCD摄像头、X射线数字仪与监视器。 农村诊所的医生能够通过该系统向华盛顿大学医疗中心或者西雅图市任一大医院的 专家咨询。通常按日程表安排专家受诊，如今双方能够面对面地交谈，同时向对方发 送医学图象或者其它文件资料。双方也能够用白板观察注解或者画图。视频图象也能 够捕捉到后经离线压缩并存储起来，以便有可能回放。六、结束语本文从多媒体远程医疗技术的进展，着重论述通信与多媒体技术在医学领域内的具体 应用，并举例说明目前已经使用或者正在试用的若干多媒体远程医疗系统。因此能够看 出，多媒体远程医疗是高科技在医学中应用的医工结合项目，具有十分良好的前景。在 发达国家已经进

5、展到应用虚拟现实技术实现多媒体远程手术系统，将多媒体远程医疗技 术进一步踏上新的台阶。我国的远程医疗技术尚处于初级阶段，不管是从技术上或者者应用功能方面，举例发 达国家还很远。首先是在开发远程医疗软件方面，功能局限于医院之间的咨询会诊，同 时是点对点方式进行，因此急需开发点对多点与视频会议方式的医疗会诊与教育软件， 实现至少三方专家以上的会诊与多媒体医疗系统。同时，迫切需要提高通信传输质量，特别是图象分辨率与逼真度，为此要由低速率（56Kb/s下歹【J）传输朝高速率（64Kb/s到2Mb/s）方向提高，也就是摆脱普通电话交换网向ISDN进展。另外，当前迫切需要联网 应用，使用宽带ISDN/AT

6、M网，或者者高速数据IP网作为骨干网络，传输高质量的视频 图象，并要超过在ISDN上传输视频会议图象的质量需求，以达到能够实时医疗的目标。 最后是要在政府的支持与鼓励下制定法规与扩大应用范围，进展远程医疗用户群体，与 在政策上扶持远程医疗产品的生产企业，扩大市场，降低成本，既产生社会效益，又有 经济效益。参考文献：1. A.Jutra , Teleroentgen Diagnosis by Means of Videotape Recording, J.Roentagenol, vol.82, 1959 , pp.1099-1102.2. C.L.Wittson, The Use of Two

7、-Way Television in Group Therapy, Univ. Of Nebraska, Omaha, 1961.3. M.Moore, Elements of Success in Telemedicine Project, Univ. Of Texas, Austin, 1993.4. J.H.Sanders, Challenges to the Implementation of Telemedicine, Telemedicine J., vol.l, No.2, 1995, pp.115-123.5. W.Lee, Mediastation 5000integrati

8、ng Video and Audio, IEEE Multimedia, vol.l, No.2,1994, pp.50-61.6. D.Parson, Mediastation 5000:A Multimedia Workstation for Telemedicine, SPIE Medical Imagingv95, 1995, pp.382-387.7. D.F.Leotta, Requirements for Picture Archiving and Communication System (PACS), IEEE EMB mag., vol. 12, mar. 1993, pp

9、.62-69.8. Digital Imaging and Communication in Medicine (DICOM), Draft Standard, ACR-NEMA Committee, Washington DC, 1993.9. P.A.West, Private Communication, Department of Family Medicine, Univ. Of Washington, Seattle, 1995.10. W.Lee, Applications of Multimedia System in Medical Imaging, IEEE EMB Mag

10、., Vol.15,No.2, 1996, pp.79-85.根据多媒体远程医疗的设计目标不一致，大致能够分为四类【3,4】：1 以检查诊断为目的的多媒体远程医疗诊断系统，以咨询会诊为目的的多媒体远程医疗会诊系统，2 以教学培训为目的的多媒体远程医疗教育系统，以家庭病床为目的的多媒体远程病床监护系统。显然，由于它们的应用目的与需求不一致，因此在多媒体远程医疗系统中配置的设 备与使用的通信网络环境也是不一致的。多媒体远程医疗诊断系统要紧配置各类数字化 医疗仪器与相应的通信接口，比如数字听诊器、数字血压器、X 射线、CT、MRI、超 声等数字化检查仪，同时要紧在医院内部的局域网上运行。多媒体远程医

11、疗会诊系统则 是面向各医院的同行专家之间交流咨询各类疑难杂症，同时是在市内或者城市间的广域 网上运行，其终端用户设备包含电子扫描仪、数字摄像机与话筒、扬声器等。多媒体远 程医疗教育系统与医疗会诊系统很相似，也是使用视频会议方式在宽带网上运行，但其 应用软件的功能更加灵活多样，如在电子教室利用课件授课，或者者在病房个别临床指 导。多媒体远程监护系统则要求考虑到家庭病房的条件，用户设备比较简单，比如只有 数字血压仪、数字体温表还有心电图仪等，同时是在普通的电话线上运用（通过调制解 调器与公众电话交换网）。不管那一种远程医疗系统，计算机与多媒体设备是必不可少的，在要求质量高、功 能强的多媒体远程医疗

12、会诊或者教育系统内能够使用高档的计算机工作站或者服务器， 它不仅运行速度快、存储容量大，而且内置功能齐全的多处理器及各类软件，有利于对 多媒体医学信息处理，获得更为清晰与逼确实二维与三维图象。计算机工作站的显示器 也是高质量的，其分辨率能够达到600线以上，相当于高清晰度电视机屏幕的水平。但 考虑到经济因素，在多媒体远程医疗系统中使用个人计算机还是大量的，特别是近年来 PC机的CPU与多处理器芯片能力不断加强，在某种程度上能够达到或者接近计算机工 作站的技术性能（显示器与内置信号处理软件除外）。另外，在多媒体远程医疗系统中多 媒体输入输出设备也是必需的，比如摄像机（头）、立体声耳机、扬声器、激

13、光扫描仪、 电子白板等。根据使用的通信网络不一致，还必需配置与之相适配的通信接口（网卡） 与不一致功能的多媒体卡（声频卡、视频卡、会议卡等）。根据多媒体远程医疗系统的设计目标与需求不一致，其应用功能与操作方式也不相 同，具体描述如下： 远程医疗咨询会诊是在不一致医院的医生之间交互式共享图象与医疗信息，这些信 息来自病员所在的诊所与专家所在的医院或者中央数据库。这些初诊信息传送给各地 的专家进行会诊，以确认当地的检查结果，帮助当地医院进行诊断。该系统使用视频 会议形式，其中包含双向的音频与视频同步传送，以支持口头与非口头指点，就项面 对面谈话那样。尽管它对视频图象的质量要求并不高，但声音要清晰，

14、不能有中断或 者间歇。 远程医疗诊断是本地医生对异地病员所作出的初诊图象与医疗信息进行诊断，这是 与远程会诊的重要区别，它要求图象在采集、压缩、处理、传输与显示过程中没有重 要的信息丢失。该系统能够是同步的，但也能够不一致步，前者类似于视频会议方式， 为了保证高质量地传输实时的诊断视频，要求通信网络的带宽要足够宽。非同步远程 诊断是基于存储转发方式，如今将图片、视频、音频及文本都装在多媒体邮件内，并 在适当时候发往诊断专家处；在专家作出诊断后，在将结果发回指定的病员，如今对 通信带宽的需求同意比较低，不像远程会诊或者同步远程诊断那样。通常，远程诊断 用于急救外伤病员，比如在战场或者灾难事故现场

15、急需对病员决定是否转送到具有较 好医疗条件的医院抢救。或者者外科专家能够通过远程诊断对农村医院的病员作出是 否需要转院的决定。 远程医疗教育是在通信网络上提供医学教育资料，它要求具备文件与图象共享的能 力，因此与视频会议的需求相同。该系统的功能应该多样化，比如在线的个别指导或 者课堂式教学，或者者离线的医学继续教育。另外，还要求具备点对点的不一致通信方式。多媒体远程医疗的应用范围很广泛，通常可用于放射科、病例科、皮肤科、心脏科、 内诊镜与神经科等多种病例。比如用远程医疗来诊断医学图象（包含X光胶片、核磁共 振MR或者核医疗NM、超声、CT等），它要求十分严格，对大尺寸X光胶片的分辨率 高达20

16、48x2048线，每线量化为8-16比特的数字信号。MR、CT与NM是顺序采集的， 它是时间可变的序列图象，同时是三维描述。假如采集60幅序列图象，每幅CT图象是 （512x512） 12比特，或者者采集4幅X光胶片图象，每幅（2048x2048） 12比特，那末 总的信息量将近达到250Mb，可见它们对存储容量的要求也很高。病理切片能够在显微镜下检查活体组织，当手术室的麻醉病人要决定是否切除恶性 肿瘤时尤为重要。利用远程医疗手段，病理科医生能够遥控显微镜的聚焦、进深与捕捉 图象等操作，当病理切片认真观察后能够通过摄像机拍摄显微照片。然后，在选择出10 20幅拍摄到的照片中通过通信网络传回医生

17、处作进一步检查。皮肤科医生同样能够用 远程医疗来进行皮肤样本的检查。心脏科医生可利用远程医疗来传送心脏图象，比如将超声探测器靠近病员心脏处， 超声仪将超声信号实时处理后输出动态的心脏图象序列。这些图象传送给异地的心脏科 医生，通过实时观察，并指挥操作人员移动超声探测器的位置，就能够作出正确的诊断。内诊镜是观察体内组织结构图象的器械，医生能够通过远程医疗引导内诊镜深入到 病灶位置，并实时观察图象序列，然后作出诊断，或者者提出专家意见。神经科医生则能够通过远程医疗指导异地医生处方，这里要紧是利用包含双向音频与视 频在内的视频会议方式并装有能够操纵的摄像机（头）。二、 远程医疗中的多媒体技术媒体采集

18、。静止图象（图片）能够通过数字摄像机（头）采集到高分辨率的图象（如： 病理切片或者皮肤样本）。X光胶片与诸如MR、CT的数字化图片都能够通过激光扫描仪来采集，并使用DICOM （医学数字图象与通信标准）格式化为数字化图象，而前者用扫描仪进行数字化。从CD-ROM或者DVD来的视频能够直接采集到，或者 者通过视频数字化仪与模拟视频源一起采集，后者是通常的视频摄像机（头）或者超 声图象仪。音频则用音频数字化仪同数字听诊器一同采集。 媒体存储。音频、视频与医学图象均需在计算机内暂时或者永久存储，这可用磁性 或者光磁器件（如硬盘、软盘、光盘等）实现。特别是在PACS （病员档案与通信系 统）内中央数据

19、库储存着大量医学资料能够提供查询与下载，这些资料都是不断更 新、补充与长期储存的，可作比较。 压缩/解压缩。过去曾规定医学图象压缩比限制在2:1到4:1之间，如今能够认为是 无损害的，而有损害的压缩图象不准在临床上应用。但是，现在流行的JPEG图象压 缩标准能够做到10:1到20:1，并经诊断结果说明它不带损害性。因此在新的远程医 疗系统中所需求的通信带宽、存储容量与传输时延均能够减少。H.320是视频会议的 国际标准，它包含支持视频压缩的H.261标准与支持音频压缩的G.722、G.728标准， 并附带数据传输文件（工120），但它是按照ISDN网络设计的，它的传输速率是64Kb/s 到L9

20、2Mb/s，因此支持宽带高质量的活动图象传输。另外，通过运动补偿后的MPEG1 与MPEG2也是实现视频压缩的标准，前者的设计目标是将视频速率压缩到1.2Mb/s， 达到家用录像机VHS的需求；后者则在每秒内能够传送30幅720x480线的压缩图象， 相当于传输速率为5-15Mb/s，它的传输质量已经能够与高清晰度电视HDTV相媲 美。除了使用专用芯片硬件（压缩/解压缩卡）外，也能够使用软件压缩，比如MPEG 软件在486PC机上能够实现每秒更换1帧图象。假如在计算机工作站上进行，则能够 做到每秒更换5帧，或者者CPU使用奔腾芯片，则PC机也能够实现上述目标。 图象处理。它的基本功能应包含角度

21、旋转、水平垂直伸缩、校正采集误差，并在诊 所条件下能用肉眼观察到清晰的图象（如X光胶片）=其它功能，如细化也是必要的， 它用来观察局部图象并提高分辨率（与X光胶片比较）。实时的窗口亮度与对比度调 节也是需要的，特别是在诊断医学图象是要求窗口幅度不低于每线8比特的分辨率， 同时窗口中心位置应该能够移动。此外，还有直放、回放、快放、快倒等功能，它们 用于诊断活动的视频图象。 用户界面。在医学上图形界面最为普遍，由于它能反映更多的医用信息（可视化信 息），因此显示器、键盘、鼠标与窗口管理软件是最基本的远程医疗用户界面。另外， 多媒体设备（如摄像机、话筒、扬声器等）也是需要的。今后，假如实现具有语音识

22、 别功能的声控计算机，与具有虚拟现实功能的头盔与手套，则所有的指令与操纵都能 够通过它们来实现，如今用户界面就更加简单与统一，便于使用操作。三、 远程医疗中的通信技术网络接口。根据不一致的远程医疗需求与通信环境，对通信网络的选择是多种多样 的，因此网络接口速率也有高低之区别。低速率的网络接口支持带宽较窄的通信网 络，如公众电话交换网（PSTN），它的传输速率决定于调制解调器，目前最高达到 56Kb/s。假如工作在帧中继（FR）或者ISDN，其传输速率在64Kb/s到1.92Mb/s范 围，则应使用高速率的网络接口。宽带ISDN则工作在L54Mb/s以上，能够采Ti （一 次群）接口。传输速率在

23、155Mb/s以上（如光纤网SONET）能够使用更高的TAXI 网络接口。另外，在局域网与广域网之间要通过网桥连接，这在远程医疗系统中也是 需要的，以便扩大医疗服务范围。在远程医疗系统中希望将压缩硬件与网络接口紧贴 在一起，有利于减少网络时延，并减轻主机处理负担，它们在一条总线上访问，保证 良好的传输性能。 网络协议。在远程医疗系统中广泛使用ATM （异步转移模式）互连协议，由于它具 有灵活的适配带宽能力与保证服务质量，特别是医学图象与视频在ISDN网络内传 输。在电话网上传输医学图象能够使用H.324视频会议协议，它支持低于64Kb/s的传输速率。另外，TCP/IP协议可用于局域网与广域网接

24、口，用它接入医学图象与远端 的医疗信息源。但针对ISDN设计的H.320协议不支持ATM的实时音频与视频信息 传输，由于MPEG只会带来信道时延，而ATM还能保证最大的时延变化，因此在 MPEG与ATM适配层的转换过程中会带来时间冗余与检测误差。由于MPEG无法自 动调节适配的网络带宽，因此这两个标准目前尚不能兼容，ATM论坛正在建立MPEG over ATM的标准，以确保在网络发生堵塞时所需的音频与视频质量。 视频传输。根据不一致的远程医疗需求，视频传输速率也是不一致的，大致能够分 为低速率与高速率传输两类，前者用于视频会议，后者则用于诊断视频的传输。H.263 的传输速率为15到34Kb/

25、s，它属于低速率视频传输；而H.261 (速率为64Kb/s到1.92Mb/s )与MPEG ( 1.2-2Mb/s)则属于高速率视频传输。MPEG2的传输速率达到3 -15Mb/s，能够用于诊断高质量的活动图象。在所有上述传输要求中都应严格保持时 延与抖动指标为最小。 音频传输。在远程医疗系统内除了视频外，还有音频传输，它也可分为低速率与高 速率传输两类，前者用于咨询会诊，后者则用于诊断病情。比如电子听诊器输出高质 量数字音频，传输速率可达到128Kb/s，并具有杜比AC 2效果。G.711基本标准具 有噪音，在远程医疗中不能使用；但G.722 (48-64Kb/s)、G.723 (5 6K

26、b/s)、G.726(32Kb/s)、G.728 (16Kb/s)音频压缩标准能够在视频会诊中使用。诊断用音频需要 保持CD片质量，如MPEG1的第二层音频(传输速率为32-256Kb/s )具有杜比AC 3效果(96-768Kb/s )。同样地，在远程医疗系统内传输音频要求时延与抖动为最 小，以便收到实时效果。同时要求音频与视频保持媒体间的同步。 静态图象(片)传输。通常静态图象(片)的传输是单向通信，传输速率以单幅来 计算，同时流量具有突发性(即最大传输率很高，而平均传输率很低)。其传输带宽 决定于图象(片)的类型与时延要求，比如一幅典型的X光胶片，数字化后分辨率为 2048x2048线,

27、每线量化为12比特,同时将它放在2个字节内。假如容许最大转换时间为10秒/幅，则传输速率至少是7Mb/s，才能将它在有限的时间内传输完毕。但它不像音频或者视频流，时延与抖动不受影响。 病历档案。它也是单向传输，同时要紧是文本信息，因此传输带宽要求不高，即使 是100页打印体的特大档案，用3Mb不受压缩的信息量就足够了。但是假如附有非 文本信息（如手写文字、心电图与其它图案记录），则就增加了病历档案容量，因而 也就需要加大传输要求。通常是在远程医疗开始之前先传送病历，同时它是以静态方 式传输，故对时延与抖动均无要求。 骨干网络。作为远程医疗的骨干网络可有多种选择，但随着网络的扩大，有必要通 过网

28、桥或者路由器将各个局域网互连成为广域网。路由器是工作在通信协议的高层， 有效地交换不一致或者相同结构的分组信息，但是它基本上仅共享网络资源，而不能 保证网络带宽与服务质量。与它不一致的是交换机，它是工作在协议低层，在相同网 络内交换分组信息更为有效，另外它能保证网络带宽与服务质量。因此在远程医疗中 偏向于使用基于交换机的骨干网络，它包含正在进展的宽代ISDN与ATM网络，与 传输质量较差的H.324所用的普通电话交换网。帧中继网是使用可变分组传输方式， 它不大适合于实时的远程医疗。高速数据（SMDS）网能够提供高速率数据传输（155Mb/s以上），但不一定能保证ATM的服务质量，特别是多媒体传

29、输要求。ATM 网能够支持l.54Mb/s （Ti速率）到2.4Gb/s （OC-48光通信速率），特别适合于多媒 体远程医疗。在ISDN网上运行的双向视频会议可使用MPEG1压缩/解压缩卡，或者 者H.261会议电视卡，它能提供家用录像机VHS的质量，假如不加压缩，一幅250Mb 的图象在ISDN网上传输速率为128Mb/s，则需用2000秒传输时间；如用L92Mb/s 速率，也要传输130秒，显然不能习惯实时要求。当使用20:1压缩后，传输时间可 缩短为100秒（128Kb/s速率）与6.5秒（1.92Mb/s速率）。ATM网络提供更高的带 宽与统计复用能力，同时时延与抖动最小，它能支持M

30、PEG2的视频传输。上述250Mb 容量的图象以155Mb/s速率传输,在不加压缩时需要L6秒传输时间；假如使用20:1压缩,则传输时间可缩短到0.08秒，基本满足实时性要求。另外，ATM网络是面向连接的传输模式，它共享物理链路，但逻辑链路是分开的，它按需分配带宽，改进网络带宽的利用率与灵活性，这也是多媒体远程医疗首选的原因之一。五、多媒体远程医疗应用实例 MS5000医用工作站【5,6】。美国华盛顿大学于90年代中期研究开发了一套多媒体 远程医疗工作站MS5000，它具有强大又灵活的多媒体信息处理功能，实现了远程医 疗的预期目标。具体指标是支持立体声数字音频与数字化图象，显示分辨率达到128

31、0 X1024线，信息处理速度达到每秒2亿次，包含MPEG1或者H.320压缩/解压缩算法， 使用TMS320C80数字信号芯片。使用ATM网络适配器用作网络接口，收发视频、 音频及医用图象另外5 MS5000具有完备的图象显不、处理与图形编程功能，诸如 窗口调节、三维重构等。该工作站的配置见图（图1）。 多媒体远程医疗系统。1995年华盛顿大学与距学校有50 Miles的一家军用医疗中心 用二个远程医疗工作站MS5000相连，并在美国西部的光纤网（SONET）上进行试验。 它是ATM网络，传输X光胶片、CT与MR图象，两地间进行交互式通信。超声视 频经压缩后传输，对方再解压缩显示，使用MPE

32、G-1标准，每秒传输30帧，其效 果良好，特别是画面质量与实时性均能达到要求。假如主机CPU与总线速度能提高， 则传输效果还能够改善（当时用的是486 PC机与EISA总线）。PACS系统【7】。它是美国国防部研制开发的病员图象档案与通信系统（1993年）， 同时建立了医学数字图象通信标准DICOM 8，目前已广泛在各大医院内使用。由 于PACS的建成，它免去了大量的透视胶片，而后者很贵又极易丢失，同时一张胶片 只能供少量医生使用。PACS是大容量的图象管理与通信系统，它从各医院用数字化 扫描仪采集到大量的数字图象，并在中央数据库中储存为档案资料。每个医院或者诊 所的工作站在需要调用时都可下列载，由于它已经在局域网或者广域网上运行。在各 工作站上能够供多人共享，同时具有多种功能的信息处理能力，提高了读片能力与利