远程医疗系统设计

§8.2　远程医疗系统设计

下面以金盘电子科大多媒体技术公司开发的GD-1型远程医疗及远程会诊系统为例说明远程医疗系统的设计与开发。

一、远程医疗应用的需要分析

远程医疗系统传递的数据信息与其他通信系统的数据信息不同，它应以病人为中心进行的，所以在设计初期我们必须首先分析医疗活动中各种数据信息产生、处理、传输所需要的条件和要求。

研究表明，医疗信息的产生途径和可能的记录方法有：（见表8.1，其中HIS为医院信息系统，PACS为图像存储与传输系统）

表8.1　医疗信息的产生途径和可能的记录方法

在表8.1中，除了触觉信息外，其他信息均可记录。而上述信息中，患者的多媒体信息中，图像信息仍占主要部分，而其他信息只占图像信息的12.8％。

在会诊过程中，医生之间的意见传递仅限于文字和声音即可，不需要太高的质量。而医生对需要病人的辅助诊断信息要求较高，其中对图像、视频、音频的信息要求尤其要具备诊断价值。

用于远程医疗会诊的多媒体数据主要有音频、视频、图像及医学档案。音频和视频数据又可分为用于会诊的医生会诊流和用于诊断的诊断数据流，图像信息一般实时性要求不强，医学档案一般传输是单向的，医学档案是完全静态的，对时延及抖动不敏感。

在传统的远程会诊系统中利用视频会议的基本框架，医生和病人的信息质量相同，这样导致在会诊中医生信息浪费了大量网络资源，而病人信息由于网络资源限制，传输中不能达到医生诊断的需求，从而系统也不能完全满足实际会诊的需要。

表8.2列举了远程医疗的中各种数据信息分类和要求。

表8.2　远程医疗与相应的信息技术要求

二、国内外相关系统采用的技术

由于通信网络的多种多样，国内外实现远程医疗会诊系统的方法也是多种多样，除主要用于军事上的基于卫星和无线技术的远程医疗系统外，最易于利用的通信网络是传统电话网络和Internet，而基于这二者的远程医疗会诊系统研究也有很多。

1．基于PSTN的点对点远程医疗会诊系统

最原始的远程医疗系统，通过电话线进行医学信息的传输，由于电话线网络传输带宽的限制，用于诊断的医学视频和音频信息及图像信息无法达到实时性；但由于此种方式对网络条件要求不高，凡是电话线布到的地方都可使用，较符合远程医疗系统为边远地区或特殊场合服务的特点，所以在国内外很多地区和场合依然在使用此种方式，而且随着数据压缩技术的提高，相信此种方式还有进一步的应用。

基于PSTN的点对点远程会诊系统是利用网络点对点文件传输的协议，对医学诊断所需的图像及视音频信息进行压缩传输。

2．基于PSTN的多点远程会诊系统

基于PSTN的多点远程会诊系统是上一种系统应用的变种，系统利用多根电话线实现准实时的视频传输及多点会诊，是上一种系统多个点对点传输的集成和综合。

3．基于NetMeeting COM组件的远程医疗与会诊系统

国内采用Microsoft NetMeeting的COM组件作为核心开发的远程医疗与会诊系统较多，由于受限于NetMeeting的特点，此种系统在针对医学方面的应用未作特别的优化处理，仅能实现点对点会诊，通信协议采用H.323标准，视、音频协议分别为H.263和G.722，不完全符合医学诊断视频和图像质量的需要。

由于此种方案开发较为方便，且易于集成在Windows上，所以也得到了广泛的推广。

4．基于IP组播技术的远程医疗与会诊系统

随着高速网络技术和多媒体通信技术的发展，远程医疗的通信技术也开始有运用组播技术的探讨。

IP组播技术最先应用于视频会议中，采用此技术可以开发出分布式视频会议系统，此种视频会议系统具有可扩展、松散耦合的特点，或将异地分布且动态变化的与会人员组织起来，实现分布的会议功能。

IP组播技术的特点由于与远程会诊的特点十分吻合，比较适应于在远程会诊中的应用，国内外目前较为倾向于此技术为核心构造远程会诊的应用系统。

三、系统结构体系和框架设计

适合中国的基本国情的系统是远程医疗应用的基础，特别是适合广大西部地区目前的网络通信状况，充分利用已有的基础网络——传统电话通信网络（PSTN），开发出运用两种模式传输的简单易用的非实时会诊系统；同时为了顺应网络基础建设迅速发展的需要，在系统中加入适合于宽带IP网络的实时远程会诊系统，以适合现在快速局域网络和连入Internet的需要。

系统中非实时通信系统可直接与传统电话网络（PSTN）连接，医师可将疑难诊断CT、MRI、DSA、超声、病理显微、内镜及心电监护图像快速传送到会诊的医学专家工作站中，专家和医师可同时针对疑难图像进行分析、诊断，满足广大镇、县、市级医院与医科大学专家的临床会诊要求；系统可自动存储数十万份会诊图像及报告，自动传送会诊报告；同时进行智能化管理。

另外，系统中实时会诊系统部分是基于组播技术开发适合于当今网络发展潮流——IP宽带网的实时会诊系统，不仅可以实时传输病人病案及图像信息，还可以多人通过系统进行会诊。

GD-1型远程医疗多媒体系统框架如图8.2所示：

图8.2　系统框架图

1．非实时系统设计

根据对国内网络现状的分析，现阶段在大面积范围内使用高速网络的可能性不大，而传统电话网络（PSTN）是现阶段普及率最高的网络，故在现阶段的远程医疗系统中网络通信部分应以非实时通信技术为主，在系统中非实时通信采用了两种模式：邮件传输模式和点对点传输模式。

邮件传输模式的使用过程：为了安全和快速的原因，先建立专用病案邮件服务器，再利用远程医疗系统配置服务器和终端，数据采集在终端上完成，然后先存储在终端上，在通信费用不高或方便时，再传输至会诊服务中心，专家同样是在方便的时候，从会诊中心取出会诊病案，会诊结论出来后，采用同样的过程传回远程终端，完成一次远程会诊，如图8.3所示。

图8.3　邮件传输模式图

系统构建时，先设置会诊中心，安置病案邮件服务器，并配备邮件服务软件（EXCHANG），及一些安全及通信模块，安装系统。用户及专家终端均安装系统，如图8.4所示。

图8.4　件传输模式软件结构图

系统的主要设计模块如下，点对点传输模式的使用过程：点对点传输模式相对于邮件传输模式在时间上要快很多，相对于实时系统在时间上又稍慢，用户终端与专家是传输过程两端对等的双方，使用系统，利用MODEM和公共电话网（PSTN），通过计算机的串口进行通信，可以完成双方在较短时间内的会诊数据通信，而且费用低廉，便于大量推广，如图8.5所示。

图8.5　点对点传输模式图

在点对点传输中，病人相关诊疗信息被压缩成数据文件，专家与远程终端对等通信，传输数据文件，进行文件传输控制时采用ZMODEM协议。优点是适合于情况比较紧急、收费又相对不太高的病人。

系统以TAPI完成对远程的呼叫，控制RS232端口对MODEM进行控制，FileTran实现两端的传输与接收，核心在于传输协议的选择与实现，点对点传输技术的完成需要以下一些模块，如图8.6所示

图8.6　点对点传输模式软件结构图

2．实时会诊系统设计

医疗会诊系统具有自身的特点，如图像质量要求高、对病人信息重视程度高于医生信息等，因此医疗会诊系统的开发也应具有自身的特点，而不仅仅单纯借用视频会议系统的框架，而应有所改变。

网络组播(Multicast)技术具有可以降低发送、接收者以及网络的开销等优越性，由于组播技术的特点与医疗会诊系统较为吻合，为此，系统的实时会诊子系统是基于组播技术开发的，系统具有自由参加与离开会诊、同时控制医生和病人传输信息、良好的可扩展性及模拟会诊现场等特点。同时考虑到IP网络实时性的特点，在应用层数据包设计时，加入RTP(实时传输协议)、RTCP（实时传输控制协议）的数据包控制，使传输质量更佳。根据对会诊数据的仔细分析，系统将病人诊断信息和医生会诊信息分别传输，在有限带宽的网络下，既可提高诊断信息的质量，又可将会诊需要的基本信息进行传递。

（1）实时会诊系统的体系结构

会诊系统软件分为主控制子系统、人机界面子系统、医生会诊信息子系统、病人诊断信息子系统、RtpRtcp子系统、组播控制子系统，如图8.7所示。其中医生会诊主要采用IP音频会话方式和电子白板共享方式完成会诊，病人诊断信息包括来自HIS（医院信息系统）的病人病案及一些实验室辅助信息、来自PACS（图像存储与传输系统）的图像、视音频信息，各种信息多线程协同工作。

为了记录成员参与会诊的情况，并时时更新加入和离开的成员，系统在每一个组成员机上均通过一个数据库参与人员表记录组成员情况。当一个新成员加入会诊组时，会通知该组地址，组内成员同时更新参与人员表，并由主持人发回信息，新成员系统中自动建议参与人员表；当一个成员离开会诊组时，也将会通知组播组，从而在各成员参与人员表中删除该成员；当组内成员数减为0时，组播地址取消。

图8.7　医疗实时会诊系统功能及结构图

（2）实时会诊系统主要子系统

①主控制子系统

系统中主控制子系统为核心模块，控制医疗会诊的全过程，负责召集会诊、开始和结束会诊、按照会诊的例程控制会诊的进行、资源分配控制、参会者动态加入/退出以及控制权的申请和移交等操作。

系统中组成员可分为主持人、发言人以及听讲人。会诊开始时，由主持人发起一次会诊，并传递组播地址，在会诊进行中主持人可以动态变化；发言人获得发言机会是由主持人确定，并占用一路音频信号，此时其他组成员均为听讲人。

主控制子系统还负责对传输信息进行分类处理，如对图像、音频、文字及病案信息在数据包格式中标识，分别交由不同的数据处理模块进行处理。

②人机界面子系统

用户界面子系统的主要功能是友好界面的提供，其中包括共享白板、共享图像、共享病案等诊断信息显示，以及参与人员表、发言人员、申请发言、离开等系统功能显示。

③医生会诊信息子系统

医生会诊信息子系统主要指医生在会诊时相互意见的交流，系统通过对远程医疗会诊系统的特点分析，故采用音频方式交流声音意见，采用共享白板方式传递文字信息。会诊时仅需配备麦克风和喇叭，由软件对连续音频流进行压缩和解压缩，由于音频压缩后占用网络资源不大，不影响使用。共享白板方式记录医生的文字意见，数据在更改后通过组播方式通知组播成员，组成员随时更新本机白板内容。

④病人诊断信息子系统

病人诊断信息主要指辅助医生进行会诊时所需的信息，如病人病案、HIS中的实验室数据及PACS中的医学图像信息。系统与HIS和PACS系统分别相连，并能够从相应的数据库中取出数据，并进行传输。相关传递的会诊信息可记录于本机建立的数据库中，数据库包括会诊病人基本情况、会诊参与人员表、会诊发言情况表、会诊医生最终意见表等，分级别进行管理。

⑤RTPRTCP子系统

RTP（Real-Time Transport Protocol）主要用来处理顺序和时间问题，RTP为实时数据提供端到端的服务，这些服务包括：负载类型标识、顺序编号、时间定位和传输临近等。RTP提供了支持实时通信的基本包格式的定义，系统RTP应用是基于UDP之上，并集成于系统中。

RTP包格式提供了传送多媒体数据所要求的信息，如RTP包头的顺序号可用于记载视频数据包的顺序，这样就允许检测包的丢失或确定视频帧在图像中的位置，对于连续的媒体，数据流能通过顺序号同步。RTP也支持不同的编码机制。

RTCP（Real-Time Transport Contral Protocol）作用是控制底层网络的改变影响，让接收方同步多个RTP流（如视音频）。RTCP是RTP的控制协议，它用于监视网络的服务质量和数据接发双方传递信息。RTCP的做法是周期性地进行通信，采用为数据包分配传递的相同机制来发送控制包。RTCP的基本功能是提供关于数据传输质量的反馈。它大致和其他传输协议的流量控制和控制机制相对应。

系统需要传输的数据首先通过RTP/RTCP的组包和解包控制，再交组播控制子系统发送。系统开发RtpRtcp的动态链接库，成员函数包括RTP初始化、RTP输入处理、RTP接收处理、RTP更新接收方报告、RTP初始化队列、RTP更新队列、RTP插入队列、RTCP接收发送方报告、RTCP接收方报告产生、RTCP头部创建、RTCP时延计算、RTCP结束报文产生等。

⑥组播控制子系统

IP组播技术最先应用于视频会议中，采用此技术可以开发出分布式视频会议系统，此种视频会议系统具有可扩展、松散耦合的特点，或将异地分布且动态变化的与会人员组织起来，实现分布的会议功能。

图8.8　组播控制子系统结构图

组播控制子系统由支持组播功能的Winsock v2.0开发，建立了一个Multicast的类，成员函数包括创建组、加入组、离开组及发送和接收控制、数据包寿命设置等。

四、系统设计中还需要考虑的问题

远程医疗系统的研究在我国还处于初级阶段，系统的设计与开发均应该基于我国目前的网络通信水平，具有一定的实用性。另外，在系统的整体设计中，还需要考虑一些社会因素及其他技术问题，如：

1．数码医院的建立，目前有些医院己有运用DICOM（Digital Imaging And Communications in Medicine）和HL7（Hospital Level seven）标准建立的医院信息系统（HIS）和图像归档与通信系统（PACS——Picture Archiving and Communication System）。医院现有的这些系统是远程医疗的重要组成部分，它们的扩展是建立远程医疗系统的一个有利条件。

2．还需要建立标准的医学信息库。

3．开发功能可靠、操作方便的终端设备。以及接口技术问题，因为远程医疗系统涉及多种医疗设备与通信系统的连接，建立通用的标准接口将会减少系统建立时的复杂程度和节省费用。

4．系统加密问题，以确保医疗数据在通信网络传输中的安全性，维护病人的隐私权。家庭以及偏远地区的宽频通信问题，初期通信网络的铺建应考虑到远程医疗的用途。