多媒体远程医疗技术及其应用doc131.docx
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多媒体远程医疗技术及其应用doc131
多媒体远程医疗技术及其应用(doc13)
(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。
目前正在飞速发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(或地区医院)传送到另一家医院(或中心医院),并且提供实时的交互服务。
多媒体技术将音频(话音)和视频(图片和活动图象)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和医疗主管部门的重视和支持,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】,当时主要是通过电视和录象信息传输,应用的范围很局限,并且没有联网。
在70和80年代,远程医疗技术主要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和通信技术中广泛采用,特别是信号处理技术和通信网络的发展,为多媒体远程医疗跃上一个新台阶。
多媒体技术的发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,几乎达到完美无缺的程度【10】。
一、多媒体远程医疗系统的应用功能
根据多媒体远程医疗的设计目标不同,大致可以分为四类【3,4】:
1.以检查诊断为目的的多媒体远程医疗诊断系统,
2.以咨询会诊为目的的多媒体远程医疗会诊系统,
3.以教学培训为目的的多媒体远程医疗教育系统,
4.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和需求不同,因此在多媒体远程医疗系统中配置的设备和使用的通信网络环境也是不同的。
多媒体远程医疗诊断系统主要配置各种数字化医疗仪器和相应的通信接口,例如数字听诊器、数字血压器、X-射线、CT、MRI、超声等数字化检查仪,并且主要在医院内部的局域网上运行。
多媒体远程医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,并且是在市内或城市间的广域网上运行,其终端用户设备包括电子扫描仪、数字摄像机以及话筒、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,也是采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,例如只有数字血压仪、数字体温表还有心电图仪等,并且是在普通的电话线上运用(通过调制解调器和公众电话交换网)。
无论那一种远程医疗系统,计算机和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会诊或教育系统内可以采用高档的计算机工作站或服务器,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种软件,有利于对多媒体医学信息处理,获得更为清晰和逼真的二维和三维图象。
计算机工作站的显示器也是高质量的,其分辨率可以达到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和多处理器芯片能力不断加强,在某种程度上可以达到或接近计算机工作站的技术性能(显示器和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,例如摄像机(头)、立体声耳机、扬声器、激光扫描仪、电子白板等。
根据使用的通信网络不同,还必需配置与之相适配的通信接口(网卡)和不同功能的多媒体卡(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和需求不同,其应用功能和操作方式也不相同,具体描述如下:
1远程医疗咨询会诊是在不同医院的医生之间交互式共享图象和医疗信息,这些信息来自病员所在的诊所和专家所在的医院或中央数据库。
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。
该系统采用视频会议形式,其中包括双向的音频与视频同步传送,以支持口头和非口头指点,就项面对面谈话那样。
虽然它对视频图象的质量要求并不高,但声音要清晰,不能有中断或间歇。
2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、传输和显示过程中没有重要的信息丢失。
该系统可以是同步的,但也可以不同步,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,此时将图片、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,此时对通信带宽的需求允许比较低,不像远程会诊或同步远程诊断那样。
通常,远程诊断用于急救外伤病员,例如在战场或灾难事故现场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。
或者外科专家可以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。
3远程医疗教育是在通信网络上提供医学教育资料,它要求具备文件和图象共享的能力,因此与视频会议的需求相同。
该系统的功能应该多样化,例如在线的个别指导或课堂式教学,或者离线的医学继续教育。
另外,还要求具备点对点的不同通信方式。
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、内诊镜以及神经科等多种病例。
例如用远程医疗来诊断医学图象(包括X光胶片、核磁共振MR或核医疗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2048×2048线,每线量化为8-16比特的数字信号。
MR、CT和NM是顺序采集的,它是时间可变的序列图象,并且是三维描述。
如果采集60幅序列图象,每幅CT图象是(512×512)12比特,或者采集4幅X光胶片图象,每幅(2048×2048)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。
病理切片可以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,病理科医生可以遥控显微镜的聚焦、进深以及捕捉图象等操作,当病理切片仔细观察后可以通过摄像机拍摄显微照片。
然后,在挑选出10-20幅拍摄到的照片中通过通信网络传回医生处作进一步检查。
皮肤科医生同样可以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,例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,就可以作出正确的诊断。
内诊镜是观察体内组织结构图象的器械,医生可以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,或者提出专家意见。
神经科医生则可以通过远程医疗指导异地医生处方,这里主要是利用包括双向音频和视频在内的视频会议方式并装有可以控制的摄像机(头)。
二、远程医疗中的多媒体技术
1媒体采集。
静止图象(图片)可以通过数字摄像机(头)采集到高分辨率的图象(如:
病理切片或皮肤样本)。
X光胶片以及诸如MR、CT的数字化图片都可以通过激光扫描仪来采集,并采用DICOM(医学数字图象和通信标准)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DVD来的视频可以直接采集到,或者通过视频数字化仪与模拟视频源一起采集,后者是一般的视频摄像机(头)或超声图象仪。
音频则用音频数字化仪同数字听诊器一同采集。
2媒体存储。
音频、视频以及医学图象均需在计算机内暂时或永久存储,这可用磁性或光磁器件(如硬盘、软盘、光盘等)实现。
特别是在PACS(病员档案与通信系统)内中央数据库保存着大量医学资料可以提供查询和下载,这些资料都是不断更新、补充和长期保存的,可作比较。
3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,此时可以认为是无损害的,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图象压缩标准可以做到10:
1到20:
1,并经诊断结果表明它不带损害性。
因此在新的远程医疗系统中所需求的通信带宽、存储容量以及传输时延均可以减少。
H.320是视频会议的国际标准,它包括支持视频压缩的H.261标准和支持音频压缩的G.722、G.728标准,并附带数据传输文件(T.120),但它是按照ISDN网络设计的,它的传输速率是64Kb/s到1.92Mb/s,因此支持宽带高质量的活动图象传输。
另外,经过运动补偿后的MPEG1和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;后者则在每秒内可以传送30幅720×480线的压缩图象,相当于传输速率为5-15Mb/s,它的传输质量已经可以与高清晰度电视HDTV相媲美。
除了采用专用芯片硬件(压缩/解压缩卡)外,也可以采用软件压缩,例如MPEG软件在486PC机上可以实现每秒更换1帧图象。
如果在计算机工作站上进行,则可以做到每秒更换5帧,或者CPU采用奔腾芯片,则PC机也可以实现上述目标。
4图象处理。
它的基本功能应包括角度旋转、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)。
实时的窗口亮度和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可以移动。
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。
5用户界面。
在医学上图形界面最为普遍,因为它能反映更多的医用信息(可视化信息),因此显示器、键盘、鼠标以及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,如果实现具有语音识别功能的声控计算机,以及具有虚拟现实功能的头盔和手套,则所有的指令和控制都可以通过它们来实现,此时用户界面就更加简单和统一,便于使用操作。
三、远程医疗中的通信技术
1网络接口。
根据不同的远程医疗需求和通信环境,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。
如果工作在帧中继(FR)或ISDN,其传输速率在64Kb/s到1.92Mb/s范围,则应采用高速率的网络接口。
宽带ISDN则工作在1.54Mb/s以上,可以采T1(一次群)接口。
传输速率在155Mb/s以上(如光纤网SONET)可以采用更高的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。
2网络协议。
在远程医疗系统中广泛采用ATM(异步转移模式)互连协议,因为它具有灵活的适配带宽能力和保证服务质量,特别是医学图象和视频在ISDN网络内传输。
在电话网上传输医学图象可以采用H.324视频会议协议,它支持低于64Kb/s的传输速率。
另外,TCP/IP协议可用于局域网和广域网接口,用它接入医学图象和远端的医疗信息源。
但针对ISDN设计的H.320协议不支持ATM的实时音频和视频信息传输,因为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和检测误差。
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MPEGoverATM的标准,以确保在网络发生阻塞时所需的音频和视频质量。
3视频传输。
根据不同的远程医疗需求,视频传输速率也是不同的,大致可以分为低速率和高速率传输两类,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/s,它属于低速率视频传输;而H.261(速率为64Kb/s到1.92Mb/s)和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,可以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和抖动指标为最小。
4音频传输。
在远程医疗系统内除了视频外,还有音频传输,它也可分为低速率和高速率传输两类,前者用于咨询会诊,后者则用于诊断病情。
例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,在远程医疗中不能采用;但G.722(48-64Kb/s)、G.723(5-6Kb/s)、G.726(32Kb/s)、G.728(16Kb/s)音频压缩标准可以在视频会诊中采用。
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和抖动为最小,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。
5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,并且流量具有突发性(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)的类型和时延要求,例如一幅典型的X光胶片,数字化后分辨率为2048×2048线,每线量化为12比特,并且将它放在2个字节内。
如果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。
但它不像音频或视频流,时延和抖动不受影响。
6病历档案。
它也是单向传输,并且主要是文本信息,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。
但是如果附有非文本信息(如手写文字、心电图以及其它图案记录),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,并且它是以静态方式传输,故对时延和抖动均无要求。
7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,有必要通过网桥或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,有效地交换不同或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和服务质量。
与它不同的是交换机,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和服务质量。
因此在远程医疗中偏向于采用基于交换机的骨干网络,它包括正在发展的宽代ISDN和ATM网络,以及传输质量较差的H.324所用的普通电话交换网。
帧中继网是采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)网可以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,特别是多媒体传输要求。
ATM网可以支持1.54Mb/s(T1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采用MPEG1压缩/解压缩卡,或者H.261会议电视卡,它能提供家用录像机VHS的质量,如果不加压缩,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1.92Mb/s速率,也要传输130秒,显然不能适应实时要求。
当采用20:
1压缩后,传输时间可缩短为100秒(128Kb/s速率)和6.5秒(1.92Mb/s速率)。
ATM网络提供更高的带宽和统计复用能力,并且时延和抖动最小,它能支持MPEG2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1.6秒传输时间;如果采用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和灵活性,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
1MS5000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和数字化图象,显示分辨率达到1280×1024线,信息处理速度达到每秒2亿次,包括MPEG1或H.320压缩/解压缩算法,采用TMS320C80数字信号芯片。
采用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,MS5000具有完备的图象显示、处理和图形编程功能,诸如窗口调节、三维重构等。
该工作站的配置见图(图1)。
2多媒体远程医疗系统。
1995年华盛顿大学与距学校有50Miles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和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,采用MPEG-1标准,每秒传输30帧,其效果良好,特别是画面质量和实时性均能达到要求。
如果主机CPU和总线速度能提高,则传输效果还可以改善(当时用的是486PC机和EISA总线)。
3PACS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,并在中央数据库中保存为档案资料。
每个医院或诊所的工作站在需要调用时都可以下载,因为它已经在局域网或广域网上运行。
在各工作站上可以供多人共享,并且具有多种功能的信息处理能力,提高了读片能力和利用率。
PACS及其延伸设备如图
(2)所示。
医用数字图象和通信标准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DICOM3.0,它提供一批标准格式用于图象交换。
目前PACS和其它远程医疗系统都采用DICOM标准格式,不仅在美国,而且在世界各国均可以参考使用。
④农村远程医疗咨询网。
由华盛顿州、阿拉斯加州、蒙达那州和依达瓦州组成的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,采用基于PC机的桌面远程会议系统,其中包括数字话筒和耳机、传真机、CCD摄像头、X射线数字仪和监视器。
农村诊所的医生可以通过该系统向华盛顿大学医疗中心或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,此时双方可以面对面地交谈,同时向对方发送医学图象或其它文件资料。
双方也可以用白板观察注解或画图。
视频图象也可以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发展,着重论述通信和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正在试用的若干多媒体远程医疗系统。
因此可以看出,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。
在发达国家已经发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,无论是从技术上或者应用功能方面,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,并且是点对点方式进行,因此急需开发点对多点和视频会议方式的医疗会诊和教育软件,实现至少三方专家以上的会诊和多媒体医疗系统。
同时,迫切需要提高通信传输质量,特别是图象分辨率和逼真度,为此要由低速率(56Kb/s以下)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发展。
另外,当前迫切需要联网应用,采用宽带ISDN/ATM网,或者高速数据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和鼓励下制定法规和扩大应用范围,发展远程医疗用户群体,以及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。
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