网络视频远程医疗的关键技术.docx

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网络视频远程医疗的关键技术

网络视频远程医疗的关键技术，产品和系统:

网络视频服务器

2010年04月05日21:

36

摘要：

  数字化医疗是将医疗的诊断和治疗中的视频,图片,声音和文字等多媒体信息数字化和网络化,其中视频和图片占用的信息最大需要大量的网络带宽和硬盘存储空间,数字化网络视频远程医疗的关键技术是将视频等可视信息进行有效的压缩,实现高清晰度高压缩比大占用的网络带宽少,其关键产品是“网络视频服务器”和“网络视频远程医疗系统管理软件”.

    深圳方通科技有限公司是留美博士归国创办留学生高新技术企业，在视频流媒体压缩和通信技术及以此为基础的“网络视频服务器”和系统应用软件等方面是全球领先的.实现了“视频在电话线中能传得同在光缆中一样快”,巳将高清HD720p视频压缩成1.5Mbps.在2008奥运会香港马术比赛监控系统的全球招标中名列第一，产品和系统软件成功应用于奥运会香港的流媒体网络视频监控.该技术和产品已成功应用数字化医疗方面,

例如国家发改委重点项目-国家最大的远程视频医疗（一个省150家医院）及非洲远程视频医疗等项目,它基于高清晰嵌入式网络视频服务器结合的远程医疗系统软件，使得多方医生远程看病人和实际查看讨论医学检查资料，对重要的视频内容可截取下来，放入白板画面，各地专家通过网络在该图片上标识自己看法并可进行即时的文字和语言交谈,最后可以生成数字化和可网络化共享的电子病历,实现了可视的医疗信息能在任何时间、地点获取、共享和发布,从而消除了地域和时间差异，使实时、互动的可视多媒体信息流服务于数字化医疗.

1.远程医疗的概述

1.1远程医疗概念

1984年，著名的未来学家阿尔文·托夫勒（AlvinToffler）就预言：

未来的医生将面对计算机屏幕对远方的病人进行诊断和治疗。

20年后的今天，从远程医疗发展的形势来看，时机真的到了。

这些悄悄出现的新型医疗服务，不论被叫做远程医疗（telemedicine），还是最近又被称为E－健康（E－health），都是信息技术渗透到医疗服务当中的标志。

最终，医学专家借助于这些技术能够为远方的病人提供更加专业、紧急和有效的诊断和治疗，医院和医生也能够更好地管理各种疾病患者，预防和减少疾病的发生。

美国总统在国情咨文演说:

“从航空业到银行业，信息技术已经广泛地应用到各个领域，可是医疗人员在使用21世纪的医疗技术为病人服务的同时，却在使用19世纪的传播工具，因而必须改变这种落后的方式”。

     1988年美国提出远程医疗系统应作为一个开放的分布式系统的概念，即从广义上讲，远程医疗应包括现代信息技术，特别是双向视听通信技术、计算机及遥感技术，向远方病人传送医学服务或医生之间的信息交流。

美国学者的远程医疗系统的概念做了如下定义：

远程医疗系统是指一个整体，它通过通信和计算机技术给特定人群提供医疗服务。

这一系统包括远程诊断、信息服务、远程教育等多种功能，它是以计算机和网络通信为基础，针对医学资料的多媒体技术，进行远距离视频、音频信息传输、存储、查询及显示。

1.2  远程医疗应用

远程医疗应用主要体现在四个方面:

（1）  远程会诊、

（2）  远程医技教育、

（3）  院际信息共享、

（4）  远程监护，

全国有近一万八千家县级以上医院，目前每年在数字化医院方面投入约占医院的年产值的0.3，并以每年18％的速率递增，数字化医院需要开发医疗信息系统HIS、医疗服务系统HSS和图像管理与通信系统PACS（包括数字化远程医疗）。

远程医疗会诊在医学专家和病人之间建立起全新的联系，使病人在原地、原医院即可接受远地专家的会诊并在其指导下进行治疗和护理，可以节约医生和病人大量时间和金钱。

国家对“看病难、看病贵”的重视和对新型医疗器械的产业化的支持，加速了远程医疗技术及产业的发展。

　浙江省巳成立远程医疗和教育培训办公室，其职责包括建立远程医疗网络；建立参与远程医疗的高级专家库；组织医疗资源开展远程监护、远程会诊、远程示教等相关医疗咨询与服务；执行远程医学教育培训的有关规定等．

1.3 远程医疗要广泛应用需要解决的关键问题

（1）   实现广域网上数字医疗完整多媒体信息的交互，医疗过程直接依赖于来自于患者的各类信息，汇聚信息的全面性是远程医疗广泛应用的基础；

（2）  实现实时数字多媒体远程医疗，利用先进的网络多媒体技术和通讯技术及核心产品，结合实时人机友好交互的系统应用软件，尽最大的可能消除空间距离，达到身临其境的现场感觉；

（3）   数字远程医疗各系统之间医疗多媒体信息兼容，满足分布式和自组织建设的远程医疗网能够互联互通。

2. 远程医疗的关键技术，产品和系统:

网络视频服务器

我们的目标是将可视的信息化技术应用丁新一轮数字医疗发展,该新一代可视信息化的特征是将医疗业务流变成可视的、能在任何时间、地点获取、共享和发布的医疗信息数字流,从而消除了地域和时间差异，该实时、互动的可视多媒体信息流服务于数字远程医疗各系统应用.通过我们持续的研发创新,为数字远程医疗的用户按需开发满意的网络化可视化的信息终端,（网络视频服务器）应用软件及网络服务平台（例,）,实现高清晰和实时互动的远程会诊、远程医技教育、院际信息共享、远程监护等数字远程医疗.

我们的网络视频服务器技术,产品和系统已成功应用于国家发改委重点项目中国最大的网络视频远程医疗系统（xx省150家医院）.我们的技术方案简单易行,在新建和原有的系统接入我们的“嵌入式视频服务器”，它将成为多媒体的通信节点和信息流的终端，再配合我们按需定制的数字远程医疗应用管理软件，就可实现任何时间、地点均可获得的可视远程医疗数字流服务.其特色:

1）系统主要建立在标准SIP（网络视频服务器）协议（下一代网络标准协议）的基础上，能与其他多种网络设备和系统实现互联互通。

在该平台的基础上能构建大型的医院或社区医院综合管理平台，能对现有的设备以及系统进行综合管理，同时它的扩展性很强，我们已在上面开发出各种行业应用，如实时监护,网络教育，办公自动化和远程医疗等。

2）系统含有完整的数据安全和设备安全的管理系统结合先进的电子地图功能，它能实时的监视系统设备的工作状态以及报警信息。

本系统还包含了整套应急指挥系统，能对平台以及设备的各种工作状况和报警信息进行管理，这些信息和处理结果可以通过不同的途径通知管理人员和领导,适合于各种远程监护。

3）     系统使用的方通科技的NewStream视频服务器（编码器），其采用优化的H.264等先进的嵌入式图像数据压缩技术，具有高清晰，低带宽，功耗低，高集成（名片大小）的特点，已将其安装到普通摄像机中成为网络摄像机，在电信的网络上流畅的传输实时的音视频图像。

2.1 远程医疗系统基本组成:

网络视频服务器

2.1.1宽带网络：

光纤（或非光纤）局域网和互联网

网络通信的基础设施是实现数字化的信息流的必要条件之一，目前网络通信设施包括长距离（全球）连接光纤宽带通信设施，本地接入的电话线（ADSL）网及无线宽带的网络（WiFi，3G等）这些宽带通信设施使得无处不在的信息数字流接入成为可能。

2.1.2.多媒体信息流的终端:

新型的嵌入式网络视频服务器，PC电脑，手机

信息数字流接入终端主要是PC电脑，智能手机，新型网络多媒体服务器。

这里特别要着重讨论的是数字化信息流的一个关键技术设备，一种新型的多媒体数字设备——称为“嵌入式网络视频服务器”，它是新型网络多媒体信息流的通信节点，也是服务终端。

其关键技术如下，

A.   网络视频服务器具有多媒体信息处理的核心功能，包括将摄像机的视频数字化，压缩编码成小的数字流，将采集到的音频数字化压缩编码（H.264），也可以接受网络的数字音频，解压播放从而实现监听和对讲；具有232和485的控制命令和各种传感器数字采集的接入通信，及报警器的输入和输出通信，该网络视频服务器将这些视频，音频，数字命令信号和数据采集及报警信息一起打包流向网络的其他通信节点和终端。

因此该嵌入式网络视频服务器的视音频处理能力的提升，实现高清晰的视频压缩并且使其占用极少的带宽和存储资源将成为数字化信息流的关键技术。

B.   网络视频服务器有强大的通信服务功能，能够按“统一通信”和NGN的通信协议实现与各网络节点和终端的互联。

C.   网络视频服务器具有强大的有线网络和无线网络扩展接入功能，通过USB口可以接入带无线局域网（WLAN，WiFi）和接入3G宽带无线，要实现有线和无线互相切换，也可以进行双网络通信传输，扩展了通信安全通道，实现了无处不在的网络接入。

D.   该嵌入式网络视频服务器可带有内置和接插接拔的外接存储器如小硬盘，闪存盘（U盘和SD卡等），它可以把多媒体信息存储下来，作为备份和信息共享，相当于在网络上的信息内容的节点和存储服务器。

E.   该网络视频服务器有高的信息安全和稳定性，用Linux内核嵌入在设备中，不受任何病毒的传入。

F.   多视频分辨率和码流：

随着网络的特点选择码流和相应的视频的清晰度（分辨率），如手机网络就比较窄要选用自适应的低分辨率和低码流。

将嵌入式网络视频服务器的小型卡集成到普通的模拟CCD摄像机或CMOS数字摄像机而成为一体的网络摄像机或网络球机（如下图）

2.1.3 网络视频远程医疗服务平台

具有以上A到F核心功能的嵌入式网络视频服务器是网络视频远程医疗中信息数字流的关键技术设备。

它与之按需求设计的网络视频远程医疗多媒体服务平台软件和公共远程医疗网站（例:

）一起，将提供给我们随时随地的多媒体信息数字流的服务（如下图如示）。

如上图:

 A前端设备--嵌入式视频服务器/IPCam（A1）发送前端设备的IP地址和端口（A2）到C系统管理服务平台的网页服务器,其转发（C1）注册/查询设备/用户所在区域（C2）到数据存储中心,一旦B.电脑/手机用户登录cooview网页（B1）验证权限（B2）并转发（C1）查询设备/用户所在区域（C2）,将选中设备的多媒体内容发送视频传输指令（B3）,可以选二种方式发送视频多媒体传输:

（1）对只有几个参与的互动视频直接传输到用户（A3）

（2）对于有大量参与互动的展示和视频会议,将A前端设备发送视频到转化服务器（A3a）经视频转发单元服务器视频经转发到用户（C3）.        

这套医疗多媒体系统平合消除了地域和时间差异，把多媒体流变成可视的、能在任何时间、地点获取、共享和发布的医疗信息数字流.

2.1.4公共远程医疗网站

医生，病人和家属好友各方能在授权范围内在，让用户在全球在任何时间和任何地点都方便参与，最方便的方式是登录和访问一个公共的网站,象使用电子邮箱（email）一样方便和简单，基于这个目的我们建立公共远程医疗网站，（）登录后输入用户名/密码（如下图）,

  进入后就看到你授权的专有数字远程医疗相关的服务：

远程会诊、远程医技教育、院际信息共享、远程监护等。

这些数字远程医疗的服务主要是包含三项主要功能：

 2.2网络视频多媒体监看（护）：

其最简单的应用是远程能看到实时的病人和医生的现场视频，进一步的应用是可以远程监护和控制相连结的设备，如控制摄像头的转动和缩放以看清更多的视频信息，控制相连结的其它设备操作和开关，启功对讲功能可以交谈；总之能让参与者随时随地在手机和电脑上看到网络视频，获得可视信息；

2.3 多方多媒体视频远程会诊

     远程视频会诊室的总体布局可分为计算机网络、音视频采集和音视频编码服务器,电脑与显示（或投影）设备控制等四大部分。

（一）计算机网络：

计算机网络采用三级体系结：

 1.会议室人员的计算机，显示扩音控制系统，流媒体服务器和视频会议,展示和监控智能控制服务器都接入到会议室局域网络；

2.会议室局域网络通过网络连接设备接入该区域专用网络，网络连接设备可以控制该会议室音视频数据流是否发到该区域专用网络，并控制远程终端是否可以接入该会议室局域网络；

3.该区域专用网络内的内容，通过隔离设备转入因特网。

三级网络可以充分保证会议室的各个用户，该区域专用网络及远程网络上的已认证用户之间进行实时安全的信息交互。

（二）音视频采集编码和远程视频会诊（会议）

远程视频会诊室的扩音设备来控制各扩音器,会议室上各摄像机,显微镜,B超等的视频信号和高清晰混音器的音频信号输入到NewStream视频服务器，其含内置密码并对输入的音视频信号进行数字化,采用先进的音视频数据压缩格式H.264标准的码流，经授权的用户在连入该区域专用网络的计算机或手机上使用浏览器收看视频会议实况,多媒体会议室之间可以互动讨论.

远程视频会诊（会议）系统将远程会议室的影像信息通过该区域系统专网与视频会议系统连结，将不同地域的几个会诊（会议）室和视频会诊（会议）活动影像在同一时间内在同一显示屏幕显示出来，这样在视频会议内就可以通过大屏幕投影观看同一时间内的多个会议室视频会诊（会议）。

医学专家可以通过计算机与远程（异地）会诊（会议）室的视频会活动交流，同时将影像通过显示设备。

（三）多方多媒体远程视频会诊:

视频,白板,语音和文字互动讨论

多方远程视频会诊的医学专家同时实时地看到会诊对象的视频和相关检查的视频（摄像机,显微镜,B超等）,可以同时看或切换着看单个视频,一旦其中一方的医学专家想对看到的视频进行讨论时,他可以点白板功能（如下图）,这时当时实时视频的画面就被截取下来成一张画片嵌入白板,各方医学专家可以拿工具栏的画图工具圈画重点区（如下图画的圈）,同时写字上去,并可以在文字交流区对各方作即时文字通信交流（象QQ和MSN）.白板讨论后可以保存到电子病历中,然后回到视频区选择新一轮要讨论的实时的视频内容.

（四）多方多媒体远程视频会诊电子病历:

多方多媒体远程视频会诊可以创建一个电子病历或调用上一次或历史存档的电子病历,这包含着会诊对象的基本信息（如下图）,和每次讨论和会诊的结果.这个电子病历可与标准的数字医疗标准要兼容,实现分布式存储,可跨区调用研究和会诊.

2.4远程医技教育和院际信息共享

多方实时多媒体远程视频会诊系统可用远程医技教育和院际信息共享系统,将典型医学会诊视频录制下来可结合电子病历作为医技教育的多媒体教材.

3. 远程医疗的关键技术问题讨论

3.1多媒体远程视频清晰度和稳定性

目前采用的都是基于普通电话线通信（ADSL）具有投资少、通信费用低、易于普及等优点，具有带宽太窄（512Kbps）的问题,要达到标准DVD视频清晰度,一般视频压缩（MPEG4,H.264）要2-3Mbps带宽,高清晰的视频压缩（标准DVD）并且使其占用极少的带宽（512Kbps以内）和存储资源网络视频服务器将成为远程医疗的关键技术.

新的电话线通信（VDSL）带宽已加宽到1.5-2M,远程医疗最新的需求是希望用高清（HD）DVD视频清晰度,如HD720P（1280x720像数）和HD1080i（1928x1080像数）,这清晰度比标准DVD（720x576）分别高2.6和5倍,一般需要8-15Mbps带宽,这需要光纤接入的宽带传输.因此在高清HD720P若能压缩到1.5-2Mbps在电话线通信（VDSL）带宽上传输,这对远程医疗应用有实际意义,深圳方通科技有限公司的“嵌入式高清网络视频服务器”巳将高清HD720p视频压缩成1.5Mbps,实现了“视频在电话线中能传得同在光缆中一样快”,这关键技术将推动远程医疗广泛应用.

3.2网络视频远程医疗稳定性

基于普通电话线通信（ADSL,VDSL）的广域网本身就有带宽稳定性的问题,这将导致传输速度变慢、语音延时长、连接不稳定、图像不清晰等致命弱点，严重影响了远程会诊工作的质量和医生患者的积极性.解决网络视频稳定性的关键技术是网络视频服务器智能通信,预测网络的带宽尽量保证压缩的视频带宽低于网络的带宽,使得视频能平均实时地稳定地流出.

3.3网络视频远程医疗兼容性

网络视频远程医疗兼容性的关键是采用网络视频服务器国际标准的视频压缩标准（如H.264）,流媒体协议标准和下一代网络标准协议（SIP协议）,在这统一标准下实现设备和多媒体数字流的互联互通.我们的系统是依据以上的国际标准,我们的创新点是在国际标准视频压缩标准（如H.264）上进行对视频压缩的优化来降低码流提高晰度.

电子病历要与标准的数字医疗要兼容,实现分布式存储,可跨区调用研究和会诊.

4.结论

远程医疗被认为是二十一世纪最有发展前景的一门科学，已成为国内外医学界发展的热点，它将创造医学史上的奇迹，真正地造福于人类。

它基于高清晰嵌入式网络视频服务器结合的远程医疗系统软件，使得多方医生远程看病人和实际查看讨论医学检查资料，对重要的视频内容可截取下来，放入白板画面，各地专家通过网络在该图片上标识自己看法并可进行即时的文字和语言交谈,最后可以生成数字化和可网络化共享的电子病历,实现了可视的医疗信息能在任何时间、地点获取、共享和发布,从而消除了地域和时间差异，使实时、互动的可视多媒体信息流服务于数字化医疗.

第二节构建远程医疗的三大关键技术

根据远程医疗的定义，远程医疗被认为是远程通信技术、信息学技术和医疗保健技术的结合，因此，如图7-2所示，医疗保健、远程通信、信息学等技术便构成了远程医疗的三大关键技术。

图7-2远程医疗的支撑技术

1.用于远程的医疗保健技术包括医疗专业人员的诊疗技术和临床检测工程技术，例如，对心电图、血压、血氧等生理和电生理参数的检测技术，B超、CT等医学成像技术，血、尿、体液的各种生化含量指标的检测技术。

由于远程医疗的特点是患者在远地，有些面对面就诊时可以获取的信息可能无法或无法直接获取（例如触摸等），因而对医生提出了更高的要求，同时也为工程师们提出了新的课题。

对于医院内和医院间两个层次的远程医疗应用，现有的临床检测技术所面临的问题是如何数字化以及联网传输。

目前，医院所使用的大部分检测设备尚缺乏这些功能，只有部分新的设备提供联网接口。

对于医院与院外层次上的应用，还应发展无创医学检测技术以适应院外医学信息检测的需要。

总之，现有的医疗技术要应用于远程医疗还有许多技术上的问题有待解决。

2.远程医疗的第二个技术支柱—远程通信技术在最近十年中得到了长足的发展，为远程医疗应用提供了强有力的技术支持。

远程医疗中传送的医学信息主要有数据（data）、文字（text）、视频（video）、音频（audio）和图像（image）等形式。

其中数据和文字信息的数据量小，对通信要求不高。

视频和音频信号数据量较大，而且在远程会诊和交互式会议中需要同时传送视频和音频信号，因此对通信要求较高。

医学影像信息根据实际应用要求的不同分为静止图像（stillimage）和运动图像（motionimage）。

静止图像一般为一幅或几幅医学影像，如X光片或CT图像，传输的实时性要求不高。

运动图像要求显示一系列变化的图像，对实时性要求高，对通信网的带宽和传输速度也都有较高的要求。

根据远程医疗应用中传送的信息量大小和实时性要求的不同，远程医疗中采用的通信技术通常有：

（1）日常使用的程控电话网，其传输速率较低，典型值为9600bps，目前能达14400bps，19200bps甚至38400bps，常用于传送文字和数据，费用低。

（2）交互电视（IATV，InteractiveTelevision），这是窄带网络，传输速率为384kbps，可以同时传送视频和音频信息，常用于远程会议，对精神病患者进行远程诊断等对图像分辨率要求不太高的场合。

（3）由双绞线组成的局域网，最常用的传输速率为10Mbps，能实现多种信息的传送。

（4）光纤网，这是高速网络，传输速率为100Mbps，传输距离可达几十公里，抗干扰性好，但其成本高。

（5）综合业务数字网（ISDN，IntegratedServicesDigitalNetwork），是一种全数字网络，分为窄带ISDN（N-ISDN）和宽带ISDN（B-ISDN）两种。

N-ISDN可利用现有的电话电缆为物理传输介质，用一个单一接口提供各种服务。

其接口为2B＋D，包括两条64kbps双工的B通道和一条16kbps双工的D通道，总速率为144kbps，可以同时传送音频和视频信号，实现远程会诊讨论。

B-ISDN采用光纤传输，速率从150Mbps到几个Gbps，能实现高清晰度电视服务。

（6）卫星通信技术（MSC，MobileSatelliteCommunication），通信速率在10kbps至100kbps之间，其优点是信息传送距离远，常用于远程教育、监护和急救。

远程医疗还运用微波通信、无线广播、无线蜂窝通信等多种通信技术，并将随着通信技术的进步不断采用新技术。

远程医疗研究中另一个重要的关键技术是信息学技术，包括各种医疗信息的检测、采集、存储、显示、处理、查询、管理技术以及各种数据库技术。

在远程医疗的网络传输中，为了获取院外寻求医疗服务对象的体征信息，无创的传感技术是其实施的关键。

正是由于体表心电图检测的无创性以及心脏病的高发性，心脏远程监测才得以迅速发展起来。

与此相对应，血糖的监测对于糖尿病患者也是非常重要的，然而，由于尚缺乏无创血糖检测技术而未能投入应用。

为了进行远程医疗活动，检测到的医学信息应首先经模数转换变为数字信号方可进行传输。

目前的模数转换技术已可实现很高的采样精度和采样率，基本上可以满足远程医疗的需要。

对于具体的应用应根据采样定理来选择合适的采样率，同时根据临床诊断要求选择合适的采样精度。

随着远程医疗的进一步发展，无论是离散的临床体征信息，还是医学或图像信息，都将是海量的。

因此，将采集的医学信息存储是一个技术难题。

目前不仅有数据库，还有数据仓库用于解决这一问题。

随着存储技术的进步，存储容量的矛盾将得以缓解。

同时，人们也在研究适用于医学诊断的数据和图像压缩技术。

医学信息不仅对诊断至关重要，同时还具有法律效应，不仅是存储量大，一般还需在病人去世后再存放10年至30年以备查询。

为此，最近德国、奥地利、瑞士推出医疗信息远程存储中心模式。

该中心将为多个医疗单位提供以存储量付费的公共海量信息存储服务，其目的在于：

一方面减轻医院为建立各自的海量信息存储器所需费用的经济压力，另一方面有利于采取统一的办法确保信息存储的安全和可靠性。

信息显示技术对远程医疗而言是关系到诊断准确性的技术。

一方面是由于医生一般习惯于看胶片和打印出的曲线图，而在远程医疗中，所有信息都将由显示器显示。

另一方面则由于显示器的分辨率有限，如何保证诊断信息的无损保真显示还是一个有待解决的问题。

此外，若能将信息动态地、多维地、融合地显示出来，则将对诊断提供更多的且传统方法所不及的信息，更好地为医疗服务。

有关显示器的选择方案将显得尤其重要。

医疗信息的处理技术将在远程医疗中发挥重要作用。

数字化的医学信息为医疗信息处理展现了广阔的天地，可以预测，所有的医疗信号和图像处理技术都将应用于远程医疗中，这些应用不仅可以推动远程医疗的发展，还将推动医学的进步。

对于海量的医学信息，如何管理和查询以及数据库技术能否取得突破性进展将面临挑战。

医疗信息的特殊性将为信息查询提出新的要求，例如，基于诊断的查询、病类的查询等等。

海量的医疗数据库还将为统计医疗提供用武之地，大量临床信息的纵横分析将揭示新的医疗现象和规律。

所以，能够便利地查询和分析医疗信息也有利医学学科的发展。

总之，除了以上三种技术应用于远程医疗外许多现代科学技术的成果将也在远程医疗中得以应用，同时，这些应用也将促进科学技术的进一步发