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）