（生物医学工程专业论文）一种纯Java的分布式远程医疗系统.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 系统的各种性能都已经实现，试验验证系统在各个方面实现了预定的功能，可 以实现基本的远程会诊功能。 关键词： 远程医疗，j 2 s e ，j 2 e e ，实体b e a l l ，d b c ，r i b n s a c t i o n ，j p e g 东北大学硕士学位论文 第一章远程医疗概述 第一章远程医疗概述 1 1 远程医疗的概念 远程医疗是狭义上的远程医学，它包含远程会诊，远程护理，远程医疗教学等 等。美国学者对远程医疗系统做了如下定义：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的人群提供医疗服务。这种系统包含远程诊断、信息 服务、远程教育等多种功能，它是以计算机和网络通信技术为基础，针对医学资 料( 包括数据、文本、图片和多媒体资料) 的技术，进行远距离视频、音频信息 的传输、存储和查询以及显示。 远程医疗是随着计算机技术和远程通信技术的飞速发展并与传统医学想结合 而产生的一门新兴的学科，现在它已经渗透到医学的各个领域。由于远程医疗几 乎可以做到不受地域的限制，因此利用它可以最大限度的共享医疗资源，使新的 医疗技术得以迅速的推广和传播，因此具有广阔的发展前景【l l 。 远程医疗带给医疗领域是一种革命性的新概念，使得医学专家足不出户可以服 务世界各地的病人，同样的病人也不必远途奔波，在家里便可以获得世界各地的 医疗专家咨询服务。远程医疗运用计算机、通信、各种医疗设备和医疗技术，通 过数据、文字、语音和图像资料的远距离传送，实现专家于病人、专家和医务人 员的异地“面对面”会诊。有飞速发展的信息、网络和数据库技术做基础，远程 医疗的功能和作用也必将越来越大。 1 2 远程医疗系统的历史 五十年代末，美国学者w m s o n 首先将双向电视系统应用于医疗；同年，j 曲a 等人创立了远程放射医学。此后，美国不断有人利用通讯和电子技术进行医学活 动，并出现了t c l e m e d i c i n e 这一词汇，也即现在国内文献中的“远程医疗”或者“远 程医学”。从年代以及所涉及的领域划分，远程医疗可以分为三代【2 】： 第一代远程医疗 六十年代初到八十年代中期的远程医疗活动可以看作是第一代远程医疗。这一 阶段远程医疗的发展是非常的缓慢的。分析其原因，当时的信息技术还不够发达， 网络技术的发展刚刚开始起步，这时远程医疗发展的客观条件还不成熟。从深层 次来看，远程医疗的发展是不可能独立于网络、通信和计算机技术发展的。它的 发展必须依附于信息系统和信息技术的发展，因此在信息技术发展的初级阶段是 不可能有先进的远程医疗系统的。此时，在美国有两个富有代表性的远程医疗的 东北大学硕出学位论文第一章远程医疗概述 直接为中闻层的w 曲服务器提供数据。这一层的数据群可以是一个分布在 多个圭羲上豹数缀痒，氇霹獗是在一个圭撬上戆多个数禚疼。 这种体系结构的主要特点如下： 1 、安众性：由于中间层的w 曲服务器，提供了更加完备的安全管理功能，使 系绫翁安全性大大提裹， 2 、稳怒性：数据分布于多个羔枫使系统的稳窥性得到了锻好的提高。熬个系 统不会因为某个主机的崩溃而崩溃，相反。系统可以做到在一个或糟几个 数据库服务主机停止工作的祭件下，继续诚常的工作。使得数据的安全性， 耪系统静稳定魏帮褥到了僚潞。 3 、易维护：系统的分工明确，结构清晰，使得系统的维护和升级变得j # 常的 方便。层次分明，使得各层的升级和维护正作可以独立的进行，互不影响。 4 、离饿隧：分布式结槐的一个巨大蛉优点便是，一个任务可以由多个主枧犀 嚣势行羟瑗，簸大程度主爨纯了系统资源貔摹| j 霜。 5 、系统的扩展灵活：当系统的任务过于繁重时，w 曲服务器层和数据库服务 器朦都可以独立的进行扩展，分布到多个c p u 上。这些变化对客户端不见， 或嚣浚是透明鲍，客户蝼感擞到豹疑是牲辘熬提裹。 在1 9 9 1 年，美国在海湾战争中成功的利用了邋程医疗技术，可以说是远程医疗 在军事上威用的典型。1 9 9 3 年的索玛照维和行动中，美国对全球远程医疗活动进 行了尝试，初步确定了前线阵地远稷医疗系统的撼本组成，即包含空中卫激、数 玛豢缘掇、一台毫弦爨及鍪要豹软黪、移魂全稼銎晷接毂装璧。整个维窝萼亍麓孛， 多次利用此系统进行前线医疗服务支持，减少了伤员运送，提高了后勤部队的保 障能力。为实现建设信息化部队的目标，1 9 9 4 年，美国国防部建立了远程阪疗试 验台( d o dt e l e m e d i c i i 摊t e s t b e d ) ，霸动了多种遂穰医疗项目，其主要目标就是实 魂数字纯技术在远程罴疗孛静应雳，并将远程医疗纳入军酞服务医学系统。 在欧盟网家里，由三个生物医学窳验室、十个大公司、二十个病理学实验室和 1 2 0 个终端用户参加了一个远程医疗系统的推广试验，推动了远程医疗的发展。 1 9 9 0 年，褰美藿家共鸯鞘令远程医疗豹工程，利麓l 越v 绘霉户绳珙远程医疗黻务； 1 9 9 4 年即增加到五十个i a l v 中心。澳大利亚、南非、日本、番港等国家和鳓区也 相继开展了各种形式的远程医疗活动。1 9 9 8 年1 2 月，前苏联亚燕尼亚共和阑发生 强烈地震，在美苏生理联合卫生小组的支持下，美国国家宇航局首次进行了国际 瘸翡运疆藩疗，壤委美建亚懿一家瓣鲩帮美国豹蕊家嚣貔连瀵会渗。不久这套系 统在俄罗斯的一次严重的火车事故中再次得到应用。在这两次事件中，远穰医疗 初步显示了它跨国界，跨地域，跨文化的突出优点。 一项数摄表明，在1 9 9 3 年，美匿秘鸯l 拿大约裔2 2 5 0 大逶过逡程医疗系统裁诊。 仅在1 9 9 4 零豹蓠半年，美国裁约有5 0 0 入遥过远程涎疗系统透露心理咨诲。 3 东北大学硕士学位论文 第一章远程医疗概述 1 3 中国的远程医疗发展状况 在我国，随着经济的发展，人们生活水平的提高，和信息技术领域的进步，远 程医疗有了长足的进步。广州远洋公司自1 9 8 6 年对远洋货轮船员的急症患者进行 了电报跨海会诊，可以说这是我国最早的远程医学活动。我国现代意义的远程医 疗活动开始于八十年代。1 9 8 8 年，解放军总医院通过卫星与德国一家医院进行了 神经外科远程病例的讨论。1 9 9 4 年上海医科大学与上海交通大学用电话线进行了 远程医疗会诊的演示。1 9 9 5 年三月，山东姑娘杨晓霞手臂不明原因的腐烂，来北 京求医。会诊医生遇到困难。因此通过i n t e m e t 向国际社会求助，很快2 0 0 多条信息 从世界各地传到北京，病因最终被确诊为一种噬肌肉病菌，有效的缩短了疗程。 同年4 月1 1 日，一封紧急求助( s o s ) 的电子信件通过i n t e m e t 从北京发往全球，希 望挽救一名女大学生的生命。1 0 日内，便收到了来自世界各地的e - m a i l 近千封，相 当多的意见认为是重金属中毒，并被临床检验所证实( 铊中毒) 。这两个例子在国 内引起了巨大的反响，并使中国人从此认识了i n t e m e t 和远程医疗的巨大用途。 在最近十几年当中，伴随着计算机和网路通信技术在中国的飞快发展，远程医 疗也以空前的速度发展起来。1 9 9 7 年7 月，中国金卫医疗网络即卫生部卫星专网正 式开通。与此同时，一大批基于h l t e m e t 的远程医疗网络相继出现。到现在为止， 在中国已经有数百个远程医疗的成功的例子。其中包括，动态电视直播会诊，国 内专题讲座，学术交流和手术观摩数十次。通过这些活动极大的推动了中国的远 程医疗的发展。远程医疗作为将信息技术应用到医疗领域的前沿技术领域，代表 了我国医疗水平的进步。 1 9 9 7 年9 月，中国医学基金学会成立了国际医学中国互联网委员会( i m n c ) 。 该组织准备经过十年三个阶段：电话线阶段、i s d n 互联网阶段和卫星通讯阶段， 逐步在我国开展医学信息及远程医疗工作，目前已开展了可视电话系统的远程医 疗。 我国是一个幅员辽阔的国家，医疗水平的地域差异比较大，特别是广大农村和 边远地区。因此，由于其跨地域特性，远程医疗的发展在我国有特殊的意义。我 国的远程医疗领域虽然发展较快但是由于起步较晚，现在离国际先进水平还有一 些差距。现在我国的远程医疗工作主要是建立在i n t e m e t 基础上的一些具体的应用 项目，如提供信息的查询门诊的预约等。我国的远程医疗范围基本上可以划分为 以下几个领域：l 、点对点的远程会诊一一会诊双方使用建立在网络基础上的视频 系统进行面对面的探讨和交流；2 、全面的远程医疗系统网络一一可以管理病人病 历，可以进行网络专家会诊会议等。我国在经济上和信息技术领域都与国外的先 进水平有一定的差距，但是我国对于远程医疗的潜在的需求却比任何一个国家都 要大，因此我们在这个领域还需要做很大的努力来使它不断完善，以解决我国医 4 东北大学硕士学位论文第一章远程医疗概述 疗水平的地域差异的问题，提高我国的总体医疗水平。 1 4 远程医疗的设计原则 远程医疗的内容很丰富，包含的功能多种多样。它可以是一个集成多种功能的 大型的网络应用程序，也可能是一个功能简单的普通w 曲网站。针对的功能不同， 往往设计的侧重点也不尽相同，遵循的原则也有一定的差别。但是，千差万别当 中还是有一定的普遍性在里面的。 首先，远程医疗是将信息技术应用到医疗领域的新兴技术。医疗领域对于安全 的特殊要求也体现在远程医疗之中。系统的安全性是远程医疗系统的最基本也是 最重要的要求。譬如，在远程手术中，系统必须可靠稳定，数据传输必须快速准 确，系统的设计必须严密周到。远程医疗系统往往要存储大量的病人信息，系统 必须保证这些数据的安全。当然，在三层设计的体系结构中，要保证这一点是不 难的，底层的数据库系统往往有相当周密的措施确保数据的安全。 其次，远程医疗系统面向的是病人和医生，因此它的用户界面应当简洁易用， 操作方便，设的人机交互的过程更加的人性化。同时，为了能使远程医疗得到尽 可能大的普及和推广，它的安装过程和升级过程应当是越简单越好，最好是安装 过程只需要点击安装向导中的“下一步”，而升级过程是完全自动进行的。 再次，在一个大的远程医疗系统中，随着系统规模的增长，系统的升级和维护 往往就变得越来越困难。在系统设计的最初阶段将这一点考虑进去，往往此时一 分的努力可以节省十分的系统维护的辛苦。从整体上来说，远程医疗是伴随着信 息技术的发展而发展的，其发展的速度非常的快，因此系统不可避免的要经常的 升级。所以，系统设计的最初就必须将系统的向后兼容性考虑在内。这样，可以 节省大量的不必要的重复劳动。 总之，远程医疗系统的设计应本着安全可靠，简单易用，易维护易升级的原则。 1 5 远程医疗的相关标准 远程医疗的标准主要是编码的标准。由于医学本身是一个庞大的领域，加上许 多新生的边远学科。统一编码是一个复杂长期的工程。 大型影像医疗仪器设备的图像标准格式d i c o m l 6 】( d i g i t a li m a 西n ga i l d c o m m u i l i c a t i o ni nm e d i c i n e ) 已经被广大的客户接受。美国国立图书馆的重大项 目一一统一的医学语言系统( u n i f o r n lm e d i c a ll a l l g i l a g es y s t e m ) 的研发已经进入 第十年。它以人工智能的方法汇集各种编码，词汇量达3 0 一4 0 万条，是当今最完 备的医学编码系统。其中主要的子集是s n o m e d 。s n o m e d 已经发展超过2 0 年， 其中3 5 版包括了1 5 0 万词条，分别组织在1 2 个不同的章节里。它包含了解剖学、形 5 东北大学硕士学位论文 第一章远程医疗概述 态学、正常和非正常功能、症状以及疾病体症、化学药品、酶及其它体蛋白、活 有机体、物理因素、空间关系、职业、社会环境、疾病诊断和操作。s n o m e d 的 每一个术语( 词条) 均有一个编码与之对应，在疾病诊断章节内，许多疾病的概 念还提供了许多与其它术语的参照关系。s o n m e dr 1 1 的测试版包括了1 8 0 0 0 0 个词 条，每一个词条都与一个概念相联系，概念的总数是1 l 0 0 0 0 条，包括了2 6 0 0 0 0 个 显式关系。1 9 9 9 年2 月在美国已经有三十多家单位开始试验使用s n o 枷e dr t 的测 试版，每个单位都有其测试的重点，例如：数据的采集，数据的提取，或者聚合 分析等应用。 h l 7 ( h e a l ll e v e ls e v e n ) 是一个非营利的组织，从事卫生保健环境临床和管 理电子数据交换的标准开发，h l 7 也是标准的名称，最新的版本是3 0 。h l 7 是美国 国家标准局( a m 耐c 眦n a 廿0 n a l 鼬m d a r di n s t i t u t e ) 批准的标注开发机构( s 切n d a r d d e v e l o p m e mo 曙l n i z a t i o n ) 。它建立了1 1 个技术委员会( c c o w 、临床决策管理和 阿登语法、数据仓库、教育、病人信息管理、建模和方法学、财务管理和病人护 理、术语) 。h l 7 拥有1 8 0 0 个会员，其中包含4 0 0 多家公司，包含了医疗卫生服务厂 商的9 0 。h l 7 公司已经在澳大利亚、加拿大、芬兰、德国、印度、日本、新西兰、 南非、荷兰、英国建立分支机构。最近又在我国、我国台湾地区和日本建立了分 支机构。最近宣布的h l 7c c o w 标准1 2 版本包含了基于w 曲的服务技术。 d i c 0 m 标准即医学数字成像和通信标准，有美国放射协会( a c r ) 和国际电 子制造协会( n e m a ) 共同制定。d i c o m 标准致力与更有效的在医疗信息系统间 ( 如p a c s 、h i s i u s ) 、医学影像设备间( 如c t 、m r 、c i 漕) 传输和共享数字 图像。迄今为止，d i c 0 m 共颁布了三个主要版本。c i e m ap sn o 3 0 0 1 9 8 5 ， v e r s i o n1 o ，发表与1 9 8 5 年，1 9 8 6 年正式成为标准；c 啪m ap sn o 3 0 0 1 9 8 8 ， v 嬲i o n2 o ，1 9 8 8 年颁布为标准：d i c o mv e r s i o n3 o ，源自a c r m e m a 的前两次 标准，于1 9 9 3 年发布。每年，a c r n e m a 都推出d i c o m 3 o 的修正草案，目前最 新的版本是d i c o m 3 o ，这是2 0 0 0 年的最终草案标准。相对于以前的版本， d i c o m 3 o2 0 0 0 明确地划分了设备应遵从地标准范围，更加明确了信息实体，强 调了基于多元文档地结构、基于t c p i p 地协议和使用于网络的环境。 为了使一个远程医疗系统，与其它的系统兼容，在设计时应该尽可能的采取国 际公认的标准。 1 6 远程医疗的关键技术 近年来，随着计算机性能的大幅度的提高以及高速的通信网络的迅速发展，计 算机的计算能力和网络的通信速度为远程医疗提供了发展的广阔平台。远程医疗 和信息技术是息息相关的：远程医疗的发展必须依附于信息技术的发展，远程医 6 东北大学硕士学位论文第一章远程医疗概述 疗关键的技术实际上就是信息技术应用到医学领域的关键技术【8 】。 一般来说，远程医疗的关键技术包含如下几个方面： l 、系统的集成：远程医疗系统最终要和p a c s 、砒s 、h i s 等其他系统集成到一 起，这涉及到可行的系统集成技术。 2 、存储方式：包括存储容量和影响到病人信息( 包括影像，诊断信息) 的存 储方法和存储的速度。 3 、传输控制方式：远程医疗有其独特的地方，信息的传输距离一般较远，在 某些特殊的情况下数据量大，数据往往需要经过多种不同性质的网络。因 此，有效的传输控制机制将在很大程度上影响系统的性能。 4 、显示：高质量的图像显示是构成远程医疗系统的重要组成部分，直接影响 到系统的性能。 5 、多媒体数据的压缩：根据不同的系统要求和网络传输速度选择相应的图像 和语音格式，以及压缩算法是远程网络会诊的最重要的技术之一。 6 、人机交互界面的设计：这是系统直接与人打交道的唯一渠道，人性化的友 好界面不仅可以提高远程会诊的效率，更深一层考虑，它还有利与系统的 推广。 从系统设计的角度来说，可集成性是必须考虑的关键问题。系统的集成有功 能集成、业务集成、数据集成三种集成方式。系统集成主要是从不同的系统的功 能的角度，通过界面重构实现对原有系统功能的集成。这种集成方式会由于不同 的系统的功能实现方式的差异，随着所要集成的系统的规模的增大而难度迅速增 大。业务集成即工作流程。它由一系列的活动相互连接，从而完成特定的业务， 这种方式一般不应用在远程医疗系统当中。数据集成方式主要是通过数据的交换、 数据格式的定义、规则的描述、数据的整理即再加工等。集成也就是将数据进行 共享、数据复制、数据迁移等。主要的问题是数据格式的转换、数据冗余以及完 整性的保持等。本文完成的系统采用了第三种集成方式保证系统的开放互联性。 用于医学显示的显示器需要有很高的分辨率。加州大学医学院放射学系通过 试验指出，观察气胸和肺间质异常或者骨骼的细微裂纹，需要分辨率为4 0 9 6 4 0 9 6 象素，1 2 位深度的数字显示器；而要在乳房片上发现微钙化现象则要求6 1 4 4 6 1 4 4 象素和1 2 位深度的数字显示点阵。这是一般的h i s 工作站显示器无法达到的。并且 这类显示器往往价格高昂，再很大程度上增加了远程医疗系统的造价。为了减少 成本，可以采用软件的方法来解决分辨率不够的问题。 图像压缩技术对于远程医疗的多媒体传输有着极为重要的意义。远程医疗系 统往往需要根据不同的网络带宽选择不同的压缩算法。采用压缩算法无疑会减少 对于网络带宽的要求，提高数据传输效率，但是这需要占用c p u 的运算资源。在 以前c p u 速度很慢的情况下，这是 x 东北大学硕士学位论文 第一章远程医疗概述 性能的提高，现在这方面的考虑基本上可以忽略，往往为了减少对于网络的要求 压缩比越大越好，算法的复杂程度和所需要的计算量往往并不予以考虑。目前j p e g 压缩算法已经广泛的应用于各种网络多媒体系统中。考虑到医学影像对于准确性 的特殊要求一般都采取无损压缩算法，压缩比一般在1 ：2 至1 ：4 之间。现在有一 些新的算法，像感兴趣区( r c g i o no fi n t e r e s t ) 算法，可以使压缩比率达到1 ：1 0 甚至更高。j p e g 2 0 0 0 1 1 1 1 作为一种适用范围广泛的图像压缩标准，越来越受到人们 的重视。今天正在使用的绝大多数远程医疗系统都有两种多媒体传输方式：存储 发送和即时发送两种方式。存储发送，顾名思义，就是将多媒体数据采集之后存 储起来，在以后需要的时候再从存储区提取出来，发送到远端。而即时发送，相 对于存储发送的方式，对于实时性的要求较高。对于远程医疗系统，时间延迟小 于o 5 秒的图像和语音传输便可以大致认为是即时传输。 1 7 远程医疗的发展趋势 预测未来的发展趋势，就不能不回顾历史。远程医疗到今 等，并且不同医院 之间的专家也往往需要能够进行远程医疗会诊，这就使得不同医院之间的his的互 连有重要的意义。事实上，现在我国已经有不少公司致力于大型互连his系统的开 发。东软一菲利普数字医疗公司的数字医疗网络已经做的相当的成功，并且在不断的发展当中。 远程医疗领域中的面对面可视化面对面会诊技术，是一个近来研究较多的领 已运用在桌面视频会议终端中。通过这种形式的交互式会诊系统，即使相隔千里 城市医疗中心仍然可以对偏远地区进行医疗咨询等服务。 远程医疗技术随着各种信息技术的发展，其形式越来越多样，内容越来越丰富。 现在的远程医疗系统不仅可以存储、传输各种医疗信息，还可以进行动态的面对 行动态监护，根据动态的情况随通过计算机系统做分析和诊断，并将诊断结果和 有针对性的治疗建议即时反馈给病人。有人曾经预言：医生将面对计算机，根据 东北大学硕士学位论文 第二章系统设计的软件工程论证 第二章系统的软件工程设计论证 本文设计的远程医疗系统t b j ( t e l e m e d i c i l l e b a s e d o nj a v a ) 是一个分布式系统， 它完全基于j a v a ，可以跨平台运行于多种操作系统。由于其分布式的特点，其服务 器端采用了j 2 e e 的体系结构，整个服务器完全建立在j 2 e e 平台之上。下面就从软 件工程的角度，对系统进行概括说明。 本远程医疗系统t b j ，在总体上是作为一个较大的软件项目而开发的，因此为 了系统开发的效率和质量，应该考虑采用软件工程上的原则和方法。在软件工程 上，一个大的软件项目大致都要经历八个阶段，即所谓的软件生命周期。在软件 设计的八个阶段中每个阶段都有一定的原则以及方法和标准。这八个阶段分别是： 问题的定义、可行性论证、用户需求分析、总体设计、详细设计、编码和单元测 试、集成测试和维护。下面就依次按照本系统开发的各个阶段，对系统做一个大 致的介绍，在以后的几章里，在对系统所设计的技术、系统的结构、系统的功能， 以及系统的评测进行详细的介绍。 2 1 项目的初步规划 每一个软件项目的开发首先要面对是问题的定义。问题的定义相当于为以后的 努力确立了目标和树立了靶子，以后各个阶段的工作都要按照这个目标的要求进 行协调和安排。当然这个目标也并不是完全的一成不变的，它往往会随着工作的 深入的进行适当的调整。在这个阶段里，我对系统的规模，和完成它需要的大致 时间进行了估计，确立它需要实现的基本功能和开发它采用的语言和平台。由于 t s b j 是一个试验性质的项目，因此没有考虑它的成本问题。当时对它的规模的估 计是一万行代码，时间的估计是一年，这些估计最终证明与实际情况是基本相符 的。大部分的主体功能都在这个阶段做了一个大致的规划，像图像传输，实时会 诊，网络会议聊天室功能，病人数据管理功能等等。我觉得这个阶段的工作非常 必要，它使我在头脑中树立了要设计的项目的明确目标，使得以后的设计都有了 方向，减少了盲目性。也是在这个阶段我通过调查和研究作出了采用j a v a 语言开发， 并且将系统建立在j 2 e e 平台上的决定。 做分布式的网络应用程序有两种主要的平台可供选择：微软的“n e t ”平台 和s u n 公司的j 2 e e 平台。经过仔细的考虑和比较，我采用了j 2 e e 网络应用程序平 台。j 2 e e 有许多优秀的支持网络应用程序的特色，并且它秉承了j a v a 语言的跨平台 特性，开发速度快，安全性高，因此我选择j 2 e e 做为服务器端的开发和运行平台。 首先j 2 e e 具有的跨平台特性是“n e t ”平台所不具有的。跨平台也就是s u l l 公 司所宣传的“开发一次，到处运行”的特色。这一特色，对于网络应用程序而言 】o 东北大学硕士学位论文 第二章系统设计的软件工程论证 有着尤为重要的意义，有了这一特色我们就可以将开发的网络应用程序服务器运 行在各种操作系统之上，像u n i x 、l i n u ) 【或者s o l a r i s ，而不是将它死死的绑定在 硼n d o w s 操作系统之上。还有一点就是将w i n d o w s 用作服务器的操作系统似乎是一 个不怎么明智的选择一一w i n d o w s 不够健壮，容易死机，如果用n e t 平台开发网 络应用程序那么除了w i n d o w s ，我们没有别的选择。为了使所开发的网络服务器程 序，可以运行在u n i x 等较健壮的操作系统，所以我选择了j 2 e e 做为开发平台。 其次，j 2 e e 的e n t e r p r i s eb 咄l 、j s p 、s e n ，1 e t 等是对任何一个网络应用程序开发 员都是难以抗拒的“诱惑”，这些技术使得网络应用程序的开发前所未有的简洁和 高效。并且，对于网络应用程序安全性，是不得不考虑的一个重要因素，特别是 像远程医疗这样涉及个人隐私或者重要信息的网络应用程序。j 2 e e 在安全方面， 为程序开发员做了周到的考虑，使得网络程序开发员可以花最小的精力，而得到 最大的安全性。 再次，j 2 e e 的数据库方面的特色也是我选择它的一种重要因素之一。网络应用 程序总是与数据库分不开的。j d b c 【l5 】是j 2 e e 提供的数据库连接访问机制，它使我 们可以在不了解具体使用的数据库的情况下，对数据库进行各种操作。这样就极 大的方便了我们将数据根据需要存储在不同的数据库中。 所以，在项目的初步规划阶段，我除了做好基本的设计规划外，还做出了选择 j a v a 语言和j 2 e e 平台作为我的开发平台的重要选择。 2 2 项目可行性的论证 项目的可行性分析是任何一个工程项目的重要环节。任何项目在开始设计以 前，必须进行可行性研究。对于一个软件产品项目的可行性论证，通常要对包含 技术上的可行性分析，经济上的可行性分析和时间上的可行性分析。只有这些通 过论证都是可行的，项目才可能进行开发实施。在我进行项目的开发之前，也进 行了比较详细的可行性论证分析。根据我要实现的系统功能，我对开发项目的工 作量进行了大致的估计。认为工作量大概会在两万行代码左右，开发这些代码估 计大约在一年的时间。 在技术上，我计划将系统建立在j 2 e e 平台，采用分布式结构。通过，p o i l l t b a s e 数据库和j 2 e e 的各种特色，可以实现系统的病人数据库和病例数据库的管理。通 过分析j 2 e e 的性能和特性，我觉得本系统基于j 2 e e 完全可行。同时，利用j a v a 多 媒体框架的多媒体功能，本系统的多媒体传输功能可以很方便的实现。同时利用 j a v a 的完善的网络功能和安全措施，项目的聊天室功能完全可以实现。这样，各个 大的模块功能都可以通过特定的j a v a 功能进行实现。因此，在总体上项目是完全可 行的。 东北大学硕士学位论文第二章系统设计的软件工程论证 2 3 用户需求分析 在这个阶段中，用户将向开发者描述期待的产品是一个什么样子。这对于 企业来说，是很重要的，因为它直接决定客户对最终产品的满意程度。虽然，本 系统是个人开发的试验性质的项目，这一步仍然是很重要的。因为它是面向医生 和病人的，必须考虑这些人具体的需要和期望才能使系统更加满足性能的要求。 在这个阶段，性能和用户界面的设计要求应该更加的明确清晰，而对于有些用户 并不可见的方面，像数据的传输的格式，数据库数据的处理，甚至是采用什么样 的数据库，在这个阶段都可以暂时不考虑。 首先，在病人客户端，需要有病人信息的存储功能，以及与专家进行交流的网 络功能，包括网络聊天室功能和多媒体数据即时传输功能，病人必须能够向系统 注册、登录以及上传自己的信息。由于系统包含了网络电话聊天功能，因此必须 考虑网络带宽限制的问题。因此，还应该加上多媒体数据压缩格式选择的界面， 以便在网络带宽较小的情况下仍然可以进行网络电话会诊。 其次，在医疗专家端，除了网络交流功能外，还应该有本人信息数据处理的功 能，向对于医疗图片的评注，c t 图片的传输等等。除了网络功能外，医疗专家端 还应该具有一定的数据库中的病人信息的管理功能。当然，为了系统的安全和信 息的管理方面的考虑，注册和登录系统是必须的。 对于一个客户一服务器结构的分布式系统来说，除了客户端以外，由于系统的 维护升级，系统信息的管理等的要求还必须有一个系统管理员，来负责这些方面 的工作的要求。因此，系统设景了一个管理员用户，来进行系统的管理和维护。 管理员用户应该具有最大的权限，可以管理系统的客户信息，可以删除用户，增 加用户，可以查看客户的信息。当然，客户的隐私方面的信息，只对客户可见， 除此之外对任何人都是不可见的。 2 4 系统的总体设计 在软件工程上，这个阶段的主要任务是如何得到一个能够实现用户需求的理想 的系统结构。所谓的理想的系统结构，一般有如下几个要求：能够实现系统需 求阶段规定的功能；系统容易设计和实现；0 系统必须易维护、易操作和易升 级。在结构设计中应该采用模块化设计和自顶向下的设计原则。采用模块化设计 的方法，大的功能模块可以通过层层细分转化为，许多小的功能模块进行实现。 这样既是将大的系统转化为小的功能模块又是将难的问题转化为简单的问题，对 于企业来说可以方便不同部门和不同员工之间的协作，而对于程序员来说可以极 大的提高所设计程序的可读性，提高程序的规范性和促进系统设计源代码的可读 性。采用模块化设计，首先需要系统的总体结构科学合理，模块之间的接口定义 1 2 东北大学硕士学位论文第二章系统设计的软件工程论证 图2 2 网络会诊多媒体处理流程结构 f 喀2 2n i ep m c e s so f m u n i m e d i ad a t a 咖a i l l 首先，数据从数据源( 多媒体文件或者动态捕捉) 获取，经过d e 姗l h i p l e x e r 类 进行频道的分离，通过j “a m e d i af r 锄e w o r k 所带的p l u 百n 分别进行效果处理。然 后通过c o d e c 编码解码器进行格式的转换等工作。再经过p l u g m 进行效果处理，然 后将数据输入到m l l l t i p l e x e r 进行多媒体数据的合成。合成后的数据可以通过克隆生 成三种数据源，一个用作存档到本地磁盘，一个用作本地回放，另一个输入到 s e s s i o nm a n g a g e r 发送到网络的远端。 网络聊天室的的结构和功能相对较简单。网络聊天室采用的都是分布式的结 构，每一个客户端都有一个监听网络的s e r 、，e r s o c k e t 对一个系统规定的端口8 0 8 0 进 行监听。这个端口是系统的聊天室功能默认使用的统一的端口。每当一个客户端 想连接到另一个客户端的时候，就尝试与远端客户的此端口建立s o c k e t 连接。此时， 如果远端客户在监听此端口那么s o c k e t 连接此时便可以建立了。当s e n r e r s o c k c t 接 受了对方连接的请求以后，便生成一个s o c k e t 的连接。此时，两个客户之间的一个 基于t c p 的s o c k e t 连接便建立起来了。在本系统中，每一个s o c k e t 连接都有一个负 责通信的类l i r l l 沮a d l c r 来管理。每一个l i l l l 沮锄d l e r 是一个线程，它具体负责其 s o c k e t 连接的通信。它在s o c k e t 连接受到数据以后，从r e c i e v e b u 肌r 中读取数据， 并且将数据送到用户界面的管理类c h a 儇o o m 进行显示，同时将收到的字符串存储 到本地主机上。当本地主机要发送字符串的时候，l i n k h a i l d l e r 将字符串写入到 s e n d b u f f 醯中，由系统负责发送。 1 5 东北大学硕士学位论文 第二章系统设计的软件工程论证 图2 - 3 网络聊天室功能分布式结构示意图 f i g 2 31 1 1 eo v e m l ls t n j c t u r eo f t l l ec h 枷n gr o o ms u b s y s t e m 2 6 编码和单元测试 这个阶段是系统的具体的实现过程，要对已经设计好的功能模块进行编码和模 块测试。模块测试又称为单元测试。这个阶段要根据应用的性质选用合适的程序 设计语言。在可能的情况下，应该选用适当的第四代编程语言，也就是面向对象 语言最典型的像c + + 或者j a v a 都是非常优秀的面向对象语言。j a v a 与c + + 相比 较，又有一些突出的优点。据统计，总体来说它的开发速度大概是c + + 开发速度 的两倍以上，并且它的面向对象程度更高，可以说是一种更加纯粹的面向对象编 程语言。它的垃圾内存收集机制，使程序员摆脱了，一类非常难以排除的内存的 b u g 问题。除此之外，j a v a 的很多别的特色使我选择了它作为我的程序开发语言。 在系统的结构定义清楚了以后，系统的编码的效率就会很高。当然，这只是相 对来说的由于系统的编码工作本身是一项十分耗费时间的工作，其绝对的时间量 还是占用的项目的主体的时间量。 模块的编码是严格按详细设计阶段开发的模块逻辑进行的，并且使用结构程序 1 6 东北大学硕士学位论文 第二章系统设计的软件工程论证 设计特点的语言进行设计和实现。在对某一个程序模块的编码工作完成之后，应 该经过详细、严格和周密的测试。这是一种很好的编程的习惯，在很大程度上避 免了在系统集成的时候的繁琐的调试。在对每一个模块的测试的修改，要远远的 比系统集成之后出现问题找b u g 容易的多。最近，还有人提出一种叫做“e x t r e m e p r o 鲈l i n 蚵n gp m c 廿c e ”的编程方法，提倡先开发测试程序，后进行模块程序源代码 的开发。虽然，这种编程方法可能还不被大家接受，但是它足以看出程序模块测 试的重要性。往往系统开发的问题发现的越早，解决起来就越省力气。上一阶段 的错误，这个错误每延迟一个阶段就会被放大几倍，修改起来也就越麻烦。 程序测试应该采用科学的方法。一般情况下，黑盒方法的白盒方法是程序测试 采用的最常见的方法。黑盒方法是将要测试的模块看作一个只知道输入参数盒输 出功能的黑盒。测试的时候，我们只需要输入特定的参数，看一下系统的输出功 能是否达到了设计的要求。而白盒方法，则是对系统内部的组成元素，像内部类、 内部函数等，进行测试。在模块的开发阶段采用的主要是白盒方法，而在集成阶 段则主要使用的是黑盒钡4 试。 2 7 集成测试 把经过彻底、周密测试的模块组装起来形成所需要的系统，就需要进行集成测 试。实际上任何模块在组装成一个更大的模块的时候都要进行集成测试。要将开 发完成的模块进行组装，首先要经过严格周密的测试。当两个或者多个模块组成 了一个更大模块的时候，还要对这个组装成的模块进行详细的测试。像前面所说 的，这个阶段采用的主要是黑盒测试。 在集成的时候，有自顶向下或者自下向上两种集成方式。我采用的主要是自下 向上的集成方法。 2 8 系统的维护 对于一个真正的企业软件来说，系统的维护是一个非常中要的阶段。它开始与 软件产品交付给用户之后，主要任务包括改正性维护、适应性维护和完善性维护。 改正性维护是改正程序中所遗漏的任务，保证用户程序能正常运行；适应性维护 是当用户改变硬件或者软件支持环境时，满足程序需要的修改工作；完善性维护 是增加程序的功能以满足用户的进一步的需求。 对于本系统来说，没有真正意义上的系统维护。但是，可以把系统进行模拟实 际环境的使用测试，以便发现问题，对系统进行完善和功能的增强。 1 7 东北大学硕士学位论文 第三章系统所涉及的关键技术 第三章系统所涉及的关键技术 这个t b j ( t c l e m e d i c i l l e b a s e d o nj a v a ) 远程医疗系统所设计的技术方面的内容 比较广泛，包含程序设计技术、编程技术所涉及的j a v a 技术，以及各种算法等等。 系统涉及到j 2 s e 和j 2 e e 的几乎所有的主要的技术，涉及j 2 s e 的多线程编程、图形 用户界面编程、网络技术、以及各种数据流的处理技术，还涉及了j 2 e e 的各种经 典的技术，像j s p ( j a v as e n r e rp a 2 e ) 、s e r v l e t 、j s f ( j a v as e r v e rf a c e s ) 、v i l ( e x t e n s i b l em a r k u pl a l l g l l a g e ) 、e j b ( e n t c r p 凼ej a v ab e a l l ) 、以及j d b c ( j a v a d a t a b a s ec o 衄e c 由啪数据库连接技术等等。同时还设计了各种多媒体数据的压缩 技术。下面就将所涉及的主要技术分别进行介绍。 3 1 数字化高分辨率图像的压缩算法 影像的压缩技术在各类医疗系统中占有重要地位，迄今为止，针对医学图像的 无损压缩已经有很多算法，且各有特点。算法虽然不少，却没有一个公认的最佳 的算法。 3 1 1 高分辨率数字化医学影像压缩的重要性 高分辩率的数字化医学影像压缩具有很高的重要性。医学数字化图像的特点是 高分辨率、高精度、大数据量。c t 和m r j 等成像技术一般是在5 1 2 5 1 2 象素的分 辨率和1 2 位灰度级下进行断层扫描获得数字化图像信息的。每次采集4 0 或者8 0 帧 图像，每帧图像为5 1 2 5 1 2 点，4 0 帧的总长度约2 0 兆，8 0 帧为4 0 兆。医学图像要 求高分辨率( 典型值为2 0 4 8 2 0 4 8 ) 和象素深度( 8 1 6 位象素) 。例如，胸部的x 光片和乳腺的x 光片，一般需要达到1 5 0 d p i 的集合分辨率和4 0 9 6 级灰阶的分辨率， 一副这样的图像通常是2 0 4 8 2 0 4 8 1 2 b i t 的图像。c t 和核磁共振( m r i ) 图像通 常是每副为5 1 2 5 1 2 5 1 2 b i t 的图像。各种医学图像的容量如下表： 1 8 东北大学硕士学位论文第三章系统所涉及的关键技术 表3 1 各种医学图像的信息量 t f 山l e3 1 t h e i n f o m l a t i o nc 印a c i t y o f e a c h 白，p e m e d i c a l p i c t u r e 名称一副图像的容量 每次图像数 总容量 d s a 5 1 2 5 1 2 81 5 4 04 一l o m b 删2 5 6 2 5 6 1 2 ( 1 6 )6 08 m b c t 5 1 2 x 5 1 2 1 2 ( 1 6 ) 4 02 0 m b x 数字化光片 2 0 4 8 2 0 4 8 1 221 6 m b 一个中等规模的医院，每年产的胶片的数量为：x 光片3 0 0 0 0 张，c t 片2 0 0 0 张。 考虑到胶片的诊断用途，每年产生的有诊断价值的影像数据可达几十( 毋。由此可 见，医学影像信息数据量很大，处理和管理所用的资源也非常达。而如果在存储 之前，进行适当的压缩，将节省大量的的存储资源。并且，对于远程会诊来说， 未经压缩的高精度的医学图像的传输意味着占用很大网络带宽。目前，有多种数 字图像的压缩算法。有些压缩算法在压缩的过程中丢掉了一些信息，叫做有损压 缩。基于感兴趣区的压缩算法就是有损压缩一一尽管损失的信息量较小，并且只 是非重要信息。与此相对的无损压缩算法，则在图像的压缩过程中没有丢失图像 的信息，图像还可以完全复原。一般来说，在压缩比率上，有损压缩算法是优于 无损压缩的。但是，医疗领域有其特殊性，一般来说在医学图像的传输和采集过 程中，使用的都是无损压缩算法。 3 1 2 静止图像的无损压缩的国际标准 针对静止图像的无损压缩，国际组织i t u t ( 原名c c i t t ) 和i s 0 i e c 于1 9 9 2 年联合制定了无损压缩的国际标准，将d p c m 、h l l 丘m a l l 和算术编码推荐为无损压 缩算法的标准。并且还规定了，一系列图像的无损压缩的国际标准，主要有m h 、 m r 、m m r 、j p e g 、j b i g 【15 1 。 m h ( m o d i f i e dh u m n 趾c o d i n 叠) 作为文件传真机一维编码的国际标准。应用一 维游程长编码和静态h u 缅 i l a l l 编码。m h 编码的主要方法是：以八副标准样张为统 计依据，根据各种r l ( r u i l l e n g d l ) 的出现频率编出h u 插m a n 编码表。实际的编码 过程只是查表的过程，并且编码可以实时的处理。 m r m o d i f i e d 砌z a d ( r 七l a t i v e e l e m e m a d d r e s s d e s i 舻a t e ) c o d i n g 通过二维相关 性，应用游程编码模型和静态h u m n a i l 编码。m h 方法在每扫描行内进行，又称 一维m h 编码。m r 是m h 的扩展，是一种二维逐行扫描编码的模式。即把一叶文件 1 9 东北大学硕士学位论文第三章系统所涉及的关键技术 分成若干个组，每组有k 行图像数据，其中第一行用一维m h ，其余k 一1 行利用图 像的行间相关性对当前的象素模式进行识别后再编码。m 职寸相邻两行象素进行比 较，只对所谓的迁移象素( 即沿扫描行由黑变白，或者由白变黑的第一个象素) 编码输出。 m m r ( m o d i f i e dm r ) 是基于m r 的改进算法，是一种逐行编码的二维编码方 法，采用r a c ( r e l a t i v e a d d r e s sc o d i n g ) 编码中的转移元素编码方法和e d i c ( e d g e d i 腩r e l l c ec o d i n g ) 编码对转移元素的相对位置的分类方法，压缩率优于m h 和m r 。 j b i g ( j o i mb i l e v e li n l a g ee x p e r t sg r 0 1 l pc o d i n g ) 是二值图像的无损压缩标准， 也可以应用于灰度图像和彩色图像的信息保持型编码，将多值图像分解为多个位 平面图像，再用j b i g 标准把平面作为独立的二值图像来编码。j b i g 标准由三种编 码模式：累进编码，兼容编码，兼容的累进顺序编码，单层编码。 j p e g ( j o i mp b o t o g r a p l l i ce x p e r t sg r o u pc o d 协g ) 是一个适应于彩色和单色多灰 度或者连续色调静止数字图像的压缩标准。它包括基于d p c