远程医疗与诊断系统的研究与实现的综述.doc

远程医疗与诊断系统的研究与实现的综述远程医疗与诊断系统的研究与实现的综述声明：本综述部分内容摘抄自山东大学硕士学位论文作者王睿。特此声明！山东大学 2010年12月11日远程医疗与诊断系统的研究与实现的综述Summary about Research and Realization of the Telemedicine and Diagnostic system（山东大学 控制科学与工程学院生物医学工程，山东 济南 250061）摘要：远程医疗是一种现代医学与计算机技术、通讯技术紧密结合的新型医疗模式，这种工作模式突破了医疗资源的分布以及在时间和空间方面的诸多限制。一个远程医疗系统作为一个开放的分布式应用系统，包括远程诊断、专家会诊、信息检索和远程教学等几个主要部分。本文着重研究了基于PACS远程医疗会诊系统设计与实现。PACS(医学影像存档与通讯系统)通过数据接口与Internet连接，就可以进行医学影像信息的远程传输，实现远程会诊功能。PACS为远程会诊提供基础数据，远程会诊为PACS系统打开了一扇通向世界的窗。关键字： 远程医疗与诊断，互联网，PACS，计算机技术Abstract：Telemedicine is becoming a modern working mode for medical treatmentThe limitation of time and space on the distribution of medical treatment resources was broken ever sinceAs the open distributed application system，telemedicine includes teleconsultation，information seeking，longdistance education and so onThis paper emphasizes on researching teleconsultation systems design and realization based on PACSPACS(Picture Archiving and Communication System) connects with Internet by the data interface，and carries on the medical image to longdistance transmissionPACS supplies the basic data for teleconsulation，and teleconsulation unfolded a window，which goes to the world for PACSKeywords：Telemedicine and Diagnostic system，Internet，PACS，Computer Technology1. 引言近年来，随着远程通讯技术、计算机网络技术和多媒体技术的成熟和发展，计算机信息应用进入了一个崭新的阶段。以Internet为代表的信息化技术迅速普及，传统的、集中的，封闭的信息共享方式发生了巨大的变化。如今它要面向各种类型的用户和网络，就必须突破了地域的局限，实现了不同系统的开放和信息共享。但是随着社会各领域网络化应用程度的提高，单纯的“共享”己经逐渐不能满足人们的要求。开发网络上可共享信息的有效应用，提供实时性更高，交互性更好的Web应用系统。使这些信息具有更强的生命力和活力，已成为一种迫切的要求。也就是说，Web技术不光是造就一个高高在上的虚拟网络空间，而是要让它逐步与人类社会的各个领域应用相结合，从而产生更大的实际效益。把各领域的专业知识和信息资源，通过网络技术和计算机技术有效的组织到Intemet上，并提供方便高效的应用服务，无疑是一个崭新而又有意义的课题。远程医疗就是近年来计算机网络技术与医学研究相结合的新成果。随着科技的飞速发展，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，这就是所谓的远程医疗。因特网业务量的不断壮大，网络宽带化已成为建设信息高速公路的重点。宽带城域网的建设为远程医疗提供了高速的业务平台，而Web技术无疑已经占据信息平台的主导地位。2. 远程医疗与诊断系统国内外研究现状随着多媒体技术的发展，基于计算机网络的远程医疗诊断系统正引起国内外医学专家的高度重视并开始获得广泛的应用。远程医疗是多媒体网络和医学领域有机结合的产物，是多媒体技术、网络技术、图像压缩技术、数据库技术等应用于临床的杰作。近几年可视远程医疗核心技术多媒体技术和计算机网络通信技术都有了很大的发展。主要表现在：视频压缩编码算法不断完善，Internet的迅猛发展，伴随着流媒体技术的出现，诸如视频会议、视频点播、监控系统之类的网络多媒体应用开始进入人们的生活，促进了可视远程医疗会诊的发展。世界上许多国家十分重视对远程医疗的研究开发工作，尤其是一些发达国家，凭借其富有的财力，在远程医疗方面投入巨额资金。美国计划在近五年间投入150亿美元，欧共体计划在此期间投入175亿美元，香港地区也早已经在95至96年度投入了16753亿港元到医疗信息技术的研究和发展工作中。远程医疗在国外的发展已有四十多年历史，国外远程医疗目前发展到了第三代，其特征有：通过公众通讯网提供服务入口变得容易；提供瘦客户端，到桌面的服务维护变得简单；全面发展，成熟的项目商业化动机变得单纯。目前国外远程医疗形式主要分为两类：一类是将医疗电子数据(包括高分辨率的X光片、CT扫描图等)从一个地方传输到另一个地方，从而可以实现异地诊疗。由于互联网性能的提高，此类系统的建设已初具规模。另一类是面对面的可视化技术。依靠互联网而不是专门线路传输数据的好处是，即使医生不在诊所内，他也只需用一个上网电脑或手机登陆有关网站，40秒后就可以下载指定的医疗数据进行分析。医生回医院或诊所后通过手机蓝牙技术将数据传到电脑，再进行仔细分析，几小时后就可以得出分析报告。我国从1997年开始试点可视远程会诊项目。进入2l世纪，随着互联网技术的发展，我国的远程医疗技术步入了“E时代”。近年出现了基于互联网浏览器工作站类的远程医疗技术产品，利用互联网进行医学知识普及，向百姓提供寻医问药之类的信息咨询及远程会诊，这是近年来国内各大医院远程医疗技术发展的一大特色。目前我国基于Internet的远程医疗会诊的形式主要分为两类：一类是异步方式，异步诊断适合于处理诸如皮肤理疗之类的不需要实时交互的病例，对信息的即时性要求不严，可以应用在窄带网络中，例如Email；另一类是实时方式，实时远程会诊是一个双向的交互过程，通讯涉及诸如视频、音频、图像之类的信息，要求信息的即时性，而此类会诊多数都是基于互连网的监控系统或视频会议系统。3. PACS的概念、发展历史及现状3.1 PACS的定义PACS(Picture Archiving and Communications System)，即医学影像存档与通信系统，是近年来随着计算机技术、网络技术、半导体技术和多媒体技术的进步而迅速发展的，旨在全面解决医学图像的获取、显示、传送和管理的综合系统。PACS主要是将医院内现有的影像诊断设备(CT、MRI、US、X线、DSA、CR、DR、内窥镜等)通过计算机网络连为一体，实现资源的共享，在显著提高科室工作效率的同时，将医学影像带入全数字化、无胶片化管理的时代，为远程医学的发展奠定坚实的基础，在节省存储空间、胶片、显影剂的同时，实现高效化的管理。3.2 PACS的发展历史和现状PACS与远程医疗有着密切的联系，通过数据接口与Internet连接，就可以进行医学影像信息的远程传输，实现远程会诊等功能。PACS的概念提出于80年代初，建立PACS的想法主要是由两个主要因素引起的：一是数字化影像设备，如CT设备等的产生使得医学影像能够直接从检查设备中获取：另一个是计算机技术的发展，使得大容量数字信息的存储、通讯和显示都能够实现。在80年代初期，欧洲、美国等发达国家基于大型计算机的医院管理信息系统已经基本完成了研究阶段而转向实施，研究工作在80年代中就逐步转向为医疗服务的系统，如临床信息系统，PACS等方面。在欧洲、日本和美国等相继建立起研究PACS的实验室和实验系统。随着技术的发展，到90年代初期已经陆续建立起一些实用的PACS。随着网络技术的发展，人们认识到仅有图像格式标准还不够，通讯标准在PACS中也起着非常重要的作用。随即制定了DICOM 30标准，这个标准已经被世界上主要的医学影像设备生产厂商接受，成为事实上的工业标准。目前，一些主要的医疗仪器公司，如PHILIP、西门子、柯达等，所生产的大型影像检查设备都配有支持DICOM标准的通讯模块或工作站，也有许多专门制造影像系统的公司生产支持DICOM标准的影像处理、显示、存储系统。近年来，在每年的北美放射学大会上还专门提供DICOM环境，组织各个厂商进行影像设备的互联。3.2 PACS的发展趋势（1）应用范围不断扩大PACS最初是从放射科的数字图像发展起来的。然而随着PACS标准化的进程，尤其是ACR-NEMA(American College of RadiologyNational Electrical Manufactures Association，美国放射学会和美国电器制造商学会)DICOM(Digital Imaging And Communications In Medicine，医学数字成像和通信标准)30标准的普遍接受，目前的PACS已扩展到所有的医学图像领域，如心脏病学、病理学、眼科学、皮肤病学、核医学、超声学以及牙科学等。（2）多媒体技术逐步引入多媒体技术是本世纪90年代计算机发展的时代特征。也是计算机技术的又一次革命。所谓多媒体技术，指的是计算机交互式综合处理文本、图形、图像和声音等多种媒体信息的技术。近年来，多媒体技术在教育中的长足发展已经非常引人注目，但它在医疗卫生中的应用却刚刚起步。（3）话音识别技术随着话音识别技术的发展，近来已有人推出了可直接将声音转化为文字的系统，并成功地用于放射科报告的书写。这一系统的使用说明，医生通过PACS进行口述报告的时代已经为期不远了。（4）用最先进的存贮技术在计算机中一页文字资料仅占几千字节(Kb)，而一张数字化的x光片将产生上百万字节(Mb)的信息量，这就是所谓“兆字节问题”，也是PACS系统面临的诸多挑战之一。可以说，从PACS诞生的那天起，人们就致力于探索最经济、最可靠的图像存贮方式而且始终得益于计算机存贮技术的发展。目前最常用的是WORM(WriteOnceReadMultiply，一次写入多次可读)光盘的出现，给医学图像的长期保存带来了曙光，WORM盘的缺点是读盘速度较慢或者说检索时间较长，DVD技术的发展和普及将逐渐取代CD光盘的利用。（5）远程放射学中的PACS近年来，远程放射学一词越来越多地出现在放射学的文献中，因而引起了放射学专家和临床医生的广泛关注。远程放射学的出现使传统的会诊观念发生了根本的变化，即放射科专家可以在千里之外的放射医学影像中心、办公室甚至家中观看通过通讯网络传来的影像资料，从而为一些小医院、边远地区的诊所提供会诊服务，这就是所谓的远程会诊。可见远程放射学的概念与图像的传送、异地诊断均有关系。（6）综合业务数字网ISDN(Integrated Services Digital Network)综合业务数字网ISDN是一种先进的数字通讯系统，它将取代现有的大部分电话系统，使音频和非音频的业务一体化。这一技术的引入，将使异地的医学图像设备以极高的数据流(欧洲为144 Mbps，美国为155 Mbps或者622 Mbps)相连接成为可能。到那时，人们不仅可以快速地获得存贮在各医院、各诊所中的病人图像，而且可以随时请远在外地的专家进行会诊(图像将同时在各自的显示器上出现)，这就是真正的远程放射学。从这种意义上讲，远程放射学将完全同PACs合并，而远程诊断将成为PACS的重要功能之一。4. PACS系统构成一般来说PACS系统采用集中式管理，分散存储的系统结构模型。采用标准CS(客户机服务器模式)，从结构上来说有两部分组成：工作站端模块；服务器端模块。整个系统有五大模块组成：数据管理、图像处理、通信、报告打印、权限管理。（如图1）系统数据管理图像处理通信报告打印权限管理图1 模块组成图数据管理部分主要完成解析DICOM和数据库相关的操作，包括：DICOM文件的存取、数据库的查询、添加、删除记录、数据备份和恢复等：图像处理模块主要功能是完成图像的处理和显示；通信模块主要功能是遵从DICOM标准进行安全快速的数据传输：报告打印模块主要是实现图文报告和胶印打印的功能：权限管理模块的主要功能是对系统的整个权限进行管理。以上各个模块在系统运行中统一协调工作。（1）数据管理子模块功能包括： 连接数据库，提供对数据库表的操作。 从DICOM数据库集中提取信息，可以保存到数据库中。 向图像处理模块提供DICOM数据集。 调用通讯模块发送数据集。 接受从通讯模块传来的数据集，并将其存入本地数据库。 数据的查询，能够构造条件表达式，根据条件表达式对本地数据和归档服务器数据构造SQL语句，合理的显示数据。本模块在接受到通讯模块传来的DICOM数据库集之后，从该DICOM数据库集中提取病人信息并将其存入本地数据库。当外部文件打开数据库时，用户可以选择确定是否保存到该数据库。用户在查询后，根据用户选择的数据源类型(本地还是其他设备)，产生条件表达式(字符串列表)，若目标为本地数据或归档服务器，则表达式构造SOL语句，若目标为其他工作站，则该表达式构造成DICOM标准的命令集，用户可以查看感兴趣的病例影像（流程如图2）。DICOMDSDICOMDS其他设备DICOMDS本地数据库产生DICOM命令集产生DICOM命令集通讯模块通讯模块显示数据结构查找图2 数据管理模块的流程（2）通信模块通讯流程：否否否否开始TCP/IP连接连接成功？关联请求接受连接？请求DICOM服务删除请求？关闭TCP/IP连接通信结束图3 发送信息开始监听接受到来的连接可接受？通信结束图4 接受信息接受关联请求删除请求？返回接受的关联关闭TCP/IP连接处理DICOM请求功能包括： 可选择接收其他设备的连接请求。 从其它设备查找数据。 向其他设备发送DICOM数据集。 向DICOM打印机发送打印命令。（3）图像处理模块功能包括： 从DICOM数据集中分离出图像数据，图像数据保存到图像列表，其他数据保存到一个空的DICOM数据集中。 显示图像列表中的图像，可以切换显示方式(显示全部图像或单独显示一幅图像)。 图像信息的同步显示，在操作中用户可以打开其他病例的图像进行对比显示。 DICOM图像的自动标注信息显示。 对不同病人的图像分割显示，便于对比。 可以向通讯模块和数据管理模块送DICOM数据集。 图像可以进行色彩调节和显示方式调整。 高灰度(12位或16位)DICOM图像的窗宽窗位调解，调节时信息同步更新。 若该病例有多个切片时，可以动态播放图像序列。 所有的图像可以切换显示角度，可以通过放大镜观察图像，按一定比例显示图像。 可以加入图像的标注和测量信息。图像数据的来源可以是DICOM文件，也可以是其他格式的图像文件。在进行实际的显示之前，对于DICOM文件首先要进行解析，将其真正的图像数据和相关信息提取出来，并将其他非图像信息进行结构化的存储。对于其他格式图像文件，可以根据图像格式进行解析，提取图像数据，并传送至显示和处理过程，进行正确显示。（4）打印模块打印模块从总体上分两个部分：图文报告的打印、胶片打印。图文报告的打印采用了报告模板的方式，因为用户的需求都不同，对报告的格式不一样，为最大限度满足用户的需要，并且增加系统的灵活性，系统采取报告模板的方式进行打印模板的设计。用户可以根据自己的具体需要设计自己的模板，然后每次打印时均可重用该模板。DICOM胶片打印机可以直接将图像打印在胶片上，并长期保存，图像清晰度可以和原有的X光胶片相比美。打印机可采用标准的DICOM接口，通过DICOM通信方式将要打印的图像传送到打印机上实现胶片打印。（5）权限管理模块权限管理设计思路是：将系统的基本模块和功能分为具体的项目，然后根据不同的用户角色进行权限的设置，对于用户的标识通过用户名和密码进行验证。考虑到医学影像工作站的主要工作环境是处于网络之中，并且它的重要功能就是对图像的存取，因此主要是对服务器的存取权限进行了限制，对服务器的操作分为只读、只写、和可读写三种。5. DICOM标准5.1 DICOM发展背景DICOM(Digital Imaging And Communication In Medicine)标准即医学数字成像和通信标准，由美国放射学会(ACR)和国际电子制造商协会(NEMA)共同制定。DICOM标准致力予更有效的医疗信息系统(如PACS、HISRIS)，医学影像设备(如CT、MR、CR)传输、共享数字影像。迄今为止，DICOM共颁布了三个主要版本。CRNEMA PS No3001985，Version l.0，发表于1985年，1986年lO月正式成为标准；CRNEMA PS No3001988，Version 2.0，1988年1月颁布为标准；DICOM Version 3.0源自ACRNEMA两次发表的标准于1993年发布。每年，ACR-NEMA都推出DICOM 30的修订草案，目前最新的版本是DICOM3.0 2000年最终草案标准(FDS)，相对于以前的版本，DICOM 3.0 2000明确地划分了设备应遵从的标准范围，更加明确了信息实体，强调了基于多元文档的结构、基于TCPIP的协议和适用于网络的环境。5.2 DICOM的主要内容和信息模型5.2.1 DICOM定义的概念DICOM标准中定义了一些重要的概念，有关模型和协议也是以这些概念为基础来设计和制定的。(1)应用实体：应用实体是指一个具体的DICOM应用程序。(2)服务类：服务类是对现实中医学信息的传递和通信的抽象概括，它包括作用于信息对象的命令及结果。DICOM服务类提供客户/服务角色，通过网络要求DICOM服务的应用实体称为服务类使用者(SCU)；提供DICOM服务的应用实体称为服务类提供者(SCP)。(3)信息模型(Information Model)：信息模型描述了实体之间的关系。通常，用“ER”模型定义一对多或多对多的关系。(4)消息服务元素(DICOM Message Service Elements，DIMSE)：DICOM标准定义了一系列系统网络命令。SCUSCP利用消息服务元素在网络上进行服务，消息服务元素可以被认为是网络通信的最基本单位。(5)协议握手：应用实体间必须达成一个协议，才能相互通信。这个协议包括：哪些服务可以操作，命令和数据如何相互交流；传输规则，消息流(包括命令和信息对象)如何在通信过程中进行编码。图5给出了DICOM的信息模型，从图5可知，DICOM协议为外界提供服务的最高层次是服务类，每个服务类可包含多个服务对象对，信息实体定义包含了大量的相关属性。图5清晰的给出了SOP、IOD和服务类之间的关系，下面根据DICOM的信息模型，讨论其中的概念。服务类服务IOD服务IOD消息服务属性消息服务属性服务/对象对服务/对象对图 5 DICOM信息模型5.2.2 DICOM标准的组成、功能及其相互关系完整的DICOM 30 2000标准由15个部分构成，各部分是相互关联的独立文件。虽然某些部分的内容在不断补充和完善，但总体框架已经最终确定：(1)介绍与总论；全面介绍DICOM的历史、目的、结构和适用范围，并对其他部分的内容做了简介。(2)兼容性(或称遵从性)：详细说明DICOM的兼容性目的和架构，同时给出了在开放互联方面对遵守该协议的设备的具体要求。(3)信息实体定义：针对用于数字化交流的实际医学影像给出一个抽象的定义，同时定义了可以使用DICOM进行通信的类别，(4)服务类的说明：对一系列的服务类进行了定义，给出用于数字化交流的操作行为的抽象定义，即定义使用DICOM进行通信的服务的类别。(5)数据结构和语义：对数据结构及数据的编码进行说明。(6)数据字典：包括对所有DICOM数据以及所有在DICOM标准内部定义的数据的注册和认可信息。(7)信息交换：本部分定义了DICOM命令的结构(命令结合相关数据即组成DICOM消息)，同时也定义了DICOM应用实体间的协议握手方式。(8)网络通信支持下的数据交换：这一部分说明了在网络中，DICOM如何使用TCPIP和OSI网络传输协议。(9)点对点传输下的信息交换：说明在点对点传输下支持应用DICOM协议进行数据交换的服务器和网络上层协议，说明DICOM如何支持50针点对点消息通信的服务和协议。(10)介质储存和存储介质间交换的文件格式：它提供了一个用于不同类型医学影像间数据交换及不同物理介质相关信息交换的框架。(11)介质存储的应用方式：说明将医学影像信息存储于可移动介质的模式。(12)介质格式和用于内部交换的物理介质：描述了如何快捷交换医疗环境中数字影像计算机间的内部信息。这样的交换可应用于医学图像诊断或其他潜在的临床领域。(13)点对点传输下的打印管理：详细说明打印提供者在点对点联接的情况下支持DICOM打印管理所必须的服务和协议。(14)显示的灰度标准：详细说明灰度图像的标准显示功能，它提供了一些样例、方法，说明如何调整灰度图像与显示系统。(15)安全策略方法：说明了具体应用所应遵循的安全策略的兼容方式。DICOM的15个部分之间既相互独立，又互相联系，从涉及的主要内容和关联程度出发可分为3个集合。数据传输协议集包括第7、8、9部分及第13部分，描述了点对点连接与网络环境下的数据传输协议，定义了网络环境下的打印管理应用。数据格式(编码、储存)集包括第5、6部分及第lO、ll、12部分，描述了不同条件下数据存储的标准格式。标准框架及其他包括第1、2、3、4部分、第14部分及第15部分，描述整个DICOM标准的结构、目的和要求及图像灰度标准，并定义了安全策略。6. 远程诊断系统用户分配远程诊断系统用户角色上分为普通医生、会诊中心专家、分诊人员和中心管理员四大类。（1）普通医生目前，许多医院或者因为资金短缺不能购置昂贵的医学影像设备，或者因为缺乏专业人才，既便拥有医学影像设备也没有合适的人使用，又或者有些疑难病症无法得出正确的诊断。存在以上这些问题的医院都希望能够得到有关专家的协助，在这些医院里面工作的普通医生，在文中下面内容里用“医生”一词代替，他们在需要专家帮助的时候可以通过远程会诊系统向会诊中心提交有关病历。（2）会诊中心专家会诊中心专家是指省级乃至全国最有名望的医学影像专家。他们作为会诊中心固定的专职人员，负责处理会诊中心接收的病历。在文中下面用“专家”一词代替“会诊中心专家”。（3）分诊人员会诊中心的专职分诊人员负责通过远程会诊系统的分诊模块把医生提交上来的病历分配给合适的专家，专家就可以在登录远程会诊系统后看到自己需要诊断的病历。（4）中心管理员中心管理员负责会诊中心的网络以及病历数据的维护和用户权限的管理。在整个系统运作的同时牵扯着费用的收支，所以数据及账户的安全性和完整性变得非常重要。该系统要有专人进行及时的维护和管理工作。管理员在对系统进行维护的时候，主要是在网页上面完成的。该系统中的网站部分有一套完整的数据浏览、增删和修改页面；通过它们，管理员可以方便的执行对数据库的各种操作。7. 结束语远程医疗不但使医生或患者免于奔波，还扩大了医疗体系覆盖面，降低医疗成本。我国是一个幅员广阔的国家，医疗水平有明显的区域性差别，三级医院基本分布在大、中城市，高、精、尖的医疗设备也以分布在大城市为多。特别是在边远地区，由于当地的医疗条件比较落后，危重、疑难病人往往要被送到上级医院进行专家会诊。据有关专家分析，造成这种现象的最主要的因素是约有80以上的著名医疗专家都在城市，而约有80的病人却在农村及偏远地区。这样巨大的医、患差异性分布使得我国整体的医疗健康水平不高。到异地就诊交通费、家属陪同费、住院医疗费等给病人增加了经济上的负担。同时，路途的颠簸也给病人本已脆弱的病体造成了伤害，而许多没有条件到大医院就诊的病人则耽误了诊疗，给病人和家属造成了身心上的痛苦。即使在大城市，病人也希望能到三级医院接受专家的治疗，造成基层医院病人纷纷流入三级医院，加重了三级医院的负担，造成床位紧张，而基层床位闲置，结果是医疗资源分布不均和浪费。尤其对于昂贵的医学影像设备，目前的经济水平不是所有的医院都可以满足设备和操作人员的需要。因此可视远程医疗会诊的发展对我国医疗卫生事业的发展有着重要的意义。远程诊疗系统和医院信息管理系统是新一代医院信息系统的重要组成部分，也是医院信息系统发展的热点所在。本文根据远程医疗技术的现状和发展趋势，设计了一个面向医院局域网以及广域网，基于Web开发的远程诊断系统，该系统采用会员制提供用户远程诊断的各项服务。在我国医疗系统逐步信息化的过程中，开发功能齐全的、快速的、基于Internet的远程医疗系统是我们努力的目标。实现实时视频传输，提供视频交谈工具是系统面临的下一步任务。参考文献【1】丁贵广.郭宝龙 多媒体数据压缩标准化的现状与发展J-计算机工程与应用. 2002(1)【2】龚华,刘雪松,张奎刚. 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