3G时代远程医疗的关键技术.doc

3G时代远程医疗的关键技术 摘 要：以TD-SCDMA为通信基础，分析远程医疗的核心业务，与现有医疗信息系统之间的内在联系，采用移动无线设备建立基于3G网络的远程医疗服务平台。 重点解决利用初始会话协议SIP实现基于3G网络远程诊断及会诊服务的工作流程，通过3G网络进行医疗影像数据传输并在掌上电脑（PDA）上显示关键技 术。Key Technology Research of Telemedicine based on 3G NetworkKey Words：3G Network， Telemedicine ，Personal Digital Assistant（PDA）Abstract：The paper discusses the key technology of telemedicine based on 3G network. Analyzing the kernel session of telemedicine， and the inside relationship to the current hospital information system. Establishing the telemedicine platform using the mobile wireless infrastructure based on 3G. Focusing on the settlement of the work process of remote diagnosis by initial Session Initiation Protocol（SIP）through 3G network. Realizing medical image data delivery and display based on 3G.Authors address： Wang Hong， 309 Hospital of P.L.A.， No. 17 Heishanhu Road， Haidian， 100091， Beijing.目前我国远程医疗方案主要有三种。一是基于卫星通讯、ATM网络技术，使用大量专业设备，提供一套完整的、高质量的远程医疗会诊方案；二是基于 ISDN、Frame Relay等专用网络载体，使用多媒体视讯产品，构成远程医疗会诊方案；三是基于电话线(PSTN)的多媒体远程医疗会诊方案。但是上述三种远程医疗会诊方案在我国发展均较为缓慢，远未普及。限制其发展的原因主要有：（1）远程通信传输质量不高，带宽是最大瓶颈；（2）各地方 医院的远程医疗系统管理困难，通信制式仍不兼容，各行其政，没有统一标准，开放性差；（3）难以进行大幅医学图像的处理；（4）远程传输存在安全问题，容 易受到黑客、病毒攻击，造成信息失密；（5）远程医疗普及率仍很低；（6）网络建设费用制约远程会诊中心的普及。真正的远程医疗，就是要做到能够使用统一标准，高质、兼容、开放、安全地实现任意时间、任意地点、任何人员之间的医学交流。现代移动无线通信手段实现了医护人员及患者随意移动的空间、时间的延伸。随着全球无线通讯网络的飞速发展，第三代移动通信技术3G网络在通信速度，传输质量，网络频谱，使用成本等方面具备不可比拟的优势。3G在业务上？功 能上？频宽上会将所有无线服务联合在一起，能在任何地方接入互联网，包括卫星通讯？定位定时、数据收集、远程控制等综合功能？3G网络技术如果与远程医疗结合起来，将会突破远程医疗的带宽等瓶颈，实现远程医疗数据传输管理与控制，提高数据传输质量，完成大幅医学图像的处理。我国的医疗卫生行业作为与国民经济和人民生活密切相关的基础性行业，医疗信息化建设的步伐日益加快，信息系统的应用越来越广泛。我们所要做的是抓住这个契机，运用新的3G网络技术实现远程医疗服务。开展基于3G网络的远程医疗信息系统的研究，这对于提高针对各种特点地区的远程医疗服务水平，实施突发事件医疗保障和特殊环境医疗救治（例如甲型 H1N1流感的防控，地震后各种疾病的远程诊治），对实现医疗服务的可及性、公平性与及时性，对共享现有医疗资源，实现远程医疗的建设目标，将具有重要意 义。1 国内外研究现状与分析1.1 国外情况国外远程医疗技术的发展已有近40年的历史，随着移动通信技术的不断发展，近年来国外科研机构对采用移动设备进行远程医疗活动进行了大量的研究，获得了一些具有代表性的成果。如2005年芬兰IST Vivago公司研制的WristCare系统；2007年韩国研究的普适型医疗健康监护系统(U-Healthcare System) 3-4等一些典型的远程医疗监护系统。采用智能手机等移动设备进行远程诊断及会诊等的研究在国外也有了初步进展。其中MIT的NextLab的移动远程诊断项目MOCA采用手机作为远程医 疗诊断终端，医生通过手机采集患者的病情信息及影像数据(包括音频，视频，电子病历，医疗影像数据等)，并上传至医疗数据信息系统（OpenMrs）中， 同时通知远程专科医生，远程专科医生通过OpenMrs系统下载患者数据，进行远程诊断，并将诊断结果发送给远端手机。MOCA项目采用GPRS/SMS 作为通信手段，属于2.5G移动通信标准，理论最高数据速率为171.2kb/s，不能满足远程医疗的实时性要求，其平台存在着很多限制。1.2国内情况远程医疗在我国起步较晚，但是起点高，发展非常迅速。目前，国内远程医疗方面的研究基本停留在通过INTERNET、PSIN、ISDN等有线传输的 数据水平上，虽然在很大程度上限制了远程医疗的使用范围，但也有可借鉴的经验。例如，借助计算机通过有线网络来实现医疗影像传输及显示已被广泛应用，此 外，还有借助于小型存储卡在不同的信息设备之间传输影像。我国第三代移动通信标准TD-SCDMA的部署，提供了远比第二代移动通信标准先进的话音和数据业务，包括分组数据和宽带多媒体业务，提供高速的无线数据传输，适合多种业务环境。并且与第二代移动通信系统兼容。近年来，随着我国医疗事业的发展，医疗影像的远程诊断需求不断增长。但是，现在国内许多医院还没有建立起完整的无线移动传输医疗体系。构建一个满足中 国医院特色的远程医疗传输信息系统，在当前有着十分迫切的需求。因此，开发具有高速率、可重用、安全保密和良好成本优势的远程医疗无线移动信息系统具有较 高的理论与实践价值。而基于3G网络的远程医疗信息系统，能实现数据传输的管理与控制，完成医疗影像的各种处理，不仅能为医护双方提供许多新的选择，而且会带来更多使用上的方便。2 基于3G网络的远程医疗服务的总体方案2.1 3G环境下的远程医疗服务基于3G网络的远程医疗服务平台通过企业局域网与移动远程医疗服务器，医院信息系统进行连接。远程医疗服务终端通过3G网络进行远程医疗活动。远程医疗服务平台包括：医院系统主数据库，医院客户端前置机，医院客户端网络隔离器，通讯网管防火墙，远程医疗应用服务器集群，3G网关服务器，中国移动通信运营商，移动设备远程医疗终端，远程教学通信终端，远程医疗监护终端组成，见图1。图1 基于3G网络的远程医疗服务平台拓扑结构图其中远程医疗应用服务器，FTP服务器，数据库服务器，实时通信服务器组成远程医疗服务平台的核心。以加密并且安全的方式根据需求从各个医院的客户端采集数据，同时又控制所有远程医疗活动的调度和执行。医院主数据库，客户端前置机，网络安全隔离器在局域网内构成医院客户端数据采集系统。网络隔离器控制着该系统对外网的连接方式，包括加密密钥，访问权 限，IP控制，网络隔离，端口屏蔽，病毒防范，信息安全性等功能的实现，完全把医院局域网内的系统保护起来，防止受到外部网络的攻击。移动通信运营商提供3G网络通信的支撑环境，包括基站和3G网管服务器等基础设施，利用3G移动通信中的广播多播技术通过共享传输链路，具有较高的移动通信性能，能够满足移动远程医疗活动的需求。移动远程医疗终端采用智能手机或者具有移动通信功能的笔记本之间通过3G网络互联，实现远程会诊、远程医疗监护、远程医疗教学等活动。2.2 应用初始会话协议（Session Initiation Protocol，SIP）实现基于3G的远程诊断及会诊基于3G网络的远程医疗服务平台中的远程医疗诊断及会诊将包括两个方面：一种是预约专家远程医疗会诊，一种是在线专家远程医疗诊断。终端用户在远程医疗服务平台的会诊中心主页中，进行远程医疗会诊网员申请，会诊专家资讯查询，远程医疗会诊申请，远程医疗会诊取消，远程医疗会诊申请的答复，远程医疗会诊资料的传输等功能。同时下载移动远程医疗会诊客户端，用户通过移动设备（带有摄像头及麦克功能的智能手机，笔记本等）登录后，与在线专家之间进行实时远程医疗诊断，多人会诊等活动。以预约式远程医疗会诊为例，其流程见图2所示：图2 基于3G网络的远程医疗服务平台预约会诊流程上述流程可以通过预约实现专家和患者一对一交互式会诊、本地会诊中心专家组和患者远程会诊，本地会诊中心专家组和异地专家与患者远程会诊，远程医疗培训，远程观摩等多种方式实现功能。实现上述远程会诊及诊断的工作流程必须要实现对即时视频语音通信的有效控制，因此，申请项目拟采用SIP协议实现。SIP 协议是 IP 电话信令协议。它可以用于邀请新的成员加入一个已经存在的会话，也可以用于创建一个全新的会话。作为SIP的核心思想之一。它还可以用于明确的邀请某一个 成员加入或者创建会话，这一点相对多播、会议通告协议（Session Announcement Protocol，SAP）是一个很大的进步。通信双方可以共同协商使用的媒体参数(比如是否支持视频)。独立于它所处理的多媒体会话类型和描述会话所使用的机制，能够用一个可扩展的体系结构应用于视频会议、语音通话、共享白板、游戏会话、应用共享、桌面共享、文件传输等各种情况。一般情况下，SIP协议使用实时传输协议（Real-time Transport protocol，RTP）传送音频和视频流，使用会话描述协议（Session Description Protocol，SDP）进行媒体描述。SIP通过以下机制来实现其扩展性。通信双方或多方使用SDP进行音、视频的会议描述，使用SIP协议可以进行会话的管理，包括发起和终止会话，修改 会话参数，调用服务，引入其他用户，设置转移呼叫，呼叫保持等。SIP的可扩展性还表现在它可以通过定义新的消息头和方法来增加新的功能，这一点体现在大 部分增加新功能的扩展定义文件（Request For Comments，RFC）中。基于SIP的Presence服务是即时消息的基础，在此基础上还可以实现类似Push to talk的应用，这些应用都可能成为3G业务的增长点。其实SIP的特点决定了它将为多媒体、语音提供优于其它协议的支持。任何与语音、多媒体有关的业 务，SIP都可以提供支持。它可以支持多方会话，无论是语音、视频还是两者兼有的。3G智能通信终端中的SIP协议应用是3G环境下远程医疗需要解决的关键问题之一。2.3 掌上电脑（PDA）进行医疗影像数据传输及显示申请项目拟开发基于3G移动通信网络的医疗影像传输及显示模块，使得进行远程会诊活动时，能够通过PDA查看PACS图像。系统架构如图3所示。图3 医疗影像传输系统体系架构该系统包括三层结构：（1）表现层：由于PDA的显示限制，必须研究适合PDA显示医疗影像的方法，拟采用Web 浏览方式，通过Applets或者Java Scripts实现用户界面，作为显示医疗影像数据的接口。（2）中间件层：由于PDA本身对连接数据库等存在一些功能上的限制，所以采用中间件层进行PACS数据库访问，获取DICOM格式的医疗影像数据， 并对格式进行调整，从而适合PDA显示。（3）存储层：由医院的PACS系统组成，由于医院数据库一般存在于内部网络中，所以通过安全数据交换技术，将内 部网络的数据交换到外网中。拟实现用PDA进行医疗影像传输和显示。目前初步模拟的显示系统要能支持图像缩放、平移、变换以及标注等。同时该系统将支持基于Web的访问，能够通过计算机查看影像图。希望能在基金支持下实现在3G网络环境中PDA上的医疗影像传输和显示。利用智能手机进行远程诊断及会诊时，该功能可以在很大程度上方便对医疗影像数据的查看，能够提高会诊的准确性，同时拟使用PDA查看患者的病程数据，提高移动远程医疗服务的水平。为了提高图像传输和存储的效率，降低对信道容量和存储容量的要求，需要对数字化后的图像信源信号先进行压缩，然后以压缩的形式传输或存储图像。图像编 码就是寻求一种有效的信号编码方式，对图像信源进行信源编码，是在保证到达所要求的图像质量的前提下，设法降低所必需的数码率而采取的压缩编码技术。图像的压缩标准有很多，根据实际工作的情况，将主要采取JPEG（Joint Photographic Experts Group）标准。基于3G网络的远程医疗信息系统采纳崭新的3G网络高速、移动、灵活