基于DICOM的遠程醫療通訊技術研究

鹿煜煒（安徽醫科大學第二附屬醫院醫學工程與信息部，安徽合肥230601）

基于DICOM的遠程醫療通訊技術研究

鹿煜煒
（安徽醫科大學第二附屬醫院醫學工程與信息部，安徽合肥230601）

遠程醫療是基于計算機科學、通訊網絡技術和生物醫療等學科的高新技術.針對遠程醫療會診系統的特點，經過對多媒體會議標準和醫學數字成像與通信標準的研究，分別對H.323終端、多點控制單元和網守設計了軟硬件實現方案.與現行的遠程會診系統相比，基于DICOM和H.323的遠程會診系統適合IP傳輸和DICOM標準化應用，具有更好的擴展性和易于實現的特點.

遠程醫療；遠程會診；DICOM

遠程醫療應用通訊技術交互式傳遞信息，開展遠距離的醫療服務，是一種現代醫學、計算機技術和通訊技術緊密結合的新型醫療服務模式.遠程醫療系統最早用于戰場傷病員急救和對宇航員進行無創傷性監測，此后逐步開展了遠程會診、遠程監護、醫學影像傳輸等項目.我國地域遼闊，人口眾多，醫療衛生資源分布極不平衡，統計表明：中心城市和較發達地區的人口占20%，供其利用的醫療資源達80%；而廣大農村和經濟落后地區的人口占80%，供其利用的醫療資源僅為20%.既使在大城市，患者也希望能到三甲醫院接受高水平的治療，造成中心醫院床位緊張，加重了醫院的負擔；基層床位閑置，導致醫療資源使用不均和浪費.遠程診斷與會診系統（簡稱為遠程會診）利用多種通信網絡技術，使患者在當地就能夠及時得到遠地高級專家的及時可靠的醫療診斷和會診服務，既節省了醫生和患者的時間，減少病情的延誤，又避免了患者的長途勞頓之苦，減少異地求醫帶來的額外開支.對基層醫院而言，通過開展遠程診斷與會診，可以提高醫療質量，擴大醫療業務，增加醫院的名氣和收益.同時，為臨床醫務人員提供了學習機遇，在“遠程醫療”的過程中可以得到一流專家的指導，提高醫生自身水平.為解決醫療資源分配不均及廣大農村和經濟落后地區看病難、看病貴、看不好病的問題，提供了一個可行的系統方案和平臺，有良好的經濟效益和社會效益［1-2］.

我國從20世紀80年代開始遠程醫療的探索，近年來發展迅速.作為一所新成立的三級甲等醫院，安醫大二附院目前醫院已投入使用的信息化系統包括了電子病歷（Electronic Patient Record，EPR）、放射科信息系統（Radiology Information System，RIS）和檢驗信息系統（Laboratory Information Management System，LIS）等，圖片存檔及通信系統（Picture Access and Communication System，PACS）計劃也在逐步實施.醫療數據資料已基本實現無紙化傳輸和存檔，加之醫院現有的高速的網絡綜合布線和高性能的服務器系統，為遠程會診的開展提供了便利的先決條件.

1　遠程會診通信技術

1.1多媒體遠程會議技術

實現多媒體視頻會議這一業務的核心就是視頻會議體系標準.在ITU-T制定的一系列多媒體通信協議中，應用最廣的為H.32X系列框架協議，其中適合多點會議系統的有H.320和H.323標準［3-5］.H.320是基于ISDN的視頻會議系統標準，是目前會議電視和可視電話主要采用的協議，在企業專業會議電視系統領域中應用比較廣泛；H.323是基于分組網的視頻會議系統標準，允許多種方式的加入，包括LAN、PSTN和ISDN等.

通過對比兩個標準的拓撲結構可以發現：H.323標準終端（Terminal）、網關（GW，Gateway）、多點控制單元（MCU，Multipoint Control Unit）和網守（GKZ，Gatekeeper）4個組件構成了一個典型的H.323系統（見圖1）.其中終端、網關和多點控制單元發起或接受呼叫，網守用于控制呼叫；基于IP的H.323標準中將各部件連入Internet就可以方便的組建整個H.323系統，對于終端用戶來說通過以太網接口就可加入，無需另外專門布線，使網絡的利用率及系統升級擴展更加靈活方便；H.323支持更多的音視頻和通訊標準，并且通過網關可以接受多種標準的終端設備加入，系統的適應性更強；H.320標準需要在專網中進行音視頻和數據傳輸，而H.323標準在LAN和WAN上都能應用，并且基于IP的系統組網設備費用相對較低，在網絡運營成本上具有優勢.綜合以上可以看出，適合IP網絡的H.323標準更加適合本系統要求.

圖1　H.320與H.323拓撲結構比較

1.2數字醫學成像標準

美國放射學會（ACR）和美國國家電器制造商協會（NEMA）聯合制定了醫學影像信息學領域的國際通用標準ACR/NEMA DICOM（Digital Imaging and Communication Medicine，醫學數字成像與通信）3.0，以便在各種醫療影像產品之間提供一致性接口，使設備之間能實現互操作［6-8］.該標準涵蓋了醫學數字圖像的采集、歸檔、通信、顯示及查詢等幾乎所有信息交換的協議，規定了接口的硬件和軟件規范，整合不同廠商的醫療影像儀器、服務器、工作站、打印機和網絡設備，使它們都能整合在PACS系統中.許多不同廠商的儀器、服務器、工作站都以DICOM為標準，使各種醫學影像產品可以通過網絡互聯，并相互交換數據和共享硬件資源，從而使PACS、HIS、RIS等醫學信息系統的集成成為可能.

遠程醫療需要密切地同各醫學信息系統結合起來，所以在整合遠程會診系統軟件和PACS、HIS等的過程中需要開發相應的中間件，以徹底實現醫療信息化.筆者所在院校HIS、RIS、LIS等已投入運行，PACS也在逐步實施，所以由支持DICOM標準的設備直接獲得數字化影像資料，將成為本設計中的主要采集方法.系統中需要設計一個DICOM網關，同醫院HIS、RIS、PACS及LIS相連.圖像采集工作站接收成像設備發送的圖像，將科室采集的BMP、JPG格式圖像等非DICOM標準影像通過DICOM網關轉化為DICOM格式，然后通過HIS/RIS/LIS網關取得該圖像對應的患者基本信息，然后把影像和患者信息一起合成一個DICOM文件，與放射科采集的圖像一起在PACS系統中進行統一的處理、傳輸和保存，以便被本地的圖像診斷工作站和遠程醫療系統快速安全地提取使用，進行圖像顯示和感興趣區域的測量等操作.遠程會議系統通過PACS服務器，可以完成對相關影像數據的查詢，提取等操作.DICOM網關在系統中位置和數據連接見圖2.

圖2　醫學圖像標準化示意圖

2　H.323　組件方案設計

2.1終端解決方案

會診音視頻傳輸是整個通訊系統的核心，通過會診前預傳資料和實時會診時音視頻同步，實現參加會診的異地專家協同診斷.通過登錄會診信息系統，會診專家可以隨時調用預傳的患者資料，通過電子白板和其它共享應用程序，可以對各種圖像影像資料直接進行修改和評注，從而構造出一個多人共享的工作空間.

H.323終端可以與H.323系統的各組件進行實時雙向的通信，將音頻、視頻、數據、信令等各種數字信號分別進行處理后組合成一路復合的數字碼流，再將其轉變為用戶網絡接口兼容的、符合傳輸網絡規定的信道幀格式的信號送入信道進行傳輸.H.323終端設備的邏輯結構中，音視頻編解碼、系統控制、打包分組與同步傳輸機制等是H.323協議描述內容；音視頻輸入輸出設備、數據應用設備、操作界面和網絡接口等模塊也是一個H.323終端的組成要素，但并不在H.323協議的描述范圍之內.

圖3　基于軟件平臺的音視頻會議系統結構

音視頻會議系統從實現方式上大體可分為軟件實現方案和硬件實現方案［9］.在遠程會診系統發展的早期，大多數采用硬件實現方案，即專業視頻會議系統生產廠家的視頻會議設備構建方案.基于軟件平臺的音視頻會議系統結構圖見圖3，其基本思路是在互聯網上構建一個網絡音視頻會議服務器.這個服務器主要起兩個作用：一是作為基于軟件的MCU，另一個是作為流媒體轉播代理服務器.網絡音視頻會議服務器完成會議組織和控制功能，實現“客戶端——服務器端——客戶端”的中間連接，并且實現音視頻流媒體信息的分發與交互傳輸，從而提供一個集各種多媒體信息為一體的通訊方案.基于軟件的音視頻會議系統采用純軟件的方式，整個系統不需要價格昂貴的專業音視頻會議設備，在終端最少只需要一臺接入Internet的裝有客戶端軟件的多媒體計算機，通過攝像頭和麥克風采集遠程診斷中實時的音視頻信號，并完成對音視頻信號的壓縮、解壓、存儲、傳輸和播放；遠程會議管理系統和音視頻會議系統可以架設在一個高性能服務器上，節省系統建設的一次性投入；而且系統升級非常方便，隨著壓縮標準的更新和網絡通訊技術的發展，系統能夠隨之更新升級.在本遠程會診系統設計時，采用的是基于Internet的軟件音視頻會議系統.

2.2多點控制單元選擇方案

多點控制單元MCU提供了在3個和更多個終端間召開多點會議的控制功能，是視頻會議的控制核心.MCU事實上是一個多媒體信息交換機，在多點會議中，MCU接受網守控制，通過標準接口負責與每個端點的數據流交換，對音視頻執行混合、合成、同步等處理，召集結束會議，呼叫參會終端，管理多組會議，處理呼叫服務，向網守報告會議狀態.結構見圖4，包括：線路單元、音頻處理單元、視頻處理單元、控制處理單元、數據處理單元等部分［10］.

圖4　MCU組成框圖

MCU通常設置在會議網絡中的主要節點處，本設計中設置在我院網絡中心機房.而會議中對MCU的控制通常由會議成員進行操作，一般通過遠程控制平臺實現，管理軟件可安裝在終端上，對系統中的MCU進行設備管理、會議設置、會議控制等管理.

目前基于H.323的MCU實現方案主要有兩種：軟件MCU和嵌入式硬件MCU.基于軟件方式的MCU采用安裝了MCU軟件的工控機、服務器及普通PC，這種方案適合低端視頻會議應用場合，性能不能充分滿足遠程會診的需要；基于硬件方式的MCU系統是專用實時操作系統，不會受到病毒的侵入，可長時間不間斷運行，采用模塊化設計，接口類型豐富，采用了專用處理芯片和分布式處理，系統具有強大的處理能力，可通過嵌入軟件的升級提供新的功能，支持新的編解碼方式，更適合本設計中遠程會診的需要.

2.3網守實現方案

在H.323標準會議系統中，網守（GK，Gatekeeper）主要提供對H.323端點的呼叫控制服務.雖然為H. 323的任選部件，但是對于本設計中運行在公網上的遠程診斷與會診系統來說，網守是其中一個必不可少的關鍵組件.

網守的設計應使用面向對象的編程技術，是系統具有清晰的邏輯層次結構，系統應具有較強的兼容性，易于維護和二次開發.可選擇用VC++作為開發語言，采用Pwlib和OpenH323兩個SDK動態鏈接類庫，這兩個庫中封裝了大量的通信類庫以處理報文收發和信令交互，能夠很好的支持H.323協議，并且兩個庫都遵循了開放性原則，可免費使用.在遠程診斷與會診系統中網守的結構設計見圖5.

圖5　網守的結構

3　結論

通過對目前遠程醫療發展現狀進行分析和研究，設計了基于H.323視頻會議系統的遠程診斷與會診方案.通過對遠程會診實現方式的比較，經過對H系列多媒體會議標準和DICOM數字醫學影像標準的研究，針對遠程會診的要求，選擇了H.323協議作為會診視頻會議設計的標準；對H.323系統中的各個重要組件：終端、多點控制單元、網守分別設計了合適的軟硬件實現方案，以解決醫學影像與會議系統之間的傳輸問題.

與現行的遠程會診系統相比，設計著眼于醫療影像信息數字化和DICOM標準化的趨勢，采用適合IP傳輸的H.323標準，設計了一個較完整的遠程診斷與會診系統.在本設計的基礎上，還可以考慮增加醫學資料在線查詢功能，以便本地的資料也可被異地擁有授權的用戶調用.

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Research of Communication Technology in Teleconsultation Based on DICOM

LU Yu-wei
（Medical Engineering Department，The Second Hospital of Anhui Medical University，Hefei 230601，Anhui，China）

Telemedicine is a new high technology which is based on multiple disciplines including，computer science，communication technology and the biomedicine.After studying DICOM and H series multimedia meeting standards，according to the features of teleconsultation system，the whole project of hardware and software is designed for H.323 terminal，multipoint control unit and gatekeeper.Compared with the existing teleconsultation system，the design based on DICOM and H.323 is more suitable for IP transmission and DICOM standardized application，together with the excellent expansibility and the feature easy to implement.

telemedicine；teleconsultation system；DICOM；H.323

TP399

A

1007-5348（2016）06-0014-05

（責任編輯：歐愷）

2016-03-20

安徽高校自然科學研究重點項目（KJ2016A562）；安徽省自然科學基金項目（1608085QH194）；安徽省高等學校省級質量工程項目（2015sjjd008）.

鹿煜煒（1984-），男，安徽阜陽人，安徽醫科大學第二附屬醫院醫學工程與信息部工程師，博士研究生；研究方向：智能信息處理.