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远程医疗系统设计方案


远 程 医 疗 系 统 解 决 方 案
北京航空航天大学
2014 年 11 月 30 日

目 录
目 录 ......................................................................................................... 1 一、 远程医疗系统综述 ........................................................................ 2 1.1 远程医疗系统的简介 .................................................................2 1.2 远程医疗系统的国外发展现状 .................................................6 1.3 远程医疗系统的国内发展现状 .................................................9 1.4 小结............................................................................................12 二、 远程医疗系统的技术分析 ..........................................................13 2.1 音视频终端技术 .......................................................................13 2.2 网络通信与设备接口技术 .......................................................22 2.3 数据库处理技术 .......................................................................29 2.4 用户终端技术 ...........................................................................34 三、 远程医疗系统方案设计 ..............................................................38 3.1 系统总体方案设计 ...................................................................38 3.2 终端关键技术设计方案 ...........................................................41 3.3 远程医疗系统方案预算 ...........................................................53 四、 参考文献 ......................................................................................54

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一、 远程医疗系统综述 1.1 远程医疗系统的简介

远程医疗(Telemedicine)从广义上讲,是指使用远程通信技术、全息影像 技术、 新电子技术和计算机多媒体技术, 发挥大型医学中心医疗技术和设备优势 对医疗卫生条件较差的及环境特殊的地区提供远距离医学信息和服务。 它包括远 程诊断、远程会诊及护理、远程教育、远程医疗信息服务等所有医学活动[1]。从 狭义上讲,远程医疗是指利用通信技术手段,通过音像视频等多媒体手段,实现 医疗信息的共享和诊断交互的医疗过程。

图 1 远程医疗整体框架

未来医疗活动中, 医生将通过计算机显示从远方传来的病人的各种信息,并 对病人进行诊断和治疗[2],这种局面已经到来。预计全球远程视频医疗将在今后 不太长时间里,取得更大进展。 远程医疗的内容包括远程医疗会诊、远程医学教育、建立多媒体医疗保健咨 询系统等。 远程医疗会诊在医学专家和病人之间建立起全新的联系,使病人在原 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,可以节约医
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生和病人大量时间和金钱。远程医疗运用计算机、通信、医疗技术与设备,通过 数据、文字、语音和图像资料的远距离传送,实现专家与病人、专家与医务人员 之间异地“面对面”的会诊。 远程医疗不仅仅是医疗或临床问题, 还包括通讯网络、 数据库等各方面问题,并且需要把它们集成到网络系统中。 远程医疗可以使身处偏僻地区和没有良好医疗条件的患者获得良好的诊断 和治疗,如农村、山区、野外勘测地、空中、海上、战场等。也可以使医学专家 同时对不同空间位置的患者进行会诊。 就目前来看,远程医疗的主要优点主要集中在四个方面: 1、在恰当的场所和家庭医疗保健中使用远程医疗可以极大地降低运送病人 的时间和成本。 2、可以良好地管理和分配偏远地区的紧急医疗服务,这可以通过将照片传 送到关键的医务中心来实现。 3、可以使医生突破地理范围的限制,共享病人的病历和诊断照片,从而有 利于临床研究的发展。 4、可以为偏远地区的医务人员提供更好的医学教育。 远程医疗的用途非常广泛, 远程医疗应用发展可以极大地减少病人接受医疗 的障碍,因为地理上的隔绝不再是医疗上不可克服的障碍了。 首先, 是在一定程度上缓解了我国专家资源、 中国人口分布极不平衡的现状。 我国人口的 80%分布在县以下医疗卫生资源欠发达地区,而我国医疗卫生资源 80%分布在大、中城市,医疗水平发展不平衡,三级医院和高、精、尖的医疗设 备也以分布在大城市为多。 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市级医院,加重了市级医院的负担,造成床位 紧张,而基层床位闲置,最终导致医疗资源分布不均和浪费。利用远程会诊系统 可以让欠发达地区的患者也能够接受大医院专家的治疗。另外,通过远程教育等 措施也能在一定程度上提高中小医院医师的水平。 其次是缓解了偏远地区的患者转诊比例高、 费用昂贵的问题。 中国幅员辽阔, 人口众多,边远地区的病人,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。 这样, 到外地就诊的交通费、 家属陪同费用、 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的身体造
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成了更多的不适, 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。 据调查, 偏远地区患者转到上一级医院的比例相当高; 花费非常昂贵,除去治疗费用外的其他花费(诊断费用、各种检查费用、路费、 陪护费、住宿费、餐费等)需要数千元,让病人几乎无力承担。而远程会诊系统 可以让病人在本地就能得到相应的治疗,大大减少了就诊费用。 远程医疗技术所要实现的目标主要包括: 以检查诊断为目的的远程医疗诊断 系统、 以咨询会诊为目的的远程医疗会诊系统、以教学培训为目的的远程医疗教 育系统和以家庭病床为目的的远程病床监护系统。 应用的目的和需求不同, 在远程医疗系统中配置的设备和使用的通信网络环 境也有所不同。 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,并且主要在医院内部的局域网上运行。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。远程医疗教育系统与医疗会诊系统相似,主要是采 用视频会议方式在宽带网上运行。无论哪一种远程医疗系统,计算机和多媒体设 备都是必不可少的。 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、 外科以及神经科等多种病例。 远程医疗技术的应用十分广泛,因此决定这项技术 具有巨大的发展空间。

图 2 远程医疗系统组网示意图 4 / 59

远程医疗技术涉及到包括媒体技术、通信技术和医疗机理等领域的新技术。 远程医疗中多媒体技术的应用有赖于各种各样多媒体数字设备的支持。 在远 程医疗中多媒体技术主要应用在以下几个方面: (1) 媒体采集。可以通过数字摄像机采集到高分辨率的图像和视频。 (2) 媒体存储。音频、视频以及医学图像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。 (3) 压缩/解压缩。 现在流行的 JPEG 图像压缩标准可以做到 10∶1 到 20∶1, 并经诊断结果表明它对图像没有损害性。 (4) 图像处理。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像。 (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。同时还需要多媒体设备的支持。 通信技术是远程医疗得以执行的前提, 通信技术有力的支撑了远程医疗的覆 盖范围、传输效率和传输质量。在这一过程中,涉及到的通信技术包括以下几个 方面: (1) 网络接口。不同的远程医疗需求和通信环境,对通信网络的选择也是多 种多样的,因此网络接口速率也有高低区别。 (2) 网络协议。在远程医疗系统中广泛采用 ATM(异步转移模式)互联协 议。在电话网上传输医学图像可以采用 H.324 视频会议协议。TCP/IP 协议可用 于局域网和广域网接口,用它接入医学图像和远端的医疗信息源。 (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。 (4) 音频传输。在远程医疗系统内除了视频外,还有音频传输,它也可分为 低速率和高速率传输两类,前者用于咨询会诊,后者则用于诊断病情。 (5) 静态图像(片)传输。通常静态图像(片)的传输是单向通信,传输速 率以单幅来计算,并且流量具有突发性。

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(6) 病历档案。它也是单向传输,并且主要是文本信息,因此传输带宽要求 不高。 (7) 骨干网络。 作为远程医疗的骨干网络可有多种选择, 但随着网络的扩大, 有必要通过网桥或路由器将各个局域网互联成为广域网。 基于视联网技术的远程医疗系统,利用统一视频服务平台, 可以轻松实现数 千路至数万路的高清视频流、 多媒体和数据服务点的统一智能化管理,实现高品 质,高度智能化的采集,传输和播放,并且可以覆盖到桌面的每一块屏幕上,用 户可以通过电视,电脑,3G 手机等实现平台内任意多点的双向实时高清视频通 讯,在医院内不同科室之间,多院区科室之间,为诊断患者的病情,可以通过桌 上终端实现随时随地的双向高清视音频交流,共同进行会诊,保证沟通的顺畅, 快速,极大的提高科室间协同办公和诊疗的能力。 通过统一的视频服务平台的远程医疗系统,还能提供医院内覆盖到病床,医 院外覆盖至其它友好医院,从城市到乡村镇,覆盖到社区门诊,并最终通过电视 屏覆盖到千家万户的高清远程医疗服务。 依靠视联网技术的支持, 只需两台电视、 双向高清智能终端, 就可以实现患者在家就能实时接收专家远程会诊的服务。统 一视频服务平台在视联网技术的支持下,可以实现几万路、几十万路、成百上千 万路的实时高清视频通信,可以随时随地发起双向、多向远程会诊等服务,使老 百姓在家都能得到优质的医疗服务。

1.2

远程医疗系统的国外发展现状

20 世纪 50 年代末,美国学者 Wittson 首先将双向电视系统用于医疗[3];同 年,Jutra 等人创立了远程放射医学[4]。此后,美国不断有人利用通信和电子技术 进行医学活动,并出现了 Telemedicine 一词,现在国内专家统一将其译为“远程 医疗”。 60 年代初到 80 年代中期的远程医疗活动被视为第一代远程医疗时期[5]。这 一阶段的远程医疗发展较慢。从客观上分析,当时的信息技术还不够发达,信息 高速公路正处于新生阶段, 信息传送量极为有限, 远程医疗受到通信条件的制约。 60 年代初,美国建立了试验台,通过卫星和微波技术为宇航员提供远程医疗监 护[6]。
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图 3 远程医疗系统中的网络拓扑结构

自 80 年代后期,随着现代通信技术、编码技术和信息压缩技术等水平的不 断提高,实现了数据、图片、语音和视频等多媒体信息的传输且其传输性能得到 不断提高,一大批有价值的项目相继启动,旨在推动远程医疗监护的发展,其声 势和影响远远超过了第一代技术,因此被业界视为第二代远程医疗时期。从 Medline 所收录的文献数量看,1988 年~1997 年的 10 年间,远程医疗方面的文 献数量呈几何级数增长[7]。在远程医疗系统的实施过程中,美国和西欧国家发展 速度最快,联系方式多是通过卫星和综合业务数据网(ISDN),在远程咨询、 远程会诊、 医学图像的远距离传输、 远程会议和军事医学方面取得了较大进展[8]。 1988 年美国提出远程医疗系统应作为一个开放的分布式系统的概念,即从 广义上讲,远程医疗应包括现代信息技术,特别是双向视听通信技术、计算机及 遥感技术, 向远方病人传送医学服务或医生之间的信息交流。同时美国学者还对 远程医疗系统的概念做了如下定义:远程医疗系统是指一个整体,它通过通信和 计算机技术给特定人群提供医疗服务[9]。这一系统包括远程诊断、信息服务、远 程教育等多种功能, 它是以计算机和网络通信为基础,针对医学资料的多媒体技 术,进行远距离视频、音频信息传输、存储、查询及显示。乔治亚州教育医学系

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统(CSAMS)是目前世界上规模最大、覆盖面最广的远程教育和远程医疗网络, 可进行有线、无线和卫星通信活动,远程医疗网是其中的一部分[10]。 美国的远程医疗虽然起步早, 但其司法制度曾一度阻碍了远程医疗的全面开 展。所谓远程仅限于某一州内,因为美国要求行医需取得所在州的行医执照,跨 州行医涉及到法律问题。据统计,1993 年,美国和加拿大约有 2250 例病人通过 远程医疗系统就诊, 其中 1000 人是由 Texas 的定点医生进行的仅 3~5 分钟的肾 透析会诊;其余病种的平均会诊时间约 35 分钟[11]。 美国联航正投入试验运行的远程医疗系统,提供了全方位的生命信号检测, 包括心脏、血压、呼吸等,在飞行过程中,可通过移动通讯系统及时得到全球各 地的医疗支持[12]。 由 University of Maryland 开发的战地远程医疗系统, 由战地医 生、通讯设备车、卫星通讯网、野战医院和医疗中心组成。每个士兵都配戴一只 医疗手镯,它能测试出士兵的血压和心率等参数。另外还装有一只 GPS 定位仪, 当士兵受了伤, 可以帮助医生很快找到他,并通过远程医疗系统得到诊断和治疗
[13]

。1988 年 12 月,前苏联亚美尼亚共和国发生强烈地震,在美苏太空生理联合

工作组的支持下, 美国国家宇航局首次进行了国际间远程医疗,使亚美尼亚的一 家医院与美国四家医院联通会诊[14]。这表明远程医疗能够跨越国际间政治、文 化、社会以及经济的界限。 2006 年到 2011 年,英国投资了超过 1.7 亿英镑用于建设远程医疗系统[15], 阿尔及利亚、印度、尼泊尔、俄罗斯、乌干达等国家都致力于研究移动电话远程 医疗、远程医疗基础结构、远程医疗速度等问题,美国、德国、日本、意大利、 阿曼、泰国、菲律宾、俄罗斯等国家都针对本国实情制定相应的远程医疗研究方 向和目标[16],其中,美国几乎在远程医疗的所有方向进行了探索和尝试,例如: Medicine College of Georgia 的儿科远程医疗;University of Pisa 放射学系病人图 像和数据通讯系统; JEWISH 免疫学和呼吸医疗中心和 LOSALAMOS 国家实验 室联合远程医疗项目以及 UWGSP9 远程医疗项目等。现在,美国乔治亚州和俄 克拉荷马州的远程医疗网络——乔治亚州教育医疗系统(GSAMS)是世界上规 模最大、覆盖范围最广的远程教育和医疗网络[17]。欧洲方面,组织了有 23 个实 验室、 多个大公司以及 120 个终端用户参加的大规模远程医疗系统推广实验,以 推动远程医疗的普及。 其中德国和挪威取得的成绩比较突出,许多远程医疗系统
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都已经在医疗活动中得到真正实际上的应用, 其通信手段普遍采用综合业务数字 网(ISDN),传输质量和速率比较理想[18]。 云服务和物联网的发展使得第三代远程医疗应运而生。2010 年开始远程医 疗逐步呈现走进社区,走向家庭,更多的面向个人,提供定向,个性的服务发展 特点。根据奇笛网的智能家居行业报告,随着物联网技术的发展与普及,远程医 疗也开始与云计算、云服务结合起来,众多智能健康的医疗产品逐渐面世,远程 血压仪、 远程心电仪, 甚至远程胎心仪的出现, 给广大的普通用户提供了更方便、 更贴心的日常医疗预防、 医疗监控服务。远程医疗也从疾病救治发展到疾病预防 的阶段[19]。 欧洲及欧盟组织了 3 个生物医学工程实验室、10 个大公司、20 个病理学实 验室和 120 个终端用户参加的大规模远程医疗系统推广实验, 推动了远程医疗的 普及[20]。澳大利亚、南非、日本、香港等国家和地区也相继开展了各种形式的 远程医疗活动[21]。

1.3

远程医疗系统的国内发展现状

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,特别是广大农 村和边远地区, 因此远程医疗在我国更有发展的必要。尽管我国的远程医疗已取 得了初步的成果,但是距发达国家水平还有很大差距,在技术、政策、法规、实 际应用方面还需不断完善; 同时,广大人民群众对远程医疗的认识还有待进一步 提高。 为了实现对重症病人的监护,早期大多数医院采取了电视监控的手段,这就 是远程医疗的雏形。计算机技术和通信技术的发展,特别是互联网络的发展,为 远程诊断、远程治疗和远程手术提供了技术平台。于是,现代意义上的远程医疗 作为一项新的应用技术提了出来,并很快得到了广泛的关注。 我国从上世纪 80 年代才开始进行远程医疗的探索。1988 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讨论, 开启了我国首次现代意义 上的远程医疗活动[22]。我国的远程医疗监护也逐渐进入尝试发展阶段,从上世 纪 90 年代后期以来,我国的远程医疗从真正意义上取得了进展,1994 年华山医 院与上海交通大学利用电话网络进行了模拟会诊演示。同年,国家卫生信息化的
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总体规划,解放军总后勤部卫生部提出了军队卫生系统信息化建设“三大工程”, 并分别被列为国家“金卫工程”军字 2 号工程, 即为建设全军医药卫生信息网络和 远程医疗会诊系统[23]。1995 年上海教育科研网、上海医大远程会诊项目启动, 并成立了远程医疗会诊研究室[24]。1997 年,中国金卫医疗网络即卫生部卫生卫 星专网正是开通并运营。 同年, 解放军总医院通过电子邮件的方式与济南军区某 医院进行了远程医疗会诊,并于当年正式成立“远程医疗中心”,主要是通过电子 邮件、可视电话、ISDN 等方式实现医疗通讯[25]。

图 4 远程医疗实时监护系统

近十年来, 我国远程医疗进入实际应用阶段,上海交通大学已经开发完成全 国首个无线远程心电图监控技术服务平台, 该系统可以实时将人体生理信号转换 成数字信号, 利用移动网络终端和网络信道使得医学专家能在第一时间获得心血 管疾病的诊断和预警[26]。2011 年,我国首家急诊远程监护室在武警总医院急救 监护中心启用,通过 GPRS 技术实施远程心电监测,而呼救者则可以通过“护心 宝”检测器与医生进行交流[27]。 目前经过验收合格并正式投入运营的包括中国医学科大学北京协和医院、 中 国医学科学院阜外心血管病医院等全国二十多个省市的数十家医院网站, 已经为 数百例各地疑难急重症患者进行了远程、异地、实时、动态电视直播会诊,成功 地进行了大型国际会议全程转播,并组织国内外专题讲座、学术交流和手术观摩 数十次,极大地促进了我国远程医疗事业的发展[28]。 在我国一些有条件的医院和医科院校也已经开展了这方面工作, 如上海医科 大学金山医院在网上公布了远程医疗会诊专家名单, 实时为全国病患提供网络在
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线会诊和咨询[29]。西安医科大学在美国“亚洲之桥”资助下成立了“远程医疗中 心”, 并成功地为美国国务卿奥尔布赖特进行了中美远程医疗会诊演示[30]。 最近, 在贵阳市成立了西南第一家远程医疗中心——“中国金卫贵阳远程医疗会诊中 心”,成为首批建立的 28 个远程医疗工作平台之一,并成功为一名病毒性脑炎患 者进行了远程专家会诊和远程指导,效果明显,从而实现了医疗资源的远程共享
[31]

。 中山大学的研发团队在广东省搭建了首个区域性的远程医疗网络平台, 涵盖

了包括远程生命信息检测系统、 远程会诊系统和 120 急救指挥系统。这三套系统 以病人的健康档案、电子病历、个性化的生命信息、实验室检查结果、影像学资 料为载体。信息共享。该平台实现了系统、高级中心、次中心三者之间的信息无 缝连接,从而实现了实时远距离医疗活动[32],该医疗会诊系统通过组建以中山 大学肿瘤防治中心、中山一院、中山二院为中心的医疗平台,实现与县、市二级 医院、120 急救移动平台等一线诊断点之间的点对点实时会诊(e-meeting)和病 理检测诊断。该系统已成功在广州、兴宁、南海等华南地区实施。
中山一院

影像视频信息共 享:医学影像学资 料,实时图像传输

中山二院

肿瘤防治中心

病人、家庭

信息传输 实时指导

地区医院/社区 医院

信息传输 实时指导

眼科中心

中山三院

生命信息共享:实时 心电、血压、呼吸、 脉搏、氧饱和

中 山 大 学 医 疗 信 息 共 享 共 享 平 台

中山五院

图 5 中山大学设计的远程医疗诊断平台

另外,台湾国立中正大学的 W.Y. Hsu 根据现有技术条件,提出了人脑交互 式的远程医疗方案(BCI, Brain computer interface system),并有望推动人机

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交互式的远程医疗技术得到改进和发展, 其研究成果更有利于对病患的准确跟踪 和病理分析,提高远程医疗诊断效率[33]。 远程医疗已在我国的农村和城市逐渐得到广泛的应用。并且在心脏科、脑外 科、精神病科、眼科、骨科、放射科、及其它医学专科领域的治疗中发挥了积极 作用。远程医疗所采用的通信技术手段可能不尽相同,但共同的因素包括病人、 医护人员、专家及其不同形式医学信息信号。 远程医疗具有强大的生命力,也是经济和社会发展的需要。随着虚拟仪器技 术在国内的发展,基于 LabVIEW 的远程医疗技术在先心病的远程医疗诊断上得 到了良好应用, 由于虚拟仪器的开发周期和运营成本都较同类开发系统及仪器要 有优势,引起,未来虚拟测控技术及仪器将会更多的在我国得到普及和应用[34]。 另外,便携式的仪器系统也是当今时代的主流,因此,基于 ARM 和嵌入式系统 的交互式远程医疗仪器也将进入我们的医疗卫生生活, 北京交通大学在近期就开 发出了一款基于 ARM 和 Linuxde 嵌入式的远程医疗装置,使得远程医疗仪器步 入小型化便携式时代[35]。随着信息技术的发展、高新技术(如远程医疗指导手 术、电视介入等等)的应用,以及各项法律法规的逐步完善,我国的远程医疗事 业必将会获得前所未有的发展契机。 随着物联网,无线通信技术,大数据等技术的飞速发展,必然会带动远程医 疗技术的革新和新型远程医疗概念的提出。建设可靠完善的远程医疗系统,是我 国医疗卫生事业发展的必然走向,只有这样才能大大改善国内医疗资源分布,实 现优良医疗资源的全域共享。

1.4

小结

远程医疗系统包括了远程诊断、远程会诊、远程护理、远程教育、远程医疗 信息服务及共享等所有医学活动。 从狭义上讲, 远程医疗是指利用通信技术手段, 通过音像视频等多媒体手段,实现医疗信息的共享和诊断交互的医疗过程。 随着云服务和物联网技术的发展,欧盟、美国、日本等发达国家已经迈入了 第三代远程医疗时期。国外著名公司如美国的国家仪器、欧洲的飞利浦、ABB、 Polycom、NuPhysicia 等世界著名公司已经开始与其本国和地区的大型医疗机构 练手,研究和部署远程医疗技术的新概念,使得远程医疗逐步走进社区和家庭。
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澳大利亚、南非、日本、香港等国家和地区也相继开展了各种形式的远程医疗活 动。 在我国一些有条件的医院和医科院校也已经开展了这方面工作, 如上海医科 大学、西安医科大学、中山大学、解放军总医院、北京协和医院和中国医学科学 院阜外心血管病医院等机构。 华为、 中兴等也对第三代远程医疗项目进行了探索。 未来远程医疗的应用前景广阔,也势在必行。建设可靠完善的远程医疗系统,能 够有效的改善国内医疗资源的分布,实现优良医疗资源的全域共享。

二、 远程医疗系统的技术分析

图 6 远程医疗综合会诊系统

通过数字化音视频远程医疗平台,能够实现会诊中心、外院专家、本院专家 和医疗现场的交互。因此,远程会诊系统的交互性能的好坏,其取决的技术质量 特性包括音视频终端设备、网络通信方式、设备接口、数据库处理系统和用户终 端交互系统等。

2.1

音视频终端技术

图 7 手术示教系统及其主要硬件配置 13 / 59

远程医疗系统要实现数字化的手术示教和远程会诊, 这就需要实现终端之间 的数字音视频的交换。在手术现场,需要进行实时采集的量包括:监护仪检测到 的病理信息,摄)相机实时拍摄和录制的全景和病理部位的处理图像,以及医患 及医生之间的音视频交流信息等。 1 微型摄像机

微型摄像头是现代高科技的产物,又名微型监控器,具有体积小、功能强大 的特点,隐蔽性比较好[36]。随着人们消费水平的不断提高,微型摄像头的用途 也越来越广。已经广泛运用到航空、商业、传媒、医疗、家庭等行业。微型摄像 头的出现,给人们的生活带来便利。 微型摄像头的图像传感器有 CMOS 和 CCD 两种模式。 CMOS 既互补性金属 氧化物半导体,CMOS 主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体,通过 CMOS 上带负电和带正电的晶体管来实现基本的功能的。 这两个互补效应所产生 的电流即可被处理芯片记录和解读成图像。CMOS 针对 CCD 最主要的优势就是 非常省电。不像由二级管组成的 CCD,CMOS 电路几乎没有静态电量消耗。这 就使得 CMOS 的耗电量只有普通 CCD 的 1/3 左右,CMOS 重要问题是在处理快 速变换的图像时,由于电流变换过于频繁而过热。暗电流抑制的好就问题不大, 如果抑制的不好就十分容易出现点。

a) 头盔式摄像机 图 8 便携式摄像机

b) 耳持式摄像机

CCD 图像传感器由在单晶硅基片上呈二维排列的光电二级管及其传输电路 构成。光电二极管把光转化成电荷,再经转化电路传送和输出。通常,传送优良 图像质量的设备都采用 CCD 图像传感器,而注重功耗和成本的产品则选择
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CMOS 图像传感器[37]。但新的技术正在克服每种器体固有的弱点,同时保留了 适合于特定用途的某些特性。 这一部分与模拟摄像机相同。声音传感器即拾声器 或叫麦克风,与传统的话筒原理一样。 目前有不少新式的摄像头已可支持 multi-megapixel 的分辨率, 某些摄影镜头更拥有高帧率, 像是 PlayStation Eye, 可以产生 320× 240 ,每秒 120 帧(frames)。

图 9 耳持式摄像机结构原理

微型摄像头的工作原理大致为:景物通过镜头(LENS)生成的光学图像投射 到图像传感器表面上,然后转为电信号,经过 A/D(模数转换)转换后变为数字图 像信号,再送到数字信号处理芯片(DSP)中加工处理,再通过 USB 接口传输到电 脑中处理,通过显示器就可以看到图像了。 根据微型摄像头的工作原理,可以知道摄像头的主要结构和组件包括: (1) 镜头,即为透镜结构,由几片塑胶透镜或玻璃透镜组成; (2) 图像传感器,包括 CCD 型和 CMOS 型; (3) 数字信号处理芯片(DSP),市面上较为流行的有: VIMICRO(中星 微)301P/L、SONIX(松瀚)102/120/128、ST(罗技 LOGITECH 的 DSP 提供商)、SUNPLUS(SUN+重点发展单芯片的 CIF 和 VGA,但 图像质量一般)、PIXART(原相)PAC207 单芯片 CIF、SQ(倚强) SQ930C 等。 (4) 电源,摄像头内部需要两种工作电压:3.3V 和 2.5V,最新工艺芯片有 用到 1.8V,其中,也有部分摄像头采用视频传输线同步供电,不必外 接电源线 微型摄像头包括针孔型摄像头和无线型摄像头。
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人们通常所说的针孔摄像机,用的并不是针孔镜头。针孔镜头是指利用小孔 成像原理来得到影像的镜头,它造价低廉,原理简单,但它的致命弱点是透过小 孔的光线太少, 而导致曝光时间过长。在阳光下使用针孔镜头拍摄照片需要花几 分钟到十几分钟,尤其是在夜晚拍摄时曝光时间则要长达几个小时。很显然,对 于每秒钟要拍摄十几张到几十张的摄像机来说,是达不到要求的。针孔镜头是无 法应用在摄像机上的,因而也就不存在严格意义上的“针孔”摄像机。按照习惯的 说法,将使用鱼眼镜头、平面镜头或锥形镜头的微型摄像机称之为针孔摄像机。 根据镜头来分, 针孔摄像头的镜头可分为有鱼眼镜头、平面镜头和锥形镜头 三种;根据使用的感光元件来分,可分为电荷耦合元件(Charge Coupled Device, CCD)和互补性氧化金属半导体(Complementary Metal-Oxide Semiconductor, CMOS)两种;而按照数据传输方式来分类,又可以分成无线摄像机和有线摄像 机两类。 微型无线型摄像头作为一种无线设备,在国内的无线环境中稳定使用。微型 无线监控摄像头高稳定、高速率、长距离、多点测试的特点。在环境、能源、建 筑、运输、医疗、工业机器状态监测等领域里均可发挥巨大作用,特别是在布线 复杂、 布线成本高昂、远距离大范围传送数据和移动性需求高时其发挥作用更加 明显。 根据微型摄像头的外形,它可还以分为室内装置形、个人饰品形、生活用品 形。 (1)室内装置形:如音箱、插座、充电器、灯具、画框。把微型摄像机巧 妙地置于这些物品这内, 从而达到监视家中环境, 保护家中人身财产安全的目的。 (2)个人饰品形:手表、眼镜、领带、火机、胸卡。把摄像机做成饰品形 状,可以方便地进行暗访、采录。

图 10 微型摄像头外形 16 / 59

(3)生活用品形:纸巾盒、饮料罐、车钥匙、电灯开关、排插、闹钟、手 电。这种形状的摄像机,可以随意放置在准备监视的位置,进行监控。 另外,从从功能上来区分,又可以分为:普通有线型、无线发射型、红外夜 视型、超远距离传输型等类型。 然而实际上在大多数情况下,微型摄像机被应用在保护人们的生命、财产和 隐私上,而不是起到相反的作用。特殊的微型摄像机还被应用到医学领域,用来 对人体器官或动物器官检查。 而医用内窥型摄像机的发展也经历了四个发展阶段[38]: (1)硬式内镜阶段(1806--1932):硬式内镜阶段由德国人 Philipp Bozzini 首 创,由一花瓶状光源、蜡烛和一系列镜片组成,主要用于膀胱和尿道检查。1895 年 Rosenhein 研制的硬式内镜由 3 根管子呈同心圆状设置。1911 年 Elsner 对 Rosenhein 式胃窥镜作了改进,但透镜脏污后便无法观察成为主要缺陷,尽管如 此,Elsner 式胃镜 1932 年以前仍处于统帅地位。 (2)半屈式内镜阶段(1932—1957) :Schindler 从 1928 年于优秀的器械操 作师 Georg Wolf 合作研制胃镜,最终在 1932 年获得成功,定名为 Wolf-Schinder 式胃镜。之后,许多人对其进行为行了改造,使之功能更为齐全,更为实用。 (3) 光导纤维内镜阶段 (1957 年至今) : 1954 年, 英国的 Hopkins 和 Kapany 发明了光导纤维技术。1957 年,Hirschowitz 及助手在美国胃镜学会上展示了自 行研制的光导纤维内镜。60 年代处,日本 Olympas 采用外部冷光源,使光亮度 大增,视野进一步扩大。近 10 年随着附属装置的不断改进,使纤维内镜不但可 用于诊断,且可用于手术治疗。 (4)电子内镜时代(1983 年以后) : 1983 年 Welch Allyn 公司研制成功了 电子摄像式内镜。 该镜前端装有高敏感度微型摄象机,将所记录下的图像以电讯 号方式传至电视信息处理系统,然后把信号转变成为电视显像机上可看到的图 像。 衡量微型摄像头的性能,主要看清晰度、色彩还原性、照度、逆光补偿,其 次要看其微型摄像头失真、耗电量、最低工作电压。 (1)清晰度的测量。多个微型摄像机进行测试时,应使用相同镜头,以测 试卡中心圆出现在监视器屏幕的左右边为准,清晰准确的数出已给的刻度线共
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10 组垂直线和 10 组水平线。分别代表着垂直清晰度和水平清晰度,并相应的 一组已给出了线数。如垂直 350 线水平 800 线,此时最好用黑白监视器。测试时 可在远景物聚焦, 也可边测边聚焦。 最好能两者兼用, 可看出此摄像机的差异 (对 远近会聚)。 (2)微型摄像机彩色还原性的测试。测试此参数应选好的彩色监视器。首 先远距离观察人物、服饰,看有无颜色失真,拿色彩鲜明的物体对比,看微型摄 像机反应灵敏度,拿彩色画册放在微型摄像机前,看画面勾勒得清晰程度,过淡 或过浓,再次应对运动的彩色物体进行摄像,看有无彩色拖尾、延滞、模糊等。 测试条件如此摄像最代照度在 50V 时应在 50+10V 照度情况下测量, 即每微型 摄像机最代照度基础上加十伏,且光圈应保持最接近状态。 (3)照度。将微型摄像机置于暗室,暗室前后为有源 220V 自炽灯,处设 调压器,以调压器调节电压高代来调节暗室内灯的明暗,电压可以从 0V 调到 250V 。室内光照也可从最暗调至最明,测试时把摄像机光圈均开至最大时记录 下一个最低照度值 (把有源灯用调压器调暗至看不清暗室内置画面)再把光圈打 至最小再记录下一个最低照度值,也可前后灯分别调压明灭。 (4)微型摄像机逆光补偿。测试此参数有两种方法:一种是在暗室内,把 摄像机前侧调压灯打开,调至最亮时,然后在灯的下方放置一图画或文字,把微 型摄像机迎光摄像,看图像和文字能否看清,画面刺不刺眼,并调节 AL、AX 拔档开关,看有无变化,哪种效果最好。另一种是在阳光充足的情况下把摄像机 向窗外照,此时看图像和文字能否看清楚。 (5)微型摄像机失真。看微型摄像机失真把测试卡置于摄像机前端使整个 球体出现在屏幕上,看圆球形有无椭圆,把摄像机前移,看圆中心有无放大,再 远距离测试边、角、框有无弧形失真等。 (6)微型摄像机耗电量。最低工作电压,使用万用表测量电流,使用小稳 压器调节电压看。 此种方法为完全软件显示法,只而要从 MCU 收到数据,便能在 PC 机上实 现一系列处理, 对检验图形变换效果、滤波分析优劣以及数据仿真思想都有着其 它方法无法比拟的优势。 2 双向语音对讲系统
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双向语音对讲系统是将音视频流通过局域网或广域网进行传送, 由监控中心 平台进行集中管理, 在现场和事件处理人员之间快捷的建立音频对话机制,为需 要构建远程交互环境的场合建立简单、有效、及时的沟通方案[39]。其拓扑结构 如图 8 所示。

图 11 双向语音对讲系统拓扑结构图

双向语音对讲系统的工作原理可以简单的描述为: 前端拾音器采集的声音信 号为模拟信号, 模拟音频信号必须经过采样处理转换为数字音频信号后,才能进 行压缩。波粒摄像机 BL-6720QPA-EX-L 采用 G.721 音频压缩算法,将拾音器采 集的模拟音频信号转换为数字音频信号后传输给后端 NVR 进行存储、转发。

图 12 双向语音对讲系统的线路原理图

通过前端音频信号采集和打包压缩后, 音频流信号则通过设备接口传递到总 线和互联网云端, 终端接收设备则通过解码和解压缩后,将音频信号转换成数字 量信号进行呈现。 双向语音对讲系统实现语音信号的双向对讲,需要合力的线路连接,其线路 连接原理为: 前端拾音器的音频输出接头插入网络摄像机的音频输入接口,网络 摄像机的音频输出接口接入音箱、扬声器等扩音设备,拾音器采集的音频及摄像
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机采集的视频通过双绞线传输到 NVR 进行存储、转发,在后端 NVR 或监控管 理平台连接相应的摄像机出图像后并选择监听相应的通道即可实时监听前端拾 音器采集声音信息,发现紧急情况时可通过在后端 NVR 或监控平台处接入耳机 (带麦克风)即可通过音视频系统的语音对讲功能和前端进行通话。 3 音视频数据传输模块

音视频终端系统除了上述的音频信号和视频信号的简单采集之外, 还需要进 行数据流的分析和处理。 从而实现音视频数据顺利的实现终端之间的通信。音视 频终端系统主要分为四个部分:多媒体数据采集模块、多媒体数据编解码模块、 多媒体传输模块、流媒体播放模块。 在流媒体数掘发送端, 多媒体数掘采集模块负责采集摄像头和麦克风的音视 频数据。 多媒体数掘编解码模块主要负责将采集到的原始数据进行编解码,以使 较大的原始音视频压缩成较小的数掘,使其能够在网络上进行传输。流媒体传输 模块负责将编码后的数据通过使用 RTP 协议,封装成 RTP 包在网络上传输。 在流媒体数据接收端, 流媒体播放模块负责将收到的 RTP 报文解包并播放。 流媒体数据接收端流程图如图所示。
开始

初始化RTP会话

结束

构造缓冲

播放音视频数据

分析RTP包头部

重组RTP包

利用seqNo重新排 列

利用timeStamp实现 音视频同步

图 13 流媒体数据接收端流程图

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AVS 是我国具备自主知识产权的第二代信源编码标准。“信源”,顾名思义, 是信息的“源头”,信源编码技术解决的重点问题是数字音视频海量数据(即初始 数据、信源)的编码压缩问题,故也称数字音视频编解码技术。显而易见,它是 其后数字信息传输、存储、播放等环节的前提,因此是数字音视频产业的共性基 础标准。AVS 标准是《信息技术先进音视频编码》系列标准的简称,AVS 标准 包括系统、视频、音频、数字版权管理等四个主要技术标准和一致性测试等支撑 标准。 2003 年 12 月 18 日举行第七次会议, AVS 工作组完成了 AVS 标准的第一 部分(系统)[40]、第二部分(视频)的草案最终稿(FCD)[41],和报批稿配套的验 证软件。2004 年 12 月 29 日,全国信息技术标准化技术委员会组织评审并通过 了 AVS 标准视频草案。2005 年 1 月,AVS 工作组将草案报送信息产业部,3 月 30 日,该标准草案视频部分进入公示期。2006 年 3 月 22 该工作组公布了《信息 技术先进音视频编码第 2 部分;视频》报批稿,5 月份出版;2006 年 9 月 AVS 工作组正式加入国际电联 ITU-T。目前,AVS-M 标准制定第一阶段的工作已经 基本完成,并且己完成了 AVS 第二部分视频和第七部分移动视频报批稿,不过 目前只有 AVS 会员有权阅读 AVS 相关技术文档。 AVS 视频当中采用了一系列技术来达到高效率的视频编码,包括帧内预测、 帧间预测、变换、量化和熵编码等。帧间预测使用基于块的运动矢量来消除图像 间的冗余; 帧内预测使用空间预测模式来消除图像内的冗余。再通过对预测残差 进行变换和量化消除图像内的视觉冗余。最后,运动矢量、预测模式、量化参数 和变换系数用熵编码进行压缩。 由于包含了目前最新的视频压缩技术,从压缩效 率比较:AVS 与 H.264/AVC 相当,是 MPEG-2 的两倍以上。 由于 AVS 是我国自主开发的音视频编码标准,收费低廉,且它注意了与国 际标准的共存,所以得到了广大设备厂商、运营商的青睐,增加了产品的竞争力
[42]

。AVS 适用的范围有数字地面电视广播( DTTB)、有线电视(CATV)、交

互存储媒体、直播为卫星电视、分组网络的多媒体业务(MSPN),实时通信业务 (视频会议、可视电话等)等等。 ISO/IEC 制定的 MPEG-x 和 ITU-T 制定的 H.26x 两大系列视频编码国际标 准的推出,开创了视频通信和存储应用的新纪元。从 H.261 视频编码建议,到
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H.262/3、MPEG-1/2/4 等都有一个共同的不断追求的目标,即在尽可能低的码率 (或存储容量)下获得尽可能好的图像质量。而且,随着市场对图像传输需求的 增加,如何适应不同信道传输特性的问题也日益显现出来。这就是 ISO/IEC 和 ITU-T 两大国际标准化组织联手制定的视频新标准 H.264 所要解决的问题。 4 音视频系统的选型指南

远程医疗系统的音视频终端设备的采购,需要综合考虑,质量方面,选择的 音视频系统具有较高的分辨率,稳定的数据流传输等,音频流传输的实时稳定, 噪音过滤性能好等。硬件结构方面,为了便于主刀医生的操作,音视频系统为便 携式可佩带型产品,同时还需要能进行 WIFI 通信功能。同时,根据远程医疗服 务站所在地区的经济状况, 还需要考虑音视频设备的价格等因素。 根据市场调研, 下面罗列了几种型号的音视频装置的参数。
表 1 音视频装置选型

型号
HDR-PJ820E M530 DS-6101HL-T

厂家/国别
索尼/日本 富士/日本 海康威视/中 国

主要参数
WIFI 通信; 659 万像素;CMOS 有线通信;像素为 1000-1199 万;CCD 3G/WIFI 无线传输; 500W 像素; 分辨率为 480TVL;

价格 /元
6900 700 4600

尺寸为 117× 65× 38mm;CMOS 1920× 1080P 高清动态录影;WIFI 通信;1400 万像 1900 素;CMOS 1300 万像素; WIFI 时控通信; 佩戴式; 尺寸为 1/2.5

AEE-SD23 WEBSONG

AEE/中国

希信能/中国 -D8 JJY-T21 中性/中国 >48db; 清晰度 700TVL; 镜头直径 3.6mm; CMOS Inzee T90 像素:动态 600 万/静态 1200 万;传感器尺寸:1/2.5 LNZEE/中国 英寸; USB 接口型;支持无线通信;CCD 英寸;CCD 30dpi 像素;640× 480 分辨率;WIFI 通信;信噪比

700

2300

240

2.2

网络通信与设备接口技术

1. 网络通信技术
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近几年,无线通信技术越来越多的应用于远程监护领域。 (1)基于蜂窝移动通信的远程监护 蜂窝移动通信是采用蜂窝无线组网方式, 在终端和网络设备之间通过无线通 道连接起来,进而实现用户在活动中可相互通信 [43]。其主要特征是终端的移动 性, 并具有越区切换和跨本地网自动漫游功能。蜂窝移动通信业务是指经过由基 站子系统和移动交换子系统等设备组成蜂窝移动通信网提供的话音、数据、视频 图像等业务。 蜂窝移动通信发展速度快, 技术比较成熟, 广泛用于各行各业的远距离通信, 远程监护系统中多数采用 GSM、GPRS 和 3G 技术。基于蜂窝技术的远程监护 系统可以充分利用其覆盖范围广的优点,使患者在网络的覆盖范围内,实时的将 数据远程传输到监护系统中心。另外,Internet 网络在医院里也很普及,医护人 员可以很容易看到监护中心的情况。 (2)基于卫星通信的远程监护 卫星通信简单地说就是地球上(包括地面和低层大气中)的无线电通信站间 利用卫星作为中继而进行的通信[44]。卫星通信系统由卫星和地球站两部分组成。 卫星通信的特点是:通信范围大;只要在卫星发射的电波所覆盖的范围内,从任 何两点之间都可进行通信;可靠性高,不易受陆地灾害的影响;开通电路迅速, 只要设置地球站电路即可开通;同时可在多处接收,能经济地实现广播、多址通 信;电路设置非常灵活,可随时分散过于集中的话务量;同一信道可用于不同方 向或不同区间。

图 14 户外应急会诊

卫星通信系统可实现覆盖全球范围的通信需求, 覆盖面广、 带宽高、 延迟短, 并能提供不同传输速率, 且系统容易控制不易遭到破坏。 但是由于运行成本过高,
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卫星通信不适合普通用户,只是适用于特殊情景和特殊需要(如军用通信)。目 前,美国阿拉斯加地区已采用了卫星通信进行远程医疗服务。 与 GSM 系统相比,GPRS 最大的优势是能提供丰富的数据业务,能给移 动用户提供高速无线 IP 或 X125 服务。GPRS 在现有的 GSM 网络中增加一 些重要单元用以支撑一些 GSM 不能支持的数据业务,如 GGSN 网关支持节 点、SGSN 服务支持节点、PCU 等。SGSN 是高端交换系统的核心,主要负责 移动数据管理,移动台状态控制,位置跟踪,完成下行链路的移动分组数据的发 送和接收。GGSN 网关支持节点,有时也称为 GPRS 路由器,主要是起网关作 用,负责和外部数据网络的接口。网关 GPRS 支持节点 GGSN 通过 Gi 接口 与外部 IP 分组网络连接, 可以用于 internet 连接 (本文就是运用到了这一点) 、 数据传输等应用。 GPRS 可以不需要利用电路交换模式的网络资源,用户能够在 端到端分组转移模式下进行数据传输。同时, GPRS 还有一个显著的优点, 只 要有信号的地方都可以通过 GPRS 来传输数据, 适用性特别高,非常适用于开 展行业无线接入应用。 (3)基于蓝牙技术的远程监护 蓝牙是一种支持设备短距离通信(≤10m)的无线电技术[45]。能在包括移动 电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等之间进行无线信息交换。利用 “蓝牙”技术,能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信,也能够简化设备与 因特网 Internet 之间的通信,从而数据传输变得更加迅速高效。蓝牙采用分散式 网络结构以及快跳频和短包技术,支持点对点及点对多点通信,工作在全球通用 的 2.4GHz ISM(即工业、科学、医学)频段。其数据速率为 1Mbps。采用时分 双工传输方案实现全双工传输。

图 15 具有蓝牙通信技术的无线耳机 24 / 59

蓝牙具有跳频快、功耗低、抗干扰能力强和辐射小的特点,在医疗电子方面 得到广泛的应用。虽然蓝牙技术的传输速度快,但续航时间较短,同时基于蓝牙 协议的通信节点需要人工配置和维护,这就限制了医疗监护设备的移动性。 蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范, 它以低成本的近距 离无线连接为基础, 为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接。其程序写在 一个 9 x 9 mm 的微芯片中。 ISM 频带是对所有无线电系统都开放的频带, 因此使用其中的某个频段都会 遇到不可预测的干扰源。例如某些家电、无绳电话、汽车开门器、微波炉等等, 都可能是干扰。为此,蓝牙特别设计了快速确认和跳频方案以确保链路稳定。跳 频技术是把频带分成若干个跳频信道(hop channel),在一次连接中,无线电收 发器按一定的码序列(即一定的规律,技术上叫做“伪随机码”,就是"假"的随机 码)不断地从一个信道"跳"到另一个信道,只有收发双方是按这个规律进行通信 的,而其他的干扰不可能按同样的规律进行干扰;跳频的瞬时带宽是很窄的,但 通过扩展频谱技术使这个窄带宽成百倍地扩展成宽频带, 使干扰可能的影响变成 很小。 蓝牙基带协议是电路交换与分组交换的结合。 在被保留的时隙中可以传输同 步数据包,每个数据包以不同的频率发送。一个数据包名义上占用一个时隙,但 实际上可以被扩展到占用 5 个时隙。蓝牙可以支持异步数据信道、多达 3 个的同 时进行的同步话音信道, 还可以用一个信道同时传送异步数据和同步话音。每个 话音信道支持 64kb/s 同步话音链路。异步信道可以支持一端最大速率为 721kb/s 而另一端速率为 57.6kb/s 的不对称连接,也可以支持 433.9kb/s 的对称连接。 (4)基于 ZigBee 技术的远程监护 ZigBee 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无 线通讯技术[46]。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间 进行数据传输以及典型的有周期性数据、 间歇性数据和低反应时间数据传输的应 用。 ZigBee 是 一 种 新 兴 快 速 、 安 全 可 靠 的 无 线 短 距 离 网 络 技 术 , 它 基 于 IEEE802.15.4 标准。它具有近距离、低复杂度、低功耗和低成本的优势,作为全 球标准在无线网络方面得到广泛的应用。目前,ZigBee 在医疗监护方面的应用
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还存在互操作性差和数据延迟时间长等缺点,因而还不能真正进入日常生活。

a) ZigBee 信号发射器

b) WIFI 信号发射器

图 16 无线型信号发射器

(5)基于 WIFI 技术的远程监护 近年来,WIFI 技术突飞猛进的发展,WIFI 网络已经遍布我们生活中的各 个角落[47]。低功耗 WIFI 具有传输速率高(可到 11Mbps)、续航时间长、射频 信号强等优点,传输距离也相当可观。在远程传输领域,充分利用现有的 WIFI “热点”接入移动网络或 Internet 网络,已经成为最新的研究方向。 相对于蓝牙等其它无线技术,WIFI 的最大优点就是传输速度快,最高可以 达到 11Mbps,另外它的电波覆盖范围也很广,可达 300 英尺。WIFI 的频段在 世界范围内是个人免费使用的频段, 无需任何电信运营执照, 无需政府授权, WLAN 无线设备提供了一个世界范围内可以使用的廉价无线空中接口。WIFI 热点是通 过在互联网连接上安装访问点来创建的, 当支持 WIFI 的终端搜索到一个热点时 就可以与之用无线方式连接。 现在国内 WIFI 覆盖非常广泛,每个城市都在不断 建设热点,在日常生活中我们随处可见,一般在宾馆、主题餐厅、图书馆、车站 等人群密集的区域都有 WIFI 接口。WIFI 与蓝牙同属于短距离无线技术,广泛 在办公室和家庭中使用,而 WIFI 在电波的覆盖范围方面则要略胜一筹。与 ZigBee 网络相比,WIFI 是更成熟的技术,与已有的各种 802.11 DSSS 设备兼 容,在设备互操作上具备明显优势。因此,WIFI 一直是实现自己无线局域网时 所青睐的技术。 对于远程医疗系统, 其通信手段包括医疗现场的短距离通信和医疗现场与会
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诊中心之间的远程通信,包括基于 ZigBee 短距离无线通信网络的构建,基于互 联网的 GPRS 无线网络的接入。其中,ZigBee 短距离无线通信网络的构建为面 向医疗现场及手术室的, 所以在手术室这样一个空间内考虑构建短距离的无线通 信。互联网的接入则采用 GPRS 移动通信技术。

图 17 远程监护系统网络构架

ZigBee 网络其主要完成的功能为实现节点之间的无线连接。带参数检测的 终端节点进入搜寻网络覆盖范围后,能够自组网来加入网络。加入网络后能够将 参数检测模块的数据传送至协调器,再由协调节点输送至网关。 2. 设备接口技术 接入设备(Access Device)是一个硬件设备,其通常用于远程的访问网络资 源,反之亦然。普通的接入设备有路由器、复用器和调制调节器 [48]。整合接取 设备(IAD)是一种能同时发送传统的 PSTN 语音服务、信息包语音服务和通 过单个 WAN 链接的数据服务(通过 LAN 端口)的接入设备。一个接入设备集 合了多种无线电遥控设备, 包括语音和通过单个共享接入链接到一个载体或服务 提供商接驳站(PoP)的数据。 接口技术可极大地提高硬盘的最大外部数据传输率,现在普遍使用的 ULTRAATA/66 已大幅提高了 E-IDE 接口的性能, 所谓 UltraDMA66 是指一种由 Intel 及 Quantum 公司设计的同步 DMA 协议。使用该技术的硬盘并配合相应的 芯片组, 最大传输速度可以由 16MB/S 提高到 66MB/S。 它的最大优点在于把 CPU 从大量的数据传输中解放出来了,可以把数据从 HDD 直接传输到主存而不占用 更多的 CPU 资源,从而在一定程度上提高了整个系统的性能。由于采用 ULTRAATA 技术的硬盘整体性能比普通硬盘可提高 20%~60%,所以已成为目
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前 E-IDE 硬盘事实上的标准。

图 18 常见的设备接口

图 18 中,PS/2 原是“Personal System 2”的意思,“个人系统 2”,是 IBM 公司 在 1987 年推出的一种个人电脑。PS/2 电脑上使用的键盘鼠标接口就是现在的 PS/2 接口。因为标准不开放,PS/2 电脑在市场中推广失败了。只有 PS/2 接口一 直沿用到今天。 接口有存储器接口和 I/O 接口。习惯上常指 I/O 接口。I/O 接口的功能是负 责实现 CPU 通过系统总线把 I/O 电路和外围设备联系在一起。具体是设置数据 的寄存、缓冲逻辑,以适应 CPU 与外设之间的速度差异,接口通常由一些寄存 器或 RAM 芯片组成,如果芯片足够大还可以实现批量数据的传输;能够进行信 息格式的转换,例如串行和并行的转换;能够协调 CPU 和外设两者在信息的类 型和电平的差异,如电平转换驱动器、数/模或模/数转换器等;协调时序差异; 地址译码和设备选择功能;设置中断和 DMA 控制逻辑,以保证在中断和 DMA 允许的情况下产生中断和 DMA 请求信号,并在接受到中断和 DMA 应答之后完 成中断处理和 DMA 传输。 按照电路和设备的复杂程度,I/O 接口的硬件主要分为 I/O 接口芯片和 I/O 接口控制卡两大类。而 CPU 通过接口对外设进行控制的方式有程序查询方式、 中断处理方式和 DMA(直接存储器存取)传送 3 种方式。对于常见的终端设备,
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通常使用的接口有 5 种类型: 并行接口、 串行接口、 磁盘接口、 SCSI 接口和 USB 接口。

图 19 生理检测节点接入网络结构图

在远程医疗设备中,对于基本的生理参数检测仪器已经比较成熟,单独检测 使用也非常方便。 但是如果要接入不同的网络进行传输,则因各家公司产品所用 传输协议, 传输格式的不同而难以实现。 本文对不同的输入方式的生理检测仪器, 设计一个测控模块,功能简单,小巧,可以 ZigBee 无线通信模块一起和各种生 理参数检测仪器绑定。通测控模块的设计,将不同的传感器接入系统时,只需要 修改其传输数据格式即可以接入,就可以将不同类型的数据接入至本系统,减少 二次开发的难度。 如图所示,测控模块总共设计分为两类,分别为模拟输入与数字输入,共有 四路输入。模拟输入接口用来接入模拟值。如环境参数的温湿度传感器,如果温 度超过阈值,就会产生一个高电平。模拟口输入就可以识别到模拟信号。数字输 入口用来接入数字类型的数据,如血压计参数。数字类型的数据接入时,对于不 同的传输格式, 可以有两种方式解决方式,一是测控模块将接入的传输格式转换 成系统能够识别的传输模式, 二是将生理检测仪器的传输格式转换为系统能够识 别的格式。

2.3

数据库处理技术

在每个手术室中都会配备有一个网关, 而一个网关最多可以有 100 个数据采 集模块[49]。100 个数据采集模块采集到的数据需要在网关汇集,然后再经过网关
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处理再发送给 GPRS。网关同时接收 16 个采集模块的同时,还需要处理其它的 多个事件,如与 GPRS 的数据传输,将从上位机收到的信息再传输给采集模块, 监视数据且需要不断地处于一些繁杂但又很重要的事情。所以,在协调好不同事 件之间的关系, 使各个不同的事件之间有条不紊地被处理,就必须要在编写接收 采集模块上传数据时进行一些合适的算法处理。一般,数据处理模块的设计采取 两种不的方式, 使网关在处于数据时能够稳定性更高,使在不同的情形下选择的 灵活性更强。这两种方式分别为轮询方式和触发方式[50]。

图 20 远程医疗中医疗设备间的数据通信

轮询方式。在轮询方式中,采取时间片的形式轮询调度[51]。在程序运行中, 每一个进程所分配的一段时间段,被称之为时间片。在移植有操作系统的的单片 机中,可以由操作系统来管理各个事务,这样会执行效率、方式都会有很好的选 择性。 但是操作系统要占用一定的单片机内部资源,对于资源有限的单片机来说 非最佳选择。所采用的 C8051F340 本身也不带操作系统。所以,采取的设计为 时间片轮询调度的方式来进行各个任务的管理。这种方式即在指定的进程内,允 许其中一个进程运行, 如果在这段时间片内, 进程还没有运行完, 只要时间一到, 程序将会把时间片赋予给下一个进程。如果在程序运行完最后一个进程的时候, 将会返回到第一个进程,再次重复之前的操作,周而复始。在远程医疗监护系统 中, 每一个数据采集模块在向网关传输数据时会被分配给一个时间片,在这个时 间片内 UART1(即通用异步收发传输器)被分配给其与网关传输数据。时间片 到了之后, UART1 被分配给下一个网关进程,进行数据传输。然后不断地循环, 就可以将采集模块采集到的数据有条不紊地传送给网关了。这样设计的优点在 于,单片机在处理多个事件时,可以同时处理好多个进程的进行。使采集模块有
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条不紊地往上传输数据。 触发方式。在远程医疗监护系统中,有一些采集数据不可能变化比较缓慢, 或者在特定一段时间内中, 只需要检测一次就可以。当过多的生理采集模块同时 采集且不停地发送数据时, 数据的发送量过大,可能会造成网关上数据传输的堵 塞。在可以接受的准确度范围内,可以选择降低采集频率,就可以使传输的数据 量大大减少,现时,也会减少 GPRS 数据流量,从而达到一个良好的效果。具体 的设计方案如下, 对需要采集的生理参数的检测如果在触发方式中,则触发方式 的思路为:在符合一定触发条件下,参数采集模块就向网关传输数据。而触发的 条件为采集的数据的变化量Δm 大于一个设定的值,即当采集模块采集到的数 据与上一次采集的数据不同,且它们之间的差Δm 大于已经设定好的一个数值 时,采集模块的数据才会往上传输给网关。 轮询方式适合于实时性要求比较高、 数据采集分辨率较高的生理参数采集模 块。 触发方式适合于生理采集数据变化相对比较慢的参数。两种方式都有其优缺 点。在整体设计中,有对其数据传输格式有定义,同时运行在系统中。在使用不 同的生理参数时, 在生理数据采集端, 就可以按照其特性选择不同的传输模式了。 数据采集卡是音频数据收集和后续处理的前端装置, 在远程医疗过程中需要 越来越多的医疗数据进行展示和传输,像内窥镜的内容,陪护仪的数据,VGA 数据采集卡不仅可以清晰的将手术室等医疗现场的各类音视频数据返还在视频 屏幕上,还可以将采集的内容集成流媒体或抓取成 BMP 格式的高清图片,方便 在 PACS 系统中流转应用[52]。 信息共享平台是基于 3 层 Browser/Web/Server 的网格计算体系结构的[53]。 客户层用来运行 Web 浏览器,用于显示信息。应用层服务器负责业务规则。数 据库层负责数据的存储。 医院端由医院内部服务器、 工作站以及接口服务器组成。 接口服务器同时具备 PACS 和 HIS 接口。如图 22 所示,各个医院拥有的系统 不尽相同,有 HIS、PACS、RIS、CIS 等各种系统的数据格式,信息共享平台 为了使医疗机构间的数据实现交互和共享, 利用 HL7 标准来规范化这些数据信 息格式, 使得医院的工作站之间可以通过浏览器进行查询、读取共享数据库中的 资料信息。远程医疗系统也可以直接调用信息共享平台的数据,从而达到实时、 完整的交互。 接口服务器是连接医院内部局域网和数据中心网络的桥梁,有了它
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既可以从医学影像和通信系统中得到病人检查的图文影像资料, 又能从医院信息 系统中获取病人的电子病历以及个人档案等资料。

图 21 信息共享平台组成

PACS 接口是用于实现多个医学影像存储通信系统之间, 以及它们和系统设 备之间的影像资料的传输[54]。DICOM3.0 是现在 PACS 系统普遍使用的标准, 它指的是一种数字影像和通讯标准。DICOM3.0 里给出了包括数字图像的生成、 存档、 显示等各种方面的的协议,它的出现使得不同生产厂商生成的不同设备下 的不同图像存储格式和传输方式得到了有效地统一, 有了它使得数字化影像资料 即使在不同的系统下也能就行交换和共享,同时也促进了 PACS 以及相关联的 远程医疗系统的发展。 HIS 接口包括基于 HL7 标准的消息构建程序和消息解析 程序。HL7 标准是一种卫生信息传输协议,由于医疗领域发展至今出现了很多 的系统,比如医院内部的药品系统、门诊付费系统、影像系统以及医院管理系统 等, 因此如何实现这些系统和医疗设备之间的数据传递和资源共享是 HL7 最初 被设计的目的。HL7 收集了不同厂商生产的系统的数据格式,在需要进行数据 交互时,先把不同系统的数据根据协议转化成 HL7 的基本单位 -Message (消
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息),然后通过一定的网络进行传输,最后到接收方,再次通过 HL7 解析成各 个系统原有的数据格式,这样就实现了异构消息系统间的数据交互。 VGA(Video Graphics Array)即视频图形阵列,是 IBM 在 1987 年随 PS/2 一起推出的一种使用模拟信号的视频传输标准,在当时具有分辨率高、显示速率 快、颜色丰富等优点,在彩色显示器领域得到了广泛的应用。这个标准对于现今 的个人电脑市场已经十分过时。即使如此,VGA 仍然是制造商所共同支持最多 的一个标准,个人电脑在加载自己的独特驱动程序之前,都必须支持 VGA 的标 准。例如,微软 Windows 系列产品的开机画面仍然使用 VGA 显示模式,这也说 明其在显示标准中的重要性和兼容性 对于一些图形或特殊分辨率输出的工作站来说,对高清的 VGA 采集卡要求 就会很高,如 1920× 1080,2048× 768 408× 600 等格式。 VGA 采集卡不仅能高分辨率采集,还要求具有高速度,高帧数采集的能力, 韦斯科技的 VGA 高清采集卡 HDCAP 很好的适应了这一需求,为设备的高清升 级及更好的清晰度稳定性提供新的选择。 HDCAP1.0 是业内唯一同时支持 LINUX 系统和 WINDOWS 系统的高清采集 卡[55]。下面为 HDCAP1.0 采集卡的主要产品参数: (1)PCI-E 1x 接口,单卡实现 1 路 VGA 信号、DVI、分量、HDMI 复用; · 采集 VGA、DVI、分量、HDMI 信号分辨率可达逐行高清效果(1920× 1080 或 1920x1200,30 帧); (2)支持 Windows 系列操作系统,同时还提供 LINUX 的驱动支持; (3)支持所有视频采集、编辑、直播软件。支持标准的 DIRECTSHOW 进 行开发,无需二次开发;根据不同客户的需求,同时提供二次开发 SDK; (4)支持一机多卡; (5)画面大小可高质量缩放和切边功能; (6)自动检测源的分辨率和刷新率,且能够自动匹配; (7)对地某些专业设备输出的特殊信号提供多种参数可自定义配置; (8)并提供特殊信号源的开发支持; (9)支持目前市面上现有的准高清摄像机(720P)和高清摄像机(1080P) 如 SONY 新出的 HD7V、HD3V 和国产最高为 1080I 和最高为 1080P 的摄像机,
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采集压缩达到 30 帧。 同时这款 HDCAP1.0 型号的 VGA 采集卡更强的兼容性及更快的数据转输 速度,满足了其同任何多屏卡配合使用。配合 VGA 信号采集卡以及其它多种多 屏图形处理显示产品,可以用于各种多屏、拼接应用。包括视频墙、监控指挥系 统的多媒体显示、医疗操作流程显示、在线查询及交互咨询系统等。

2.4

用户终端技术

1. 功能需求分析 在传统的会诊模式下,来自不同医院、不同地区的医生,通过会议的方式聚 在一起,对某些疑难杂症进行共同地讨论,最终得出治疗方案,但是这种方式受 时间和空间上的限制,不宜大范围、经常性地采用 [56]。而远程医疗就是利用通 信技术和计算机技术来实现远距离的医疗活动, 因此各个医院之间可以通过远程 医疗用户终端系统来实现电子病历、 影像检查等医学资料的传输和共享以及对手 术现场的指导, 医生及专家可以通过远程医疗用户终端系统方便的获取病人的基 本信息和病历档案, 病人和医生之间也可以通过用户终端来进行文字、语音实时 交流。所以一个完善的远程医疗用户终端系统必须具备以下一些功能[57]: (1) 用户登录功能 远程医疗用户终端系统作为一个提供医疗服务类的系统, 不是每个人都可以 随便登录的, 它必须要拥有能设置用户帐号和密码的功能,当用户正确的输入帐 号和密码后才能进入远程医疗用户终端系统中使用相关功能, 同时只有这样才能 有效地阻止非法用户的访问[58]。 (2) 预约挂号功能 远程医疗用户终端系统可以为用户提供预约就诊服务,通过网络实现。通过 远程预约挂号,患者可以不用花大量时间去排队挂号、等候专家,给很多需要长 期看病、 异地看病或工作繁忙的人带来很多益处,并节省了异地病人的路费和宝 贵时间。 用户可以在网上方便查看各个科室不同专家的预约和出诊安排,系统可 以根据用户提交的信息自动搜索并推荐相关专家供用户选择预约。 (3) 网上门诊功能 病人可以通过远程医疗用户终端系统进行网上门诊,实现“面对面”就诊过
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程。通过视频、语音及三维场景的虚拟诊室,实现医生和患者之间的实时交流、 检查和诊断,同时还能进行专家与医生之间的视频手术指导。患者可以将病历、 检验报告和影像图片等信息传送给专家,医生还可以远程控制用户计算机,辅助 患者使用系统软件和检测设备。 网上门诊可以记录门诊的整个过程,包括通话记 录、视频录像和检测检查过程,便于以后的学习分析。

图 22 远程会诊 APP 界面

(4) 远程会诊功能 远程医疗系统的重要功能之一就是远程会诊, 该功能提供的服务是汇集不同 地点同一领域的多名专家医生对某一病历实施交流和会诊的过程, 会诊过程需要 实时交换会诊各方的视频音频信息,病史档案、超声、CT、磁共振等影像资料 等。会诊专家在线进行研讨、分析、诊断,并给出治疗方案或意见。会诊过程中 专家可以跟患者互相交流,专家之间互相交流,可以选择查看不同对方的视频图 像。该会诊的整个过程将被录制存储,包括视频会议、检测检查过程和诊断研讨 过程等。 (5) 健康咨询功能 远程医疗系统利用网上门诊功能,向患者提供“面对面”的交流咨询服务。
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主要提供心理咨询服务。 专家通过常用的和专家特有的心理测试表进行问卷测试 和交互测试,通过视频可以观察被测者表情变化,从而作出分析诊断。 (6) 电子病历功能 电子病历为用户建立长久的电子健康档案, 以便将个人成长的各个时期的各 个环节的信息按类别及发生时间顺序有机地组织成为一个整体, 让用户随时随地 了解掌握自己的健康状况。需要输入的健康数据有:各类检测、化验资料,其中 化验资料包括血常规化验单、便常规、尿常规、肝功能、肾功能、血脂化验等。 影像资料包括 CT 图、磁共振图像、X 光线、B 超图等。系统可以根据设计的 报表、统计等输出样式显示健康档案信息。 (7) 远程监护功能 远程医疗用户终端系统依靠配套的检测设备, 能为用户提供常规简易项目的 就地监测和监护, 使用户足不出户就可监测各项生理指标,为健康管理提供实时 准确的信息数据。 监测数据通过网络传送到监护服务中心分析存档。监测项目包 括心电图、心音听诊、胃点图、心血管功能、脑电波、脉象、虹膜观测、呼吸率 等。 监测采样的数据可在本地或实时传输到网络远端以图形化方式显示,监测完 毕后,系统可以自动分析,并给出可供参考的辅助诊断。 2. 性能需求分析 我国的远程医疗系统还处于一个高速发展的阶段,很多相关的技术、设备都 处于一个完善的过程中,因此现阶段的远程医疗系统的建立还应结合实际条件, 以适用为原则,并考虑以下五个方面[59]: (1)系统的易用性:远程医疗系统的目标是要使那些经济不发达的地区也 能享受到同等的医疗资源, 而位于偏远山区、农村的基层医院往往缺乏专业的计 算机技术人员, 现有的医护人员的计算机水平又不高。因此远程医疗用户终端系 统的界面和操作一定要简单化、 人性化以方便他们的使用,采用的技术也要尽可 能的易于实现。 (2)系统的可扩展性:远程医疗系统正处于蓬勃发展的过程中,随着需求 的不断增加, 远程医疗用户终端系统要能适应这种变化。在建立系统时要考虑到 如何易于维护和修改,方便扩展,比如在初期制定信息传输和存储标准时,考虑 到以后能够与国际相关标准接轨的问题, 因此要采用当前通用的国际通用卫生信
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息传输标准,即 HL7 标准(Health Level Seven),它是为医疗信息系统提供统 一的信息接口标准, 其目的是将医院内部的各个医疗系统,以及不同医院的不同 系统之间的数据统一成一种规范的格式,以方便信息交换,实现卫生资源共享和 利用。

图 23 户外应急会诊系统的主要配置

(3)系统的可靠性:远程医疗活动对用户终端系统的稳定性要求很高,比 如在远程手术中, 如果因为某种原因影响了系统的稳定而导致手术中断,这将直 接威胁到病人的生命。 同时各种医疗信息也是十分宝贵的资源,如果因为用户终 端系统的原因而丢失, 将会带来巨大的损失,因此设计出的远程系统要能应付像 断电、断网这样的情况,要配备 UPS 保护电源,系统的数据库也要经常备份。 此外在经济欠发达的地区,基础设施条件差,网络带宽小,为了保证系统稳定、 可靠、安全地运行,在建立系统时要结合当地实际条件。 (4)系统的安全性:远程医疗用户终端系统在使用中必然会收集包括病人 信息、医生信息在内的多种医疗资源,这些都涉及到个人的隐私问题,因此如何 保障这些信息不被泄漏是设计远程医疗系统时应该考虑的范畴。 比如要严格控制 帐户的等级与权限,安装杀毒软件与防火墙来有效的保护计算机与网络的安全, 对数据存储的格式和传输过程进行加密等等。 (5) 系统的低成本性:由于远程医疗系统要涉及到经济欠发达的基层医院, 因此要充分考虑这些医院的投入和使用成本,尽可能降低医院和患者的会诊费 用,减少系统的接入费用,此外还可以定期免费提供一些必要的培训和咨询。
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三、 远程医疗系统方案设计 3.1 系统总体方案设计

1. 远程医疗平台的组成 (1)手术室 在每个手术室内安装 3 个摄像机,其中两个为半球摄像机,分别固定在手术 室吊顶下的两个角, 用于观察手术室人员的整体活动;而另一个摄像机为一体化 球机,安装在手术床上方。 (2)手术室控制室 控制室内墙壁上安装液晶电视(1080p) ,在墙壁上配置触摸控制屏或通过 PC 控制,实现各种信号(术中术野视频信号、病人信息 HIS、LIS、PACS 等) 的切换,在液晶电视上展现。同时安装有吸顶音箱、音量控制器、噪音抑制器、 功放等。 (3)手术室机房 交换机和控制机柜放在这里,机柜主要用于存放编、解码设备,负责所有信 号(音频、视频、控制)的接入和调度,主要包括高清控制矩阵、视频信号转换 器、音频控制单元、多路高清编解码、计算机主机。 (4)主机房部分 主控制室建议设在计算机中心的机房内,主控制机柜主要包括主控制单元 (与六个手术室的分矩阵相连) 、MCU 媒体交换平台、录播服务器等。对于网络 传输部分,手术室和会诊终端基于快速以太网络,即医院的内部局域网络,要求 骨干为 1000M,到桌面为 100M。网络并发观看数量为 64 个用户。 (5)会诊室和终端部分 会诊室和 PC 终端用户均要求有场景摄像机或摄像头,与手术室及会议室实 现语音和视频的双向通讯, 需要足够的带宽以达到高清晰度和不延时的效果,会 诊室机柜包括用于与信息平台沟通的计算机主机、46 寸高清液晶电视、音频套 件、场景摄像机、控制台等,采用网络传输方式;在会诊室或会议室中观看手术 过程, 并可以对话交流和操控手术室摄像机,主要通过高清电视机和投影仪来观 看,要求电视机和投影仪具有 HDMI 高清端子;上级医生在办公室可以随时利
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用 PC 观看任何手术室的状况和手术过程,主要通过桌面 PC 来观看,要求 PC 配备摄像头和耳麦。 网络传输的码流可以在 6M 和 56K 之间调节,以方便窄带环境下对远程手 术医疗的支持, 考虑到会议和分会场的互动以及多方的讨论互动,要求系统的音 视频支持三方或多方,以呼叫请求方式加入。 不同的会诊室、 会议室或主任办公室可同时观看同一个手术室的图像,即系 统支持一点对多点的并发,且通过合理压缩算法使得基于网络能正常运行。 2. 远程医疗设备清单 远程医疗设备的配置主要涵盖包括手术室、手术控制室、手术室机房、计算 机信息室等场所的所有机电控制及计算机信息交换设备。 (1)手术室设备配置
表 1 手术室设备配置 序号 1 2 3 4 5 名称 术野摄像机 全景摄像机 吸顶音箱 无线话筒 高清编解码器 数量 1台 2台 1只 1套 3-4 台 性能 (采用高清高速球型摄像机 (定压:70-100V (UHF 波段 水平清晰度≥540TVL) (采用半球定焦型摄像机) 水平清晰度≥480TVL) 功率≥5W) 一拖二)

(高清分量/模拟复合/VGA)

(2)手术控制室设备配置
表 2 手术室控制室设备配置 序号 1 2 3 4 5 名称 吸顶音箱 音量控制器 噪音抑制器 功放 液晶 TV/液晶显示器 数量 1只 1只 1台 1台 1台 (定压:70-110V 功率 100W) 性能 ( 定压:70-100V 功率≥5W)

(3)手术室机房设备配置
表 3 手术室机房设备配置 序号 1 2 名称 千兆交换机 机柜 数量 4台 4台 性能 (每台 12 口 带光纤模块接口) (容积≥32U 深度≥800mm)

(4)计算机信息室设备配置
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表 4 计算机信息室设备配置 序号 1 2 3 4 5 名称 媒体交换单元 MCU 管理 PC 文件服务器 高速存储服务器群 机柜 数量 2台 1台 1台 1套 2台 (容积≥42U 深度≥1000mm) 性能 (单台 MCU 支持最大 64 位同时在线) (品牌主流配置)

3. 远程医疗软件系统的设计
手术排班日志 (时间、 手 术室号、 手术类别、 手术 医生) 手术医生在手术室的电 脑界面上可以看到此手 术是否在远程模式

手术排班系统

临时观看权限申请(主 要用于会诊室、会议室 的手术直播观看)

长期观看权限申请 (主 要用于主任、 院长等管 理层在办公室观看) , 确定某个观看类别

登陆手术远程管理系统, 输入鉴 权信息后即进入手术直播用户 控制界面 (可选择某个已授权的 手术室,进行相应操作)

手术过程中, 可看到当前 观看本手术的所有观众 列表, 可选择是否接受来 自观看方的对话申请, 在 多方同时观看时, 可选看 任何一个观看者图像, 可 发起与观看者的对话。 可 将显示器在手术本地信 息和远端图像之间切换

观看手术直播过程中, 可进行摄 像机选看操作, 可发起对话申请 (临时观看权限可设置有对话 权限或无对话权限)

用户可根据授权对手术 进行全程录像和拍照

图 24 系统权限管理系统逻辑图

数字化手术室软件系统主要由下面四个子系统组成: (1)手术室工作站系统:是数字化手术室系统的核心部分,是整个系统的基 石, 负责管理和调度本手术室内的所有的视频资源。可以调阅病人的各种信息资 料,可以与手术工作站系统进行音、视频互动。 (2) 手术观摩系统: 观摩授权手术间的手术, 可以调阅病人的各种信息资料, 可以与手术工作站系统进行音、视频互动。 (3)直播/点播系统:对各种信号源通过编/解码,借助于网络,在系统内进
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行播放;对录制的视频文件进行管理,包括上传、发布,编辑等;对录制好的视 频文件采用系统提供的播放器或通用播放器进行回放。 (4)视频后台管理系统:定义用户,各种权限的设定,手术观摩申请、批复, 设置 MCU,基础数据的维护等。

3.2

终端关键技术设计方案

1. 耳持式 WIFI 语音-摄像系统

图 25 WIFI 耳持式高清音视频系统

WIFI 耳持式高清音视频系统能同时实现语音,视频的双向同步实时传输, 摄像头、耳机和麦克风通过信号传输线直接接入到 CMS 主机上的 3.5mm 插孔, 设置好相关软件后,在 WIFI 和 3G 网络覆盖条件下,即可实现视音频的顺畅传 输。

a) WINDOWS NVR,版本为 8.5.5.20

b) CMS 中控软件,版本为 V1.0.0.32

图 26 BL-6720QPA-EX-L 摄像机,版本为 9.63.2.2 41 / 59

前端采用快鱼 A20 型拾音器, 通过音频线接入 BL-6720QPA-EX-L。 快鱼 A20 拾音器通过其专用电源 AMP211 供电,AMP211 输出电压为 DC12V,输出电流 ≤280mA。AMP211 还提供一个 BNC 接口和一个耳机/音箱插孔,可直接在 AMP211 上插入耳机、音箱等设备实时监听前端拾音器采集的声音。
表 5 A20 拾音器设备参数 项目 监听距离 音频传输距离 频率响应 灵敏度 信噪比 指向特性 动态范围 最大承受音压 输出阻抗 输出信号幅度 麦克风 信号处理电路 保护电路 适配器 连接方式 传输线缆 电源电压 电源电流 工作环境温度 外壳材质 外形尺寸 重量 42 / 59 性能指标 2米 1000 米 20Hz ~ 20kHz -52dB 80dB ( 1 米 40 dB 音源)50dB (10 米 40 dB 音源) 1KHz at 1 Pa 单一指向性 70dB (1KHz at Max dB SPL) 120dB SPL (1KHz,THD 1%) 600 欧姆非平衡 2.5Vpp/-25db 高档单一指向向电容咪头 专业音频处理 雷击保护、电源极性反转保护 内置前置放大电路,不需要适配器 电源线(红色) 、音频(白色) 、公共地(黑色) 3 芯 0.5mm2 RVVP 屏蔽电缆 直流稳压 DC 12V 20 mA -25℃ ~ 70℃ PVC 30mm× 30mm 27 克

图 27 AMP211 型拾音器专用电源

拾音器专用电源 AMP211 的功能: ● 专门针对监听头的接线方式设计, 三芯线缆可直接接入端子, 更能满足使用者 简单、方便的使用需求。 ● 提供的声音输出接线端子和一个耳机/音箱插孔, 可直接接驳 DVR、 有源音箱、 耳机等多种音频设备。 ● 采用优质的变压器及滤波电容,能提供比市售廉价电源更为清洁的电源电流 和更标准的电源电压支持。 具有精度高, 纹波小的特点, 有效地保证了监听头 的 音质。 ● 具有独立的声音输出增益/音量大小调节(-20dB~20dB)。 ● 电源参数:输出电压 12VDC± 5%、输出电流≤280mA、纹波≤20mvrms。 ● -25℃~75℃的超强工作温度范围。重量为 226g。 ● 提供可靠的电源短路、防雷及电涌保护,以保证监听头的长期稳定工作。 WIFI 便携式高清音视频系统: 2.自动跟踪摄像系统 自动跟踪摄像系统可为手术室提供高质量的现场视频图像信号资源。 它能在 无人操作的情况下准确、 快速地对手术台上的场景进行特写。其采集到的信号可 输出给大屏幕投影系统及远程视频会诊中心。 一般来说, 自动跟踪摄像系统要求在手术室的手术台前端顶部纵向安装几台 高速半球摄像机,主要作用是采集病人病理情况、手术操作情况和现场实况。在 手术室上方安装一台全景固定摄像机,用来在无人发言时拍摄全场画面。 现代摄像追踪系统有两种方式实现, 一种是配置手术监控系统本身可实现摄 像追踪功能的设备, 另外一种是通过中央集中控制系统来实现。 手术监控系统本 身就具有的视像追踪功能方便设置摄像头的预置位, 话筒位置改变我们可以马上
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重新设置; 而通过中央集中控制系统来实现摄像追踪功能的缺点就是话筒位置改 变后预置位重新设置就不太方便。

图 28 TS-0691 高集成高速预置球型摄像机

在这里可以使用的摄像机为 TS-0691 高集成高速预置球型摄像机(吊顶安 装) ,产品功能: ● 1/4 英寸 SONY SUPER HAD CCD; ● 18 倍光学变焦,f=4.1mm(wide)-73.8mm(tele),F=1.4-F3.0; ● 480TVL; ● 高强度双层铝合金精铸上罩,耐高温、抗腐蚀; ● 360° 连续旋转,最快速度达到 300° /s; ● 四路报警输入,一路报警输出; ● 6 条可编程巡航轨迹,128 个预置位,具有自学习功能; ● OSD 屏幕英文菜单,可显示预置位标题,摄像机地址等; ● 集成多协议、波特率可选,多种摄像机自适应,标准 RS-485 控制; ● 快装接口,具热插拔功能,方便高空作业; ● 可选择区域遮蔽功能(最多 8 个可编程遮蔽区域) ; ● 内置 3KV 防雷,防浪涌和瞬间过压保护; ● 采用全天候防护罩,内置自动恒温装置; ● 采用 AC24V 电源可实现外同步; ● 约 44 万像素,12 倍数字变焦;
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● 最低照度:1.0LX(标准)(F1.4,5OIRE)。 3.无线语音接收系统 为了保证手术室安静的环境, 本方案中要求对所有现场医护人员统一佩戴无 线蓝牙语音接收装置。无线语音接收系统统一采用蓝牙技术进行无线通信。 单耳式蓝牙耳机多为无线小巧样式,可直接佩戴在耳上,主要功能是便于接 听之用,可进行音量调节控制,单耳式蓝牙耳机通常进行了降噪技术处理,拥有 双待、双麦、丽音等效果。

a) T-521US

b) T-521UL

c) T-521US d) T-521UV 图 29 UHF 段液晶显示可调频真分集无线话筒

e) ERA-5 蓝牙耳机

产品功能: ● 100 组 UHF 频率通道可选用,分集式接收,有效避免断频和接收距离延长; ● 带两通道音量监听接口,方便远程监听; ● 带 8 级射频电平显示,8 级音频电平显示,频道菜单和静音显示; ● 平衡/非平衡两种选择输出端口,适应不同设备连接的需求; ● LED 液晶显示屏能同时显示工作组, 信道号与工作频率, 轻触式按钮控制简捷, 让用户使用更方便; ● 超强的抗干扰能力,能有效抑制外部噪音干扰及同频干扰; ● 自动搜索功能,接收机能快速搜索到未被用户使用且不受干扰的信道; ● 红外对频功能,能方便、快捷的使发射机与接收机频率同步; ● 中频丰富,声音有磁性感和混厚感。
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表 6 总控机系统指标 系统指标 频率范围 调制方式 信道数自 信道间隔 频率稳定度 动态范围 最大频偏 频率响应 综合信噪比 综合失真 工作距离 工作温度 技术参数 740-790MHz(可使用的频率取决于当地的规定) 宽带 FM 100 250KHz ±0.005%以内 100dB ±45KHz 80Hz-18KHz(±3dB) (整个系统的频率取决于话筒单元) 105dB ≤0.5% 约 100m(工作距离取决于很多音量,包括 RF 信号的吸收、反射和干扰等) -10℃~+50℃ 表 7 接收机性能指标 接收机指标 接收机方式 中频频率 无线接口 灵敏度 灵敏度调节范围 离散抑制 最大输出电平 供电方式 技术参数 二次音频超外差 110MHz,10.7MHz BNC/50Ω 12dB μV(80dBS/N) 12-32dB μV ≥75dB +10dBV 直流 12V-18V 表 8 发射机性能指标 发射机指标 音头 天线 输出功率 离散抑制 供电 电池寿命 功能特点 音质特点 技术参数 动圈式麦克风,电容式(领夹话筒,头戴话筒) 手持麦克风内置螺旋天线,佩挂发射机采用 1/4 波长鞭状天线 高功率 30mW;低功率 3mW -60dB 2 节 5 号 1.5V 碱性电池 30mW 时大约 10 个小时,3mW 时大约 15 个小时 采用真分集接收方式,有避免断频现象和延长接收距离 中频丰富,唱歌轻松,声音且有磁性感和浑厚感,属人声话筒音持的精华 500mA 输入

4.数据通信中央处理器 (1)TS-211 型话筒前级

图 30 TS-211 型话筒前级

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功能特点: ● 96KHz 采样频率,32-bit DSP 处理器,24-bit A/D 及 D/A 转换; ● 3RCA 可选/自动音频信号输入 (AUX、 BGM、 VOD) 提供 3 组 5 个话筒输入, 标准的 5.1 声道输出; ● 提供 USB 接口可连接电脑,提供远程控制和红外线控制; ● 直接用面板的功能键和拔轮进行功能设置或是连接电脑通过 PC 控制软件来控 制,均十分方便、直观和简洁; ● 单机可存储 10 种用户程序,提供 10 组出厂的经典程序; ● 可通过面板的 SYSTEM 埪键来设定密码锁定面板控制功能,以防止闲杂人员 的操作破坏机器的工作状态; ● 每个输出通道均有 7 段独立的参量均衡、1 个高通滤波器和 1 个低通滤波器, 调节增益范围-30 至+15dB 高通滤波器和低通滤波器均可选 4 种不同斜率和 3 种 不同类型; ● 采用汉字液晶屏和 7 段 LED 显示输入/输出的精确数字电平表、 哑音及编辑状 态; ● 每个输入和输出均有延时和相位控制及哑音设置,延时最长可达 60ms; ● 输出通道还可控制该通道的效果比例、话筒音量、音乐音量和效果音量; ● 话筒带 4 种级别的防啸叫功能,话筒和音乐信号均带有噪声门; ● 效果带三段参量均衡,回声和效果的具体参数均可调。
表 9 TS-211 型话筒前级的技术参数
型号 输入通道及插座 输出通道及插座 TS-211 5.1 声道 5.1 声道 XLR 公卡侬座(一对主声道,一对环绕,一个中置和一个超低) ,1 个 RCA 视频输出 输入通道及插座 3 选 1 的音乐信号 2 对 RCA 端子输入和 1 对 XLR 母卡侬座,3 选 1 的 RCA 视频输 入,3 组 5 通道话筒输入:20KΩ 输入阻抗 输出阻抗 PC 接口 其它接口 共模拟制比 输入范围 频率响应 平衡:20KΩ 平衡:100Ω 面板 1 个 USB 接口 后板 1 个远程遥控,前板 1 红外接收头 >70dB(1KHz) ≤+25dBu 20Hz-20KHz(-0.5dB)

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信噪比 失真度 通道分离度 输入通道功能 输入哑音 输入选择 输入延时

>110dB <0.01% OUTPUT=0dBu/1KHz >80dB(1KHz)

每个通道设立单独哑音控制 视频和音乐同步,有自动选择和手动选择 每个输入通道有单独延时控制,调节范围 0-30ms ,小于 10ms 步距为 0.1ms,大于 10ms 步距为 1ms 同相(+) 或反相 (-) 音乐和话筒设 9 个参量均衡:中心频率点:20Hz-20KHz 带宽:0.01oct-3oct、步距为 0.01oct 增益:-30dB-+15dB、步距为 0.1dB.

输出相位

输入均衡

默认频点 EQ1 40Hz, EQ2 80Hz, EQ3 160Hz, EQ4 317Hz, EQ5 632Hz, EQ6 1261Hz, EQ7 2515Hz, EQ8 5018Hz, EQ9 10KHz, 9 段均衡之外还额外增加斜率固定的高切和低切滤波器

输入增益 限幅器设置

音乐和话筒有单独的音量调节,增益范围 0%-100%,步距为 1% 音乐和话筒可单独设置限幅器, 可调整参数为: 门限值: -30dBu-+20dBu、 小于 10ms 步距为 0.1ms,大于 10ms 步距为 1ms 话筒带 4 种级别的防啸叫功能 每个通道设立单独哑音控制 同相(+) 或反相 (-) 每输入通道设 7 个参量均衡:中心频率点:20Hz-20KHz 带宽:0.01oct-3oct、步距为 0.01oct 增益: -30dB-+15dB、 步距为 0.1dB.默认频点 EQ1 47Hz, EQ2 112Hz, EQ3 266Hz, EQ4 631Hz, EQ5 1495Hz, EQ6 3544Hz, EQ7 8399Hz 每个输入通道有单独的音量调节,增益范围 0%-100%,步距为 1% 每个输入通道有单独延时控制, 调节范围 0-60ms, 小于 10ms, 步距为 0.1us 大于 10ms, 步距为 1ms 同相(+) 或反相 (-) 每个输出通道可单独设置低通滤波器(LPF)和高通滤波器(HPF) ,可调整参数为: 滤波器类型:Linkwitz-Riley/Bessel/Butterworth 频率转折点:20Hz-20KHz 衰减斜率:12dB/oct、18dB/oct、24dB/oct、48dB/oct 每个输出通道可单独设置限幅器,可调整参数为:门限值:-30dBu-+20dBu、步距为 0.1dBu 1M 容量内存保证真实的处理效果,并带 3 段参量均衡,效果比率可任意调节 96KHz 采样频率,32-bit DSP 处理器,24-bit A/D 及 D/A 转换 2x24 采用汉字液晶屏和 7 段 LED 显示输入/输出的精确数字电平表、哑音及编辑状 态 ≤25W AC110V/220V 50/60Hz 482x200x44mm 4.1kg 1PC:562X294X98mm/0.0162m3 1PC:6.1(kg) 6PCS:576X308X612mm/0.1123m3 6PCS:38.6(kg)

防啸叫 输出通道功能 输出哑音 输出相位

输入均衡

输出增益 输出延时

输出相位

分频器设置

限幅器设置

效果器 处理器 显示

功耗 电源 产品尺寸(宽× 深× 高) 净重 运输尺寸(宽× 深× 高) 毛重

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(2)TS-P240/TS-P260 型音频处理器

图 31 TS-P240/TS-P260 型音频处理器

功能特点: ● 64 位数字处理器; ● 110 分贝的动态范围(输入); ● 114 分贝的动态范围(输出); ● 平衡输入与非平衡输出; ● 输入增益 +12dB; ● 频率范围:10 -30K 赫兹; ● 每通道输出有 10 段的参量均衡器; ● 参量均衡器的曲线:Bell,High Shelf,Low Shelf, Notch, Allpass。 ● 每输出有可调节 0-5MS 延迟; ● 高低通滤波器的曲线:Butterworth 巴特沃兹是通带内频响最平直的滤波器, Bessel 可调谐有源滤波器通带内的线性相位响应(恒定时间延迟),Linkwitz-Riley 滤波器输出幅通带边界起始下降缓慢但有很好的相位特性, 无相位失真 filters 最 大到 24dB/oct; ● 内置可调节压限器; ● 180° 相位转换; ● 常规输入电平:+ 6dB; ● 常规输出电平:+ 6dB; ● 平均延迟小于 1 毫秒; ● 所有的配置和实时监控通过 PC USB 接口直接控制; ● 可配置 50 种预置方案。
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表 10 TS-P240/TS-P260 型音频处理器的技术参数 型号 输出通道 数字处理器 输入增益 常规输入电平 最大输入电平 常规输出电平 最大输出电平 参量均衡器 预先设置模式 参量均衡滤波器的曲线 输入动态范围 输出动态范围 频率响应 谐波失真 功率损耗 供电电压 尺寸 重量 TS-P240 4 64 位 +12dB +6dBu 20KΩ(平衡输入) +22dB20KΩ(平衡输入) +6dBu 600Ω(非平衡输出) +9dBu(非平衡输出) 10 段参量均 50 种 Bell, High Shelf, Low Shelf, Notch, Allpass 110dB 114dB 10-30KHz(+1/-3dB ) ≤0.01% 4W ~220V/50Hz 484x156x44mm 3.0kg TS-P260 6

(3)TS-231 型 2× 31 段均衡器

图 32 TS-231 型 2× 31 段均衡器器

功能特点: ● 音乐型极佳的31段立体声图形均衡器, 专业级31段立体声图形均衡器, 适合 录 音室和现场演出使用; ● 单声道超低音输出端的分频频率可调节; ● 每通道上的可切换的高切和低切滤波器能排除让人讨厌的噪声, 如本地噪 和磁带咝咝声等; ● 由12颗发光二极管组成的输入输出电平显示,极其精准,加上输入端增益 控 制,使您能得心应手地控制电平;
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● 噪音极低的可操作放大器使音色优美动听; ● 配有镀金卡侬接口和立体声 6.3 毫米插口的伺服平衡式输入端和输出端; ● 屏蔽环形铁芯电源变压器能使噪声干扰极小化; ● 高品质的元件和极其牢固的结构。
表 11 TS-231 均衡器技术参数

型号 通道 选择频率 类型 推子行程 幅度 输入 接口 阻抗 最大允许水平 输出 接口 阻抗 最大允许水平 低频滤波器 高频滤波器 频率反应 总谐波失真和噪音 信噪比 最大功率 通用电压 尺寸

TS-231 2 (2×31) 1/3-八度间隔 (25Hz~20 KHz) 恒定-Q 20mm(接地中心) ±12dB 平衡/非平衡 XLR 和 TRS >20KΩ平衡 +21dB 平衡/非平衡 XLR 和 TRS 400Ω平衡 +21dBu 平衡 200Ω非平衡 +15dBu 非平衡

+19 dBu 平衡 +13dBu 非平衡 10-250Hz, 12 dB/八度 3K-40KHz, 12 dB/八度 20-20KHz (±0.5dB) 96dB 12W 220-240V AC, 50/60Hz 484×156×88mm 10-40KHz(+0/-3dB) 0.008%

(5)大屏高清显示器 Visionpro Display Cube 一体化显示单元可选择 GUCS 屏幕或 BBS/AR 屏幕。 它们均具有 VTRON 的专利和特殊技术,以满足不同应用环境的需求。其产品中 的 GUCS 多层复合屏幕适合于远程医疗监控系统。 GUCS 屏幕拥有 3.7 的屏幕高增益,水平 160 度/垂直 80 度的观看视角。同 时在屏幕表面的防反射涂层保护层,使得屏幕不易磨损、不变形、防反光 GUCS 屏幕具有很好的防热胀冷缩性能,物理拼缝<0.5mm,屏幕周边无任 何其他固定的挂钩、缝针等影响视觉的部件;超高增益、超高精细垂直条纹使图
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像细节更加精致丰富, 受周围环境光影响小, 用户长时间观看不会造成眼睛疲劳、 酸胀等不适。

图 33 5X2 DLP 大屏幕投影拼接技术

屏幕特点和优势:图像增益高达 3.7 倍;图像对比度高;亮度均匀性好;具 备多层复合玻璃屏幕。拼缝小于 0.5mm,防反光,不变形,耐磨性好,维护简单。
表 12 VTRON C-DGS60X2+显示单元的标准配置的主要技术指标 显示模式 分辨率 投影机芯亮度 对比度比值 总体 显示色深 亮度均匀性 屏幕类型及增益 视角 拼接缝隙 单片,0.7 〞DMDTM 12° LVDS 1024× 768 900 ANSI 流明 1800:1 12bit 从中心到边缘达 95%以上 GUCS 多层复合屏幕 水平: ≥160°,垂直: ≥80° 小于 0.5mm 52 / 59

模拟 RGB

端子 信号 端子 信号 端子

1 通道,BNC× 5 (RGBHV) 图像:0.7Vp-p/75Ω,同步:TTL(标准+/-) 2 通道,DVI 格式 TMDS(1 个 DVI—I,1 个 DVI-D) 3 通道,BNC 1 路高清视频信号,可复用为 1 路 S-Video, 或者 2 路复合视频输入接口

输入

数字 RGB

视频

信号

输出

数字 RGB 水平

端子:1 通道,DVI 格式;信号:TMDS(DVI-D) 15~120KHz 24~120Hz 25~200MHz 大于 100,000 小时 超高压水银灯泡 100W/120W 平均大于 10000/6000 小时 AC100-240V(自适应) 50/60Hz 240W 0° C to 40° C 20% to 80% 不冷凝 大于 30,000 小时 104 kg 1220× 915× 750× 1250

扫描频率

垂直 点 时 钟

显示器件 光源

寿命 类型 寿命 电源电压

电源

电源频率 功耗

工作条件

温度 湿度

平均无故障时间(MTBF) 重量 尺寸 A× B× C× H(mm) 注:指标如有变动,以产品所附说明书为准。

3.3

远程医疗系统方案预算

考虑到网络配置对远程医疗系统的影响,以及借鉴国内外相关技术,提出了 两种系统设计方案:第一种是具有独立网络数据交换功能的远程医疗系统,该系 统实行专网专用,具备高速数据传输、网络覆盖范围广,可靠性强等重要特点, 保证了远程数据传输质量的高效性,其设备配置配置预算如表 13 所示。第二种 方案是基于共享网络的远程医疗系统, 该方案依赖院内现有网络平台进行数据传 输,网络传输速率与公共网络相关,网络改造工程小,网络传输带宽受原有网络 影响较大,但价格较为合理,其设备配置预算参见表 14。
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表 13 方案一预算(高配) 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 产品型号 媒体交换平台 视频编解码器(高清) 视频编解码器(标清) 摄像机 (吸顶跟踪式、耳持式) 麦克风 用户终端操作系统 大屏数显系统 辅助电气设备 数量/个 1 2 2 25 50 1 1 1 单价/万元 35 3 3 0.4 0.02 10 2 10 总计/万元 35 6 6 10 1 10 2 10 备注 系统核心设备 系统核心设备 系统核心设备 图像输入设备 音频输入设备 终端操作系统 图像数显设备 辅助电气设备

总计: 80 万元 系统服务费及监理费: 10 万 系统总价:90 万 表 14 方案二预算(低配) 序号 1 2 3 4 5 6 7 产品型号 视频编解码器(高清) 视频编解码器(标清) 摄像机 (吸顶跟踪式、耳持式) 麦克风 用户终端操作系统 大屏数显系统 辅助电气设备 数量/个 1 1 25 50 1 1 1 单价/万元 3 3 0.4 0.02 10 2 6 总计/万元 3 3 10 1 10 2 6 备注 系统核心设备 系统核心设备 图像输入设备 音频输入设备 终端操作系统 图像数显设备 辅助电气设备

总计: 35 万元 系统服务费及监理费: 10 万 系统总价:45 万

四、 参考文献
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