基于3G通信的視頻醫(yī)療系統(tǒng)設(shè)計(jì)-文獻(xiàn)綜述

1、浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 文獻(xiàn)綜述基于3G通信的視頻醫(yī)療系統(tǒng)設(shè)計(jì)1 背景與發(fā)展現(xiàn)狀遠(yuǎn)程醫(yī)療是當(dāng)今世界上發(fā)展十分迅速的高新技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，具備良好的發(fā)展前景。它可以節(jié)約患者的金錢和時(shí)間，提高診治效果；促進(jìn)醫(yī)務(wù)人員與患者以及醫(yī)務(wù)人員之間的交流與合作，提高醫(yī)院的服務(wù)水平；尤其是在為邊遠(yuǎn)地區(qū)以及疑難病患者的診治、突發(fā)公共衛(wèi)生事件的應(yīng)對(duì)等方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性1。我國(guó)從上世紀(jì)80年代開(kāi)始遠(yuǎn)程醫(yī)療的探索，目前已經(jīng)有多個(gè)遠(yuǎn)程醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)和機(jī)構(gòu)在應(yīng)用。但是，由于我國(guó)遠(yuǎn)程醫(yī)療起步較晚，在發(fā)展過(guò)程中也面領(lǐng)著一些困難，例如遠(yuǎn)程醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn)化的問(wèn)題、醫(yī)患雙方的認(rèn)知程度差異、醫(yī)療法規(guī)和責(zé)任的認(rèn)定、投資回報(bào)的問(wèn)題等2。

2、為此，在我國(guó)當(dāng)前的遠(yuǎn)程醫(yī)療建設(shè)中，政府及主管部門要統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)揮政策導(dǎo)向作用，要注重宣傳，要完善法律法規(guī)，明確醫(yī)療責(zé)任，并且要提高遠(yuǎn)程醫(yī)療的投資回報(bào)3。從遠(yuǎn)程醫(yī)療的發(fā)展看，遠(yuǎn)程醫(yī)療要進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，向遠(yuǎn)程衛(wèi)生、數(shù)字化衛(wèi)生擴(kuò)展；實(shí)現(xiàn)全方位、立體化的遠(yuǎn)程醫(yī)療體系。同時(shí)，遠(yuǎn)程醫(yī)療要配合國(guó)家衛(wèi)生改革，逐步走入社區(qū)，并且要從運(yùn)營(yíng)管理方面深入挖潛，不斷提高社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。2 相關(guān)概念2.1 遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)遠(yuǎn)程程醫(yī)療中多媒體技術(shù)的應(yīng)用有賴于各種各樣多媒體數(shù)字設(shè)備的支持4。在遠(yuǎn)程醫(yī)療中多媒體技術(shù)主要應(yīng)用在以下幾個(gè)方面：1媒體采集。可以通過(guò)數(shù)字?jǐn)z像系統(tǒng)采集到高分辨率的圖像。2媒體存儲(chǔ)。音頻、視頻以及醫(yī)學(xué)圖像均

3、需在計(jì)算機(jī)內(nèi)暫時(shí)或永久存儲(chǔ)，這可用磁性或光磁器件（如硬盤、軟盤、光盤等）實(shí)現(xiàn)。3壓縮/解壓縮。現(xiàn)在流行的JPEG圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)可以做到101到201，并經(jīng)診斷結(jié)果表明它對(duì)圖像沒(méi)有損害性。4圖像處理。它的基本功能應(yīng)包括角度旋轉(zhuǎn)、水平垂直伸縮、校正采集誤差，并在診所條件下能用肉眼觀察到清晰的圖像5。5用戶界面。在醫(yī)學(xué)上圖形界面最為普遍，因?yàn)樗芊从掣嗟尼t(yī)用信息（可視化信息），因此顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)以及窗口管理軟件是最基本的遠(yuǎn)程醫(yī)療用戶界面。另外，多媒體設(shè)備也是需要的。2.2 3G通信技術(shù)3G是英文3rd Generation的縮寫，指第三代移動(dòng)通信技術(shù)。相對(duì)第一代模擬制式手機(jī)（1G）和第二代GSM

4、，TDMA等數(shù)字手機(jī)（2G），第三代手機(jī)一直是指將無(wú)線通信與國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)等多媒體通信結(jié)合的新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)。第三代移動(dòng)通信所采用的是數(shù)字語(yǔ)音和數(shù)據(jù)。與前兩代的主要區(qū)別是在傳輸聲音和數(shù)據(jù)的速度的上的提升它能夠處理圖像，音樂(lè)，視頻，流等多種媒體形式，提供包括網(wǎng)頁(yè)瀏覽，電話會(huì)議，電子商務(wù)等多種信息服務(wù)。為了提供這種服務(wù)，無(wú)限網(wǎng)絡(luò)必須能夠支持不同的數(shù)據(jù)傳輸速度，即在室內(nèi)，室外和行車的環(huán)境中能夠分別支持至少2MB/S，384KB/S以及144KB/S的傳輸速度。3G通信的名稱繁多，國(guó)際電聯(lián)規(guī)定為“IMT2000”標(biāo)準(zhǔn)，歐洲的電信業(yè)巨頭則稱其為“UMTS”通用移動(dòng)通信系統(tǒng)6-7。目前國(guó)際電聯(lián)接受的3G標(biāo)準(zhǔn)

5、主要包括以下三種：1WCDM（歐洲標(biāo)準(zhǔn)）。它可支持385Kbps到2kbps不等的數(shù)據(jù)傳輸速率。由歐洲的寬帶CDMA技術(shù)提出GSM(2G)-GPRS-EDGE-WCD-MA（3G）的演進(jìn)策略；這套系統(tǒng)能夠稼穡在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)上。對(duì)于系統(tǒng)提供商而言可以較輕易地過(guò)渡。而GSM系統(tǒng)相當(dāng)普及的亞洲對(duì)這套新技術(shù)的接受度預(yù)料會(huì)相當(dāng)高。因此WCDMA具有先天的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。2CDMA2000（美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)）。由美國(guó)高通公司為主導(dǎo)提出，摩托羅拉，Lucent和韓國(guó)三星，韓國(guó)現(xiàn)代成為該標(biāo)準(zhǔn)的主導(dǎo)者。這套系統(tǒng)是從窄頻CDMA(CDMA IS95)技術(shù)發(fā)展而來(lái)的寬帶CDMA技術(shù)。提出了從CDMA IS95(2G)到CDM

6、A2000 1X及CDMA2004X(3G)的演進(jìn)策略。3TD-SCDMA（中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)）。TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)時(shí)由中國(guó)第一次提出并在此無(wú)限傳輸技術(shù)(RTT)的基礎(chǔ)上與國(guó)際合作，個(gè)了TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)，成為CDMA TDD標(biāo)準(zhǔn)的一員，這是中國(guó)通信界的一次創(chuàng)舉，也是中國(guó)對(duì)第三代移動(dòng)通信發(fā)展的貢獻(xiàn)。在于歐洲，美國(guó)各自提出的3G標(biāo)準(zhǔn)的競(jìng)爭(zhēng)中，中國(guó)提出的TD-SCDMA已正式成為全球3G標(biāo)準(zhǔn)之一，這標(biāo)志著中國(guó)在移動(dòng)通信領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)入世界領(lǐng)先之列10。2.3 流式傳輸技術(shù)流式輸服務(wù)（Streaming Service）能提供一種連續(xù)的，與那種每個(gè)請(qǐng)求和響應(yīng)中只傳送固定長(zhǎng)任意長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)流11。數(shù)據(jù)流在長(zhǎng)度和傳

7、送時(shí)間上沒(méi)有限制。對(duì)大多數(shù)情況來(lái)說(shuō)，流在理論上是無(wú)限的。流式傳輸被典型地用于傳送音頻和視頻實(shí)況7。在發(fā)送端，由攝像機(jī)或話筒提供連續(xù)信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)數(shù)字化后發(fā)送到因特網(wǎng)。在接收端，數(shù)字流被轉(zhuǎn)換回模擬信號(hào)并加以播放12。由于數(shù)據(jù)是連續(xù)產(chǎn)生的，只要攝像機(jī)或話筒還在工作，流就會(huì)結(jié)束。實(shí)時(shí)交付是指，數(shù)據(jù)的交付必須與數(shù)據(jù)的產(chǎn)生保持精確的時(shí)間關(guān)系。在實(shí)時(shí)交付中有兩方面的問(wèn)題需要處理：順序和時(shí)間13。順序：進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)必須精確地按產(chǎn)生時(shí)的順序播放。時(shí)間：為了準(zhǔn)確再現(xiàn)輸入信號(hào)，接收方必須知道產(chǎn)生侮個(gè)分組時(shí)的精確時(shí)間。針對(duì)現(xiàn)有基IP協(xié)議的互聯(lián)網(wǎng)難以有效支持實(shí)時(shí)應(yīng)用，IETF音視頻工作組（IETF-AVT）制定了一些

8、新的協(xié)議，例如資源預(yù)留協(xié)議（RSVP）和實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議/實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議（RTP/RTCP），它使現(xiàn)有的IP網(wǎng)絡(luò)在理論上具有提供多媒體實(shí)時(shí)傳輸?shù)哪芰?，其中RTP/RTCP是網(wǎng)絡(luò)多媒體應(yīng)用中的核心協(xié)議之一14。RIP被定義為在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的傳輸情況下工作，其目的是提供時(shí)間信息和實(shí)現(xiàn)流同步。RTP提供端到端網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，適用于在單點(diǎn)和多點(diǎn)傳送網(wǎng)絡(luò)上傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)15。RTP通常使用UDP來(lái)傳送數(shù)據(jù)，但RTP也可以在TCP或其他協(xié)議之上工作。RTP協(xié)議本身獨(dú)立于下層傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層，與下層協(xié)議無(wú)關(guān)16。RTP數(shù)據(jù)分組沒(méi)有包含長(zhǎng)度域或者其他邊界。因此，RTP依賴于下層網(wǎng)絡(luò)提供一個(gè)長(zhǎng)度的表示。RTP用于U

9、DP時(shí)數(shù)據(jù)封裝的情形如圖2.1所示。圖2.1 RTP數(shù)據(jù)的封裝RTP協(xié)議包含兩個(gè)緊密相連的部分，即負(fù)責(zé)多媒體數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送的RTP和負(fù)責(zé)反饋控制、監(jiān)測(cè)QOS和傳遞相關(guān)信息的實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議（Real-time Transport Communication Protocol, RTCP）17。當(dāng)應(yīng)用程序開(kāi)始一個(gè)RTP會(huì)話時(shí)將使用兩個(gè)端口：一個(gè)給RTP，一個(gè)給RTCP。RTP本身并不能為按順序傳送數(shù)據(jù)分組提供可靠的傳送機(jī)制，也不提供流量控制或擁塞控制，它依靠RTCP提供這些服務(wù)18。通常RTP算法并不作為一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)層來(lái)實(shí)現(xiàn)，而是作為應(yīng)用程序代碼的一部分。RTCP和RTP一起提供流量控制和擁寒控

10、制服務(wù)。在RTP會(huì)話期間，各參與者周期性地傳送RTCP分組。RTCP分組中含有己發(fā)送的數(shù)據(jù)包的數(shù)量、丟失的數(shù)據(jù)包的數(shù)量等統(tǒng)計(jì)資料，因此服務(wù)器可以利用這些信息動(dòng)態(tài)地改變傳輸速率，甚不改變有效載荷類型19。RTP和RTCP配合使用能以有效的反饋和最小的開(kāi)銷使傳輸效率最佳化，因而特別適合傳送網(wǎng)上的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。3 實(shí)現(xiàn)方案例舉移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要有三部分組成：核心網(wǎng)（CN）、無(wú)線接入網(wǎng)（UTRAN）和用戶設(shè)備（UE）3部分組成。在已有醫(yī)療信息系統(tǒng)基礎(chǔ)上擴(kuò)展新型移動(dòng)醫(yī)療業(yè)務(wù)如無(wú)線視頻會(huì)議數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)，醫(yī)學(xué)影像存檔與通信系統(tǒng)并提供強(qiáng)大的影像處理、無(wú)線遠(yuǎn)程會(huì)診等功能20。采用三層服務(wù)器模型和多層體系結(jié)構(gòu)的內(nèi)部信息系

11、統(tǒng)，如圖3.1所示。圖3.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖本系統(tǒng)是完全基于公開(kāi)的MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)的，并使用BIFS技術(shù)向用戶提供豐富的交互功能。DirectShow是微軟提供的一套Windows平臺(tái)上進(jìn)行流媒體處理的開(kāi)發(fā)包。它簡(jiǎn)化了在Windows平臺(tái)上開(kāi)發(fā)數(shù)字媒體應(yīng)用程序的工作，使開(kāi)發(fā)者無(wú)需面對(duì)數(shù)據(jù)傳輸、硬件通用性、媒體同步等諸多復(fù)雜問(wèn)題。由于DirectShow結(jié)構(gòu)的開(kāi)放性和良好的可擴(kuò)充性，本系統(tǒng)使用它進(jìn)行開(kāi)發(fā)。該程序由客戶端和服務(wù)端構(gòu)成；用自己包裝的MP4 SYS-TEM DECODER構(gòu)建播放網(wǎng)絡(luò)視音頻的Filter Graph，如圖5.1和圖5.2所示；視頻編解碼用Divx；音頻編解碼用mp

12、3；本Filter只處理.bt文件，并根據(jù)bt文件找到相關(guān)媒體流，定位各個(gè)對(duì)象的時(shí)空位置，然后把結(jié)果傳給視頻著色器。在系統(tǒng)的客戶端，用戶點(diǎn)擊“用法信息”和“技術(shù)信息”可以看到使用信息和技術(shù)文字資料；拖動(dòng)“transparency"按鈕可以改變視頻透明度;拖動(dòng)Vol'按鈕可以改變音量；屏幕中央為攝像頭捕獲的視頻，其上為一個(gè)圖片，可以通過(guò)鼠標(biāo)拖動(dòng)。客戶端的用戶界面如圖5.3所示。圖5.1 捕獲視頻壓縮后發(fā)送的Filter Graph圖5.2 從網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)解碼后播放的filter Graph圖5.3 客戶端接收到的場(chǎng)景4 結(jié)語(yǔ)遠(yuǎn)程醫(yī)療可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)在相隔較遠(yuǎn)的求醫(yī)者和醫(yī)生之間

13、進(jìn)行雙向信息傳送，完成求醫(yī)者的信息收集，診斷以及醫(yī)療方案的實(shí)施等過(guò)程。本文分析了遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)概念，提出了一種基于MPEG-4-BI FS和DirectShow技術(shù)的遠(yuǎn)程視頻醫(yī)療系統(tǒng)應(yīng)用模型。該系統(tǒng)較好地解決了遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)工作過(guò)程中實(shí)時(shí)性、完整性、不可否認(rèn)性和信息鑒別等安全問(wèn)題，有力的保障了遠(yuǎn)程醫(yī)療的可靠性。參考文獻(xiàn)1 余兆明，李曉七，陳來(lái)春MPEG標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用M，北京：郵電人學(xué)出版社，20022 黃永峰IP網(wǎng)絡(luò)多媒體通信技術(shù)M北京：人民郵電出版社，20033 許麗萍遠(yuǎn)程醫(yī)療叫好不叫座完善產(chǎn)業(yè)鏈成關(guān)鍵N通信信息報(bào)，2008-2-11（4）4 方未艾3G技術(shù)將給中國(guó)遠(yuǎn)程醫(yī)療帶來(lái)契機(jī)J中國(guó)醫(yī)療

14、器械雜志，2006，30（1）：32-335 張杰，王漢興，高圣國(guó)，等3G速率下移動(dòng)自組網(wǎng)AODV路由協(xié)議性能分析J計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2006，42（36）：107-1096 董志華第三代（3G）移動(dòng)通信技術(shù)J，河南科技，2005，（3）：20-217 于宗紅第三代移動(dòng)通信技術(shù)J現(xiàn)代電子技術(shù)，2005，212：42-448 鐘備琢，王琪，賀玉文基于對(duì)像的多媒體數(shù)據(jù)壓縮編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)MPEG-4及其校驗(yàn)?zāi)Ｐ蚆科學(xué)出版社，20009 陳書(shū)海，傅錄祥實(shí)用數(shù)字圖像處理M北京：科學(xué)出版社，200510 景慧燕，唐存琛，馬玉利基于RTP的MPEG-4視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)J計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2006，18（4）

15、：1439-144211 Gollol Raju，N.S.，Anthony，Jamadagni，R.S.Istepanian，RStatus of Mobile Computing in HealthCare: An Evidence StudyAIn Proc. Engineering in Medicine andBiology SocietyS，2005，：3274327712 ZHAO JA，LI B，KOK CWMPEG-4 Video Transmission over Wirless Networks：A Link Level Performance StudyJWireless Networks，2004，10（2）：133-14613 羅位國(guó)，基于衛(wèi)星傳輸?shù)腜DA音視頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)D北京：北京交通大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)系，200814 張建偉，孔令人，3G移動(dòng)通信在社區(qū)醫(yī)療的應(yīng)用和發(fā)展R，蘇州：市二醫(yī)院，200715 胡琳娜；范新南；孫宇，3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中H264/AVC差錯(cuò)控制方法J，計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2009（45）：26-2716 張亞男，耿國(guó)華，周全明，朱新懿基于