海上大型救治平臺遠程醫(yī)學信息系統(tǒng)研究

倪 健，曹保根，駱星九，邵壯超，胡家慶

（海軍特色醫(yī)學中心，上海 200433）

0 引言

隨著我國海上軍事力量的快速發(fā)展，醫(yī)院船、航母、綜合補給艦等大型水面艦艇陸續(xù)研制成功并投入使用，對海上衛(wèi)勤保障提出了新的要求。除“一船五艇四機”作為制式海上醫(yī)療救護裝備之外，其他大型艦船依據(jù)勤務定位，也專門設立了醫(yī)療區(qū)域用以自身或編隊的海上醫(yī)療救護任務。由于自身配備的醫(yī)療力量有限，大型海上救治平臺對海上遠程醫(yī)學存在客觀需求。根據(jù)海上救治環(huán)境及現(xiàn)有海上醫(yī)療衛(wèi)生裝備水平，在主體架構(gòu)不變的情況下，綜合集成多種技術手段，靈活配置功能模塊，設計操作簡便、兼容性強的模塊化遠程醫(yī)學信息系統(tǒng)，可為海上艦船提供更加全面有效的遠程醫(yī)學支持。

1 遠程醫(yī)學研究現(xiàn)狀

隨著通信和信息技術的發(fā)展，遠程醫(yī)學已在遠程會診、數(shù)據(jù)傳輸、遠程教育和軍事醫(yī)學等方面取得了飛速發(fā)展。1993年3月，在索馬里維和行動中，美軍對全球遠程醫(yī)學活動進行了嘗試，初步確定了前線部隊遠程醫(yī)學系統(tǒng)的基本組成[1]。美國國防部下屬的國防高級研究計劃局和美國國家航空航天局長期資助機器人手術和遠程外科計劃[2]。2003年，美海軍“舒適號”醫(yī)院船經(jīng)過遠程醫(yī)學軟硬件設備升級改造，可通過衛(wèi)星傳遞各種醫(yī)學數(shù)據(jù)，并利用美軍遠程醫(yī)學視頻會議系統(tǒng)進行全球范圍的遠程醫(yī)學咨詢[3]。

我國遠程醫(yī)學起步較晚，但發(fā)展迅速。21世紀初，原總后衛(wèi)生部著手建立全軍遠程醫(yī)學信息網(wǎng)，即“軍衛(wèi)二號”工程，依托鑫諾衛(wèi)星通信系統(tǒng)實現(xiàn)遠程醫(yī)學功能，站點建設主要針對醫(yī)院、部隊、島礁等陸上單位，建成后連接方便，信號穩(wěn)定，帶寬較大[4]。但鑫諾衛(wèi)星組網(wǎng)只適合固定平臺使用，不適宜移動使用，因此，衛(wèi)星通路的覆蓋范圍和網(wǎng)絡特性不適宜海上艦船環(huán)境和中遠海海域遠程醫(yī)學的使用需求[5]。2008年，我軍第一艘制式醫(yī)院船866艦交付部隊，船上配備了較為完善的遠程醫(yī)學信息系統(tǒng)，可通過船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)實現(xiàn)三方音視頻及醫(yī)療數(shù)據(jù)傳真等功能，但在醫(yī)療數(shù)據(jù)抓取、設備一體化和靈活性方面還存在一定不足[6-7]。

2 海上遠程醫(yī)學需求分析

在海上醫(yī)療救治過程中，由于海上救治力量有限，傷病員無法快速后送至后方陸地醫(yī)院救治。在遇到疑難病癥或其他難以解決的問題時，需通過遠程醫(yī)學信息系統(tǒng)將傷病員檢查、診斷、治療過程中的文字、數(shù)據(jù)、圖像信息傳送至遠程站點，由遠程站點的專家組分析、診斷后回復。此外，在對傷病員進行難度較大、較為復雜的手術時，需要對手術過程進行遠程監(jiān)控與支援，將手術部位、手術開展過程影像傳送至遠程站點供遠程專家組分析、診斷，遠程專家組與手術醫(yī)生進行即時交流，以便在手術過程中對手術醫(yī)生做出正確指導[8-9]。海上大型救治平臺擔負著戰(zhàn)時對傷病員進行早期治療和部分?？浦委?、平時遂行海上災害和突發(fā)事件救援等醫(yī)療保障任務，具備較為先進的醫(yī)療儀器設備與通信網(wǎng)絡，醫(yī)療區(qū)域較大，擁有專門的手術室，具備開展遠程醫(yī)學的客觀條件。

目前，我軍海上艦船主要使用戰(zhàn)略衛(wèi)星通信資源進行通信，采用音視頻會議終端的方式進行遠程醫(yī)學活動。該衛(wèi)星系統(tǒng)通信帶寬較寬，可安全、流暢地開展遠程醫(yī)學通信業(yè)務。其缺點是信號覆蓋范圍有限制，暫時無法實現(xiàn)所有海域的全覆蓋，且衛(wèi)星通信資源有限，需與船上其他系統(tǒng)綜合調(diào)配資源使用。作為補充通信手段，海事衛(wèi)星通信方式也可應用于開展遠程醫(yī)學活動。海事衛(wèi)星通信覆蓋范圍廣，缺點是通信帶寬窄、非國產(chǎn)衛(wèi)星與通信系統(tǒng)。2種方式互相補充可在無限航區(qū)開展遠程醫(yī)學通信[10]。

海上遠程醫(yī)學系統(tǒng)涉及監(jiān)控系統(tǒng)、醫(yī)療信息系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、信號切換控制系統(tǒng)等多套系統(tǒng)，如何利用現(xiàn)有艦船通信衛(wèi)星資源和公用通信資源，進行相應的設備配置與軟件開發(fā)，研制一種可使用多種通信方式、具有多種通信接口、適應艦船環(huán)境的模塊化遠程醫(yī)學信息系統(tǒng)，是海上大型救治平臺的迫切需求。

3 系統(tǒng)設計

3.1 總體設計

根據(jù)海上艦船勤務定位及醫(yī)療設備、通信設備的布局與選型，構(gòu)建遠程醫(yī)學信息網(wǎng)絡。遠程醫(yī)學信息系統(tǒng)鏈路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 遠程醫(yī)學信息系統(tǒng)鏈路結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)采用雙衛(wèi)星通路互為補充的方式進行遠程衛(wèi)星通信：在有限航區(qū)內(nèi)，通過國產(chǎn)衛(wèi)星通信系統(tǒng)設備建立與遠程醫(yī)學中心的通信連接，通信速率≥2 Mbit/s；在國產(chǎn)衛(wèi)星通信系統(tǒng)無法覆蓋的區(qū)域或遇到其他情況無法使用時，采用海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)作為通信媒介與遠程醫(yī)學中心連接，通信速率可達256 kbit/s[11]。

艦船內(nèi)部綜合集成音視頻采集設備、醫(yī)療設備、顯示設備、數(shù)據(jù)輸出設備等，經(jīng)切換控制設備實現(xiàn)雙向音視頻與文件信息的即時傳輸。為適應海上艦船復雜電磁環(huán)境，信號接收及輸出端需增加信號增強及抗干擾裝置。由于海上衛(wèi)星通信的不穩(wěn)定性，系統(tǒng)可根據(jù)不同帶寬進行自適應或手動調(diào)整傳輸圖像質(zhì)量。此外，海上救治平臺醫(yī)護及后勤保障人員數(shù)量有限，遠程醫(yī)學信息系統(tǒng)應盡量簡單、便捷，安裝觸摸式控制面板可使醫(yī)護人員及信息技師快速掌握使用方法。

遠程醫(yī)學信息系統(tǒng)視頻數(shù)據(jù)通過監(jiān)控系統(tǒng)攝像機、高清術野攝像機及移動攝像機進行采集，音頻信號通過便攜式或吸頂式拾音裝置采集。傷病員基本信息、檢查檢驗報告、影像資料等醫(yī)療數(shù)據(jù)信息通過開發(fā)與船載醫(yī)療信息系統(tǒng)接口實現(xiàn)自動抓取與生成。在遠程醫(yī)學中心及手術室安裝大屏幕實現(xiàn)音視頻信號輸出，文件傳輸通過專用計算機與遠端連通實現(xiàn)。音視頻信號的控制與切換采用觸摸式控制面板完成。同時，根據(jù)海上救治平臺配套通信設備的不同，采用不同解決方案來解決音視頻信號數(shù)模轉(zhuǎn)換及信號傳輸標準性問題。

3.2 技術要求

3.2.1 數(shù)模兼容

目前，模擬信號已逐漸被數(shù)字信號取代。由于早期設備大多采用模擬信號方式傳輸，艦船內(nèi)衛(wèi)星通信音視頻信號傳輸大多依然采用音視頻矩陣切換方式，因此，在平臺系統(tǒng)升級改造及全新研發(fā)過程中，需配備數(shù)模信號切換設備。

信號采集、傳輸及切換設備選型時需要重點考慮與衛(wèi)星通信部門設備的協(xié)議對接及兼容性問題。使用數(shù)字信號方式傳輸時，傳輸介質(zhì)為網(wǎng)線或光纖。而使用模擬信號方式傳輸時，視頻圖像使用MPEG格式、采用PAL制式，分辨力一般不超過130萬像素，傳輸協(xié)議使用H.264或H.265，傳輸介質(zhì)為同軸電纜、HDMI、SDI等；音頻信號則使用G.711等方式進行壓縮，傳輸介質(zhì)為多芯帶屏蔽的專業(yè)音頻線纜。

3.2.2 信號傳輸與控制

海上環(huán)境下衛(wèi)星通信帶寬有限且信號并不穩(wěn)定，為保障海上遠程醫(yī)學通信清晰度，遠程醫(yī)學信息系統(tǒng)可根據(jù)帶寬自適應傳輸碼率，也可手動選擇傳輸碼率，如256、512kbit/s等。艦船內(nèi)部信號傳輸質(zhì)量影響因素主要在于線纜鋪設長度及接口連接質(zhì)量，網(wǎng)線鋪設不宜超過75 m，同軸線纜鋪設不宜超過150 m。對信號衰減較大的信號源，需加裝信號增強設備，以保證通信質(zhì)量。

由于海上艦船空間有限，音視頻信號的切換與拼接主要通過遠程控制機房設備進行控制，而手術室及會議中心沒有直接操作的渠道，遠程醫(yī)學過程中信號切換存在不便。通過加裝觸摸式控制面板，可在各加裝房間進行快速切換與控制，提高工作效率并減少誤操作。

3.2.3 遠程操作軟件

監(jiān)控中心操作系統(tǒng)使用Windows 2003 Advanced Server以上操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫采用Oracle關系型數(shù)據(jù)庫。音視頻切換及控制軟件根據(jù)不同平臺的不同需求，采用定制方式進行模塊化安裝，主要包含分布式管理服務器軟件、分布式客戶端軟件、IPC（IP Camera）接入管理服務軟件等。

3.3 軟硬件配置

3.3.1 硬件配置

前端設備包含場景攝像機、手術專用攝像機、移動視頻會議終端、麥克風、信號切換控制面板、加固大屏幕、音視頻輸出節(jié)點設備、數(shù)據(jù)處理計算機等設備，若無條件配備大屏幕則需另外配置揚聲器；服務器端主要設備包含網(wǎng)絡錄播服務器、音視頻編解碼服務器等設備；終端設備主要包含戰(zhàn)略衛(wèi)星通信和海事衛(wèi)星信號處理設備。

3.3.2 軟件配置

遠程醫(yī)學信息系統(tǒng)軟件包含基礎數(shù)據(jù)管理、可視化管理，拼接處理，集中控制管理、KVM管理，客戶端觸控軟件、IPC接入管理服務、外部信息接口等功能模塊。不同平臺、不同硬件配置對軟件模塊需求各不相同，可根據(jù)實際配置與應用需求進行裁剪、組合。

4 功能實現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)的總體要求、需求分析和軟硬件設備配置，采用集成與開發(fā)相結(jié)合的方式，實現(xiàn)具有遠程會診、遠程手術監(jiān)控與指導、遠程醫(yī)療咨詢等功能的遠程醫(yī)學信息系統(tǒng)。系統(tǒng)運行流程如圖2所示。

圖2 遠程醫(yī)學信息系統(tǒng)運行流程圖

4.1 遠程醫(yī)學咨詢與手術指導

在衛(wèi)星通路成功建立連接之后，使用人員通過操作控制軟件或觸摸控制面板將指定艙室的音視頻信號切換上傳至遠程專家組，遠程專家組的音視頻信號同步回傳至信息中心并可同步傳輸至手術室。手術醫(yī)生和遠程專家組可就手術中遇到的問題進行即時音視頻交流，同時遠程專家組可根據(jù)傳送過來的視頻圖像對手術醫(yī)生進行遠程手術指導?；颊呦嚓P檢查檢驗報告及影像資料通過系統(tǒng)標準接口抓取至遠程醫(yī)學信息終端，通過數(shù)據(jù)接口傳送至遠程專家組。在遠程醫(yī)學會診過程中可對具有保存價值的畫面通過手動、定時等方式進行數(shù)字錄像，供相關人員或部門進行分析、研究與教學使用，并實現(xiàn)集中監(jiān)控、網(wǎng)絡監(jiān)控和多模式錄像與回放等功能。

音視頻上、下行控制，攝像機控制，大屏幕顯示控制均可通過遠程控制軟件或觸摸控制面板實現(xiàn)。觸摸控制面板界面如圖3所示。

圖3 觸摸控制面板界面

4.2 系統(tǒng)接口

通過救治平臺醫(yī)療信息系統(tǒng)的遠程醫(yī)學接口，可隨時抓取并調(diào)閱傷病員的基本信息、檢診信息、救治信息和影像資料，并可對這些信息進行提取、傳輸與打印。

通過加裝的海事衛(wèi)星設備，采用網(wǎng)絡連接方式與遠程醫(yī)學中心進行通信連接。遠程醫(yī)學信息系統(tǒng)可在無限航區(qū)范圍內(nèi)實現(xiàn)雙向音視頻實時動態(tài)交互及文本、數(shù)據(jù)信息的雙向傳輸。根據(jù)工作要求，海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)與救治平臺局域網(wǎng)絡實施物理隔離，二者之間的數(shù)據(jù)信息采用認證的方式和中間介質(zhì)進行文檔泊接，實現(xiàn)信息交互。

5 系統(tǒng)測試

遠程醫(yī)學信息系統(tǒng)經(jīng)過多次測試，性能穩(wěn)定，使用時通話清晰，音視頻切換正常。受衛(wèi)星通信帶寬和信號切換影響，視頻畫面清晰度存在一定衰減，并略有延遲現(xiàn)象。醫(yī)療數(shù)據(jù)生成、傳輸及文本傳真良好。操作人員通過觸摸控制面板，可快速掌握基本操作流程。系統(tǒng)通過戰(zhàn)略衛(wèi)星通信及海事衛(wèi)星2種方式實現(xiàn)了與陸上遠程醫(yī)學中心的音視頻信息實時、動態(tài)交互以及文本、數(shù)據(jù)信息的雙向傳輸。

6 發(fā)展方向

現(xiàn)階段遠程醫(yī)學信息系統(tǒng)依然過于龐大與繁雜，設備較多，接口復雜，加改裝難度較大，需要在艦船建造初期就進行集中規(guī)劃和設計，且對操作人員有較高的專業(yè)要求。隨著科學技術的發(fā)展，遠程醫(yī)學信息系統(tǒng)的小型化、一體化及操作簡單化指日可待。在預留標準接口的基礎上，即插即用型移動式遠程醫(yī)學信息系統(tǒng)將會是未來的發(fā)展趨勢。

7 結(jié)語

在海上遠程醫(yī)學信息系統(tǒng)的論證、設計與實施過程中，結(jié)合了大型海上救治平臺的特點和野戰(zhàn)條件。戰(zhàn)略衛(wèi)星通信和海事衛(wèi)星相結(jié)合的方式，滿足了海上救治平臺在無限航區(qū)范圍內(nèi)進行遠程醫(yī)學交互的需求。遠程醫(yī)學信息系統(tǒng)實現(xiàn)的遠程醫(yī)療業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸、遠程手術指導、遠程醫(yī)學技術咨詢等功能可較好地提高海上傷病員救治效率，彌補海上救治力量的不足。對于海上中小型救治平臺或其他非救治平臺，可適當減少部分模塊和功能進行最小化升級改造，以適應簡單會診或應急需要。