肖 嘯 ，李 凌 ，蘇 航，楊 華 ，鄭世寶

（1.上海交通大學(xué) 電子工程系 圖像通信與信息處理研究所，上海 200240；2.上海市數(shù)字媒體處理與傳輸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

0 引言

傳統(tǒng)的醫(yī)療技術(shù)容易受到時(shí)間和空間的限制，往往具有非常大的局限性，無法為廣泛的人群提供有保障的醫(yī)療服務(wù)[1]。如今，隨著信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。遠(yuǎn)程醫(yī)療是一種網(wǎng)絡(luò)化的醫(yī)療技術(shù)，它可以克服醫(yī)生和病人之間的空間距離，以及大病、老年病修養(yǎng)期病人去醫(yī)院復(fù)診勞累等問題，非常適于鄉(xiāng)村醫(yī)院或醫(yī)務(wù)所遠(yuǎn)程專家巡診、家庭醫(yī)監(jiān)醫(yī)保病人的復(fù)診等場(chǎng)合，為病人提供一些在他們無法確診或無需去醫(yī)院排隊(duì)等候復(fù)診等情況下的治療手段[2]。

一般來說，要實(shí)現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定可靠的遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)，必須要解決兩個(gè)重要的問題：一是要有一個(gè)穩(wěn)定可靠又兼具靈活性的前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備；二是如何實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端和客戶端的交互性。

為了解決上面兩個(gè)問題，筆者研制了一種嵌入式可視化遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控前端系統(tǒng)，利用嵌入式多媒體信息采集與編碼SoC硬件平臺(tái)、嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定可靠的醫(yī)學(xué)生理健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的Web服務(wù)、交互語音和高清監(jiān)控視頻傳輸，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程醫(yī)療前端設(shè)備和醫(yī)生客戶端的多媒體數(shù)據(jù)的友好交互。為了滿足在線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示以及增加遠(yuǎn)程醫(yī)療終端的適應(yīng)性，保證服務(wù)器和客戶端的交互性，采用B/S模式的架構(gòu)。與傳統(tǒng)C/S模式架構(gòu)不同，B/S模式架構(gòu)以網(wǎng)頁瀏覽器的形式作為客戶端，由此帶來的不僅僅是客戶端成本的下降，同時(shí)也具有了跨平臺(tái)、兼容性強(qiáng)的特性。

1 系統(tǒng)構(gòu)成與設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程醫(yī)療的目的在于為遠(yuǎn)程病人提供與本地病人盡可能相同的醫(yī)療環(huán)境。為此，在傳統(tǒng)遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)在以下幾個(gè)方面進(jìn)行了改進(jìn)。首先，傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)只對(duì)病人的醫(yī)學(xué)生理參數(shù)進(jìn)行采集，無法實(shí)現(xiàn)“望、聞、問、切”的功能。本系統(tǒng)引入了高清圖像監(jiān)控技術(shù)，在提供遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)健康檢測(cè)數(shù)據(jù)服務(wù)的同時(shí)（實(shí)現(xiàn)了醫(yī)生遠(yuǎn)程“切”的功能），增加了對(duì)前端病人音頻、視頻監(jiān)控上的技術(shù)支持，讓醫(yī)生診斷的依據(jù)更加充分，醫(yī)生與病人之間的交互更加直接便捷，更加接近本地診斷的醫(yī)療環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了醫(yī)生遠(yuǎn)程“望、聞、問”的功能。其次，以往的遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)一般多使用PC作為前端采集設(shè)備，并采用C/S服務(wù)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)醫(yī)生客戶端，客戶端軟件處理的數(shù)據(jù)需要借助中間的中轉(zhuǎn)服務(wù)器。這樣不但使得前端系統(tǒng)移動(dòng)性差，而且后端醫(yī)生終端過分依賴中間服務(wù)器的服務(wù)模式和性能，系統(tǒng)的兼容性差。本系統(tǒng)采用嵌入式Web服務(wù)器作為遠(yuǎn)程醫(yī)療數(shù)據(jù)的傳輸核心，前端硬件采用多媒體SoC方案，設(shè)備體積更加小巧，也徹底擺脫了對(duì)PC計(jì)算機(jī)的依賴，服務(wù)器工作環(huán)境相對(duì)獨(dú)立，不易出現(xiàn)異常。第三，軟件終端的弊端在于如果醫(yī)生希望瀏覽病人的實(shí)時(shí)醫(yī)療信息，就必須另外進(jìn)行軟件安裝，而對(duì)于不同的遠(yuǎn)程醫(yī)療前端采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)協(xié)議的非標(biāo)準(zhǔn)化，使得軟件的兼容性得不到保障，會(huì)給終端用戶帶來許多不便。本系統(tǒng)在嵌入式Web服務(wù)器的支持下，使用網(wǎng)頁瀏覽器作為客戶終端，提高客戶端的兼容性和適應(yīng)性，讓醫(yī)生可以在PC、手機(jī)，甚至是電視上對(duì)病人進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷。

1.1 系統(tǒng)組成

嵌入式可視化遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控前端系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)類型包括由高清攝像頭采集的視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、揚(yáng)聲器采集的音頻數(shù)據(jù)和醫(yī)學(xué)傳感器采集的醫(yī)學(xué)生理數(shù)據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)分為嵌入式遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控前端和可視對(duì)講網(wǎng)頁客戶端兩個(gè)主要部分，其中嵌入式前端由前端多媒體數(shù)據(jù)采集與編碼硬件模塊和嵌入式Web服務(wù)器軟件模塊組成。

前端多媒體數(shù)據(jù)采集與編碼硬件模塊負(fù)責(zé)對(duì)心電波、心率、無創(chuàng)血壓（收縮壓、舒張壓、平均壓）、血氧飽和度、呼吸和體溫等生理參數(shù)以及話音、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行采集和編碼，由多媒體SoC硬件實(shí)現(xiàn)。

嵌入式Web服務(wù)器軟件模塊，是運(yùn)行在SoC內(nèi)的ARM嵌入式軟件，它基于Linux實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和Web服務(wù)器，網(wǎng)頁瀏覽器功能在前端實(shí)現(xiàn)，客戶端只要進(jìn)行瀏覽器下載和瀏覽網(wǎng)頁即可實(shí)現(xiàn)與Web服務(wù)器的交互。除此之外，嵌入式Web服務(wù)器還負(fù)責(zé)醫(yī)學(xué)健康生理數(shù)據(jù)、音頻、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的IP協(xié)議傳輸，同時(shí)服務(wù)器還可以響應(yīng)網(wǎng)頁客戶終端的設(shè)置指令，并轉(zhuǎn)義成相應(yīng)的串口或FPGA指令，對(duì)醫(yī)療數(shù)據(jù)采集模塊、音頻、視頻編碼硬件設(shè)備進(jìn)行設(shè)置。

網(wǎng)頁客戶端負(fù)責(zé)對(duì)從Internet接收到的各類型數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼、處理，并最終在網(wǎng)頁中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示。用戶還可以通過揚(yáng)聲器和攝像頭與前端病人實(shí)現(xiàn)交互，并通過發(fā)送網(wǎng)頁命令，由嵌入式Web服務(wù)器對(duì)前端硬件設(shè)備進(jìn)行包括攝像機(jī)云臺(tái)控制、編解碼參數(shù)配置、醫(yī)療設(shè)備工作模式選擇等操作。

客戶端和嵌入式Web服務(wù)器之間通過IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，服務(wù)器一方面實(shí)現(xiàn)音視頻數(shù)據(jù)和醫(yī)療數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)協(xié)議傳輸，另一方面還要實(shí)現(xiàn)客戶端對(duì)前端的交互工作。

整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 方案設(shè)計(jì)綜述

本系統(tǒng)中，嵌入式Web服務(wù)器是核心部分，因此必須選擇一個(gè)功能完善、穩(wěn)定性好、可移植的Web服務(wù)器。目前比較流行的嵌入式Web服務(wù)器主要包括GoA-head，BOA以及thttpd，其性能比較見表1。

表1GoAhead，BOA和thttpd的性能比較

由表1可以看到，GoAhead服務(wù)器在內(nèi)存占用和功能支持上有一定優(yōu)勢(shì)。因此本系統(tǒng)使用的嵌入式Web服務(wù)器選擇以GoAhead服務(wù)器作為原型。GoAhead Web服務(wù)器是一款由GoAhead公司推出的源碼免費(fèi)、功能強(qiáng)大、并且可以在多個(gè)平臺(tái)上運(yùn)行的嵌入式Web服務(wù)器。它的優(yōu)點(diǎn)包括支持ASP、嵌入式JavaScript、標(biāo)準(zhǔn)的CGI執(zhí)行，具有獨(dú)特的內(nèi)存CGI處理方式——GoForms，擁有眾多擴(kuò)展的API，方便用戶進(jìn)行開發(fā)，支持多種操作系統(tǒng)，如 eCos，Linux，Lynx，VxWorks，WinCE 等。在 GoAhead Web服務(wù)器的基礎(chǔ)上，可以按照嵌入式可視化遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控前端系統(tǒng)的需求進(jìn)行功能擴(kuò)展，并將其移植到嵌入式平臺(tái)上[3]。

鑒于醫(yī)療系統(tǒng)要求，醫(yī)療數(shù)據(jù)具備可靠性高，差錯(cuò)率低等必要條件，因此在客戶端和服務(wù)器之間，采取TCP/IP協(xié)議對(duì)醫(yī)療數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。TCP協(xié)議具有很高的可靠性，使得醫(yī)療數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性得到了根本的保障。實(shí)時(shí)音視頻編碼數(shù)據(jù)則采用RTP/UDP/IP協(xié)議傳輸。

網(wǎng)頁客戶端的設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)的HTML技術(shù)只提供靜態(tài)數(shù)據(jù)支持，無法滿足系統(tǒng)對(duì)于前后端交互的需求，ASP動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁技術(shù)可以很好地彌補(bǔ)這一不足。GoAhead Web服務(wù)器對(duì)ASP的支持非常優(yōu)秀，專用的GoForms函數(shù)使ASP頁面可以直接對(duì)底層函數(shù)進(jìn)行調(diào)用。用戶只須在本地網(wǎng)頁瀏覽器登錄遠(yuǎn)程服務(wù)器就可以通過Web瀏覽器，例如IE，F(xiàn)ireFox等對(duì)遠(yuǎn)程病人的音視頻和醫(yī)療數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽，還可以操控前端設(shè)備，與病人進(jìn)行語音對(duì)講。網(wǎng)頁瀏覽器作為終端，不需要另外安裝終端軟件，并且可以跨平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性和兼容性，使得更廣泛的用戶可以通過瀏覽器訪問遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)。

2 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

嵌入式可視化遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)分為前端多媒體數(shù)據(jù)采集與編碼硬件模塊、前端嵌入式服務(wù)器軟件模塊和網(wǎng)頁客戶端這3個(gè)主要模塊。

2.1 前端多媒體數(shù)據(jù)采集與編碼硬件模塊實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)基于PowerPC平臺(tái)，主芯片采用MPC8313，主要基于高性能和多種擴(kuò)展接口，音視頻編解碼芯片是富士通H51，能夠支持編碼或者解碼，CPU頻率為333 MHz，嵌入式系統(tǒng)采用Linux-2.6.20，要求Flash為16 Mbyte，DDR為256 Mbyte。

整個(gè)前端多媒體數(shù)據(jù)采集與編碼硬件模塊的硬件原理圖如圖2所示。其中，高清數(shù)字視頻數(shù)據(jù)通過SDI接口，經(jīng)由SDI串行模塊傳輸?shù)紽PGA模塊進(jìn)行接口轉(zhuǎn)換，形成Y/Cb/Cr數(shù)組，然后經(jīng)過H51編碼模塊進(jìn)行H.264編碼（HD Profile）；揚(yáng)聲器采集的音頻數(shù)據(jù)，經(jīng)過AD變換，進(jìn)入H51編碼模塊進(jìn)行G.711編碼；醫(yī)學(xué)生理檢測(cè)數(shù)據(jù)則由CN808采集模塊進(jìn)行獲取，通過RS-232串口傳輸?shù)角度胧椒?wù)器CPU模塊。最后所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一由CPU控制模塊進(jìn)行IP化處理，其中醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)，采用TCP/IP協(xié)議傳輸，音視頻編碼數(shù)據(jù)采用RTP/UDP/IP協(xié)議傳輸，網(wǎng)絡(luò)接口采用RJ-45以太網(wǎng)或其他物理網(wǎng)口進(jìn)行分發(fā)。

2.2 基于嵌入式Web服務(wù)器的系統(tǒng)應(yīng)用軟件模塊實(shí)現(xiàn)

嵌入式Web服務(wù)器軟件模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，是網(wǎng)頁客戶端和前端采集編碼硬件數(shù)據(jù)通信和交互操作的橋梁。它的主要功能包括：1）最基本的網(wǎng)頁支持功能；2）服務(wù)器能夠?qū)Σ杉O(shè)備、編解碼硬件進(jìn)行控制；3）對(duì)不同類型的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸功能。在GoA-head Web服務(wù)器的基礎(chǔ)上，對(duì)嵌入式Web服務(wù)器的功能進(jìn)行了擴(kuò)展，使其不但具備GoAhead Web服務(wù)器的所有優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)可視化遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)所需的一系列功能。

具體來說，整個(gè)嵌入式Web服務(wù)器可以分為系統(tǒng)管理模塊、數(shù)據(jù)編解碼控制模塊以及網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊等3個(gè)主要模塊，分別實(shí)現(xiàn)上述3個(gè)主要功能，如圖3所示。

2.2.1 系統(tǒng)管理模塊

系統(tǒng)管理模塊主要包括用戶管理、系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)接口管理和系統(tǒng)配置，負(fù)責(zé)對(duì)嵌入式Web服務(wù)器進(jìn)行初始化配置，包括Web服務(wù)器網(wǎng)頁服務(wù)初始化、前端采集設(shè)備的啟動(dòng)配置以及整個(gè)嵌入式Web服務(wù)器各模塊之間的接口管理和用戶管理，并對(duì)不同的訪問用戶進(jìn)行權(quán)限劃分。除此之外，系統(tǒng)管理模塊的另一個(gè)主要功能是對(duì)嵌入式Web服務(wù)器進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置，例如時(shí)間設(shè)置、串口功能配置、攝像機(jī)云臺(tái)控制命令配置和系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)配置等。

2.2.2 數(shù)據(jù)編解碼控制模塊

數(shù)據(jù)編解碼控制模塊的主要功能是對(duì)前端監(jiān)控?cái)z像頭、傳聲器以及醫(yī)學(xué)傳感器所采集到的各種類型數(shù)據(jù)按照不同的需要進(jìn)行協(xié)議編碼。其中音頻和視頻的編碼由H51編碼芯片完成，醫(yī)學(xué)傳感器數(shù)據(jù)解碼由嵌入式服務(wù)器完成。在數(shù)據(jù)編解碼完成后，碼流將一起傳輸?shù)骄彌_區(qū)，根據(jù)不同的傳輸需求，分配系統(tǒng)資源，采用不同的封裝協(xié)議，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。圖4為數(shù)據(jù)編解碼控制模塊的基本流程圖。

整個(gè)流程可以分為3層，每層都有1～2個(gè)獨(dú)立的線程，各自完成相應(yīng)的任務(wù)。各層的具體功能如下：

1）輸入層。負(fù)責(zé)初始化數(shù)據(jù)接收接口，配置接口參數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取，為之后的編碼器提供數(shù)據(jù)來源。

2）編碼層。負(fù)責(zé)對(duì)輸入層提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行編解碼。根據(jù)數(shù)據(jù)類型的不同，選擇合適的編碼方式。音頻和視頻數(shù)據(jù)可以通過H51硬件進(jìn)行編碼，醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)由嵌入式服務(wù)器進(jìn)行解碼后，進(jìn)行打包協(xié)議封裝后，傳送到緩沖區(qū)。

3）輸出層。負(fù)責(zé)對(duì)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行資源分配，對(duì)不同類型數(shù)據(jù)按照業(yè)務(wù)需求采取不同的發(fā)送機(jī)制。

2.2.3 網(wǎng)絡(luò)功能模塊

網(wǎng)絡(luò)功能模塊包含了緩沖管理、碼流管理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及網(wǎng)頁服務(wù)功能等4個(gè)部分。

在遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)中，音頻、視頻數(shù)據(jù)對(duì)延遲較為敏感，應(yīng)優(yōu)先保證其延遲較??；而醫(yī)療數(shù)據(jù)對(duì)延遲不敏感，應(yīng)以保證準(zhǔn)確性為前提。緩沖管理和碼流管理模塊負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)編碼模塊編碼后得到的碼流進(jìn)行優(yōu)先級(jí)管理，分配系統(tǒng)資源，根據(jù)多種數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)要求進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

網(wǎng)頁服務(wù)部分決定了服務(wù)器的人機(jī)交互功能，還包含對(duì)網(wǎng)頁客戶端視頻顯示和醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)顯示的支持。一方面，前端采集設(shè)備所采集到的音頻、視頻、醫(yī)療數(shù)據(jù)在經(jīng)過編解碼控制模塊后，將統(tǒng)一由碼流管理模塊進(jìn)行TCP或UDP協(xié)議的傳輸，保證前端數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地傳輸?shù)骄W(wǎng)頁客戶端，供客戶端進(jìn)行解碼顯示。另外一個(gè)方面，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求，從網(wǎng)頁客戶端向前端發(fā)送指令，改變前端采集設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)或運(yùn)行方式，而這一系列的指令都將通過網(wǎng)頁服務(wù)功能模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)義，并通過調(diào)用系統(tǒng)管理模塊所提供的各種接口函數(shù)對(duì)前端硬件設(shè)備進(jìn)行控制。

2.3 網(wǎng)頁客戶端實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)頁客戶端是供用戶瀏覽病人的實(shí)時(shí)醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)和音頻、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的PC客戶終端，它負(fù)責(zé)對(duì)由嵌入式Web服務(wù)器分發(fā)的各種類型的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼并且顯示。通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察對(duì)比，從而達(dá)到遠(yuǎn)程診斷的目的。

一般的網(wǎng)頁并不具備數(shù)據(jù)處理和碼流解碼能力，因此如何將原始數(shù)據(jù)在網(wǎng)頁環(huán)境下實(shí)現(xiàn)處理，是影響到網(wǎng)頁客戶端功能的一個(gè)關(guān)鍵問題。

本系統(tǒng)通過采用ActiveX插件技術(shù)將原本需要軟件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜數(shù)據(jù)解碼功能在網(wǎng)頁上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。用戶只需要通過網(wǎng)頁瀏覽器，就可以實(shí)時(shí)查看遠(yuǎn)程醫(yī)療信息，大大提高了系統(tǒng)的便捷性。網(wǎng)頁瀏覽器對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)均適用，也使得客戶端的適應(yīng)性得到了很大的提高。此外，借助GoAhead嵌入式Web服務(wù)器提供的ASP支持，可以輕松地通過調(diào)用GoForms函數(shù)實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)前端設(shè)備的操作和配置。

圖5為網(wǎng)頁客戶端的最終效果圖。

3 數(shù)據(jù)分析

本系統(tǒng)通過網(wǎng)頁瀏覽器可以實(shí)現(xiàn)前端采集數(shù)據(jù)顯示、語音對(duì)講和監(jiān)控視頻顯示等功能，實(shí)現(xiàn)結(jié)果主要包括視頻、音頻和醫(yī)學(xué)參數(shù)等主要方面，如表2～表4所示。

表2 視頻方面的實(shí)現(xiàn)結(jié)果

表3 音頻方面的實(shí)現(xiàn)結(jié)果

表4 醫(yī)學(xué)參數(shù)的實(shí)現(xiàn)結(jié)果

4 小結(jié)

當(dāng)前鄉(xiāng)村醫(yī)療還不發(fā)達(dá)，缺少高水平的醫(yī)生資源；城市老齡化問題越來越高，老人和大病修養(yǎng)期病人的醫(yī)監(jiān)醫(yī)保、護(hù)理以及復(fù)診問題愈發(fā)突出。基于高速信息網(wǎng)絡(luò)和三網(wǎng)融合發(fā)展背景，筆者研究和開發(fā)了可視化遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)，能夠使大醫(yī)院、名醫(yī)的醫(yī)療服務(wù)延伸到鄉(xiāng)村醫(yī)院或家庭醫(yī)監(jiān)醫(yī)保與護(hù)理范圍，具有重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)意義。

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