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远程医疗技术参考材料
远程医疗技术
第一章绪论
1、远程医疗(Telemedicine):
指医护人员利用现代通信技术、电子技术和计算机技术来实现对各种医学信息的远程采集、存储、处理、传输和查询等,从而跨越时空障碍,向更广泛的人群提供医疗的一项全新的医疗服务。
2、远程医疗的意义
1)使广大边远地区的患者获得平等的医疗,减少因地区差异和医疗资源分配不均带来的差异,使边远地区的患者不必长途跋涉就能得到专家的诊治。
2)远程医疗能为患者提供及时的诊治,特别是在发生意外伤害时能够缩短诊治时间。
3)通过远程医疗可以减少医生出诊和患者就医的时间和费用,从而降低医疗费用。
4)远程医疗能对高发病人群,如老年人、残疾人和慢性病患者实行远程家庭监护,因而提高患者的生活独立性和生活质量。
5)远程监护可以在患者熟悉的环境中进行,减少患者的心理压力,提高诊治的效果,同时也利于患者的康复。
6)通过远程教育可以提高医护人员,特别是边远地区医护人员的医疗水平,也可向普通人群普及医学知识。
3、远程医疗的目的
1)增加获得医疗服务和医疗教育的可能。
2)减少因地区差异、贫富差别、种族差异等造成的医疗水平的不平等。
3)使患者以负担得起的价格获得高水平的医疗服务。
4、远程医疗的发展
5、远程医疗的所提供的服务
涉及医学的各个领域,如诊断、治疗、监护、家庭医疗保健、医学信息和图像的归档、传输与处理、医学教育和培训、病历研讨、学术交流等等。
6、远程医疗的存在的问题
7、医学影像及其相关信息的交换标准
主要有两大标准
1)医学数字成像与通信标准,即DICOM(DigitalImagingandCommunicationsinMedicine)标准:
定义了一套标准化的医学图像数据格式及通信协议,主要用于医学图像数据交换。
2)美国卫生信息传输标准,即HL7(HealthLevelSeven)标准:
定义了一套标准化的医学文本数据格式及通信协议,主要用于医学文本数据交换。
1)医学数字成像与通信标准
(1)产生背景
由于医疗设备生产厂商的不同,造成与各种设备有关的医学图像存储格式、传输方式千差万别,使得医学影像及其相关信息在不同系统、不同应用之间的交换受到严重阻碍。
为此,每一种医学影像设备上都必须有一个专门的接口。
如放射科的影像设备来自多个厂家,它们之间数据都不兼容。
为了实现设备的互联,医院必须专门开发或者购买相应的接口。
美国放射学会(ACR)和全美电子厂商联合会(NEMA)认识到急需建立一种标准,以规范医学影像及其相关信息的交换,DICOM标准就是在这样的背景下产生的。
(2)版本
美国放射学会(ACR)和全美电子厂商联合会(NEMA)联合组成委员会,在参考了其他相关国际标准的基础上,联合推出了医学数字成像与通信标准,即DICOM标准。
DICOM1.0版本:
1985年(ACR-NEMAStandardsPublicationsNo.300-1985)。
DICOM2.0版本:
1988年(ACR-NEMAStandardsPublicationsNO.300-1988)。
DICOM3.0版本:
1993年发布。
以前版本只能应用于点对点通讯环境,而DICOM3.0支持开放系统互连协议(OSI)和传输控制协议(TCP)和网标协议(IP)。
已发展成为医学影像信息学领域的国际通用标准。
(3)应用
DICOM3.0的应用范围几乎包括所有医学图像领域:
(4)意义
DICOM标准的推出与实现,大大简化了医学影像信息交换的实现,推动了远程放射学系统、图像管理与通信系统(PACS)的研究与发展,并且由于DICOM的开放性与互联性,使得与其它医学应用系统,如医院信息系统(HospitalInformationSystem,HIS)、放射信息系统(RadiologyInformationSystem,RIS)等的集成成为可能。
2)美国卫生信息传输标准(HL7)
美国卫生信息传输标准HealthLevelSeven(简称HL7)是由美国国家标准局(ANSI)授权HealthLevelSevenInc.标准开发机构开发的医疗卫生机构及医用仪器、设备文本数据信息传输标准。
(1)版本
(2)意义
采用HL7为标准的医院信息系统和医疗仪器、设备可以完全做到无障碍互连和医学文本数据的无障碍交换。
这正是医疗信息产业发展和升级的前提。
2)是不同HIS信息交换的标准,使国内、外医院之间交流病人资料,进行远程会诊成为可能。
1)使得医院内部的医疗信息(病历资料、临床检验结果、财务信息等)整合、利用、交换、共享的前提,即使HIS成为可能。
2)是不同HIS信息交换的标准,使国内、外医院之间交流病人资料,进行远程会诊成为可能。
3)是各种类型的医疗信息系统间的信息交换标准,如医院、银行、保险、管理、行政等。
4)是各种医疗仪器、设备即插即用的基础,即使各种医疗仪器设备之间、医疗仪器设备与HIS之间的信息无障碍交换。
7、远程医疗系统的组成(三部分):
医疗服务的提供者、医疗服务的需求者和通信网络。
第二章计算机网络基础
第一节计算机网络总论
1、计算机网络:
利用传输介质和互联设备,用一定的连接方法将多台自主计算机互联起来的集合体称为计算机网络。
自主计算机;连接方法;互联;传输介质;互联设备
自主:
指互联的计算机之间相互独立。
如果互联集合体中,一台计算机可以强制的启动、停止和控制另一台计算机,它们之间的关系就是主从关系,将这些计算机连接起来不能称为计算机网络。
自主计算机:
由硬件和软件两部分构成,能独立地、完整地实现计算机的各种功能。
连接方法:
指网络的拓扑结构。
互联:
2台或2台以上计算机能够按照一定的网络协议进行数据通信称为互联。
互联的物理形式:
传输介质和互联设备。
计算机网络在物理形式上包括:
自主计算机、传输介质和互联设备。
2、两种由多台计算机互联,但不能称之为计算机网络的系统:
1)主从式计算机系统
2)分布式计算机系统
3、计算机网络的主要特点
1)计算机网络中至少拥有两台及两台以上的自主计算机。
2)由传输介质和互联设备把若干台自主计算机连接,形成网络,进行信息交换,即通信。
3)为了正确地通信,双方都需要遵守共同的约定(通信协议)。
4)网络操作系统是所有网络功能实现的管理者。
网络操作系统
网络操作系统是网络上各计算机能方便而有效地共享网络资源,为网络用户提供所需的各种服务的软件和有关规程的集合。
网络操作系统与通常的操作系统的区别
网络操作系统除了具有通常操作系统应具有的功能外,还应具有以下两大功能:
(1)提供高效、可靠的网络通信能力。
(2)提供多种网络服务功能:
远程作业录入服务功能;远程数据处理服务功能;文件传输服务功能;电子邮件服务功能;远程打印服务功能等等。
4、计算机网络的组成
计算机网络在逻辑上可以分为进行数据处理的资源子网和完成数据通信的通信子网两部分。
1)通信子网
通信子网提供网络通信功能,能完成网络主机之间的数据传输、交换、通信控制和信号变换等通信处理工作,由传输介质和互联设备组成。
(1)传输介质(有线的或无线的):
在机器之间传送比特流。
(2)互联设备:
通讯子网中各种数据处理设备、数据通信控制设备和数据终端设备。
分组装/卸设备:
PAD(PacketAssemblerDisassembler)
(1)分组(Packet)
在发送端,有较长的不便于传输的报文需要发送。
将较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。
每一个数据段前面添加上首部(头部)构成分组。
每一个分组的首部都含有地址等控制信息。
分组卸设备(PacketDisassembler):
将较长的报文拆卸成若干个固定格式的分组的设备。
发送端以“分组”作为数据传输单元进行传送。
接收端用分组装设备(PacketAssembler)将收到分组后剥去首部,并将各分组还原成报文。
2)资源子网
资源子网为用户提供了访问网络的能力,它由主机、终端系统组成。
负责网络的数据处理业务,向网络用户提供各种网络资源和网络服务。
第二节计算机网络硬件
一、计算机网络分类:
分类标准有传输技术和规模。
1、按照传输技术的网络分类:
广播式网络和点到点网络。
1)广播式网络:
由一条通信信道连接网络上的所有机器,分组可被任何机器发送并被其他所有机器接收。
分组的地址字段指明分组应被哪台机器接收。
一旦收到分组,各机器检查分组的地址字段。
如果是发送给它的则处理之,否则将其丢弃。
2)点到点网络:
由一对对机器之间的多条连接构成。
为了能从源到目的地,分组要被多台机器进行存储转发,并且有多条可选路径,因此点到点网络的路由算法很重要。
2、按规模分类:
分为局域网、城域网、广域网。
二、网络的传输介质:
有线传输介质和无线传输介质
有线传输介质:
双绞线、同轴电缆、光纤。
无线传输介质:
红外、微波。
1、双绞线(TwistedPairCable)
1)概念:
将多对双绞线(4对)封装在一个绝缘外套中。
电缆中的每一对双绞线由两根绝缘铜导线相互螺旋扭绕而成,因此称为双绞线。
2)特性
(1)铜质线芯,直径大约1mm,传导性能良好。
(2)由于2条相互扭绕的导线相位相反,信号传输中辐射的电磁波可互相抵消,从而降低信号的干扰程度。
(3)既可用于传输模拟信号和也可用于传输数字信号:
对于模拟信号,约5--6公里需要一个放大器;对于数字信号,约2--3公里需要一个中继器。
3)分类:
屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线两类。
(1)屏蔽双绞线(STP,ShieldedTwistedPair)
外层由金属屏蔽层包裹,以减小幅射。
抗干扰性好,性能好,成本高。
(2)非屏蔽双绞线(UTP,UnshieldedTwistedPair)
双绞线外没有附加金属屏蔽,只有一层塑料外套。
抗干扰能力差,但价格便宜。
由于具有较好的性价比,而被广泛使用。
常用的是3类线和5类线。
4)接口
双绞线连接到网络设备(Hub、Switch)的连接器,是类似电话插口的咬接式插头,称为RJ-45,俗称水晶头。
2、同轴电缆(CoaxialCable)
1)概念:
由同轴的内、外两个导体、绝缘层和塑料外层组成。
内导体:
是一根金属线。
外导体:
是一根由细金属线编织成的网状结构的圆柱形的套管,起屏蔽作用。
绝缘层:
位于内、外导体之间,起绝缘作用。
塑料外层:
最外层,起保护作用。
2)分类:
同轴电缆分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆两类。
基带同轴电缆:
一条电缆只用于一个信道,仅用于数字传输,阻抗为50Ω,并使用曼彻斯特编码,数据传输速率最高可达10Mbps。
宽带同轴电缆:
一条电缆同时传输不同频率的多路信号(多路复用),用于模拟信号和数字信号的传输,阻抗为75Ω。
3、光纤(光导纤维)(OpticalFiber)
1)概念:
光纤由石英玻璃制成的玻璃内芯、玻璃封套和塑料外套组成,以光波为信号的载体,利用光纤作为光的传输介质。
2)光传输系统:
在输入端电信号的驱动下,使光源产生光束(电信号-光信号),将光信号导入光纤,在另一端由光检测器接收光纤上传来的光信号,并将它转变为电信号。
3)分类:
单模光纤和多模光纤
(1)单模光纤
纤芯做得极细,其直径为8-10μm,接近光波波长,故仅有一条光通道,单束光线沿直线传播。
传输距离长,性能很好,在几十公里内以几千兆bps的速率传输数据,但成本较高。
(2)多模光纤(MMF)
纤芯比单模的粗,直径是15-50μm,大致与人的头发的粗细相当,可有多条光通道,多束光线以不同的反射角传播。
多模光纤性能比单模光纤差,但成本较低。
4)光纤的特点
(1)依靠光波承载信息。
(2)数据传输速率高,通信容量大。
(3)传输损耗小,适合长距离传输。
(4)抗干扰性能极好:
不受噪声或电磁影响。
(5)保密性好。
(6)轻便。
无线传输介质:
微波、红外线、无线电。
特点
1)使用电磁波携带信息。
2)无需物理连接。
3)适用于长距离或不便布线的场合。
4)容易受到障碍物、天气和外部环境的影响。
4、微波通信
频率在100MHz-10GHz的信号叫做微波信号。
由于微波是沿直线传播的,故在地面的传播距离有限。
5、同步卫星:
卫星绕地球的角速度与地球自转的角速度相等,所以同步卫星与地球给定点之间的相对位置保持不变,也称为静止卫星。
卫星通信是利用地球同步卫星作为中继来转发微波信号的一种特殊微波通信形式。
距地面22300英里的高度三个同步卫星可以覆盖地球上全部通信区域。
6、红外通信:
和微波通信一样,红外通信有很强的方向性,都是沿直线传播的。
第三节计算机网络软件
一、计算机网络的体系结构(NetworkArchitecture)
1、概念:
为完成计算机间的通信合作,将每个计算机互联的功能划分成有明确定义的层次,并规定相邻层之间的接口服务以及通信双方同层次进程的通信协议。
将计算机网络的层次结构模型与各层协议的集合称为计算机网络的体系结构。
2、层次结构
1)层次结构划分的原因
为了减少计算机网络从设计到实现的复杂程度,按照结构化设计方法,将计算机网络按照其功能划分为若干个层次,使每一层实现一种相对独立的功能。
较高层次接受较低层次所提供的服务来完成本层功能,并为其更高层次提供必要的服务。
层次结构有利于交流、理解和标准化。
2)计算机网络层次结构划分的原则
1)每层的功能应是明确的,并且是相互独立的。
2)当某一层的具体实现方法更新时,只要保持上、下层的接口不变,便不会对相邻层产生影响。
3)层间接口必须清晰,跨越接口的信息量应尽可能少。
4)层数应适中。
若层数太少,则造成每一层的协议太复杂;若层数太多,则体系结构过于庞大。
3、计算机网络的协议(Protocol)
1)概念:
为实现网络中的数据交换,规定双方进行通信的规则标准或约定。
2)协议的三要素
(1)语法:
数据与控制信息的结构或格式。
(2)语义:
需要发出何种控制信息,完成何种动作以及做出何种响应。
(3)同步:
传输速率的匹配和事件实现顺序的详细说明。
3)协议的内容主要
所交换数据及控制信息的格式和同步、编码及信号电平,通信的速率、传输代码、代码结构、传输控制、差错控制等。
要做到有条不紊地交换数据,每个网络结点都必须遵守这些事先约定好的协议。
4、计算机网络的体系结构(NetworkArchitecture)
1)计算机网络体系结构的3个主要概念
计算机网络体系结构3个主要概念是服务,接口和协议。
(1)服务:
定义第n层做什么,而不管该层如何做,不管上层如何访问这些服务。
(2)接口:
定义第n+1层如何通过服务访问点(ServiceAccessPoint,SAP)访问第n层的服务,不管第n层的服务是如何实现的。
(3)协议:
定义层内对等实体进行通信的规则,是层的内部事务。
但只要该层所提供的服务不变,改变该层的协议对其它层无影响。
2)计算机网络的体系结构的特点
(1)以功能作为划分层次的基础。
(2)第n层的实体在实现自身定义的功能时,只能使用第n-1层提供的服务。
(3)第n层在向第n+1层提供的服务时,此服务不仅包含第n层本身的功能,还包含第n层以下的层次提供的功能。
(4)仅在相邻层间有接口(服务访问点SAP),且所提供服务的具体实现细节对上一层完全屏蔽。
二、OSI基本参考模型
1、基本概念:
开放系统互连(OpenSystemInterconnection,OSI)基本参考模型是由国际标准化组织(ISO)1981年制定的标准化开放式计算机网络的体系结构。
第7层:
应用层(ApplicationLayer)
第6层:
表示层(PresentationLayer)
第5层:
会话层(SessionLayer)
第4层:
传输层(TransportLayer)
第3层:
网络层(NetworkLayer)
第2层:
数据链路层(DataLinkLayer)
第1层:
物理层(PhysicalLayer)
资源子网的主机:
包含所有7层的功能。
通信子网中的互联设备:
一般只需要最低3层甚至只要最低2层的功能。
2、OSI参考模型中数据的实际传送过程
OSI参考模型中数据的实际传送过程
(1)发送进程给接收进程的数据,实际上是经过发送方各层从上到下传递到物理媒体;通过物理媒体传输到接收方后,再经过从下到上各层的传递,最后到达接收进程。
(2)在发送方从上到下逐层传递的过程中,每层都要加上适当的控制信息,即H7、H6、...、H1,统称为报头。
到最底层成为由“0”或“1”组成的数据比特流,然后再转换为电信号在物理媒体上传输至接收方。
(3)接收方在向上传递时过程正好相反,要逐层剥去发送方相应层加上的控制信息。
因接收方的某一层不会收到下面各层的控制信息,而高层的控制信息对于它来说又只是透明的数据,所以它只阅读和去除本层的控制信息,并进行相应的协议操作。
(4)发送方和接收方的对等实体看到的信息是相同的,就好像这些信息通过虚通信直接给了对方一样。
3、OSI参考模型中各层功能简要介绍
1)物理层(PhysicalLayer)
物理层位于OSI参考模型的最低层,它直接面向实际承担数据传输的物理媒体(信道)。
物理层的传输单位为比特。
物理层在物理媒体之上为数据链路层提供一个原始比特流的物理连接。
(1)物理层的主要内容
定义了为建立、维护和释放物理链路所需的机械的、电气的、功能的和规程的特性。
在数据终端设备和数据通信设备之间实现对物理信道的建立、保持和拆除功能。
数据终端设备(DateTerminalEquipment,DTE):
所有的连网设备或工作站的统称,它们是通信的信源或信宿,如计算机、终端等。
数据通信设备(DateCommunicationsEquipment,DCE):
为用户提供接入网络的设备统称,如自动呼叫应答设备、调制解调器等。
(1)机械特性
规定了物理连接时对插头和插座的几何尺寸、插针或插孔芯数及排列方式、固定装置形式等。
DTE机械特性:
DTE连接器的插针形式,几何尺寸等与DCE连接器相配合,插针芯数和排列方式与DCE连接器成镜像对称。
物理层接口协议实际上是DTE和DCE之间的一组约定,主要解决网络结点与物理信道如何连接的问题。
其主要目的是为了便于不同的制造厂家能够根据公认的标准制造设备,使各个厂家的产品都能够相互兼容。
(2)电气特性
规定在物理连接上导线的电气连接及有关的电路的特性,一般包括:
接收器和发送器电路特性的说明、表示信号状态的电压/电流的识别、最大传输速率的说明、与互连电缆相关的规则等。
(3)功能特性
规定接口信号的来源、作用以及与其它信号之间的关系。
(4)规程特性
规定使用交换电路进行数据交换的控制步骤,这些控制步骤的应用使得比特流传输得以完成。
(2)物理层协议举例:
EIARS-232C接口标准
EIARS-232C是由美国电子工业协会EIA(ElectronicIndustryAssociation)在1969年颁布的一种目前使用最广泛的串行物理接口协议,提供了一个利用公用电话网络作为传输媒体,并通过调制解调器将远程设备连接起来的技术规定。
与远程电话网相连接时,通过调制解调器将数字转换成相应的模拟信号,以使其能与电话网相容;在通信线路的另一端,另一个调制解调器将模拟信号逆转换成相应的数字数据,从而实现比特流的传输。
RS-232C标准接口控制DTE与DCE之间的通信。
(2)数据链路层(DataLinkLayer)
数据链路层是OSI参考模型的第二层。
在物理层提供的可能出错的比特流服务的基础上,建立相邻结点之间的数据链路,通过差错控制和流量控制,向网络层提供无差错的传输。
数据链路层的主要内容
1)组帧:
比特流被组织成数据链路协议规定的数据单元(帧,frame),并以帧为单位进行传输,帧中包含地址、控制、数据及校验码等信息。
每帧几百-几千字节。
2)差错控制:
通过校验、确认和反馈重发等手段,将不可靠的物理链路改造成对网络层来说无差错的数据链路。
3)流量控制:
数据链路层协调收发双方的数据传输速率,以防止接收方因来不及处理发送方来的高速数据而导致缓冲器溢出及线路阻塞等问题。
(3)网络层(NetworkLayer)
网络层是OSI参考模型的第三层,也是通信子网的最高层。
它在数据链路层提供服务的基础上,为传输层的数据传输提供建立、维护和终止网络连接的手段,把上层来的数据组织成分组,将分组设法从源端经过若干个中间结点传送到目的端,并且负责路由控制和拥塞控制。
网络层的主要内容
1)路由选择:
网络结点在收到一个分组后,要确定向下一结点传送的路径,这就是路由选择。
确定路由选择的策略称路由算法。
设计路由算法时要考虑诸多因素:
路径的距离;网络拓朴结构、网络的流量和延迟,传输介质的传输速率等。
(1)静态路由选择策略:
按照事先确定的某种固定规则(路由表)进行路由选择。
(2)动态路由选择策略:
结点的路由选择要依靠网络当前的状态信息来决定的策略。
这种策略能较好地适应当时网络流量、拓扑结构的变化,有利于改善网络的性能。
但由于算法复杂,会增加网络的负担。
2)拥塞控制:
为避免通信子网中出现过多的分组所造成的网络阻塞而进行路由器之间的流量控制。
3)网际互联:
当分组要跨越多个通信子网才能到达目的地时,还要利用网间连接器消除异构网络之间的差异(网络协议,寻址方式,分组长度,差错控制,路由选择等)以实现网际互联。
4)记帐功能:
网络管理者根据用户发送多少分组或字节或比特,生成帐单,进行收费。
(4)传输层(TransportLayer)
传输层是OSI参考模型的第四层,是第一个端--端(主机-主机)的层次。
传输层利用网络层提供的服务向会话层提供负责端到端的、透明的、可靠的传输服务。
传输层的主要内容
1)完成资源子网中两端点间的直接逻辑通信,向会话层提供端到端的透明数据运输服务:
使高层用户不必关心通信子网的存在,即不受具体网络硬件技术的影响。
用统一的运输原语书写的高层软件便可运行于任何通信子网上。
2)处理端到端的差错控制和流量控制问题。
3)建立和释放网络连接(包括跨网络连接)。
4)端口寻址:
2个主机之间可能有多个进程进行通信,即有多条连接,需要确定某个报文是属于哪条连接的。
(5)会话层(SessionLayer)
会话层是OSI参考模型的第五层,是第一个进程-进程的层次。
所谓一次会话,就是两个用户进程之间为完成一次完整的通信而进行的过程,包括建立、维护和结束会话连接。
会话层是利用传输层提供的端到端的数据传输服务,向表示层提供进程到进程的会话管理服务。
会话层的主要内容
1)组织和同步不同的主机上各种进程间的通信(即会话)。
会话层负责在两个会话层实体之间进行会话连接的建立和拆除。
2)在半双工情况下,会话层提供一种数据权标来控制某一方何时有权发送数据。
3)会话层还提供在数据流中插入同步点的机制,使得数据传输因网络故障而中断后,可以不必从头开始而仅重传最近一个同步点以后的数据。
(6)表示层(PresentationLayer)
表示层是OSI参考模型的第六层。
表示层以下只关心可靠地传输数据流,而表示层关心的是所传输信息的语法和语义。
表示层的主要内容
1)表示层为应用层提供各
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