基于卫星通信的机动远程医疗站点的构建与思考

阎 洁，刘志国，任旭东*，刘 阳

（1.联勤保障部队第983 医院，天津300142；2.军事科学院系统工程研究院卫勤保障技术研究所，天津300161；3.军事科学院系统工程研究院军需工程技术研究所，北京100005）

0 引言

远程医疗技术是依托计算机技术，网络技术，卫星通信技术，遥感、遥测和遥控技术，多媒体技术等高新技术，充分发挥高水平综合医院、专科中心的医疗技术和设备优势，对医疗条件较差的边远地区、海岛或舰船上的伤病员进行远距离诊断、治疗或医疗咨询的技术。应用远程医疗系统可实现视频、音频的实时双向传输，开展远程会诊、远程治疗、远程手术、远程护理等。远程医疗技术扩大了医疗服务在时间和空间上的覆盖范围，减少了因地区差异、医疗卫生资源差异等造成的医疗水平的不平衡，可使患者以较低的费用获得相对较高水平的医疗服务。远程医疗技术对于提高治疗效果、减少伤病员后送、降低诊疗费用及充分利用卫生资源具有重要的作用[1]。

远程医疗系统是一个开放的分布式系统，由远程医疗网络管理中心和远程医疗站点构成。远程医疗网络将远程医疗站点通过有线、无线介质连接起来，网络管理中心监控全网站点运行状态、通信质量和应用效果，保障远程医学业务的正常开展。

在战时或灾害医学救援中，基于互联网的通信线路带宽不能满足救援要求，需要依托卫星专网保障远程医疗通信需求，从而保证远程医疗站点能在任何地域展开工作。基于卫星通信的远程医疗站点包括固定双向站点和机动站点。固定双向站点数量有限且不便于现场远程医学救援，因此需要建立机动远程会诊站点来得到救援中异地专家的支持和指导。远程医疗会诊车、会诊箱等机动站点用于战时及灾害应急状态远程医疗，可以快速展开、撤收，能为前方危重伤病员的早期治疗和专科治疗提供远程会诊支持。此外，远程医疗会诊车、会诊箱等机动站点作为远程会诊的支持平台，其利用配置的网络及音视频外接接口并配备给野战医院等医疗机构或其他医疗单元，能够开展远程会诊（或远程手术指导）业务。故远程医疗会诊平台应具有良好的机动性能、越野性能和野外环境适应性[1-4]。因此，需要深入开展基于卫星通信的机动远程医疗站点构建的研究。

1 国内外机动远程医疗站点研究现状

1.1 国外机动远程医疗站点研究现状

美国和西欧等发达国家远程医学发展速度很快，尤其是美国陆军机动远程医疗系统已处于领先地位，进入了实用阶段。如美军便携式远程医学系统包括头戴设备、控制箱和电源，采用箱组方式供前方医生使用，前线军医可将伤员伤情传递给世界上任意地点的医学专家，并接收其发回的声音和图像，配备的电源可维持系统持续工作8 h，如图1 所示[2]。美军于1993 年建成基于卫星通信的三军电子诊断系统，其网络中心设立在夏威夷特里普里医疗中心，整个网络跨越太平洋，能实时传输医学图像及远程会诊[2]。

图1 美军便携式远程医学系统[2]

同时，美国空军已经建成了数字化野战医院，于1994 年在欧洲投入使用[2]。数字化野战医院实现了无纸化工作，所有超声图像、X 射线和CT 图像均以数字方式存储并加以传输，医院配置了远程医疗系统，电子病历可实时向后方传输。其将机动平台作为中继点，可以把会诊场所移至帐篷和手术方舱内，实现与各大医院的远程会诊。美军机动远程会诊平台配合帐篷开展远程会诊场景如图2 所示[1-2]。

图2 美军机动远程会诊平台配合帐篷开展远程会诊场景[1-2]

1.2 国内机动远程医疗站点研究现状

国内远程医学发展相对较慢，分布不均衡。目前，我国已经启动了国家层面的远程会诊建设项目。我军于20 世纪80 年代先后建设了基于电话拨号网络与桌面视频会议系统的点对点普及型远程医疗会诊系统，随着技术发展又建立了基于卫星通信和相关信息技术的全军大规模远程医学网络，包括远程会诊中心、双向远程医疗站点、单向接收远程医疗站点和机动远程医疗站点[4]。目前，军队远程医学网络为卫星通信专网，可为各项医学应用提供稳定可靠的信道保障，实现了远程教学、视频会议、数据传输、远程会诊、图书浏览、网络管理等功能。同时，我军还利用国际海事卫星和计算机、数码相机、海事电话为特殊医学分队在全球执行任务时提供远程医学保障[1，4]。

2003年，我军研制了远程会诊车，如图3所示[4]，并于2006 年在全军推广应用，在国家反恐、中俄联合军事演习、国庆大阅兵等军事训练活动中都发挥了重要作用；在汶川、玉树地震医学救援中，远程会诊车完成了卫勤指挥以及后方对前方的远程医学救援指导任务，经受了近乎实战的检验。此外，我军还研制有具有远程会诊功能的卫勤指挥方舱（如图4 所示）和应急救援会诊车（如图5 所示）。卫勤指挥方舱能开展远程放射诊断、远程心理治疗和远程手术指导等工作。远程会诊车与野战方舱连接示意图如图6 所示，方舱手术室多媒体终端如图7所示[3，5]。

图3 远程会诊车

图4 具有远程会诊功能的卫勤指挥方舱

图5 应急救援会诊车

图6 远程会诊车与野战方舱连接示意图

2 基于卫星通信的机动远程医疗站点模块化构建及其模式研究

2.1 机动远程医疗站点的功能

机动远程医疗站点以车辆、方舱、帐篷或舰船为载体平台，集成卫星通信模块、多媒体模块及配套的医学设备模块，具有如下功能：（1）实现野战及应急救援时前方和后方的高清视频、音频的实时双向传输，开展远程会诊、视频会议、远程教学、信息检索等。（2）可通过硬件接口向手术帐篷、手术方舱延伸视频、音频及数据，在手术帐篷、手术方舱等场所快速展开远程会诊。（3）可采集站点周围的现场多点视频图像，同时配备多路单兵图像与话音传输设备，实现“最后1 km”范围的信号延伸，并将所采集的音视频信号经机动远程医疗站点传送到会诊中心。

图7 方舱手术室多媒体终端

2.2 基于卫星通信的机动远程医疗站点模块化构建

机动远程医疗站点由硬件平台和软件系统构成，根据远程医学服务的具体应用要求进行模块化集成，包括卫星通信系统、多媒体终端系统、医院医疗设备信息和保障等多个模块，其模块化架构如图8 所示。

图8 机动远程医疗站点模块化架构图

卫星通信系统模块主要用于实现机动远程医疗站点与后方医院卫星通信功能，主要包括Ku 波段卫星天线及天线伺服控制器、低噪声变频器（low noise block，LNB）、功率放大器、RCST Linkstar 卫星数据调制解调器、ASM5800 卫星视频调制解调器、工控计算机、网络交换机、KEDA 8005 多媒体网关、串口服务器、合路器、分路器、GPS、多点控制单元（multi control unit，MCU）和视频录播服务器等。医学信息通过编、解码模块与卫星通信系统连接。信息上传时，音视频采集设备将所采集的音视频信号通过音视频编码器打包成IP 数据，经IP 接口传输到音视频编码器。同时选择一路信号输入视频会议终端，然后经网关与卫星调制器相连调制成单路单载波（single channel per carrier，SCPC），经上行同轴电缆传送至室外功放单元（out door unit，ODU），放大处理后发射到卫星，将本地信息传至远方专家。信息接收过程为信息上传的逆过程，卫星天线接收到信号后解调成H.323 格式，经网络传至指定站点的音视频编、解码器，解码成音视频信号后传送至显示设备，即可将远端专家的视频信号显示在指定会诊地点的视频显示终端上。

多媒体终端系统模块包括视频会议终端（信息处理，数据存储，音视频编码、解码模块）和MCU，其核心设备是视频会议终端。视频会议终端与MCU是用于远程医疗的视频会议所特有的设备，可将视频、音频、数据、信令等数字信号分别处理后组合成一路复合的数字码流，再将其转换为适合在传输网络上传输的帧格式并送到信道中。编码器对各种制式的模拟视频、音频信号进行数字化压缩及编码处理，以便能在数字信道中传送。视频解码器对传送的压缩编码图像进行解压缩处理，还原视频信号，并在视频输出设备显示。音频编、解码器能将模拟话音数字信号数字化，解码器可将传送的音频信号进行还原，但需要适当增加延时，以解决视频编解码器唇音同步问题。

信息输入模块和信息输出模块均连接到视频会议终端。信息输入模块主要包括远程医疗数据接口、视频输入设备、音频输入设备、信息采集设备等。信息采集设备用于采集音频和视频医疗信息，包括主/辅助摄像机、图文摄像机、录像机、照相机、麦克风等设备。其中主摄像机摄取发言人特写，由工作人员通过控制器控制或由远端会诊人员控制。辅助摄像机摄取会场全景图像或不同角度的部分场景镜头。图文摄像机用于摄取文件、讲稿和实物。信息输出模块主要包括视频输出设备、音频输出设备、本地及远程监视器、打印机、电子白板等。视频输出设备如电视机、监视器、投影仪等，用于显示医疗信息及数据。其中监视器可以采用画中画方式显示（大画面显示远端画面，小画面显示本地图像）。音频输出设备包括扬声器、回声抑制器和调音设备，扬声器用于与会者发言，回声抑制器用来抑制远端的回声信号，调音设备用于调节会场扬声器的音色和音量。会诊人员通过电子白板等设备来讨论问题、实现数据共享。

医院医疗设备信息模块包括CT/DR/MRI 影像设备、监护仪、内窥镜等数字化诊疗设备，以及信息管理软件模块，能完成医疗信息数据的采集。影像设备要求具有标准的DICOM 3.0 接口，检验设备要求具有网络通信接口。医院内部的医学信息交流包括电子病历、医学影像、检验信息等，因此远程医学的医疗信息必须全部数字化，这要求网络传输速度快，以适应在线检查与诊断的需要。此外还需要配置海量存储设备，用于长期保存所有医学信息。医学信息包括患者基本情况、病情记录、病理学检查结果、各类医学影像、电生理信号、生化指标及各种检查报告。远程会诊系统将人们通常所能感觉到的有形或无形的医学资料和健康信息转换成能被计算机识别的数字信号传递到终端，并在终端重新恢复和显示成人们能识别的信息[4]。

保障模块包括电源、空调、照明等设备，主要用于为远程会诊系统提供电力及舱室微环境保障。

2.3 机动远程医疗站点构建模式研究

机动远程医疗站点的建设有2 种模式。一是将卫星通信系统模块和多媒体终端系统模块分开，在机动远程医疗站点只安装多媒体终端设备，包括摄像机、监视器、麦克风等输入设备，音箱等音频输出设备，通过远程会诊车或会诊箱提供通信、网络支持，实现远程会诊。但是该方法在2 个模块之间需要增加连接线缆，调试使用时需要设定一些参数，使用便捷性相对较差，导致展开与撤收性能下降。二是在机动远程医疗站点集成全部远程会诊设备，包括卫星通信天线、卫星通信设备、网络设备、计算机、高清多媒体设备等。虽然此模式造价高，但布设、使用方便，机动性好，不需要现场设置[6]。

3 机动远程医疗站点建设中存在问题与设计方案

机动远程医疗站点相对于固定站点，在快速展收和对星、环境适应性、电磁兼容性与信息安全、作业功能扩展及接口配置、噪声和电源方面面临很多问题，主要表现在以下几个方面。

3.1 快速展收和对星

3.1.1 问题

固定站点卫星天线调试结束后，天线位置固定于展开状态，不存在天线的展开与收拢问题。而机动远程医疗站点天线固定在车辆与方舱顶部，为解决车辆超高问题，在行驶时卫星天线处于收拢状态，使用时再展开。为满足快速救治需求，机动远程医疗站点到达救援现场要求能迅速展开工作，尽快找到卫星信标，锁定卫星天线并建立通信连接，但实际使用过程中经常出现展收和对星困难的问题。

3.1.2 快速展收和对星设计

为解决展收速度慢的问题，机动远程医疗站点采用VASAT 卫星通信技术，配置静中通卫星天线（也可以选用动中通卫星天线）伺服控制系统，能实现快速展开；设置一键快速寻星功能，自动对星；同时设置手动寻星功能，供自动系统故障状态下应急使用。

3.2 环境适应性

3.2.1 问题

机动远程医疗站点选择车、舱、船作为运载平台，远程医疗会诊箱、会诊车、会诊方舱和医院船远程医疗系统等相对固定站点均可能在湿热、寒冷、强烈振动等恶劣环境下工作，故对设备选型、安装固定及工作微环境提出较高要求。机动远程医疗站点应与远程医学信息网统一技术体制、统一设备选型，才能保证使用效果。因此，目前关键设备只能使用与固定站点设备相同的型号，而固定站点通信和视频会议终端均为民用设备，其环境适应性差。

3.2.2 环境适应性设计

为提高机动远程医疗站点的环境适应性，除卫星调制解调器、视频会议终端关键设备外，计算机、交换机、监视器、电源等尽量选用军用设备（至少为工业级设备），从设备层提高耐振动、防尘和温度适应性。同时，设备安装固定应采用良好的减振措施，信号转接口、信号线应耐湿热和盐雾腐蚀，且接口应具有防尘性能。静中通卫星通信天线系统伺服电动机轴承润滑油应满足低温正常运转要求。会诊舱室照明采用无频闪照明灯。

3.3 电磁兼容性及通信与信息安全

3.3.1 问题

机动会诊平台空间狭小，多个频段信息设备集中布置在机柜内，易带来电子设备之间的电磁兼容问题。且平台需在野外展开，面临雷电干扰，战时还要抗击敌方电子战干扰。会诊系统应能克服电磁干扰而正常工作，同时又不产生干扰其他电子装备或医疗仪器正常工作的电磁波，还要与后勤指挥装备、作战指挥装备兼容。因此，机动远程医疗站点要深入开展电磁兼容设计，满足国家军用标准相关要求。远程会诊过程中，如果泄露了传输的伤员信息、位置信息及救治信息，会对卫勤救援行动造成影响，因此还需要开展信息安全研究。

3.3.2 电磁兼容及通信与信息安全设计

电磁兼容设计措施包括：（1）布线设计，电源线和信号线缆分开布设，直流电源线与交流电源线分开布设；（2）电源增加防雷器件，减少感应雷对系统的影响；（3）分别设置高频地线和低频地线，最后会合一点接地；（4）采用不间断电源（uninterruptible power supply，UPS）；（5）信号线与信号端子具有良好的屏蔽性能。

通信与信息安全性问题应遵守通信数据的不可见性、发送和接收信息的身份可认性和通信数据的完整性3 个基本原则。为此，应增加加密措施并预防发生篡改数据的行为。目前，采用的新技术如数字签名等，可以使接收方在接到信息后判断出是哪一方发出的数据信息。同时，抗毁性设计也应引起足够的重视。战时会诊信息密级高、数量大、存储载体多、信息交换文件长，但是目前只有一些简单的系统加密措施，却很少设有自动校验和自动纠错的功能，更谈不上对欺骗信息和虚假信息的识别。因此在进行系统设计的同时，应进行抗毁性设计，以保证系统的攻、防完整性[7]。

3.4 作业接口

3.4.1 问题

为延伸机动远程医疗站点的作业能力，需要通过信号转接到帐篷和其他作业舱室，而作业舱室内信息设备接口种类繁多，标准各异，因此信号接口的适应能力成为应用难题。

3.4.2 接口设计

为提高机动远程医疗站点的适用性和可维修性，系统设备应采用目前先进的、成熟的产品，各项技术指标应符合国家军用及行业有关标准。接口设计时应考虑装备的整体性，确保各接口统一规范，在满足功能的前提下，应使系统整体操作简易直观、信号调度方便灵活，各设备连接、调整和维护便捷实用。信号转接板应包括高清多媒体接口（high definition multimedia interface，HDMI）、数字视频接口（digital visual interface，DVI）、数字分量串行接口（serial digital interface，SDI）、复合视频端子，可提供对HDMI、DVI、SDI、S-Video 等格式视频的混合采集、交换、输出功能。机动远程医疗站点设置外接信号转接板，可以连接摄像机、单兵无线图传设备及无人机等，扩大了机动远程医疗站点的作业范围。

3.5 噪声

3.5.1 问题

通常固定站点的通信设备设置在机房，会诊室独立设置，其内饰按播音室标准设计。而机动远程医疗站点因空间狭小，设备与会诊室经常共用同一空间，且考虑到设备散热，需安装很多散热风扇并使用发电机供电，这些都会增大会诊现场噪声，使后方会诊中心噪声过大。虽然视频会议终端具有回声抑制功能，但在使用过程中仍会出现噪声影响会诊效果的问题。

3.5.2 降噪设计

在进行会诊功能设计的同时，应在方案设计、设备选型、结构设计及安装环节增加降噪设计，减少噪声源。如选用静音发电机，并将发电机设计成可移动方式，使用时放置在远离会诊平台的地点；增加车厢内装饰吸音新材料，如隔声板、毛毡等；机柜、桌椅、空调安装阻尼减震器；机柜金属板喷涂或粘接高内阻弹性材料；空调暖风进风、排风风道粘贴新型隔热吸音材料；增大柔性管道直径；缓慢转弯等降噪措施。

3.6 电源

3.6.1 问题

机动远程医疗站点作业供电电源为发电机，但其电源质量低于市电，容易产生过电压、欠电压，甚至停电。为保障远程会诊正常进行，保护精密通信与网络设备，需要进行电源供电设计。

3.6.2 电源设计

通常在选型高质量发电机的基础上，配置交流稳压电源、纯正正弦波输出的在线式UPS 及足量外置电池组，以保证应急供电时间。直流设备采用开关电源供电，以提高对电源波动的适应能力。

4 结语

基于卫星通信的机动远程医疗站点具有与固定站基本相同的功能，且机动灵活，可在重大军事行动和应急医学救援中发挥重要作用。本文提出机动远程医疗站点根据需求可将通信模块与多媒体模块按分离和集中2 种模式构建，随着数字化医疗设备的普及应用及电子病历的发展，其会诊功能日益完善。但未来战场的电磁环境更加复杂，保障模式更强调全地域、全天候保障，因此机动远程医疗会诊站点会面临更恶劣的自然环境及电磁环境。故机动远程医疗站点设计时必须考虑其应用环境特点,采取针对性设计，才能可靠地发挥其技术效能。未来设计中，必须重视对环境适应性、可靠性、电磁兼容性、通信与信息安全等问题，希望能将双路冗余备份技术、加密技术、电磁兼容技术的最新成果以更合理的方式应用在机动远程医疗站点、军事后勤领域中，并不断融合各种新技术来提高机动远程医疗站点的性能。