基于圖像采集技術(shù)遠程監測系統

遠程訪(fǎng)問(wèn)設備能在多大程度上被用于醫療領(lǐng)域？人們對此產(chǎn)生濃厚興趣是意料之中的事。利用通過(guò)以太網(wǎng)傳輸視頻的遠程醫療監控設備可以實(shí)現諸多應用，遠程指導、遠程診斷以及遠程手術(shù)僅僅是其中一部分。這類(lèi)設備使得醫生不論身在何處都可以夠查看和分析患者的信息。

遠程技術(shù)通常是醫療診斷和治療不可或缺的組成部分，它幫助醫生讓高品質(zhì)的持續醫療護理更貼近病人。應用于醫療領(lǐng)域的遠程設備成功地集成了多種設置和情景，滿(mǎn)足了易用性和便利性的需求。遠程診斷是廣泛使用遠程監控設備的主要領(lǐng)域之一。圖像采集技術(shù)是推動(dòng)遠程醫療的核心組成部分，本文將對圖像采集技術(shù)進(jìn)行綜述。

深入了解遠程診斷

圖1。連接圖顯示了如何將圖像采集卡連接到一臺帶VGA或DVI輸出端口的醫療設備。

人們現在可以通過(guò)遠程診斷特定的病癥、疑難癥狀。

過(guò)去，病人與經(jīng)營(yíng)診所的醫生直接接觸。然而，在有了遠程監測醫療設備后，患者和醫生可以居住在相距很遠的地方。雖然有些系統采用的是有線(xiàn)連接，但大多系統工作在無(wú)線(xiàn)方式。當然，需要對病人進(jìn)行適當的培訓，以便讓病人能夠自己執行必要的操作。因而，咨詢(xún)醫師能夠得到實(shí)時(shí)準確和清晰的反饋。在理想情況下，為了遠程互動(dòng)，同時(shí)需要圖片和視頻流。

從源輸出獲取視頻和圖像的設備－圖像采集卡提供視頻?？梢詫⒉杉降囊曨l內容錄制到一臺計算機，然后再通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳輸。依據圖像采集卡型號的不同，獲取來(lái)自源輸出，任何一臺醫療診斷設備的數據。采集高分辨率的圖像或視頻，確保遠程診斷專(zhuān)家能得到可以用來(lái)做診斷分析的高品質(zhì)圖像。

例如，VGA2Ethernet以高達每秒120幀的速率捕獲單鏈路DVI或VGA信號。其最大分辨率為1900 × 1200，并通過(guò)以太網(wǎng)無(wú)損地傳輸視頻內容。它有一個(gè)用于與目標計算機相連的普通RJ45以太網(wǎng)端口，支持高達1Gb的傳輸速率。

通過(guò)這種方法具體能達到多少幀每秒，取決于屏幕的分辨率、屏幕刷新頻率和屏幕內容像素的變化、計算機所運行的操作系統，以及計算機采集圖像的速度。通常，傳送一幀未經(jīng)壓縮的畫(huà)面相比傳送被壓縮的一幀畫(huà)面，其速度要慢。最新的技術(shù)能以RGB格式采集和傳輸原始VGA幀。它所提供的畫(huà)面質(zhì)量要好于VGA-視頻轉換器，后者配有合成或S-視頻采集卡。

可以連接兩個(gè)或多個(gè)圖像采集卡，同時(shí)采集多路信號。然而，若采用多個(gè)圖像采集卡，每個(gè)圖像采集卡的幀頻（指每秒鐘放映或顯示的幀或圖像的數量）會(huì )有所不同。能達以多少幀頻取決于計算機的性能。幀壓縮并不會(huì )降低輸出圖像的質(zhì)量。有些圖像采集卡可以通過(guò)以太網(wǎng)交換機使用。這樣就可以通過(guò)單一以太網(wǎng)接口將局域網(wǎng)和圖像采集卡連接起來(lái)。

通過(guò)使用交換機，以太網(wǎng)電纜的使用長(cháng)度被延長(cháng)，圖像采集卡和診斷設備之間的距離也就能離得更遠。這些特性允許用戶(hù)沒(méi)有任何損失地將來(lái)自診斷設備的數據送出。VGA內容被數字化。將采集到的VGA或DVI信號通過(guò)以太網(wǎng)傳輸。一個(gè)用來(lái)采集聲音的立體聲音頻輸入端是必不可少的，例如，用于（遠程）聽(tīng)診。

遠程醫療：實(shí)際用例
VGA2Ethernet可以每秒120幀的速率采集單鏈路DVI或VGA信號。

在緊急情況或在復雜的地理環(huán)境下，圖像采集卡非常有用。例如，在2008年，亨利福特醫院就曾使用圖像采集卡來(lái)獲取加拿大珠穆朗瑪峰救援探險隊的圖片。通過(guò)使用GE公司的LOGIQ書(shū)本式便攜超聲設備采集拍攝圖片，然后通過(guò)衛星實(shí)時(shí)傳輸給探險基地的醫生。遠程監控設備不僅可以實(shí)現執行遠程診斷，還可以遠程指導一個(gè)經(jīng)過(guò)培訓的操作人員。

遠程指導

可以接受遠程指來(lái)完成檢查或手術(shù)。在某些情況下，得到人在遠方的專(zhuān)家的及時(shí)專(zhuān)業(yè)咨詢(xún)至關(guān)重要。各種傷病，如膝蓋或肩膀外傷、骨裂或骨折、出血、肌肉萎縮等都可以由專(zhuān)家遠程進(jìn)行病情評估。

遠程指導讓一個(gè)受過(guò)最低程度培訓的操作人員和高度熟練的醫學(xué)專(zhuān)家進(jìn)行合作。這類(lèi)遠程指導的應用有益于緊急救援人員和戰場(chǎng)醫務(wù)人員。使用圖像采集卡來(lái)捕獲圖像，然后將它們發(fā)到互聯(lián)網(wǎng)，能讓專(zhuān)家快速地評估患者的受傷程度，并決定是否運送病人去醫院或是在現場(chǎng)進(jìn)行救助。

美國宇航局研究人員對該方法進(jìn)行了優(yōu)化，使非醫護操作人員能獲取超聲圖像，包括肌肉骨骼損傷的圖像。傳播設備從源輸出（任何有信號輸出的診斷設備或普通數碼相機）采集視頻，將其經(jīng)動(dòng)態(tài)壓縮后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳播。

圖2。圖中顯示了如何將一臺VGA打印機連接到醫療設備，以及如何使用。

在都靈冬奧會(huì )期間，亨利福特衛生系統醫院外科部曾使用圖像采集卡，讓奧林匹亞團隊能聯(lián)機中心的醫生。將現場(chǎng)發(fā)生的治療過(guò)程的實(shí)時(shí)、高清晰度圖像通過(guò)視頻流傳送給遠程的醫生。

遠程患者監測。遠程醫療系統變得更加可靠和集成化，他們能以一種越來(lái)越有效的方式滿(mǎn)足老年人的需求。這些系統大多是針對患有慢性?。ㄌ悄虿?，高血壓，充血性心力衰竭等等）的老年患者，這類(lèi)老年患者無(wú)法前往傳統的醫療點(diǎn)接受治療。用于提高老年人自理能力和協(xié)助慢性病醫療護理所涉及的技術(shù)范圍廣泛，包含遠程監護、遠程醫療以及采用其它技術(shù)實(shí)現的醫療服務(wù)。

遠程病人監護用到了各種各樣的技術(shù)。這些技術(shù)設計用于管理和監督一系列的健康狀況。即時(shí)檢驗監測設備可能將成為用于在衛生系統的多個(gè)節點(diǎn)之間通信的全面集成式健康數據收集、分析及報告系統的一部分。這些設備將在病人的健康狀況發(fā)生惡化時(shí)發(fā)出警報。

遠程病人監測技術(shù)為醫生能綜合考慮護理配合、行為變化以及做出基于證據的診斷決策，提供了有效支持。有供病人、看護、醫院使用的遠程病人監護功能。一款理想的遠程病人監護系統將全面考慮這三者的需求。被收集的資料包括生命體征（血糖、血壓、體重、脈搏血氧等），以及對患者的情緒和身體狀況的評估。

遠程監控設備收集這些數據并通過(guò)低帶寬電話(huà)線(xiàn)、互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行傳送。這些被采集到的患者信息被用于患者的治療。從而加強了患者、看護和醫院之間的溝通，提高了護理配合和看護支持以及提高了患者的服藥依從性(按醫囑服藥)。該方案減少了病人住院和前往醫院就診的需要。相比由護士進(jìn)行電話(huà)調查，該方案提供了另一種成本更低的選擇。

遠程設備監控的成功取決于人與人之間的溝通。這項新技術(shù)結合了現有的自我管理原則。遠程病人監護迅速發(fā)展，因為它給人們帶來(lái)了便利，對醫護人員和病人的要求變簡(jiǎn)單。在未來(lái)，預期遠程病人監護設備將擴展應用范圍和功能。普通寬帶技術(shù)的廣泛使用和家庭、醫院有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和其它護理設施推動(dòng)了病人遠程監控應用的發(fā)展。

隨著(zhù)寬帶技術(shù)日漸流行，醫療服務(wù)供貨商(醫院)的技能不僅受到來(lái)自醫-患互動(dòng)質(zhì)量的考驗，還受到技術(shù)接入和熟練程度的考驗。在準備充足的人員方面，醫療機構面臨著(zhù)新挑戰。鑒于其巨大的潛力，遠程病人監護應用繼續快速增長(cháng)，在今后的醫療護理治療的領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)重要作用。

心臟監測設備。心臟監測系統被用于醫療專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，遠程監控設備在這些領(lǐng)域顯得尤其重要。遠程心臟監測系統可以提高患者的生活質(zhì)量，并避免其入院。這類(lèi)遠程系統提供無(wú)創(chuàng )式心臟功能評估，并且在救護車(chē)上進(jìn)行搶救的情況下，它也不會(huì )受到任何振動(dòng)或突然沖擊的影響。

圖像采集卡在遠程醫療中的作用

這些遠程診斷系統的底層技術(shù)包括圖像采集卡。圖像采集卡捕捉來(lái)自診斷設備的圖像和視頻內容，然后將其通過(guò)以太網(wǎng)送出。

例如，一款圖像采集卡能夠獲取來(lái)自任何VGA來(lái)源，包括個(gè)人電腦、醫療設備、嵌入式系統或科研設備的信號。它支持多種VGA模式，分辨率可高達2048 × 1536，而最大采樣率可以達到230萬(wàn)像素?/秒。

一款雙模式圖像采集卡用于采集和傳送來(lái)自VGA或某個(gè)DVI源輸出的可供診斷用的高質(zhì)量圖像。若圖像分辨率為1920 × 1200，則雙模式圖像采集卡所能支持的最大幀速率為32 fps，可用于實(shí)現遠程診斷。所有這些圖像采集卡均能采集和傳輸可供醫生診斷使用的高質(zhì)量圖像。

不斷發(fā)展的技術(shù)使得人們能夠從多種醫療設備獲取圖像。例如，來(lái)自GE醫療的MAC 1600心電圖儀，就是一款包括靜息心電圖、心臟節律和心律失常等配置模式的現代系統。其7-英寸WVGA彩色顯示屏可實(shí)現VGA輸出。

為了獲取心電圖記錄或壓力測試結果并將其通過(guò)以太網(wǎng)上發(fā)送，圖像采集卡的VGA IN 端口通過(guò)一根VGA電線(xiàn)被連接至心電圖儀的VGA端口。然后，將圖像采集卡連接到網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )可以錄制圖像到視頻采集工作站。當圖像被正常地捕捉和錄下，則可在遠程對其接收和用于病情診斷 。

遠程診斷成像。診斷圖像捕獲對所有醫療水平的醫療體系而言都至關(guān)重要。如果能夠直接從診斷設備的VGA輸出端口獲得核磁共振、X光、熱、聲圖像，并將其發(fā)送打印，這將能提高診斷調查的效率。在治療和預防醫學(xué)領(lǐng)域，要做出有效的決策取決于正確的診斷。在遠程診斷的情況下，要正確評估和確診病情，成像效果最為重要。一般來(lái)說(shuō)，數字打印系統的效果不是最好的，因為他們會(huì )根據自己的內部算法對視頻信號重新采樣。而重新采樣會(huì )導致對比度和分辨率有損失，圖像可能會(huì )因為產(chǎn)生圖形失真而損壞。關(guān)鍵是要確保該系統能夠將無(wú)損圖像傳送至一臺標準打印機。

VGA打印機主要針對兼容PostScript 打印機而設計。VGA打印機可以連接至任意型號的配備有VGA輸出端口的醫療設備（B超機、X光機，PET掃描儀等）。VGA打印機能夠打印VGA內容，無(wú)論是視頻或是系統提供的一系列快照。這類(lèi)系統獲取VGA圖像，并能通過(guò)標準或網(wǎng)絡(luò )打印機來(lái)打印。

DRE FS - 32P是DRE公司推出的一款數字式超聲診斷成像系統。該系統采用了先進(jìn)的波束成形技術(shù)（了解有關(guān)波束形成技術(shù)的更多詳情，請參閱第34頁(yè)的文章）。它有一個(gè)10.2英寸的顯示屏，能夠為產(chǎn)科、婦科、泌尿科等應用提供最佳的超聲圖像。VGA打印機的VGA IN 端口被連接到DRE FS - 32P的VGA輸出端。在將打印機連接到VGA以太網(wǎng)之后，被采集到的圖像可以在所連接的任何地方打印出來(lái)?？梢酝ㄟ^(guò)被接(通常是通過(guò)VGA接口連接)至VGA打印機的寬屏顯示器來(lái)查看被采集到的圖像。

圖像采集卡：在醫學(xué)上的應用

醫療中心廣泛利用了圖像采集卡能夠獲取VGA和DVI信號和將其傳送給目標計算機的能力。

例如，外科手術(shù)及創(chuàng )新研究所（美國俄亥俄州，克利夫蘭市），使用圖像采集卡給學(xué)生和醫生提供教育性演示和網(wǎng)絡(luò )研討會(huì )。講師和專(zhuān)家采集了現場(chǎng)的講解、視頻、和計算機輸出，并將視頻傳輸到網(wǎng)絡(luò )給有興趣的學(xué)生和醫生收看。這使得該研究所無(wú)需使用第三方商業(yè)供應商即可在常規基礎之上提供網(wǎng)絡(luò )研討會(huì )，這也意味著(zhù)節省成本。

Maquet Gmbh Co.公司也使用了圖像采集卡。該公司開(kāi)發(fā)了用于手術(shù)室的醫療產(chǎn)品，利用圖像采集卡將呼吸機產(chǎn)品的輸出顯示在視頻屏幕上。然后輸出結果被用于內部培訓演示。有了這些演示就省去了出差，因為采用這項技術(shù)不需要員工和客戶(hù)處在同一個(gè)地方房間。

全美外科中心是在手術(shù)室使用視頻流的先峰。圖像采集卡設備被用于將外科手術(shù)室的視頻傳至遠程的個(gè)人筆記本電腦或手持設備。例如，從腹腔鏡鏡頭的DVI信號源獲取視頻。為了保證畫(huà)面質(zhì)量，會(huì )將這些數據先保存。

美敦力公司的產(chǎn)品也在其中，并且必須定期檢查或調整。這些檢查都是使用筆記本電腦這類(lèi)設備來(lái)與植入裝置進(jìn)行通信。培訓需要大量的設備和后勤支持，并且必須在導師的領(lǐng)導下。這些難題使得培訓費用很高，尤其是因為培訓必須是實(shí)際的，還因為設備可能在出差、安裝和拆卸期間會(huì )被損壞。用于與植入產(chǎn)品進(jìn)行通信的筆記本電腦這類(lèi)設備也可以同時(shí)捕捉患者的實(shí)時(shí)信息。它可以用模擬器仿真病人的信息、創(chuàng )建逼真的使用場(chǎng)景、運行它們、實(shí)時(shí)獲取信息，并將其納入軟件演示或分支的學(xué)習應用。

婦產(chǎn)科醫師經(jīng)常需要詳細檢查胎兒的圖像。他們所用的圖像采集卡可以將來(lái)自超聲波機的最高質(zhì)量的胎兒圖像傳輸到計算機供專(zhuān)家檢查。圖像采集卡允許婦科醫生獲取高清晰視頻圖像，并將擷取到的圖像儲存在電腦中，以便在最高分辨下查看這些圖片。

一家面向放射腫瘤科服務(wù)（也稱(chēng)放療）市場(chǎng)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品和服務(wù)的公司，使用圖像采集卡為放射治療機提供只讀支持?？墒褂靡蟀惭b第三方軟件的遠程支持技術(shù)。他們沒(méi)有獨立圖像采集卡那么有吸引力，但不需要對治療機器對進(jìn)行任何安裝或下載。

結論

遠程指導、遠程診斷以及遠程手術(shù)，僅是遠程醫療設備監控（其通過(guò)太網(wǎng)來(lái)傳送視頻）的一部分應用。從源輸出獲取視頻和圖像的設備可能正在采用圖像采集卡。視頻內容可以被錄制在一臺計算機上，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳送。依據圖像采集卡類(lèi)型的不同，被采集到的數據可用于提高和改善醫療診斷等等。