Atm与远程医学
http://www.100md.com
2001年2月14日
本文作者： 张继武(东北大学网络与通信中博士后)
王光兴(国务院学科评议组成员)
王文辉(东北大学生物医学工程系教授)
关键词：ATM 远程医学
即将跨入21世纪，人类正在从工业社会向信息社会过渡，随着人类生活水平和生命质量的提高，医学诊疗技术、计算机技术、网络与通信技术的迅猛发展，远程医学(Telemedicine)已成为现代医疗技术发展的方向和代表。
对远程医学已作过各种各样的定义，但大体上可以描述为远程通信枝术与医学专家的结合，以提供远距离的医学服务或医学教育。远程医学主要应用在医学研究，交流、教育、临床诊断、会诊治疗以及管理等方面。根据其具体应用范围，研究人员界定了远程放射学、过程病理学、远程皮肤学、远程精神病学、远程心脏学、 医疗会诊、医学教育等等。其中较为成熟的有医院管理信息系统(HIS)、医学图像管理和通信系统(PACS)、远程入射学(Teleradiology)等。
, 百拇医药
HIS和PACS使用局域网(LAN)，而Teleradiology和Telemedicine 依赖于广域网(WAN)。典型的LAN传输速率可达1Gb/s，而WAN的传输速率限于1.5Mb/s,因为LAN与WAN使用不同的技术，当HIS、PACS、Teleradiology和Telemedicine同时工作时，不同速率的信息在网络中传输和交换，便有可能产生一些问题。传输速率较慢不是因为技术原因，而是由于长距离高速传输的费用太高。异步交换模式(Asynchronous Transfer Mode, ATM)技术能很好地解决这些问题。
一 ATM的概念
ATM技术是在B-ISDN(宽带综合业务数字网)初期综合了电路交换和分组交换二者的优点发展起来的。
为了对ATM的概念有一个完整的认识，我们必须首先认识电路交换和分组交换。在数字通信中，电路交换主要是同步交换模式(Synchronous Transfer Mode, STM)来实现。STM方式会造成很大的信道浪费，这是它的固有缺点。分组交换是将用户的信息划分成一些可变长度的分组，在每一个分组的前面加一个分组头(标题)用以指明该分组传送的地址，然后由交换节点将这些分组存储起来，在空闲通路时，根据各个分组的地址标志将他们转发至目的地。其过程十分复杂，易导致信息传送时延不确定，难以适应实时高速通信的要求。
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ATM技术是以分组交换模式为基础并融合了电路交换模式高速化的优点发展而成的。ATM方式克服了电路交换模式不能适应任意速率业务，难以导入未来新业务的缺点，简化了分组交换模式中的协议，并由硬件对简化了分组交换模式中的协议进行处理，交换节点不再对信息进行差错控制，从而极大地提高了网络的通信处理能力。
ATM的特点：
高速传输：
与分组交换X.25协议相比，ATM是建立在高可靠性传输介质的基础上，取消了链路层上的差错保护窗口机制、拥塞状态信息反馈等复杂的控制协议，取而代之的是以只有5个字节的信头作为建立连接，虚电路识别及很少的误码校正，流量控制等协议，这样大大减少了传输的额外开销，大大提高了传输效率，传输速率可在662Mb/s,是目前传输速率最快的网络。
实时性方面：
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随着多媒体技术的引进，对实时性传输的要求越来越高，即要求有最小的时延，包括打包时延，排队时延，时延抖动和相关的信元组合恢复时延，ATM采用定长的48字节静荷长度，短小的静荷长度可以减小组装拆卸信元及排队等待所引起的时延，从而满足多媒体对时延的要求，代表网络的发展方向。
时效性
ATM属于统计型的时分复用方式，也就是按需要来动态地分配电路的带宽这样更适合各种业务的要求。
ATM方式对线路进行单元复用，其本质是一种分组传送方式。用户信息(话音、数据、及图像等数字信息)分割成固定长度的信息块，在信息块前装配上相关控制信息后构成信元(CELL),如图1所示。信元5个字节(每字节为8比特)的信头(header)和48字节的用户信息块组成。信元按通信业务的需要进行分配,不同用户的信息块,只要获得空位信元随即可以插入信息发送出去，即各用户的信元插入的位置并无周期性，帮称这种传送方式为异步传送模式。这里所说的异步不是通常的异步传输，而是指被分组的用户信息动态地占用信道(各用户信元异步时分复用在一起)。因为各用户信息需要排队等待空信元到来时才能插入发送出去，所以ATM是一种以信元为单位的存储、交换方式。
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图1ATM信元结构
提供质量服务(QoS)
ATM能够保证服务质量QoS(Quality of Service)、确保使用者在传递信息期间所需求的带宽，即能够保证当传输视频(Video)、音频(Audio)、或其他图像信息时需要的连续性和无抖动，而其他技术无法保证这一点。
二 远程医学
远程医学通过采用最新的通信技术，使医生以最经济、最迅速的方式进行检查、监护、诊断、医学数据交换及信息管理、是一种最新和发展最快的医疗服务系统。远程医学近年来的发展主要集中在与计算机技术应用比较密切的医学领域，如放射学、心电分析和心电监护。随着计算机多媒体技术的发展，远程医学在医学会诊和精神分析领域的应用也得到了发展。
1.远程放射学与PACS
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PACS和远程放射学"数字革命"的一部分，远程放射是指放射图像的传送、而PACS是指医学图像的管理和通信(传送)，因此很明显PACS实际上包含了远程放射学。远程放射主要是指通过图像传送进行远距离的放射检查，而PACS则具有更广的含义，它包括图像获取设备，存储存档单元、显示工作站、计算机处理以及数据库管理系统，通过通信网络系统将这些部分集成起来，构成PACS。
2.远程重症监护
在医院的急救室，迅速获得和随时监护患者当前情况是至关重要的。如果事件发生后一小时，甚至几分钟后才知道事件的有关情况，通常是没有多少价值的，也就是说，获得患者的数据必须是实时的。在医院或急救中心的重症监护病房(Intensive Care Unit,ICU)内需要采用大量的多参数监护，如脑电图、心电、呼吸、血氧等。目前，大部分医院配备固定不太移动的监护设备，只能在特定区域内使用，缺乏灵活性，因此，建立迅速实时的远程ICU多参数数据采集与传输网络是极其必要和意义重大的。
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3.远程家庭医疗
家庭医疗包括家庭电子病历系统、家庭电子医疗教科书、家庭远程会诊，家庭病房、以及医疗社会福利保障电子系统等，这些都极大地依赖于高速多媒体网络通信技术的发展。
目前，越来越多的医院开始考虑建立家庭病房，这样可以减少病人住院治疗的费用，降低医院病床数量有限的压力，便于行动不便的病人，也便于病人家属照顾病人，而且病人在一个温馨家庭关怀环境中有利于尽快康复。远程医疗技术则大大支持和完善了家庭病房。医生可以通过网络获取安放在病人家中的一些医疗设备，如无线监护、心电遥测装置、心血管信息系统、24h动态心电记录仪(Holter)等采集的病人数据，及时地分析诊断，进行治疗。并可以建立传呼系统，便于病人及时与医生建立联系。
三 ATM与远程医学
大规模的集成远程医疗系统势在必行，对于这样一个集成环境，大量的数据(包括图像和语音等多媒体信息在网上传送和交换，尤其存在WAN和LAN之间的多媒体数据交换，这就要求拥有一个高速的网络和高速的数据交换模式。ATM技术的发展为此提供了一个很好的解决方案。
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图2是一个使用ATM交换实现WAN和LAN通信的例子，医院A与医院B通过ATM 交换机实现远程数据通信。
图2 两个医院之间使用多模式和单模式光纤通过ATM将WAN与LAN连接起来
医院A与医院B相距两公里。在医院B,一台SPARC20计算机用两根多模式(MultiMode, MM)光纤通过一个S总线ATM适配器与一台ASX200 ATM交换机连接。这个ASX200 ATM 交换机通过一根单模式(SingMode,SM)光纤与设在另一处的主ATM交换机连接。这个ASX200 ATM交换机通过一根单模式(Single Mode, SM)光纤与设在另一处的主AMT交换机连接.在医院A,SPARC10,SPARC20和690多处理器计算机用多模式光纤与另一台ASX200 ATM交换机连接.两个医院通过设在其他地方的一个主ATM交换机连接,进行通信和数据交换.
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对于ICU,“时间就是生命”，图3是一个ICU PACS模型.ICU病房与其他设备之间通过ATM建立了联系.通过这样的系统,ICU病房中的病人的情况可以实时传送到医生的值班室,而医生的诊断和医疗意见通过这样一个高速多媒体网络可以以音频的形式及时送到ICU,为抢救病人的生命赢得了宝贵的时间.
另外,家庭病房中病人的心电、脑电等信号通过Internet也可以迅速及时地传送到病人家中，亲切而又快速。
图3 ICU PACS模型
四 结束语
远程医疗是目前国际上一门了展十分迅速的跨学科的高新技术，可以大幅度降低医疗费用，使偏远地区也享受到高水平的医疗服务，实现医学信息共享。在未来远程医疗还能实现远程手术。前景十分诱人。
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通信，网络的传输速度和容量是远程医疗发展的一个关键技术(也是整个网络通信技术发展的关键)，也可以说是瓶颈。表1给出了用于远程医疗的不同通信网络的容量。
通信网 通信容量
普通电话 28-56kb/s
GSM Mobile Network 9.6 kb/s(过去﹑现在)72kb/s(现在)2 Mb/s(2000 年以后)
Ethernet 100Mb/s 1000Mb/s(已出现)
ATM 155Mb/s
从表1中不难看出，ATM成本过高，而Ethernet(以太网)用户广泛，成本较低，许多用户都已建立并习惯Ethernet,尤其千兆Ethernet的出现，使得究竟选择何种技术又出现了争论。目前，ATM和Ethernet都在了展。大家知道，IT产品的价格极大程度上取决于该产品的用户量，用户越多，价格越低。从最近的市场行情来看，Ethernet的价格比高于ATM。但是，由于ATM在多媒体信息传输上具有许多Ethernet无法取代的优点，如QoS,吸引着许多用户，也吸引着许多厂商。尤其随着多媒体技术的发展和需用求的增加，ATM已以不可遏制的势头发展起来。从发展的角度更进一步研究市场，可以看到，ATM交换机的价格迅速下降，日前已有万元人民币左右的产品面市按照大家熟悉的IT产品的价格规律，ATM交换机价格的灿烂前景完全可以预见。
笔者认为，ATM作为一种新的网络模式，从理论上优于其他网络，随着研究的深入，更快更廉价的ATM必将成为主流。这就需要从国家到研究人员给予更大的重视和投入，以期这一天早日到来。再从远程医疗的角度来说，ATM所能提供的质量服务是极其重要的，近来研究界热心的多目标分组发送技术革新(Multicast)为网上会诊提供了极好的应用平台。也就是说，日前ATM技术对于远程医疗来说是一种远优于Ethernet 的选择。 参考资料：《世界医疗器械》1999年第六期
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王光兴(国务院学科评议组成员)
王文辉(东北大学生物医学工程系教授)
关键词：ATM 远程医学
即将跨入21世纪，人类正在从工业社会向信息社会过渡，随着人类生活水平和生命质量的提高，医学诊疗技术、计算机技术、网络与通信技术的迅猛发展，远程医学(Telemedicine)已成为现代医疗技术发展的方向和代表。
对远程医学已作过各种各样的定义，但大体上可以描述为远程通信枝术与医学专家的结合，以提供远距离的医学服务或医学教育。远程医学主要应用在医学研究，交流、教育、临床诊断、会诊治疗以及管理等方面。根据其具体应用范围，研究人员界定了远程放射学、过程病理学、远程皮肤学、远程精神病学、远程心脏学、 医疗会诊、医学教育等等。其中较为成熟的有医院管理信息系统(HIS)、医学图像管理和通信系统(PACS)、远程入射学(Teleradiology)等。
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HIS和PACS使用局域网(LAN)，而Teleradiology和Telemedicine 依赖于广域网(WAN)。典型的LAN传输速率可达1Gb/s，而WAN的传输速率限于1.5Mb/s,因为LAN与WAN使用不同的技术，当HIS、PACS、Teleradiology和Telemedicine同时工作时，不同速率的信息在网络中传输和交换，便有可能产生一些问题。传输速率较慢不是因为技术原因，而是由于长距离高速传输的费用太高。异步交换模式(Asynchronous Transfer Mode, ATM)技术能很好地解决这些问题。
一 ATM的概念
ATM技术是在B-ISDN(宽带综合业务数字网)初期综合了电路交换和分组交换二者的优点发展起来的。
为了对ATM的概念有一个完整的认识，我们必须首先认识电路交换和分组交换。在数字通信中，电路交换主要是同步交换模式(Synchronous Transfer Mode, STM)来实现。STM方式会造成很大的信道浪费，这是它的固有缺点。分组交换是将用户的信息划分成一些可变长度的分组，在每一个分组的前面加一个分组头(标题)用以指明该分组传送的地址，然后由交换节点将这些分组存储起来，在空闲通路时，根据各个分组的地址标志将他们转发至目的地。其过程十分复杂，易导致信息传送时延不确定，难以适应实时高速通信的要求。
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ATM技术是以分组交换模式为基础并融合了电路交换模式高速化的优点发展而成的。ATM方式克服了电路交换模式不能适应任意速率业务，难以导入未来新业务的缺点，简化了分组交换模式中的协议，并由硬件对简化了分组交换模式中的协议进行处理，交换节点不再对信息进行差错控制，从而极大地提高了网络的通信处理能力。
ATM的特点：
高速传输：
与分组交换X.25协议相比，ATM是建立在高可靠性传输介质的基础上，取消了链路层上的差错保护窗口机制、拥塞状态信息反馈等复杂的控制协议，取而代之的是以只有5个字节的信头作为建立连接，虚电路识别及很少的误码校正，流量控制等协议，这样大大减少了传输的额外开销，大大提高了传输效率，传输速率可在662Mb/s,是目前传输速率最快的网络。
实时性方面：
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随着多媒体技术的引进，对实时性传输的要求越来越高，即要求有最小的时延，包括打包时延，排队时延，时延抖动和相关的信元组合恢复时延，ATM采用定长的48字节静荷长度，短小的静荷长度可以减小组装拆卸信元及排队等待所引起的时延，从而满足多媒体对时延的要求，代表网络的发展方向。
时效性
ATM属于统计型的时分复用方式，也就是按需要来动态地分配电路的带宽这样更适合各种业务的要求。
ATM方式对线路进行单元复用，其本质是一种分组传送方式。用户信息(话音、数据、及图像等数字信息)分割成固定长度的信息块，在信息块前装配上相关控制信息后构成信元(CELL),如图1所示。信元5个字节(每字节为8比特)的信头(header)和48字节的用户信息块组成。信元按通信业务的需要进行分配,不同用户的信息块,只要获得空位信元随即可以插入信息发送出去，即各用户的信元插入的位置并无周期性，帮称这种传送方式为异步传送模式。这里所说的异步不是通常的异步传输，而是指被分组的用户信息动态地占用信道(各用户信元异步时分复用在一起)。因为各用户信息需要排队等待空信元到来时才能插入发送出去，所以ATM是一种以信元为单位的存储、交换方式。
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图1ATM信元结构
提供质量服务(QoS)
ATM能够保证服务质量QoS(Quality of Service)、确保使用者在传递信息期间所需求的带宽，即能够保证当传输视频(Video)、音频(Audio)、或其他图像信息时需要的连续性和无抖动，而其他技术无法保证这一点。
二 远程医学
远程医学通过采用最新的通信技术，使医生以最经济、最迅速的方式进行检查、监护、诊断、医学数据交换及信息管理、是一种最新和发展最快的医疗服务系统。远程医学近年来的发展主要集中在与计算机技术应用比较密切的医学领域，如放射学、心电分析和心电监护。随着计算机多媒体技术的发展，远程医学在医学会诊和精神分析领域的应用也得到了发展。
1.远程放射学与PACS
, 百拇医药
PACS和远程放射学"数字革命"的一部分，远程放射是指放射图像的传送、而PACS是指医学图像的管理和通信(传送)，因此很明显PACS实际上包含了远程放射学。远程放射主要是指通过图像传送进行远距离的放射检查，而PACS则具有更广的含义，它包括图像获取设备，存储存档单元、显示工作站、计算机处理以及数据库管理系统，通过通信网络系统将这些部分集成起来，构成PACS。
2.远程重症监护
在医院的急救室，迅速获得和随时监护患者当前情况是至关重要的。如果事件发生后一小时，甚至几分钟后才知道事件的有关情况，通常是没有多少价值的，也就是说，获得患者的数据必须是实时的。在医院或急救中心的重症监护病房(Intensive Care Unit,ICU)内需要采用大量的多参数监护，如脑电图、心电、呼吸、血氧等。目前，大部分医院配备固定不太移动的监护设备，只能在特定区域内使用，缺乏灵活性，因此，建立迅速实时的远程ICU多参数数据采集与传输网络是极其必要和意义重大的。
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3.远程家庭医疗
家庭医疗包括家庭电子病历系统、家庭电子医疗教科书、家庭远程会诊，家庭病房、以及医疗社会福利保障电子系统等，这些都极大地依赖于高速多媒体网络通信技术的发展。
目前，越来越多的医院开始考虑建立家庭病房，这样可以减少病人住院治疗的费用，降低医院病床数量有限的压力，便于行动不便的病人，也便于病人家属照顾病人，而且病人在一个温馨家庭关怀环境中有利于尽快康复。远程医疗技术则大大支持和完善了家庭病房。医生可以通过网络获取安放在病人家中的一些医疗设备，如无线监护、心电遥测装置、心血管信息系统、24h动态心电记录仪(Holter)等采集的病人数据，及时地分析诊断，进行治疗。并可以建立传呼系统，便于病人及时与医生建立联系。
三 ATM与远程医学
大规模的集成远程医疗系统势在必行，对于这样一个集成环境，大量的数据(包括图像和语音等多媒体信息在网上传送和交换，尤其存在WAN和LAN之间的多媒体数据交换，这就要求拥有一个高速的网络和高速的数据交换模式。ATM技术的发展为此提供了一个很好的解决方案。
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图2是一个使用ATM交换实现WAN和LAN通信的例子，医院A与医院B通过ATM 交换机实现远程数据通信。
图2 两个医院之间使用多模式和单模式光纤通过ATM将WAN与LAN连接起来
医院A与医院B相距两公里。在医院B,一台SPARC20计算机用两根多模式(MultiMode, MM)光纤通过一个S总线ATM适配器与一台ASX200 ATM交换机连接。这个ASX200 ATM 交换机通过一根单模式(SingMode,SM)光纤与设在另一处的主ATM交换机连接。这个ASX200 ATM交换机通过一根单模式(Single Mode, SM)光纤与设在另一处的主AMT交换机连接.在医院A,SPARC10,SPARC20和690多处理器计算机用多模式光纤与另一台ASX200 ATM交换机连接.两个医院通过设在其他地方的一个主ATM交换机连接,进行通信和数据交换.
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对于ICU,“时间就是生命”，图3是一个ICU PACS模型.ICU病房与其他设备之间通过ATM建立了联系.通过这样的系统,ICU病房中的病人的情况可以实时传送到医生的值班室,而医生的诊断和医疗意见通过这样一个高速多媒体网络可以以音频的形式及时送到ICU,为抢救病人的生命赢得了宝贵的时间.
另外,家庭病房中病人的心电、脑电等信号通过Internet也可以迅速及时地传送到病人家中，亲切而又快速。
图3 ICU PACS模型
四 结束语
远程医疗是目前国际上一门了展十分迅速的跨学科的高新技术，可以大幅度降低医疗费用，使偏远地区也享受到高水平的医疗服务，实现医学信息共享。在未来远程医疗还能实现远程手术。前景十分诱人。
, 百拇医药
通信，网络的传输速度和容量是远程医疗发展的一个关键技术(也是整个网络通信技术发展的关键)，也可以说是瓶颈。表1给出了用于远程医疗的不同通信网络的容量。
通信网 通信容量
普通电话 28-56kb/s
GSM Mobile Network 9.6 kb/s(过去﹑现在)72kb/s(现在)2 Mb/s(2000 年以后)
Ethernet 100Mb/s 1000Mb/s(已出现)
ATM 155Mb/s
从表1中不难看出，ATM成本过高，而Ethernet(以太网)用户广泛，成本较低，许多用户都已建立并习惯Ethernet,尤其千兆Ethernet的出现，使得究竟选择何种技术又出现了争论。目前，ATM和Ethernet都在了展。大家知道，IT产品的价格极大程度上取决于该产品的用户量，用户越多，价格越低。从最近的市场行情来看，Ethernet的价格比高于ATM。但是，由于ATM在多媒体信息传输上具有许多Ethernet无法取代的优点，如QoS,吸引着许多用户，也吸引着许多厂商。尤其随着多媒体技术的发展和需用求的增加，ATM已以不可遏制的势头发展起来。从发展的角度更进一步研究市场，可以看到，ATM交换机的价格迅速下降，日前已有万元人民币左右的产品面市按照大家熟悉的IT产品的价格规律，ATM交换机价格的灿烂前景完全可以预见。
笔者认为，ATM作为一种新的网络模式，从理论上优于其他网络，随着研究的深入，更快更廉价的ATM必将成为主流。这就需要从国家到研究人员给予更大的重视和投入，以期这一天早日到来。再从远程医疗的角度来说，ATM所能提供的质量服务是极其重要的，近来研究界热心的多目标分组发送技术革新(Multicast)为网上会诊提供了极好的应用平台。也就是说，日前ATM技术对于远程医疗来说是一种远优于Ethernet 的选择。 参考资料：《世界医疗器械》1999年第六期