远程医疗系统设计方案

远程医疗系统

解

决

方

案

北京航空航天大学

2014年11月30日

目录

目录 (1)

一、远程医疗系统综述 (2)

1.1 远程医疗系统的简介 (2)

1.2 远程医疗系统的国外发展现状 (6)

1.3 远程医疗系统的国内发展现状 (9)

1.4 小结 (12)

二、远程医疗系统的技术分析 (13)

2.1 音视频终端技术 (13)

2.2 网络通信与设备接口技术 (22)

2.3 数据库处理技术 (29)

2.4 用户终端技术 (34)

三、远程医疗系统方案设计 (38)

3.1 系统总体方案设计 (38)

3.2 终端关键技术设计方案 (41)

3.3 远程医疗系统方案预算 (53)

四、参考文献 (54)

一、远程医疗系统综述

1.1远程医疗系统的简介

远程医疗（Telemedicine）从广义上讲，是指使用远程通信技术、全息影像技术、新电子技术和计算机多媒体技术，发挥大型医学中心医疗技术和设备优势对医疗卫生条件较差的及环境特殊的地区提供远距离医学信息和服务。它包括远程诊断、远程会诊及护理、远程教育、远程医疗信息服务等所有医学活动[1]。从狭义上讲，远程医疗是指利用通信技术手段，通过音像视频等多媒体手段，实现医疗信息的共享和诊断交互的医疗过程。

图1 远程医疗整体框架

未来医疗活动中，医生将通过计算机显示从远方传来的病人的各种信息，并对病人进行诊断和治疗[2]，这种局面已经到来。预计全球远程视频医疗将在今后不太长时间里，取得更大进展。

远程医疗的内容包括远程医疗会诊、远程医学教育、建立多媒体医疗保健咨询系统等。远程医疗会诊在医学专家和病人之间建立起全新的联系，使病人在原地、原医院即可接受远地专家的会诊并在其指导下进行治疗和护理，可以节约医

生和病人大量时间和金钱。远程医疗运用计算机、通信、医疗技术与设备，通过数据、文字、语音和图像资料的远距离传送，实现专家与病人、专家与医务人员之间异地“面对面”的会诊。远程医疗不仅仅是医疗或临床问题，还包括通讯网络、数据库等各方面问题，并且需要把它们集成到网络系统中。

远程医疗可以使身处偏僻地区和没有良好医疗条件的患者获得良好的诊断和治疗，如农村、山区、野外勘测地、空中、海上、战场等。也可以使医学专家同时对不同空间位置的患者进行会诊。

就目前来看，远程医疗的主要优点主要集中在四个方面：

1、在恰当的场所和家庭医疗保健中使用远程医疗可以极大地降低运送病人的时间和成本。

2、可以良好地管理和分配偏远地区的紧急医疗服务，这可以通过将照片传送到关键的医务中心来实现。

3、可以使医生突破地理范围的限制，共享病人的病历和诊断照片，从而有利于临床研究的发展。

4、可以为偏远地区的医务人员提供更好的医学教育。

远程医疗的用途非常广泛，远程医疗应用发展可以极大地减少病人接受医疗的障碍，因为地理上的隔绝不再是医疗上不可克服的障碍了。

首先，是在一定程度上缓解了我国专家资源、中国人口分布极不平衡的现状。我国人口的80%分布在县以下医疗卫生资源欠发达地区，而我国医疗卫生资源80%分布在大、中城市，医疗水平发展不平衡，三级医院和高、精、尖的医疗设备也以分布在大城市为多。即使在大城市，病人也希望能到三级医院接受专家的治疗，造成基层医院病人纷纷流入市级医院，加重了市级医院的负担，造成床位紧张，而基层床位闲置，最终导致医疗资源分布不均和浪费。利用远程会诊系统可以让欠发达地区的患者也能够接受大医院专家的治疗。另外，通过远程教育等措施也能在一定程度上提高中小医院医师的水平。

其次是缓解了偏远地区的患者转诊比例高、费用昂贵的问题。中国幅员辽阔，人口众多，边远地区的病人，由于当地的医疗条件比较落后，危重、疑难病人往往要被送到上级医院进行专家会诊。这样，到外地就诊的交通费、家属陪同费用、住院医疗费等给病人增加了经济上的负担。同时，路途的颠簸也给病人的身体造

成了更多的不适，而许多没有条件到大医院就诊的病人则耽误了诊疗，给病人和家属造成了身心上的痛苦。据调查，偏远地区患者转到上一级医院的比例相当高；花费非常昂贵，除去治疗费用外的其他花费（诊断费用、各种检查费用、路费、陪护费、住宿费、餐费等）需要数千元，让病人几乎无力承担。而远程会诊系统可以让病人在本地就能得到相应的治疗，大大减少了就诊费用。

远程医疗技术所要实现的目标主要包括：以检查诊断为目的的远程医疗诊断系统、以咨询会诊为目的的远程医疗会诊系统、以教学培训为目的的远程医疗教育系统和以家庭病床为目的的远程病床监护系统。

应用的目的和需求不同，在远程医疗系统中配置的设备和使用的通信网络环境也有所不同。远程医疗诊断系统主要配置各种数字化医疗仪器和相应的通信接口，并且主要在医院内部的局域网上运行。终端用户设备包括电子扫描仪、数字摄像机以及话筒、扬声器等。远程医疗教育系统与医疗会诊系统相似，主要是采用视频会议方式在宽带网上运行。无论哪一种远程医疗系统，计算机和多媒体设备都是必不可少的。

远程医疗的应用范围很广泛，通常可用于放射科、病例科、皮肤科、心脏科、外科以及神经科等多种病例。远程医疗技术的应用十分广泛，因此决定这项技术具有巨大的发展空间。

图2 远程医疗系统组网示意图

远程医疗技术涉及到包括媒体技术、通信技术和医疗机理等领域的新技术。

远程医疗中多媒体技术的应用有赖于各种各样多媒体数字设备的支持。在远程医疗中多媒体技术主要应用在以下几个方面：

(1) 媒体采集。可以通过数字摄像机采集到高分辨率的图像和视频。

(2) 媒体存储。音频、视频以及医学图像均需在计算机内暂时或永久存储，这可用磁性或光磁器件（如硬盘、软盘、光盘等）实现。

(3) 压缩/解压缩。现在流行的JPEG图像压缩标准可以做到10∶1到20∶1，并经诊断结果表明它对图像没有损害性。

(4) 图像处理。它的基本功能应包括角度旋转、水平垂直伸缩、校正采集误差，并在诊所条件下能用肉眼观察到清晰的图像。

(5) 用户界面。在医学上图形界面最为普遍，因为它能反映更多的医用可视化信息，因此显示器、键盘、鼠标以及窗口管理软件是最基本的远程医疗用户界面。同时还需要多媒体设备的支持。

通信技术是远程医疗得以执行的前提，通信技术有力的支撑了远程医疗的覆盖范围、传输效率和传输质量。在这一过程中，涉及到的通信技术包括以下几个方面：

(1) 网络接口。不同的远程医疗需求和通信环境，对通信网络的选择也是多种多样的，因此网络接口速率也有高低区别。

(2) 网络协议。在远程医疗系统中广泛采用ATM（异步转移模式）互联协议。在电话网上传输医学图像可以采用H.324视频会议协议。TCP/IP协议可用于局域网和广域网接口，用它接入医学图像和远端的医疗信息源。

(3) 视频传输。根据不同的远程医疗需求，视频传输速率也是不同的，大致可以分为低速率和高速率传输两类，前者用于视频会议，后者则用于诊断视频的传输。

(4) 音频传输。在远程医疗系统内除了视频外，还有音频传输，它也可分为低速率和高速率传输两类，前者用于咨询会诊，后者则用于诊断病情。

(5) 静态图像（片）传输。通常静态图像（片）的传输是单向通信，传输速率以单幅来计算，并且流量具有突发性。

(6) 病历档案。它也是单向传输，并且主要是文本信息，因此传输带宽要求不高。

(7) 骨干网络。作为远程医疗的骨干网络可有多种选择，但随着网络的扩大，有必要通过网桥或路由器将各个局域网互联成为广域网。

基于视联网技术的远程医疗系统，利用统一视频服务平台，可以轻松实现数千路至数万路的高清视频流、多媒体和数据服务点的统一智能化管理，实现高品质，高度智能化的采集，传输和播放，并且可以覆盖到桌面的每一块屏幕上，用户可以通过电视，电脑，3G手机等实现平台内任意多点的双向实时高清视频通讯，在医院内不同科室之间，多院区科室之间，为诊断患者的病情，可以通过桌上终端实现随时随地的双向高清视音频交流，共同进行会诊，保证沟通的顺畅，快速，极大的提高科室间协同办公和诊疗的能力。

通过统一的视频服务平台的远程医疗系统，还能提供医院内覆盖到病床，医院外覆盖至其它友好医院，从城市到乡村镇，覆盖到社区门诊，并最终通过电视屏覆盖到千家万户的高清远程医疗服务。依靠视联网技术的支持，只需两台电视、双向高清智能终端，就可以实现患者在家就能实时接收专家远程会诊的服务。统一视频服务平台在视联网技术的支持下，可以实现几万路、几十万路、成百上千万路的实时高清视频通信，可以随时随地发起双向、多向远程会诊等服务，使老百姓在家都能得到优质的医疗服务。

1.2远程医疗系统的国外发展现状

20世纪50年代末，美国学者Wittson首先将双向电视系统用于医疗[3]；同年，Jutra等人创立了远程放射医学[4]。此后，美国不断有人利用通信和电子技术进行医学活动，并出现了Telemedicine一词，现在国内专家统一将其译为“远程医疗”。

60年代初到80年代中期的远程医疗活动被视为第一代远程医疗时期[5]。这一阶段的远程医疗发展较慢。从客观上分析，当时的信息技术还不够发达，信息高速公路正处于新生阶段，信息传送量极为有限，远程医疗受到通信条件的制约。60年代初，美国建立了试验台，通过卫星和微波技术为宇航员提供远程医疗监护[6]。

图3 远程医疗系统中的网络拓扑结构

自80年代后期，随着现代通信技术、编码技术和信息压缩技术等水平的不断提高，实现了数据、图片、语音和视频等多媒体信息的传输且其传输性能得到不断提高，一大批有价值的项目相继启动，旨在推动远程医疗监护的发展，其声势和影响远远超过了第一代技术，因此被业界视为第二代远程医疗时期。从Medline所收录的文献数量看，1988年～1997年的10年间，远程医疗方面的文献数量呈几何级数增长[7]。在远程医疗系统的实施过程中，美国和西欧国家发展速度最快，联系方式多是通过卫星和综合业务数据网（ISDN），在远程咨询、远程会诊、医学图像的远距离传输、远程会议和军事医学方面取得了较大进展[8]。

1988年美国提出远程医疗系统应作为一个开放的分布式系统的概念，即从广义上讲，远程医疗应包括现代信息技术，特别是双向视听通信技术、计算机及遥感技术，向远方病人传送医学服务或医生之间的信息交流。同时美国学者还对远程医疗系统的概念做了如下定义：远程医疗系统是指一个整体，它通过通信和计算机技术给特定人群提供医疗服务[9]。这一系统包括远程诊断、信息服务、远程教育等多种功能，它是以计算机和网络通信为基础，针对医学资料的多媒体技

术，进行远距离视频、音频信息传输、存储、查询及显示。乔治亚州教育医学系

统（CSAMS）是目前世界上规模最大、覆盖面最广的远程教育和远程医疗网络，可进行有线、无线和卫星通信活动，远程医疗网是其中的一部分[10]。

美国的远程医疗虽然起步早，但其司法制度曾一度阻碍了远程医疗的全面开展。所谓远程仅限于某一州内，因为美国要求行医需取得所在州的行医执照，跨州行医涉及到法律问题。据统计，1993年，美国和加拿大约有2250例病人通过远程医疗系统就诊，其中1000人是由Texas的定点医生进行的仅3～5分钟的肾透析会诊；其余病种的平均会诊时间约35分钟[11]。

美国联航正投入试验运行的远程医疗系统，提供了全方位的生命信号检测，包括心脏、血压、呼吸等，在飞行过程中，可通过移动通讯系统及时得到全球各地的医疗支持[12]。由University of Maryland开发的战地远程医疗系统，由战地医生、通讯设备车、卫星通讯网、野战医院和医疗中心组成。每个士兵都配戴一只医疗手镯，它能测试出士兵的血压和心率等参数。另外还装有一只GPS定位仪，当士兵受了伤，可以帮助医生很快找到他，并通过远程医疗系统得到诊断和治疗[13]。1988年12月，前苏联亚美尼亚共和国发生强烈地震，在美苏太空生理联合工作组的支持下，美国国家宇航局首次进行了国际间远程医疗，使亚美尼亚的一家医院与美国四家医院联通会诊[14]。这表明远程医疗能够跨越国际间政治、文化、社会以及经济的界限。

2006年到2011年，英国投资了超过1.7亿英镑用于建设远程医疗系统[15]，阿尔及利亚、印度、尼泊尔、俄罗斯、乌干达等国家都致力于研究移动电话远程医疗、远程医疗基础结构、远程医疗速度等问题，美国、德国、日本、意大利、阿曼、泰国、菲律宾、俄罗斯等国家都针对本国实情制定相应的远程医疗研究方向和目标[16]，其中，美国几乎在远程医疗的所有方向进行了探索和尝试，例如：Medicine College of Georgia的儿科远程医疗；University of Pisa放射学系病人图像和数据通讯系统；JEWISH免疫学和呼吸医疗中心和LOSALAMOS国家实验室联合远程医疗项目以及UWGSP9远程医疗项目等。现在，美国乔治亚州和俄克拉荷马州的远程医疗网络——乔治亚州教育医疗系统（GSAMS）是世界上规模最大、覆盖范围最广的远程教育和医疗网络[17]。欧洲方面，组织了有23个实验室、多个大公司以及120个终端用户参加的大规模远程医疗系统推广实验，以推动远程医疗的普及。其中德国和挪威取得的成绩比较突出，许多远程医疗系统

都已经在医疗活动中得到真正实际上的应用，其通信手段普遍采用综合业务数字网（ISDN），传输质量和速率比较理想[18]。

云服务和物联网的发展使得第三代远程医疗应运而生。2010年开始远程医疗逐步呈现走进社区，走向家庭，更多的面向个人，提供定向，个性的服务发展特点。根据奇笛网的智能家居行业报告，随着物联网技术的发展与普及，远程医疗也开始与云计算、云服务结合起来，众多智能健康的医疗产品逐渐面世，远程血压仪、远程心电仪，甚至远程胎心仪的出现，给广大的普通用户提供了更方便、更贴心的日常医疗预防、医疗监控服务。远程医疗也从疾病救治发展到疾病预防的阶段[19]。

欧洲及欧盟组织了3个生物医学工程实验室、10个大公司、20个病理学实验室和120个终端用户参加的大规模远程医疗系统推广实验，推动了远程医疗的普及[20]。澳大利亚、南非、日本、香港等国家和地区也相继开展了各种形式的远程医疗活动[21]。

1.3远程医疗系统的国内发展现状

我国是一个幅员广阔的国家，医疗水平有明显的区域性差别，特别是广大农村和边远地区，因此远程医疗在我国更有发展的必要。尽管我国的远程医疗已取得了初步的成果，但是距发达国家水平还有很大差距，在技术、政策、法规、实际应用方面还需不断完善；同时，广大人民群众对远程医疗的认识还有待进一步提高。

为了实现对重症病人的监护，早期大多数医院采取了电视监控的手段，这就是远程医疗的雏形。计算机技术和通信技术的发展，特别是互联网络的发展，为远程诊断、远程治疗和远程手术提供了技术平台。于是，现代意义上的远程医疗作为一项新的应用技术提了出来，并很快得到了广泛的关注。

我国从上世纪80年代才开始进行远程医疗的探索。1988年解放军总医院通过卫星与德国一家医院进行了神经外科远程病例讨论，开启了我国首次现代意义上的远程医疗活动[22]。我国的远程医疗监护也逐渐进入尝试发展阶段，从上世纪90年代后期以来，我国的远程医疗从真正意义上取得了进展，1994年华山医院与上海交通大学利用电话网络进行了模拟会诊演示。同年，国家卫生信息化的

总体规划，解放军总后勤部卫生部提出了军队卫生系统信息化建设“三大工程”，并分别被列为国家“金卫工程”军字2号工程，即为建设全军医药卫生信息网络和远程医疗会诊系统[23]。1995年上海教育科研网、上海医大远程会诊项目启动，并成立了远程医疗会诊研究室[24]。1997年，中国金卫医疗网络即卫生部卫生卫星专网正是开通并运营。同年，解放军总医院通过电子邮件的方式与济南军区某医院进行了远程医疗会诊，并于当年正式成立“远程医疗中心”，主要是通过电子邮件、可视电话、ISDN等方式实现医疗通讯[25]。

图4 远程医疗实时监护系统

近十年来，我国远程医疗进入实际应用阶段，上海交通大学已经开发完成全国首个无线远程心电图监控技术服务平台，该系统可以实时将人体生理信号转换成数字信号，利用移动网络终端和网络信道使得医学专家能在第一时间获得心血管疾病的诊断和预警[26]。2011年，我国首家急诊远程监护室在武警总医院急救监护中心启用，通过GPRS技术实施远程心电监测，而呼救者则可以通过“护心宝”检测器与医生进行交流[27]。

目前经过验收合格并正式投入运营的包括中国医学科大学北京协和医院、中国医学科学院阜外心血管病医院等全国二十多个省市的数十家医院网站，已经为数百例各地疑难急重症患者进行了远程、异地、实时、动态电视直播会诊，成功地进行了大型国际会议全程转播，并组织国内外专题讲座、学术交流和手术观摩数十次，极大地促进了我国远程医疗事业的发展[28]。

在我国一些有条件的医院和医科院校也已经开展了这方面工作，如上海医科大学金山医院在网上公布了远程医疗会诊专家名单，实时为全国病患提供网络在

线会诊和咨询[29]。西安医科大学在美国“亚洲之桥”资助下成立了“远程医疗中心”，并成功地为美国国务卿奥尔布赖特进行了中美远程医疗会诊演示[30]。最近，在贵阳市成立了西南第一家远程医疗中心——“中国金卫贵阳远程医疗会诊中心”，成为首批建立的28个远程医疗工作平台之一，并成功为一名病毒性脑炎患者进行了远程专家会诊和远程指导，效果明显，从而实现了医疗资源的远程共享

[31]。

中山大学的研发团队在广东省搭建了首个区域性的远程医疗网络平台，涵盖了包括远程生命信息检测系统、远程会诊系统和120急救指挥系统。这三套系统以病人的健康档案、电子病历、个性化的生命信息、实验室检查结果、影像学资料为载体。信息共享。该平台实现了系统、高级中心、次中心三者之间的信息无缝连接，从而实现了实时远距离医疗活动[32]，该医疗会诊系统通过组建以中山大学肿瘤防治中心、中山一院、中山二院为中心的医疗平台，实现与县、市二级医院、120急救移动平台等一线诊断点之间的点对点实时会诊（e-meeting ）和病理检测诊断。该系统已成功在广州、兴宁、南海等华南地区实施。 信息传输实时指导信息传输

实时指导眼科中心

地区医院/社区医院病人、家庭生命信息共享：实时

心电、血压、呼吸、

脉搏、氧饱和肿瘤防治中心

中山二院

中山一院

影像视频信息共

享：医学影像学资

料，实时图像传输中山三院

中山五院中山大学医疗信息共享共享平台

图5 中山大学设计的远程医疗诊断平台

另外，台湾国立中正大学的W.Y. Hsu 根据现有技术条件，提出了人脑交互式的远程医疗方案（BCI ， Brain computer interface system ），并有望推动人机

交互式的远程医疗技术得到改进和发展，其研究成果更有利于对病患的准确跟踪和病理分析，提高远程医疗诊断效率[33]。

远程医疗已在我国的农村和城市逐渐得到广泛的应用。并且在心脏科、脑外科、精神病科、眼科、骨科、放射科、及其它医学专科领域的治疗中发挥了积极作用。远程医疗所采用的通信技术手段可能不尽相同，但共同的因素包括病人、医护人员、专家及其不同形式医学信息信号。

远程医疗具有强大的生命力，也是经济和社会发展的需要。随着虚拟仪器技术在国内的发展，基于LabVIEW的远程医疗技术在先心病的远程医疗诊断上得到了良好应用，由于虚拟仪器的开发周期和运营成本都较同类开发系统及仪器要有优势，引起，未来虚拟测控技术及仪器将会更多的在我国得到普及和应用[34]。另外，便携式的仪器系统也是当今时代的主流，因此，基于ARM和嵌入式系统的交互式远程医疗仪器也将进入我们的医疗卫生生活，北京交通大学在近期就开发出了一款基于ARM和Linuxde嵌入式的远程医疗装置，使得远程医疗仪器步入小型化便携式时代[35]。随着信息技术的发展、高新技术（如远程医疗指导手术、电视介入等等）的应用，以及各项法律法规的逐步完善，我国的远程医疗事业必将会获得前所未有的发展契机。

随着物联网，无线通信技术，大数据等技术的飞速发展，必然会带动远程医疗技术的革新和新型远程医疗概念的提出。建设可靠完善的远程医疗系统，是我国医疗卫生事业发展的必然走向，只有这样才能大大改善国内医疗资源分布，实现优良医疗资源的全域共享。

1.4小结

远程医疗系统包括了远程诊断、远程会诊、远程护理、远程教育、远程医疗信息服务及共享等所有医学活动。从狭义上讲，远程医疗是指利用通信技术手段，通过音像视频等多媒体手段，实现医疗信息的共享和诊断交互的医疗过程。

随着云服务和物联网技术的发展，欧盟、美国、日本等发达国家已经迈入了第三代远程医疗时期。国外著名公司如美国的国家仪器、欧洲的飞利浦、ABB、Polycom、NuPhysicia等世界著名公司已经开始与其本国和地区的大型医疗机构练手，研究和部署远程医疗技术的新概念，使得远程医疗逐步走进社区和家庭。

澳大利亚、南非、日本、香港等国家和地区也相继开展了各种形式的远程医疗活动。

在我国一些有条件的医院和医科院校也已经开展了这方面工作，如上海医科大学、西安医科大学、中山大学、解放军总医院、北京协和医院和中国医学科学院阜外心血管病医院等机构。华为、中兴等也对第三代远程医疗项目进行了探索。

未来远程医疗的应用前景广阔，也势在必行。建设可靠完善的远程医疗系统，能够有效的改善国内医疗资源的分布，实现优良医疗资源的全域共享。

二、远程医疗系统的技术分析

图6 远程医疗综合会诊系统

通过数字化音视频远程医疗平台，能够实现会诊中心、外院专家、本院专家和医疗现场的交互。因此，远程会诊系统的交互性能的好坏，其取决的技术质量特性包括音视频终端设备、网络通信方式、设备接口、数据库处理系统和用户终端交互系统等。

2.1音视频终端技术

图7 手术示教系统及其主要硬件配置

远程医疗系统要实现数字化的手术示教和远程会诊，这就需要实现终端之间的数字音视频的交换。在手术现场，需要进行实时采集的量包括：监护仪检测到的病理信息，摄）相机实时拍摄和录制的全景和病理部位的处理图像，以及医患及医生之间的音视频交流信息等。

1微型摄像机

微型摄像头是现代高科技的产物，又名微型监控器，具有体积小、功能强大的特点，隐蔽性比较好[36]。随着人们消费水平的不断提高，微型摄像头的用途也越来越广。已经广泛运用到航空、商业、传媒、医疗、家庭等行业。微型摄像头的出现，给人们的生活带来便利。

微型摄像头的图像传感器有CMOS和CCD两种模式。CMOS既互补性金属氧化物半导体，CMOS主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，通过CMOS上带负电和带正电的晶体管来实现基本的功能的。这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片记录和解读成图像。CMOS针对CCD最主要的优势就是非常省电。不像由二级管组成的CCD，CMOS电路几乎没有静态电量消耗。这就使得CMOS的耗电量只有普通CCD的1/3左右，CMOS重要问题是在处理快速变换的图像时，由于电流变换过于频繁而过热。暗电流抑制的好就问题不大，如果抑制的不好就十分容易出现点。

a)头盔式摄像机b) 耳持式摄像机

图8 便携式摄像机

CCD图像传感器由在单晶硅基片上呈二维排列的光电二级管及其传输电路构成。光电二极管把光转化成电荷，再经转化电路传送和输出。通常，传送优良图像质量的设备都采用CCD图像传感器，而注重功耗和成本的产品则选择

CMOS图像传感器[37]。但新的技术正在克服每种器体固有的弱点，同时保留了适合于特定用途的某些特性。这一部分与模拟摄像机相同。声音传感器即拾声器或叫麦克风，与传统的话筒原理一样。目前有不少新式的摄像头已可支持multi-megapixel 的分辨率，某些摄影镜头更拥有高帧率，像是PlayStation Eye，可以产生320×240 ，每秒120帧(frames)。

图9 耳持式摄像机结构原理

微型摄像头的工作原理大致为：景物通过镜头(LENS)生成的光学图像投射到图像传感器表面上，然后转为电信号，经过A/D(模数转换)转换后变为数字图像信号，再送到数字信号处理芯片(DSP)中加工处理，再通过USB接口传输到电脑中处理，通过显示器就可以看到图像了。

根据微型摄像头的工作原理，可以知道摄像头的主要结构和组件包括：（1）镜头，即为透镜结构，由几片塑胶透镜或玻璃透镜组成；

（2）图像传感器，包括CCD型和CMOS型；

（3）数字信号处理芯片（DSP），市面上较为流行的有：VIMICRO（中星微）301P/L、SONIX（松瀚）102/120/128、ST（罗技LOGITECH的

DSP提供商）、SUNPLUS（SUN+重点发展单芯片的CIF和VGA，但

图像质量一般）、PIXART（原相）PAC207单芯片CIF、SQ（倚强）

SQ930C等。

（4）电源，摄像头内部需要两种工作电压：3.3V和2.5V，最新工艺芯片有用到1.8V，其中，也有部分摄像头采用视频传输线同步供电，不必外

接电源线

微型摄像头包括针孔型摄像头和无线型摄像头。

人们通常所说的针孔摄像机，用的并不是针孔镜头。针孔镜头是指利用小孔成像原理来得到影像的镜头，它造价低廉，原理简单，但它的致命弱点是透过小孔的光线太少，而导致曝光时间过长。在阳光下使用针孔镜头拍摄照片需要花几分钟到十几分钟，尤其是在夜晚拍摄时曝光时间则要长达几个小时。很显然，对于每秒钟要拍摄十几张到几十张的摄像机来说，是达不到要求的。针孔镜头是无法应用在摄像机上的，因而也就不存在严格意义上的“针孔”摄像机。按照习惯的说法，将使用鱼眼镜头、平面镜头或锥形镜头的微型摄像机称之为针孔摄像机。

根据镜头来分，针孔摄像头的镜头可分为有鱼眼镜头、平面镜头和锥形镜头三种；根据使用的感光元件来分，可分为电荷耦合元件（Charge Coupled Device，CCD）和互补性氧化金属半导体（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS）两种；而按照数据传输方式来分类，又可以分成无线摄像机和有线摄像机两类。

微型无线型摄像头作为一种无线设备，在国内的无线环境中稳定使用。微型无线监控摄像头高稳定、高速率、长距离、多点测试的特点。在环境、能源、建筑、运输、医疗、工业机器状态监测等领域里均可发挥巨大作用，特别是在布线复杂、布线成本高昂、远距离大范围传送数据和移动性需求高时其发挥作用更加明显。

根据微型摄像头的外形，它可还以分为室内装置形、个人饰品形、生活用品形。

（1）室内装置形：如音箱、插座、充电器、灯具、画框。把微型摄像机巧妙地置于这些物品这内，从而达到监视家中环境，保护家中人身财产安全的目的。

（2）个人饰品形：手表、眼镜、领带、火机、胸卡。把摄像机做成饰品形状，可以方便地进行暗访、采录。

图10 微型摄像头外形

（3）生活用品形：纸巾盒、饮料罐、车钥匙、电灯开关、排插、闹钟、手电。这种形状的摄像机，可以随意放置在准备监视的位置，进行监控。

另外，从从功能上来区分，又可以分为：普通有线型、无线发射型、红外夜视型、超远距离传输型等类型。

然而实际上在大多数情况下，微型摄像机被应用在保护人们的生命、财产和隐私上，而不是起到相反的作用。特殊的微型摄像机还被应用到医学领域，用来对人体器官或动物器官检查。

而医用内窥型摄像机的发展也经历了四个发展阶段[38]：

（1）硬式内镜阶段(1806--1932):硬式内镜阶段由德国人Philipp Bozzini首创，由一花瓶状光源、蜡烛和一系列镜片组成，主要用于膀胱和尿道检查。1895年Rosenhein研制的硬式内镜由3根管子呈同心圆状设置。1911年Elsner对Rosenhein式胃窥镜作了改进，但透镜脏污后便无法观察成为主要缺陷，尽管如此，Elsner式胃镜1932年以前仍处于统帅地位。

（2）半屈式内镜阶段（1932—1957）：Schindler从1928年于优秀的器械操作师Georg Wolf合作研制胃镜，最终在1932年获得成功，定名为Wolf-Schinder 式胃镜。之后，许多人对其进行为行了改造，使之功能更为齐全，更为实用。

（3）光导纤维内镜阶段（1957年至今）：1954年，英国的Hopkins和Kapany 发明了光导纤维技术。1957年，Hirschowitz及助手在美国胃镜学会上展示了自行研制的光导纤维内镜。60年代处，日本Olympas采用外部冷光源，使光亮度大增，视野进一步扩大。近10年随着附属装置的不断改进，使纤维内镜不但可用于诊断，且可用于手术治疗。

（4）电子内镜时代（1983年以后）：1983年Welch Allyn公司研制成功了电子摄像式内镜。该镜前端装有高敏感度微型摄象机，将所记录下的图像以电讯号方式传至电视信息处理系统，然后把信号转变成为电视显像机上可看到的图像。

衡量微型摄像头的性能，主要看清晰度、色彩还原性、照度、逆光补偿，其次要看其微型摄像头失真、耗电量、最低工作电压。

（1）清晰度的测量。多个微型摄像机进行测试时，应使用相同镜头，以测试卡中心圆出现在监视器屏幕的左右边为准，清晰准确的数出已给的刻度线共

10 组垂直线和10 组水平线。分别代表着垂直清晰度和水平清晰度，并相应的一组已给出了线数。如垂直350线水平800线，此时最好用黑白监视器。测试时可在远景物聚焦，也可边测边聚焦。最好能两者兼用，可看出此摄像机的差异（对远近会聚）。

（2）微型摄像机彩色还原性的测试。测试此参数应选好的彩色监视器。首先远距离观察人物、服饰，看有无颜色失真，拿色彩鲜明的物体对比，看微型摄像机反应灵敏度，拿彩色画册放在微型摄像机前，看画面勾勒得清晰程度，过淡或过浓，再次应对运动的彩色物体进行摄像，看有无彩色拖尾、延滞、模糊等。测试条件如此摄像最代照度在50V 时应在50+10V 照度情况下测量，即每微型摄像机最代照度基础上加十伏，且光圈应保持最接近状态。

（3）照度。将微型摄像机置于暗室，暗室前后为有源220V 自炽灯，处设调压器，以调压器调节电压高代来调节暗室内灯的明暗，电压可以从0V 调到250V 。室内光照也可从最暗调至最明，测试时把摄像机光圈均开至最大时记录下一个最低照度值（把有源灯用调压器调暗至看不清暗室内置画面）再把光圈打至最小再记录下一个最低照度值，也可前后灯分别调压明灭。

（4）微型摄像机逆光补偿。测试此参数有两种方法：一种是在暗室内，把摄像机前侧调压灯打开，调至最亮时，然后在灯的下方放置一图画或文字，把微型摄像机迎光摄像，看图像和文字能否看清，画面刺不刺眼，并调节AL、AX 拔档开关，看有无变化，哪种效果最好。另一种是在阳光充足的情况下把摄像机向窗外照，此时看图像和文字能否看清楚。

（5）微型摄像机失真。看微型摄像机失真把测试卡置于摄像机前端使整个球体出现在屏幕上，看圆球形有无椭圆，把摄像机前移，看圆中心有无放大，再远距离测试边、角、框有无弧形失真等。

（6）微型摄像机耗电量。最低工作电压，使用万用表测量电流，使用小稳压器调节电压看。

此种方法为完全软件显示法，只而要从MCU收到数据，便能在PC机上实现一系列处理，对检验图形变换效果、滤波分析优劣以及数据仿真思想都有着其它方法无法比拟的优势。

2双向语音对讲系统

双向语音对讲系统是将音视频流通过局域网或广域网进行传送，由监控中心平台进行集中管理，在现场和事件处理人员之间快捷的建立音频对话机制，为需要构建远程交互环境的场合建立简单、有效、及时的沟通方案[39]。其拓扑结构如图8所示。

图11 双向语音对讲系统拓扑结构图

双向语音对讲系统的工作原理可以简单的描述为：前端拾音器采集的声音信号为模拟信号，模拟音频信号必须经过采样处理转换为数字音频信号后，才能进行压缩。波粒摄像机BL-6720QPA-EX-L采用G.721音频压缩算法，将拾音器采集的模拟音频信号转换为数字音频信号后传输给后端NVR进行存储、转发。

图12 双向语音对讲系统的线路原理图

通过前端音频信号采集和打包压缩后，音频流信号则通过设备接口传递到总线和互联网云端，终端接收设备则通过解码和解压缩后，将音频信号转换成数字量信号进行呈现。

双向语音对讲系统实现语音信号的双向对讲，需要合力的线路连接，其线路连接原理为：前端拾音器的音频输出接头插入网络摄像机的音频输入接口，网络摄像机的音频输出接口接入音箱、扬声器等扩音设备，拾音器采集的音频及摄像