醫院影像歸檔及通訊系統無線傳輸的結構分析

倪文彬

[文章編號] 1672-8270(2015)03-0054-03 [中圖分類號] R197.324 [文獻標識碼] A

醫院影像歸檔及通訊系統無線傳輸的結構分析

倪文彬①

[文章編號] 1672-8270(2015)03-0054-03 [中圖分類號] R197.324 [文獻標識碼] A

目的：設計一套能進行無線傳輸的影像儲存與通信系統，作為有線網絡的補充。方法：使用無線路由器、交換機和帶有無線網卡的筆記本電腦，搭建一套無線圖像文字傳輸設備。結果：數據速率可達600 Mbps、頻率達到5 Hz，在多重安全保護下進行類似蜂窩狀覆蓋的IEEE 802.11n標準的無線傳輸結構符合醫院影像歸檔及傳輸系統(PACS)的要求，使醫療信息資源達到充分的共享。結論：在IEEE 802.11n無線局域網PACS系統體系結構下，基本實現了影像的無線傳輸和實時顯示，便于臨床醫生在全院范圍內實時查看患者的影像資料，以及該系統在未來醫院中發展的重要作用。

無線局域網；影像歸檔傳輸系統；電氣電子工程師學會802.11n標準

DOI∶ 10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.03.018

[First-author’s address] Hangzhou Red Cross Hospital, Radiology Department, Hangzhou 310003, China.

在計算機網絡中離不開線纜，架構在有線網絡上的局域網具有快速、穩定及安全性好的特點，滿足了醫院信息化建設中影像歸檔及傳輸系統(picture archiving and communication systems，PACS)應用的需求，但是也存在著某些場合不適合布線、接入用戶規模受信息插座的數量限制、信息插座不能移動使用以及布線與改造的工程量大等問題。隨著醫院網絡應用的快速發展，有線網絡對新應用的不適應性越來越顯現出來，而一種基于無線的網絡技術-無線局域網(wireless local area network，WLAN)能有效解決這些問題。WLAN是采用無線通訊技術代替傳統電纜，提供設備接入功能的網絡，是計算機網絡與無線通信和移動通信技術相結合的新生技術。WLAN采用擴頻調制方式，實現了OS I 模型中的物理層和鏈路層功能，為移動計算機網絡提供了必要的物理接口。在無線局域網的發展中，形成了包括IEE E802.11a、802.11b、802.11g、802.11n等在內的國際標準，能夠提供的網絡接入速率從11 Mbps，22 Mbps到600 Mbps不等[1]。

1 無線PACS的體系結構

將IEEE 802.11n標準WLAN引入有線局域網PACS體系結構中，就可以解決有線局域網PACS系統存在的問題。目前的WLAN標準很多，其中IEEE 802.11標準及其擴展標準IEEE 802.11b、IEEE 802.11g在國內、國際上占主導地位。由于醫療影象處理的高可靠和高質量的要求，IEEE 802.11b不能達到這一要求，而IEEE 802.11g可以滿足要求，但是考慮到未來醫院的發展，數據速率可達600 M的 802.11n則被認為在醫療方面更加合適。無線局域網PACS系統的體系架構如圖1所示。

圖1 無線PACS系統的體系結構圖

各部件的主要功能為：①專業檢測設備(DR、CT、MR、US)用于對患者進行隨時隨地的檢查，并且完成醫療圖像及處理功能，將圖像按照DICOM3.0標準進行采集，醫療信息記載設備是用來供醫生記載病情及圖像的輔助信息工具[2]；②無線收發信機與接入設備，主要由無線網卡、無線寬帶路由器及交換機等設備在醫院建筑物內進行類似蜂窩狀覆蓋，醫生使用帶有無線網卡的筆記本電腦就可以隨時調閱患者的影像資料[3]；③接入設備的功能，包括以IEEE 802.11的信號，MAC地址過濾，無線接入設備的管理；④PACS服務器的功能，根據需要將收到的信息存儲在數據庫，或是提交給PACS工作站。數據庫用于存儲醫療圖像、數據信息，記載當前和歷史醫療數據，醫生可以根據需要提取患者的有關信息[4]；⑤無線網絡管理設備的功能，管理與監測無線網絡，保證各無線設備能夠正常工作。

2 無線傳輸需解決的問題

由于醫療圖像的龐大數據、醫療設備的傳輸頻率和患者的疾病隱私，需解決無線傳輸的速度、安全性、抗干擾性及距離等問題。

2.1 無線傳輸的速度

IEEE 802.11n是WiFi聯盟繼IEEE 802.11a/b/g后推出的一個無線傳輸標準協議，為了實現高帶寬、高質量的WLAN服務，使WLAN達到以太網的性能水平，802.11任務組N(TGn)應運而生。802.11n標準于2009年得到IEEE的正式批準，采用MIMO OFDM技術，許多廠商均生產了包括無線網卡、無線路由器等產品。802.11n主要是結合物理層和MAC層的優化來充分提高WLAN技術的吞吐[5]。主要的物理層技術涉及了MIMO、MIMO-OFDM、40 MHz、Short GI等技術，從而將物理層吞吐提高到600 Mbps。如果僅僅提高物理層的速率，而未對空口訪問等MAC協議層的優化，802.11n的物理層優化將無從發揮。如同有很寬的馬路，但車流的調度管理跟不上而仍會出現擁堵和低效一樣。因此，802.11n對MAC采用了Block確認、幀聚合等技術，極大提高MAC層的效率，使傳輸速率、覆蓋范圍及兼容性得到有效提高和改善。

(1)傳輸速率。802.11n可以將WLAN的傳輸速率由目前802.11g提供的54 Mbps，提高到300 Mbps甚至高達600 Mbps。得益于將MIMO(多入多出)與 OFDM(正交頻分復用)技術相結合而應用的MIMO OFDM技術，提高了無線傳輸質量，使傳輸速率得到極大提升[6-7]。

(2)覆蓋范圍。802.11n采用智能天線技術，通過多組獨立天線組成的天線陣列，可動態調整波束，保證WLAN用戶接收到穩定的信號，并可減少其他信號的干擾。因此，其覆蓋范圍可以擴大到數平方公里，使WLAN移動性極大提高。

(3)兼容性。802.11n采用了一種軟件無線電技術，是一個完全可編程的硬件平臺，使不同系統的基站和終端都可以通過這一平臺的不同軟件實現互通和兼容，使WLAN的兼容性得到極大改善。這意味著WLAN將不但能實現802.11n向前后兼容，而且可實現WLAN與無線廣域網絡的結合，如3G。

2.2 無線網絡的安全性

由于無線信號在空中自由傳播，因此與有線網相比其安全性較低。而PACS系統處理和傳輸的數據與患者的疾病隱私等信息密切相關，如果出現數據篡改、丟失將給醫院的診療工作帶來極大影響。保障WLAN安全的方法主要包括接入認證、訪問控制和數據加密[8]。具體的方法為下述4種。

(1)無線局域網標準IEEE 802.11推出后，在無線網絡中應用最為廣泛的安全措施是無線網絡的MAC地址過濾、禁用服務集標志(service set identifier，SSID)和靜態地址分配。隨著無線網絡技術的快速發展，無線網卡的MAC地址可以由用戶自由設置，因此通過MAC地址過濾已經不能滿足醫院無線網絡安全的需求，醫院的無線終端必須設置無線網絡的SSID方可使用院內的無線網絡[9-10]。隨著智能手機的普及，在醫院里的人們可使用運營商的WiFi網絡上網，醫院內部SSID廣播的網絡有被非醫護人員嘗試聯接的可能性，因此通過禁用SSID廣播能夠防止普通用戶對醫院網絡的誤連接。絕大部分的網絡入侵，是由無線網絡按缺省值設置，普通用戶好奇聯入造成的，而運營商的WiFi網絡都采用DHCP的方式給上網用戶分配IP地址。因此，醫院無線網絡如果采用靜態地址分配，外來手機等無線終端由于無法獲得無線IP地址，而不能使用醫院無線網絡，但其安全級別還是較低。

(2)對安全套接字層(security socket layer，SSL)協議、虛擬專用網絡(virtual private network，VPN)網關進行數據加密和訪問控制[11]。醫院WLAN是開放性的網絡，入侵者通過對無線信號中數據包的偵聽與解析，使得醫療信息泄漏成為了醫院不得不面對的問題。在醫院無線應用的環境里，必須對無線終端與服務端交換的數據進行加密，才能防止醫療信息的泄漏。SSL協議是基于Web網絡應用的安全協議，使用SSL可保證信息的真實性、完整性和保密性。SSL VPN即指采用SSL協議來實現遠程接入的一種新型VPN技術。SSL、VPN認證設備還具備訪問控制列表(access control lists，ACL)功能，通過對SSL、VPN撥入用戶組設定可訪問的服務器列表，既限制了撥入客戶端的相互訪問，又限制了撥入用戶對特定醫院信息系統服務器的訪問，避免對其他服務器的非授權訪問。

(3)數字證書身份認證[12]。截止到2012年，國家衛生部已通過4批22家數字證書認證服務機構。USB數字證書身份認證的最大優勢在于USB key作為儲存客戶數字證書和私有密鑰的載體，外部用戶無法直接讀取其內容。因此，USB數字證書認證方式是目前較安全的身份認證手段。對比用戶名和密碼的無線網絡認證方式，USB數字證書在不可復制方面的優勢明顯。結合WPA2協議加RADIUS認證服務器的用戶密碼認證，同時使用USBkey數字證書進行身份認證的雙因子認證是目前無線網絡認證級別中最安全的身份認證方式之一。

(4)采用802.11x接入認證技術[13]。目前，許多無線網絡接入點(access point，AP)和接入層交換機支持802.11x認證，可在AP或者其上聯的入層交換機啟用基于MAC地址的802.11x認證功能，客戶端必須提供正確的用戶名和口令才可接入局域網。

2.3 無線傳輸的干擾性

802.11 n無線網絡的頻段有2.4 GHz或5 GHz。頻段為2.4 GHz時與醫院某些內部設備(如多參數監護儀、藍牙設備、微波爐和無線電話等)的工作頻段相同，勢必會產生一定的干擾。因此選擇5 GHz頻段，可解決醫院的醫療設備干擾問題[14]。目前，醫院采購的醫療設備多數采取了防干擾屏蔽措施，自身有著很強的抗干擾能力，通常情況不會影響所用的醫療設備，出于安全考慮，可盡量避免與屏蔽不良好的5 GHz的醫療設備保持一定的距離。

2.4 無線傳輸的距離

隨著無線設備與AP之間距離的增加，系統會自動降低傳輸速度來保障傳輸的穩定性。而IEEE 802.11n很好地運用了MIMO技術，不僅可以增加既有無線網絡頻譜的資料傳輸速度，又不用額外占用頻譜范圍，更重要的是還能增加訊號接收距離[15]。如果再出現信號不穩定或者由傳輸距離帶來的傳輸速度減慢，還可在該地段增加一個AP。

3 結語

采用上述802.11n無線應用方案和無線網絡模塊的設計方法，能夠降低PACS網絡設計和系統開發的難度[16]。作為有線網絡的補充，802.11n無線局域網在速度和安全性等方面已能完全滿足臨床科室使用PACS調閱醫學圖像數據的要求，而且在易用性、移動性、擴展性以及性價比等方面有著明顯的優勢。

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Analysis on the structure of wireless transmission of medical image archiving and communication system

NI Wen-bin// China Medical Equipment,2015,12(3)∶54-56.

Objective∶ To image workstations in the necessity of desktop computer and data lines are connected and fixed in the desktop computer of defects, design a set of wireless transmission of picture archiving and communication system. Methods∶ Notebook computer with a wireless network using a wireless router, switch and set up a set of wireless image text transmission equipment. Results∶ The wireless transmission of honeycomb like structure covered with 802.11n standard data rates up to 600 Mbps, frequency of 5 Hz, multiple security protection by the hospital image filing requirements, which makes medical information resources to achieve full sharing. Conclusion∶ In 802.11n Wireless LAN PACS system architecture, the basic realization of the wireless transmission and real-time image display, image data for clinicians can within the hospital patients with real time view and its important role in the future development of hospital.

Wireless local area network; Picture archiving and communication system; IEEE 802.11n

倪文彬,男,(1987- ),本科學歷，技師。杭州紅十字會醫院放射科，研究方向：影像技術。

2014-04-25

①杭州紅十字會醫院放射科 浙江 杭州 310003