医院影像归档及通讯系统无线传输的结构分析

倪文彬

[文章编号] 1672-8270(2015)03-0054-03 [中图分类号] R197.324 [文献标识码] A

医院影像归档及通讯系统无线传输的结构分析

倪文彬①

[文章编号] 1672-8270(2015)03-0054-03 [中图分类号] R197.324 [文献标识码] A

目的：设计一套能进行无线传输的影像储存与通信系统，作为有线网络的补充。方法：使用无线路由器、交换机和带有无线网卡的笔记本电脑，搭建一套无线图像文字传输设备。结果：数据速率可达600 Mbps、频率达到5 Hz，在多重安全保护下进行类似蜂窝状覆盖的IEEE 802.11n标准的无线传输结构符合医院影像归档及传输系统(PACS)的要求，使医疗信息资源达到充分的共享。结论：在IEEE 802.11n无线局域网PACS系统体系结构下，基本实现了影像的无线传输和实时显示，便于临床医生在全院范围内实时查看患者的影像资料，以及该系统在未来医院中发展的重要作用。

无线局域网；影像归档传输系统；电气电子工程师学会802.11n标准

DOI∶ 10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.03.018

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

在计算机网络中离不开线缆，架构在有线网络上的局域网具有快速、稳定及安全性好的特点，满足了医院信息化建设中影像归档及传输系统(picture archiving and communication systems，PACS)应用的需求，但是也存在着某些场合不适合布线、接入用户规模受信息插座的数量限制、信息插座不能移动使用以及布线与改造的工程量大等问题。随着医院网络应用的快速发展，有线网络对新应用的不适应性越来越显现出来，而一种基于无线的网络技术-无线局域网(wireless local area network，WLAN)能有效解决这些问题。WLAN是采用无线通讯技术代替传统电缆，提供设备接入功能的网络，是计算机网络与无线通信和移动通信技术相结合的新生技术。WLAN采用扩频调制方式，实现了OS I 模型中的物理层和链路层功能，为移动计算机网络提供了必要的物理接口。在无线局域网的发展中，形成了包括IEE E802.11a、802.11b、802.11g、802.11n等在内的国际标准，能够提供的网络接入速率从11 Mbps，22 Mbps到600 Mbps不等[1]。

1 无线PACS的体系结构

将IEEE 802.11n标准WLAN引入有线局域网PACS体系结构中，就可以解决有线局域网PACS系统存在的问题。目前的WLAN标准很多，其中IEEE 802.11标准及其扩展标准IEEE 802.11b、IEEE 802.11g在国内、国际上占主导地位。由于医疗影象处理的高可靠和高质量的要求，IEEE 802.11b不能达到这一要求，而IEEE 802.11g可以满足要求，但是考虑到未来医院的发展，数据速率可达600 M的 802.11n则被认为在医疗方面更加合适。无线局域网PACS系统的体系架构如图1所示。

图1 无线PACS系统的体系结构图

各部件的主要功能为：①专业检测设备(DR、CT、MR、US)用于对患者进行随时随地的检查，并且完成医疗图像及处理功能，将图像按照DICOM3.0标准进行采集，医疗信息记载设备是用来供医生记载病情及图像的辅助信息工具[2]；②无线收发信机与接入设备，主要由无线网卡、无线宽带路由器及交换机等设备在医院建筑物内进行类似蜂窝状覆盖，医生使用带有无线网卡的笔记本电脑就可以随时调阅患者的影像资料[3]；③接入设备的功能，包括以IEEE 802.11的信号，MAC地址过滤，无线接入设备的管理；④PACS服务器的功能，根据需要将收到的信息存储在数据库，或是提交给PACS工作站。数据库用于存储医疗图像、数据信息，记载当前和历史医疗数据，医生可以根据需要提取患者的有关信息[4]；⑤无线网络管理设备的功能，管理与监测无线网络，保证各无线设备能够正常工作。

2 无线传输需解决的问题

由于医疗图像的庞大数据、医疗设备的传输频率和患者的疾病隐私，需解决无线传输的速度、安全性、抗干扰性及距离等问题。

2.1 无线传输的速度

IEEE 802.11n是WiFi联盟继IEEE 802.11a/b/g后推出的一个无线传输标准协议，为了实现高带宽、高质量的WLAN服务，使WLAN达到以太网的性能水平，802.11任务组N(TGn)应运而生。802.11n标准于2009年得到IEEE的正式批准，采用MIMO OFDM技术，许多厂商均生产了包括无线网卡、无线路由器等产品。802.11n主要是结合物理层和MAC层的优化来充分提高WLAN技术的吞吐[5]。主要的物理层技术涉及了MIMO、MIMO-OFDM、40 MHz、Short GI等技术，从而将物理层吞吐提高到600 Mbps。如果仅仅提高物理层的速率，而未对空口访问等MAC协议层的优化，802.11n的物理层优化将无从发挥。如同有很宽的马路，但车流的调度管理跟不上而仍会出现拥堵和低效一样。因此，802.11n对MAC采用了Block确认、帧聚合等技术，极大提高MAC层的效率，使传输速率、覆盖范围及兼容性得到有效提高和改善。

(1)传输速率。802.11n可以将WLAN的传输速率由目前802.11g提供的54 Mbps，提高到300 Mbps甚至高达600 Mbps。得益于将MIMO(多入多出)与 OFDM(正交频分复用)技术相结合而应用的MIMO OFDM技术，提高了无线传输质量，使传输速率得到极大提升[6-7]。

(2)覆盖范围。802.11n采用智能天线技术，通过多组独立天线组成的天线阵列，可动态调整波束，保证WLAN用户接收到稳定的信号，并可减少其他信号的干扰。因此，其覆盖范围可以扩大到数平方公里，使WLAN移动性极大提高。

(3)兼容性。802.11n采用了一种软件无线电技术，是一个完全可编程的硬件平台，使不同系统的基站和终端都可以通过这一平台的不同软件实现互通和兼容，使WLAN的兼容性得到极大改善。这意味着WLAN将不但能实现802.11n向前后兼容，而且可实现WLAN与无线广域网络的结合，如3G。

2.2 无线网络的安全性

由于无线信号在空中自由传播，因此与有线网相比其安全性较低。而PACS系统处理和传输的数据与患者的疾病隐私等信息密切相关，如果出现数据篡改、丢失将给医院的诊疗工作带来极大影响。保障WLAN安全的方法主要包括接入认证、访问控制和数据加密[8]。具体的方法为下述4种。

(1)无线局域网标准IEEE 802.11推出后，在无线网络中应用最为广泛的安全措施是无线网络的MAC地址过滤、禁用服务集标志(service set identifier，SSID)和静态地址分配。随着无线网络技术的快速发展，无线网卡的MAC地址可以由用户自由设置，因此通过MAC地址过滤已经不能满足医院无线网络安全的需求，医院的无线终端必须设置无线网络的SSID方可使用院内的无线网络[9-10]。随着智能手机的普及，在医院里的人们可使用运营商的WiFi网络上网，医院内部SSID广播的网络有被非医护人员尝试联接的可能性，因此通过禁用SSID广播能够防止普通用户对医院网络的误连接。绝大部分的网络入侵，是由无线网络按缺省值设置，普通用户好奇联入造成的，而运营商的WiFi网络都采用DHCP的方式给上网用户分配IP地址。因此，医院无线网络如果采用静态地址分配，外来手机等无线终端由于无法获得无线IP地址，而不能使用医院无线网络，但其安全级别还是较低。

(2)对安全套接字层(security socket layer，SSL)协议、虚拟专用网络(virtual private network，VPN)网关进行数据加密和访问控制[11]。医院WLAN是开放性的网络，入侵者通过对无线信号中数据包的侦听与解析，使得医疗信息泄漏成为了医院不得不面对的问题。在医院无线应用的环境里，必须对无线终端与服务端交换的数据进行加密，才能防止医疗信息的泄漏。SSL协议是基于Web网络应用的安全协议，使用SSL可保证信息的真实性、完整性和保密性。SSL VPN即指采用SSL协议来实现远程接入的一种新型VPN技术。SSL、VPN认证设备还具备访问控制列表(access control lists，ACL)功能，通过对SSL、VPN拨入用户组设定可访问的服务器列表，既限制了拨入客户端的相互访问，又限制了拨入用户对特定医院信息系统服务器的访问，避免对其他服务器的非授权访问。

(3)数字证书身份认证[12]。截止到2012年，国家卫生部已通过4批22家数字证书认证服务机构。USB数字证书身份认证的最大优势在于USB key作为储存客户数字证书和私有密钥的载体，外部用户无法直接读取其内容。因此，USB数字证书认证方式是目前较安全的身份认证手段。对比用户名和密码的无线网络认证方式，USB数字证书在不可复制方面的优势明显。结合WPA2协议加RADIUS认证服务器的用户密码认证，同时使用USBkey数字证书进行身份认证的双因子认证是目前无线网络认证级别中最安全的身份认证方式之一。

(4)采用802.11x接入认证技术[13]。目前，许多无线网络接入点(access point，AP)和接入层交换机支持802.11x认证，可在AP或者其上联的入层交换机启用基于MAC地址的802.11x认证功能，客户端必须提供正确的用户名和口令才可接入局域网。

2.3 无线传输的干扰性

802.11 n无线网络的频段有2.4 GHz或5 GHz。频段为2.4 GHz时与医院某些内部设备(如多参数监护仪、蓝牙设备、微波炉和无线电话等)的工作频段相同，势必会产生一定的干扰。因此选择5 GHz频段，可解决医院的医疗设备干扰问题[14]。目前，医院采购的医疗设备多数采取了防干扰屏蔽措施，自身有着很强的抗干扰能力，通常情况不会影响所用的医疗设备，出于安全考虑，可尽量避免与屏蔽不良好的5 GHz的医疗设备保持一定的距离。

2.4 无线传输的距离

随着无线设备与AP之间距离的增加，系统会自动降低传输速度来保障传输的稳定性。而IEEE 802.11n很好地运用了MIMO技术，不仅可以增加既有无线网络频谱的资料传输速度，又不用额外占用频谱范围，更重要的是还能增加讯号接收距离[15]。如果再出现信号不稳定或者由传输距离带来的传输速度减慢，还可在该地段增加一个AP。

3 结语

采用上述802.11n无线应用方案和无线网络模块的设计方法，能够降低PACS网络设计和系统开发的难度[16]。作为有线网络的补充，802.11n无线局域网在速度和安全性等方面已能完全满足临床科室使用PACS调阅医学图像数据的要求，而且在易用性、移动性、扩展性以及性价比等方面有着明显的优势。

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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- ),本科学历，技师。杭州红十字会医院放射科，研究方向：影像技术。

2014-04-25

①杭州红十字会医院放射科 浙江 杭州 310003