大規(guī)模多路并發(fā)的數(shù)字化手術(shù)示教系統(tǒng)設(shè)計

潘新華,郭天泉,譚 珂

(解放軍總醫(yī)院教育技術(shù)中心,北京 100853)

·醫(yī)院信息化·

大規(guī)模多路并發(fā)的數(shù)字化手術(shù)示教系統(tǒng)設(shè)計

潘新華,郭天泉,譚 珂

(解放軍總醫(yī)院教育技術(shù)中心,北京 100853)

結(jié)合實踐介紹了大規(guī)模多路并發(fā)的數(shù)字化手術(shù)示教系統(tǒng)設(shè)計方案。主要對系統(tǒng)功能設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和技術(shù)實現(xiàn)進行了討論,并綜合運用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù)實現(xiàn)了基于 IP網(wǎng)絡(luò)的手術(shù)示教視音頻雙向?qū)崟r傳輸和交互。通過教學(xué)應(yīng)用,表明系統(tǒng)具有圖像清晰、并發(fā)流暢、自動備份、操作簡便和管理規(guī)范等優(yōu)點,為臨床手術(shù)技能培訓(xùn)和管理提供了現(xiàn)代化的手段。

大規(guī)模多路并發(fā);手術(shù)示教;視音頻編解碼;流媒體;雙向交互

手術(shù)示教系統(tǒng)是借助多媒體攝錄、傳輸設(shè)備對手術(shù)過程進行遠距離實時觀摩的一種教學(xué)手段,可為臨床教學(xué)提供手術(shù)操作過程的視音頻信息。目前,手術(shù)示教系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是在基于 IP網(wǎng)絡(luò)平臺上實現(xiàn)雙向?qū)崟r多媒體信息的交互傳輸,可滿足多臨床學(xué)科的大型手術(shù)中心和多教學(xué)場所同時示教的需求[1]。該文以我院實際方案為例,介紹手術(shù)示教系統(tǒng)設(shè)計方案與功能實現(xiàn)。

我院 2008年 7月建成并使用的外科大樓擁有床位 800張,是目前亞洲最大的單體外科樓,而樓內(nèi)設(shè)立的麻醉手術(shù)中心擁有 50間手術(shù)室,同時其他樓層還有 10個如膀胱鏡、關(guān)節(jié)鏡等有教學(xué)需求的?？剖中g(shù)間,手術(shù)間數(shù)量為一般三級甲等醫(yī)院的 2-3倍。而教學(xué)場地則分布在院內(nèi)醫(yī)療、教學(xué)、辦公等其他樓宇之中。具有視音頻教學(xué)數(shù)據(jù)源多、教學(xué)點分散的特點,這就要求設(shè)計的手術(shù)示教系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)多學(xué)科、多手術(shù)間的多點交互,且示教終端不受數(shù)量和地點等條件限制的大規(guī)模多路并發(fā)功能,同時能對各區(qū)域手術(shù)間手術(shù)全過程所采集的數(shù)字視、音頻信息進行統(tǒng)一管理和調(diào)度,滿足實時轉(zhuǎn)播、錄播和點播、為臨床科室和各級領(lǐng)導(dǎo)提供手術(shù)教學(xué)觀摩、手術(shù)技能考核、專家手術(shù)指導(dǎo)、遠程手術(shù)教學(xué)轉(zhuǎn)播、專家手術(shù)演示、機關(guān)領(lǐng)導(dǎo)遠程巡查等需求[2]。

1 功能設(shè)計

①滿足全院 60個手術(shù)間的視音頻教學(xué)信息大規(guī)模多路并發(fā)傳輸功能;

②為各手術(shù)間提供全景監(jiān)控、術(shù)野視頻、專業(yè)影像設(shè)備信號、外部移動視頻等 4路信號的錄制、采集、存儲與傳輸功能;

③為手術(shù)間與教學(xué)場所之間實現(xiàn)實時雙向語音對講,并對音頻信號提供采集、存儲、傳輸與擴音功能;

④高質(zhì)量視、音頻信號編碼后以網(wǎng)絡(luò)流媒體格式支持點播、直播和錄播等功能;

⑤網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫提供用戶權(quán)限管理、數(shù)字媒體資源管理等功能;

⑥支持視音頻編碼文件的多格式實時轉(zhuǎn)碼,為后期教學(xué)編輯和應(yīng)用提供服務(wù);

⑦可有效接入我院的 H IS、PACS、遠程會診、視頻會議等網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),實現(xiàn)資源共享;

⑧同步架設(shè)模擬、數(shù)字視音頻信號傳輸?shù)墓饫w和光端設(shè)備,滿足高清、無延時的示教應(yīng)用;

⑨支持大屏幕等離子電視墻循環(huán)實時監(jiān)控,實現(xiàn)控制機房與手術(shù)室之間的音頻信號雙向?qū)崟r傳輸。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

結(jié)合我院手術(shù)間、機房、教學(xué)場所和辦公室等實際物理分布情況,整個系統(tǒng)的節(jié)點設(shè)置分為中央控制室、中控機房、手術(shù)示教室、各手術(shù)間、學(xué)術(shù)廳、會議室、學(xué)習(xí)室、機關(guān)辦公室等位置。具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓撲圖如圖 1所示,物理鏈路分為基于 IP的 LAN網(wǎng)絡(luò)(虛線部分)和全光纖的AV網(wǎng)絡(luò)(實線部分)。

圖 1 手術(shù)示教系統(tǒng)拓撲圖

2.1 手術(shù)室

在位于大樓二三層的 60個手術(shù)間內(nèi)設(shè)置的全景攝像機、無影燈攝像機、醫(yī)學(xué)影像設(shè)備、移動攝像機等輸出的視頻信號和拾音器、無線耳麥等設(shè)備輸出的音頻信號接入到視音頻編解碼器 (硬盤錄像機),轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,通過 IP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂茩C房,經(jīng)存儲轉(zhuǎn)發(fā)后送至各示教場所;同時,將各示教場所和控制機房輸出的數(shù)字音頻信號(一般為會場提問或?qū)χv交流)通過視音頻編解碼器轉(zhuǎn)換成音頻信號,實現(xiàn)手術(shù)室與控制機房和各示教場所之間的視頻信號單向?qū)崟r傳輸和音頻信號雙向?qū)崟r傳輸。

2.2 中央控制室和中控機房

中央控制室和中控機房位于大樓的設(shè)備夾層,配備了多臺服務(wù)器和監(jiān)控管理工作站,通過專用軟件,對 60間手術(shù)室編碼輸出的數(shù)字視音頻信息和由醫(yī)院 H IS、PACS、手術(shù)信息發(fā)布系統(tǒng)接入的信息進行統(tǒng)一管理和調(diào)度;大屏幕液晶電視墻可矩陣切換顯示服務(wù)器、監(jiān)控管理工作站VGA信息和編解碼工作站轉(zhuǎn)換出的視音頻信號,并可循環(huán)監(jiān)控播放;同時,通過拾音和擴聲系統(tǒng),實現(xiàn)中央控制室、中控機房與手術(shù)間、各示教場所之間的音頻信號雙向?qū)崟r傳輸。

2.3 手術(shù)示教室

手術(shù)示教室也位于大樓設(shè)備夾層,共計 50個座位,經(jīng)控制機房的中央應(yīng)用服務(wù)器授權(quán),可將各手術(shù)室視音頻教學(xué)信息接入投影機、大屏幕液晶電視和擴音系統(tǒng),以便實現(xiàn)集中手術(shù)示教學(xué)習(xí)。

2.4 其他教學(xué)場所

包括各學(xué)術(shù)廳、會議室、學(xué)習(xí)室和教室等,地理分布在外科大樓、內(nèi)科大樓、教學(xué)樓、文化活動中心等建筑中,經(jīng)控制機房的中央應(yīng)用服務(wù)器授權(quán),各教學(xué)場所可分級調(diào)用手術(shù)示教信息。

2.5 管理部門

包括院領(lǐng)導(dǎo)辦公室、臨床部辦公室、機關(guān)業(yè)務(wù)處辦公室和教育技術(shù)中心辦公室等,分布于機關(guān)辦公樓、教學(xué)樓等建筑中,經(jīng)授權(quán)可以遠程實現(xiàn)領(lǐng)導(dǎo)巡查、手術(shù)監(jiān)控、技能考核、權(quán)限管理、流量監(jiān)控等功能。并可接入院辦公網(wǎng)平臺、教學(xué)網(wǎng)平臺和遠程醫(yī)療等。

3 技術(shù)實現(xiàn)

3.1 傳輸網(wǎng)絡(luò)

整個手術(shù)示教系統(tǒng)作為全院醫(yī)療網(wǎng)大系統(tǒng)中的一個子網(wǎng)單獨建設(shè),以便管理和數(shù)據(jù)傳輸,這樣在物理層面上保證了多媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)帶寬和獨立性,并在一定程度上隔離了廣播風(fēng)暴。主干通過一個千兆交換機接入全院醫(yī)療網(wǎng),與 H IS中的手術(shù)信息發(fā)布系統(tǒng)相關(guān)聯(lián),從而獲取手術(shù)示教的多種信息。另外,實時手術(shù)視頻是通過 IP組播的方式向各個網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的,通過配置網(wǎng)絡(luò)間交換機的組播端口,為管理有需求的子網(wǎng)組播權(quán)限,以支持多路并發(fā)流[3]。

在手術(shù)示教系統(tǒng)中我們還鋪設(shè)了傳輸高清視音頻信號的光纜,并配置了光端設(shè)備和接口,實現(xiàn)了學(xué)術(shù)報告廳等教學(xué)和學(xué)術(shù)場所的高清視音頻信號示教轉(zhuǎn)播,滿足了國際交流和大型學(xué)術(shù)會議的高端需求。

3.2 視音頻編解碼

采用專業(yè)級視音頻編解碼器實現(xiàn) 4C IF分辨率(D 1:704×576)的視音頻編碼,信號碼流控制在1.6M bps以下,每個手術(shù)間采集編碼 4路信號,同時根據(jù)需求還可以按QC IF、CIF、2CIF、DCIF等不同格式靈活配置碼流,合理降低視頻帶寬,如手術(shù)間的全景監(jiān)控信號可按 C IF分辨率編碼,流量控制在 400Kbps以下,編碼方式符合最新的 H.264格式的 D標(biāo)準(zhǔn)。作為多個手術(shù)間教學(xué)視頻的大規(guī)模多路并發(fā),在手術(shù)教學(xué)實況實時點播的狀態(tài)下,支持 100M帶寬內(nèi)滿足 60路以上的視頻傳輸,如果是視頻廣播則不受用戶數(shù)量的限制[4]。同時,通過遠程管理控制,編碼壓縮后的視頻信號可通過網(wǎng)絡(luò)自動備份到控制機房的集中存儲備份服務(wù)器中,便于以后學(xué)習(xí)調(diào)閱。

3.3 服務(wù)器

3.3.1 中央應(yīng)用服務(wù)器 該服務(wù)器在系統(tǒng)中主要起中央應(yīng)用管理作用,用于集中管理配置前端各手術(shù)間內(nèi)視音頻編解碼器;為各終端用戶提供W eb瀏覽功能;分級授權(quán)管理用戶權(quán)限,接收或拒絕臨床科室和機關(guān)領(lǐng)導(dǎo)等授權(quán)用戶的相關(guān)請求,實現(xiàn)手術(shù)示教系統(tǒng)的手術(shù)觀摩、技能考核、專家指導(dǎo)、網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)播、遠程巡查等功能。

3.3.2 流媒體轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器 為滿足大規(guī)模多路并發(fā)視頻流的需要,該系統(tǒng)配置了流媒體轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器,用于響應(yīng)視頻流媒體的點播、廣播服務(wù),它將手術(shù)室編碼輸出的數(shù)字視、音頻信息實時轉(zhuǎn)發(fā)出去,在全網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)實現(xiàn)手術(shù)示教流媒體信號安全、穩(wěn)定的傳輸。3.3.3 集中存儲服務(wù)器 用于備份、檢索、回放和點播手術(shù)多媒體信息,在手術(shù)示教系統(tǒng)中實現(xiàn)手術(shù)示教多媒體信息的集中存儲。根據(jù)管理員的任務(wù)配置,自動從網(wǎng)絡(luò)上接收視音頻編解碼器的存儲文件數(shù)據(jù),實現(xiàn)錄像數(shù)據(jù)的存儲備份。存儲備份是將包括了每臺手術(shù)的 4路圖像、1路語音、病歷資料、手術(shù)記錄等多媒體信息全部打包成一個文件,以此建立手術(shù)示教資料檔案庫。通過權(quán)限管理,該服務(wù)器還可支持局域網(wǎng)內(nèi)或遠程訪問者對手術(shù)資料的查閱請求,并進行包括視頻、音頻、文本記錄在內(nèi)的綜合查詢點播[5]。

3.4 軟件系統(tǒng)

3.4.1 中央應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) 此系統(tǒng)提供W eb方式的手術(shù)直播、點播功能,還提供與點播功能相關(guān)的搜索功能,并提供了用戶管理、權(quán)限管理、設(shè)備管理和視頻管理等數(shù)據(jù)庫服務(wù),訪問該系統(tǒng)必須提供U sbKey、用戶賬號和密碼,以確保信息安全。

3.4.2 多媒體信息自動上載系統(tǒng) 該系統(tǒng)安裝在集中存儲服務(wù)器上,它將已錄制完整的手術(shù)視頻文件從硬盤錄像機處獲得,將已發(fā)布的手術(shù)信息文件從服務(wù)器處獲得,并按照時間順序在數(shù)據(jù)庫中歸檔保存。

3.4.3 流媒體轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)系統(tǒng) 該系統(tǒng)安裝在流媒體轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器上,它將各個正在進行手術(shù)的視頻信息從硬盤錄像機獲得后進行網(wǎng)絡(luò)組播和多播。

3.4.4 手術(shù)示教播放系統(tǒng) 該系統(tǒng)安裝在各示教工作站播放終端上,具有直播和點播功能,通過直播功能,可以實時觀看手術(shù)過程,并可以語音對講,同時也可以通過遠程控制調(diào)整手術(shù)室攝像機參數(shù)(白平衡、焦距等)達到最優(yōu)化顯示的目的。通過點播功能可以觀看以往手術(shù)室的錄像[6]。

3.4.5 手術(shù)示教監(jiān)控系統(tǒng) 該系統(tǒng)安裝在管理工作站上,可鎖定、巡視或按順序瀏覽多個手術(shù)室的手術(shù)過程,可實現(xiàn)單屏、四分屏、九分屏顯示。通過該工作站可以遠程控制手術(shù)室內(nèi)的攝像機和視音頻編解碼器。

3.5 數(shù)據(jù)流圖

手術(shù)示教系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)流圖,如圖 2所示。

圖 2 手術(shù)示教系統(tǒng)數(shù)據(jù)流框圖

4 特色優(yōu)勢

我院設(shè)計建設(shè)的手術(shù)示教系統(tǒng)采用了先進的網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù),實現(xiàn)了基于 IP網(wǎng)絡(luò)的手術(shù)示教視音頻信息的大規(guī)模多路并發(fā),在示教室、學(xué)術(shù)廳、會議室、學(xué)習(xí)室以及醫(yī)生、科主任和各級領(lǐng)導(dǎo)的示教終端機上就能觀看手術(shù)實況和錄像,如圖 3、4所示為點播機器人手術(shù)間時的手術(shù)示教系統(tǒng)客戶端軟件畫面。

該系統(tǒng)已在我院臨床教學(xué)中實際應(yīng)用了半年時間,為臨床科室和各級領(lǐng)導(dǎo)提供手術(shù)教學(xué)觀摩、手術(shù)技能考核、專家手術(shù)指導(dǎo)、遠程手術(shù)教學(xué)轉(zhuǎn)播、專家手術(shù)演示、機關(guān)領(lǐng)導(dǎo)遠程巡查等需求,滿足了我院不斷增長的臨床教學(xué)和管理需求。通過應(yīng)用,該系統(tǒng)顯示出如下優(yōu)點與特色。

圖 3 專業(yè)分屏模式圖

圖 4 單屏模式圖

4.1 圖像清晰、并發(fā)流暢

攝像機清晰度不低于 480電視線,滿足了手術(shù)示教和教學(xué)錄像畫質(zhì)清晰、色彩真實的要求。視音頻編解碼器采用 H.264編碼,將模擬視音頻信號壓縮轉(zhuǎn)化為高清晰度的數(shù)字信號,并以流媒體的方式進行網(wǎng)絡(luò)傳輸,保證了大規(guī)模手術(shù)視頻的多路并發(fā)需要。同時,大型學(xué)術(shù)活動時采用高清攝像機和無壓縮光纖傳輸,使示教效果聲像俱佳[7]。

4.2 示教對講、語音清楚

為了盡量減少對手術(shù)的影響,在手術(shù)室內(nèi)選用無線耳麥和吸頂拾音器,在各個示教場所配置音響設(shè)備,并使之信號匹配,達到了語音實時交流順暢。

4.3 示教資料自動存儲備份

配置的集中存儲備份服務(wù)器和大容量磁盤陣列,可通過軟件自動配置網(wǎng)絡(luò)集中存儲機制,將所有錄像資料在網(wǎng)絡(luò)集中存儲服務(wù)器進行自動備份復(fù)制保存,保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4.4 功能完備,操作簡便

在示教工作站上安裝專門設(shè)計的廣播、點播客戶端軟件,具有多通道圖像選擇、可視對講、示教過程錄制、遠程教學(xué)等功能,充分實現(xiàn)對示教的操作控制。

4.5 管理規(guī)范、權(quán)限合理

為使該系統(tǒng)使用和管理規(guī)范有序、權(quán)限分配合理、在中央應(yīng)用服務(wù)器上還配置了管理軟件,實現(xiàn)三大類管理功能:

4.5.1 對視音頻編解碼器的管理 可以做到對整個示教系統(tǒng)中的每臺視音頻編解碼器通過局域網(wǎng)遠程進行設(shè)置管理。

4.5.2 對操作或訪問者權(quán)限的管理 軟件設(shè)計有完備的多級權(quán)限管理機制,對不同的用戶終端都有嚴格的權(quán)限控制。并采用“USBKey+用戶名 +密碼”方式作為用戶身份的認證憑證,USB Key一旦被拔出,系統(tǒng)將禁止用戶操作,強制關(guān)閉軟件,以避免用戶多次同時登錄。

4.5.3 對事件的記錄和管理 軟件具有完整的日志記錄功能,可記錄各個計算機的工作狀況,也可以記錄操作者的操作行為。

大規(guī)模多路并發(fā)手術(shù)示教系統(tǒng)是一個軟硬件綜合系統(tǒng)平臺,擁有比較完善的管理和控制功能,充分利用網(wǎng)絡(luò)多媒體技術(shù),重點解決了手術(shù)視頻編碼、流媒體轉(zhuǎn)發(fā)、視頻點播、自動錄像、集中存儲等技術(shù)問題,通過靈活的驗證方式和管理手段,既保障了數(shù)據(jù)安全,減少了人工維護成本,還具有較好的擴展性,在現(xiàn)有基礎(chǔ)上能通過簡單擴展實現(xiàn)高清實時手術(shù)示教功能。

[1]潘新華,郭光友,譚珂,等.多媒體技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用[J].軍醫(yī)進修學(xué)院學(xué)報,2000,21(3):237-240

[2]潘新華,郭光友,譚珂,等.多媒體教學(xué)局域網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與應(yīng)用[J].中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù),2001,15(1):48-50

[3]郭天泉,潘新華,郭光友,等.手術(shù)示教系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用響應(yīng)時間分析檢測[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2005,26(10):41-42

[4]徐永明,謝質(zhì)文,歐陽春,等.IPTV技術(shù)與應(yīng)用實踐[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006

[5]傅征,任連仲.醫(yī)院信息系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用[M].北京:人民軍醫(yī)出版社,2002

[6]潘新華,郭天泉,譚珂,等.醫(yī)學(xué)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)的建立[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2006,27(4):32-33

[7]謝百治.醫(yī)學(xué)教育技術(shù) [M].西安:第四軍醫(yī)大學(xué)出版社,2002

D esign of a large-sca lem u lti-channel concurren t d ig ita l opera tion teach ing system

Pan X inhua,Guo Tianquan,Tan Ke
(Educa tiona l Technology Cen ter,Ch inese PLA Genera lHospita l,Beijing 100853,China)

This artic le describes the design schem e of a large-scale m ulti-channel concurrent digitaloperation teaching system.The paperm ainly discusses the function design,structure design and technical imp lem entation of the system.W e have achieved a two-way real-tim e transm ission and interaction of video and audio in the operation teaching system through the use of network techno logy and m ultim edia technology based on IP network.Its app lication in teaching show s that the system hasm any advantages,such as c lear im ages, smooth concurrent,autom atic backup, simp le operation and standardizedm anagem ent.This system also p rovides amodernm eans of c linical surgical skills training andm anagem ent.

large-scalem u lti-channel concurrent;operation teaching;video and audio codes; stream ingm edia;two-way interaction

G434

A

:1004-5287(2010)02-0179-04

2010-01-07

潘新華 (1957-),男,山東濟南人,高級工程師,主要研究方向:教育技術(shù)理論及設(shè)備技術(shù)研究。