遠(yuǎn)程高清手術(shù)示教系統(tǒng)構(gòu)建

朱 佳 劉 云 王忠民 冷 鍇 朱一新

(南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院 南京 210029)

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遠(yuǎn)程高清手術(shù)示教系統(tǒng)構(gòu)建

朱 佳 劉 云 王忠民 冷 鍇 朱一新

(南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院 南京 210029)

利用計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)采集并轉(zhuǎn)換音、視頻信號(hào)，通過網(wǎng)絡(luò)通信路由技術(shù)實(shí)現(xiàn)音、視頻文件的直播、錄播、轉(zhuǎn)播和點(diǎn)播，建立遠(yuǎn)程高清手術(shù)示教系統(tǒng)。介紹系統(tǒng)功能、設(shè)計(jì)方案及組成，指出該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)手術(shù)現(xiàn)場(chǎng)以及示教室的高清視頻傳輸和語音對(duì)講，提高臨床手術(shù)教學(xué)的技術(shù)水平。

手術(shù)示教系統(tǒng)；高清；遠(yuǎn)程；音視頻

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，人們對(duì)醫(yī)院的醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量提出了越來越高的要求。外科手術(shù)是醫(yī)院治病救人的關(guān)鍵業(yè)務(wù)組成部分，需要大量具有豐富臨床經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生，醫(yī)院通常需要通過手術(shù)教學(xué)來培養(yǎng)廣大醫(yī)生和臨床實(shí)習(xí)醫(yī)生。傳統(tǒng)的手術(shù)示教是人員分批分次擁擠在手術(shù)間觀看，因手術(shù)室空間有限,不僅容易給潔凈手術(shù)室?guī)砦廴?，?duì)手術(shù)中的醫(yī)生造成干擾，而且觀摩效果受視野角度影響也很難達(dá)到滿意。為更好地滿足臨床示教需要，提高手術(shù)示教的數(shù)量和質(zhì)量，同時(shí)減少觀摩者對(duì)無菌區(qū)的污染，開發(fā)一套數(shù)字化、智能化的手術(shù)示教系統(tǒng)具有重要意義[1]。手術(shù)示教系統(tǒng)是指借助現(xiàn)代音、視頻傳送技術(shù)，對(duì)手術(shù)過程進(jìn)行異地觀摩的一種教學(xué)手段[2]，隨著信息化建設(shè)的不斷發(fā)展，醫(yī)院對(duì)視頻應(yīng)用需求也在不斷發(fā)展，現(xiàn)代化的數(shù)字手術(shù)示教系統(tǒng)越來越成為一個(gè)熱門話題[3-7]。目前我國(guó)醫(yī)學(xué)臨床教學(xué)需要突破傳統(tǒng)手術(shù)示教的限制，利用現(xiàn)代科技來加強(qiáng)手術(shù)管理，以提升手術(shù)教學(xué)的精確及互動(dòng)，使得臨床醫(yī)師之間的手術(shù)觀摩變得更加有效[8]。

2 手術(shù)示教系統(tǒng)功能

2.1 總述

高清手術(shù)示教系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了手術(shù)過程的視頻教學(xué)及高清實(shí)訓(xùn)示范教學(xué)，實(shí)現(xiàn)對(duì)本地資源的采集和整合，對(duì)遠(yuǎn)程資源的調(diào)用整理，對(duì)所有資源進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)化儲(chǔ)存，對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化管理運(yùn)用。該系統(tǒng)不僅能監(jiān)看技能實(shí)訓(xùn)中心所有的實(shí)時(shí)高清視頻，而且還可通過IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)醫(yī)院外科手術(shù)室的手術(shù)過程細(xì)節(jié)以及醫(yī)療設(shè)備數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)直播(包括模擬手術(shù)室)，教師可根據(jù)需要自行在講課過程中實(shí)時(shí)地申請(qǐng)觀摩正在進(jìn)行的手術(shù)，在征得同意后，可自行選擇觀看手術(shù)室內(nèi)的手術(shù)視頻及各類醫(yī)療設(shè)備的數(shù)據(jù)情況，據(jù)此對(duì)學(xué)生講解手術(shù)內(nèi)容，從而在示教室全方位、立體化地實(shí)時(shí)觀摩學(xué)習(xí)手術(shù)過程。該系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)手術(shù)過程、學(xué)生練習(xí)過程的錄像并存儲(chǔ)，方便管理及調(diào)用；可供老師或者專家用于日常的教學(xué)或者對(duì)學(xué)生的評(píng)估。

2.2 具體功能

具體包括如下功能：(1)中控室需要監(jiān)看到技能實(shí)訓(xùn)中心所有的實(shí)時(shí)高清視頻并能與各語音終端互動(dòng)，在監(jiān)視屏監(jiān)看任意多路視頻；也能看醫(yī)院外科手術(shù)室手術(shù)實(shí)時(shí)視頻并能語音互動(dòng)。(2)模擬手術(shù)室可以實(shí)現(xiàn)手術(shù)視頻轉(zhuǎn)播及音頻互動(dòng)；還可直播醫(yī)院外科手術(shù)室手術(shù)實(shí)時(shí)視頻并能語音互動(dòng)；能點(diǎn)播回放存儲(chǔ)的所有視頻。(3)可實(shí)時(shí)監(jiān)看動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室、虛擬內(nèi)鏡實(shí)訓(xùn)室、急救實(shí)訓(xùn)室、麻醉技能實(shí)訓(xùn)室、模擬產(chǎn)房及護(hù)理技能實(shí)訓(xùn)室的高清視頻。模擬ICU的監(jiān)控室能看到ICU里的實(shí)時(shí)場(chǎng)景視頻及語音互動(dòng)。(4)外科技能實(shí)訓(xùn)室、兒科技能實(shí)訓(xùn)室、模擬病房、婦科技能實(shí)訓(xùn)室、心肺聽診腹部觸診實(shí)訓(xùn)室及內(nèi)科技能實(shí)訓(xùn)室都具備語音互動(dòng)功能，隨時(shí)點(diǎn)播回放存儲(chǔ)的所有視頻。(5)大會(huì)議室、階梯教室、多媒體計(jì)算機(jī)室及基礎(chǔ)腔鏡培訓(xùn)室不僅能觀看醫(yī)院外科手術(shù)室實(shí)時(shí)視頻，還能與醫(yī)院外科手術(shù)室實(shí)現(xiàn)音頻互動(dòng)，可隨時(shí)點(diǎn)播回放存儲(chǔ)的所有視頻。(6)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在各實(shí)訓(xùn)室操作結(jié)束后進(jìn)行點(diǎn)播回放，進(jìn)行教學(xué)評(píng)估。醫(yī)院外科手術(shù)室手術(shù)視頻、各實(shí)訓(xùn)室視頻及相應(yīng)音頻等都能實(shí)時(shí)地錄制存儲(chǔ)。系統(tǒng)中不同人員具備不同的管理級(jí)別。(7)能實(shí)時(shí)手術(shù)轉(zhuǎn)播的地方同時(shí)具備點(diǎn)播回放功能，實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)播及點(diǎn)播回放的內(nèi)容為醫(yī)院外科手術(shù)室及各實(shí)訓(xùn)室的音視頻。

3 手術(shù)示教系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 設(shè)計(jì)方案

手術(shù)示教中控室對(duì)醫(yī)院手術(shù)室內(nèi)的視頻信號(hào)集中進(jìn)行編解碼和存儲(chǔ)；將手術(shù)室內(nèi)的術(shù)野視頻信號(hào)和音頻信號(hào)通過移動(dòng)終端進(jìn)行數(shù)字編碼并接入網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)網(wǎng)用戶可以通過手術(shù)示教視頻軟件直接觀看手術(shù)室內(nèi)高清術(shù)野視頻。每個(gè)手術(shù)室都配備一個(gè)移動(dòng)終端，可以輸出一路高清視頻信號(hào)、一路標(biāo)清全景視頻信號(hào)和一路語音信號(hào)，輸入一路高清視頻信號(hào)和一路語音信號(hào)。高清視頻信號(hào)和音頻信號(hào)經(jīng)過高清光轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)傳送至手術(shù)示教中控室；手術(shù)室的術(shù)野視頻信號(hào)和腔鏡視頻信號(hào)經(jīng)過移動(dòng)終端后，一路接入高清編碼器，一路接高清光轉(zhuǎn)換器發(fā)送到中控室。中控室中利用光纖將手術(shù)室高清信號(hào)傳輸至模擬手術(shù)室或示教室；在示教室通過解碼器還原高清視頻信號(hào)后，經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換接入高清投影機(jī)和音響系統(tǒng)。示教室和階梯教室的現(xiàn)場(chǎng)視頻經(jīng)過光纖傳輸?shù)街锌厥遥ㄟ^中控室的光纖送到對(duì)應(yīng)的手術(shù)室，在手術(shù)室的數(shù)字移動(dòng)終端中還原為模擬的音頻、視頻信號(hào)后再接入電視機(jī)中；所有標(biāo)清和高清編碼器都接入內(nèi)網(wǎng)中。中控室中將安裝存儲(chǔ)服務(wù)器和流媒體轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器；示教室和辦公室中的內(nèi)網(wǎng)用戶均可通過手術(shù)示教視頻軟件觀看網(wǎng)絡(luò)直播和點(diǎn)播手術(shù)示教視頻。

3.2 系統(tǒng)組成(圖1)

圖1 手術(shù)示教系統(tǒng)組成

3.2.1 采集端 手術(shù)室的無影燈臂上安裝術(shù)野高清攝像機(jī)，角落安裝全景攝像機(jī)，高清和全景信號(hào)均通過光纖送至中控室。為了遠(yuǎn)程高保真示教，示教室內(nèi)的高清視頻信號(hào)和語音信號(hào)輸入高清編碼器，以便形成數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)街锌厥业拇鎯?chǔ)服務(wù)器。示教室音、視頻信號(hào)通過光纖傳輸?shù)绞中g(shù)室，經(jīng)過解碼器還原為音、視頻信號(hào)后分別接入到移動(dòng)終端的揚(yáng)聲器和液晶顯示器。手術(shù)示教室配備擴(kuò)音系統(tǒng)和會(huì)議系統(tǒng)。手術(shù)視頻通過光纖傳輸?shù)绞中g(shù)示教室后，利用高清視頻解碼終端接收和還原為高清HDMI信號(hào)，再接入到網(wǎng)絡(luò)視頻矩陣控制器，通過矩陣顯示至液晶屏或投影幕布上。同時(shí)從會(huì)議系統(tǒng)輸出一路音頻和一路視頻，通過光纖傳輸至手術(shù)室，實(shí)現(xiàn)在手術(shù)室內(nèi)觀看示教室圖像和與手術(shù)示教主持人的語音對(duì)講。

3.2.2 中控系統(tǒng) 中控室安裝1個(gè)服務(wù)器標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜，由視頻通信服務(wù)器、視頻矩陣服務(wù)器和視頻存儲(chǔ)點(diǎn)播服務(wù)器組成，完成對(duì)采集來的數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)、調(diào)度、控制和管理，從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)播、轉(zhuǎn)播、錄播等功能。當(dāng)視頻通信服務(wù)器接收到客戶端發(fā)出的瀏覽請(qǐng)求時(shí)，將驗(yàn)證其用戶的合法性，驗(yàn)證通過后向視頻存儲(chǔ)服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求指令。視頻存儲(chǔ)服務(wù)器在接收到服務(wù)器的請(qǐng)求后，將根據(jù)IP 地址列表，確定相關(guān)設(shè)備的地址以及其他信息，將該設(shè)備上錄像資料和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給發(fā)出請(qǐng)求的客戶端。中控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，見圖2。

圖2 中控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2.3 客戶端 在普通PC上安裝相應(yīng)的手術(shù)示教視頻管理軟件，只要PC接入了醫(yī)院內(nèi)網(wǎng)，就可以通過客戶端軟件實(shí)現(xiàn)經(jīng)過授權(quán)控制和用戶驗(yàn)證的手術(shù)示教視頻點(diǎn)播。同時(shí)軟件還具有權(quán)限管理、手術(shù)過程的對(duì)講互動(dòng)、錄制存儲(chǔ)等功能，也可以通過IE瀏覽器實(shí)時(shí)觀看和點(diǎn)播影像資料。

4 結(jié)語

多媒體手術(shù)示教系統(tǒng)建立在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，采用了先進(jìn)的數(shù)字化采集技術(shù)，因此整個(gè)系統(tǒng)具有廣泛性和先進(jìn)性、高清晰度、可編輯性和可擴(kuò)充性，在網(wǎng)絡(luò)上任何一個(gè)具有相應(yīng)配置和滿足相應(yīng)傳輸要求的工作站點(diǎn)，賦予一定的權(quán)限后，均可實(shí)時(shí)收看和點(diǎn)播手術(shù)的過程[9]。本方案可滿足地方醫(yī)院建設(shè)遠(yuǎn)程高清手術(shù)示教系統(tǒng)的要求，實(shí)現(xiàn)手術(shù)室術(shù)野視頻、全景視頻和其他視頻的無損傳輸，最終為地方醫(yī)院手術(shù)示教提供最高質(zhì)量的視頻效果。充分利用了網(wǎng)絡(luò)多媒體技術(shù)，重點(diǎn)解決手術(shù)視頻的編碼、轉(zhuǎn)發(fā)、播放和存儲(chǔ)，具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性、實(shí)用性和擴(kuò)展性，提高臨床教學(xué)水平，使醫(yī)院數(shù)字化、現(xiàn)代化、信息化建設(shè)邁上一個(gè)新臺(tái)階[10]。在應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教育的同時(shí)還可廣泛用于其他領(lǐng)域，具有推廣意義。

1 朱子昱,黃卓,張新升.影響手術(shù)示教質(zhì)量的幾個(gè)因素[J].醫(yī)學(xué)信息,2010,23(2):305-306.

2 陳歡,李勁松.全高清1080P手術(shù)示教系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)數(shù)字醫(yī)學(xué),2010，(1)：43-46.

3 吳凱.醫(yī)院手術(shù)示教系統(tǒng)建設(shè)[J].醫(yī)療設(shè)備信息,2006,21(2):14-15.

4 張益釗.淺談數(shù)字化手術(shù)室示教管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建設(shè)[J].中國(guó)醫(yī)院建筑與裝備,2008,9(7):20-27.

5 劉峰,曾凡,黃昊.基于局域網(wǎng)的臨床手術(shù)示教系統(tǒng)的構(gòu)建[J].重慶醫(yī)學(xué),2009,38(21):2656-2658.

6 冉梓垠,韓乾.數(shù)字化手術(shù)室的應(yīng)用[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2008,23(10):130-133.

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8 黨裔武,李萍,陳呈，等. 改進(jìn)多媒體教學(xué) 增強(qiáng)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教學(xué)效果[J].醫(yī)學(xué)信息學(xué)雜志.2009,30(5):86-88.

9 高昭異.多媒體手術(shù)示教系統(tǒng)的建設(shè)[J].醫(yī)學(xué)信息,2003,16(4):165-166.

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Construction of the Remote High Definition Surgery Demonstration System

ZHUJia，LIUYun，WANGZhong-ming，LENGKai，ZHUYi-xin，

FirstHospitalAffiliatedtoNanjingMedicalUniverisity,Nanjing210029,China

The paper uses computer multimedia technology to collect and switch audio and video signals, constructs the remote High Definition(HD) surgery demonstration system which supports live broadcast, recorded broadcast, rebroadcast and video-on-demand depending on the network communication routing technology. It introduces functions, design scheme and composition of the system and points out that the system can realize HD video transmission and video talkback between the surgery scene and the classroom. Thus, technical level of clinical surgery teaching can be enhanced.

Surgery demonstration system; High Definition(HD); Remote; Audio and video

2015-01-04

朱佳，助理工程師；通訊作者：朱一新。

R-058

A 〔DOI〕10.3969/j.issn.1673-6036.2015.07.007