基于WHD I的無線視頻傳輸技術(shù)在手術(shù)轉(zhuǎn)播中的應(yīng)用

黃天海，羅成，朱鋒杰，王志康

浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院 臨床

醫(yī)學(xué)工程部，浙江 杭州 310009

基于WHD I的無線視頻傳輸技術(shù)在手術(shù)轉(zhuǎn)播中的應(yīng)用

黃天海，羅成，朱鋒杰，王志康

浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院 臨床

醫(yī)學(xué)工程部，浙江 杭州 310009

本文闡述采用內(nèi)置WHDI技術(shù)的無線視頻轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)視頻無壓縮無線實(shí)時(shí)傳輸。將該技術(shù)運(yùn)用到醫(yī)院高清手術(shù)轉(zhuǎn)播中，不僅可以滿足遠(yuǎn)程示教的實(shí)時(shí)視頻傳輸要求，而且大大提高了傳輸效率，節(jié)省了手術(shù)室的空間。

視頻傳輸；無線傳輸技術(shù)；WHDI；手術(shù)轉(zhuǎn)播

0 前言

隨著計(jì)算機(jī)通訊技術(shù)的發(fā)展，無線圖像傳輸作為一個(gè)特殊使用方式也逐漸被廣大用戶看好。在醫(yī)療行業(yè)中，無線的發(fā)展也為醫(yī)療技術(shù)的進(jìn)步提供了新的機(jī)遇[1-3]。通過無線網(wǎng)絡(luò)，醫(yī)療人員可以隨時(shí)隨地地獲得即時(shí)信息如病歷、化驗(yàn)結(jié)果、醫(yī)囑、生命體征等，并實(shí)現(xiàn)數(shù)字化遠(yuǎn)程視頻轉(zhuǎn)播。運(yùn)用高清手術(shù)轉(zhuǎn)播示教系統(tǒng)（HD Surgery Broadcastteach System，HD-STS）進(jìn)行形象直觀的手術(shù)示教，是醫(yī)學(xué)生接受臨床外科技能培養(yǎng)訓(xùn)練的最佳途徑之一。高清手術(shù)轉(zhuǎn)播示教系統(tǒng)突破了手術(shù)室消毒隔離環(huán)境的局限，目前已被國內(nèi)外專家廣泛應(yīng)用于手術(shù)觀摩交流、遠(yuǎn)程醫(yī)療教學(xué)[4-5]。

1 有線視頻傳輸存在的問題

現(xiàn)有的大部分視頻轉(zhuǎn)播都是采用有線傳輸，動(dòng)態(tài)圖像由視頻信號源的輸出口，通過視頻傳輸電纜，如光纖、同軸纜線、DVI/HDMI信號線，傳輸?shù)奖O(jiān)視器再顯像。由此帶來的問題也顯而易見：

（1）有線視頻傳輸是從視頻信號源通過各種視頻線與顯示器、存儲設(shè)備、視頻編碼設(shè)備、視頻矩陣等設(shè)備直連，達(dá)到外接顯示、存儲、傳輸?shù)哪康?。短距離傳輸會出現(xiàn)轉(zhuǎn)播現(xiàn)場設(shè)備擁擠、各種線夾雜的現(xiàn)象。而一般手術(shù)室，場地面積有限，多為40~60 m2的隔離凈化空間，在這個(gè)空間內(nèi)，包含醫(yī)生、護(hù)士、技術(shù)員，有8~10人，各種手術(shù)用設(shè)備，如電刀、手術(shù)床、麻醉機(jī)、腔鏡吊塔等不少于10臺，視頻轉(zhuǎn)播時(shí)，交錯(cuò)拖地的連線使整個(gè)空間看起來雜亂不齊，也給人員走動(dòng)帶來不便和安全隱患。

（2）遠(yuǎn)距離的視頻轉(zhuǎn)播，需要預(yù)先埋設(shè)線管，增加使用的成本，且降低了使用的靈活性。點(diǎn)對點(diǎn)的傳輸因?yàn)闂l件的限制，傳送和接收兩端地點(diǎn)已經(jīng)固定，無法隨意更改傳輸路徑和傳輸場地。而遠(yuǎn)距離的埋設(shè)管線更是受到空間結(jié)構(gòu)、地理位置的限定，不一定所有場所都滿足埋線要求，線管布設(shè)的中間也存在很多不確定因素的影響，對后期的檢修和故障排查造成一定阻礙。

（3）現(xiàn)有的視頻傳輸信號線，如DVI/HDMI 線、VGA線、SDI線對傳輸距離都有一定要求，距離越遠(yuǎn)，視頻干擾越大，信號衰減也越嚴(yán)重。在做遠(yuǎn)程視頻轉(zhuǎn)播時(shí)，往往會因?yàn)檫h(yuǎn)距離傳輸?shù)男盘査p而降低畫質(zhì)，影響手術(shù)轉(zhuǎn)播效果。

2 無線視頻傳輸?shù)母拍?/h2>

無線視頻傳輸是指不用布線，利用無線電波來傳輸視頻、聲音、數(shù)據(jù)等信號的傳輸技術(shù)。目前常用的有模擬微波視頻傳輸和數(shù)字微波視頻傳輸，或者用電信和移動(dòng)的通訊網(wǎng)絡(luò)，如現(xiàn)在的3G、4G通訊[6-8]。

2.1 無線視頻傳輸?shù)姆诸?/p>

無線視頻傳輸從傳輸原理可分為模擬微波傳輸和數(shù)字微波傳輸。模擬微波傳輸是把視頻信號直接調(diào)制在微波的信道上通過天線發(fā)射出去，接收端直接解調(diào)出原來的視頻信號，這種方式?jīng)]有延時(shí)和壓縮損耗。數(shù)字微波傳輸則是先把視頻編碼壓縮，然后通過數(shù)字微波信道調(diào)制，再通過天線發(fā)射，接收端則相反，天線接收信號，經(jīng)后端視頻解壓縮最后還原模擬的視頻信號，此方式信道帶寬較小，抗干擾性較強(qiáng)[9]。

無線圖像傳輸系統(tǒng)從應(yīng)用層面可分為：①固定點(diǎn)的圖像監(jiān)控傳輸系統(tǒng)；②移動(dòng)視頻圖像傳輸系統(tǒng)。固定點(diǎn)的無線圖像監(jiān)控傳輸系統(tǒng)，主要應(yīng)用在有線閉路監(jiān)控不便實(shí)現(xiàn)的場合，比如港口碼頭的監(jiān)控系統(tǒng)、河流水利的視頻和數(shù)據(jù)監(jiān)控、森林防火監(jiān)控系統(tǒng)、城市安全監(jiān)控等[10]。而本文就是利用固定點(diǎn)的無線圖像傳輸實(shí)現(xiàn)醫(yī)療手術(shù)視頻的遠(yuǎn)程傳輸。

2.2 無線視頻傳輸?shù)膬?yōu)勢

無線視頻傳輸相對有線傳輸有如下優(yōu)勢（表1）：①綜合成本低，性能更穩(wěn)定。無須挖溝埋管，采用無線傳輸可以擺脫線纜的束縛，具有安裝周期短、維護(hù)方便、擴(kuò)容能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)；②組網(wǎng)靈活，可擴(kuò)展性好，即插即用?？芍苯犹砑有碌膫鬏旤c(diǎn)，不需要鋪設(shè)新線路；③維護(hù)費(fèi)用低。無線傳輸?shù)木S護(hù)由網(wǎng)絡(luò)提供商負(fù)責(zé)，前端設(shè)備是即插即用、免維護(hù)系統(tǒng)[11-12]。

表1 無線視頻傳輸與有線傳輸?shù)谋容^

3 無線視頻傳輸在手術(shù)轉(zhuǎn)播中的應(yīng)用

3.1 我院高清手術(shù)轉(zhuǎn)播系統(tǒng)簡介

我院現(xiàn)有腔鏡數(shù)字化手術(shù)室5間、心臟專科數(shù)字化手術(shù)室2間、腦外科手術(shù)室6間。其中5間腔鏡數(shù)字化手術(shù)室，是由德國STORZ公司設(shè)計(jì)并建造。線路采用全光纖鋪設(shè)，從手術(shù)間內(nèi)將腔鏡、術(shù)野、全景等視頻源傳輸?shù)綑C(jī)柜，通過視頻矩陣和控制處理器再分散傳輸?shù)礁鱾€(gè)會場，通過光端機(jī)轉(zhuǎn)換視頻信號，實(shí)現(xiàn)1080P全高清視頻傳輸。其他數(shù)字化手術(shù)室則為醫(yī)院自行改造，根據(jù)臨床實(shí)際需求，采用網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸技術(shù)，將視頻源用編碼器轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)信號，在遠(yuǎn)程會議端，用軟件解碼實(shí)現(xiàn)視頻傳輸，也可實(shí)現(xiàn)標(biāo)清視頻和高清視頻的傳輸。這兩種遠(yuǎn)程視頻傳輸系統(tǒng)都為有線傳輸，建造過程中需要預(yù)埋管線、光纖，不僅建造成本巨大，而且也大大增加了相應(yīng)的施工和后期維護(hù)的難度。

3.2 高清視頻手術(shù)轉(zhuǎn)播設(shè)計(jì)方法

在準(zhǔn)備高清手術(shù)遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)播時(shí)，需要完成兩部分內(nèi)容：①手術(shù)室內(nèi)醫(yī)用視頻的分屏顯示；②醫(yī)用視頻及語音遠(yuǎn)距離傳輸?shù)綍霾?shí)時(shí)顯示。實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)功能可運(yùn)用有線和無線兩種傳輸方法。

3.2.1 有線高清視頻傳輸

使用有線視頻傳輸，需要在手術(shù)間內(nèi)放置移動(dòng)轉(zhuǎn)播車，包括視頻采集設(shè)備、視頻分配器、視頻矩陣、光端機(jī)、編碼解碼器及大尺寸（55~60寸）顯示器。轉(zhuǎn)播的方法是先將需要轉(zhuǎn)播的視頻源（如腔鏡視頻、手術(shù)全景、病人生命體征等醫(yī)用信息）用視頻分配器分成多路信號，分別傳輸?shù)绞中g(shù)內(nèi)本地顯示器和遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)播設(shè)備，將視頻信號編碼后，用光纖或有線網(wǎng)絡(luò)編碼器傳輸?shù)綍?，再通過會場的光端機(jī)轉(zhuǎn)換成模擬信號輸入到外接顯示器，或是通過會場網(wǎng)絡(luò)解碼客戶端輸出視頻信號接入顯示器。手術(shù)轉(zhuǎn)播示意圖，見圖1。

圖1 手術(shù)轉(zhuǎn)播示意圖

3.2.2 基于WHDI的無線高清視頻傳輸

本文采用以色列芯片商Amimon提供的無線家庭數(shù)字接口（Wireless Home Digital Interface，WHDI）方案，使用5 GHz自由頻段中的40 MHz頻段，可支持高頻寬數(shù)位內(nèi)容保護(hù)（HDCP）2.0標(biāo)準(zhǔn)，可提供優(yōu)質(zhì)的安全性及數(shù)位，并與HDMI完全相兼容[13-15]。它展現(xiàn)了傳輸速度快、響應(yīng)時(shí)間短、穿透能力強(qiáng)的優(yōu)勢。不同于60 GHz的WirelessHD技術(shù)僅能在10 m距離內(nèi)傳輸（須透過波束Beam forming技術(shù)），WHDI傳輸距離可超過30 m，并可穿透障礙物及墻壁，且延遲時(shí)間少于1 ms，因而可實(shí)現(xiàn)跨房間的無壓縮1080P高清畫質(zhì)無線影音串流應(yīng)用[16]。

方案中，先將視頻信號接入到以WHDI為核心部件的無線發(fā)射器中，將視頻信號用電磁波的形式發(fā)送到無線接收器，再轉(zhuǎn)換成HDMI高清視頻信號接入到顯示器的視頻接口中。而超遠(yuǎn)距離的傳輸（＞30 m），也可采用網(wǎng)絡(luò)編碼器，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過無線網(wǎng)絡(luò)（可用公網(wǎng)或院內(nèi)無線局域網(wǎng)）傳輸?shù)綍鼋獯a顯示。

3.2.3 實(shí)現(xiàn)無線視頻傳輸?shù)膬?yōu)勢

無線視頻傳輸?shù)膽?yīng)用，極大地改善了手術(shù)間內(nèi)各種蜘蛛網(wǎng)式連線的雜亂環(huán)境并減少了拖在地上的視頻線絆人的安全隱患，更加符合手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)控制和感控要求。尤其是針對暗線的埋設(shè)，因手術(shù)室層流設(shè)計(jì)的原因，手術(shù)間內(nèi)四周及頂面相對封閉，有線傳輸在后期的維護(hù)和故障排除中相對困難，甚至需要破壞性的拆除才能完成維修工作，也為日后的升級改造增加了不小的難度。而無線傳輸，不需要預(yù)埋管線，只要監(jiān)測發(fā)送端和接收端的連接情況，就能排查故障，運(yùn)用更加方便。無線傳輸示意圖，見圖2。

圖2 無線傳輸示意圖

隨著醫(yī)學(xué)影像的發(fā)展，醫(yī)療診治對圖像質(zhì)量的要求也越來越高，現(xiàn)在基本都實(shí)現(xiàn)了全高清醫(yī)學(xué)手術(shù)視頻，近年來3D腔鏡應(yīng)用也在逐步開展。采用WHDI無線視頻傳輸器，全面支持1080P全高清圖像信號，實(shí)現(xiàn)無視頻壓縮高速傳輸，幾乎無傳輸延遲，且抗干擾性能良好，在日常手術(shù)開展中具有很好的優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

在嵌入式技術(shù)、數(shù)字視頻以及無線網(wǎng)絡(luò)高速發(fā)展的時(shí)代，無線視頻傳輸技術(shù)也日趨成熟。本文將無線視頻傳輸技術(shù)運(yùn)用到醫(yī)院遠(yuǎn)程視頻轉(zhuǎn)播和手術(shù)室高清腔鏡視頻分屏顯示中，解除了復(fù)雜布線的煩惱和降低手術(shù)換臺時(shí)連線插拔導(dǎo)致故障發(fā)生的概率，同時(shí)也讓醫(yī)護(hù)人員在狹小的手術(shù)空間內(nèi)移動(dòng)自由度更大，提高了手術(shù)效率[17-18]。從目前來看，WHDI技術(shù)還只處于發(fā)展的初級階段，接下來如能將該技術(shù)集成在設(shè)備內(nèi)部，那么毫無疑問將給用戶帶來更大的便利。

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App lication of W ireless Transm ission Technology Based on WHDI in Operation Rebroadcasting

HUANG Tian-hai, LUO-Cheng, ZHU Feng-Jie, WANG Zhi-kang
Departm en t o f C linica l M ed ical Engineering, The Second Hospital A f fi liated to Zhejiang University School o f M ed icine, Hangzhou Zhejiang 310009, China

A w ireless video converter w ith built-in WHDI (Wireless Home Digital Interface）technology was deployed in this paper, which could realize the w ireless real-time transm ission of uncompressed video. Application of this technique to the high-definition rebroadcasting of operation videos in the hospital could not only make hospital satisfy the requirement of real-time video transm ission, but also greatly improved the transmission ef fi ciency and saved the space of the operation room.

video transmission；w ireless transm ission technology；w ireless home digital interface；operation rebroadcasting

R197.324

C

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.09.049

1674-1633(2015）09-0151-03

2015-05-22

2015-07-07

作者郵箱：hth513@163.com