手術(shù)視頻示教網(wǎng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張維芯，王婷，張偉威，諸明，沈?qū)m建，陳功

南京中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院 a.信息工程部；b.經(jīng)濟(jì)管理辦公室，江蘇 南京210029

臨床工程

手術(shù)視頻示教網(wǎng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張維芯a，王婷a，張偉威a，諸明a，沈?qū)m建a，陳功b

南京中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院 a.信息工程部；b.經(jīng)濟(jì)管理辦公室，江蘇 南京210029

目的構(gòu)建一套完整的視頻會(huì)診和示教網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，滿足醫(yī)院在遠(yuǎn)程會(huì)診與視頻示教方面的需求。方法系統(tǒng)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)采用星形擴(kuò)散技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，核心交換層利用虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)。結(jié)果設(shè)計(jì)完成的網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了高清視頻流、數(shù)字醫(yī)療影像、電子病歷信息、檢驗(yàn)檢查報(bào)告等數(shù)據(jù)在遠(yuǎn)程會(huì)診與視頻平臺(tái)上高速轉(zhuǎn)發(fā)。結(jié)論新構(gòu)建的視頻示教網(wǎng)絡(luò)能夠滿足當(dāng)前醫(yī)療示教需求，也為未來的醫(yī)院數(shù)字化建設(shè)打下了基礎(chǔ)。

視頻示教網(wǎng)；醫(yī)療設(shè)備；遠(yuǎn)程會(huì)診；醫(yī)學(xué)影像視頻

0 引言

近年來，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和突破推動(dòng)了醫(yī)療設(shè)備的不斷進(jìn)步，大量先進(jìn)的醫(yī)療設(shè)備在各級(jí)醫(yī)院得到逐步的應(yīng)用和普及，如CT（計(jì)算機(jī)斷層掃描）、MRI（核磁共振）、PET-CT（正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層顯像）、DR（數(shù)字化X射線）、DSA（血管造影）、各型內(nèi)鏡等[1]。先進(jìn)醫(yī)療設(shè)備所獲取的豐富的醫(yī)療影像信息為醫(yī)生的診斷和治療提供極大地幫助，同時(shí)也對(duì)手術(shù)示教及醫(yī)療觀摩系統(tǒng)能否有效采集、記錄、傳輸提出了挑戰(zhàn)[2-3]。為此，本文提出建立醫(yī)療視頻示教網(wǎng)，以期對(duì)促進(jìn)醫(yī)學(xué)教育、醫(yī)學(xué)技術(shù)傳承和遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)發(fā)展起到推動(dòng)作用[4]。

1 視頻示教網(wǎng)絡(luò)建設(shè)原則

為適應(yīng)今后很長(zhǎng)一段時(shí)間網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的高速發(fā)展，要求本網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不僅能體現(xiàn)當(dāng)今先進(jìn)技術(shù)水平，而且具有高度開放性，能為用戶提供一個(gè)高效、標(biāo)準(zhǔn)和開放的基礎(chǔ)平臺(tái)[5]，建設(shè)原則歸納如下：

（1）先進(jìn)性和實(shí)用性。本設(shè)計(jì)采用星形擴(kuò)散網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與虛擬化技術(shù)來設(shè)計(jì)整體網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，以適應(yīng)更高的數(shù)據(jù)、視頻（多媒體）的傳輸需要。

（2）安全性和可靠性。本設(shè)計(jì)采用硬件備份、冗余等可靠性技術(shù)提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性，保證各項(xiàng)業(yè)務(wù)應(yīng)用,盡量避免系統(tǒng)的單點(diǎn)故障；利用三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的不同功能，劃分為安全級(jí)別不同的區(qū)域，通過防火墻插卡進(jìn)行安全隔離控制互訪，在不同安全區(qū)域之間進(jìn)行基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)安全隔離，既保證高效地運(yùn)轉(zhuǎn)，又保障網(wǎng)絡(luò)安全。

（3）靈活性和可擴(kuò)展性。本設(shè)計(jì)采用機(jī)架式交換機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)核心交換機(jī)，使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有良好的靈活性和可擴(kuò)展性，能夠根據(jù)發(fā)展需要，方便擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)容量和提高網(wǎng)絡(luò)的各層次節(jié)點(diǎn)的功能。

（4）項(xiàng)目建設(shè)及功能:① 直播手術(shù)過程，包括手術(shù)臺(tái)圖像、手術(shù)室圖像、手術(shù)室語音，直播教學(xué)在示教室進(jìn)行，同時(shí)可以設(shè)定開放賬號(hào)為醫(yī)院各科室提供共享資源；② 錄制整個(gè)手術(shù)過程，作為教學(xué)資料進(jìn)行存儲(chǔ)；③ 支持時(shí)間查詢、名稱查詢、條件查詢等多種方式點(diǎn)播手術(shù)視頻資料，并支持錄像資料的下載和轉(zhuǎn)儲(chǔ)；④ 設(shè)定用戶權(quán)限控制機(jī)制，對(duì)不同用戶的訪問權(quán)限進(jìn)行區(qū)分。

2 醫(yī)療視頻示教網(wǎng)整體方案

2.1 視頻示教信號(hào)系統(tǒng)組成

視頻示教系統(tǒng)共由5部分組成：信號(hào)采集部分、信號(hào)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)部分、信號(hào)接收顯示部分、控制管理部分、語音交互部分。整個(gè)系統(tǒng)視頻交互示意圖，見圖1。

圖1 視頻示教系統(tǒng)各部分交互示意圖

圖2 視頻示教網(wǎng)整體部署

2.2 視頻示教網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

從物理分布結(jié)構(gòu)來看，整體視頻示教網(wǎng)以星形擴(kuò)散結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)設(shè)定在我院南院住院大樓，主核心設(shè)定在醫(yī)院中心計(jì)算機(jī)機(jī)房?jī)?nèi)，為整網(wǎng)的中心核心層，整個(gè)大樓網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)采用“核心”→“匯聚”→“接入”3層結(jié)構(gòu)，見圖2。核心層節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要高速運(yùn)送整個(gè)視頻教學(xué)網(wǎng)絡(luò)的流量，設(shè)備承載的壓力較大，現(xiàn)階段視頻示教網(wǎng)僅需部署在醫(yī)院的“南院大樓”，并在大樓內(nèi)設(shè)立一個(gè)匯聚機(jī)房，部署匯聚交換機(jī)設(shè)備，匯聚交換機(jī)下連大樓內(nèi)各樓層的視頻示教網(wǎng)接入交換機(jī)，上連醫(yī)院中心機(jī)房的視頻示教網(wǎng)核心交換機(jī)。將來如還需將本網(wǎng)擴(kuò)展至整個(gè)醫(yī)院，因此將遵循相同的建設(shè)模式，每幢大樓設(shè)立一個(gè)聚會(huì)機(jī)房，負(fù)責(zé)本樓宇內(nèi)的各接入層設(shè)備上連。核心層和匯聚層將采用網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的高可用性。通過虛擬化鏈路聚合提高整體轉(zhuǎn)發(fā)性能和可靠性并大大簡(jiǎn)化管理。網(wǎng)絡(luò)主干采用萬兆光纖鏈路，包括核心-匯聚，網(wǎng)絡(luò)接入采用千兆主干，包括匯聚-接入。

2.3 視頻示教網(wǎng)絡(luò)設(shè)備部署

核心層由2臺(tái)高性能交換機(jī)構(gòu)建，部署在醫(yī)院中心機(jī)房?jī)?nèi)，負(fù)責(zé)整個(gè)視頻示教網(wǎng)的組播視頻流的高速交換。核心交換機(jī)配備冗余電源及引擎，保證網(wǎng)絡(luò)健壯性與可靠性，并利用虛擬化技術(shù)，將2臺(tái)核心交換機(jī)虛擬化為1臺(tái)交換機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)2臺(tái)設(shè)備的協(xié)同工作、統(tǒng)一管理和不間斷維護(hù)[5-6]。核心設(shè)備未來可以通過10 G萬兆線纜互聯(lián)，智能地進(jìn)行虛擬化堆疊[7]。

2.4 視頻示教網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

視頻示教網(wǎng)絡(luò)主要業(yè)務(wù)類型為多媒體業(yè)務(wù)流，可分為實(shí)況流、存儲(chǔ)流和回放流。不考慮數(shù)據(jù)傳輸所需要的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，視頻系統(tǒng)本身的控制流通常采用單播；存儲(chǔ)流有可靠性要求，一般基于TCP傳輸，故也采用單播；回放流類似于視頻點(diǎn)播，每個(gè)用戶有各自的回放視頻段需求，一般也采用單播。只有實(shí)時(shí)視頻流及語音流、視頻系統(tǒng)等應(yīng)用都是基于組播的應(yīng)用。

3 結(jié)語

臨床教學(xué)是眾多大型醫(yī)院的一項(xiàng)重要任務(wù)，擔(dān)負(fù)著培養(yǎng)后備醫(yī)護(hù)人員的重任，教學(xué)方式通常是現(xiàn)場(chǎng)觀摩，但是由于教學(xué)條件的限制，現(xiàn)場(chǎng)觀摩的空間狹窄，參加人員受到限制，同時(shí)也給病人正常治療帶來了不必要的麻煩，效果很不理想。醫(yī)療視頻示教網(wǎng)信息資源系統(tǒng)的建立對(duì)促進(jìn)醫(yī)學(xué)教育、醫(yī)學(xué)技術(shù)傳承和醫(yī)學(xué)文化的推廣起到了巨大的推動(dòng)作用[8-9]。

[1] 張維芯,張偉威,陳功.基于3G網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)DR設(shè)備圖像傳輸?shù)膽?yīng)用[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2013,34(4):169-170.

[2] 孫紀(jì)云.視頻示教系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].信息化研究,2013,39(6): 70-74.

[3] 王雯,夏蕾,鮑玉榮,等.遠(yuǎn)程會(huì)診在遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用[J].繼續(xù)教育,2015, (11):36-38.

[4] 趙惠康,楊愛華,劉博.我國(guó)高清手術(shù)轉(zhuǎn)播示教系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)教育技術(shù),2013,27(2):36-38.

[5] 宋文文,龔文濤.基于核心冗余的核心層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)[J].信息技術(shù),2013,04(1):166-169.

[6] 周渝霞,王浩,溫斌,等.醫(yī)院虛擬服務(wù)器的升級(jí)技術(shù)及實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)數(shù)字醫(yī)學(xué),2014,4(9):86-88.

[7] 葉可江,吳朝暉,姜曉紅,等.虛擬化云計(jì)算平臺(tái)的能耗管理[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào),2012,6(35):1262-1284.

[8] 趙英紅,滕周駿,孫存杰.醫(yī)療視頻點(diǎn)播系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2014,29(10):52-54.

[9] 潘新華,郭光友,譚珂.多媒體教學(xué)網(wǎng)絡(luò)信息資源系統(tǒng)的建立與應(yīng)[J].軍醫(yī)進(jìn)修學(xué)院學(xué)報(bào).2001,22(3):229-231.

Design and Application of a Surgical Video Teaching Network

ZHANG Wei-xina, WANG Tinga, ZHANG Wei-weia, ZHU Minga, SHEN Gong-jiana, CHEN Gongb
a. Department of Information Engineering; b. Office of Economy Management, the Affiliated Hospital of Nanjing University of Traditional Chinese Medicine, Nanjing Jiangsu 210029, China

ObjectiveTo set up a complete set of video consultation and teaching network system so as to meet the hospital’s demand of remote consultation and video teaching.MethodsThe system adopted star-diffusion technology in the basic network and virtualization technology in its core exchange network layer.ResultsThis well-designed network communication environment realized high-speed transmission of the data in the remote consultation and video teaching platform, including HD (High-Definition) video streaming, digital medical images, electronic medical records and inspection reports.ConclusionThe newly-constructed video teaching network could meet the needs of current medical education, and also laid a good foundation for construction of the future digital hospital.

video teaching network; medical equipment; remote consultation; medical videos

TP393.02

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.08.028

1674-1633(2016)08-0091-03

2015-12-31

2016-05-26

沈?qū)m建，研究員級(jí)高級(jí)工程師。

通訊作者郵箱：zhangweixin_1212@163.com