高清網(wǎng)絡(luò)視頻系統(tǒng)在數(shù)字化手術(shù)室的研究與實(shí)現(xiàn)

張曉平

（南京鼓樓醫(yī)院計(jì)算機(jī)中心，江蘇 南京 210008）

1 引言

1846年，美國麻省總醫(yī)院（Massachusetts Gener?al Hospital）齒科醫(yī)師William T.G.Morton演示在乙醚麻醉下實(shí)施無痛拔牙，地點(diǎn)選在圖書館的階梯教室里，由此便揭開了手術(shù)室發(fā)展史的序幕。在接下來漫長的歲月里，手術(shù)室經(jīng)歷了幾個(gè)發(fā)展階段，分別是第一代“簡(jiǎn)易型手術(shù)室”，第二代“分散性手術(shù)室”、第三代“集中型一體化手術(shù)室”以及第四代“潔凈式手術(shù)室”。自“十二五規(guī)劃”以來，中國手術(shù)室的建設(shè)也在發(fā)生著翻天覆地的變化，信息時(shí)代的高速發(fā)展促使中國手術(shù)室建設(shè)進(jìn)入了“高清數(shù)字化手術(shù)室”。

傳統(tǒng)的手術(shù)室因?yàn)橘Y源配置、系統(tǒng)凌亂、操作復(fù)雜、技術(shù)落后等原因，發(fā)展受限，經(jīng)過醫(yī)療信息行業(yè)多年的發(fā)展，高清數(shù)字化手術(shù)室的技術(shù)日趨成熟。目前，南京鼓樓醫(yī)院數(shù)字化手術(shù)室采用一套高清網(wǎng)絡(luò)視頻醫(yī)療手術(shù)輔助系統(tǒng)，它主要包括四個(gè)組成部分：手術(shù)室音視頻一體化管理系統(tǒng)、一體化交互式手術(shù)示范教學(xué)系統(tǒng)、一體化手術(shù)室多媒體存儲(chǔ)系統(tǒng)以及一體化手術(shù)室設(shè)備集中控制系統(tǒng)，結(jié)合醫(yī)院信息系統(tǒng)（Hospital Information System，HIS）和影像數(shù)據(jù)傳輸及儲(chǔ)存系統(tǒng)（Picture Archiving and Commu?nication System，PACS）［1］等進(jìn)行有機(jī)整合，為鼓樓醫(yī)院手術(shù)室提供更加高效、舒適、安全、便利的操作環(huán)境。

2 高清數(shù)字化手術(shù)室需求分析

數(shù)字化手術(shù)室，是通過將先進(jìn)的信息化技術(shù)運(yùn)用到手術(shù)室，使得醫(yī)生能夠?qū)崟r(shí)獲得大量與患者相關(guān)的重要信息，從而便于操作，提高效率［2］。根據(jù)南京鼓樓醫(yī)院手術(shù)室的發(fā)展現(xiàn)狀，該高清數(shù)字化系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)功能：

（1）手術(shù)室視頻源：手術(shù)室配備有各種各樣的醫(yī)療內(nèi)窺鏡，而每一個(gè)內(nèi)窺鏡必有一個(gè)內(nèi)窺鏡攝像機(jī)（Endoscopic Camera），加上高清術(shù)野攝像機(jī)（Sur?gical Field Camera），手術(shù)室監(jiān)控?cái)z像機(jī)（Surveil?lance Camera），以及生命體征儀的視頻輸出（Vital Signs Video）。

（2）網(wǎng)絡(luò)視頻通信：需要實(shí)現(xiàn)視頻壓縮、解壓，視頻編碼、解碼，同時(shí)，完善寬帶網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，普及醫(yī)院院區(qū)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)。

（3）手術(shù)專業(yè)應(yīng)用：應(yīng)用現(xiàn)代最先進(jìn)的視頻通信技術(shù)，充分利用手術(shù)室現(xiàn)有的各種醫(yī)療視頻源，建造專業(yè)化的手術(shù)專業(yè)應(yīng)用，是醫(yī)院建設(shè)的重要部分。這些應(yīng)用包括：手術(shù)會(huì)診、手術(shù)指導(dǎo)、實(shí)時(shí)互動(dòng)的病理分析、醫(yī)療專家現(xiàn)場(chǎng)會(huì)議、大型學(xué)術(shù)會(huì)議的手術(shù)直播、實(shí)時(shí)觀摩、示范教學(xué)［3］。

3 高清數(shù)字化手術(shù)室技術(shù)簡(jiǎn)介

數(shù)字化手術(shù)室系統(tǒng)從視頻流的獲取、直播、編碼，到視頻的分發(fā)、轉(zhuǎn)播、傳輸、錄音、錄像，以及后續(xù)的歸檔、解碼和顯示等，都能通過該系統(tǒng)呈現(xiàn)給用戶良好的高清體驗(yàn)。數(shù)字化手術(shù)室高清系統(tǒng)以國際標(biāo)準(zhǔn)的“統(tǒng)一通訊”架構(gòu)為核心的基礎(chǔ)平臺(tái)（如圖1所示），該系統(tǒng)平臺(tái)提供并保證了最為基本的、豐富的、可擴(kuò)展的音視頻通信功能，它可以與世界上任何一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的音視頻終端相連接。根據(jù)圖1，該VioSphere系統(tǒng)由多個(gè)基本服務(wù)和子服務(wù)組成，這些服務(wù)包括以下幾個(gè)部分：

（1）運(yùn)行于Linux之上的“統(tǒng)一通訊”（UC）：語音管理服務(wù)（Call Manager）；（2）視頻管理服務(wù)（Video?Manager）；（3）流媒體管理控制軟件包及中間件軟件（VioSphere）［4］；（4）流媒體分發(fā)管理服務(wù)（SDS：Streaming Distrabution Service）；（5）多媒體存儲(chǔ)管理控制服務(wù)（MRS：MediaRecording Service）；（6）多對(duì)多網(wǎng)絡(luò)視頻幾陣（NVM：NetworkVirtureMatrix）；（7）網(wǎng)絡(luò)多點(diǎn)控制單元（MCU：MultiPointControlUnit）。除此之外，該系統(tǒng)支持SIP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，可與其他支持同樣協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)終端互聯(lián)互通，協(xié)同工作。整個(gè)系統(tǒng)終端容量（手術(shù)室、示教室）不受設(shè)備接入能力限制，理論上可以進(jìn)行無限的擴(kuò)充；也就是說，通過這一平臺(tái)，其它各種各樣的音視頻終端（如寶麗通的會(huì)議終端，思科的網(wǎng)真系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)電話等）均可接入成為我們的終端設(shè)備。

其中，中間軟件主要用來提供系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件之間連接以及應(yīng)用的基本權(quán)限及授權(quán)管理、應(yīng)用接入許可證SAL（Streaming Access License）的管理。它可適用于手術(shù)示教、遠(yuǎn)程醫(yī)療會(huì)診、醫(yī)療探視及監(jiān)護(hù)等應(yīng)用，而應(yīng)用管理軟件，置于系統(tǒng)的最上層，主要負(fù)責(zé)應(yīng)用流程管理控制服務(wù)、元數(shù)據(jù)信息（Metadata）的錄入編輯等等。

根據(jù)鼓樓醫(yī)院局域網(wǎng)現(xiàn)狀以及平臺(tái)的基本架構(gòu)，該高清數(shù)字化手術(shù)室的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示。

4 高清數(shù)字化手術(shù)室的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

4.1 數(shù)字化手術(shù)室系統(tǒng)和其它信息系統(tǒng)的對(duì)接

鼓樓醫(yī)院的數(shù)字化手術(shù)室系統(tǒng)和醫(yī)院的HIS、電子病歷、手術(shù)麻醉、遠(yuǎn)程會(huì)診等系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接。對(duì)于將要進(jìn)行的手術(shù)病人可以通過病人住院號(hào)，從系統(tǒng)中點(diǎn)擊HIS，直接系統(tǒng)讀取病人基本信息，從電子病歷系統(tǒng)讀取病人治療病程等信息、從手術(shù)麻醉系統(tǒng)中讀取病人手術(shù)排班信息等，同其它系統(tǒng)的信息共享，避免了該系統(tǒng)的許多手工錄入工作，對(duì)傳統(tǒng)手術(shù)信息是一個(gè)有力地補(bǔ)充，也加強(qiáng)了病人手術(shù)的閉環(huán)管理。另外，目前醫(yī)院正在開發(fā)在電子病歷系統(tǒng)中嵌入病人手術(shù)期間手術(shù)錄像調(diào)閱的按鈕，可以極大豐富病人的病歷資料。具體HIS讀取界面如圖3所示。

圖2 數(shù)字化手術(shù)室網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

圖3 高清醫(yī)療示教系統(tǒng)從HIS中調(diào)取病人信息

4.2 錄像存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)調(diào)閱

數(shù)字化手術(shù)室系統(tǒng)提供音視頻錄制功能，可將手術(shù)操作過程錄制成教學(xué)影像課件，供實(shí)習(xí)醫(yī)生、醫(yī)學(xué)院校學(xué)生學(xué)習(xí)使用，也可作為多媒體醫(yī)學(xué)病歷資料保存使用。對(duì)手術(shù)現(xiàn)場(chǎng)的錄音錄像，以及經(jīng)后期編輯，整理并存檔存儲(chǔ)資料，可隨時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部以VOD的形式進(jìn)行訪問及調(diào)用。經(jīng)過授權(quán)的實(shí)習(xí)醫(yī)生也可在網(wǎng)絡(luò)上的客戶端下載典型手術(shù)視頻進(jìn)行觀看、提高學(xué)習(xí)效率。錄像智能搜索：在系統(tǒng)設(shè)置好以后，示教直播的同時(shí)手術(shù)示教系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心會(huì)自動(dòng)進(jìn)行歸類存儲(chǔ)。經(jīng)授權(quán)的用戶，只要登錄到數(shù)據(jù)中心，輸入關(guān)鍵字（如：主刀醫(yī)生姓名、患者姓名、手術(shù)名稱、科室等），所有相關(guān)手術(shù)錄像資料即可按時(shí)間順序列出，點(diǎn)擊相應(yīng)的文件即可在線回放及下載，如圖4所示。

4.3 同聲翻譯、協(xié)同工作

除此之外，它還是一種強(qiáng)大的醫(yī)學(xué)教學(xué)工具，可通過它，為現(xiàn)場(chǎng)手術(shù)醫(yī)生和遠(yuǎn)程醫(yī)療專家們提高實(shí)時(shí)音視頻交流，共同分享視頻圖像，進(jìn)行醫(yī)療會(huì)診及二次診斷。另外，在緊急醫(yī)療情況下，如果發(fā)生醫(yī)生和病人所說的語言不同，系統(tǒng)還可以接通即時(shí)傳譯服務(wù)中心幫助進(jìn)行翻譯工作，如圖5所示。

目前鼓樓醫(yī)院大多數(shù)新的手術(shù)室都配置了多個(gè)視頻獲取設(shè)備（如高清術(shù)野攝像機(jī)、高清場(chǎng)景攝像機(jī)、各種高清腔鏡攝像機(jī)、高清窺鏡攝像機(jī)等），統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)字化處理，將視頻流轉(zhuǎn)換成無損壓縮的高清IP數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)醫(yī)院IP網(wǎng)絡(luò)傳至中心服務(wù)器系統(tǒng)，為手術(shù)室的醫(yī)療人員提供下列兩個(gè)方面的工作指導(dǎo)：

（1）協(xié)同工作：針對(duì)手術(shù)室醫(yī)生與場(chǎng)外醫(yī)療專家進(jìn)行的互動(dòng)交流，從手術(shù)室到病理實(shí)驗(yàn)室，系統(tǒng)提供了從視頻的獲取、編碼、傳輸、存儲(chǔ)、分發(fā)、解碼及播放全程高性能（全高清，全禎率，低延時(shí)）的醫(yī)療視頻設(shè)備，把分處不同地方手術(shù)室與會(huì)診專家連接在一起，幫助醫(yī)生超越了時(shí)間和空間的障礙，實(shí)現(xiàn)手術(shù)室與遠(yuǎn)程的醫(yī)療專家們進(jìn)行高清實(shí)時(shí)的音視頻互動(dòng)與交流，有如雙方身處一處，雙方協(xié)調(diào)工作，效率大大提高。

（2）手術(shù)指導(dǎo)：由在場(chǎng)外的有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生，指導(dǎo)實(shí)習(xí)手術(shù)醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)（如省級(jí)、市級(jí)中心醫(yī)院的專家，可以對(duì)縣級(jí)醫(yī)院緊急不適合轉(zhuǎn)診大型手術(shù)實(shí)施指導(dǎo)等），中心醫(yī)院的專家通過會(huì)診終端，實(shí)時(shí)地觀看手術(shù)過程，根據(jù)高清視頻圖像并結(jié)合自己的豐富經(jīng)驗(yàn)，為主刀醫(yī)生提供重要的建議；手術(shù)中創(chuàng)口重點(diǎn)部位還可以放大，極大程度地提高了診斷的準(zhǔn)確性，最大限度地提高手術(shù)的成功率。

圖4 高清醫(yī)療示教系統(tǒng)回看手術(shù)信息

圖5 數(shù)字化手術(shù)室高清視頻的應(yīng)用

4.4 高清手術(shù)室實(shí)時(shí)互動(dòng)病理分析

高清網(wǎng)絡(luò)視頻系統(tǒng)除了可以為手術(shù)室提供上述工作指導(dǎo)外，還可以提供實(shí)時(shí)互動(dòng)的病理分析。目前，普遍認(rèn)為腫瘤診斷的金標(biāo)準(zhǔn)是病理學(xué)診斷，而病理學(xué)診斷又分為細(xì)胞病理學(xué)和組織病理學(xué)兩種。病理分析最大的特點(diǎn)是診斷準(zhǔn)確，但由于必須要進(jìn)行活檢，所以除了消化道疾病可以通過內(nèi)鏡進(jìn)行鉗取活檢外，大多數(shù)都需要在手術(shù)過程中進(jìn)行切取樣本制成病理切片后用顯微鏡來進(jìn)行診斷。

由于惡性腫瘤和良性腫瘤手術(shù)是有很大區(qū)別的，所以盡快得出病理診斷對(duì)手術(shù)來講至關(guān)重要，目前國內(nèi)使用最多的是冰凍切片進(jìn)行快速病理分析的方法。雖然病理診斷必須再進(jìn)行培養(yǎng)和分析，然后才能出結(jié)果是良性或者惡性，但有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生在看到切片后基本可以進(jìn)行初步判斷，判斷成功率為70%左右。

手術(shù)醫(yī)生可以通過高清視頻醫(yī)療手術(shù)輔助系統(tǒng)，快速地與病理科專家進(jìn)行實(shí)時(shí)的交互式高清音視頻交流，病理專家在用顯微鏡觀看活檢切片的同時(shí)，手術(shù)主刀醫(yī)生可以在手術(shù)室的數(shù)字化終端上看到整個(gè)高清的顯微鏡診斷過程，雙方還可以實(shí)時(shí)討論，如果切片質(zhì)量欠佳，病理專家還可以指導(dǎo)手術(shù)醫(yī)生重新進(jìn)行活檢，為手術(shù)爭(zhēng)取寶貴的時(shí)間，病理專家在無法診斷的疑難病例的情況下，還可以邀請(qǐng)外院的相關(guān)專家一同進(jìn)行多方互動(dòng)會(huì)診。

4.5 手術(shù)觀摩示教和遠(yuǎn)程醫(yī)療專家現(xiàn)場(chǎng)會(huì)議、會(huì)診

（1）院內(nèi)手術(shù)觀摩：在手術(shù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)觀摩和示范教學(xué)方面，高清網(wǎng)絡(luò)視頻系統(tǒng)同樣存在優(yōu)勢(shì)。一般情況下，醫(yī)學(xué)院學(xué)生必須在醫(yī)院臨床實(shí)習(xí)一年以上才能畢業(yè)，但由于實(shí)習(xí)畢業(yè)生眾多，傳統(tǒng)的做法是安排實(shí)習(xí)醫(yī)生利用醫(yī)院的網(wǎng)絡(luò)傳送到需要的示教室、異地會(huì)場(chǎng)、醫(yī)學(xué)院等；主刀醫(yī)生可通過無線耳機(jī)與會(huì)場(chǎng)主講教授進(jìn)行實(shí)時(shí)高品質(zhì)的對(duì)話，或與醫(yī)學(xué)院、兄弟醫(yī)院進(jìn)行三方或多方會(huì)議討論，而手術(shù)示教系統(tǒng)的高清音視頻錄制、集中存儲(chǔ)和調(diào)閱為醫(yī)院學(xué)術(shù)會(huì)議、示范教學(xué)提供一種便捷的方式，為實(shí)時(shí)醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)觀摩提供便利。

（2）實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程會(huì)診：該數(shù)字化手術(shù)室系統(tǒng)與鼓樓醫(yī)院遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)會(huì)診平臺(tái)實(shí)現(xiàn)互連互通。鼓樓醫(yī)院遠(yuǎn)程會(huì)診平臺(tái)采用思科的網(wǎng)真設(shè)備，通過IP網(wǎng)絡(luò)和北京、上海等地大型醫(yī)院、醫(yī)聯(lián)體集團(tuán)內(nèi)醫(yī)院以及援疆、援藏等幾十家醫(yī)療單位對(duì)接。手術(shù)室的所有視頻流匯集到數(shù)字化手術(shù)室系統(tǒng)服務(wù)器，通過國際標(biāo)準(zhǔn)的SIP通信協(xié)議和鼓樓醫(yī)院遠(yuǎn)程會(huì)診平臺(tái)對(duì)接。在會(huì)議室進(jìn)行會(huì)議的遠(yuǎn)程醫(yī)療專家可以從高清手術(shù)示教系統(tǒng)的服務(wù)器中，非常簡(jiǎn)單地接入任何一路或多路實(shí)時(shí)的視頻圖像或手術(shù)錄像，就像接入一方會(huì)議方一樣。而且一路或多路圖像還可以通過會(huì)診平臺(tái)的輔流共享功能，共享醫(yī)療圖像給遠(yuǎn)程的與會(huì)者，再結(jié)合會(huì)診平臺(tái)的病人信息資料，同時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程會(huì)診。

（3）遠(yuǎn)程示教：鼓樓醫(yī)院承擔(dān)著大量對(duì)幫扶醫(yī)院的教學(xué)工作。該系統(tǒng)的建成也為鼓樓醫(yī)院醫(yī)聯(lián)體集團(tuán)和醫(yī)院幫扶下級(jí)醫(yī)療機(jī)構(gòu)的遠(yuǎn)程教學(xué)工作帶來便利。同樣利用遠(yuǎn)程會(huì)診平臺(tái)的輔流共享功能，在會(huì)診平臺(tái)調(diào)用到手術(shù)示教畫面直接共享給平臺(tái)上的其他連接醫(yī)療單位。而該系統(tǒng)的服務(wù)器所支持的國際標(biāo)準(zhǔn)的SIP通信協(xié)議可與目前市場(chǎng)上支持SIP國際標(biāo)準(zhǔn)的主流品牌視頻會(huì)議系統(tǒng)對(duì)接，互通互聯(lián)，解決不同系統(tǒng)的互通問題。其它醫(yī)療機(jī)構(gòu)醫(yī)生完全可以在自己醫(yī)院示教室內(nèi)借助通用的音視頻設(shè)備，實(shí)時(shí)觀摩手術(shù)和主刀醫(yī)生進(jìn)行互動(dòng)或者經(jīng)授權(quán)后點(diǎn)播手術(shù)錄像進(jìn)行觀看學(xué)習(xí)，大大降低醫(yī)院的系統(tǒng)投入成本［5］。

自2013年下半年系統(tǒng)建成投入使用以來，鼓樓醫(yī)院已經(jīng)成功開展各類高清醫(yī)療手術(shù)示教案例147例，院內(nèi)點(diǎn)播觀摩人次達(dá)到三千多人次。通過遠(yuǎn)程會(huì)診平臺(tái)向鼓樓醫(yī)院醫(yī)聯(lián)體內(nèi)的南京市內(nèi)區(qū)縣醫(yī)院、省內(nèi)宿遷、儀征、省外陜西韓城、重慶大坪、新疆伊寧、西藏墨竹工卡以及境外援建桑給巴爾等醫(yī)院進(jìn)行遠(yuǎn)程手術(shù)示教三十余次。得到了各級(jí)醫(yī)生、老師、學(xué)生和患者的一致好評(píng)，取得了良好的社會(huì)效應(yīng)和評(píng)價(jià)。

5 結(jié)論

鼓樓醫(yī)院高清網(wǎng)絡(luò)視頻醫(yī)療手術(shù)輔助系統(tǒng)的相關(guān)特點(diǎn)，符合數(shù)字化醫(yī)院的基本功能要求，方便醫(yī)生以及醫(yī)療專家給病員患者更準(zhǔn)確的確定病因，制定更合理、有效的治療方案，還對(duì)醫(yī)療人員更確切、逼真、方便以及提高教學(xué)質(zhì)量有很大幫助；醫(yī)療專家、醫(yī)生、學(xué)生們，不僅可在會(huì)診室、會(huì)議室、示教室和醫(yī)生辦公室等區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)觀摩、學(xué)習(xí)手術(shù)指導(dǎo)操作過程，還可以利用音視頻錄制功能，將手術(shù)操作過程錄制成教學(xué)影像課件，供實(shí)習(xí)醫(yī)生、醫(yī)學(xué)院校學(xué)生學(xué)習(xí)使用，也可作為多媒體醫(yī)學(xué)病歷資料保存使用。高清網(wǎng)絡(luò)視頻醫(yī)療手術(shù)輔助系統(tǒng)是一種強(qiáng)大醫(yī)療輔助以及醫(yī)學(xué)教學(xué)工具，通過它，可以為現(xiàn)場(chǎng)手術(shù)醫(yī)生和遠(yuǎn)程醫(yī)療專家們提高實(shí)時(shí)音視頻交流，共同分享視頻圖像，進(jìn)行醫(yī)療會(huì)診及二次診斷［6］。該系統(tǒng)為患者提供優(yōu)良服務(wù)的同時(shí)，也為臨床醫(yī)生提供了豐富的醫(yī)療資源和學(xué)術(shù)依據(jù)。

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