視頻拼接系統(tǒng)與我院手術(shù)示教系統(tǒng)的結(jié)合應(yīng)用

王曼，李濤

北京積水潭醫(yī)院 信息中心，北京 100035

引言

北京積水潭醫(yī)院是一家以骨科和燒傷科為重點(diǎn)的三級(jí)甲等綜合醫(yī)院，醫(yī)院每年接收來自全國各地的骨科進(jìn)修大夫600余人次，還需完成數(shù)百名碩士、博士研究生及本科生的臨床教學(xué)任務(wù)。手術(shù)示教是廣大實(shí)習(xí)人員獲得外科手術(shù)經(jīng)驗(yàn)的最佳途徑之一，手術(shù)示教系統(tǒng)的開發(fā)對(duì)我院手術(shù)示教水平的提高起到巨大推動(dòng)作用。

現(xiàn)代手術(shù)越來越趨于精準(zhǔn)化，高清晰度的手術(shù)示教畫面展示有助于學(xué)習(xí)人員更直觀、更快速地理解關(guān)鍵步驟的細(xì)節(jié)要求。例如我院脊柱外科的神經(jīng)減壓、手外科細(xì)小的血管神經(jīng)縫合等涉及精細(xì)手術(shù)操作，均需要手術(shù)示教信號(hào)高清晰無損傳輸。由于醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)帶寬資源有限，為保證手術(shù)示教畫面的流暢性，需要對(duì)視頻信號(hào)采用H.264算法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼，通過犧牲畫面清晰度換取流暢性。然而，對(duì)于高精度手術(shù)的示教，示教質(zhì)量與信號(hào)顯示的清晰度息息相關(guān)，清晰度降低會(huì)導(dǎo)致觀摩人員遺漏重要的手術(shù)操作細(xì)節(jié)，導(dǎo)致示教質(zhì)量打折。

為了解決上述問題，本文擬通過將視頻拼接顯示技術(shù)與傳統(tǒng)手術(shù)示教系統(tǒng)相融合，使手術(shù)示教信號(hào)以無損方式由手術(shù)室傳輸至示教室，并通過示教室配套設(shè)置的視頻拼接墻展示高分辨率的手術(shù)示教畫面，從而提升手術(shù)示教質(zhì)量。

1 視頻拼接技術(shù)簡介

視頻拼接系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于教育科研、政府公告、信息出版、行政管理、軍事指揮、展覽展示、安防監(jiān)控等行業(yè)。拼接處理器是視頻拼接系統(tǒng)的核心設(shè)備，其主要功能是將一個(gè)完整的圖像信號(hào)劃分成N個(gè)顯示區(qū)塊，并分配給對(duì)等數(shù)量的顯示單元，每個(gè)顯示單元顯示該圖像信號(hào)的部分內(nèi)容，組成一個(gè)完整的超大分辨率圖像拼接墻[1]。拼接處理器的硬件架構(gòu)是以高速數(shù)字交換背板為核心，采用PCI-E硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)，拼接處理器的內(nèi)部硬件架構(gòu)如圖1所示。

圖1 拼接處理器的內(nèi)部硬件架構(gòu)圖

拼接處理器按照物理板卡類型劃分為視頻信號(hào)采集卡、視頻信號(hào)切換卡、視頻信號(hào)輸出卡、控制卡，各板卡之間通過高速數(shù)字交換背板提供的PCI-E總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。拼接處理器內(nèi)部的信號(hào)傳輸鏈路包括RGB數(shù)據(jù)傳輸鏈路和控制指令傳輸鏈路。RGB數(shù)據(jù)傳輸鏈路專用于傳輸RGB數(shù)據(jù)，RGB數(shù)據(jù)傳輸鏈路布置于視頻信號(hào)采集卡與視頻信號(hào)切換卡之間，以及視頻信號(hào)切換卡與視頻信號(hào)輸出卡之間?？刂浦噶顐鬏旀溌穼Ｓ糜诳刂瓶ㄏ蚱渌蹇▊鬟f控制指令。

（1）視頻信號(hào)采集卡用于采集外部信號(hào)源設(shè)備輸出的視頻信號(hào)，并通過FPGA處理芯片對(duì)視頻信號(hào)按顯示幀率進(jìn)行RGB顏色空間轉(zhuǎn)換，將得到的RGB數(shù)據(jù)輸出至視頻信號(hào)切換卡。

（2）視頻信號(hào)切換卡用于建立視頻信號(hào)采集卡與視頻信號(hào)輸出卡的端口映射通道，該端口映射通道的建立規(guī)則取決于控制卡接收到的外部中控設(shè)備的參數(shù)配置信息。視頻信號(hào)切換卡采用全交叉調(diào)度架構(gòu)高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，底層數(shù)據(jù)傳輸由數(shù)據(jù)調(diào)度芯片控制，保證每路視頻信號(hào)在數(shù)據(jù)傳輸鏈路中獨(dú)享傳輸通道，兼顧視頻信號(hào)的傳輸速度與質(zhì)量，信號(hào)顯示速度達(dá)到60幀/s，從根本上保證對(duì)所有輸入信號(hào)源進(jìn)行全實(shí)時(shí)處理和數(shù)據(jù)一致性，圖像無延遲、無離散化、無丟幀現(xiàn)象。

（3）視頻信號(hào)輸出卡用于將RGB數(shù)據(jù)進(jìn)行RGB顏色空間逆轉(zhuǎn)換，并根據(jù)外部中控設(shè)備發(fā)送的信號(hào)顯示方案，對(duì)獲取的視頻信號(hào)調(diào)整顯示分辨率、截取每個(gè)顯示單元對(duì)應(yīng)的像素區(qū)塊，并將視頻信號(hào)輸出至外部顯示設(shè)備進(jìn)行顯示。

（4）控制卡通過網(wǎng)線或串行數(shù)據(jù)通信線束連接外部中控設(shè)備，接收管理人員在中控設(shè)備中配置的示教顯示參數(shù)，包括各路視頻信號(hào)在拼接墻中的顯示位置、顯示分辨率、疊加字幕內(nèi)容等參數(shù)信息。控制卡將顯示參數(shù)解析成可執(zhí)行指令并轉(zhuǎn)發(fā)至各個(gè)板卡，對(duì)各個(gè)板卡的正常運(yùn)作起到指導(dǎo)控制作用。

2 手術(shù)示教系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

2.1 現(xiàn)有手術(shù)示教系統(tǒng)介紹

現(xiàn)有手術(shù)示教系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)分布式硬件架構(gòu)，如圖2所示。

圖2 現(xiàn)有手術(shù)示教系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)分布式硬件架構(gòu)

手術(shù)室內(nèi)的醫(yī)療影像設(shè)備，如全景攝像機(jī)、術(shù)野攝像機(jī)、內(nèi)窺鏡、腹腔鏡等，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)編碼器編碼后通過醫(yī)院內(nèi)網(wǎng)環(huán)境的交換機(jī)輸出至網(wǎng)絡(luò)信道。通過示教室的計(jì)算機(jī)設(shè)備登陸示教客戶端，向中心服務(wù)器發(fā)送示教請(qǐng)求指令，中心服務(wù)器建立手術(shù)室與示教室的網(wǎng)絡(luò)端口映射通道[2]。示教室的計(jì)算機(jī)設(shè)備獲取網(wǎng)絡(luò)信號(hào)后進(jìn)行本地解碼，然后通過本地顯示器進(jìn)行播放[3]。視頻信號(hào)由手術(shù)室傳輸至示教室經(jīng)過有損壓縮步驟，導(dǎo)致該信號(hào)經(jīng)過本地解碼后無法完美還原視頻信號(hào)原始的細(xì)節(jié)要素。

2.2 手術(shù)示教系統(tǒng)的硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 視頻拼接系統(tǒng)與手術(shù)室的對(duì)接方案

拼接處理器作為醫(yī)療影像信號(hào)的調(diào)度主機(jī)，固定放置在手術(shù)室的專用機(jī)柜中，機(jī)柜采用符合ANST/EIA RS-310-C/D的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，各個(gè)信號(hào)源設(shè)備通過有線方式直連拼接處理器的視頻信號(hào)采集卡?？紤]到不同醫(yī)療影像設(shè)備的信號(hào)輸出格式各異，視頻信號(hào)采集卡支持對(duì)多種視頻信號(hào)格式的采集處理，根據(jù)手術(shù)室的設(shè)備實(shí)際使用情況適配對(duì)應(yīng)的視頻信號(hào)采集卡，實(shí)現(xiàn)與各種醫(yī)療影像設(shè)備、醫(yī)學(xué)監(jiān)護(hù)儀器的友好對(duì)接。視頻信號(hào)采集卡支持的輸入信號(hào)格式如表1所示。

表1 視頻信號(hào)采集卡支持的輸入信號(hào)格式

適配我院骨科顯微手術(shù)的示教系統(tǒng)，在拼接處理器中布置SDI信號(hào)采集卡、HDMI信號(hào)采集卡、VGA信號(hào)采集卡、DVI信號(hào)采集卡。SDI/HDMI信號(hào)采集卡直連于術(shù)野攝像機(jī)，VGA信號(hào)采集卡直連于麻醉監(jiān)護(hù)儀，DVI/HDMI信號(hào)采集卡直連于手術(shù)室計(jì)算機(jī)設(shè)備，上述三路視頻信號(hào)分別由拼接處理器推送至拼接墻進(jìn)行同步顯示。手術(shù)室計(jì)算機(jī)設(shè)備通過醫(yī)院內(nèi)網(wǎng)環(huán)境登陸醫(yī)學(xué)影像信息系統(tǒng)（Picture Archiving and Communication Systems，簡稱PACS系統(tǒng)），調(diào)取患者手術(shù)部位的核磁共振影像并輸出該計(jì)算機(jī)設(shè)備的顯示器[4]。

2.2.2 視頻拼接系統(tǒng)與示教室的對(duì)接方案

示教室布置由M×N個(gè)顯示器陣列組成的拼接墻，每個(gè)顯示器分別直連于拼接處理器的視頻信號(hào)輸出卡，本系統(tǒng)中示教室無需配置計(jì)算機(jī)設(shè)備。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β剩琀DMI高清信號(hào)線纜直連的最大距離不宜超過10 m，VGA模擬信號(hào)線纜直連的最大距離不宜超過15 m?？紤]到我院手術(shù)室與示教室之間的實(shí)際物理距離較遠(yuǎn)，不支持短距離直連布線，需要在拼接處理器的信號(hào)輸出端與拼接墻的信號(hào)輸入端之間添加信號(hào)遠(yuǎn)傳節(jié)點(diǎn)[5]。

具體地，在拼接處理器的每一路輸出信號(hào)與拼接墻之間的信號(hào)傳輸鏈路上設(shè)置光端機(jī)，每組光端機(jī)包括發(fā)送器和接收器，發(fā)送器與拼接處理器的視頻信號(hào)輸出卡相連接,接收器與拼接墻的顯示器相連接,發(fā)送器與接收器之間通過光纜連接，利用光纖信號(hào)傳輸優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)在不損失信號(hào)質(zhì)量的前提下延長高清信號(hào)的傳輸距離，傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)10 km，最高支持4 K分辨率，兼顧視頻信號(hào)的傳輸效率與質(zhì)量[6]。

綜上所述，手術(shù)示教系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖3所示。

2.2.3 示教拼接顯示預(yù)案

拼接處理器支持視頻信號(hào)在拼接墻的任意位置開窗顯示，拼接處理器中的控制卡通過網(wǎng)線或串行控制總線連接外部的中控設(shè)備，以接收管理人員通過中控設(shè)備發(fā)送的拼接顯示參數(shù)，包括：

（1）窗口水平起始位置。指顯示視頻信號(hào)的窗口的參考點(diǎn)（如窗口左上角端點(diǎn)）在拼接墻二維坐標(biāo)系中的橫向坐標(biāo)值。

（2）窗口垂直起始位置。指顯示視頻信號(hào)的窗口的參考點(diǎn)（如窗口左上角端點(diǎn)）在拼接墻二維坐標(biāo)系中的縱向坐標(biāo)值。

（3）窗口橫向分辨率。指顯示視頻信號(hào)的窗口沿水平方向覆蓋的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)。

（4）窗口縱向分辨率。指顯示視頻信號(hào)的窗口沿垂直方向覆蓋的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)[7]。

考慮到目前主流視頻信號(hào)質(zhì)量已經(jīng)由傳統(tǒng)高清1080 P（1920×1080）分辨率逐漸向4 K（3840×2160）分辨率過渡[8]，示教室的視頻拼接墻布置方案如圖4所示，其分別是由8個(gè)顯示器構(gòu)成的4×2顯示規(guī)模的視頻拼接墻，自然數(shù)編號(hào)為各個(gè)顯示器在視頻拼接墻中的邏輯位置，各個(gè)顯示器的顯示分辨率均為1080P。圖4虛線框內(nèi)的4個(gè)顯示器所形成的2×2顯示器陣列，其分辨率均為3840×2160，即可以支持拼接顯示4 K信號(hào)。

圖4 示教室的視頻拼接墻布置方案

以骨科顯微手術(shù)的示教為例，通過中控設(shè)備配置顯示參數(shù)，使拼接墻中央的2×2顯示器陣列拼接顯示術(shù)野攝像機(jī)的視頻信號(hào)，同時(shí)使拼接墻左側(cè)1×2的顯示器陣列拼接顯示麻醉監(jiān)護(hù)儀的視頻信號(hào)，右側(cè)1×2的顯示器陣列拼接顯示手術(shù)室計(jì)算機(jī)設(shè)備的視頻信號(hào)（即拼接顯示PACS系統(tǒng)中調(diào)用的MRI影像信息），為實(shí)習(xí)人員提供全方位、多角度的手術(shù)相關(guān)信息。完整的骨科顯微手術(shù)的示教拼接顯示畫面如圖5所示。

圖5 完整的骨科顯微手術(shù)的示教拼接顯示畫面

3 結(jié)論

通過將視頻拼接技術(shù)、高清信號(hào)遠(yuǎn)傳技術(shù)以及醫(yī)院的數(shù)字化信息管理技術(shù)與手術(shù)示教系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)的有益效果如下：

圖3 手術(shù)示教系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

（1）實(shí)現(xiàn)手術(shù)室高清數(shù)字化信號(hào)的無損遠(yuǎn)距離傳輸，并能夠保持60幀/s的信號(hào)顯示速度，有效提升手術(shù)示教畫面的清晰度，更好地展示手術(shù)細(xì)節(jié)。

（2）針對(duì)目前主流的1080 P畫質(zhì)醫(yī)療影像信號(hào)以及未來4 K信號(hào)的應(yīng)用趨勢，有預(yù)見性地布置示教室中的顯示器陣列規(guī)模，在中控設(shè)備的配合下實(shí)現(xiàn)配置多樣化的示教拼接顯示預(yù)案，使示教室顯示器陣列與手術(shù)室醫(yī)療影像信號(hào)的對(duì)接兼容性更高。

（3）與傳統(tǒng)手術(shù)示教系統(tǒng)相比，我院手術(shù)示教系統(tǒng)采用集中式布置架構(gòu)，無需在示教室配置計(jì)算機(jī)設(shè)備，僅需要布置顯示器陣列，降低了示教室的布線難度；此外，拼接處理器中的視頻信號(hào)采集卡、視頻信號(hào)輸出卡支持工作狀態(tài)下的熱插拔，當(dāng)設(shè)備板卡發(fā)生故障時(shí)，僅需將故障板卡進(jìn)行替換，無需將整個(gè)設(shè)備斷電，降低了設(shè)備的日常檢修與維護(hù)成本。