遠程高清手術示教系統構建

朱 佳 劉 云 王忠民 冷 鍇 朱一新

(南京醫科大學第一附屬醫院 南京 210029)

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遠程高清手術示教系統構建

朱 佳 劉 云 王忠民 冷 鍇 朱一新

(南京醫科大學第一附屬醫院 南京 210029)

利用計算機多媒體技術采集并轉換音、視頻信號，通過網絡通信路由技術實現音、視頻文件的直播、錄播、轉播和點播，建立遠程高清手術示教系統。介紹系統功能、設計方案及組成，指出該系統實現手術現場以及示教室的高清視頻傳輸和語音對講，提高臨床手術教學的技術水平。

手術示教系統；高清；遠程；音視頻

1 引言

隨著經濟社會的快速發展，人們對醫院的醫療服務質量提出了越來越高的要求。外科手術是醫院治病救人的關鍵業務組成部分，需要大量具有豐富臨床經驗的醫生，醫院通常需要通過手術教學來培養廣大醫生和臨床實習醫生。傳統的手術示教是人員分批分次擁擠在手術間觀看，因手術室空間有限,不僅容易給潔凈手術室帶來污染，對手術中的醫生造成干擾，而且觀摩效果受視野角度影響也很難達到滿意。為更好地滿足臨床示教需要，提高手術示教的數量和質量，同時減少觀摩者對無菌區的污染，開發一套數字化、智能化的手術示教系統具有重要意義[1]。手術示教系統是指借助現代音、視頻傳送技術，對手術過程進行異地觀摩的一種教學手段[2]，隨著信息化建設的不斷發展，醫院對視頻應用需求也在不斷發展，現代化的數字手術示教系統越來越成為一個熱門話題[3-7]。目前我國醫學臨床教學需要突破傳統手術示教的限制，利用現代科技來加強手術管理，以提升手術教學的精確及互動，使得臨床醫師之間的手術觀摩變得更加有效[8]。

2 手術示教系統功能

2.1 總述

高清手術示教系統實現了手術過程的視頻教學及高清實訓示范教學，實現對本地資源的采集和整合，對遠程資源的調用整理，對所有資源進行統一的數據化儲存，對所有數據進行智能化管理運用。該系統不僅能監看技能實訓中心所有的實時高清視頻，而且還可通過IP網絡實現醫院外科手術室的手術過程細節以及醫療設備數據信息的實時直播(包括模擬手術室)，教師可根據需要自行在講課過程中實時地申請觀摩正在進行的手術，在征得同意后，可自行選擇觀看手術室內的手術視頻及各類醫療設備的數據情況，據此對學生講解手術內容，從而在示教室全方位、立體化地實時觀摩學習手術過程。該系統還可實現手術過程、學生練習過程的錄像并存儲，方便管理及調用；可供老師或者專家用于日常的教學或者對學生的評估。

2.2 具體功能

具體包括如下功能：(1)中控室需要監看到技能實訓中心所有的實時高清視頻并能與各語音終端互動，在監視屏監看任意多路視頻；也能看醫院外科手術室手術實時視頻并能語音互動。(2)模擬手術室可以實現手術視頻轉播及音頻互動；還可直播醫院外科手術室手術實時視頻并能語音互動；能點播回放存儲的所有視頻。(3)可實時監看動物實驗室、虛擬內鏡實訓室、急救實訓室、麻醉技能實訓室、模擬產房及護理技能實訓室的高清視頻。模擬ICU的監控室能看到ICU里的實時場景視頻及語音互動。(4)外科技能實訓室、兒科技能實訓室、模擬病房、婦科技能實訓室、心肺聽診腹部觸診實訓室及內科技能實訓室都具備語音互動功能，隨時點播回放存儲的所有視頻。(5)大會議室、階梯教室、多媒體計算機室及基礎腔鏡培訓室不僅能觀看醫院外科手術室實時視頻，還能與醫院外科手術室實現音頻互動，可隨時點播回放存儲的所有視頻。(6)系統可以實現在各實訓室操作結束后進行點播回放，進行教學評估。醫院外科手術室手術視頻、各實訓室視頻及相應音頻等都能實時地錄制存儲。系統中不同人員具備不同的管理級別。(7)能實時手術轉播的地方同時具備點播回放功能，實時轉播及點播回放的內容為醫院外科手術室及各實訓室的音視頻。

3 手術示教系統設計與實現

3.1 設計方案

手術示教中控室對醫院手術室內的視頻信號集中進行編解碼和存儲；將手術室內的術野視頻信號和音頻信號通過移動終端進行數字編碼并接入網絡，內網用戶可以通過手術示教視頻軟件直接觀看手術室內高清術野視頻。每個手術室都配備一個移動終端，可以輸出一路高清視頻信號、一路標清全景視頻信號和一路語音信號，輸入一路高清視頻信號和一路語音信號。高清視頻信號和音頻信號經過高清光轉換器轉變為光信號傳送至手術示教中控室；手術室的術野視頻信號和腔鏡視頻信號經過移動終端后，一路接入高清編碼器，一路接高清光轉換器發送到中控室。中控室中利用光纖將手術室高清信號傳輸至模擬手術室或示教室；在示教室通過解碼器還原高清視頻信號后，經過格式轉換接入高清投影機和音響系統。示教室和階梯教室的現場視頻經過光纖傳輸到中控室，通過中控室的光纖送到對應的手術室，在手術室的數字移動終端中還原為模擬的音頻、視頻信號后再接入電視機中；所有標清和高清編碼器都接入內網中。中控室中將安裝存儲服務器和流媒體轉發服務器；示教室和辦公室中的內網用戶均可通過手術示教視頻軟件觀看網絡直播和點播手術示教視頻。

3.2 系統組成(圖1)

圖1 手術示教系統組成

3.2.1 采集端 手術室的無影燈臂上安裝術野高清攝像機，角落安裝全景攝像機，高清和全景信號均通過光纖送至中控室。為了遠程高保真示教，示教室內的高清視頻信號和語音信號輸入高清編碼器，以便形成數字信號傳輸到中控室的存儲服務器。示教室音、視頻信號通過光纖傳輸到手術室，經過解碼器還原為音、視頻信號后分別接入到移動終端的揚聲器和液晶顯示器。手術示教室配備擴音系統和會議系統。手術視頻通過光纖傳輸到手術示教室后，利用高清視頻解碼終端接收和還原為高清HDMI信號，再接入到網絡視頻矩陣控制器，通過矩陣顯示至液晶屏或投影幕布上。同時從會議系統輸出一路音頻和一路視頻，通過光纖傳輸至手術室，實現在手術室內觀看示教室圖像和與手術示教主持人的語音對講。

3.2.2 中控系統 中控室安裝1個服務器標準機柜，由視頻通信服務器、視頻矩陣服務器和視頻存儲點播服務器組成，完成對采集來的數字信號存儲、轉發、調度、控制和管理，從而實現點播、轉播、錄播等功能。當視頻通信服務器接收到客戶端發出的瀏覽請求時，將驗證其用戶的合法性，驗證通過后向視頻存儲服務器發出請求指令。視頻存儲服務器在接收到服務器的請求后，將根據IP 地址列表，確定相關設備的地址以及其他信息，將該設備上錄像資料和數據轉發給發出請求的客戶端。中控系統結構，見圖2。

圖2 中控系統結構

3.2.3 客戶端 在普通PC上安裝相應的手術示教視頻管理軟件，只要PC接入了醫院內網，就可以通過客戶端軟件實現經過授權控制和用戶驗證的手術示教視頻點播。同時軟件還具有權限管理、手術過程的對講互動、錄制存儲等功能，也可以通過IE瀏覽器實時觀看和點播影像資料。

4 結語

多媒體手術示教系統建立在計算機網絡的基礎上，采用了先進的數字化采集技術，因此整個系統具有廣泛性和先進性、高清晰度、可編輯性和可擴充性，在網絡上任何一個具有相應配置和滿足相應傳輸要求的工作站點，賦予一定的權限后，均可實時收看和點播手術的過程[9]。本方案可滿足地方醫院建設遠程高清手術示教系統的要求，實現手術室術野視頻、全景視頻和其他視頻的無損傳輸，最終為地方醫院手術示教提供最高質量的視頻效果。充分利用了網絡多媒體技術，重點解決手術視頻的編碼、轉發、播放和存儲，具有很強的實時性、實用性和擴展性，提高臨床教學水平，使醫院數字化、現代化、信息化建設邁上一個新臺階[10]。在應用于醫學教育的同時還可廣泛用于其他領域，具有推廣意義。

1 朱子昱,黃卓,張新升.影響手術示教質量的幾個因素[J].醫學信息,2010,23(2):305-306.

2 陳歡,李勁松.全高清1080P手術示教系統的設計與實現[J].中國數字醫學,2010，(1)：43-46.

3 吳凱.醫院手術示教系統建設[J].醫療設備信息,2006,21(2):14-15.

4 張益釗.淺談數字化手術室示教管理系統設計和建設[J].中國醫院建筑與裝備,2008,9(7):20-27.

5 劉峰,曾凡,黃昊.基于局域網的臨床手術示教系統的構建[J].重慶醫學,2009,38(21):2656-2658.

6 冉梓垠,韓乾.數字化手術室的應用[J].中國醫療設備,2008,23(10):130-133.

7 梁宗強，蘭欣，施秉銀，等.一種雜交手術室數字化手術示教系統的構建模式[J].中國醫學教育技術，2012，26(3)：321-324.

8 黨裔武,李萍,陳呈，等. 改進多媒體教學 增強基礎醫學教學效果[J].醫學信息學雜志.2009,30(5):86-88.

9 高昭異.多媒體手術示教系統的建設[J].醫學信息,2003,16(4):165-166.

10 李春報，張建中，何紅.數字化臨床手術示教系統的設計與建立[J].海南醫學院學報,2008,14(5):593.

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