醫院手術示教系統的設計及應用

袁慧穎，羅晶，魏冰，鄭蕾

海軍總醫院 計算機管理中心，北京 100048

醫院手術示教系統的設計及應用

袁慧穎，羅晶，魏冰，鄭蕾

海軍總醫院 計算機管理中心，北京 100048

目的 基于數字化手術室，建立手術示教系統，進行遠程手術教學和手術觀摩。方法 視頻部分通過Stryker服務器進行采集，音頻部分由YAMAHA交互終端進行采集；系統采集到的視頻信號和音頻信號統一輸出給標清視音頻編碼器，編碼器對接入的視頻信號進行采集編碼，然后通過院內網絡傳輸接入到手術轉播示教系統。結果 該系統實現了16個手術間及3個示教教室的雙向視頻音頻傳輸。結論 數字化手術室示教系統應用于醫院手術室有助于提高醫院臨床教學水平，醫院開展遠程醫療與視頻學術會議，維護良好醫療秩序。

數字化手術室；多媒體技術；手術示教；視頻編碼；視頻點播

引言

傳統手術示教是人員分批次在手術間直接觀看，不僅容易給潔凈手術室帶來污染，對術中醫生造成干擾，而且觀摩效果不佳[1-2]。為實現醫院手術的教學、轉播和技術交流以及遠程醫療擴展等需要建立手術示教系統[3]。手術轉播示教系統遠程傳輸手術室內視頻、音頻及醫療影像，實現互動式手術示教、手術觀摩、手術經驗交流，示教過程全程音視頻錄制，音視頻文件自動存儲在手術轉播示教系統中，可供授權的醫務人員隨時查閱示教文件，手術轉播示教系統成為醫院信息化建設重要的一部分[4]。

1 系統需求

手術示教系統，是廣大醫學生和臨床實習醫生獲得外科臨床經驗的最佳途徑之一[5]。手術示教系統的發展過程根據視頻信號的格式和傳輸處理技術的不同，手術示教系統大概經歷了3個發展階段：① 模擬技術階段；② 模擬、數字技術相結合階段；③ 高清數字技術階段[6]。數字化手術室起源于20世紀90年代初，是醫學技術、工程技術、信息技術三者融合的產物[7]。我院以16間數字化手術室為核心的醫院綜合視頻通信網絡平臺覆蓋以下幾個方面：遠程手術轉播、手術示教、手術觀摩；遠程醫療會診、經驗交流；遠程手術指導；應急手術解決方案；藥理研究可視化平臺，在線視頻資源學習平臺。

根據建設需求，方案設計為分布式建設，平臺核心服務器具有良好的可擴展性，總體建設為模塊化搭建，各模塊既獨立，又彼此兼容。

2 系統設計

根據醫院手術室硬件設備實際情況與用戶需求，手術室分為重點建設手術室與一般性手術室。系統模塊架構，見圖1，重點手術室采集5路視頻信號與1路音頻信號，1路術野視頻采集（可用固定的術野攝像機進行視頻采集），1路手術室內全景視頻采集，1路頭帶攝像機視頻、1路X光機視頻采集，1路麻醉機視頻采集、1路主刀大夫音頻采集、播放。手術室內采集到的視音頻信號，通過數字化處理接入高清手術轉播示教系統。一般性手術室通過臨時轉播設備（移動式手術示教車）向示教室、科室、辦公室、遠端會場進行手術過程的音視頻實時轉播。

圖1 系統模塊架構圖

3 系統特點

系統設備采用硬件嵌入式架構技術、H.264HighProfile編碼技術、分布式設備為系統核心[8]，具有如下特點。

3.1 系統具備高度完整性

（1）智能錄播服務器設計，充分綜合了各路音視頻采集特點，通過智能錄播服務器的邏輯控制[9]，指揮各路視音頻系統協調工作，真正做到高度智能化和自動化。

（2）手術錄制系統設計，采用分布式設計思想，集成了強大的錄制功能，以適用不同的資源應用需求；多個錄播手術室集中錄制，實現集中管理目標。

（3）H.264在幀內編碼、幀間預測、變換量化等方面采用了多種新技術，大幅提高了編碼效率，具有低碼率、容錯能力強、高質量圖像和網絡適應性強等特點，最大限度的減少視頻質量損失，并以流媒體的方式進行網絡傳輸，保證了大規模手術視頻的多路并發需要[10-11]。

3.2 系統具備先進性

（1）在設計理念的先進性上：引入了分布式錄播的設計理念，將錄播系統按照工作流程分為管理層、設備層和用戶層，層層相扣，相輔相成。

（2）在整體方案的先進性上：手術示教的建設和擴展方便，維護簡單，管理能夠遠程集中監控到各個手術室的視頻音頻，并集中錄制實時存儲到錄播服務器上。

3.3 系統具有兼容性

（1）所有軟硬件設計均采用模塊化，對外提供國際統一的標準接口，整體配套設備兼容性好。

（2）錄播系統的核心設備錄播服務器具有超強的開放性和兼容性。

3.4 系統具備良好的實用性

（1）硬件安裝調試完畢，便無需再進行相應配置操作，如果需要調整，只需通過簡潔的軟件界面進行操作即可。

（2）系統軟件操作界面簡潔明了，使用簡單，效果卓越。

3.5 系統具有良好的擴展性，便于維護和升級

（1）系統所有硬件設備均可以無縫向上擴展，軟件均可以無縫升級。

（2）普通手術室升級改造成錄播手術室無需替換任何原已有設備，無需更換改動現場醫療設備和其它如中控系統等。

（3）系統軟、硬件接口均采用標準化的設計，擴展靈活方便，不受限于少數廠商[12]。

4 軟件功能設計

4.1 同步錄制

同步錄制視頻、音頻和計算機動態屏幕內容，即可將會議現場的圖像、聲音和所講解的報告、講稿PPT等計算機屏幕上所顯示的內容同步錄制到一個文件中[13]。

支持多路可視信號（AV、VGA、DVI等）及聲音的任意組合錄制，如AV×1+VGA×1、AV×2+VGA×1、AV×1+VGA×2等模式，最多支持6路可視信號及聲音的任意組合錄制，可滿足超大型會場多畫面錄播等更多應用的需求。

4.2 實時直播

可通過單播或組播方式將手術現場的視頻、音頻、計算機動態屏幕在網絡上進行實時直播，用戶可通過IE瀏覽器或解碼器登錄服務器實時接收直播的視頻、音頻和計算機動態屏幕內容。系統獨家支持組播代理功能，無須更改網絡設備設置即可實現跨網段的組播。系統獨家支持文件組播功能，可將錄制好的文件在網絡上再次進行組播。在現有網絡條件下可實現手術實時直播要求，圖像質量高，無明顯延遲，能保證圖像和語音同步，且能實現“雙向” 交流[14]。

4.3 VOD點播

系統內置VOD點播功能，用戶可通過IE瀏覽器或解碼器兩種方式點播。點播時可觀看到的內容包括視頻、音頻和計算機屏幕內容。支持多級點播用戶權限控制。支持“邊錄邊點”功能，在會議錄制尚未結束的時候即可點播文件，并可前后拖動進度，方便用戶隨時點播文件而無須再等到會議結束。手術室錄播采用ASF標準流媒體格式存儲，也可將文件上傳到第三方標準的VOD點播系統發布。

4.4 客戶端文字交互

系統在實時直播時支持客戶端間的文字交互功能，用戶在觀看直播的同時可以與主講人及其它觀看直播的用戶進行文字交流，文字交互功能的引入可以更好地滿足遠程教學、培訓、講座中交流互動的需要。

4.5 用戶管理

支持多級用戶權限及用戶組功能，用戶可靈活進行權限分配。

支持在線用戶管理功能，可進行在線用戶統計、點名及掛斷等操作，方便用戶對遠程培訓過程的管理。

4.6 文件管理

手術室錄播系統控制臺軟件可對錄制好的文件進行管理，可進行更名、刪除、下載、歸檔等操作；系統內置FTP Server功能，用戶可通過FTP客戶端進行遠程文件下載，下載后可將錄制文件刻成光盤以便保存。

手術示教信息系統，基于IP網絡，可以將視頻、音頻信號和計算機動態屏幕信號進行一體化的同步錄制、直播和點播。相對于傳統的視音頻錄播產品，醫療動態影像系統在視音頻錄播的基礎上，創新地增加了對計算機動態屏幕信號的錄制直播點播功能。

5 應用效果

（1）擺脫了傳統示教模式在時間、空間、人數及安全性上的限制。傳統模式沒有直播、點播等技術設備的輔助，只能在手術室內、數量有限的人員進行學習[13]。采用數字化手術示教系統后，手術術前、術中和術后的全過程的工作流數據均記錄在數字化手術示教系統中，實現完整的手術展現和記錄及高度共享，提升教學水平使手術教學更加生動、真實。

（2）大幅提升教學效果。手術示教系統在需要的地方安裝多個攝像設備，從多個角度展現、記錄手術的細節，學習人員可以清晰無誤的看清每一步操作，同時可以通過系統軟件回放還原示教醫生的操作，不會因學習人員觀看或記憶的誤差而造成失誤，與傳統的手術教學相比，教學效果大幅提升。

（3）手術示教系統能夠實現實時錄制，這些錄制的材料除了可以做教學內容外，也是手術過程的一個記錄，在醫療糾紛、醫療事故發生時它們變成重要的視頻證據。有了手術示教系統我們可以更好的辨別事故糾紛的責任歸咎，增加醫療過程的透明度，消除公眾對醫者的負面看法，提高醫院的公信力。

（4）手術示教系統有助于提高手術室感染控制，優化教學流程[15]。觀摩手術的人員無需進入手術室，無需進行相應的消毒流程，只需在指定的示教室或者通過視頻點播終端，進行觀摩或點播，同時不干擾正常的手術進程[16]。

本系統實現手術室手術術野視頻、全景視頻和其他視頻的高清傳輸，為醫院手術示教和醫療會議交流提供穩定、連續、流暢、高圖像質量的網絡視頻效果。通過本系統，示教室和會議室能夠完全實時地與手術室人員進行交流，有效滿足了手術觀摩學習，專家會診、遠程指導等多種視頻應用實現實時互動功能[17]，實現醫院數字化手術室規范化管理；同時擺脫了傳統示教模式在時間、空間、人數及安全性上的限制。

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[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.

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[5] 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):593-594.

[6] 鄭潤如,陳鐵,劉鵬圖.高清手術示教系統在臨床技能教學中的應用研究[J].中國醫學教育技術,2015,29(1):74-76.

[7] 王國宏,鄭富強,孫文澤,等.數字化手術室手術示教系統的設計與應用[J].醫療衛生裝備,2010,31(10):84-85.

[8] 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.

[9] 黃鑫,胡艷波.醫院手術室數字化轉播系統的設計與完善方案[J].中國醫療設備,2010,25(8):36-38.

[10] 羅娟,符峰釗,唐曉東.醫院網絡手術示教系統的技術設計與建立[J].中國醫學教育技術,2011,25(6):674-676.

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[13] 孫碧海,張鐵山,魯長濱.手術示教系統建設與應用[J].醫學信息學雜志,2013,34(1):38-41.

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[15] 張杰.數字化醫院手術示教系統的分析與應用[J].醫學信息,2011,24(10):6677-6679.

[16] 楊霜英,于京杰,朱四海.大型醫院數字化手術觀摩示教系統設計與應用[J].中國醫療設備,2011,26(9):52-54.

[17] 劉鋒,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.

Design and Application of Digital Surgical Demonstration and Teaching System

YUAN Huiying, LUO Jing, WEI Bing, ZHENG Lei Department of Computer Management Center, Navy General Hospital, Beijing 100048, China

ObjectiveIn order to realize remote operation teaching and observation learning, a digital surgical demonstration and teaching system was developed based on digital operating rooms.MethodsThe video signal was collected by Stryker server, audio signal was collected by YAMAHA interactive terminals. The audio encoder and video encoder processed audio and video signal,which was then transferred to digital surgical demonstration and teaching system.ResultsDigital surgical demonstration and teaching system transmitted the bi-directional audio/video information in 16 operation rooms and 3 teaching rooms.ConclusionDigital operation teaching and observation system is helpful to improve the clinical teaching level, carry out telemedicine and video academic conference, and maintain good medical order.

digital operation room; multimedia technology; operation teaching and observation; video coding; video-on-demand

R197.3；TP399

C

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.11.033

1674-1633(2017)011-0131-03

2016-09-05

2016-10-24

作者郵箱：paperkristy@sina.cn

本文編輯 李美松