高清網絡視頻系統在數字化手術室的研究與實現

張曉平

（南京鼓樓醫院計算機中心，江蘇 南京 210008）

1 引言

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

傳統的手術室因為資源配置、系統凌亂、操作復雜、技術落后等原因，發展受限，經過醫療信息行業多年的發展，高清數字化手術室的技術日趨成熟。目前，南京鼓樓醫院數字化手術室采用一套高清網絡視頻醫療手術輔助系統，它主要包括四個組成部分：手術室音視頻一體化管理系統、一體化交互式手術示范教學系統、一體化手術室多媒體存儲系統以及一體化手術室設備集中控制系統，結合醫院信息系統（Hospital Information System，HIS）和影像數據傳輸及儲存系統（Picture Archiving and Commu?nication System，PACS）［1］等進行有機整合，為鼓樓醫院手術室提供更加高效、舒適、安全、便利的操作環境。

2 高清數字化手術室需求分析

數字化手術室，是通過將先進的信息化技術運用到手術室，使得醫生能夠實時獲得大量與患者相關的重要信息，從而便于操作，提高效率［2］。根據南京鼓樓醫院手術室的發展現狀，該高清數字化系統主要包括以下幾個功能：

（1）手術室視頻源：手術室配備有各種各樣的醫療內窺鏡，而每一個內窺鏡必有一個內窺鏡攝像機（Endoscopic Camera），加上高清術野攝像機（Sur?gical Field Camera），手術室監控攝像機（Surveil?lance Camera），以及生命體征儀的視頻輸出（Vital Signs Video）。

（2）網絡視頻通信：需要實現視頻壓縮、解壓，視頻編碼、解碼，同時，完善寬帶網絡通信技術，普及醫院院區的網絡基礎建設。

（3）手術專業應用：應用現代最先進的視頻通信技術，充分利用手術室現有的各種醫療視頻源，建造專業化的手術專業應用，是醫院建設的重要部分。這些應用包括：手術會診、手術指導、實時互動的病理分析、醫療專家現場會議、大型學術會議的手術直播、實時觀摩、示范教學［3］。

3 高清數字化手術室技術簡介

數字化手術室系統從視頻流的獲取、直播、編碼，到視頻的分發、轉播、傳輸、錄音、錄像，以及后續的歸檔、解碼和顯示等，都能通過該系統呈現給用戶良好的高清體驗。數字化手術室高清系統以國際標準的“統一通訊”架構為核心的基礎平臺（如圖1所示），該系統平臺提供并保證了最為基本的、豐富的、可擴展的音視頻通信功能，它可以與世界上任何一個標準的音視頻終端相連接。根據圖1，該VioSphere系統由多個基本服務和子服務組成，這些服務包括以下幾個部分：

（1）運行于Linux之上的“統一通訊”（UC）：語音管理服務（Call Manager）；（2）視頻管理服務（Video?Manager）；（3）流媒體管理控制軟件包及中間件軟件（VioSphere）［4］；（4）流媒體分發管理服務（SDS：Streaming Distrabution Service）；（5）多媒體存儲管理控制服務（MRS：MediaRecording Service）；（6）多對多網絡視頻幾陣（NVM：NetworkVirtureMatrix）；（7）網絡多點控制單元（MCU：MultiPointControlUnit）。除此之外，該系統支持SIP協議標準，可與其他支持同樣協議標準的系統終端互聯互通，協同工作。整個系統終端容量（手術室、示教室）不受設備接入能力限制，理論上可以進行無限的擴充；也就是說，通過這一平臺，其它各種各樣的音視頻終端（如寶麗通的會議終端，思科的網真系統以及網絡電話等）均可接入成為我們的終端設備。

其中，中間軟件主要用來提供系統軟件和應用軟件之間連接以及應用的基本權限及授權管理、應用接入許可證SAL（Streaming Access License）的管理。它可適用于手術示教、遠程醫療會診、醫療探視及監護等應用，而應用管理軟件，置于系統的最上層，主要負責應用流程管理控制服務、元數據信息（Metadata）的錄入編輯等等。

根據鼓樓醫院局域網現狀以及平臺的基本架構，該高清數字化手術室的網絡拓撲圖如圖2所示。

4 高清數字化手術室的實現與應用

4.1 數字化手術室系統和其它信息系統的對接

鼓樓醫院的數字化手術室系統和醫院的HIS、電子病歷、手術麻醉、遠程會診等系統進行對接。對于將要進行的手術病人可以通過病人住院號，從系統中點擊HIS，直接系統讀取病人基本信息，從電子病歷系統讀取病人治療病程等信息、從手術麻醉系統中讀取病人手術排班信息等，同其它系統的信息共享，避免了該系統的許多手工錄入工作，對傳統手術信息是一個有力地補充，也加強了病人手術的閉環管理。另外，目前醫院正在開發在電子病歷系統中嵌入病人手術期間手術錄像調閱的按鈕，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 數字化手術室網絡拓撲圖

圖3 高清醫療示教系統從HIS中調取病人信息

4.2 錄像存儲和數據調閱

數字化手術室系統提供音視頻錄制功能，可將手術操作過程錄制成教學影像課件，供實習醫生、醫學院校學生學習使用，也可作為多媒體醫學病歷資料保存使用。對手術現場的錄音錄像，以及經后期編輯，整理并存檔存儲資料，可隨時通過網絡內部以VOD的形式進行訪問及調用。經過授權的實習醫生也可在網絡上的客戶端下載典型手術視頻進行觀看、提高學習效率。錄像智能搜索：在系統設置好以后，示教直播的同時手術示教系統的數據中心會自動進行歸類存儲。經授權的用戶，只要登錄到數據中心，輸入關鍵字（如：主刀醫生姓名、患者姓名、手術名稱、科室等），所有相關手術錄像資料即可按時間順序列出，點擊相應的文件即可在線回放及下載，如圖4所示。

4.3 同聲翻譯、協同工作

除此之外，它還是一種強大的醫學教學工具，可通過它，為現場手術醫生和遠程醫療專家們提高實時音視頻交流，共同分享視頻圖像，進行醫療會診及二次診斷。另外，在緊急醫療情況下，如果發生醫生和病人所說的語言不同，系統還可以接通即時傳譯服務中心幫助進行翻譯工作，如圖5所示。

目前鼓樓醫院大多數新的手術室都配置了多個視頻獲取設備（如高清術野攝像機、高清場景攝像機、各種高清腔鏡攝像機、高清窺鏡攝像機等），統一進行數字化處理，將視頻流轉換成無損壓縮的高清IP數字信號，再經醫院IP網絡傳至中心服務器系統，為手術室的醫療人員提供下列兩個方面的工作指導：

（1）協同工作：針對手術室醫生與場外醫療專家進行的互動交流，從手術室到病理實驗室，系統提供了從視頻的獲取、編碼、傳輸、存儲、分發、解碼及播放全程高性能（全高清，全禎率，低延時）的醫療視頻設備，把分處不同地方手術室與會診專家連接在一起，幫助醫生超越了時間和空間的障礙，實現手術室與遠程的醫療專家們進行高清實時的音視頻互動與交流，有如雙方身處一處，雙方協調工作，效率大大提高。

（2）手術指導：由在場外的有經驗的醫生，指導實習手術醫生進行手術（如省級、市級中心醫院的專家，可以對縣級醫院緊急不適合轉診大型手術實施指導等），中心醫院的專家通過會診終端，實時地觀看手術過程，根據高清視頻圖像并結合自己的豐富經驗，為主刀醫生提供重要的建議；手術中創口重點部位還可以放大，極大程度地提高了診斷的準確性，最大限度地提高手術的成功率。

圖4 高清醫療示教系統回看手術信息

圖5 數字化手術室高清視頻的應用

4.4 高清手術室實時互動病理分析

高清網絡視頻系統除了可以為手術室提供上述工作指導外，還可以提供實時互動的病理分析。目前，普遍認為腫瘤診斷的金標準是病理學診斷，而病理學診斷又分為細胞病理學和組織病理學兩種。病理分析最大的特點是診斷準確，但由于必須要進行活檢，所以除了消化道疾病可以通過內鏡進行鉗取活檢外，大多數都需要在手術過程中進行切取樣本制成病理切片后用顯微鏡來進行診斷。

由于惡性腫瘤和良性腫瘤手術是有很大區別的，所以盡快得出病理診斷對手術來講至關重要，目前國內使用最多的是冰凍切片進行快速病理分析的方法。雖然病理診斷必須再進行培養和分析，然后才能出結果是良性或者惡性，但有經驗的醫生在看到切片后基本可以進行初步判斷，判斷成功率為70%左右。

手術醫生可以通過高清視頻醫療手術輔助系統，快速地與病理科專家進行實時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，手術主刀醫生可以在手術室的數字化終端上看到整個高清的顯微鏡診斷過程，雙方還可以實時討論，如果切片質量欠佳，病理專家還可以指導手術醫生重新進行活檢，為手術爭取寶貴的時間，病理專家在無法診斷的疑難病例的情況下，還可以邀請外院的相關專家一同進行多方互動會診。

4.5 手術觀摩示教和遠程醫療專家現場會議、會診

（1）院內手術觀摩：在手術現場的實時觀摩和示范教學方面，高清網絡視頻系統同樣存在優勢。一般情況下，醫學院學生必須在醫院臨床實習一年以上才能畢業，但由于實習畢業生眾多，傳統的做法是安排實習醫生利用醫院的網絡傳送到需要的示教室、異地會場、醫學院等；主刀醫生可通過無線耳機與會場主講教授進行實時高品質的對話，或與醫學院、兄弟醫院進行三方或多方會議討論，而手術示教系統的高清音視頻錄制、集中存儲和調閱為醫院學術會議、示范教學提供一種便捷的方式，為實時醫生進行手術觀摩提供便利。

（2）實時遠程會診：該數字化手術室系統與鼓樓醫院遠程醫學會診平臺實現互連互通。鼓樓醫院遠程會診平臺采用思科的網真設備，通過IP網絡和北京、上海等地大型醫院、醫聯體集團內醫院以及援疆、援藏等幾十家醫療單位對接。手術室的所有視頻流匯集到數字化手術室系統服務器，通過國際標準的SIP通信協議和鼓樓醫院遠程會診平臺對接。在會議室進行會議的遠程醫療專家可以從高清手術示教系統的服務器中，非常簡單地接入任何一路或多路實時的視頻圖像或手術錄像，就像接入一方會議方一樣。而且一路或多路圖像還可以通過會診平臺的輔流共享功能，共享醫療圖像給遠程的與會者，再結合會診平臺的病人信息資料，同時進行遠程會診。

（3）遠程示教：鼓樓醫院承擔著大量對幫扶醫院的教學工作。該系統的建成也為鼓樓醫院醫聯體集團和醫院幫扶下級醫療機構的遠程教學工作帶來便利。同樣利用遠程會診平臺的輔流共享功能，在會診平臺調用到手術示教畫面直接共享給平臺上的其他連接醫療單位。而該系統的服務器所支持的國際標準的SIP通信協議可與目前市場上支持SIP國際標準的主流品牌視頻會議系統對接，互通互聯，解決不同系統的互通問題。其它醫療機構醫生完全可以在自己醫院示教室內借助通用的音視頻設備，實時觀摩手術和主刀醫生進行互動或者經授權后點播手術錄像進行觀看學習，大大降低醫院的系統投入成本［5］。

自2013年下半年系統建成投入使用以來，鼓樓醫院已經成功開展各類高清醫療手術示教案例147例，院內點播觀摩人次達到三千多人次。通過遠程會診平臺向鼓樓醫院醫聯體內的南京市內區縣醫院、省內宿遷、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院進行遠程手術示教三十余次。得到了各級醫生、老師、學生和患者的一致好評，取得了良好的社會效應和評價。

5 結論

鼓樓醫院高清網絡視頻醫療手術輔助系統的相關特點，符合數字化醫院的基本功能要求，方便醫生以及醫療專家給病員患者更準確的確定病因，制定更合理、有效的治療方案，還對醫療人員更確切、逼真、方便以及提高教學質量有很大幫助；醫療專家、醫生、學生們，不僅可在會診室、會議室、示教室和醫生辦公室等區域進行實時觀摩、學習手術指導操作過程，還可以利用音視頻錄制功能，將手術操作過程錄制成教學影像課件，供實習醫生、醫學院校學生學習使用，也可作為多媒體醫學病歷資料保存使用。高清網絡視頻醫療手術輔助系統是一種強大醫療輔助以及醫學教學工具，通過它，可以為現場手術醫生和遠程醫療專家們提高實時音視頻交流，共同分享視頻圖像，進行醫療會診及二次診斷［6］。該系統為患者提供優良服務的同時，也為臨床醫生提供了豐富的醫療資源和學術依據。

［參考文獻］

［1］ 張臣舜，張 濤.醫院數字化手術室建設的發展趨勢［J］.中國醫學裝備，2012，9（12）：67-69.

［2］ 周 雄.淺談高清數字化手術室系統的設計與實現［J］.中國繼續醫學教育，2015，33（7）：20-21.

［3］ 宇新民，李宏斌，仝武寧，等.數字化手術室的研究與設計［J］.科學研究，2011，8（7）：38-40.

［4］ 伊景忠，蔣協遠，田 偉.醫院全新數字化手術室改造方案淺析［J］.醫院建設，2008，9（6）：12-17.

［5］ 王玉珍，王 健，趙正軍.醫院數字化手術室的整體設計與實施［J］.醫院數字化，2016，31（10）：90-92.

［6］ 魏 濤，楊 勇，邵 蕾.數字化手術室多路高清視頻合成系統的研究［J］.外科研究與新技術，2016，5（4）：281-286.