4K超高清技術在醫療領域中的應用

潘智堅

（中山廣播電視臺 廣東省中山市 528405）

1 前言

4K超高清技術在電影、電視領域的應用已廣為人知，但是，在其他行業的應用仍有相當大的挖掘空間，譬如醫療領域。當年在索尼高清學院觀看到的4K超高清拍攝的心臟外科手術畫面相當震撼。由此產生了將4K超高清技術應用在醫學領域的念頭。正所謂隔行如隔山，跨的界有點寬，一直找不到北。在一次跟醫院的同學聊天過程中發現，其實醫院對于如何應用先進的影像技術進行外科手術過程的醫療教學也是一直沒有找到好的方法。由此，兩位同學一拍即合，決定來一次廣電+醫學的強強聯合。

2 技術方案

平生第一次進入醫院的手術室內，發現有各種各樣的醫療器械，如內窺鏡、顯微鏡、無影燈等一摞醫療器械。經了解，醫院的手術室一直渴望可以將外科手術的過程進行直播，可以為實習醫生培訓、特別是邊遠地區醫生的學習培訓提供便利。其實手術室內已鋪設了千兆網，但是醫院過去經過多次的嘗試均沒能成功，或者說直播圖像比較模糊、效果比較糟糕。在掌握了基本情況后，我們應用廣電行業的技術為醫院設計外科手術室直播系統。技術系統由四部分構成：

信號采集、編碼，網絡發布，終端顯示，通話指揮系統。

2.1 信號采集、編碼

手術室內的信號源主要來自內窺鏡、顯微鏡、超高清攝像機等。通過實地勘察，手術室內的醫療影像設備均帶有HD-SDI或HDMI接口。本次，我們為手術室配備的超高清攝像機帶有12G或HDMI2.0接口，可以輸出4K超高清視頻信號。我們本次為手術室選用的超高清攝像機帶有控制云臺及接口，可實現遠程的推、拉等動作，攝像機是專為手術室而設計，在無影燈高亮度條件可清晰地拍攝到手術的過程。本次的系統設計，第一是要求畫面必須清晰穩定；第二是必須低延時，讓遠端的醫生學員或者專家能及時收看和指導現場的手術；第三是能實現遠端與手術室的即時通話。因此，我們的系統方案是選用一款專業的醫野4K攝像機（見圖1）、廣播級的超低延時編碼器完成信號采集。本次選用的醫野4K攝像機由于采用大尺CMOS傳感器和非球面鏡，具有低噪點的細膩畫質。同時，具有變焦控制功能，醫生助理可采用特寫拍攝手術過程中復雜的畫面。4K超高清分辨率，能夠為外科醫生和臨床工作人精準地還原拍攝細節。1.0英寸大尺寸傳感器，光通量要遠遠超過傳統攝像機，從而拍攝出噪點極低，細節豐富的高品質圖像；同時，搭載的圖像處理裝置可忠實還原拍攝物體的紋理和細節，圖像噪點低；配備超薄高級非球面鏡片（AA鏡）大孔徑4K鏡頭，即使在畫面邊緣也能維持原有分辨率；具有自動曝光補償功能，在難以調整曝光的無影燈環境也能準確地完成拍攝；另外，還配備天花板吊臂或落地吊臂，便于安裝。

圖1：Sony MCC-S40MD4K吊臂安裝視頻攝像機

本方案選用的編碼器（見圖2）單臺支持完成1路4K信號（3840*2160 60p的12G或4*3G）或4路高清信號(1920*1080 60p 4:2:2 10bit)的編碼，編碼方式支持HEVC（H.265）、H.264，并支持配置為恒定碼率模式和可變碼率模式；恒定碼率可在穩定的網絡環境傳輸高質量的視音頻信號，有利提升遠程醫療直播質量，比如醫院內網絡環境，第三方電信公司的專線或OTN網絡等；可變碼率應對復雜的公網環境，可以將高質量的視音頻通過公網傳輸并保證信號的穩定性。編碼輸出滿足目前大多數的網絡傳輸協議：SRT/UDP/RTP/RTSP/RTMP；編解碼過程采用高效率低延時芯片解決方案，最低延時可控制在70ms以內；低延時的技術手段是對遠程信號直播的極大推動，特別是針對實時性要求很高的外科手術直播，可以廣泛應用于廣播電視、遠程醫療、遠程教育、應急指揮等領域。

圖2：編碼器

如圖3所示，我們同時將攝像機、內窺鏡、顯微鏡等4路HDSDI信號輸入送入編碼器，通過H.264或者H.265方式完成對視頻信號的編碼壓縮，壓縮碼率在高清狀態下采用8M，4K狀態下采用48M，輸出為IP碼流信號，畫面清晰穩定；按照這個碼率，高清信號完全可以采用公網或5G網絡傳輸，4K信號也可以嘗試采用5G網絡傳輸，這次由于條件限制，未測試5G傳輸效果。本次我們選用的攝像機帶以太網控制接口，手術室內的助理或遠端的專家可調整攝像機的畫面。考慮到手術室內的醫生還需要跟場外的專家進行溝通，或者跟受訓的醫生進行教學講解，因此，我們在手術室內配置了IP雙向內部通話系統、外放設備等。為不妨礙醫生手術過程的操作，我們采用藍牙通訊技術，將醫生的麥克風與IP雙向內部通話系統連接。編碼器打包后的IP碼流信號和雙向通話信號，在交換機匯聚后，通過手術室內的千兆網送達醫院內部的多媒體中心機房或其他終端設備。

圖3：終端顯示設備

2.2 網絡發布

本方案的網絡發布可以有兩種模式：模式一 編碼器直接推流。編碼器背后設有2個千兆以太網接口，1個用于推流，1個用于網管，通過網管進行推流地址設定等操作。由編碼器直接將接入的4路HD-SDI信號推4路IP信號到醫院內網指定接收設備，接收端通過內部網絡收看手術過程，這是一種點對點的方式，欠缺靈活性。模式二 由醫院媒體中心的多媒體服務器對編碼器進行拉流，再由媒體服務器進行發布。這樣的方式比較靈活，不用固定收看場所，只要有網絡就能收看，而且可以多終端收看，在內網或互聯網上均收看。

2.3 終端顯示

終端顯示設備如圖3所示，包含了解碼器、畫面分割器、顯示屏、硬盤記錄設備等。解碼器與編碼器匹配，是一個反過程，將接收到的IP信號解碼成HD-SDI信號，最多可以輸出4路HD-SDI信號。考慮到醫院一般沒有帶HD-SDI專業接口顯示器，所以，方案中增加了高清畫面分割器，將多路高清視頻信號合成一路HDMI信號，送普通高清或超高清電視機觀看，一臺電視機可以同時收看手術室的多路信號，這樣大大節約了成本。

通過實際的測試，視頻信號從手術室至顯示終端，總的延時約1秒鐘左右，實現較低的延時量，超出院方的預期。

硬盤記錄設備完成對手術整個過程的視音頻的錄像保存功能，保存后的錄像支持回放，為醫療教學提供參考素材。

2.4 通話指揮系統

通話系統采用廣電行業慣常使用的IP內部通話系統。IP內部通話系統使用起來比較方便，只要ping通雙方的IP地址，手術室與手術觀摩室的專家、醫生就可以進行通話討論、提問。這里有個關鍵性問題就是通話和視音頻系統是各自獨立的IP系統，是通過交換機匯聚后再于兩端或多端的終端聯通，此時如果需要手術室與手術觀摩室的專家、醫生進行通話討論、提問，對系統的實時性，延時一致性要求很高，這里我們要求音頻的延時時間和通話延時時間基本一致才能達到要求；通過實際測量，IP內部通話系統延時量約為100ms左右，配合視音頻編碼器的70ms左右的延時，使得通話系統和視音頻系統基本同步且貼近實時，應答響應完全滿足要求。

在手術室內，醫生采用藍牙耳麥跟IP內部通話主站相連，同時還設有監聽喇叭，聆聽手術觀摩室的專家、醫生的提問。這里需說明一點，手術室內的多路視頻信號與內部通話信號是相互獨立的，各自分開傳送，通話聲音并沒有嵌入到視頻信號中打包傳送。如嵌入傳送，一方面增加成本，因為需在手術室和手術觀摩室增加加、解嵌設備，而且系統變得復雜。另一方面，醫院幾乎沒有這方面的日常維護人員，一旦發生一丁點兒故障必然影響整套系統的使用。所以，從實際出發，系統越簡易就越牢靠。在手術室內，我們將所有的編碼、IP內部通話、交換機等設備整合到一個小型飛行箱，醫院只需要通電、連接信號線就好。在手術觀摩室，同樣將解碼器、高清畫面分割器、IP內部通話系統整合在飛行箱內，只需簡單的通電、連接信號線就可以使用。

3 未來展望

早早就有5G+醫療手術直播或遠程手術的相關報導，但目前5G網絡的覆蓋密度、超高清信號的穩定可靠上行傳送仍有待加強。但我們相信，隨著5G網絡的不斷完善，外科手術直播系統布網將會越來越便捷。小型4K超高清攝像機已推出網絡推流功能，相信廠家不久會根據用家的使用需求為醫野攝像機增加推流功能選件。這樣，就會大大方便了手術直播，為經濟欠發達地區的醫生提供了良好的培訓手段，為醫生之間的相互交流、學習提升搭建便捷平臺，讓邊緣地區的病患能獲得遠在千里之外專家的悉心指導，提升了當地的醫療水平，提高了人民的幸福獲得感。人民對美好生活的新需求，就是我們的奮斗目標，讓我們共同努力，為智能醫療系統的建設添磚加瓦！