数字化手术示教.pdf

1基于高清视频的数字化手术室设计与实现中山大学附属第一医院石志杰摘要摘要：手术视频示教是医学临床教学和医院管理的一个重要环节，依托宽带网络和高清视频设备，本文构建了构建高清手术室视频示教系统平台，完成了高清音视频互动、直播、点播和文本信号网络传输，同时提供强大的系统管理功能，较好满足了医院的需求。关键词关键词 手术直播，视频点播，高清视频中山大学附属第一医院是集医疗、教育、科研为一体的大型综合性医院，为配合临床手术教学及医院管理的要求，需建立基于高清视频的数字化手术室，将先进的数字化技术运用到手术室的特定环境中，借此提高医院教学与手术室管理水平。1.1.引言引言长期以来，针对手术室监管一直是医院管理的薄弱环节，重大医疗事故往往易发生于手术室。同时，随着医院间的交流和联系日益频繁，对手术示教的需求日益高涨，而此与严格的手术室环境要求相矛盾。因此，为更好提高医院手术教学水平、维护正常的医疗秩序，减少医疗事故的发生，医院需要一种行之有效的方式完成对手术的监管和交流。而通过高清数字化手术室的建设，满足了此方面的需求。数字化手术室通过利用高清视频和网络技术1,2，将手术室内的实时状况通过宽带网络传送到远端，使观摩学员在非手术室就能观看手术现场实况（包括病人各种文本诊断信息、PACS 图像和高清手术视频），并可与手术医生实现实时语音视频交互。通过海量数字化存储技术，可对手术进行高清录制、存储，并提供有效的视频点播3、视频后处理等功能。通过互联网扩展，在满足一定带宽基础上，可以与接入互联网的远端医生进行互动和培训4,5。同时，所录制的高清手术视频，对于医疗纠纷也可以起到有力的“举证”作用。从实现技术方面，数字化手术室的建设主要包含以下几个方面内容：1.1.1.1.医院信息系统集成医院信息系统集成数字化手术室在手术室端软件设计中集成多种医疗系统，设计与现有 HIS,LIS,2PACS 等系统进行接口，有效存取手术病人信息数据库和教学视频的相关资料，方便医生了解病人的各种信息。结合高清手术视频和现有 HIS 系统，完成病人信息和手术视频信息的无缝整合。为手术方案制订和手术过程的进行，提供综合、快速的参考。并通过网络技术，将手术室系统状态实时发送到远端，让远端示教室可以实时了解病人各方面信息。1.2.1.2.高清视频示教高清视频示教系统可以连接高清摄像头和高清腔镜，将手术过程中的图像通过网络实时传输到示教室，让观摩学员远程可以看到清晰逼真的图像，有效提高培训的效率；同时提供实时双向语音视频互动，让手术医生和远端的学员可以进行互动提问沟通。1.3.1.3.高清视频远程点播高清视频远程点播针对典型手术，系统提供高清格式的数字化录制，并可提供远程网络播放功能，方便学员日后进行培训学习。1.4.1.4.基于授权的全面视频教学管理系统基于授权的全面视频教学管理系统通过用户名/口令进行身份认证，对系统各类用户权限严格进行控制，防止非授权的网络访问，保证数据的安全。2.2.系统设计方案系统设计方案2.1.2.1.总体规划总体规划本系统以视频会议多点控制单元（MCU）为核心，依托现有高速网络，构建数字化手术室、示教室和相关视频数字化录制设备。包括高清数字化手术室、示教室、管理中心和局域网络用户四大模块。完成基于网络的高清手术室互动示教、高清手术录制，并可对手术过程进行全面数字化录制及管理。通过认证的远端网络用户利用 PC，可对手术过程进行全程实时直播和互动。系统总体拓扑图如图一所示：3 内 网内 网P CP CP CP C高 清 解 码高 清 解 码标 清 编 码 器标 清 编 码 器系 统 管 理 员系 统 管 理 员P CP CP CP C机 用 户机 用 户标 清 互 动 视 频标 清 互 动 视 频C C C CC C C C高 清 摄 像 头高 清 摄 像 头Sony HDSony HDSony HDSony HD1 1 1 1高 清 手 术 视 频高 清 手 术 视 频C C C C腔 镜 视 频 输 入腔 镜 视 频 输 入高 清 编 码 器高 清 编 码 器高 清 视 频高 清 视 频会 议 终 端会 议 终 端X X X X7 7 7 7术野高清视频输入术野高清视频输入Sony HDSony HDSony HDSony HD1 1 1 1高 清 手 术高 清 手 术转 播 视 频转 播 视 频C C C C标 清 摄 像 头标 清 摄 像 头标 清 视 频标 清 视 频会 议 终 端会 议 终 端X X X X5 5 5 5高清视频会议互高清视频会议互动 视 频动 视 频标 清 视 频标 清 视 频高清录播服务器高清录播服务器并发高清录制并发高清录制并 发 点 播并 发 点 播、直 播直 播网 络 存 储网 络 存 储（可 选）高 清 视 频 会 议高 清 视 频 会 议多 点 控 制 单 元多 点 控 制 单 元M C UM C UM C UM C UH IS系 统 等V G A输 入H ISH ISH ISH IS等 信 息 系 统等 信 息 系 统标 清 解 码应 用 服 务 器应 用 服 务 器图表 1：高清数字化手术室拓扑图42.2.2.2.系统硬件设计系统硬件设计a)a)a)a)数字化手术室系统设计数字化手术室系统设计数字化手术室首先需输出多种类型音视频信号供远程示教，包括有高清术野、高清和标清腔镜、互动视频和语音、数字化手术室信息集成系统屏幕信息。输入远端互动视频和语音。针对于此，数字化手术室设计以下设计方案：由于需传输互动音视频和手术室信息集成系统信息 系统通过配置高清视频会议终端，利用该设备实时性强和视频质量高的特点，完成高清手术视频和手术室集成系统信息传输。其中为同时传输高清视频和文本信号，系统采用了“双流”技术；通过高清编码器，系统完成高清术野/腔镜的视频信号编码和网络传输；通过标清编码器使用，也满足了常规尺寸视频处理编码需求；高清液晶电视负责整个系统的控制和医疗信息的调阅，并可以切换观看所有的来访者视频进行互动。如图二所示数字化手术室数字化手术室标 清 编 码 器标 清 编 码 器标清互动视频标清互动视频C C C CC C C C高 清 摄 像 头高 清 摄 像 头高清手术视频高清手术视频C C C C腔镜视频输入腔镜视频输入高 清 编 码 器高 清 编 码 器高 清 视 频高 清 视 频会 议 终 端会 议 终 端术野高清视频输入术野高清视频输入H IS系 统 等V G A输 入图表 2：高清数字化手术室端架构图图表 3：示教室端架构图b)b)b)b)示教室系统设计示教室系统设计示教室主要完成高清和标清视频信号输出和与手术室之间的音视频互动，因此通过配置标清视频会议终端完成手术室视频互动并接收来自手术室的双流数据。高清视频解码采用 PC 机进行高清投影播放，同时遥控器的 PTZ 功能，可以调整远端手术室摄像机的角度和焦距。如图三所示。示 教 室示 教 室P CP CP CP C高 清 解 码高 清 解 码H ISH ISH ISH IS等 信 息 系 统等 信 息 系 统标 清 解 码高 清 手 术高 清 手 术转 播 视 频转 播 视 频C C C C标 清 摄 像 头标 清 摄 像 头标 清 视 频标 清 视 频会 议 终 端会 议 终 端高清视频会议互高清视频会议互动 视 频动 视 频标 清 视 频标 清 视 频5c)c)c)c)控制中心设计控制中心设计控制中心主要完成整个系统的管理、配置等任务。首先，根据手术排班信息，进行多路高清视频分组会议管理。在视频直播期间，可以进行高清视频信号数字化录制，通过应用服务器，并支持网络直播、点播。利用应用服务器，可以对高清视频和医患者信息进行管理。架构如图四所示：图表 4:中心管理系统架构图d)d)d)d)局域网用户局域网用户网络用户终端采用软解压方式显示实时手术情况，并通过授权，可以和手术室进行交流，软终端可以在网络任意节点运行，灵活方便。PC 上要求有摄像头和耳麦，方便沟通音视频交流，并可以进行远程操控。中心管理设备中心管理设备网 络 存 储网 络 存 储高清录播服务器高清录播服务器高 清 视 频 会 议高 清 视 频 会 议多 点 控 制 单 元多 点 控 制 单 元M C UM C UM C UM C U应 用 服 务 器应 用 服 务 器局 域 网 用 户系 统 管 理 员系 统 管 理 员P CP CP CP C机 用 户机 用 户6图表 5:远端用户示意图2.3.2.3.软件系统设计软件系统设计系统软件部分根据实际应用环境，混合采用 C/S 结构和 B/S 结构两种架构。针对互动操作强，终端数量有限的手术室前端系统，采用了 C/S 结构，保证了较强的系统响应速度和较为理想的底层硬件控制能力。针对用户数多、实时性要求不严格的系统管理和示教、点播终端，系统采用 B/S 架构，具有较强的扩展性和系统升级能力。a)a)a)a)医院多媒体信息管理系统医院多媒体信息管理系统此部分包含系统管理和示教点播两个子系统。整体采用 B/S 架构设计，利用部署在中心机房的应用服务器进行发布，其内部遵循医疗信息系统标准协议，可与现有 HIS,LIS 和 PACS 等系统进行有效接口，并以此建立手术病人信息数据库和手术高清视频的集成，方便医生了解病人的各种诊疗信息；通过集成手术示教视频管理平台，可根据不同用户权限进行历史手术视频查询和点播，基于认证的高清视频直播和日常系统管理；图表 6:医院多媒体信息管理系统模块图b)b)b)b)高清手术示教系统高清手术示教系统用 户 登 录管理员系统管理终端示 教、点 播 终 端手 术视 频录 制设 定功 能病 人档 案浏 览查 询功 能手 术视 频浏 览查 询功 能角 色管 理功 能管 理员 密码 维护 功能用 户密 码维 护功 能示 教视 频直 播设 置功 能手 术示 教申 请功 能视 频直 播功 能状 态查 询手 术视 频点 播日 志功 能示 教直 播浏 览功 能7此系统部署在各数字化手术室前端，系统整体采用 C/S 架构设计。系统通过医院 HIS 手术排班系统获取手术室当天手术排班信息，同时接受各视频示教终端的示教申请，审批通过后可以进行视频示教。手术医生可以在手术室电脑上了解有哪些观看者，并可以随时关掉全部或屏蔽部分授权的终端；3.3.小小 结结通过灵活设计软件和配置硬件设备，完成了我院高清数字化手术室信息系统的搭建，目前系统运行状态良好。系统实施后，在手术室端，系统目前可同时输出四路视频流进行远程示教，手术医生可在手术室选择观看任何一个正在观看手术直播者的图像，并在手术台上的显示器上显示；在示教室端，观摩学员可选择观看任何一个正进行的手术室，并提供实时交流互动能力；在中心平台端：手术过程可全程数字录像并存储于录播服务器中，通过严格的权限管理确保视频的意外流失，保护患者及手术医生的隐私。在示教终端，可以通过与现有信息系统接口，方便调阅各类医疗信息用于教学，手术医生也可以通过手术室的屏幕快速了解病人的电子病历资料。参考文献参考文献1 温剑,胡永峰,赵广建,陆敏.远程医学信息网进行手术直播的实现，中国医疗设备，2008,vol23(7):31-35.2 张喜雨.视频会议技术在远程医学中的应用J.医疗设备信息,2006(6):38-40.3 穆杰，刘玉华医院手术转播的三种方式，中国数字医学，2008,vol3(4):69-71.4 李春报,张建中,何红，数字化临床手术示教系统的设计与建立，海南医学院学报，2008,14(5)593-5975 朱成,欧阳宁,王勇，基于网络的手术直播系统的设计与实现，桂林工学院学报2008 Vol128(13),405-410