论数字化手术室建设

于京杰+++马锡坤等

【摘 要】数字化手术室是手术室现代化建设的发展方向。手术室越来越智能化，各信息系统与医疗设备都存有大量与患者相关的数据，多且分散，需要通过技术手段将所有信息集中展现与记录。文章阐述了数字化手术室相关的技术及数字化对象，分析了数字化手术室建设的实际需求，对数字化手术室展现的功能和价值进行了探讨，并结合医院机器人手术室、MR手术室、DSA手术室的数字化建设实际做了案例阐述。

【关键词】数字化手术室 信息集成 手术示教系统 手术麻醉 临床信息系统

引 言

数字化手术室建设的需求来源于手术医生、麻醉医生、手术护士、患者家属、医院管理者等各种不同的需要。

手术医生需要的是手术资料的完整展现与记录，包括手术直播、手术录播回放、手术患者会诊（远程会诊）、手术科研教学等。麻醉医生需要的是记录手术麻醉的记录过程，包括来自于监护仪的患者生命体征的变化，包括围术期各阶段的麻醉诱导记录、术中麻醉记录、术后麻醉总结。手术护士术前需要的是准备消毒器械包、进行手术排班；术中、术后需要实施手术护理工作，并完成手术护理记录、手术收费记录。

患者家属参与手术流程主要体现在医、护、患协同工作的范畴内。患者家属关切患者的手术进展情况，数字化手术室需要提供技术手段与软硬件展现平台，告知患者家属手术进展情况。这包括家属等候区公告宣教系统、手术视频告知系统、手术摘除物记录与展示系统等。

医院管理者包括手术室护士长、麻醉科主任、各手术科室主任以及医院各级领导。因工作岗位与职责的不同，医院管理者对数字化手术室的建设需要也各不相同。

综上，可见关于手术数字化建设的需求是多方面的，其中手术资料的完整记录是一切应用的基础。手术资料的完整记录需要解决的4项前提技术工作是：监护设备接入、视音频设备接入、信息系统接入和麻醉护理记录。后续各项需求与应用可以逐步拓展，但基本的，作为一个能被称作数字化手术室的，应当有手术过程记录（包括手术记录、麻醉记录）系统、手术视音频示教系统。

一、应用技术

数字化手术室的建设涉及的技术领域主要有数字信号接入、模拟信号接入、信息系统接入、网络通讯、网络嗅探、视音频编解码、视频压缩、数据存储和非线性编辑等。这些技术领域的具体应用叙述如下。

（一）监护设备接入技术

监护类设备是指手术室生命体征监测、维系类设备简称，包括监护仪、麻醉机、输注泵、体外循环机和电子尿量计等。其接口比较驳杂。接口驳杂的原因之一在于通讯技术的发展，伴随通讯技术更新，接口大抵经历了和正经历着从RS232串口（包括RS422等）到网络接口的发展过程。原因之二在于通用RS232接口及网络接口不够牢固，部分厂家提供了基于RS232协议或网络协议的接插更加牢固的专用接口，某些专用接口能够使同一设备上的不同接口无法混用、不会错接――插错则无法插入。监护类设备通常有多个接口，用以衔接检测模块、输出生命体征数据、输出生命体征波形和连接其他设备。例如部分监护仪对于生命体征趋势采用串口或专用接口输出，而波形则采用RJ45网络口输出。采集电脑首先要做到与被采集设备硬件接口相匹配，实现采集电脑与设备的对接，这是完成了数据采集的第一步工作。但要正确采集解析出数据至少还要两个过程：其一，设备要能够主动发出数据或经请求发出数据；其二，采集电脑上运行的软件必须能正确的解析出数据。设备发出数据的情况分两类，某些设备主动发送数据，另一些设备仅在通过接口收到指令后发出指定的数据。无论哪种情况，正确采集数据的第二个过程是数据解析，前提是掌握其通讯协议。

（二）视音频设备接入技术

数字化手术室视频设备主要有全景摄像头、术野摄像头以及各种内窥镜显微镜如胸腔镜、腹腔镜、支气管镜、关节镜和机器人等。此类设备的数据输出接口有AV端子、S端子、RGB分量视频接口、VGA接口、高清端口DVi和高清工业级端口HD-SDI等等。胸腔镜、腹腔镜、显微镜和关节镜等各种内窥镜类设备通常采用AV端子、S端子、VGA接口和DVi等接口输出的是视频图像。图像的采集与压缩需要用到视频线缆、视频采集卡或专用视频编码机器等。监护仪具备视频输出功能者大多采用VGA接口，近年来部分产品更替到了DVi接口。所有这些接口都是标准接口，因设备本身的分辨率约束了采集与图像重现的效果，要想支持高清效果展现，必须在视频设备源、视频接口、采集线路、采集设备、编码设备和视频再现设备等整个视频处理链路上全部支持高清才能够实现。中国市场上真正高清1080P的摄像头仍然比较昂贵，许多都超过了十万/台。部分国际品牌的关节镜、内窥镜逐步开始支持高清输出，采用DVi或HD-SDI接口，其输出分辨率有1024×768、720P、1080P等几种。

各类视频编码器大都具备相关的开发接口，应用软件调用其开发接口实现视频图像的采集，而传输、转播和存储等需要软件实现，所以软件水平的高低和软件系统的先进性决定了手术视频转播、录播和观摩的应用效果。视频设备的接入除了实现单向的视频采集外，还需要实现反向的云台焦距的调节与控制，控制摄像的角度、距离等作用。

（三）影像设备接入技术

数字化手术室设备中DSA（数字减影血管造影术）视频、MR设备的采集略有特殊性，DSA是常规血管造影术和电子计算机图像处理技术相结合的产物。通过DSA处理的图像，使血管的影像更为清晰，在进行介入手术时更为安全。DSA类手术的视频设备通常输出的是高清晰的视频信号，输出端口有多种，以DVi类接口、AV端子较常见，相应的需采用支持此类接口的视频编码器。MR设备与DSA设备接口类似，通常提供视频输出接口及DICOM标准接口。

总结来看，这些医学影像设备通过两种接口采集数据，PACS系统通常从DICOM标准接口采集，手术示教系统既要支持从其视频接口采集，也要能支持将PACS系统直接接入。

（四） 化验设备接入技术

化验类设备的数据输出接口大致经历了三个发展阶段：

第一阶段，各个设备厂家各自采用自己的接口。这类接口在硬件形式上通常为RS232，在通讯数据协议上通常是按具体偏移位置定位参数的方式，或者是先输出参数的名称或代码，后面跟实测数值的方式。而且这类设备为了数据输出简便起见，大都采用直接输出数据的方式，即作完检测后直接往外输出数据，而不需要发送请求。目前这些化验设备对数据输出协议已基本公开，数据线的连接大都采用标准RS232接线方式，采集通常不存在困难。

第二阶段，遵循通用标准协议ASTM。二十世纪九十年代的许多化验设备开始遵循ASTM通讯协议，采用请求应答方式，大都基于RS232接口。因为是标准协议，采集通常也没有障碍。

第三阶段，采用HL7协议。HL7协议定义的数据输出方式基于网络接口，数据格式浅显易明，通常在仪器的设置中可获悉其HL7有关端口。

手术室和监护病房常用的化验设备是血气分析仪、血小板检测仪、凝血检测仪和血栓弹力仪等。常见品牌有GEM 3000、ABL、ROCHE等，都具备数据输出功能。

总结而言，化验设备通常在其操作手册中描述了输出接口或者厂家愿意提供的数据输出接口，采集上通常不存在太多技术困难。

（五）环境类设备接入技术

环境类设备接入的价值要低于上述设备，这些设备主要包括灯光控制、温度监测和湿度监测。灯光控制建设需要在安装选型以前进行，选择可以调节的灯光设备，建设红外控制链路，并将控制功能集成到数字化平台中。此外，手术床、吊塔的控制则需要设备厂家提供具备数字接口的床、塔并提供输出数字接口，但是这种控制功能不能直接提供医疗价值或者提供的价值较低，因为这些设备都自带遥控器。

温度、湿度检测需要敷设相关的线路，近年来国际上已有生产无线温度计并开始在中国推广。

（六）视音频编解码技术

视频编码的主要目的就是在保证一定重构质量的前提下，以尽量少的比特数来表征视频信息。视频编码的原理是：由于表示图像和视频信息所需的大量的数据往往是高度相关的，这些相关性会引起信息的冗余，因此可以通过去除这些冗余信息来实现对视频数据的压缩。传统的基于统计特性的运动补偿加变换编码的混合编码框架在数据压缩方面取得了很大的成果，国际通用视频压缩标准均基于此框架。比如H.264系列、MPEG系列以及中国的AVS-P2标准。但是随着计算机网络的不断发展和应用需求的多样化，对于视频编码技术的研究不再仅仅局限于压缩特性，而渐渐开始向网络适应性、用户交互性等方面转移。因此，目前视频编码技术一方面继续以混合编码为框架研究如何进一步提高压缩特性，另一方面不断的向可伸缩编码、多视点编码等分支方向发展。视频编码技术主要有：包括运动补偿、预测编码、变换编码以及熵编码的混合编码技术；更多考虑网络适应性和灵活性的可伸缩编码技术；具有立体感知和交互操作功能的多视点编码技术；无线视频编码技术等。

音频编码的主要目的与视频编码类似，就是在保证一定重构质量的前提下，以尽量少的比特数来表征音频信息。音频编码技术主要分为两类，一类为基于线性预测技术的混合编码；另一类为基于变换的感知音频编码。

手术示教系统的视音频编码需要将视频编码数据与音频编码数据集成后在网络上传输，接收端将码流分离后作解码处理，再行播放已达到示教的作用。

（七） 手术数据超媒体存储技术

手术室的数据不局限于视音频数据，可分为动态数据和静态数据。动态数据包括麻醉过程记录、患者生命体征波形、手术视频记录等，静态数据包括检查化验结果等电子病历信息以及化验结果、体征结果变化趋势等。这些数据即包括格式化数据如电子医疗文书等，也包括非格式化数据如临床生命体征、音视频流等。

手术室的数据必须实现相关存储，以支持检索时可以以任何临床信息为条件，比如患者姓名、手术医生、麻醉医生、手术护士、手术名称、手术出血量和麻醉方法等。这就要求手术检索条件必须支持两种格式存储，一种是以数据作为数据库字段内容，数据字段内容检索应当支持模糊检索，一种是将检索因子数据集成到手术记录的整个超媒体存储方式中。超媒体存储内容基本包括：多路视音频流包括术野摄像、全景摄像、内镜视频、监护视频、麻醉过程视频记录、手术相关视频场景记录；患者基本信息、患者手术信息、检查化验结果、麻醉记录等专科电子病历信息。

手术室的数据存储必须支持时间戳，亦即回放手术过程时可以选定任意时间点展示，做到任何时间点的手术医生动作、麻醉医生操作、手术护士操作、患者生理信息变化都可以完整展现，以实现医疗举证与临床分析。

（八）双流技术

手术直播经常遇到需要传输到院内、院外两个场景的要求。院内局域网上带宽具备，可以传输高清视频，而院外因特网上带宽通常只有院内的百分之一左右，难以传输高清乃至标清视频，这就要求视频编码器应支持输出两种码流，即院内高清码流和院外传输所需的压缩码流。

（九）直播时延技术

因手术直播过程中可能会遇到不宜在网上直播的内容，包括患者隐私部位的掠过、手术中偶发的低级失误。数字化手术室的视音频示教系统应当支持手术直播的时延，而且延时的时长应当可以设置，比如设置1分钟、2分钟，这样在出现不宜直播内容的情况下，医院内网管理人员在看到视频后可以来得及中断或跳过外网上的直播，或者插播一段事先准备的内容。

（十）虚拟现实技术和增强现实技术

虚拟现实技术主要应用于数字化手术室的神经外科手术导航，以患者人自身的CT、核磁共振等医学影像学数据为依据，利用三维立体模型，建立虚拟现实空间。可以对立体三维图像进行互动操作工作，可以模拟手术的真实过程，既有虚拟性又有交互性。虚拟性表现在如计算机技术可以个体化三维还原每个病例的实际脑部解剖，摆脱千篇一律的解剖图谱和手术图谱，使术者对该病人的病变大小、形状与周围血管、骨骼、神经有充分、直观、立体、动态的了解；交互性主要体现在系统可以按操作者的意图去执行，即按手术步骤进行操作，类似于真实的手术过程，并能产生及时可见的结果。其最大优势在于可逆性，可以在术前无数次修改并确认哪种模拟手术计划为最佳手术方案。

增强现实技术在手术机器人中有落地应用。医生在利用机器人作手术时，由计算机生成的3D解剖图像将使医生看见治疗手术器械进入到人体什么位置，还需要如何进行调整等。

二、 实现方式

（一） 数字化对象

数字化手术室建设是手术过程的完成记录。记录的数据包括患者信息、患者手术基础信息、手术视音频记录、麻醉记录、手术过程协同工作记录。因此，数字化手术建设数字化对象自然是这些数据的来源，数据来源分两类，一类是设备，另一类是人。换言之，一类是采集数据，一类是工作流程数据。

工作流程数据主要包括麻醉医生的术前诱导、术中麻醉、术后复苏、术后镇痛、术后随访，包括手术医生的手术过程，包括手术护士的手术护理，包括整个手术室的医、护、患协同工作。从工作流数字化的角度讲，数字化的目的是流程再造、流程优化。

采集数据来源主要是两类，一为患者监护与检测设备数据，包括监护仪、麻醉机、输注泵、体外循环机、镇痛泵、电子尿量计、血气分析仪、凝血检测仪、血栓弹力仪；另一类是视音频记录设备，包括内窥镜、显微镜、关节镜、术野摄像机、全景摄像机、手术机器人、MR、DSA、无线耳麦、音箱话筒等。其它有关灯光、环境温湿度等信息，具备接口或接入方式的情况下，也可接入到数字化手术室平台。

概言之，手术室数字化的对象即是流程数据与设备数据。

（二）展现功能

数字化手术室展现的功能与价值是服务于手术相关人员以及医院管理的，包括服务于麻醉工作流的麻醉医生工作站、麻醉主任工作站、麻醉移动访视系统、术后镇痛系统；服务于手术流的手术示教系统、手术摘除物记录系统；服务于护士的手术护理记录系统；手术器械清点系统、手术计费系统，服务于医护患协同工作的手术排班系统、家属等候区公告宣教系统、手术进程跟踪系统；服务于医院管理与医疗质控的手术核查系统、手术安全准入系统、麻醉质报系统。

（三）建设案例

南京军区南京总医院2010年手术室改造，建设了6间手术室，其中3间高标准的手术室，1间达芬奇机器人，1间MR，1间DSA。同时同步建设了数字化手术室中的核心系统，包括手术示教系统、麻醉临床信息系统，实现了手术信息的完整记录、手术过程院内直播、手术过程远程在线直播、手术记录录播回放辅助科研教学。

手术间配置了术野高清摄像机、吊顶全景摄像机、吊臂全触控操作屏、吊臂液晶显示器，其中视音频编码设备安置在手术间专设的设备间。所有视音频信号经视音频编码器编码后数字化，直接在网络上传播，网络可达的任何地方，都可以实现手术直播。同时，系统建立了直播以及录播回放的完整鉴权体制，保护医生的学术隐私和患者的个人隐私。以MR手术间为例，结构布局与线路说明如下：

结 语

所有视音频设备都连线到操作间的视音频编码器，其中术野摄像机、全景摄像机敷设视频线路、控制线路、电源线，吊臂显示器敷设VGA色差线路、电源线，墙壁液晶电视敷设VGA视频线、电源线，音箱、无线耳麦敷设音频线路。

系统建设完成后，我院在国内首家接入了达芬奇机器人，并实现了手术高清信号院内直播，以及南京与北京之间的远程直播。

（责任编辑：丛 军）

参考文献

[1]陶 钧 张 军 姜志宏 三维小波视频编码的可伸缩性研究.小型微型计算机系统，2005.26.2

[2]魏 民 设备信息集成技术在手术室与监护病房的应用. 中国数字医学，2010

作者简介

于京杰 马锡坤等 南京军区南京总医院