远程高清手术示教系统构建

朱 佳 刘 云 王忠民 冷 锴 朱一新

(南京医科大学第一附属医院 南京 210029)



远程高清手术示教系统构建

朱 佳 刘 云 王忠民 冷 锴 朱一新

(南京医科大学第一附属医院 南京 210029)

利用计算机多媒体技术采集并转换音、视频信号，通过网络通信路由技术实现音、视频文件的直播、录播、转播和点播，建立远程高清手术示教系统。介绍系统功能、设计方案及组成，指出该系统实现手术现场以及示教室的高清视频传输和语音对讲，提高临床手术教学的技术水平。

手术示教系统；高清；远程；音视频

1 引言

随着经济社会的快速发展，人们对医院的医疗服务质量提出了越来越高的要求。外科手术是医院治病救人的关键业务组成部分，需要大量具有丰富临床经验的医生，医院通常需要通过手术教学来培养广大医生和临床实习医生。传统的手术示教是人员分批分次拥挤在手术间观看，因手术室空间有限,不仅容易给洁净手术室带来污染，对手术中的医生造成干扰，而且观摩效果受视野角度影响也很难达到满意。为更好地满足临床示教需要，提高手术示教的数量和质量，同时减少观摩者对无菌区的污染，开发一套数字化、智能化的手术示教系统具有重要意义[1]。手术示教系统是指借助现代音、视频传送技术，对手术过程进行异地观摩的一种教学手段[2]，随着信息化建设的不断发展，医院对视频应用需求也在不断发展，现代化的数字手术示教系统越来越成为一个热门话题[3-7]。目前我国医学临床教学需要突破传统手术示教的限制，利用现代科技来加强手术管理，以提升手术教学的精确及互动，使得临床医师之间的手术观摩变得更加有效[8]。

2 手术示教系统功能

2.1 总述

高清手术示教系统实现了手术过程的视频教学及高清实训示范教学，实现对本地资源的采集和整合，对远程资源的调用整理，对所有资源进行统一的数据化储存，对所有数据进行智能化管理运用。该系统不仅能监看技能实训中心所有的实时高清视频，而且还可通过IP网络实现医院外科手术室的手术过程细节以及医疗设备数据信息的实时直播(包括模拟手术室)，教师可根据需要自行在讲课过程中实时地申请观摩正在进行的手术，在征得同意后，可自行选择观看手术室内的手术视频及各类医疗设备的数据情况，据此对学生讲解手术内容，从而在示教室全方位、立体化地实时观摩学习手术过程。该系统还可实现手术过程、学生练习过程的录像并存储，方便管理及调用；可供老师或者专家用于日常的教学或者对学生的评估。

2.2 具体功能

具体包括如下功能：(1)中控室需要监看到技能实训中心所有的实时高清视频并能与各语音终端互动，在监视屏监看任意多路视频；也能看医院外科手术室手术实时视频并能语音互动。(2)模拟手术室可以实现手术视频转播及音频互动；还可直播医院外科手术室手术实时视频并能语音互动；能点播回放存储的所有视频。(3)可实时监看动物实验室、虚拟内镜实训室、急救实训室、麻醉技能实训室、模拟产房及护理技能实训室的高清视频。模拟ICU的监控室能看到ICU里的实时场景视频及语音互动。(4)外科技能实训室、儿科技能实训室、模拟病房、妇科技能实训室、心肺听诊腹部触诊实训室及内科技能实训室都具备语音互动功能，随时点播回放存储的所有视频。(5)大会议室、阶梯教室、多媒体计算机室及基础腔镜培训室不仅能观看医院外科手术室实时视频，还能与医院外科手术室实现音频互动，可随时点播回放存储的所有视频。(6)系统可以实现在各实训室操作结束后进行点播回放，进行教学评估。医院外科手术室手术视频、各实训室视频及相应音频等都能实时地录制存储。系统中不同人员具备不同的管理级别。(7)能实时手术转播的地方同时具备点播回放功能，实时转播及点播回放的内容为医院外科手术室及各实训室的音视频。

3 手术示教系统设计与实现

3.1 设计方案

手术示教中控室对医院手术室内的视频信号集中进行编解码和存储；将手术室内的术野视频信号和音频信号通过移动终端进行数字编码并接入网络，内网用户可以通过手术示教视频软件直接观看手术室内高清术野视频。每个手术室都配备一个移动终端，可以输出一路高清视频信号、一路标清全景视频信号和一路语音信号，输入一路高清视频信号和一路语音信号。高清视频信号和音频信号经过高清光转换器转变为光信号传送至手术示教中控室；手术室的术野视频信号和腔镜视频信号经过移动终端后，一路接入高清编码器，一路接高清光转换器发送到中控室。中控室中利用光纤将手术室高清信号传输至模拟手术室或示教室；在示教室通过解码器还原高清视频信号后，经过格式转换接入高清投影机和音响系统。示教室和阶梯教室的现场视频经过光纤传输到中控室，通过中控室的光纤送到对应的手术室，在手术室的数字移动终端中还原为模拟的音频、视频信号后再接入电视机中；所有标清和高清编码器都接入内网中。中控室中将安装存储服务器和流媒体转发服务器；示教室和办公室中的内网用户均可通过手术示教视频软件观看网络直播和点播手术示教视频。

3.2 系统组成(图1)

图1 手术示教系统组成

3.2.1 采集端 手术室的无影灯臂上安装术野高清摄像机，角落安装全景摄像机，高清和全景信号均通过光纤送至中控室。为了远程高保真示教，示教室内的高清视频信号和语音信号输入高清编码器，以便形成数字信号传输到中控室的存储服务器。示教室音、视频信号通过光纤传输到手术室，经过解码器还原为音、视频信号后分别接入到移动终端的扬声器和液晶显示器。手术示教室配备扩音系统和会议系统。手术视频通过光纤传输到手术示教室后，利用高清视频解码终端接收和还原为高清HDMI信号，再接入到网络视频矩阵控制器，通过矩阵显示至液晶屏或投影幕布上。同时从会议系统输出一路音频和一路视频，通过光纤传输至手术室，实现在手术室内观看示教室图像和与手术示教主持人的语音对讲。

3.2.2 中控系统 中控室安装1个服务器标准机柜，由视频通信服务器、视频矩阵服务器和视频存储点播服务器组成，完成对采集来的数字信号存储、转发、调度、控制和管理，从而实现点播、转播、录播等功能。当视频通信服务器接收到客户端发出的浏览请求时，将验证其用户的合法性，验证通过后向视频存储服务器发出请求指令。视频存储服务器在接收到服务器的请求后，将根据IP 地址列表，确定相关设备的地址以及其他信息，将该设备上录像资料和数据转发给发出请求的客户端。中控系统结构，见图2。

图2 中控系统结构

3.2.3 客户端 在普通PC上安装相应的手术示教视频管理软件，只要PC接入了医院内网，就可以通过客户端软件实现经过授权控制和用户验证的手术示教视频点播。同时软件还具有权限管理、手术过程的对讲互动、录制存储等功能，也可以通过IE浏览器实时观看和点播影像资料。

4 结语

多媒体手术示教系统建立在计算机网络的基础上，采用了先进的数字化采集技术，因此整个系统具有广泛性和先进性、高清晰度、可编辑性和可扩充性，在网络上任何一个具有相应配置和满足相应传输要求的工作站点，赋予一定的权限后，均可实时收看和点播手术的过程[9]。本方案可满足地方医院建设远程高清手术示教系统的要求，实现手术室术野视频、全景视频和其他视频的无损传输，最终为地方医院手术示教提供最高质量的视频效果。充分利用了网络多媒体技术，重点解决手术视频的编码、转发、播放和存储，具有很强的实时性、实用性和扩展性，提高临床教学水平，使医院数字化、现代化、信息化建设迈上一个新台阶[10]。在应用于医学教育的同时还可广泛用于其他领域，具有推广意义。

1 朱子昱,黄卓,张新升.影响手术示教质量的几个因素[J].医学信息,2010,23(2):305-306.

2 陈欢,李劲松.全高清1080P手术示教系统的设计与实现[J].中国数字医学,2010，(1)：43-46.

3 吴凯.医院手术示教系统建设[J].医疗设备信息,2006,21(2):14-15.

4 张益钊.浅谈数字化手术室示教管理系统设计和建设[J].中国医院建筑与装备,2008,9(7):20-27.

5 刘峰,曾凡,黄昊.基于局域网的临床手术示教系统的构建[J].重庆医学,2009,38(21):2656-2658.

6 冉梓垠,韩乾.数字化手术室的应用[J].中国医疗设备,2008,23(10):130-133.

7 梁宗强，兰欣，施秉银，等.一种杂交手术室数字化手术示教系统的构建模式[J].中国医学教育技术，2012，26(3)：321-324.

8 党裔武,李萍,陈呈，等. 改进多媒体教学 增强基础医学教学效果[J].医学信息学杂志.2009,30(5):86-88.

9 高昭异.多媒体手术示教系统的建设[J].医学信息,2003,16(4):165-166.

10 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[J].海南医学院学报,2008,14(5):593.

Construction of the Remote High Definition Surgery Demonstration System

ZHUJia，LIUYun，WANGZhong-ming，LENGKai，ZHUYi-xin，

FirstHospitalAffiliatedtoNanjingMedicalUniverisity,Nanjing210029,China

The paper uses computer multimedia technology to collect and switch audio and video signals, constructs the remote High Definition(HD) surgery demonstration system which supports live broadcast, recorded broadcast, rebroadcast and video-on-demand depending on the network communication routing technology. It introduces functions, design scheme and composition of the system and points out that the system can realize HD video transmission and video talkback between the surgery scene and the classroom. Thus, technical level of clinical surgery teaching can be enhanced.

Surgery demonstration system; High Definition(HD); Remote; Audio and video

2015-01-04

朱佳，助理工程师；通讯作者：朱一新。

R-058

A 〔DOI〕10.3969/j.issn.1673-6036.2015.07.007