微型智能手术照明摄像机的研制

汤博，吕毅,2，刘学民,2，李建辉,3，严小鹏,2，徐向华,2，马锋，史爱华

1.西安交通大学 先进外科技术与工程研究所，陕西 西安 710061；2.西安交通大学第一附属医院 肝胆外科，陕西 西安 710061；3.陕西省人民医院肿瘤外科，陕西 西安 710068

微型智能手术照明摄像机的研制

汤博1，吕毅1,2，刘学民1,2，李建辉1,3，严小鹏1,2，徐向华1,2，马锋1，史爱华1

1.西安交通大学 先进外科技术与工程研究所，陕西 西安 710061；2.西安交通大学第一附属医院 肝胆外科，陕西 西安 710061；3.陕西省人民医院肿瘤外科，陕西 西安 710068

本文研制了一种微型智能手术照明摄像机，该摄像机主要由U型卡扣固定单元、可定型柔性臂单元、智能照明摄像单元组成，可用环氧乙烷消毒，能够应用于无菌环境。该摄像机通过U型卡扣固定于手术床上，当术中需要记录手术过程时，可通过其可定型柔性臂调节智能照明摄像单元的角度，从而使智能摄像单元能够按照医师的要求进行录像、拍照、补光。

手术记录系统；智能摄像机；U型卡扣；可定型柔性臂

0 前言

手术是外科诊治的重要手段，记录并保存术中图文资料对疾病诊疗技术的革新、年轻医师的成长、患者对诊疗过程的了解以及医疗纠纷的解决具有重要意义。随着医学科技和电子信息化的发展，外科技术已经有了长足的进步，但手术过程中的视频采集仍不尽如人意。

目前，国内外有关术中图像记录系统的研究主要围绕传统手术记录系统的优化，突破性的技术或设备报道较少。传统手术记录系统的摄像装置多为通用型设备，大致分为头戴式、手持式、固定式等，面对复杂的手术过程，在术中记录过程中存在如下问题[1-2]：① 头戴式装置固定于术者头部完成图像采集，但在紧张的手术操作过程中，术者的精力集中于细微的操作中，很难保证所采集手术画面的质量；② 手持式由助手手持完成图像采集，而长时间的手术会加大助手固定摄像头的难度，同时会额外增加手术参与者，使手术台变得拥挤；③ 现有固定式装置主要是进行外围拍摄，在进行复杂手术特别是深部手术时，摄像机只能远距离拍摄，通过调节摄像头的焦距以拍摄好局部操作的技术细节十分困难；且因为手术操作的需要，术者会不时地变换体位，拍摄镜头很容易被遮挡住，从而影响拍摄效果；④ 手术台是无菌环境，上述设备多不能进行无菌操作，这使得外科手术过程中术者多不能按照自己的意愿进行术中图像资料的采集[3-6]。因此，开发一种便捷、高清、可进行无菌操作的手术记录装置显得尤为重要。针对当前手术记录系统摄像装置的不足，本文研制了一种微型智能手术照明摄像机，报道如下。

1 微型智能手术照明摄像机的设计方案

针对当前手术记录系统摄像装置的不足，结合前期对手术照明摄像系统的的研究，笔者设计了一种术者可直接操作的微型智能手术照明摄像机。该装置主要由U型卡扣固定单元、可定型柔性臂单元、智能照明摄像单元3个核心部分组成，其中智能照明摄像单元置于可定型柔性臂单元的前端，可定型柔性臂单元通过U型卡扣固定单元固定于手术台上，通过外力调整柔性臂单元的拍摄角度，从而捕获优质的手术画面。微型智能手术照明摄像机操作简单、便于携带，且可以进行环氧乙烷消毒，术者在手术过程中可根据需要自行调节拍摄角度及焦距，实现细微化、精准化的拍摄工作。

2 微型智能手术照明摄像机的构成

该摄像机主要包括U型卡扣固定单元、可定型柔性臂单元、智能照明摄像单元，基本结构见图1。

图1 微型智能手术照明摄像机的基本结构图

2.1 U型卡扣固定单元

U型卡扣固定单元由主臂与U型卡扣构成，通过U型卡扣固定于手术台上，通过主臂支撑整个装置。该单元选用不锈钢材质加工而成，不锈钢以其价格适宜、硬度强、材料来源广、易加工等诸多优点而被广泛应用于医用器械当中。

2.2 可定型柔性臂单元

可定型柔性臂单元由承载臂与悬挂装置构成。承载臂为长度500～800mm的不锈钢金属定形蛇皮管，内径4.5mm、外径15～17mm，通过外力可以改变弯曲角度。悬挂装置位于承载臂前端，用于固定智能照明摄像单元，悬挂装置可进行360°旋转。通过调节承载臂的弯曲角度以及悬挂装置的旋转角度，可使智能照明摄像单元获得良好的视野。

2.3 智能照明摄像单元

智能照明摄像单元由视频采集模块与处理器模块构成。视频采集模块采用紫色滤镜镜头模组（A级玻璃材质），可组合实现最大176°±20°广角，具有良好的摩尔纹，恒定大光圈为f1.6。处理器模块采用独创的WDR高动态渲染，处理器采用Nt96650芯片，内存DDR3.1 Gb，并采用高度压缩数字视频编解码器H.264，录像时分辨率最高可达Full HD 1080P，最高像素达1600万像素，可提供30帧/s的超高清画质。

2.4 手术视频的后期制作

手术视频后期制作通过惠普工作站（HP-Z800X5650 16G2TQuadro5000），使用Corel VideoStudio、Adobe After Effect软件编辑完成，必要时可采用通过Autodesk MaYa软件制作的三维动画进行术前演示。手术视频一般分为4部分：片头、片名、手术操作视频和结尾。可采用专业非线性编辑软件对画面进行标注，突出显示关键步骤，还可以通过局部放大、慢放等特效，更清晰地将手术操作步骤突显出来，并且能够在片头增加病人的影像素材，使观看者可以熟知病人的病情[7-9]。另外，还能够对手术视频进行配音和文字解说，进一步讲解和阐述手术的关键步骤及技巧，真正做到形象直观、通俗易懂。

3 实际应用

手术开始前，先将整个装置进行环氧乙烷消毒处理，而后根据患者手术部位通过U型卡扣固定单元将摄像机固定于手术台上，通过调节可定型柔性臂单元，使智能照明摄像单元对准拍摄部位，通过调节变焦，使拍摄达到最佳状态，从而获得满意的图像质量。

摄像机背部搭载2.7英寸LCD屏幕，术者可以灵活旋转装置，准确捕捉有价值的画面。存储卡最大支持32 GB的海量存储空间，图片文件格式为JPG，录像文件格式为MOV；同时配有WIFI发送装置，可实时传输术中画面，方便交流与讨论。此外，摄像机支持录像时间的同步显示，有助于后期的手术资料的查找。

以右半肝肝癌切除为例，采用该摄像机记录的手术画面见图2。该摄像机拍摄角度全面，画面清晰，实现了预期设计目标。

图2 微型智能手术照明摄像机记录的手术画面

4 结论

微型智能手术照明摄像机应用于临床具有以下优势：① 手术教学方面：通过录制手术视频可形象直观地呈现手术操作过程，能够帮助学生深入了解医学知识，不断熟悉规范性操作；并且能够提升学生的学习兴趣和积极性，使教学效果得到显著提升[10-11]；② 医患沟通方面：信息不对称是阻挡医患有效沟通的障碍，面对现代社会的“学习型患者”来说，高清的手术视频资料可以作为足够的证据来甄别，便于权威机构迅速对医疗事故进行鉴定。

[1]王冬梅,殷艳.论多媒体在临床医学教学中的利弊[J].中国高等医学教育,2011,（6）：78,110.

[2]赵义军,耿小平.手术视频的制作及其在外科教学中的应用[J].中国现代医药杂志,2014,16（4）：95-96.

[3]郭爱军,汪圣毅.多媒体技术在普外科教学中的应用体会[J].中国现代医药杂志,2011,13（10）：114.

[4]Studdert DM,Thomas EJ,Zbar BIW,et al.Can the United States afford a“no-fault”system of compensation for medical injury？Law Contemp Probl,1997,60：1-34.

[5]武延广,韩琳,赵继培.高清手术视频数字化教学与科研系统[J].数字技术与应用,2012,（6）：87-88.

[6]史朴军,谢泽桥,郭文涛,等.数字化百级层流复合手术室的设计与建设[J].中国医疗设备,2014,29（10）：84-86.

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[8]张强,谢文,王国宏.临床工程部门在数字化手术室建设中应关注的问题[J].中国医学装备,2008,5（1）：31-33.

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[11]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.

Development of a Micro Intelligent Surgery Lighting Camera

TANG Bo1, LV Yi1,2, LIU Xue-min1,2, LI Jian-hui1,3, YAN Xiao-peng1,2, XU Xiang-hua1,2, MA Feng1, SHI Ai-hua1
1.Research Institute of Advanced Surgical Technology and Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an Shaanxi 710061, China；2.Department of Hepatobiliary Surgery, the First Affiliated Hospital of Xi’an Jiaotong University, Xi’an Shaanxi 710061, China；3.Department of Oncological Surgery, Shaanxi Provincial People’s Hospital, Xi’an Shaanxi 710068, China

The information of intro-operative pictures and texts has great significance in innovation of disease diagnosis and treatment techniques, the progress of young surgeons, the patients’ understanding of treatment process and solutions for medical disputes.In view of the disadvantages of the camera in the current surgery recording system, a micro intelligent surgery lighting camera is developed in this paper, which consists of a U-shape snap-fit unit, flexible arm and intelligent camera system.It can be disinfected with medical ethylene oxide and applied to the sterile environment.With fixation of the U-shape snapfit unit on the operating table, its flexible arm can be randomly adjusted to different angles according to the requirement of the surgeon.As a consequence, the intelligent camera system can record videos, take pictures and supplement light intro-operatively.

surgery recording systems；intelligent cameras；U-shape snap-fit unit；flexible arm

TH789

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.07.009

1674-1633（2015）07-0028-02

2015-04-14

国家自然科学基金科学仪器专项（81127005）。

吕毅，教授。

通讯作者邮箱：luyi169@126.com