浅谈医学虚拟演播远程示教系统设计与应用

马解良

（浙江中医药大学信息与教育技术中心，杭州　310053）



浅谈医学虚拟演播远程示教系统设计与应用

马解良

（浙江中医药大学信息与教育技术中心，杭州310053）

摘要：随着人类进入信息化时代，信息技术、教育技术、远程通信技术、虚拟技术、医疗保健技术、多媒体技术融合及发展的形势下，医学虚拟演播远程示教系统孕育而生。医学虚拟演播远程示教系统研究的出现，可解决医学教学资源分布不平衡，不再受到时间及地理环境的影响，解决有些地方医护人员，医护知识全而不专，医院人才人力紧张等问题。

关键词：医学虚拟演播室；远程示教；物联网

1　研究背景

在现代社会中，随着人们的生活水平的提高，对诊断和医疗有了更高的要求。有些大医院名大夫排长龙，某些小医院冷冷清清，因此出现了看病难看病贵，始终是绕不过的一道坎。

在传统的封闭式医学教学模式下，广大农村和西部的高层次卫生人才下不去，也留不住，直接影响到我国实现“人人享有卫生保健”的目标，迫切需要中国高等医药教育服务的配套改革和外延发展。

2　总体系结构设计

医学虚拟演播远程示教系统采用物联网典型的3层体系架构，自上而下的分别为应用层、网络支撑层和感知延伸层如图1所示。应用层通过业务开放接口与网络层进行交互，感知延伸层通过泛在接入接口与网络支撑层交互。

图1　物联网分层架构图

医学虚拟演播远程示教系统的应用层主要包括示教的各种具体应用。它含有学生受教学习、医学受教学习、大众受教学习等，它涵盖了示教整个活动行为；网络层主要支撑终端及感知延伸层的信息交流、路由与控制，为应用层的物与物、人与物之间提供通信支持；感知延伸层（终端）主要来实现医学示教过程中各种场景(实景拍摄加虚拟展示)信息采集，并通过通信模块与网络层进行信息交互。

设计主要目的是为了在医学虚拟演播远程示教系统环境下，帮助医学院校学生、社区卫生院医务工作者及其它医护人员解决实际问题，在相对短时内，有效的提高医护学水平，节约时间及节省开支，防止交叉感染[1]。

设计主要特征：在于互连性、虚拟性、普及性、创新性。互连性：是指不论受教者身在何处，只要互联网络及终端设备，被受权的受教者可以观看相应示教内容，在不明白之处，可向指导老师提问。为受教者提供详细的全面的医学示教内容。虚拟性：在某些病变不能清楚看到或某些病菌看不到，可以用虚拟图像来展示给受教者。普及性：通过互联网，突破了城镇与乡村、大医院与社区医务所、学校与医院之间的地域限制，突破了白天与晚上，上班与下班时间限制。创新性：借助相关科学技术丰富医学示教，在法律及伦理许可范围内，对传统医学示教模式一次变革，激发更多示教领域内的创新发展。

3　虚拟演播设计

虚拟演播室(Virtual Studio System)是一门新兴技术，是一种只有演员和道具，不需要实际场景的演播室系统。它主要依靠计算机技术、虚拟现实技术、传统电视技术、色键技术、3D动画技术、传感技术，并且结合了虚拟三维场景或二维的背景图像实现节目的制作。场景的精度和质量决定节目的质量和最终效果。虚拟演播室如图2所示，虚拟演播其实相当于将虚拟技术应用于实景演播室。采用摄像机运动参数等数据信号及摄像机拍摄的实景延时经色键扣像后与计算机生成的背景信号合成完美虚拟视频，当然在实际应用中，相对还要复杂，比如多机位切换、信号同频等。根据不同的原理可以分为二维系统、二维半系统、真三维系统。根据不同的跟踪技术可以分为机械传感器跟踪系统、红外线传感跟踪系统、网格识别跟踪系统、超声波跟踪系统等[2]。

图2　虚拟演播室的基本原理

4　实景系统设计

医学虚拟演播远程示教系统的实景部分采用了高标清兼容技术。以手术实景为例，采用2迅道微格摄像系统，包括全景高清摄像机(定机位)固定放置在每个示教室内，术野高清摄像机（移动机位）、云台、DVI转换器、模拟数字换器、光端机、软切换台、遥控单元、拾音话筒、音响及监视器。所有摄像机、切换台、遥控单元与虚拟部分的同步机同步。

图3　实景示意图

图4　实景控制示意图

实景部分由三大部分构成如图3所示，信号录入部分主要有两项，1）通过高清摄像机手术或专家门诊进行实时拍摄，以手术示教为例，手术现场采集的图像一般都由两路高清晰度摄像机输出，一路信号进行手术过程的细节拍摄，另一路信号进行手术室现场的全景拍摄。二）将内窥镜、各种监护仪等设备产生监护信息进行实时记录；信号传输部分是将信号录入视音频信，通过光电转换，光电转换可以长距离传输，将信号传入助理室教室内，再通过光电转换，还原视音频信号；信号控制部分它也分为两项，一项是主要通过控制器，走RS-422协议进行，对两台高清晰摄像机进行远程控制如图4所示，可调节摄像机镜头聚焦，拉近、推远，云台的上下左右控制，使画面更清晰，看的更全面。另一项是对视音频信号切换控制，通过切换台进行实时切换需要的视频，并控制助理示教员与现场主刀医生（示教者）进行语音交流。实景系统视音频如图5所示。

图5　实景视音频示意图

5　远程多媒体设计

医学虚拟演播远程示教系统远程多媒体部分由硬件和软件系统两部分组成。硬件系统主要包括宽带网络、多媒体服务器等，软件系统包括网络支撑软件和多媒体制作软件。

根据实际需要，需要解决流媒体在数据网上传输，需要解决音视频的编解码、网络端的媒体服务、存储、媒体流的传输，到最终用户端的播放等一系统列的问题。完整的需求媒体流程传输如图6所示。要求高清晰最终视音频信号将存储在本地磁盘阵列中，另一路高清晰最终视音频信号编码及压缩后，形成流媒体文件，根据实际要求把流媒体文件（或直播媒体流）经虚拟专用网络（VPN)推至远端媒体服务器。媒体服务器根据受教者的请求，把流媒体文件（或直播媒体流）传递给受教者的媒体播放器上。在媒体传输过程中，还需要代理服务器进行媒体内容的转发或分发。编码和压缩的性能、媒体传输的质量控制及服务器性能是设计时需要考虑的关键因素[3]。

图6　媒体传输流程图

6　系统在医教中的应用

在医学虚拟演播远程示教系统过程中，名老专家医护人员的示教过程可以直观展现，细节内容的直观呈现。同步视频观看，语音及文字交流，有助于医学受教者信息化能力的提高和创新能力的培养。在医学高清虚拟演播远程示教系统中，创建全新的教学环境中，由于示教端、受教端是通过互联网直播或点播观看流媒体视音频，因此示教者和受教者的教学过程完全直观。示教者和受教者的学习过程可以在虚拟演播室的虚拟环境中与高清实景拍摄无缝的融合，示教者和受教者虽相隔较远，但却可以实现同处一地的教学过程。示教者可以正常的门诊或手术等，助教可以用虚拟事物补充教学中的不足，为受教者提供灵活多样的、丰富多彩的示教内容。一些不易看到的，危险性较大的手术或诊断，可以通过虚拟技术，较为直观呈现给受教者面前，不但可以加强受教者对学习内容的了解，还可以放便受教者模仿、观察，达到事半功倍的效果。在异地同步远程示教过程中，受教者可以将学习中的问题及时给助理示教者，助理示教者可以及时解答受教者的问题，了解受教者撑握的情况。在符合教学目标的医学示教环境下，受教者通过示教者演示、自己模仿或者是直接参与示教者策划的教学活动，可以开阔创新精神，提高自主的收集、整理、分析和加工信息的能力，并在示教者有意识的引导下，形成辩证、科学、唯物的学习观和世界观，为今后的医学学习道路奠定坚实的医学学习能力方面的基础[4]。

1）在医教中保护受教者的实现：既减少医院内交叉感染，如受教者在比较危险情况的环境（高危传染、流行病或放射环境），采用医学虚拟演播远程示教系统可以完全避免这些侵害。2）在医教中避免或减少患者危险性的实现：比如在手术过程，一般有些关键手术需要一步位，但作虚拟示教可重复性、零风险，虚拟示教系统不会对患者造成多次伤害。3）减少医患间医疗纠纷的实现：在医教门诊或手术全过程中同步高清录制，全程可看可控，减少和避免了医疗纠纷。改善了目前日益紧张的医患关系。4）节省受教者的时间、空间的实现：在传统医学教学中，实习学生临床教学必需在规定时内，到指定医院实习。但采用医学虚拟演播远程示教系统，完全摆脱了传统教学模式在时间、空间和人数上的限制。5）节省费用的实现：节省了教育投入，提高了教学效率，在培养年轻医护人员中，充分体现了现代教育理念的现实性和前瞻性的紧密结合。

参考文献

[1]唐雄燕，李建功.基于物联网的智慧医疗技术及其应用[M].北京：电子工业出版社，2013.

[2]Moshe Moshkovitz.夏力等译.虚拟演播室技术[M].北京：清华大学出版社，2005.

[3]王蔚.多媒体应用技术[M].北京：电子工业出版社，2009.

[4]王广林，赵刚，王敏.虚拟课堂教学系统的研究与实现[J].现代计算机(专业版)，2008，107(10):84-86.

Discussion on the Design and Application of Medical Virtual Studio Remote Teaching System

MA Jieliang
(Center of Information and Education Technology, Zhejiang Chinese Medicine University, Hangzhou 310053, China)

Abstract:As human entering the era of information, medical virtual studio remote teaching system was established through the integration and development of information technology, educational technology, telecommunications technology, virtual technology, healthcare technology and multimedia technology. The research on medical virtual studio remote teaching system is able to resolve uneven distribution of medical education resources, geographical influences, unskilled local healthcare practitioners, limited manpower in hospital and so forth.

Keywords:virtual studio system; remote teaching; internet of things

收稿日期：（本文编辑：张文娟本文校对：黄莉萍2015-11-24）

doi:10.3969/j.issn.1672-2779.2016.06.013

文章编号：1672-2779（2016）-06-0026-03