手术用图像采集及图文记录生成系统的设计与试用

李俊杰，张琳娟，王春宇，王浩华，史爱华，宋伟伦

1. 西安交通大学第一附属医院 麻醉手术部，陕西 西安 710061；2. 北京轩宇信息技术有限公司 西安研发中心，陕西 西安 710061；3. 北京控制工程研究所 软件检测站，北京 100190；4. 陕西省再生医学与外科工程研究中心，陕西 西安 710061

引言

手术是外科诊治的重要步骤，随着科学技术的迅猛发展以及电子信息装置的进步，各类检查报告均已实现图文结合，而手术记录仍主要采用纯文字的记录方式。图像是对解剖和手术最佳的记录形式，2015年中华医学会外科手术学组专家通过了《倡用图文外科手术记录专家共识》[1]。通过记录和保存术中影像材料生成图文记录，可用于手术中远程会诊、协助病理医生诊断、辅助医患沟通、帮助术后随访人员了解术中细节、进行术后案例学习及经验分享[2-5]。

图文手术记录系统可分为图像采集及图文记录生成软件2个主要单元。在图像采集方面，腔镜手术设备自身带有视频录制和导出功能，开放手术则需要使用摄像装置采集图像，常见的采集方式及其不足之处如下[6]：① 头戴式装置固定于术者头部完成图像采集，很难保证手术画面的稳定性，且影响手术医生的操作[7]；② 手持式由助手手持完成图像采集，无法长时间录制且画面不稳定；③ 现有固定式装置主要是在手术人员头上悬空拍摄，容易遮挡术者术野，且需要1名助理进行画面调整；④ 手术过程需要保持无菌性，上述装置多不能由术者来操作，无法获得术者想展示的图像画面[8]；⑤ 部分可以满足无菌条件的设备采用过氧化氢等方式灭菌，成本较高，且对摄像装置寿命有一定影响[9]。在图文记录生成方面，本团队已率先将图文记录应用于胆道镜手术中[10]及部分肝胆外科手术中[11]，获得了良好的应用效果。基于此，本文旨在介绍手术用图像采集及图文生成系统的设计原理及试用过程，以期为提高外科手术记录质量奠定一定的理论基础。

1 设计思路

外科手术图像采集及图文记录生成系统的软硬件工作示意图如图1所示，通过无菌热封膜及磁性云台技术解决微型摄像头的无菌性问题，使手术医生可自行调整镜头角度及距离；使用近距离微型无线摄像装置，拍摄的视频画面不会被手术医生遮挡；WiFi无线传输技术可使设备记录的影像材料同步到移动端，供室内其他医务人员了解手术进程；照片及视频材料可快速传输至移动端，方便手术中医生与患者家属谈话时使用；电脑端软件根据手术视频截取画面，语音或键盘输入画面相关的手术信息，支持使用多种设备录制的画面生成图文记录，降低图文记录生成难度。

图1 手术用图像采集及图文记录生成系统工作示意图

2 基本结构

2.1 硬件部分

硬件部分主要由微型无线摄像装置、热缩型无菌保护套、磁性云台、铝合金支撑臂、移动端及电脑端6部分组成，其结构如图2所示。

图2 手术用图像采集（a）及图文记录生成系统结构图（b）

（1） 微型无线摄像装置：采用本团队自主开发的摄像装置，具有拍照、录像、WiFi传输及语音播报等功能。主机体积为23 mm×24 mm×93 mm，质量为49.75 g，搭载传感器为1300万SONY高感光度CMOS，录像格式为mp4/H.264，质量最高可达4K、60 FPS，拍照格式为jpeg，分辨率最高可达5200×3900像素，内置WiFi模块，无线同步传输的画面会有画质损失，可后期导出无损失画面；1000 mAh锂聚合物高压电池，离线模式续航120 min，WiFi模式续航90 min，配备USB、Micro SD卡2种导出方式。

（2）热缩型无菌保护套：热缩型无菌防护膜是使用塑料光纤（Plastic Optical Fiber，POF）热缩材料制成的无菌防护膜，结合热风机对材料塑形，使保护膜可以紧密附着于设备表面，POF材质热缩膜收缩后柔软易用，且具有较好的抗合成血透过性、表面抗湿性、抗静电性，热缩型无菌保护套使用示意图如图3所示。

图3 热缩型无菌保护套使用示意图

（3）磁性云台：摄像装置与铝合金支撑臂之间的连接使用磁性云台。摄像装置与铝合金支撑臂两侧各有1块条形磁铁，使用时只需相互靠近，2个设备将会在磁力的作用下自行连接。磁性云台的使用保证了热缩型无菌防护膜的完整性，从而保证了整套设备的无菌性。

（4）铝合金支撑臂：铝合金支撑臂由万向连接杆和C型卡口2部分组成，整套装置可进行高压蒸汽灭菌，手术过程中可与头架或各类拉钩配合使用。万向连接杆全长300 mm，由3个关节和2个连接杆组成，一步锁紧设计，可用中间旋钮一次性锁紧全部关节，节省操作时间；C型卡口采用一字型铝合金旋钮，可在术中牢固地固定在头架及各类拉钩上。

（5）移动端：移动端为手机或PAD设备，需要搭载安卓操作系统，市面上绝大多数的机型均可用。

（6）电脑端：电脑端如需观看和编辑4K视频，建议最低配置为CPU9代英特尔酷睿i5，4核心，8 MB缓存；显卡大于2 GB显存，如NVIDIA®GeForce®GTX 1650 4 GB；磁盘建议使用固态硬盘。仅需观看和编辑1080P视频时，使用日常办公电脑即可。

2.2 软件部分

（1）移动端软件：移动端APP目前仅适配于安卓操作平台，移动端包含主要功能为实况传输，操作摄像装置进行照相及录制视频，快速下载已录制的照片和视频，设置录制视频和照片质量等，移动端软件操作界面如图4所示。

图4 移动端软件操作界面图

（2）电脑端软件：电脑端应用基于C+语言，使用visual studio 2022进行开发，适配于Windows系统，运行环境net framework 4.5。主要功能包括：填写患者信息，视频倍速播放，一键截取手术画面，语音或手动输入手术画面对应的文字记录，生成、导出和打印手术记录等，电脑端软件操作界面如图5所示。

图5 电脑端软件操作界面图

2.3 使用方法

（1）术前准备：微型无线摄像装置充电；铝合金支撑臂进行高压蒸汽灭菌；热缩型无菌保护套1个，热风设备1台。

（2）术中使用：巡回、洗手护士配合将摄像装置装入保护套，翻折袋口后使用磁性云台的磁条固定，使用热风设备对热缩无菌保护套进行热缩，保护套表面平整后即可使用，热缩型无菌保护套操作方法如图6所示。图像采集时，由助手或主刀医生将摄像装置固定在理想位置后即可进行手术操作。术中需要调整视角时，调整万向支架即可，使用场景如图7所示。

图6 热缩型无菌保护套操作方法

图7 手术中使用场景示意图（a）和手术中移动端观看示意图（b）

（3）导出图像及编辑报告：术中需要使用图片和影像进行术中谈话时可通过WiFi导出到手机。手术结束后通过电脑端软件打开患者手术视频，录入患者信息后，任意从视频中截取画面，使用文字或语音输入为图片添加备注，重复上述操作，生成图文手术记录。

（4）打印报告：医生将生成报告的电子版报告进行打印，医生签字确认后，报告制作完成。

3 临床试用

3.1 试用对象与方法

3.1.1 试用对象及评价指标

选择我科2021年10月1—31日开展的30台手术为试用对象。每台手术均由2位参与手术的主治医师分别选择1种方式书写手术记录，对照组手术信息采用传统的通过术后回忆进行文字记录，实验组手术信息采用本研究研发的手术用图像采集及图文记录生成系统，根据图片、视频等进行图文记录。评价2种手术记录书写对比情况，包括病历书写时间、病历书写医生与主刀医生手术细节核对例数。

3.1.2 获取信息量及教学参考意义评价

制作1份标准的手术文字记录及图文记录进行信息获取量及教学参考评价。调查手术医生27人、门诊医生25人、麻醉医生20人、手术护士24人、患者及家属共35人，对2种手术记录形式进行信息获取量打分，满分100分，分数越高表示获取的信息量越大。调查手术医生32人，手术护士29人，对2种手术记录形式的教学参考意义进行评价，满分100分，分数越高表示教学参考意义越大。

3.2 统计学分析

采用SPSS 26.0统计软件进行数据分析，计量资料采用±s进行描述，行t检验；计数资料采用n（%）进行描述，行χ2检验分析，以P＜0.05为差异有统计学意义。

3.3 试用结果

3.3.1 2种记录方式手术记录书写情况比较

实验组病例书写时间、书写时与主刀医生手术细节核对例数及手术记录修改例数均低于对照组，差异有统计学意义（P＜0.05），见表1。

表1 2种记录方式手术记录书写情况比较[n=30，±s，n（%）]

表1 2种记录方式手术记录书写情况比较[n=30，±s，n（%）]

组别 书写时间/min 手术细节核对 手术记录修改对照组 28.1±7.9 9（30.0） 5（16.7）实验组 22.9±6.7 2（6.7） 0 χ2/t值 2.729 4.007 5.455 P值 0.008 0.045 0.024

3.3.2 2种记录方式获取信息量与教学参考意义评价情况

实验组手术记录中门诊医生、麻醉医生、手术护士、患者及家属获取信息量得分均高于对照组，差异有统计学意义（P＜0.05）；而手术医生对2种手术记录获得的信息量得分比较差异无统计学意义（P＞0.05）。实验组手术记录中手术医生和手术护士的教学参考意义评价得分均高于对照组，差异有统计学意义（P＜0.05），见表2。

表2 2种记录方式获取信息量与教学参考意义评价比较（±s，分）

表2 2种记录方式获取信息量与教学参考意义评价比较（±s，分）

组别 手术记录获取信息量得分 教学参考意义评价得分手术医生 门诊医生 麻醉医生 手术护士 患者及家属 手术医生 手术护士对照组 69.5±9.0 64.6±4.2 66.9±5.5 71.2±7.8 70.1±10.6 74.6±7.8 67.7±7.4实验组 72.7±8.1 73.5±6.3 73.4±5.1 77.6±8.7 87.6±8.3 79.6±6.2 82.4±9.4 t值 -1.249 -5.829 -3.954 -2.437 -6.493 -2.982 -5.882 P值 0.174 ＜0.001 ＜0.001 0.011 ＜0.001 0.006 ＜0.001

4 讨论

4.1 手术用图像采集及图文记录生成系统为开放手术图文记录提供硬件基础

《倡用图文外科手术记录专家共识》[1]指出，开放手术若要满足术者自由控制的拍摄，需要开发非接触控制的或可以无菌化的拍摄设备。本研究开发的手术用图像采集及图文记录生成系统中，铝合金支撑臂可进行高压蒸汽灭菌，摄像装置可以通过磁性云台和本科室自主研发的热缩型无菌保护套进行物理屏障无菌化，使主刀医生自行调节摄像位置成为可能。此外，内置软件与移动端、电脑端合作，便于医生快速生成图文手术记录，极大地降低了生成手术图文记录的门槛，加快实现手术用图文进行记录的进程。

4.2 手术用图像采集及图文记录生成系统能提高医生工作效率

《病历书写基本规范》[12]明确规定，入出院记录、手术记录、死亡记录要在24 h内完成。但传统的手术记录是由下级医师在术后手动完成，为医师的临床工作造成了极大的负担，导致病历中文字出现大量复制粘贴的情况；此外，由于病历书写通常由非主刀医师执笔，为手术记录的精确性带来了一定的隐患[13-15]。本研究结果显示，图文报告的病例书写时间、书写时与主刀医生手术细节核对例数及手术记录修改例数均少于文字报告，与薛召等[10]研究结果一致。分析原因为，手术用图像采集及图文记录生成系统能够简易、快捷、自主地收集手术图像与语音信息，减少执笔医生术后撰写病历时回忆、反复和主刀医生核对的时间；手术关键步骤时，医生可使用语音操作设备截图，不仅减少执笔医生手工剪辑获取术中图像资料的时间，还大大提高了病历的真实性和精确性，从而提高了医生的工作效率，并为进一步规范临床诊疗奠定了基础。

4.3 手术用图像采集及图文记录生成系统能提高患者诊疗记录的信息量

基于手术环境的特殊性，术中的具体情况只能通过术者及手术记录的文字描述进行了解，无法做到场景重现且容易遗漏细节，对于非本专业的医务人员理解难度大，更难以使患者及家属理解，因此常出现文字医疗记录无法满足诊疗需求的情况[16]。本研究结果显示，门诊医生、麻醉医生、手术护士、患者及家属在2组手术记录获取信息量得分方面差异有统计学意义，而手术医生对2组手术记录获得的信息量对比差异无统计学意义。原因为对手术医生而言，图文记录中的描述与其自身手术中掌握的患者手术信息基本一致，没有额外提供信息量；而对麻醉医生、手术护士而言，图文手术记录既包含术中的影像材料，又包含相应的文字注释，与传统手术记录相比，提供了更多易于理解的图像信息，对其配合手术能提供一定的参考依据。此外，图文手术记录使患者及家属能够看到更多的客观资料，增加了对医生的信任，也为后期随访、复查与转诊提供了更详尽的信息[16-17]。

4.4 手术用图像采集及图文记录生成系统能够提供更全面的临床教学资料

由于专业知识及认知的不同，可能会使不同专业或年资的医务工作者对手术记录中某些手术步骤的文字描述产生理解偏差[1]。而本研究结果显示，在教学参考意义方面，手术医生和手术护士对2种手术记录的评价差异均有统计学意义，可能是清晰的手术图像使手术过程更直观，配合手术记录中的专业文字注释使枯燥的文字更容易理解，二者的结合能够提高医学生、手术护士的学习兴趣，从而为缩短年轻医师的培养时间提供条件。图文手术记录的实现，使更多的手术过程被用更加形象地术中画面记录下来，为年轻医生的学习和理解提供了更多的参考资料和极大的便利[18-20]。

4.5 不足与展望

本研究在临床试用中发现，手术用图像采集及图文记录生成系统还存在以下几个问题：① 微型无线摄像装置的电源容量较小，待机时长需要进一步提升；② WiFi模式下同步的视频画面清晰度有所损失，应通过技术手段进行避免；③ 移动端和电脑端的软件设计较为简陋，在美化、设计上都还有较大的优化空间；④ 在应用过程中可对医护和患者进行问卷调查，将反馈信息用于系统的改进与提升，以提高图文记录生成系统应用的医患满意度。

5 结论

本研究研发的手术用图像采集及图文记录生成系统能够解决传统图像记录中出现的无法保持无菌性、画面晃动、画面遮挡等问题，软件端支持对多种设备录制视频的导入，降低了图文手术记录的使用限制，加快了手术记录规范化进程，可为提升医疗服务质量与医院信息化建设奠定基础。