医院手术示教系统的设计及应用
袁慧颖，罗晶，魏冰，郑蕾
海军总医院 计算机管理中心，北京 100048
[摘 要]目的 基于数字化手术室，建立手术示教系统，进行远程手术教学和手术观摩。方法 视频部分通过Stryker服务器进行采集，音频部分由YAMAHA交互终端进行采集；系统采集到的视频信号和音频信号统一输出给标清视音频编码器，编码器对接入的视频信号进行采集编码，然后通过院内网络传输接入到手术转播示教系统。结果 该系统实现了16个手术间及3个示教教室的双向视频音频传输。结论 数字化手术室示教系统应用于医院手术室有助于提高医院临床教学水平，医院开展远程医疗与视频学术会议，维护良好医疗秩序。
[关键词]数字化手术室；多媒体技术；手术示教；视频编码；视频点播
引言
传统手术示教是人员分批次在手术间直接观看，不仅容易给洁净手术室带来污染，对术中医生造成干扰，而且观摩效果不佳[1-2]。为实现医院手术的教学、转播和技术交流以及远程医疗扩展等需要建立手术示教系统[3]。手术转播示教系统远程传输手术室内视频、音频及医疗影像，实现互动式手术示教、手术观摩、手术经验交流，示教过程全程音视频录制，音视频文件自动存储在手术转播示教系统中，可供授权的医务人员随时查阅示教文件，手术转播示教系统成为医院信息化建设重要的一部分[4]。
1 系统需求
手术示教系统，是广大医学生和临床实习医生获得外科临床经验的最佳途径之一[5]。手术示教系统的发展过程根据视频信号的格式和传输处理技术的不同，手术示教系统大概经历了3个发展阶段：① 模拟技术阶段；② 模拟、数字技术相结合阶段；③ 高清数字技术阶段[6]。数字化手术室起源于20世纪90年代初，是医学技术、工程技术、信息技术三者融合的产物[7]。我院以16间数字化手术室为核心的医院综合视频通信网络平台覆盖以下几个方面：远程手术转播、手术示教、手术观摩；远程医疗会诊、经验交流；远程手术指导；应急手术解决方案；药理研究可视化平台，在线视频资源学习平台。
根据建设需求，方案设计为分布式建设，平台核心服务器具有良好的可扩展性，总体建设为模块化搭建，各模块既独立，又彼此兼容。
2 系统设计
根据医院手术室硬件设备实际情况与用户需求，手术室分为重点建设手术室与一般性手术室。系统模块架构，见图1，重点手术室采集5路视频信号与1路音频信号，1路术野视频采集（可用固定的术野摄像机进行视频采集），1路手术室内全景视频采集，1路头带摄像机视频、1路X光机视频采集，1路麻醉机视频采集、1路主刀大夫音频采集、播放。手术室内采集到的视音频信号，通过数字化处理接入高清手术转播示教系统。一般性手术室通过临时转播设备（移动式手术示教车）向示教室、科室、办公室、远端会场进行手术过程的音视频实时转播。
图1 系统模块架构图
3 系统特点
系统设备采用硬件嵌入式架构技术、H.264HighProfile编码技术、分布式设备为系统核心[8]，具有如下特点。
3.1 系统具备高度完整性
（1）智能录播服务器设计，充分综合了各路音视频采集特点，通过智能录播服务器的逻辑控制[9]，指挥各路视音频系统协调工作，真正做到高度智能化和自动化。
（2）手术录制系统设计，采用分布式设计思想，集成了强大的录制功能，以适用不同的资源应用需求；多个录播手术室集中录制，实现集中管理目标。
（3）H.264在帧内编码、帧间预测、变换量化等方面采用了多种新技术，大幅提高了编码效率，具有低码率、容错能力强、高质量图像和网络适应性强等特点，最大限度的减少视频质量损失，并以流媒体的方式进行网络传输，保证了大规模手术视频的多路并发需要[10-11]。
3.2 系统具备先进性
（1）在设计理念的先进性上：引入了分布式录播的设计理念，将录播系统按照工作流程分为管理层、设备层和用户层，层层相扣，相辅相成。
（2）在整体方案的先进性上：手术示教的建设和扩展方便，维护简单，管理能够远程集中监控到各个手术室的视频音频，并集中录制实时存储到录播服务器上。
3.3 系统具有兼容性
（1）所有软硬件设计均采用模块化，对外提供国际统一的标准接口，整体配套设备兼容性好。
（2）录播系统的核心设备录播服务器具有超强的开放性和兼容性。
3.4 系统具备良好的实用性
（1）硬件安装调试完毕，便无需再进行相应配置操作，如果需要调整，只需通过简洁的软件界面进行操作即可。
（2）系统软件操作界面简洁明了，使用简单，效果卓越。
3.5 系统具有良好的扩展性，便于维护和升级
（1）系统所有硬件设备均可以无缝向上扩展，软件均可以无缝升级。
（2）普通手术室升级改造成录播手术室无需替换任何原已有设备，无需更换改动现场医疗设备和其它如中控系统等。
（3）系统软、硬件接口均采用标准化的设计，扩展灵活方便，不受限于少数厂商[12]。
4 软件功能设计
4.1 同步录制
同步录制视频、音频和计算机动态屏幕内容，即可将会议现场的图像、声音和所讲解的报告、讲稿PPT等计算机屏幕上所显示的内容同步录制到一个文件中[13]。
支持多路可视信号（AV、VGA、DVI等）及声音的任意组合录制，如AV×1+VGA×1、AV×2+VGA×1、AV×1+VGA×2等模式，最多支持6路可视信号及声音的任意组合录制，可满足超大型会场多画面录播等更多应用的需求。
4.2 实时直播
可通过单播或组播方式将手术现场的视频、音频、计算机动态屏幕在网络上进行实时直播，用户可通过IE浏览器或解码器登录服务器实时接收直播的视频、音频和计算机动态屏幕内容。系统独家支持组播代理功能，无须更改网络设备设置即可实现跨网段的组播。系统独家支持文件组播功能，可将录制好的文件在网络上再次进行组播。在现有网络条件下可实现手术实时直播要求，图像质量高，无明显延迟，能保证图像和语音同步，且能实现“双向” 交流[14]。
4.3 VOD点播
系统内置VOD点播功能，用户可通过IE浏览器或解码器两种方式点播。点播时可观看到的内容包括视频、音频和计算机屏幕内容。支持多级点播用户权限控制。支持“边录边点”功能，在会议录制尚未结束的时候即可点播文件，并可前后拖动进度，方便用户随时点播文件而无须再等到会议结束。手术室录播采用ASF标准流媒体格式存储，也可将文件上传到第三方标准的VOD点播系统发布。
4.4 客户端文字交互
系统在实时直播时支持客户端间的文字交互功能，用户在观看直播的同时可以与主讲人及其它观看直播的用户进行文字交流，文字交互功能的引入可以更好地满足远程教学、培训、讲座中交流互动的需要。
4.5 用户管理
支持多级用户权限及用户组功能，用户可灵活进行权限分配。
支持在线用户管理功能，可进行在线用户统计、点名及挂断等操作，方便用户对远程培训过程的管理。
4.6 文件管理
手术室录播系统控制台软件可对录制好的文件进行管理，可进行更名、删除、下载、归档等操作；系统内置FTP Server功能，用户可通过FTP客户端进行远程文件下载，下载后可将录制文件刻成光盘以便保存。
手术示教信息系统，基于IP网络，可以将视频、音频信号和计算机动态屏幕信号进行一体化的同步录制、直播和点播。相对于传统的视音频录播产品，医疗动态影像系统在视音频录播的基础上，创新地增加了对计算机动态屏幕信号的录制直播点播功能。
5 应用效果
（1）摆脱了传统示教模式在时间、空间、人数及安全性上的限制。传统模式没有直播、点播等技术设备的辅助，只能在手术室内、数量有限的人员进行学习[13]。采用数字化手术示教系统后，手术术前、术中和术后的全过程的工作流数据均记录在数字化手术示教系统中，实现完整的手术展现和记录及高度共享，提升教学水平使手术教学更加生动、真实。
（2）大幅提升教学效果。手术示教系统在需要的地方安装多个摄像设备，从多个角度展现、记录手术的细节，学习人员可以清晰无误的看清每一步操作，同时可以通过系统软件回放还原示教医生的操作，不会因学习人员观看或记忆的误差而造成失误，与传统的手术教学相比，教学效果大幅提升。
（3）手术示教系统能够实现实时录制，这些录制的材料除了可以做教学内容外，也是手术过程的一个记录，在医疗纠纷、医疗事故发生时它们变成重要的视频证据。有了手术示教系统我们可以更好的辨别事故纠纷的责任归咎，增加医疗过程的透明度，消除公众对医者的负面看法，提高医院的公信力。
（4）手术示教系统有助于提高手术室感染控制，优化教学流程[15]。观摩手术的人员无需进入手术室，无需进行相应的消毒流程，只需在指定的示教室或者通过视频点播终端，进行观摩或点播，同时不干扰正常的手术进程[16]。
本系统实现手术室手术术野视频、全景视频和其他视频的高清传输，为医院手术示教和医疗会议交流提供稳定、连续、流畅、高图像质量的网络视频效果。通过本系统，示教室和会议室能够完全实时地与手术室人员进行交流，有效满足了手术观摩学习，专家会诊、远程指导等多种视频应用实现实时互动功能[17]，实现医院数字化手术室规范化管理；同时摆脱了传统示教模式在时间、空间、人数及安全性上的限制。
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Design and Application of Digital Surgical Demonstration and Teaching System
YUAN Huiying, LUO Jing, WEI Bing, ZHENG Lei Department of Computer Management Center, Navy General Hospital, Beijing 100048, China
Abstract:ObjectiveIn order to realize remote operation teaching and observation learning, a digital surgical demonstration and teaching system was developed based on digital operating rooms.MethodsThe video signal was collected by Stryker server, audio signal was collected by YAMAHA interactive terminals. The audio encoder and video encoder processed audio and video signal,which was then transferred to digital surgical demonstration and teaching system.ResultsDigital surgical demonstration and teaching system transmitted the bi-directional audio/video information in 16 operation rooms and 3 teaching rooms.ConclusionDigital operation teaching and observation system is helpful to improve the clinical teaching level, carry out telemedicine and video academic conference, and maintain good medical order.
Key words:digital operation room; multimedia technology; operation teaching and observation; video coding; video-on-demand
[中图分类号]R197.3；TP399
[文献标识码]C
doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2017.11.033
[文章编号]1674-1633(2017)011-0131-03
收稿日期：2016-09-05
修回日期：2016-10-24
作者邮箱：paperkristy@sina.cn
本文编辑 李美松