高清网络视频系统在数字化手术室的研究与实现

1 引言

1846年，美国麻省总医院（Massachusetts Gener⁃al Hospital）齿科医师William T.G.Morton演示在乙醚麻醉下实施无痛拔牙，地点选在图书馆的阶梯教室里，由此便揭开了手术室发展史的序幕。在接下来漫长的岁月里，手术室经历了几个发展阶段，分别是第一代“简易型手术室”，第二代“分散性手术室”、第三代“集中型一体化手术室”以及第四代“洁净式手术室”。自“十二五规划”以来，中国手术室的建设也在发生着翻天覆地的变化，信息时代的高速发展促使中国手术室建设进入了“高清数字化手术室”。

传统的手术室因为资源配置、系统凌乱、操作复杂、技术落后等原因，发展受限，经过医疗信息行业多年的发展，高清数字化手术室的技术日趋成熟。目前，南京鼓楼医院数字化手术室采用一套高清网络视频医疗手术辅助系统，它主要包括四个组成部分：手术室音视频一体化管理系统、一体化交互式手术示范教学系统、一体化手术室多媒体存储系统以及一体化手术室设备集中控制系统，结合医院信息系统（Hospital Information System，HIS）和影像数据传输及储存系统（Picture Archiving and Commu⁃nication System，PACS）［1］等进行有机整合，为鼓楼医院手术室提供更加高效、舒适、安全、便利的操作环境。

2 高清数字化手术室需求分析

数字化手术室，是通过将先进的信息化技术运用到手术室，使得医生能够实时获得大量与患者相关的重要信息，从而便于操作，提高效率［2］。根据南京鼓楼医院手术室的发展现状，该高清数字化系统主要包括以下几个功能：

（1）手术室视频源：手术室配备有各种各样的医疗内窥镜，而每一个内窥镜必有一个内窥镜摄像机（Endoscopic Camera），加上高清术野摄像机（Sur⁃gical Field Camera），手术室监控摄像机（Surveil⁃lance Camera），以及生命体征仪的视频输出（Vital Signs Video）。

场区位于新华夏系第三沉降带之四川盆地东部，属川东弧形构造带的组成部分。本次勘察区域位于石柱向斜和羊角背斜交界带，桥子溪断层和磨子坝断层之间，岩层产状295°∠5°～12°。在西北区附近灰岩出露处测得两组构造裂隙：LX1：35°∠75°，局部裂宽0.2～3 mm，延伸长度3～5 m，间距1～3 m，局部有红黏土、水锈充填；LX2：122°∠78°，局部裂宽1～3 mm，延伸长度1～3 m，间距3～5 m，局部有红黏土、水锈充填。两组裂隙结构面结合程度均为差，属硬性结构面；岩层层面结合程度一般，属硬性结构面。

（2）网络视频通信：需要实现视频压缩、解压，视频编码、解码，同时，完善宽带网络通信技术，普及医院院区的网络基础建设。

根据鼓楼医院局域网现状以及平台的基本架构，该高清数字化手术室的网络拓扑图如图2所示。

（3）手术专业应用：应用现代最先进的视频通信技术，充分利用手术室现有的各种医疗视频源，建造专业化的手术专业应用，是医院建设的重要部分。这些应用包括：手术会诊、手术指导、实时互动的病理分析、医疗专家现场会议、大型学术会议的手术直播、实时观摩、示范教学［3］。

3 高清数字化手术室技术简介

一般地,覆盖决策系统(U,A∪D)(U={x1,x2,…,xn})中会存在一些冗余的条件属性。如果能够从(U,A∪D)中删除冗余的条件属性而又不损失(xi)A→Dk的决策信息,那么就能获得约简的系统(U,B∪D)以及紧凑的规则(xi)B→Dk。下面在文献[19]的覆盖粒规则蕴含关系的定义基础上,引出下列定义。

（1）运行于Linux之上的“统一通讯”（UC）：语音管理服务（Call Manager）；（2）视频管理服务（Video⁃Manager）；（3）流媒体管理控制软件包及中间件软件（VioSphere）［4］；（4）流媒体分发管理服务（SDS：Streaming Distrabution Service）；（5）多媒体存储管理控制服务（MRS：MediaRecording Service）；（6）多对多网络视频几阵（NVM：NetworkVirtureMatrix）；（7）网络多点控制单元（MCU：MultiPointControlUnit）。除此之外，该系统支持SIP协议标准，可与其他支持同样协议标准的系统终端互联互通，协同工作。整个系统终端容量（手术室、示教室）不受设备接入能力限制，理论上可以进行无限的扩充；也就是说，通过这一平台，其它各种各样的音视频终端（如宝丽通的会议终端，思科的网真系统以及网络电话等）均可接入成为我们的终端设备。

采用口服乌灵胶囊（国药准字Z19990048，由浙江佐力药业股份有限公司生产）进行治疗。3粒/次，3次/d，患者需连续服药7 d。

由于恶性肿瘤和良性肿瘤手术是有很大区别的，所以尽快得出病理诊断对手术来讲至关重要，目前国内使用最多的是冰冻切片进行快速病理分析的方法。虽然病理诊断必须再进行培养和分析，然后才能出结果是良性或者恶性，但有经验的医生在看到切片后基本可以进行初步判断，判断成功率为70%左右。

  

图1 数字化手术室系统架构

其中，中间软件主要用来提供系统软件和应用软件之间连接以及应用的基本权限及授权管理、应用接入许可证SAL（Streaming Access License）的管理。它可适用于手术示教、远程医疗会诊、医疗探视及监护等应用，而应用管理软件，置于系统的最上层，主要负责应用流程管理控制服务、元数据信息（Metadata）的录入编辑等等。

9.4 菌丝生理成熟标准：段木表面菌丝生长洁白粗壮，看不到段木，段木内菌丝连接紧密，表面无杂菌污染，已有部分红褐色菌被，段木轻压有弹性，松软，劈开菌木木质部呈浅黄色。

4 高清数字化手术室的实现与应用

4.1 数字化手术室系统和其它信息系统的对接

除此之外，它还是一种强大的医学教学工具，可通过它，为现场手术医生和远程医疗专家们提高实时音视频交流，共同分享视频图像，进行医疗会诊及二次诊断。另外，在紧急医疗情况下，如果发生医生和病人所说的语言不同，系统还可以接通即时传译服务中心帮助进行翻译工作，如图5所示。

  

图2 数字化手术室网络拓扑图

  

图3 高清医疗示教系统从HIS中调取病人信息

4.2 录像存储和数据调阅

（1）协同工作：针对手术室医生与场外医疗专家进行的互动交流，从手术室到病理实验室，系统提供了从视频的获取、编码、传输、存储、分发、解码及播放全程高性能（全高清，全祯率，低延时）的医疗视频设备，把分处不同地方手术室与会诊专家连接在一起，帮助医生超越了时间和空间的障碍，实现手术室与远程的医疗专家们进行高清实时的音视频互动与交流，有如双方身处一处，双方协调工作，效率大大提高。

4.3 同声翻译、协同工作

鼓楼医院的数字化手术室系统和医院的HIS、电子病历、手术麻醉、远程会诊等系统进行对接。对于将要进行的手术病人可以通过病人住院号，从系统中点击HIS，直接系统读取病人基本信息，从电子病历系统读取病人治疗病程等信息、从手术麻醉系统中读取病人手术排班信息等，同其它系统的信息共享，避免了该系统的许多手工录入工作，对传统手术信息是一个有力地补充，也加强了病人手术的闭环管理。另外，目前医院正在开发在电子病历系统中嵌入病人手术期间手术录像调阅的按钮，可以极大丰富病人的病历资料。具体HIS读取界面如图3所示。

目前鼓楼医院大多数新的手术室都配置了多个视频获取设备（如高清术野摄像机、高清场景摄像机、各种高清腔镜摄像机、高清窥镜摄像机等），统一进行数字化处理，将视频流转换成无损压缩的高清IP数字信号，再经医院IP网络传至中心服务器系统，为手术室的医疗人员提供下列两个方面的工作指导：

数字化手术室系统提供音视频录制功能，可将手术操作过程录制成教学影像课件，供实习医生、医学院校学生学习使用，也可作为多媒体医学病历资料保存使用。对手术现场的录音录像，以及经后期编辑，整理并存档存储资料，可随时通过网络内部以VOD的形式进行访问及调用。经过授权的实习医生也可在网络上的客户端下载典型手术视频进行观看、提高学习效率。录像智能搜索：在系统设置好以后，示教直播的同时手术示教系统的数据中心会自动进行归类存储。经授权的用户，只要登录到数据中心，输入关键字（如：主刀医生姓名、患者姓名、手术名称、科室等），所有相关手术录像资料即可按时间顺序列出，点击相应的文件即可在线回放及下载，如图4所示。

（2）手术指导：由在场外的有经验的医生，指导实习手术医生进行手术（如省级、市级中心医院的专家，可以对县级医院紧急不适合转诊大型手术实施指导等），中心医院的专家通过会诊终端，实时地观看手术过程，根据高清视频图像并结合自己的丰富经验，为主刀医生提供重要的建议；手术中创口重点部位还可以放大，极大程度地提高了诊断的准确性，最大限度地提高手术的成功率。

俱乐部开展的健身项目主要以力量器械训练、有氧健身操、踏板健美操和动感单车、瑜伽等为主，其中有氧健身操、动感单车、瑜伽的比例最大，分别占40.4%、26.7%、24.9%，这也与动感单车、瑜伽较为简单易行和大部分教练取得了有氧健美操证书的教练相对较多有关，从调查结果也可以了解到50%以上的健身指导员能够掌握2-4项健美操运动技能，能够满足健身俱乐部的要求（表2）。另外，鄂州市健美操指导员每周指导次数普遍偏高、强度较大(表3)。

  

图4 高清医疗示教系统回看手术信息

  

图5 数字化手术室高清视频的应用

4.4 高清手术室实时互动病理分析

高清网络视频系统除了可以为手术室提供上述工作指导外，还可以提供实时互动的病理分析。目前，普遍认为肿瘤诊断的金标准是病理学诊断，而病理学诊断又分为细胞病理学和组织病理学两种。病理分析最大的特点是诊断准确，但由于必须要进行活检，所以除了消化道疾病可以通过内镜进行钳取活检外，大多数都需要在手术过程中进行切取样本制成病理切片后用显微镜来进行诊断。

步骤1：初始化GA参数。构建一定数量的初始种群，确定最大遗传代数，生成种群最大数量SIZEPOP，交叉概率以及变异概率。

数字化手术室系统从视频流的获取、直播、编码，到视频的分发、转播、传输、录音、录像，以及后续的归档、解码和显示等，都能通过该系统呈现给用户良好的高清体验。数字化手术室高清系统以国际标准的“统一通讯”架构为核心的基础平台（如图1所示），该系统平台提供并保证了最为基本的、丰富的、可扩展的音视频通信功能，它可以与世界上任何一个标准的音视频终端相连接。根据图1，该VioSphere系统由多个基本服务和子服务组成，这些服务包括以下几个部分：

手术医生可以通过高清视频医疗手术辅助系统，快速地与病理科专家进行实时的交互式高清音视频交流，病理专家在用显微镜观看活检切片的同时，手术主刀医生可以在手术室的数字化终端上看到整个高清的显微镜诊断过程，双方还可以实时讨论，如果切片质量欠佳，病理专家还可以指导手术医生重新进行活检，为手术争取宝贵的时间，病理专家在无法诊断的疑难病例的情况下，还可以邀请外院的相关专家一同进行多方互动会诊。

图4以混淆矩阵的形式展示了LSTM网络模型在两组测试集上的表现。尽管MobiAct数据集中的跌倒与非跌倒样本比例严重失衡(约为1/10),但最终在包含2 520个测试样本的测试集上判断错误的样本数仅为8例(4次误判,4次漏判);同样,在SisFall数据集的1167例测试数据上,模型判断错误的样本数仅为7例(3次误判,4次漏判)。较低的误报率和漏报率说明算法在两个数据集上都表现出了较高的识别精确度。

4.5 手术观摩示教和远程医疗专家现场会议、会诊

（1）院内手术观摩：在手术现场的实时观摩和示范教学方面，高清网络视频系统同样存在优势。一般情况下，医学院学生必须在医院临床实习一年以上才能毕业，但由于实习毕业生众多，传统的做法是安排实习医生利用医院的网络传送到需要的示教室、异地会场、医学院等；主刀医生可通过无线耳机与会场主讲教授进行实时高品质的对话，或与医学院、兄弟医院进行三方或多方会议讨论，而手术示教系统的高清音视频录制、集中存储和调阅为医院学术会议、示范教学提供一种便捷的方式，为实时医生进行手术观摩提供便利。

（2）实时远程会诊：该数字化手术室系统与鼓楼医院远程医学会诊平台实现互连互通。鼓楼医院远程会诊平台采用思科的网真设备，通过IP网络和北京、上海等地大型医院、医联体集团内医院以及援疆、援藏等几十家医疗单位对接。手术室的所有视频流汇集到数字化手术室系统服务器，通过国际标准的SIP通信协议和鼓楼医院远程会诊平台对接。在会议室进行会议的远程医疗专家可以从高清手术示教系统的服务器中，非常简单地接入任何一路或多路实时的视频图像或手术录像，就像接入一方会议方一样。而且一路或多路图像还可以通过会诊平台的辅流共享功能，共享医疗图像给远程的与会者，再结合会诊平台的病人信息资料，同时进行远程会诊。

（3）远程示教：鼓楼医院承担着大量对帮扶医院的教学工作。该系统的建成也为鼓楼医院医联体集团和医院帮扶下级医疗机构的远程教学工作带来便利。同样利用远程会诊平台的辅流共享功能，在会诊平台调用到手术示教画面直接共享给平台上的其他连接医疗单位。而该系统的服务器所支持的国际标准的SIP通信协议可与目前市场上支持SIP国际标准的主流品牌视频会议系统对接，互通互联，解决不同系统的互通问题。其它医疗机构医生完全可以在自己医院示教室内借助通用的音视频设备，实时观摩手术和主刀医生进行互动或者经授权后点播手术录像进行观看学习，大大降低医院的系统投入成本［5］。

自2013年下半年系统建成投入使用以来，鼓楼医院已经成功开展各类高清医疗手术示教案例147例，院内点播观摩人次达到三千多人次。通过远程会诊平台向鼓楼医院医联体内的南京市内区县医院、省内宿迁、仪征、省外陕西韩城、重庆大坪、新疆伊宁、西藏墨竹工卡以及境外援建桑给巴尔等医院进行远程手术示教三十余次。得到了各级医生、老师、学生和患者的一致好评，取得了良好的社会效应和评价。

5 结论

鼓楼医院高清网络视频医疗手术辅助系统的相关特点，符合数字化医院的基本功能要求，方便医生以及医疗专家给病员患者更准确的确定病因，制定更合理、有效的治疗方案，还对医疗人员更确切、逼真、方便以及提高教学质量有很大帮助；医疗专家、医生、学生们，不仅可在会诊室、会议室、示教室和医生办公室等区域进行实时观摩、学习手术指导操作过程，还可以利用音视频录制功能，将手术操作过程录制成教学影像课件，供实习医生、医学院校学生学习使用，也可作为多媒体医学病历资料保存使用。高清网络视频医疗手术辅助系统是一种强大医疗辅助以及医学教学工具，通过它，可以为现场手术医生和远程医疗专家们提高实时音视频交流，共同分享视频图像，进行医疗会诊及二次诊断［6］。该系统为患者提供优良服务的同时，也为临床医生提供了丰富的医疗资源和学术依据。

［参考文献］

［1］ 张臣舜，张 涛.医院数字化手术室建设的发展趋势［J］.中国医学装备，2012，9（12）：67-69.

［2］ 周 雄.浅谈高清数字化手术室系统的设计与实现［J］.中国继续医学教育，2015，33（7）：20-21.

［3］ 宇新民，李宏斌，仝武宁，等.数字化手术室的研究与设计［J］.科学研究，2011，8（7）：38-40.

［4］ 伊景忠，蒋协远，田 伟.医院全新数字化手术室改造方案浅析［J］.医院建设，2008，9（6）：12-17.

［5］ 王玉珍，王 健，赵正军.医院数字化手术室的整体设计与实施［J］.医院数字化，2016，31（10）：90-92.

［6］ 魏 涛，杨 勇，邵 蕾.数字化手术室多路高清视频合成系统的研究［J］.外科研究与新技术，2016，5（4）：281-286.