姜 濤，潘新華，譚 珂，郭天泉

解放軍總醫(yī)院教育技術中心，北京 100853

基于光纖傳輸的3D手術示教系統的設計與應用

姜 濤，潘新華，譚 珂，郭天泉

解放軍總醫(yī)院教育技術中心，北京 100853

在介紹機器人一般技術、原理、傳輸途徑的基礎上，結合“達芬奇機器人系統”，從關鍵技術、系統結構等方面進行分析，并運用3D顯示技術、光纖傳輸技術設計了一套3D手術示教系統。

3D視頻;光纖傳輸;示教系統

解放軍總醫(yī)院是一所大型綜合性醫(yī)院，承擔著醫(yī)療、保健、科研、教學的任務［1］，鑒于其所處的學術地位，每年都會舉辦多次大型的國際、國內學術交流會議。2006年引進了達芬奇機器人系統［2］，其3D視覺系統再現了手術視野，引導操作實現了微創(chuàng)手術。隨著3D顯示技術的發(fā)展與推廣，會議為手術示教轉播系統的術野實景再現能力提出了更高的要求。為了滿足其對真實感的需求，決定將無壓縮的數字術野信號傳輸到會場，以3D技術將其再現。由于無壓縮的數據量大，而需要傳輸的距離遠，所以采用具有頻帶寬、容量大、抗干擾能力強的光纖作為傳輸介質。基于光纖傳輸的3D手術示教系統的建立為高級別學術會議的完美舉行提供了堅實的技術支撐。

1 關鍵技術

1.1 機器人系統介紹

機器人是一種視頻操作系統，由醫(yī)生控制臺、床旁機械臂塔和視頻系統三部分組成(如圖1所示)。在醫(yī)生控制臺裝有3D視覺系統和動作定標系統，主刀醫(yī)生的動作通過傳感器被精確地記錄下來并同步傳導給機械臂。床旁機械臂塔上裝有四個機械臂，中間攝像臂裝有兩個攝像頭，與連接于胸腔內鏡所采集的圖像一起經視頻系統處理后產生了具有真實感且術野放大了10倍的三維立體圖像，并顯示于醫(yī)生控制臺，其他三個機械臂均裝有類似人的手腕關節(jié)的機械腕，能完成精細動作。

圖1 機器人系統圖

1.2 3D技術原理

人體有兩個眼球，在看事物時，因它們的視覺范圍及角度并不一致，兩眼分別得到略有視差的二維圖像，在視網膜上投像后經視神經傳遞給大腦，大腦通過對左右兩幅圖像以及兩幅圖像的視差進行分析和處理后，得到關于事物的光亮度、形狀、色彩、空間分布等信息［3］。3D顯示技術通過將兩個略有差異的二維圖像分別呈像給左右眼，模擬出人眼所看到的兩個不同圖像，從而產生該物體的立體感覺?，F在共有4種實現的技術方法:分別為分色法、分光法、分時法和光柵法。

目前，3D顯示技術中分光法應用比較廣泛，其原理是利用偏振光濾鏡特性選擇性地讓某特定角度偏振光透過，比如讓左旋偏振光只進入左眼，右旋偏振光只進入右眼，從而使存在視差的兩畫面分別進入左右眼。投影設備以每秒144幀交替輸出左眼與右眼圖像，并設置使左右畫面的交替與圓偏振光濾光片的左右旋同步，當光投射到銀幕上時，銀幕將反射左旋與右旋的圖像［4］。3D電視機以每秒120幀交替顯示左右圖像，電視機顯示屏的奇數、偶數水平掃描線分別貼上左旋和右旋的圓偏光濾波微型磁極，從而透射出左右旋的圖像［5］。觀眾戴上具有左旋與右旋圓偏光濾光片的無源眼鏡即可觀看到3D圖像(如圖2所示)。

圖2 3D顯示技術原理圖

1.3 數字接口的選擇

目前，常用的數字接口主要有串行數字接口(serial digital interface，SDI)、高清晰數字多媒體接口(highdefinition digital multimedia interface，HDMI)和數字視頻接口(digital visual interface，DVI)，該系統采用的是SDI接口。SDI接口在數字電視節(jié)目制作領域應用最廣，是針對演播室環(huán)境提出的用單根同軸電纜串行傳輸未經壓縮的數字視音頻信號的方法［6］。HDMI接口是針對消費領域制定的用單根線纜并行傳輸無壓縮的數字視音頻的標準，通過單條HDMI線纜連接多媒體設備，就能欣賞到清晰的畫面和立體的聲音。目前，HDMI1.4可實現家庭3D系統輸入輸出的標準化［7］，3D電視機等家用電子產品多配有HDMI接口。DVI接口的最初設計是用于電腦主機和監(jiān)視器之間的數字信號傳輸，現在被應用到高清晰度視頻領域。常見的DVI接口為DVI-D與DVI-I，DVI-D是純數字視頻接口，DVI-I根據管腳定義的不同可分為模擬接口和數字接口［8］?？紤]攝像機、數字視音頻切換臺的接口為SDI，且其傳輸距離最長，所以數字視頻接口均采用SDI接口，DVI-SDI、HDMI-SDI轉換器等設備在市場上已有，可根據需要進行信號轉換。其接口性能如表1所示。

1.4 光纖傳輸技術

光纖是由透明的細如頭絲的玻璃纖維、石英纖維等材料加工而成。由于其可傳輸光，所以將載有圖像的電信號轉化成光信號，以光波作為電信號載波，經過光纖傳輸到遠處，在目的地再將光信號轉換回電信號，從而完成信號的傳輸［9］。光纖傳輸系統由光發(fā)送、光傳輸和光接收三部分組成，具有頻帶寬，傳輸速度快，抗干擾能力強，傳輸距離遠等特點［10］。

2 系統設計

2.1 系統功能設計

通過該系統可將手術室的3D圖像信號實時傳輸到會場，會場的3D投影機等設備將手術操作呈現給參會者，實現手術室與會場的交流與討論。同時，能將圖像、聲音進行記錄，方便日后教學與研討。

2.2 系統結構設計

下面以達芬奇機器人手術室為例，介紹系統結構。系統基本上分為三個部分:手術室信號采集部分、信號的傳輸部分和會場信號切換、錄制及顯示部分，系統結構如圖3所示。

2.2.1 手術室信號的采集 主要是將手術室內有關的視頻信號進行采集:機器人視頻系統輸出3D圖像SDI左右信號的采集，手術場景SDI信號的采集，無影燈攝像機、全景攝像機等標清信號的采集，對講聲音的采集及會場聲音的再現等。攝像機、機器人系統的輸出為數字信號，其接口為SDI接口(如為DVI-D接口，可用DVI-SDI轉換器進行轉換)，其中機器人系統的3D圖像分成左右兩路輸出;無影燈攝像機、全景攝像機為原示教系統所配置，其輸出為標清模擬復合信號。

2.2.2 信號的傳輸 主要將采集的電信號形式的視音頻轉化成光信號傳輸至會議室，在會議室再將光信號還原成電信號，完成視音頻信號的傳輸。采集的視頻信號分為數字信號和模擬信號，所以選擇的光發(fā)轉換器型號也不同。前者只傳輸一路SDI視頻信號，并不傳輸音頻數據，3D圖像的左右視頻信號分成兩路分別進行傳輸，其采用單模1 310 nm波長的光作為載波，傳輸距離最遠達20公里，中間并未添加光中繼器。后者可傳輸四路標清的模擬信號和雙向音頻信號，正向的視音頻信號數據亦采用1 310nm波長的光作為載波，反向音頻數據采用850 nm波長的光作為載波，從而實現聲音的對傳。

2.2.3 會場信號的切換、錄制及顯示 傳輸至會場的每組3D信號分左右以SDI接口接入數字視音頻切換臺，每組視頻組成雙鏈路由數字視音頻切換臺完成左右圖像的時鐘同步并進行3D信號的切換，然后輸出至3D顯示設備及錄制設備。3D信號一組輸入至3D投影機，其將輸入的左右兩路SDI信號交錯投射到金屬幕布上，從而實現三維立體圖像的再現;另一組3D信號經轉換器合成為一路HDMI1.4信號［11］，輸入3D電視機顯示并輸入3D錄制設備(如圖4所示)。

圖4 3D信號分配圖

手術場景攝像機信號以SDI接口接入另一臺視音頻切換臺進行切換，然后輸出至顯示設備及錄制設備。其他標清信號連至原會議系統的AV矩陣進行信號切換控制，切換到相應的顯示設備。手術室聲音輸入會場調音臺進行統一控制，會場的聲音亦傳輸至手術室和錄制系統。

由于圖像信號有三種，分別為雙路SDI組成的3D信號，單路SDI信號和模擬復合信號，所以信號的切換、顯示及錄制也分成了三部分。

3 應用展望

3D手術示教系統轉播的手術視野圖像清晰，其縱深感突破了傳統二維圖像的局限，再現了術者的操作視野。當觀眾看到與術者一樣的3D圖像時，術野內的組織空間結構即呈現在眼前，手術器械前后移動，準確的定位操作，增強了手術空間操作的立體感和手術觀摩的沉浸感，加深了對手術理念的理解。比如觀看心血管外科治療冠心病的手術，術者吻合血管時每一步靈活的、精細的動作好像是由自己操作完成的一樣。

該系統擴展了微創(chuàng)手術視野的顯示空間，使手術觀摩人數不再受手術室場地的限制，增加了實踐學習機會，增強了身臨其境的真實感覺。通過該系統可對進修醫(yī)師、實習生等進行微創(chuàng)手術操作技能的教學;可就疑難手術進行學術會議交流;對外科醫(yī)師或執(zhí)業(yè)醫(yī)師的微創(chuàng)手術操作進行考核等［12］。它為微創(chuàng)手術的科研、教學提供了先進的設施條件。

該系統已完成心血管外科機器人手術演示5臺次，并為已開展機器人微創(chuàng)手術的科室(如泌尿外科、肝膽外科、普通外科、腫瘤外科)舉辦國際國內會議提供了技術保障，還可應用于其他(如3D顯微鏡系統)3D顯示的擴展。該系統的應用將極大地增強會場的現場效果，促進醫(yī)院的學術交流，提升醫(yī)院的品牌形象，使手術示教系統緊隨時代步伐邁入3D世界，為其開辟一片嶄新的發(fā)展空間。該系統不足之處是對偏振眼鏡的依賴，但隨著3D技術的不斷發(fā)展，終將摒棄眼鏡，實現裸眼3D的真實感受。

［1］姜濤，潘新華，譚珂，等.醫(yī)學臨床教育數字播出系統的設計與應用［J］.中國醫(yī)學教育技術，2011，25(6):635-637

［2］桂海軍，張詩雷，沈國芳.醫(yī)用外科機器人應用和研究進展［J］.組織工程與重建外科雜志，2011，7(1):55-59

［3］譚珂，潘新華，蔡守旺，等.三維立體顯示技術在肝臟手術仿真訓練系統中的應用［J］.中國醫(yī)學教育技術，2011，25(5):522-525

［4］潘新華，郭光友，梁軍.投影銀幕的選擇與保養(yǎng)［J］.中國醫(yī)學教育技術，2005，19(1):62-63

［5］郭偉.3D圖像技術基礎與應用(2)［J］.有線電視技術，2011，(10):122-126

［6］沈聰.標清視頻處理系統的結構設計及應用［J］.有線電視技術，2010，(1):73-75

［7］董素玲，王真.HDMI到HD-SDI接口轉換在高清視頻系統中的應用［J］.徐州建筑職業(yè)技術學院學報，2011，11 (2):39-41

［8］周磊.DVI接口在廣播電視的應用［J］.現代電視技術，2008，(4):92-94

［9］高世新.數字電視的光纖傳輸技術［J］.電腦知識與技術，2008，3(9):1897-1898

［10］王新剛.光纖在廣播電視中的應用［J］.科技情報開發(fā)與經濟，2006，16(14):291-292

［11］陳力.淺析2010南非世界杯3D觀摩實驗［J］.現代電視技術，2010，(9):52-55

［12］潘新華，郭天泉，譚珂.數字手術影像示教系統的建立與應用［J］.中國醫(yī)學教育技術，2007，21(3):241-244

Design and application of the 3D operation teaching system based on optic fiber transm ission

Jiang Tao，Pan Xinhua，Tan Ke，Guo Tianquan
Educational Technology Center，General Hospital of the PLA，Beijing 100853

The paper first introduces the general technology，principles and transmission pathway of robots.Then it analyzes the key technology and system structure of Da Vinci Robot System，and designs a series of 3D operation teaching system by using 3D display technology and optic fiber transmission technology.

3D video;optic-fiber transmission;teaching system

G434

:A

:1004-5287(2012)04-0421-03

國家科技支撐計劃課題(2011BAH15B08);國家社會科學基金“十二五”規(guī)劃重點子課題(BCA110020-G200);全軍醫(yī)藥衛(wèi)生科研項目子課題(10MA025-FS006)

2012-05-15

姜濤(1980-)，男，河北保定人，技師，學士，主要研究方向:音視頻多媒體技術。