王曼，李濤

北京積水潭醫(yī)院 信息中心，北京 100035

引言

北京積水潭醫(yī)院是一家以骨科和燒傷科為重點的三級甲等綜合醫(yī)院，醫(yī)院每年接收來自全國各地的骨科進(jìn)修大夫600余人次，還需完成數(shù)百名碩士、博士研究生及本科生的臨床教學(xué)任務(wù)。手術(shù)示教是廣大實習(xí)人員獲得外科手術(shù)經(jīng)驗的最佳途徑之一，手術(shù)示教系統(tǒng)的開發(fā)對我院手術(shù)示教水平的提高起到巨大推動作用。

現(xiàn)代手術(shù)越來越趨于精準(zhǔn)化，高清晰度的手術(shù)示教畫面展示有助于學(xué)習(xí)人員更直觀、更快速地理解關(guān)鍵步驟的細(xì)節(jié)要求。例如我院脊柱外科的神經(jīng)減壓、手外科細(xì)小的血管神經(jīng)縫合等涉及精細(xì)手術(shù)操作，均需要手術(shù)示教信號高清晰無損傳輸。由于醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)帶寬資源有限，為保證手術(shù)示教畫面的流暢性，需要對視頻信號采用H.264算法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼，通過犧牲畫面清晰度換取流暢性。然而，對于高精度手術(shù)的示教，示教質(zhì)量與信號顯示的清晰度息息相關(guān)，清晰度降低會導(dǎo)致觀摩人員遺漏重要的手術(shù)操作細(xì)節(jié)，導(dǎo)致示教質(zhì)量打折。

為了解決上述問題，本文擬通過將視頻拼接顯示技術(shù)與傳統(tǒng)手術(shù)示教系統(tǒng)相融合，使手術(shù)示教信號以無損方式由手術(shù)室傳輸至示教室，并通過示教室配套設(shè)置的視頻拼接墻展示高分辨率的手術(shù)示教畫面，從而提升手術(shù)示教質(zhì)量。

1 視頻拼接技術(shù)簡介

視頻拼接系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于教育科研、政府公告、信息出版、行政管理、軍事指揮、展覽展示、安防監(jiān)控等行業(yè)。拼接處理器是視頻拼接系統(tǒng)的核心設(shè)備，其主要功能是將一個完整的圖像信號劃分成N個顯示區(qū)塊，并分配給對等數(shù)量的顯示單元，每個顯示單元顯示該圖像信號的部分內(nèi)容，組成一個完整的超大分辨率圖像拼接墻[1]。拼接處理器的硬件架構(gòu)是以高速數(shù)字交換背板為核心，采用PCI-E硬件架構(gòu)設(shè)計，拼接處理器的內(nèi)部硬件架構(gòu)如圖1所示。

圖1 拼接處理器的內(nèi)部硬件架構(gòu)圖

拼接處理器按照物理板卡類型劃分為視頻信號采集卡、視頻信號切換卡、視頻信號輸出卡、控制卡，各板卡之間通過高速數(shù)字交換背板提供的PCI-E總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。拼接處理器內(nèi)部的信號傳輸鏈路包括RGB數(shù)據(jù)傳輸鏈路和控制指令傳輸鏈路。RGB數(shù)據(jù)傳輸鏈路專用于傳輸RGB數(shù)據(jù)，RGB數(shù)據(jù)傳輸鏈路布置于視頻信號采集卡與視頻信號切換卡之間，以及視頻信號切換卡與視頻信號輸出卡之間。控制指令傳輸鏈路專用于控制卡向其他板卡傳遞控制指令。

（1）視頻信號采集卡用于采集外部信號源設(shè)備輸出的視頻信號，并通過FPGA處理芯片對視頻信號按顯示幀率進(jìn)行RGB顏色空間轉(zhuǎn)換，將得到的RGB數(shù)據(jù)輸出至視頻信號切換卡。

（2）視頻信號切換卡用于建立視頻信號采集卡與視頻信號輸出卡的端口映射通道，該端口映射通道的建立規(guī)則取決于控制卡接收到的外部中控設(shè)備的參數(shù)配置信息。視頻信號切換卡采用全交叉調(diào)度架構(gòu)高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，底層數(shù)據(jù)傳輸由數(shù)據(jù)調(diào)度芯片控制，保證每路視頻信號在數(shù)據(jù)傳輸鏈路中獨享傳輸通道，兼顧視頻信號的傳輸速度與質(zhì)量，信號顯示速度達(dá)到60幀/s，從根本上保證對所有輸入信號源進(jìn)行全實時處理和數(shù)據(jù)一致性，圖像無延遲、無離散化、無丟幀現(xiàn)象。

（3）視頻信號輸出卡用于將RGB數(shù)據(jù)進(jìn)行RGB顏色空間逆轉(zhuǎn)換，并根據(jù)外部中控設(shè)備發(fā)送的信號顯示方案，對獲取的視頻信號調(diào)整顯示分辨率、截取每個顯示單元對應(yīng)的像素區(qū)塊，并將視頻信號輸出至外部顯示設(shè)備進(jìn)行顯示。

（4）控制卡通過網(wǎng)線或串行數(shù)據(jù)通信線束連接外部中控設(shè)備，接收管理人員在中控設(shè)備中配置的示教顯示參數(shù)，包括各路視頻信號在拼接墻中的顯示位置、顯示分辨率、疊加字幕內(nèi)容等參數(shù)信息。控制卡將顯示參數(shù)解析成可執(zhí)行指令并轉(zhuǎn)發(fā)至各個板卡，對各個板卡的正常運作起到指導(dǎo)控制作用。

2 手術(shù)示教系統(tǒng)的設(shè)計方案

2.1 現(xiàn)有手術(shù)示教系統(tǒng)介紹

現(xiàn)有手術(shù)示教系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)分布式硬件架構(gòu)，如圖2所示。

圖2 現(xiàn)有手術(shù)示教系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)分布式硬件架構(gòu)

手術(shù)室內(nèi)的醫(yī)療影像設(shè)備，如全景攝像機(jī)、術(shù)野攝像機(jī)、內(nèi)窺鏡、腹腔鏡等，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)編碼器編碼后通過醫(yī)院內(nèi)網(wǎng)環(huán)境的交換機(jī)輸出至網(wǎng)絡(luò)信道。通過示教室的計算機(jī)設(shè)備登陸示教客戶端，向中心服務(wù)器發(fā)送示教請求指令，中心服務(wù)器建立手術(shù)室與示教室的網(wǎng)絡(luò)端口映射通道[2]。示教室的計算機(jī)設(shè)備獲取網(wǎng)絡(luò)信號后進(jìn)行本地解碼，然后通過本地顯示器進(jìn)行播放[3]。視頻信號由手術(shù)室傳輸至示教室經(jīng)過有損壓縮步驟，導(dǎo)致該信號經(jīng)過本地解碼后無法完美還原視頻信號原始的細(xì)節(jié)要素。

2.2 手術(shù)示教系統(tǒng)的硬件架構(gòu)設(shè)計

2.2.1 視頻拼接系統(tǒng)與手術(shù)室的對接方案

拼接處理器作為醫(yī)療影像信號的調(diào)度主機(jī)，固定放置在手術(shù)室的專用機(jī)柜中，機(jī)柜采用符合ANST/EIA RS-310-C/D的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，各個信號源設(shè)備通過有線方式直連拼接處理器的視頻信號采集卡?？紤]到不同醫(yī)療影像設(shè)備的信號輸出格式各異，視頻信號采集卡支持對多種視頻信號格式的采集處理，根據(jù)手術(shù)室的設(shè)備實際使用情況適配對應(yīng)的視頻信號采集卡，實現(xiàn)與各種醫(yī)療影像設(shè)備、醫(yī)學(xué)監(jiān)護(hù)儀器的友好對接。視頻信號采集卡支持的輸入信號格式如表1所示。

表1 視頻信號采集卡支持的輸入信號格式

適配我院骨科顯微手術(shù)的示教系統(tǒng)，在拼接處理器中布置SDI信號采集卡、HDMI信號采集卡、VGA信號采集卡、DVI信號采集卡。SDI/HDMI信號采集卡直連于術(shù)野攝像機(jī)，VGA信號采集卡直連于麻醉監(jiān)護(hù)儀，DVI/HDMI信號采集卡直連于手術(shù)室計算機(jī)設(shè)備，上述三路視頻信號分別由拼接處理器推送至拼接墻進(jìn)行同步顯示。手術(shù)室計算機(jī)設(shè)備通過醫(yī)院內(nèi)網(wǎng)環(huán)境登陸醫(yī)學(xué)影像信息系統(tǒng)（Picture Archiving and Communication Systems，簡稱PACS系統(tǒng)），調(diào)取患者手術(shù)部位的核磁共振影像并輸出該計算機(jī)設(shè)備的顯示器[4]。

2.2.2 視頻拼接系統(tǒng)與示教室的對接方案

示教室布置由M×N個顯示器陣列組成的拼接墻，每個顯示器分別直連于拼接處理器的視頻信號輸出卡，本系統(tǒng)中示教室無需配置計算機(jī)設(shè)備。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β?，HDMI高清信號線纜直連的最大距離不宜超過10 m，VGA模擬信號線纜直連的最大距離不宜超過15 m。考慮到我院手術(shù)室與示教室之間的實際物理距離較遠(yuǎn)，不支持短距離直連布線，需要在拼接處理器的信號輸出端與拼接墻的信號輸入端之間添加信號遠(yuǎn)傳節(jié)點[5]。

具體地，在拼接處理器的每一路輸出信號與拼接墻之間的信號傳輸鏈路上設(shè)置光端機(jī)，每組光端機(jī)包括發(fā)送器和接收器，發(fā)送器與拼接處理器的視頻信號輸出卡相連接,接收器與拼接墻的顯示器相連接,發(fā)送器與接收器之間通過光纜連接，利用光纖信號傳輸優(yōu)勢，實現(xiàn)在不損失信號質(zhì)量的前提下延長高清信號的傳輸距離，傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)10 km，最高支持4 K分辨率，兼顧視頻信號的傳輸效率與質(zhì)量[6]。

綜上所述，手術(shù)示教系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖3所示。

2.2.3 示教拼接顯示預(yù)案

拼接處理器支持視頻信號在拼接墻的任意位置開窗顯示，拼接處理器中的控制卡通過網(wǎng)線或串行控制總線連接外部的中控設(shè)備，以接收管理人員通過中控設(shè)備發(fā)送的拼接顯示參數(shù)，包括：

（1）窗口水平起始位置。指顯示視頻信號的窗口的參考點（如窗口左上角端點）在拼接墻二維坐標(biāo)系中的橫向坐標(biāo)值。

（2）窗口垂直起始位置。指顯示視頻信號的窗口的參考點（如窗口左上角端點）在拼接墻二維坐標(biāo)系中的縱向坐標(biāo)值。

（3）窗口橫向分辨率。指顯示視頻信號的窗口沿水平方向覆蓋的像素點個數(shù)。

（4）窗口縱向分辨率。指顯示視頻信號的窗口沿垂直方向覆蓋的像素點個數(shù)[7]。

考慮到目前主流視頻信號質(zhì)量已經(jīng)由傳統(tǒng)高清1080 P（1920×1080）分辨率逐漸向4 K（3840×2160）分辨率過渡[8]，示教室的視頻拼接墻布置方案如圖4所示，其分別是由8個顯示器構(gòu)成的4×2顯示規(guī)模的視頻拼接墻，自然數(shù)編號為各個顯示器在視頻拼接墻中的邏輯位置，各個顯示器的顯示分辨率均為1080P。圖4虛線框內(nèi)的4個顯示器所形成的2×2顯示器陣列，其分辨率均為3840×2160，即可以支持拼接顯示4 K信號。

圖4 示教室的視頻拼接墻布置方案

以骨科顯微手術(shù)的示教為例，通過中控設(shè)備配置顯示參數(shù)，使拼接墻中央的2×2顯示器陣列拼接顯示術(shù)野攝像機(jī)的視頻信號，同時使拼接墻左側(cè)1×2的顯示器陣列拼接顯示麻醉監(jiān)護(hù)儀的視頻信號，右側(cè)1×2的顯示器陣列拼接顯示手術(shù)室計算機(jī)設(shè)備的視頻信號（即拼接顯示PACS系統(tǒng)中調(diào)用的MRI影像信息），為實習(xí)人員提供全方位、多角度的手術(shù)相關(guān)信息。完整的骨科顯微手術(shù)的示教拼接顯示畫面如圖5所示。

圖5 完整的骨科顯微手術(shù)的示教拼接顯示畫面

3 結(jié)論

通過將視頻拼接技術(shù)、高清信號遠(yuǎn)傳技術(shù)以及醫(yī)院的數(shù)字化信息管理技術(shù)與手術(shù)示教系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)的有益效果如下：

圖3 手術(shù)示教系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

（1）實現(xiàn)手術(shù)室高清數(shù)字化信號的無損遠(yuǎn)距離傳輸，并能夠保持60幀/s的信號顯示速度，有效提升手術(shù)示教畫面的清晰度，更好地展示手術(shù)細(xì)節(jié)。

（2）針對目前主流的1080 P畫質(zhì)醫(yī)療影像信號以及未來4 K信號的應(yīng)用趨勢，有預(yù)見性地布置示教室中的顯示器陣列規(guī)模，在中控設(shè)備的配合下實現(xiàn)配置多樣化的示教拼接顯示預(yù)案，使示教室顯示器陣列與手術(shù)室醫(yī)療影像信號的對接兼容性更高。

（3）與傳統(tǒng)手術(shù)示教系統(tǒng)相比，我院手術(shù)示教系統(tǒng)采用集中式布置架構(gòu)，無需在示教室配置計算機(jī)設(shè)備，僅需要布置顯示器陣列，降低了示教室的布線難度；此外，拼接處理器中的視頻信號采集卡、視頻信號輸出卡支持工作狀態(tài)下的熱插拔，當(dāng)設(shè)備板卡發(fā)生故障時，僅需將故障板卡進(jìn)行替換，無需將整個設(shè)備斷電，降低了設(shè)備的日常檢修與維護(hù)成本。