潘智堅(jiān)

（中山廣播電視臺(tái) 廣東省中山市 528405）

1 前言

4K超高清技術(shù)在電影、電視領(lǐng)域的應(yīng)用已廣為人知，但是，在其他行業(yè)的應(yīng)用仍有相當(dāng)大的挖掘空間，譬如醫(yī)療領(lǐng)域。當(dāng)年在索尼高清學(xué)院觀看到的4K超高清拍攝的心臟外科手術(shù)畫面相當(dāng)震撼。由此產(chǎn)生了將4K超高清技術(shù)應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的念頭。正所謂隔行如隔山，跨的界有點(diǎn)寬，一直找不到北。在一次跟醫(yī)院的同學(xué)聊天過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，其實(shí)醫(yī)院對(duì)于如何應(yīng)用先進(jìn)的影像技術(shù)進(jìn)行外科手術(shù)過(guò)程的醫(yī)療教學(xué)也是一直沒(méi)有找到好的方法。由此，兩位同學(xué)一拍即合，決定來(lái)一次廣電+醫(yī)學(xué)的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合。

2 技術(shù)方案

平生第一次進(jìn)入醫(yī)院的手術(shù)室內(nèi)，發(fā)現(xiàn)有各種各樣的醫(yī)療器械，如內(nèi)窺鏡、顯微鏡、無(wú)影燈等一摞醫(yī)療器械。經(jīng)了解，醫(yī)院的手術(shù)室一直渴望可以將外科手術(shù)的過(guò)程進(jìn)行直播，可以為實(shí)習(xí)醫(yī)生培訓(xùn)、特別是邊遠(yuǎn)地區(qū)醫(yī)生的學(xué)習(xí)培訓(xùn)提供便利。其實(shí)手術(shù)室內(nèi)已鋪設(shè)了千兆網(wǎng)，但是醫(yī)院過(guò)去經(jīng)過(guò)多次的嘗試均沒(méi)能成功，或者說(shuō)直播圖像比較模糊、效果比較糟糕。在掌握了基本情況后，我們應(yīng)用廣電行業(yè)的技術(shù)為醫(yī)院設(shè)計(jì)外科手術(shù)室直播系統(tǒng)。技術(shù)系統(tǒng)由四部分構(gòu)成：

信號(hào)采集、編碼，網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，終端顯示，通話指揮系統(tǒng)。

2.1 信號(hào)采集、編碼

手術(shù)室內(nèi)的信號(hào)源主要來(lái)自內(nèi)窺鏡、顯微鏡、超高清攝像機(jī)等。通過(guò)實(shí)地勘察，手術(shù)室內(nèi)的醫(yī)療影像設(shè)備均帶有HD-SDI或HDMI接口。本次，我們?yōu)槭中g(shù)室配備的超高清攝像機(jī)帶有12G或HDMI2.0接口，可以輸出4K超高清視頻信號(hào)。我們本次為手術(shù)室選用的超高清攝像機(jī)帶有控制云臺(tái)及接口，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的推、拉等動(dòng)作，攝像機(jī)是專為手術(shù)室而設(shè)計(jì)，在無(wú)影燈高亮度條件可清晰地拍攝到手術(shù)的過(guò)程。本次的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，第一是要求畫面必須清晰穩(wěn)定；第二是必須低延時(shí)，讓遠(yuǎn)端的醫(yī)生學(xué)員或者專家能及時(shí)收看和指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)的手術(shù)；第三是能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端與手術(shù)室的即時(shí)通話。因此，我們的系統(tǒng)方案是選用一款專業(yè)的醫(yī)野4K攝像機(jī)（見圖1）、廣播級(jí)的超低延時(shí)編碼器完成信號(hào)采集。本次選用的醫(yī)野4K攝像機(jī)由于采用大尺CMOS傳感器和非球面鏡，具有低噪點(diǎn)的細(xì)膩畫質(zhì)。同時(shí)，具有變焦控制功能，醫(yī)生助理可采用特寫拍攝手術(shù)過(guò)程中復(fù)雜的畫面。4K超高清分辨率，能夠?yàn)橥饪漆t(yī)生和臨床工作人精準(zhǔn)地還原拍攝細(xì)節(jié)。1.0英寸大尺寸傳感器，光通量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)攝像機(jī)，從而拍攝出噪點(diǎn)極低，細(xì)節(jié)豐富的高品質(zhì)圖像；同時(shí)，搭載的圖像處理裝置可忠實(shí)還原拍攝物體的紋理和細(xì)節(jié)，圖像噪點(diǎn)低；配備超薄高級(jí)非球面鏡片（AA鏡）大孔徑4K鏡頭，即使在畫面邊緣也能維持原有分辨率；具有自動(dòng)曝光補(bǔ)償功能，在難以調(diào)整曝光的無(wú)影燈環(huán)境也能準(zhǔn)確地完成拍攝；另外，還配備天花板吊臂或落地吊臂，便于安裝。

圖1：Sony MCC-S40MD4K吊臂安裝視頻攝像機(jī)

本方案選用的編碼器（見圖2）單臺(tái)支持完成1路4K信號(hào)（3840*2160 60p的12G或4*3G）或4路高清信號(hào)(1920*1080 60p 4:2:2 10bit)的編碼，編碼方式支持HEVC（H.265）、H.264，并支持配置為恒定碼率模式和可變碼率模式；恒定碼率可在穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境傳輸高質(zhì)量的視音頻信號(hào)，有利提升遠(yuǎn)程醫(yī)療直播質(zhì)量，比如醫(yī)院內(nèi)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，第三方電信公司的專線或OTN網(wǎng)絡(luò)等；可變碼率應(yīng)對(duì)復(fù)雜的公網(wǎng)環(huán)境，可以將高質(zhì)量的視音頻通過(guò)公網(wǎng)傳輸并保證信號(hào)的穩(wěn)定性。編碼輸出滿足目前大多數(shù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議：SRT/UDP/RTP/RTSP/RTMP；編解碼過(guò)程采用高效率低延時(shí)芯片解決方案，最低延時(shí)可控制在70ms以內(nèi)；低延時(shí)的技術(shù)手段是對(duì)遠(yuǎn)程信號(hào)直播的極大推動(dòng)，特別是針對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高的外科手術(shù)直播，可以廣泛應(yīng)用于廣播電視、遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程教育、應(yīng)急指揮等領(lǐng)域。

圖2：編碼器

如圖3所示，我們同時(shí)將攝像機(jī)、內(nèi)窺鏡、顯微鏡等4路HDSDI信號(hào)輸入送入編碼器，通過(guò)H.264或者H.265方式完成對(duì)視頻信號(hào)的編碼壓縮，壓縮碼率在高清狀態(tài)下采用8M，4K狀態(tài)下采用48M，輸出為IP碼流信號(hào)，畫面清晰穩(wěn)定；按照這個(gè)碼率，高清信號(hào)完全可以采用公網(wǎng)或5G網(wǎng)絡(luò)傳輸，4K信號(hào)也可以嘗試采用5G網(wǎng)絡(luò)傳輸，這次由于條件限制，未測(cè)試5G傳輸效果。本次我們選用的攝像機(jī)帶以太網(wǎng)控制接口，手術(shù)室內(nèi)的助理或遠(yuǎn)端的專家可調(diào)整攝像機(jī)的畫面?？紤]到手術(shù)室內(nèi)的醫(yī)生還需要跟場(chǎng)外的專家進(jìn)行溝通，或者跟受訓(xùn)的醫(yī)生進(jìn)行教學(xué)講解，因此，我們?cè)谑中g(shù)室內(nèi)配置了IP雙向內(nèi)部通話系統(tǒng)、外放設(shè)備等。為不妨礙醫(yī)生手術(shù)過(guò)程的操作，我們采用藍(lán)牙通訊技術(shù)，將醫(yī)生的麥克風(fēng)與IP雙向內(nèi)部通話系統(tǒng)連接。編碼器打包后的IP碼流信號(hào)和雙向通話信號(hào)，在交換機(jī)匯聚后，通過(guò)手術(shù)室內(nèi)的千兆網(wǎng)送達(dá)醫(yī)院內(nèi)部的多媒體中心機(jī)房或其他終端設(shè)備。

圖3：終端顯示設(shè)備

2.2 網(wǎng)絡(luò)發(fā)布

本方案的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布可以有兩種模式：模式一 編碼器直接推流。編碼器背后設(shè)有2個(gè)千兆以太網(wǎng)接口，1個(gè)用于推流，1個(gè)用于網(wǎng)管，通過(guò)網(wǎng)管進(jìn)行推流地址設(shè)定等操作。由編碼器直接將接入的4路HD-SDI信號(hào)推4路IP信號(hào)到醫(yī)院內(nèi)網(wǎng)指定接收設(shè)備，接收端通過(guò)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)收看手術(shù)過(guò)程，這是一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式，欠缺靈活性。模式二 由醫(yī)院媒體中心的多媒體服務(wù)器對(duì)編碼器進(jìn)行拉流，再由媒體服務(wù)器進(jìn)行發(fā)布。這樣的方式比較靈活，不用固定收看場(chǎng)所，只要有網(wǎng)絡(luò)就能收看，而且可以多終端收看，在內(nèi)網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)上均收看。

2.3 終端顯示

終端顯示設(shè)備如圖3所示，包含了解碼器、畫面分割器、顯示屏、硬盤記錄設(shè)備等。解碼器與編碼器匹配，是一個(gè)反過(guò)程，將接收到的IP信號(hào)解碼成HD-SDI信號(hào)，最多可以輸出4路HD-SDI信號(hào)?？紤]到醫(yī)院一般沒(méi)有帶HD-SDI專業(yè)接口顯示器，所以，方案中增加了高清畫面分割器，將多路高清視頻信號(hào)合成一路HDMI信號(hào)，送普通高清或超高清電視機(jī)觀看，一臺(tái)電視機(jī)可以同時(shí)收看手術(shù)室的多路信號(hào)，這樣大大節(jié)約了成本。

通過(guò)實(shí)際的測(cè)試，視頻信號(hào)從手術(shù)室至顯示終端，總的延時(shí)約1秒鐘左右，實(shí)現(xiàn)較低的延時(shí)量，超出院方的預(yù)期。

硬盤記錄設(shè)備完成對(duì)手術(shù)整個(gè)過(guò)程的視音頻的錄像保存功能，保存后的錄像支持回放，為醫(yī)療教學(xué)提供參考素材。

2.4 通話指揮系統(tǒng)

通話系統(tǒng)采用廣電行業(yè)慣常使用的IP內(nèi)部通話系統(tǒng)。IP內(nèi)部通話系統(tǒng)使用起來(lái)比較方便，只要ping通雙方的IP地址，手術(shù)室與手術(shù)觀摩室的專家、醫(yī)生就可以進(jìn)行通話討論、提問(wèn)。這里有個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題就是通話和視音頻系統(tǒng)是各自獨(dú)立的IP系統(tǒng)，是通過(guò)交換機(jī)匯聚后再于兩端或多端的終端聯(lián)通，此時(shí)如果需要手術(shù)室與手術(shù)觀摩室的專家、醫(yī)生進(jìn)行通話討論、提問(wèn)，對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，延時(shí)一致性要求很高，這里我們要求音頻的延時(shí)時(shí)間和通話延時(shí)時(shí)間基本一致才能達(dá)到要求；通過(guò)實(shí)際測(cè)量，IP內(nèi)部通話系統(tǒng)延時(shí)量約為100ms左右，配合視音頻編碼器的70ms左右的延時(shí)，使得通話系統(tǒng)和視音頻系統(tǒng)基本同步且貼近實(shí)時(shí)，應(yīng)答響應(yīng)完全滿足要求。

在手術(shù)室內(nèi)，醫(yī)生采用藍(lán)牙耳麥跟IP內(nèi)部通話主站相連，同時(shí)還設(shè)有監(jiān)聽喇叭，聆聽手術(shù)觀摩室的專家、醫(yī)生的提問(wèn)。這里需說(shuō)明一點(diǎn)，手術(shù)室內(nèi)的多路視頻信號(hào)與內(nèi)部通話信號(hào)是相互獨(dú)立的，各自分開傳送，通話聲音并沒(méi)有嵌入到視頻信號(hào)中打包傳送。如嵌入傳送，一方面增加成本，因?yàn)樾柙谑中g(shù)室和手術(shù)觀摩室增加加、解嵌設(shè)備，而且系統(tǒng)變得復(fù)雜。另一方面，醫(yī)院幾乎沒(méi)有這方面的日常維護(hù)人員，一旦發(fā)生一丁點(diǎn)兒故障必然影響整套系統(tǒng)的使用。所以，從實(shí)際出發(fā)，系統(tǒng)越簡(jiǎn)易就越牢靠。在手術(shù)室內(nèi)，我們將所有的編碼、IP內(nèi)部通話、交換機(jī)等設(shè)備整合到一個(gè)小型飛行箱，醫(yī)院只需要通電、連接信號(hào)線就好。在手術(shù)觀摩室，同樣將解碼器、高清畫面分割器、IP內(nèi)部通話系統(tǒng)整合在飛行箱內(nèi)，只需簡(jiǎn)單的通電、連接信號(hào)線就可以使用。

3 未來(lái)展望

早早就有5G+醫(yī)療手術(shù)直播或遠(yuǎn)程手術(shù)的相關(guān)報(bào)導(dǎo)，但目前5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋密度、超高清信號(hào)的穩(wěn)定可靠上行傳送仍有待加強(qiáng)。但我們相信，隨著5G網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，外科手術(shù)直播系統(tǒng)布網(wǎng)將會(huì)越來(lái)越便捷。小型4K超高清攝像機(jī)已推出網(wǎng)絡(luò)推流功能，相信廠家不久會(huì)根據(jù)用家的使用需求為醫(yī)野攝像機(jī)增加推流功能選件。這樣，就會(huì)大大方便了手術(shù)直播，為經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)的醫(yī)生提供了良好的培訓(xùn)手段，為醫(yī)生之間的相互交流、學(xué)習(xí)提升搭建便捷平臺(tái)，讓邊緣地區(qū)的病患能獲得遠(yuǎn)在千里之外專家的悉心指導(dǎo)，提升了當(dāng)?shù)氐尼t(yī)療水平，提高了人民的幸福獲得感。人民對(duì)美好生活的新需求，就是我們的奮斗目標(biāo)，讓我們共同努力，為智能醫(yī)療系統(tǒng)的建設(shè)添磚加瓦！