大规模多路并发的数字化手术示教系统设计

潘新华,郭天泉,谭 珂

(解放军总医院教育技术中心,北京 100853)

·医院信息化·

大规模多路并发的数字化手术示教系统设计

潘新华,郭天泉,谭 珂

(解放军总医院教育技术中心,北京 100853)

结合实践介绍了大规模多路并发的数字化手术示教系统设计方案。主要对系统功能设计、结构设计和技术实现进行了讨论,并综合运用网络技术和多媒体技术实现了基于 IP网络的手术示教视音频双向实时传输和交互。通过教学应用,表明系统具有图像清晰、并发流畅、自动备份、操作简便和管理规范等优点,为临床手术技能培训和管理提供了现代化的手段。

大规模多路并发;手术示教;视音频编解码;流媒体;双向交互

手术示教系统是借助多媒体摄录、传输设备对手术过程进行远距离实时观摩的一种教学手段,可为临床教学提供手术操作过程的视音频信息。目前,手术示教系统的发展趋势是在基于 IP网络平台上实现双向实时多媒体信息的交互传输,可满足多临床学科的大型手术中心和多教学场所同时示教的需求[1]。该文以我院实际方案为例,介绍手术示教系统设计方案与功能实现。

我院 2008年 7月建成并使用的外科大楼拥有床位 800张,是目前亚洲最大的单体外科楼,而楼内设立的麻醉手术中心拥有 50间手术室,同时其他楼层还有 10个如膀胱镜、关节镜等有教学需求的专科手术间,手术间数量为一般三级甲等医院的 2-3倍。而教学场地则分布在院内医疗、教学、办公等其他楼宇之中。具有视音频教学数据源多、教学点分散的特点,这就要求设计的手术示教系统应实现多学科、多手术间的多点交互,且示教终端不受数量和地点等条件限制的大规模多路并发功能,同时能对各区域手术间手术全过程所采集的数字视、音频信息进行统一管理和调度,满足实时转播、录播和点播、为临床科室和各级领导提供手术教学观摩、手术技能考核、专家手术指导、远程手术教学转播、专家手术演示、机关领导远程巡查等需求[2]。

1 功能设计

①满足全院 60个手术间的视音频教学信息大规模多路并发传输功能;

②为各手术间提供全景监控、术野视频、专业影像设备信号、外部移动视频等 4路信号的录制、采集、存储与传输功能;

③为手术间与教学场所之间实现实时双向语音对讲,并对音频信号提供采集、存储、传输与扩音功能;

④高质量视、音频信号编码后以网络流媒体格式支持点播、直播和录播等功能;

⑤网络数据库提供用户权限管理、数字媒体资源管理等功能;

⑥支持视音频编码文件的多格式实时转码,为后期教学编辑和应用提供服务;

⑦可有效接入我院的 H IS、PACS、远程会诊、视频会议等网络系统,实现资源共享;

⑧同步架设模拟、数字视音频信号传输的光纤和光端设备,满足高清、无延时的示教应用;

⑨支持大屏幕等离子电视墙循环实时监控,实现控制机房与手术室之间的音频信号双向实时传输。

2 系统结构

结合我院手术间、机房、教学场所和办公室等实际物理分布情况,整个系统的节点设置分为中央控制室、中控机房、手术示教室、各手术间、学术厅、会议室、学习室、机关办公室等位置。具体系统结构拓扑图如图 1所示,物理链路分为基于 IP的 LAN网络(虚线部分)和全光纤的AV网络(实线部分)。

图 1 手术示教系统拓扑图

2.1 手术室

在位于大楼二三层的 60个手术间内设置的全景摄像机、无影灯摄像机、医学影像设备、移动摄像机等输出的视频信号和拾音器、无线耳麦等设备输出的音频信号接入到视音频编解码器 (硬盘录像机),转换成数字信号,通过 IP网络传输到控制机房,经存储转发后送至各示教场所;同时,将各示教场所和控制机房输出的数字音频信号(一般为会场提问或对讲交流)通过视音频编解码器转换成音频信号,实现手术室与控制机房和各示教场所之间的视频信号单向实时传输和音频信号双向实时传输。

2.2 中央控制室和中控机房

中央控制室和中控机房位于大楼的设备夹层,配备了多台服务器和监控管理工作站,通过专用软件,对 60间手术室编码输出的数字视音频信息和由医院 H IS、PACS、手术信息发布系统接入的信息进行统一管理和调度;大屏幕液晶电视墙可矩阵切换显示服务器、监控管理工作站VGA信息和编解码工作站转换出的视音频信号,并可循环监控播放;同时,通过拾音和扩声系统,实现中央控制室、中控机房与手术间、各示教场所之间的音频信号双向实时传输。

2.3 手术示教室

手术示教室也位于大楼设备夹层,共计 50个座位,经控制机房的中央应用服务器授权,可将各手术室视音频教学信息接入投影机、大屏幕液晶电视和扩音系统,以便实现集中手术示教学习。

2.4 其他教学场所

包括各学术厅、会议室、学习室和教室等,地理分布在外科大楼、内科大楼、教学楼、文化活动中心等建筑中,经控制机房的中央应用服务器授权,各教学场所可分级调用手术示教信息。

2.5 管理部门

包括院领导办公室、临床部办公室、机关业务处办公室和教育技术中心办公室等,分布于机关办公楼、教学楼等建筑中,经授权可以远程实现领导巡查、手术监控、技能考核、权限管理、流量监控等功能。并可接入院办公网平台、教学网平台和远程医疗等。

3 技术实现

3.1 传输网络

整个手术示教系统作为全院医疗网大系统中的一个子网单独建设,以便管理和数据传输,这样在物理层面上保证了多媒体数据传输的网络带宽和独立性,并在一定程度上隔离了广播风暴。主干通过一个千兆交换机接入全院医疗网,与 H IS中的手术信息发布系统相关联,从而获取手术示教的多种信息。另外,实时手术视频是通过 IP组播的方式向各个网络发布的,通过配置网络间交换机的组播端口,为管理有需求的子网组播权限,以支持多路并发流[3]。

在手术示教系统中我们还铺设了传输高清视音频信号的光缆,并配置了光端设备和接口,实现了学术报告厅等教学和学术场所的高清视音频信号示教转播,满足了国际交流和大型学术会议的高端需求。

3.2 视音频编解码

采用专业级视音频编解码器实现 4C IF分辨率(D 1:704×576)的视音频编码,信号码流控制在1.6M bps以下,每个手术间采集编码 4路信号,同时根据需求还可以按QC IF、CIF、2CIF、DCIF等不同格式灵活配置码流,合理降低视频带宽,如手术间的全景监控信号可按 C IF分辨率编码,流量控制在 400Kbps以下,编码方式符合最新的 H.264格式的 D标准。作为多个手术间教学视频的大规模多路并发,在手术教学实况实时点播的状态下,支持 100M带宽内满足 60路以上的视频传输,如果是视频广播则不受用户数量的限制[4]。同时,通过远程管理控制,编码压缩后的视频信号可通过网络自动备份到控制机房的集中存储备份服务器中,便于以后学习调阅。

3.3 服务器

3.3.1 中央应用服务器 该服务器在系统中主要起中央应用管理作用,用于集中管理配置前端各手术间内视音频编解码器;为各终端用户提供W eb浏览功能;分级授权管理用户权限,接收或拒绝临床科室和机关领导等授权用户的相关请求,实现手术示教系统的手术观摩、技能考核、专家指导、网络转播、远程巡查等功能。

3.3.2 流媒体转发服务器 为满足大规模多路并发视频流的需要,该系统配置了流媒体转发服务器,用于响应视频流媒体的点播、广播服务,它将手术室编码输出的数字视、音频信息实时转发出去,在全网络范围内实现手术示教流媒体信号安全、稳定的传输。3.3.3 集中存储服务器 用于备份、检索、回放和点播手术多媒体信息,在手术示教系统中实现手术示教多媒体信息的集中存储。根据管理员的任务配置,自动从网络上接收视音频编解码器的存储文件数据,实现录像数据的存储备份。存储备份是将包括了每台手术的 4路图像、1路语音、病历资料、手术记录等多媒体信息全部打包成一个文件,以此建立手术示教资料档案库。通过权限管理,该服务器还可支持局域网内或远程访问者对手术资料的查阅请求,并进行包括视频、音频、文本记录在内的综合查询点播[5]。

3.4 软件系统

3.4.1 中央应用服务系统和数据库系统 此系统提供W eb方式的手术直播、点播功能,还提供与点播功能相关的搜索功能,并提供了用户管理、权限管理、设备管理和视频管理等数据库服务,访问该系统必须提供U sbKey、用户账号和密码,以确保信息安全。

3.4.2 多媒体信息自动上载系统 该系统安装在集中存储服务器上,它将已录制完整的手术视频文件从硬盘录像机处获得,将已发布的手术信息文件从服务器处获得,并按照时间顺序在数据库中归档保存。

3.4.3 流媒体转发服务系统 该系统安装在流媒体转发服务器上,它将各个正在进行手术的视频信息从硬盘录像机获得后进行网络组播和多播。

3.4.4 手术示教播放系统 该系统安装在各示教工作站播放终端上,具有直播和点播功能,通过直播功能,可以实时观看手术过程,并可以语音对讲,同时也可以通过远程控制调整手术室摄像机参数(白平衡、焦距等)达到最优化显示的目的。通过点播功能可以观看以往手术室的录像[6]。

3.4.5 手术示教监控系统 该系统安装在管理工作站上,可锁定、巡视或按顺序浏览多个手术室的手术过程,可实现单屏、四分屏、九分屏显示。通过该工作站可以远程控制手术室内的摄像机和视音频编解码器。

3.5 数据流图

手术示教系统的主要数据流图,如图 2所示。

图 2 手术示教系统数据流框图

4 特色优势

我院设计建设的手术示教系统采用了先进的网络和多媒体技术,实现了基于 IP网络的手术示教视音频信息的大规模多路并发,在示教室、学术厅、会议室、学习室以及医生、科主任和各级领导的示教终端机上就能观看手术实况和录像,如图 3、4所示为点播机器人手术间时的手术示教系统客户端软件画面。

该系统已在我院临床教学中实际应用了半年时间,为临床科室和各级领导提供手术教学观摩、手术技能考核、专家手术指导、远程手术教学转播、专家手术演示、机关领导远程巡查等需求,满足了我院不断增长的临床教学和管理需求。通过应用,该系统显示出如下优点与特色。

图 3 专业分屏模式图

图 4 单屏模式图

4.1 图像清晰、并发流畅

摄像机清晰度不低于 480电视线,满足了手术示教和教学录像画质清晰、色彩真实的要求。视音频编解码器采用 H.264编码,将模拟视音频信号压缩转化为高清晰度的数字信号,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。同时,大型学术活动时采用高清摄像机和无压缩光纤传输,使示教效果声像俱佳[7]。

4.2 示教对讲、语音清楚

为了尽量减少对手术的影响,在手术室内选用无线耳麦和吸顶拾音器,在各个示教场所配置音响设备,并使之信号匹配,达到了语音实时交流顺畅。

4.3 示教资料自动存储备份

配置的集中存储备份服务器和大容量磁盘阵列,可通过软件自动配置网络集中存储机制,将所有录像资料在网络集中存储服务器进行自动备份复制保存,保证了系统的稳定性。

4.4 功能完备,操作简便

在示教工作站上安装专门设计的广播、点播客户端软件,具有多通道图像选择、可视对讲、示教过程录制、远程教学等功能,充分实现对示教的操作控制。

4.5 管理规范、权限合理

为使该系统使用和管理规范有序、权限分配合理、在中央应用服务器上还配置了管理软件,实现三大类管理功能:

4.5.1 对视音频编解码器的管理 可以做到对整个示教系统中的每台视音频编解码器通过局域网远程进行设置管理。

4.5.2 对操作或访问者权限的管理 软件设计有完备的多级权限管理机制,对不同的用户终端都有严格的权限控制。并采用“USBKey+用户名 +密码”方式作为用户身份的认证凭证,USB Key一旦被拔出,系统将禁止用户操作,强制关闭软件,以避免用户多次同时登录。

4.5.3 对事件的记录和管理 软件具有完整的日志记录功能,可记录各个计算机的工作状况,也可以记录操作者的操作行为。

大规模多路并发手术示教系统是一个软硬件综合系统平台,拥有比较完善的管理和控制功能,充分利用网络多媒体技术,重点解决了手术视频编码、流媒体转发、视频点播、自动录像、集中存储等技术问题,通过灵活的验证方式和管理手段,既保障了数据安全,减少了人工维护成本,还具有较好的扩展性,在现有基础上能通过简单扩展实现高清实时手术示教功能。

[1]潘新华,郭光友,谭珂,等.多媒体技术在临床医学教育中的应用[J].军医进修学院学报,2000,21(3):237-240

[2]潘新华,郭光友,谭珂,等.多媒体教学局域网络的建设与应用[J].中国医学教育技术,2001,15(1):48-50

[3]郭天泉,潘新华,郭光友,等.手术示教系统中网络应用响应时间分析检测[J].医疗卫生装备,2005,26(10):41-42

[4]徐永明,谢质文,欧阳春,等.IPTV技术与应用实践[M].北京:电子工业出版社,2006

[5]傅征,任连仲.医院信息系统建设与应用[M].北京:人民军医出版社,2002

[6]潘新华,郭天泉,谭珂,等.医学网络教学应用系统的建立[J].医疗卫生装备,2006,27(4):32-33

[7]谢百治.医学教育技术 [M].西安:第四军医大学出版社,2002

D esign of a large-sca lem u lti-channel concurren t d ig ita l opera tion teach ing system

Pan X inhua,Guo Tianquan,Tan Ke
(Educa tiona l Technology Cen ter,Ch inese PLA Genera lHospita l,Beijing 100853,China)

This artic le describes the design schem e of a large-scale m ulti-channel concurrent digitaloperation teaching system.The paperm ainly discusses the function design,structure design and technical imp lem entation of the system.W e have achieved a two-way real-tim e transm ission and interaction of video and audio in the operation teaching system through the use of network techno logy and m ultim edia technology based on IP network.Its app lication in teaching show s that the system hasm any advantages,such as c lear im ages, smooth concurrent,autom atic backup, simp le operation and standardizedm anagem ent.This system also p rovides amodernm eans of c linical surgical skills training andm anagem ent.

large-scalem u lti-channel concurrent;operation teaching;video and audio codes; stream ingm edia;two-way interaction

G434

A

:1004-5287(2010)02-0179-04

2010-01-07

潘新华 (1957-),男,山东济南人,高级工程师,主要研究方向:教育技术理论及设备技术研究。