基于光纤传输的3D手术示教系统的设计与应用

姜 涛，潘新华，谭 珂，郭天泉

解放军总医院教育技术中心，北京 100853

基于光纤传输的3D手术示教系统的设计与应用

姜 涛，潘新华，谭 珂，郭天泉

解放军总医院教育技术中心，北京 100853

在介绍机器人一般技术、原理、传输途径的基础上，结合“达芬奇机器人系统”，从关键技术、系统结构等方面进行分析，并运用3D显示技术、光纤传输技术设计了一套3D手术示教系统。

3D视频;光纤传输;示教系统

解放军总医院是一所大型综合性医院，承担着医疗、保健、科研、教学的任务［1］，鉴于其所处的学术地位，每年都会举办多次大型的国际、国内学术交流会议。2006年引进了达芬奇机器人系统［2］，其3D视觉系统再现了手术视野，引导操作实现了微创手术。随着3D显示技术的发展与推广，会议为手术示教转播系统的术野实景再现能力提出了更高的要求。为了满足其对真实感的需求，决定将无压缩的数字术野信号传输到会场，以3D技术将其再现。由于无压缩的数据量大，而需要传输的距离远，所以采用具有频带宽、容量大、抗干扰能力强的光纤作为传输介质。基于光纤传输的3D手术示教系统的建立为高级别学术会议的完美举行提供了坚实的技术支撑。

1 关键技术

1.1 机器人系统介绍

机器人是一种视频操作系统，由医生控制台、床旁机械臂塔和视频系统三部分组成(如图1所示)。在医生控制台装有3D视觉系统和动作定标系统，主刀医生的动作通过传感器被精确地记录下来并同步传导给机械臂。床旁机械臂塔上装有四个机械臂，中间摄像臂装有两个摄像头，与连接于胸腔内镜所采集的图像一起经视频系统处理后产生了具有真实感且术野放大了10倍的三维立体图像，并显示于医生控制台，其他三个机械臂均装有类似人的手腕关节的机械腕，能完成精细动作。

图1 机器人系统图

1.2 3D技术原理

人体有两个眼球，在看事物时，因它们的视觉范围及角度并不一致，两眼分别得到略有视差的二维图像，在视网膜上投像后经视神经传递给大脑，大脑通过对左右两幅图像以及两幅图像的视差进行分析和处理后，得到关于事物的光亮度、形状、色彩、空间分布等信息［3］。3D显示技术通过将两个略有差异的二维图像分别呈像给左右眼，模拟出人眼所看到的两个不同图像，从而产生该物体的立体感觉。现在共有4种实现的技术方法:分别为分色法、分光法、分时法和光栅法。

目前，3D显示技术中分光法应用比较广泛，其原理是利用偏振光滤镜特性选择性地让某特定角度偏振光透过，比如让左旋偏振光只进入左眼，右旋偏振光只进入右眼，从而使存在视差的两画面分别进入左右眼。投影设备以每秒144帧交替输出左眼与右眼图像，并设置使左右画面的交替与圆偏振光滤光片的左右旋同步，当光投射到银幕上时，银幕将反射左旋与右旋的图像［4］。3D电视机以每秒120帧交替显示左右图像，电视机显示屏的奇数、偶数水平扫描线分别贴上左旋和右旋的圆偏光滤波微型磁极，从而透射出左右旋的图像［5］。观众戴上具有左旋与右旋圆偏光滤光片的无源眼镜即可观看到3D图像(如图2所示)。

图2 3D显示技术原理图

1.3 数字接口的选择

目前，常用的数字接口主要有串行数字接口(serial digital interface，SDI)、高清晰数字多媒体接口(highdefinition digital multimedia interface，HDMI)和数字视频接口(digital visual interface，DVI)，该系统采用的是SDI接口。SDI接口在数字电视节目制作领域应用最广，是针对演播室环境提出的用单根同轴电缆串行传输未经压缩的数字视音频信号的方法［6］。HDMI接口是针对消费领域制定的用单根线缆并行传输无压缩的数字视音频的标准，通过单条HDMI线缆连接多媒体设备，就能欣赏到清晰的画面和立体的声音。目前，HDMI1.4可实现家庭3D系统输入输出的标准化［7］，3D电视机等家用电子产品多配有HDMI接口。DVI接口的最初设计是用于电脑主机和监视器之间的数字信号传输，现在被应用到高清晰度视频领域。常见的DVI接口为DVI-D与DVI-I，DVI-D是纯数字视频接口，DVI-I根据管脚定义的不同可分为模拟接口和数字接口［8］。考虑摄像机、数字视音频切换台的接口为SDI，且其传输距离最长，所以数字视频接口均采用SDI接口，DVI-SDI、HDMI-SDI转换器等设备在市场上已有，可根据需要进行信号转换。其接口性能如表1所示。

1.4 光纤传输技术

光纤是由透明的细如头丝的玻璃纤维、石英纤维等材料加工而成。由于其可传输光，所以将载有图像的电信号转化成光信号，以光波作为电信号载波，经过光纤传输到远处，在目的地再将光信号转换回电信号，从而完成信号的传输［9］。光纤传输系统由光发送、光传输和光接收三部分组成，具有频带宽，传输速度快，抗干扰能力强，传输距离远等特点［10］。

2 系统设计

2.1 系统功能设计

通过该系统可将手术室的3D图像信号实时传输到会场，会场的3D投影机等设备将手术操作呈现给参会者，实现手术室与会场的交流与讨论。同时，能将图像、声音进行记录，方便日后教学与研讨。

2.2 系统结构设计

下面以达芬奇机器人手术室为例，介绍系统结构。系统基本上分为三个部分:手术室信号采集部分、信号的传输部分和会场信号切换、录制及显示部分，系统结构如图3所示。

2.2.1 手术室信号的采集 主要是将手术室内有关的视频信号进行采集:机器人视频系统输出3D图像SDI左右信号的采集，手术场景SDI信号的采集，无影灯摄像机、全景摄像机等标清信号的采集，对讲声音的采集及会场声音的再现等。摄像机、机器人系统的输出为数字信号，其接口为SDI接口(如为DVI-D接口，可用DVI-SDI转换器进行转换)，其中机器人系统的3D图像分成左右两路输出;无影灯摄像机、全景摄像机为原示教系统所配置，其输出为标清模拟复合信号。

2.2.2 信号的传输 主要将采集的电信号形式的视音频转化成光信号传输至会议室，在会议室再将光信号还原成电信号，完成视音频信号的传输。采集的视频信号分为数字信号和模拟信号，所以选择的光发转换器型号也不同。前者只传输一路SDI视频信号，并不传输音频数据，3D图像的左右视频信号分成两路分别进行传输，其采用单模1 310 nm波长的光作为载波，传输距离最远达20公里，中间并未添加光中继器。后者可传输四路标清的模拟信号和双向音频信号，正向的视音频信号数据亦采用1 310nm波长的光作为载波，反向音频数据采用850 nm波长的光作为载波，从而实现声音的对传。

2.2.3 会场信号的切换、录制及显示 传输至会场的每组3D信号分左右以SDI接口接入数字视音频切换台，每组视频组成双链路由数字视音频切换台完成左右图像的时钟同步并进行3D信号的切换，然后输出至3D显示设备及录制设备。3D信号一组输入至3D投影机，其将输入的左右两路SDI信号交错投射到金属幕布上，从而实现三维立体图像的再现;另一组3D信号经转换器合成为一路HDMI1.4信号［11］，输入3D电视机显示并输入3D录制设备(如图4所示)。

图4 3D信号分配图

手术场景摄像机信号以SDI接口接入另一台视音频切换台进行切换，然后输出至显示设备及录制设备。其他标清信号连至原会议系统的AV矩阵进行信号切换控制，切换到相应的显示设备。手术室声音输入会场调音台进行统一控制，会场的声音亦传输至手术室和录制系统。

由于图像信号有三种，分别为双路SDI组成的3D信号，单路SDI信号和模拟复合信号，所以信号的切换、显示及录制也分成了三部分。

3 应用展望

3D手术示教系统转播的手术视野图像清晰，其纵深感突破了传统二维图像的局限，再现了术者的操作视野。当观众看到与术者一样的3D图像时，术野内的组织空间结构即呈现在眼前，手术器械前后移动，准确的定位操作，增强了手术空间操作的立体感和手术观摩的沉浸感，加深了对手术理念的理解。比如观看心血管外科治疗冠心病的手术，术者吻合血管时每一步灵活的、精细的动作好像是由自己操作完成的一样。

该系统扩展了微创手术视野的显示空间，使手术观摩人数不再受手术室场地的限制，增加了实践学习机会，增强了身临其境的真实感觉。通过该系统可对进修医师、实习生等进行微创手术操作技能的教学;可就疑难手术进行学术会议交流;对外科医师或执业医师的微创手术操作进行考核等［12］。它为微创手术的科研、教学提供了先进的设施条件。

该系统已完成心血管外科机器人手术演示5台次，并为已开展机器人微创手术的科室(如泌尿外科、肝胆外科、普通外科、肿瘤外科)举办国际国内会议提供了技术保障，还可应用于其他(如3D显微镜系统)3D显示的扩展。该系统的应用将极大地增强会场的现场效果，促进医院的学术交流，提升医院的品牌形象，使手术示教系统紧随时代步伐迈入3D世界，为其开辟一片崭新的发展空间。该系统不足之处是对偏振眼镜的依赖，但随着3D技术的不断发展，终将摒弃眼镜，实现裸眼3D的真实感受。

［1］姜涛，潘新华，谭珂，等.医学临床教育数字播出系统的设计与应用［J］.中国医学教育技术，2011，25(6):635-637

［2］桂海军，张诗雷，沈国芳.医用外科机器人应用和研究进展［J］.组织工程与重建外科杂志，2011，7(1):55-59

［3］谭珂，潘新华，蔡守旺，等.三维立体显示技术在肝脏手术仿真训练系统中的应用［J］.中国医学教育技术，2011，25(5):522-525

［4］潘新华，郭光友，梁军.投影银幕的选择与保养［J］.中国医学教育技术，2005，19(1):62-63

［5］郭伟.3D图像技术基础与应用(2)［J］.有线电视技术，2011，(10):122-126

［6］沈聪.标清视频处理系统的结构设计及应用［J］.有线电视技术，2010，(1):73-75

［7］董素玲，王真.HDMI到HD-SDI接口转换在高清视频系统中的应用［J］.徐州建筑职业技术学院学报，2011，11 (2):39-41

［8］周磊.DVI接口在广播电视的应用［J］.现代电视技术，2008，(4):92-94

［9］高世新.数字电视的光纤传输技术［J］.电脑知识与技术，2008，3(9):1897-1898

［10］王新刚.光纤在广播电视中的应用［J］.科技情报开发与经济，2006，16(14):291-292

［11］陈力.浅析2010南非世界杯3D观摩实验［J］.现代电视技术，2010，(9):52-55

［12］潘新华，郭天泉，谭珂.数字手术影像示教系统的建立与应用［J］.中国医学教育技术，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

国家科技支撑计划课题(2011BAH15B08);国家社会科学基金“十二五”规划重点子课题(BCA110020-G200);全军医药卫生科研项目子课题(10MA025-FS006)

2012-05-15

姜涛(1980-)，男，河北保定人，技师，学士，主要研究方向:音视频多媒体技术。