赵惠康,杨爱华,刘 博
同济大学:1附属同济医院;2附属东方医院,上海 200065
运用高清手术转播示教系统(HD surgery broadcast teach system,HD-STS)进行形象直观的手术示教,是医学生接受临床外科技能培养训练的最佳途径之一。高清手术转播示教系统突破了手术室消毒隔离环境的局限,目前已被国内外专家广泛应用于手术观摩交流、远程医疗教学等。因此,是否建立及使用该系统已成为教育部、卫生部对医学院校进行实验室建设教学设施评估的重要指标之一[1]。
进入新世纪以来,随着计算机网络信息技术、广播通讯音视频技术以及医学工程信息技术的交互融合发展,数字化医院、数字化手术室建设在当前中国“十一五”、“十二五”新一轮现代化医院建设中迅速发展,高清手术转播示教系统几乎已成为新医院建设必备条件之一。
欧美诸国大学教学医院,如纽约大学朗尼医疗中心、明尼苏达罗契斯特玛雅临床中心、德州大学安德森癌症中心、挪威科技大学圣·奥拉夫医院等,国内如北京大学第三医院、复旦大学附属华山医院等都先后建有高清手术转播示教系统。
2005年,同济大学附属同济医院获得国家教育部500万专项设备资金,建成一套基于局域网的标清(SD)手术转播示教系统。2012年10月26日,我们举办了第3届我国临床医学高清手术演示系统暨3DHD新技术国家级继续医学教育学习班。通过松下技术支持,成功实施了上海第一例3DHD高清手术实况演示转播。2013新年伊始,同济医院多媒体教育中心再次获得500万专项设备资金,实施一套3DHD高清手术转播示教系统暨远程医疗教学系统,率先建立我国3DHD高清手术转播示范基地。回顾过去,我们在1989年就开始进行基于有线同轴电缆的模拟电视转播系统手术示教转播。从模拟到数字,从标清到高清再到3DHD至今已有20多年的实践经验积累。
那么,在当前的中国各家教学医院,如何来建设一套高(标)清手术转播示教系统呢?
该文就高清手术转播示教系统的种类和特点以及我国高(标)清手术转播示教系统/远程医疗会诊系统项目建设等方面进行了探讨。
目前,我国各地医院一体化手术室(如:史赛克/Stryker,卡尔·史道斯/KARI STORZ,奥林巴斯/OLYMPUS)使用的主流产品为全高清1 080P手术转播示教系统。其主要设备包括:前端音视频采集设备、中继编解码器转换设备、终端高清显示设备、中央集控室的存储设备、后期编辑制作等设备,以及整个系统网络传输设备。但是,整套系统配置、设备档次、数量多少、系统繁简要根据每家医院的实际需求而定。
1 080 P是指在电子束逐行扫描下画面分辨率达到1 920×1 080的显示格式,显示达到207万像素,是美国电影电视工程师协会(SMPTE)制定的民用最高等级高清数字电视的格式标准。字母P即逐行扫描(Progressive Scan),帧速率最通常为30帧/秒、25帧/秒及24帧/秒(Frame/PS),如高清电影格式1 080p24或1 080/24 P。
“1 080P的分辨率是传统CIF(352×288)的20倍,是标清4ClF(704×576)的6倍。与目前高清视频领域应用较多的720P和1 080i相比,1 080P具有更高的清晰度。其中,1 080P的分辨率是720P的2.25倍,图像更清晰细腻;与1 080i(隔行扫描 interlace Scan)相比,1 080P可以逐点显示,消除隔行显示带来的闪烁现象”[2]。
这里,需要提醒的是并非HDMI就一定有1 080P的输出,一定要摄像机或者视频源能支持1 920×1 080才能算是真正的1 080P输出。
Full HD(全高清)是目前最高级的民用高清数字平板电视的显示格式。Full HD的屏幕分辨率是1 920×1 080,完全显示达到207万像素;而1 080P则是一种高清信号格式,指的是在垂直方向上扫描显示达到1 080线的清晰度。也就是说,Full HD指的是屏幕的物理特性,无论播放的是有线电视、DVD影碟还是PC上的高清视频,Full HD的显示屏始终保持着1 920×1 080的物理分辨率。
当一款机型标注着支持1 080P电子信号的时候,其代表的涵义是内部电路可以处理1 080P输入电子信号。市场上一般60英寸以上的液晶电视、等离子电视都采用全球通用黑底加黄字的“Full HD 1 080P”提示标识。
“作为示教系统的前端音视频采集装备,摄像机的选取至关重要,是实现1 080P手术示教的先决条件。因此,应选用1 080线广播级高清摄像机,同时能够支持1 080/25P、1 080/30P,并满足PAL和NTSC制式的不同需求”[2]。常见的史赛克(Stryker),卡尔·史道斯(KARI STORZ)和奥林巴斯(OLYMPUS)一体化手术室,其无影灯中置式及吊臂式术野摄像机基本都是固定安装,并将其术野摄像机控制面板镶嵌在手术室合适位置的墙壁上、吊塔的控制显示屏上以及移动的iPad上面,通过其远程控制单元来实现镜头的推拉变焦、光圈自动转换以及摄录像开关控制等。
视频采集前端设备还有吸顶式场景摄像机,其控制面板一般也是镶嵌在手术室的墙壁上及iPad上面。广播专业级三脚架式摄像机,国内绝大多数单位都不会使用,故不在此展开讲述。
前端音频采集设备,多数用头戴式双通道无线对讲耳麦,如森海塞尔或索尼系列,全方位吸音话筒,如松下WX-4800/CH等,无线/有线链接到手术现场中继编解码器,通过网络和视频源一起同步发送到示教室或观摩现场。
“为便于手术视频的传输和存储,需将高清手术视频由模拟信号转化成数字信号,可选用支持1 080P全高清信号输入的硬盘录像机对视频信号进行编码。硬盘录像机通常采用H.264编码算法,该算法在具有高压缩比的同时还拥有高质量流畅的图像,对视频画面质量的影响很小。采用H.264编码还可有效减小比特率,降低网络带宽的压力”[2]。
以松下KX-VC600mc编解码器(即视频会议系统)为例,在同济大学附属同济医院外科医疗大楼手术室和教学大楼报告厅之间各安装一套KX-VC600mc编解码器,通过局域网100M端口,点对点实时传输了流畅的双向通话和高清画质的手术视频,包括3DHD高清手术直播示教。
“选用分辨率达到1 920×1 080的HD液晶显示器或HD投影机用于显示1 080P视频图像。在多人手术示教时,为保证示教效果,通常选用HD投影机,分辨率为1 920×1 080,投影屏幕尺寸可达到100英寸以上,亮度和对比度高,在示教室光线较强时也能保证投影画面清晰”[2]。
同济大学附属同济医院有一个300人座位、带主席台的学术报告厅。2013年5月我们将安装一副200英寸美钛金属投影银幕,在距离银幕8米、挑高5米的位置凌空安装2台双机PanasonicPT-SDZ980型高清投影机进行3D立体手术影像的显示播映。每台机器亮度达到10 000Lux流明,3D手术实况直播、解剖组织纤毫毕现,凸现空间感,具有很强的视觉震撼力。平时则可以用其中一台单机进行PPT投影演示学术讲座等医教研活动。
1 080 P手术视频图像质量高,视频数据量巨大,需要的硬盘存储空间也非常巨大,国内通常采用索贝、大洋、索尼、松下等磁盘矩阵来存储音视频资料。对部分手术视频录制完成后要求刻录成蓝光DVD盘,便于长期保存。
目前,常用DVD蓝光刻录系统,以索尼领衔,松下、日立、三星、飞利浦等为代表的Blu-ray标准(蓝光DVD)单面单层容量25GB、27GB,单面双层50GB。单面双层100GB也已面世。东芝率先在HD-DVD采用8/15编码信号处理,单面单层容量可达17-27GB。蓝光DVD盘将1 080P视频源进行无损刻录,速度快、存储容量大、牢固、不怕划伤,达到50年使用质量保存水平。
一套高清手术转播示教系统最后的集成控制一般都建有中央集控室或叫总控室。我们新建集控室主要设备有:高清系统主控台,设有8进4出矩阵切换器,可以实现点对点,一点对多点的手术实况转播,LED拼接高清监视屏,24小时自动监控手术室状况。手术现场视频拍摄,集控室后台可行实时记录备份。集控室内一般都有20-50TB存储阵列。集控室还设有后期编辑制作设备(如APPLE-G系列、Avid-Media系列)、专业录音棚、Panasonic数字调音台、专业录音话筒(如AKG-C系列、索尼ECM-674系列)、森海塞尔系列、还要有6-8台17-25英寸专业监视器等整套系统设施,可以进行前后期全部手术影像教材的制作,达到国家广播电视技术质量及卫生部人卫社出版水准。
“全高清1 080P手术视频在编码压缩后相对于标清和普通视频而言码率要高出很多,能够达到几M甚至几十M,尤其在多路视频并发的情况下带宽压力较大,对示教系统的网络带宽提出了很高要求”[2]。目前,我国各地大学教学医院多数还是100Mb/s端口以太网带宽。但是,医学影像科及手术室基于PACS系统范围,都已经做到1 000Mb/s端口以太网带宽,术中可以随时调用MRI、CT、DR等影像资料。医院局域网采用千兆以太网接入手术室和示教室,可保证全高清1 080P手术转播示教的传输与播放。
国内各大医院安装像卡尔·史道斯(KARI STORZ)和奥林巴斯(OLYMPUS)一体化手术室全高清手术实况转播,基本上采用点对点,全程光纤链接,并且终端也是50英寸以上全高清显示屏。
国家卫生部制定《医院信息系统基本功能规范》中数字化医院的信息系统主要有:医学影像信息系统(picture archiving and communication systems,PACS);临床信息系统(clinical information system,CIS);放射学信息系统(radiology information system,RIS);医院信息系统(hospital information system,HIS)以及实验室信息系统(laboratory information system,LIS)。
高清手术转播示教系统在实施运行过程中,最主要的是与PACS系统、H7系统做到无缝衔接。通过医院网络信息中心主要是在系统链接、网络带宽、开放权限、与各个医疗影像设备之间接口无缝链接等具体实施。手术现场最常见的链接办法就是通过PACS系统终端显示屏的HD/SD-DVI接口串连至高清手术转播示教系统的HD/SD-DVI输入接口,即可将PACS系统MRI、CT、DR等各种影像信息与手术影像画面实时同步转播到示教室。平时需要备置一拖二HD/SD-DVI多种转接口,延长线缆等备件。
3.1.1 无影灯中置式手术转播示教系统 无影灯中置式手术转播示教系统,基本设置是将小型摄像机(如松下AG-HMR10MC型笔筒式)内嵌至无影灯中央原手柄位置,将它改装成为摄像机位置。使摄像机镜头视点和无影灯灯光聚焦视点为一致,通过助手或巡回护士调整操作进行半自动拍摄,基本可以做到直视术野水平。在传统开放外科手术领域,通过专家各种经典手术示范演示、国内外学者手术实况交流,都能起到良好的手术示教效果,使观者有“身临其境”感受,手术局部细节通过摄像变焦放大显示,往往比在手术现场观看还要清晰。
目前,国内常见的无影灯中置式手术转播示教系统,多用于史赛克(Stryker)数字化手术室、卡尔·史道斯(KARI STORZ)和奥林巴斯(OLYMPUS)一体化手术室之中。前端数字摄像机多采用CMOS光敏元件,通过它的HD-SDI或HDMI接口连线,在其手术室内的50英寸以上显示屏做到全高清显示。在手术室和示教室之间采用点到点的全程光纤链接,而且示教室的显示屏一般也是50英寸以上全高清显示屏,如松下的TH-50PF30C等离子全高清显示器,以优质的还原被摄物体的真实色彩,细腻的显示其手术全高清1 080P画质。
无影灯中置式手术转播示教系统的优点:不占用手术室地面空间,基本不影响手术室医护人员工作走动。其次,操作简便,无需专业人员,手术一开始,开通控制面板模块即可自动摄录像,快捷方便。
因此,设置一套无影灯中置式手术转播示教系统,对于手术摄录/示教使用频率高,而且手术种类对象相对固定是非常合适的,这也是目前国内各大医院一体化手术室首选的原因。
其不足之处:
首先,由于原无影灯中央手柄位置现改换为摄像机位置,手术医生自己在手术时随时调整无影灯灯光角度就显得不便。不能像原先那样用套在无影灯中央的消毒手柄由手术医生直接来调整,只好改由助手或巡回护士来帮忙调整。
其次,有时无影灯中置摄像机镜头视点和术者视线正好在同一角度,往往出现术者与头顶上方的摄像机构成同一轴线视点,经常阻碍了有效术野的拍摄,这在传统开放手术尤其是在术野狭小纵深的神经外科、脊柱外科手术中常见。这也是今天一体化手术室多是安装在各种腔镜手术室的原因。
3.1.2 吊臂式手术转播示教系统 吊臂式手术转播示教系统是将摄像机安装在手术无影灯的辅臂上面或者是安装在手术器械吊塔上面。常见的有德制MAQUET、TRUMPF等手术无影灯辅臂。需要事先商谈选定的是,这条辅臂是作为选购件订购,同时在无影灯安装过程中,需要无影灯安装方和摄像机安装方的双方工程技术人员协作,共同完成。摄像机所有连接线缆必须事先就要穿到辅臂的臂管里边,还要预埋进手术室顶层,再走暗线往下回到手术室墙壁控制面板。
吊臂式手术转播示教系统由于摄像机是安装在辅臂上面,且可以水平上下移动,在手术野有充分自由度,一般不会与主刀医生手术视点相重叠,可以满术野进行拍摄;其次,辅臂上能够承重相当重量,可以安装小型广播专业级摄像机(如松下AW-HE870MC 2/3英寸3CCD高清摄像机),安装2/3英寸17倍广播专业级镜头,它的成像画质是1/2英寸3CCD的4倍,可以进行精确细调,这在欧美大学教学医院里面常常能看到。
吊臂式手术转播示教系统能够悬挂大而重的高级专业摄像机,摄取广播级影像画质,及其手术野有充分自由度,其优点是显而易见的。这也是世界各国大学教学医院所主流形式的原因。当然,其吊臂式摄录转播示教方式,也是固定安装在一间手术室里,同样有一个安装间数与投入成本之间的平衡问题。
3.1.3 吸顶式球形摄像机 反观国内各大医院,近年来几乎所有手术室都会安装吸顶式球形摄像机,用于手术室的场景拍摄、手术医生介绍以及全程手术监控等用途。首先是影像制造技术飞速进步,高清晰、小型化、集约自动化,使得一般吸顶式球形摄像机都能够达到常规手术转播示教技术标准要求;其次,中国各大教学医院(包括著名医院)都还没有把手术影像资料重要性提高到要用高等级的画质保存理念以及与国际交流、与主流传播媒体交流必须要广播专业级标准质量这样的认识程度。如松下AW-HE50SMC一体化高清摄像机,采用1/3英寸全高清CMOS和18倍光学变焦镜头,一体化、PTZ无死角拍摄功能便于手术室内各种场景的拍摄。
所谓移动性,就是将整套手术转播示教系统都安装在一辆定制的移动车上,要求稳重,使用灵活方便。可以随时进入任何一间手术室进行手术实况转播示教,突破了固定式手术转播示教系统局限性。移动车和手术室使用的推物车一般高低大小,摄像机安装在一个折叠式的臂式支架顶端,臂式支架有效长度1.8米,而且有30°水平左右移动的拍摄范围。臂架升降采用电动伺服可无极调速至上限2.2米、下限1.6米。臂架顶端采用球型接头支架,固定架顶端采用球型接头支架固定标准托板,可以承重3 Kg以内的索尼、松下系列等摄像机,可以做前后左右任意手动调节。
移动车臂式支架在手术野上方调整定位后,摄像机可以通过手动或红外无线遥控器来进行镜头推拉拍摄等操作。也可以通过视音频输出信号,通过同轴电缆输入到各种录像机记录,同时通过STI网络数字编解码器进行MEPG-4的数字记录备份,用于备查或事后调用观摩。通过STI只需用一根网络线连接到手术室的网络端口,就可以将手术室音视频画面实时传输到示教室进行手术实况现场演示。手术室、示教室之间实时双向通话。手术室场景以及主刀医生面部神情、手术操作等镜头,仍可通过移动轮三脚架采用摄像机来摄制。
然而,在实际临床外科手术拍摄过程中,往往会视手术现场情况以及当时现有设备状况将中置式、吊臂式、吸顶式、移动车包括移动轮三脚架多种搭配拍摄。我们列入2004年国家卫生部医学视听教材《激光治疗静脉曲张》就是通过上述多种拍摄方法制作完成。2006年获得全国首届“优秀卫生部医学视听教材”一等奖。
其不足之处是每次在手术转播前就要将移动车推到手术室或相应场所,进行术前移动车位置摆放及调试准备。这对于急诊手术或突发事件来讲,在工作上就往往会受限制。
其次,许多手术需要术中C臂机拍摄定位,每次都要将移动车挪开,让位给C臂机拍摄,然后再重新进入术野调整位置,多次进出,很不方便,还会影响到手术进度。
第三,常规手术室设计标准都是在30平方米左右,一旦这辆移动车进入,如果对侧还有一架移动轮三脚架摄像机在拍摄场景,该手术室就会显得拥挤不堪。
所以在新医院手术室规划设计时,应预先根据手术转播示教用途全盘布局。
综合实地考察和网上公示情况,几乎所有新建医院手术室都建有高(标)清手术转播示教系统/远程医疗会诊系统项目。但是该项目建设的投入经费多少、设计目标定位、技术标准高低、应用范围大小、项目后续扩展工程等问题,由于大多数医院自身不具备这样的掌控能力与设计条件,也没有标准样本或参照系数,只能靠聘请有关专业公司或网上公开招标的形式来实施。结果就是五花八门,优劣参差不齐。其核心问题就是高(标)清手术转播示教系统/远程医疗会诊系统项目建设目标、定位、功能等没有一个具体国家或者行业技术标准规范条例。
2007年7月,国家建设部颁布实施《智能建筑设计标准》(GB/T50314-2006)[3],但是,这仅仅是一个新建医院手术室手术转播示教系统的原则指南,也只是从楼宇智能建筑设计标准角度出发,没有具体临床医学示教目标功能定位细则和系统技术指标。
2012年,中国已有三级医院1 399个(含三甲881个),二级医院6 468个(含二甲3 634个),“十二五”期间新医院手术室建设还在迅速发展。因此,在我国医疗领域各家医院如何建设一套高(标)清手术转播示教系统/远程医疗会诊系统是当前所面临的一个重要现实问题。
我们认为:应该从国家层面、省市区域层面和广大基层(区县)医院层面来建立我国高清手术转播示教系统/远程医疗会诊系统项目示范工程。
国家级示范性基地:从国家教育部、卫生部及信息化工业部层面制定我国医疗领域“高(标)清手术转播示教系统/远程医疗会诊系统”项目建设设计标准及项目建设实施技术标准;同时落实一家部属三甲医院建设一套“高(标)清手术转播示教系统/远程医疗会诊系统”,作为国家级示范性基地起到引领全国示范作用。
省市级区域性基地:按照我国行政区域在省会城市大学附属教学医院或三级医院建设一套“高(标)清手术转播示教系统/远程医疗会诊系统”,作为全国省市级区域性基地起到引领区域性示范作用。
地区县基本性基地:就我国6 300余家县人民医院来讲,主要实施“远程医疗会诊系统”建设项目,充分利用上级医院的优质医疗资源,帮助区县医院提高诊疗水平,惠及区县民众医疗服务这样一种地区县级基本性基地作用。国家卫生部在2011年已投入2.5亿元,启动我国“中西部远程会诊建设”项目[4],如:甘肃省人民医院暨“甘肃远程医疗会诊中心”已经与全省100家以上县医院及部分乡镇医院之间实现了“中西部远程会诊建设”项目[5]。
成都四川大学华西医院远程医学中心走在国内前列。中心自2001年正式成立以来,经过十余年的发展,其远程医学网络平台,目前已经覆盖云贵川大部分区域,以及重庆、西藏、宁夏、青海、甘肃、陕西、新疆等西部省市区地区,还进军华东的九江市、广东的深圳市及海南省海口市,涉及100多个地区范围,使2亿多人口受益。
四川汶川大地震后,华西远程医学中心获得香港特别行政区政府灾后援建资金5 660万元支持。现已完成了286家受援的县医院、乡镇卫生院的远程终端设备的安装和调试任务。目前入网华西的远程医院已达524家,其中三级医院70家、二级医院294家、乡镇卫生院160家,70%以上是县区级医院[6]。通过远程会诊、远程教育、双向服务预约与转诊等多种形式开展远程医疗卫生与医学教育服务。
从全国范围来讲,用3-5年时间,在全国2 200余个行政区县当中,起码有90%以上区县人民医院及乡镇卫生院实施开通“中西部远程会诊建设”项目。
高(标)清手术转播示教系统/远程医疗会诊系统日常运行管理,涉及到临床医学、教学科研以及广播影视、网络信息技术工程等跨学科领域,是一项专业性很强的技术工作,我们认为必须设立专职机构人员培训上岗工作准入运行管理制度。
我们从2009年起连续举办了3届临床医学高清手术转播示教系统国家级继续医学教育学习班,从参加学员申报科室部门可以看出,当前中国大学附属各教学医院的有关手术转播示教这项工作基本没有一个专门的部门机构、专职人员来运行管理。有的依附于医院院办或党办、有的宣传科下属,教学处下属教学办、科研处摄影室,有的在医院网络信息中心、设备科,医疗工程部等部门人员来具体操作实施。其人员多数往往还是兼职的,有的主要是搞宣传摄录像,有的是院办拍照片的,人员教育背景更是五花八门。我们实地走访近30家全国各大医院基本得到实证,现实状况不容乐观。
一套高(标)清手术转播示教系统/远程医疗会诊系统至少需要数十万甚至数百万投入经费,然而建成以后的专职人员、日常运行管理包括系统后续扩展项目等“最后一公里”工作,往往却是虎头蛇尾,很不到位。有的待厂商维护期过后,整套系统就成了摆设。
因此,我们希望从国家教育部、卫生部层面来建立一个全国性人员培训基地,进行该系统领域人员的专业培训,设立专职人员上岗资质统一门槛准入运行管理制度,就像操作“DaVinci S HD Robotic”那样,必须去香港Prince of Wales Hospital培训合格后,拿到上岗资质证书,才能进入该系统工作。
高清手术转播示教系统最基本的功能是手术实况转播示教,拓展手术室消毒隔离手术环境局限,使医学生在手术室之外具有“身临其境”的手术感受,其系统拓展功能首先是远程医疗会诊系统(另文论述),以及围绕数字化医院延伸至医院视频会议系统、医院病房探视系统、医院网络监控系统、医院应急指挥系统等方面研发和实践工作。这些应该是这套高清手术转播示教系统后续的延伸项目,以使该整套系统的功能发挥最大值。3DHD高清新技术应用于手术转播、进入临床3DHD实践新进展也将另文论述。
致谢:该文撰写中得到有关大学及教学医院大力帮助,也得到松下电器(中国)有限公司[7]的3DHD高清技术大力支持。在此,一并致谢!
[1]教育部.教育部办公厅关于印发《普通高校本科教学工作水平评估方案(试行)》的通知[Z].教育部教高厅[2004]21号,2004-08-12
[2]陈欢,李劲松,周天舒,等.全高清1 080P手术示教系统的设计与实现[J].中国数字医学,2009,5(1):43-46
[3]中华人民共和国建设部.智能建筑设计标准(GB/T50314-2006)[S]:30
[4]闫龑.“十二五”期间医疗器械装备投入将加大[N].健康报,2011-08-01(1)
[5]王宏.甘肃省人民医院远程医疗会诊系统成为行业标杆[EB/OL].http://www.xfrb.com.cn/dzb_cs/newsf/2012/09,2012-09-20
[6]公共事业发展部.四川大学华西医院华西远程医学中心简介[EB/OL].http://www.yxk.cn.yahoo.com/articles/20101029/4,2013-02-07
[7]安伟.松下电器(中国)有限公司行业营销推进中心