骨科关节镜影像数据采集及临床教学系统的构建

李春宝，张　静，刘　洋，李众利，刘玉杰，朱娟丽，张　强，齐　玮，魏　民，董晓艳，王跃强，邸建丽

1 解放军总医院骨科， 北京　100853；2 北京通润嘉易科技有限公司， 北京　102218



·资源开发与应用·

骨科关节镜影像数据采集及临床教学系统的构建

李春宝1*，张静1*，刘洋1，李众利1，刘玉杰1，朱娟丽1，张强1，齐玮1，魏民1，董晓艳1，王跃强2，邸建丽2

1解放军总医院骨科， 北京100853；2北京通润嘉易科技有限公司， 北京102218

目的构建骨科关节镜影像数据采集及教学系统，进一步提升关节镜手术的临床和教学工作质量与效率。方法融合最新的服务器技术、计算机数字化多媒体技术、局域及远程网络技术，研发出了集骨科关节镜影像数据采集、处理、储存、编辑、科研和教学等功能于一体的综合应用系统。结果此系统适用于骨科关节镜手术及相关临床教学，具有操作便捷、系统稳定、功能强大等特点。结论该系统具有良好的实用性和临床及教学应用价值。

骨关节；关节镜；计算机辅助；图像处理

关节镜微创技术被称为20世纪骨科领域中最瞩目的成就之一，因其手术创伤小、视野清晰、操作精准、康复迅速、疗效满意等优点，已成为肩、肘、腕、髋、膝、踝等四肢主要关节疾病的首选诊断和治疗技术。然而，关节镜手术的特殊性在于其全部操作均在关节腔隙内完成，肉眼无法直视，临床教学难度大、要求高。传统方法采用照相机或录像机进行图像采集，目前医院应用较多的是简易关节镜图像采集软件，均存在操作不便、图像质量不高、资料管理与处理繁琐、难以实施教学等问题。

因此，如何对关节镜图像进行实时采集、传输、存储、编辑、管理，进而提高关节镜手术的临床效率和教学质量是一个亟待解决的问题。解放军总医院骨科自1998年起，结合最新的计算机数字化多媒体和网络技术，主持研发了影像传输及储存系统。经过十余年的应用和升级改进，构建了一套成熟、完备的骨科关节镜影像数据采集及临床教学系统。

1　系统软硬件配置

将服务器技术、计算机数字化多媒体技术、网络技术相结合，完成关节镜手术资料的采集、处理、储存、编辑等功能，实现了医疗和临床教学功能一体化(如图1所示)。

图1　骨科关节镜影像数据采集及教学系统结构图

硬件配置由服务器、主机、显示器、键盘、遥控器、鼠标、打印机、光盘刻录机、不间断电源(UPS)等部分组成。将服务器主机与各终端计算机通过网络或光纤链接和传输的方式进行连接。为实现图像高速传输和处理,主要硬件配置如下:

服务器：选用高端的机架式服务器，产品结构包括4核CPU Intel 至强E7-4800 v2，最大内存6TB、硬盘容量24TB、电源2个、操作系统Windows Server 2012 R2，为系统提供一套完备的企业级云与数据中心平台。

终端计算机为高端台式商用电脑：CPU i7、硬盘1 TB、内存8 GB、DVD刻录光驱、独立显卡、显存容量1 GB、显示器尺寸21.5英寸(分辨率为1 920×1 080),1000Mbps有线以太网卡、操作系统为Windows 7，在数据保存及全动态视频捕捉上有很高的稳定性。

数字高清全动态视频捕捉卡：采用DVI、SDI信号源卡，影像分辨率可达1 920×1 080P，大大提高了视频的清晰度，并兼容了目前视频格式所出现的隔行与逐行扫描问题。

网络硬件：网卡、网线、交换机，等。网线为六类线、传输频率1MHz～250MHz。六类布线系统在200MHz时综合衰减串扰比(PS-ACR)有较大余量，其传输性能远远高于超五类标准，最适用于传输速率高于1Gbps的应用，大大改善了串扰以及回波损耗方面的性能。交换机选用千兆以太网交换机，背板带宽256Gbps、包转发率102Mpps、应用层级为三层、端口结构为非模块化、端口描述为24个10/100/1000Base-T端口，网络标准IEEE 802.3、IEEE 802.3u、IEEE 802.3ab、IEEE 802.3z、IEEE 802.3x、IEEE 802.1Q、IEEE 802.1d、IEEE 802.1X，可堆叠。

由此，一台服务器可连接多台终端计算机，并提供同时运行所需的数据传输、储存与调用等服务，使系统集视屏录制及编辑、图像采集及编辑、数据统计、搜索查询、信息传输等功能于一体，实现功能最大化。

2　工作原理及流程

2.1工作原理

将关节镜视频信号经视频分配器进行处理,一路接入医用高清显示器,用于手术过程的监视；另一路通过视频卡进行数字转化,在计算机上形成动态数字视频画面。可根据需要对窗口大小、明亮度、对比度、饱和度和色调进行调整，以获取高质量的数字视频图像。在预览状态下,可截取和储存单帧关节镜彩色图像，亦可以24帧的速度进行动态图像记录。储存后形成的文件可依靠网络传输储存至服务器，并可随时登录终端计算机进行查询与调用。同时，通过网络传输，可将手术信号同步传送至本地及异地教学场所，实现实时转播与临床教学。

2.2操作步骤

启动终端计算机进入Windows 7操作系统,将关节镜摄影头的视频输出端与视频捕捉卡DVI或SDI端口用导线连接,启动视频捕捉程序,设置好视频制式、采集格式、接口、视频图像的色彩、对比度、饱和度、亮度，等。手术开始后可根据要求进行实时图像捕捉,即可获得连续动态片段,也可得到单帧静态图像,图像自动保存在硬盘上，术后可将病例文本资料和图像上传至服务器。可应用终端计算机自带的图像浏览、视频播放功能进行资料的浏览和观看，也可利用自带的关节镜手术图文记录模板，选择好所需图片后直接导入模板，附以文字说明并撰写手术记录,图文并茂地反映手术全过程，编辑完成的报告可用高分辨Photo打印纸打印，递交患者或在病案内进行储存。手术图片和视频随后可进行再编辑，制作成视频、幻灯片等资料,用于手术效果的回顾及教学。服务器中储存的病历资料可随时进行查询、分类和调出，并进行数据统计及分析,便于学术论文的纂写和学术交流。术中可将手术视频和音频实时转播至示教室，用于教学演示及答疑。

3　系统功能介绍

3.1病历资料的录入与保存

依照病例分类，在工作站内新建立文件，激活界面的文字录入框，根据需要录入有价值的文本信息，包括患者的一般信息与内镜手术信息。一般信息包括患者的姓名、性别、年龄、民族、职业、住院号、门诊号及详细的联系地址、电话、现病史，等；手术信息包含内镜的型号、科室、经治医师、手术医师、麻醉医师、麻醉方式、门诊诊断、内镜诊断、术前诊断、术后诊断和手术记录，等。手术信息包括术中所见关节内情况及手术处置方法。

3.2术中监视及图像资料的储存与导入

可根据需要任意选择AVI、WMV、MP4等多种视频格式和影像尺寸进行资料存储。术中可自主选择遥控手柄、键盘、鼠标、双脚踏开关并随时进行静态图像和动态录像的同时采集。多间手术室的手术资料可同时采集；一台终端计算机也可同时接入多个视频信号，实现“一机多用”。对于有价值的X片、MRI等影像学资料，以及手术示意图等均可导入到对应病例的手术信息中。术后采集的图像资料可随时上传至服务器，如图2所示。

图2　术中监视及图像资料储存界面(髋关节镜)

3.3采集图像的后期选择、编辑与保存

术后可根据需要进行静态图片的选择与编辑，并配以文字解释说明，随后可保存到对应病例的手术报告中，最终生成的手术报告可通过打印系统进行打印。动态影像可以进行动态回放、单帧浏览、多帧浏览等功能，必要时也可从中捕捉静态图片。

3.4病例资料的备份、查询和统计功能

通过终端计算机登录服务器后可从病历资料库中根据手术时间、部位、手术医师姓名、手术名称、诊断名称等条件进行查询、检索和统计分析，并可转换成Excel表格及Word输出。每个病历可依据不同关节部位和术式选取对应的功能评分系统，以便于术后的随访。

3.5教学功能

视频可随时传输至多个本地及远程教学场所。术者可利用系统的现场直播功能，向本地及异地学员实时展示手术过程，并通过语音交互终端进行手术讲解，与学员进行语音双向交流与答疑，实现现场授课与学术交流。系统内置了多种视频处理功能，术后可对视频和图像文件进行另存、复制、转换、剪切、拼接、刻录等多种处理，可大大提高教学多媒体资料的制备及后期教学授课质量。

4　应用效果

我们自1998年1月以来，将上述骨科关节镜数据采集及临床教学系统应用于临床和教学中，累计采集临床手术病例9 124例，保证了手术的顺利开展和影像学资料的清晰完整，大大提高了手术效率和术后随访效果。

应用该系统每季度开展手术视频直播及演示，累计开展本地及远程教学和学术交流74次。同时，利用影像学资料制作Powerpoint等多媒体教学资料并进行教学授课与学术交流，使得教学水平、教学效果和教学影响力得到了整体提升。

5　小结与展望

关于关节镜图像资料的采集与教学，国内鲜有研究。1998年，滕学仁等[1]首次报道了将计算机多媒体技术应用于膝关节镜电视影像资料处理的做法和经验。此后，李红叶等[2]介绍了应用计算机数字视频技术对膝关节镜手术资料进行采集、编辑、管理、保存的方法。2008年，王明宇等[3]建立了关节镜手术患者信息管理系统，并与已有的 HIS(hospital information sys- tem)系统进行连接,提高了工作效率。上述研究各有优势，大大促进了关节镜图像资料的处理和应用，但功能尚处于基本应用阶段，图像采集的清晰度、编辑的灵活性和功能向科研特别是教学的拓展性方面还有一定局限。

该系统采用当前国际上较为先进的计算机芯片、图像捕捉、图形处理、资料保存与共享等方面的技术,功能更加全面和强大，相较于同类系统具有以下几个方面的特点：①适用于肩、肘、腕、髋、膝、踝等多种关节镜手术的信息采集和利用，同样适用于腹腔镜、胸腔镜、膀胱镜等各类内窥镜手术；②通过该系统可详细采集患者基本信息及手术详细信息，结合多种专业的骨科功能评分，形成了完善的关节镜医学资料数据库管理系统,便于随时查询、调用和患者随访，大大提高了关节镜图像资料的医疗价值；③实现了临床教学的功能延伸，包括：手术本地直播、远程直播及演示、教学备案与授课，等；④基于新一代服务器构架，可同时对多台关节镜手术进行图像采集，大大提高了手术效率；⑤连接简单、操作方便、简单易学、图像采集不影响手术操作；⑥图像及视频存储格式多样、清晰度高、质量稳定、数量不受限制，利于后期应用处理；⑦系统稳定性高，数据存储和共享形式丰富，包括打印、刻录、转存，等。经过十余年的不断丰富与升级，大大提高了该系统的临床工作效率，有效促进了科研和教学工作的开展。目前，此系统已在数十所医院得以普及。

下一步，将以此影像数据采集及教学系统为基础，综合运用计算机云技术、网络与通讯、自动控制、图像信号处理、多媒体及综合布线等技术，将此系统与相关各医疗系统，如医院HIS信息系统、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)、实验室信息系统(laboratory information system,LIS)和远程医学等进行有机整合[4]，建成更加完善和强大的关节镜手术医学资料数据及科研和教学平台，为关节镜手术提供更加便捷、高效、智能、安全的操控系统，同时也可依此建立一整套现代化腔镜技术医疗信息网络平台。

[1]滕学仁,逄成,孙永信,等.关节镜计算机数字视频技术的研究与临床应用[J].中华骨科杂志,1998(4):18-20

[2]蒋垚,沈灏,马荣,等.膝关节镜的计算机图像处理系统[J].临床骨科杂志,1999(3):203-205

[3]王明宇,刘伟东.哈医大一院关节镜手术病人信息管理系统的构建[J].医学信息,2008(5):593-595

[4]Hao A,Wang L.Medical Device Integration Model Based on the Internet of Things[J].Open Biomed Eng J,2015,2(1):256-261

Construction of the orthopedics arthroscopic computer image collection and clinical teaching system

LiChunbao1,ZhangJing1,LiuYang1,LiZhongli1,LiuYujie1,ZhuJuanli1,ZhangQiang1,QiWei1,WeiMin1,DongXiaoyan1,WangYueqiang2,DiJianli2

1DepartmentofOrthopedics,ThePLAGeneralHospital,Beijing100853;2BeijingTongrunJiayiTechnologyCo.,Ltd.,Beijing102218,China

ObjectiveTo construct the orthopedics arthroscopic computer image collection and teaching system so as to improve the quality and efficiency of clinical and education work. MethodsBy integrating the latest server technology, computer digital multimedia technology, local and remote network technology, we developed this comprehensive application system that integrates data acquisition, process- ing, storage, editing, research and teaching of orthopedics arthroscopic computer images. ResultsThis system, applicable to orthopedic arthroscopic surgery and related clinical education, is convenient, stable and powerful. ConclusionThis system is practical and valuable in clinical work and teaching.

joint; arthroscope; computer-assisted; image processing

全军医学科技青年培育孵化项目(15QNP075)

2016-02-14

李春宝(1982-)，男，河南睢县人，主治医师，博士，主要研究方向：运动医学及骨关节疾病的微创手术治疗；医学研究生教育。

张静(1983-)，女，山东泰安人，技师，硕士，主要研究方向：生物医用材料性能研究及信息化建设。

李众利(1982-)，男，天津人，主任医师，教授，博士，主要研究方向：关节镜下肩膝关节疾病的微创手术创新研究；骨科材料的表面修饰，等。电话：010-66938406；E-mail:lizhongli@263.net

G434

A

1004-5287(2016)05-0538-04

10.13566/j.cnki.cmet.cn61-1317/g4.201605011

注：*同为第一作者