数字化手术室的3D应用设计

李昊航，傅洪，袁明勇

苏州麦迪斯顿医疗科技股份有限公司，江苏 苏州 215021

数字化手术室的3D应用设计

李昊航，傅洪，袁明勇

苏州麦迪斯顿医疗科技股份有限公司，江苏 苏州 215021

目的利用数字化3D视频技术，提升手术室示教功能，进一步完善数字化手术室解决方案。方法针对3D视频信据量大和受网络带宽限制的问题，本方案采用左右格式的3D视频技术，保证系统的兼容性和扩展性；采用双投影机、提升带宽和有效压缩传输算法解决亮度损失及传输速度问题。结果实现了手术室3D视频信号集中采集并传输到会议室展现；中心机房作为数字化手术室的管理单元，存储3D影像资料，同时实现了与医院其他信息系统的集成。结论3D视频技术在数字化手术室建设中具有重要的应用价值，随着高清3D医疗设备的广泛应用，未来3D视频技术将有更广阔的发展空间。

3D技术；数字化手术室；腔镜手术器械；医院信息系统

0 引言

数字化手术室目前已经在很多医院得到实际应用并且效果良好，其最主要的一个功能即实现手术医疗设备的集成，能够进行手术医疗设备影像的采集、传输、记录和共享[1]。

随着科学技术的发展，目前3D技术已经越来越多的被运用在医疗行业中，如3D腔镜、3D显微镜、达芬奇机器人等医疗设备在手术室得到广泛应用，手术室已经跨入了3D医疗时代[2-3]。特别在微创手术中，由于传统腔镜手术器械在操作时缺乏空间感，无形中加大了手术难度，应用3D技术可以给医生提供三维立体感知，使得更精准的手术操作成为可能，提高了手术安全性[4]。

3D技术的应用，在给医生带来极大便捷的同时，也对数字化手术室系统应用提出了更高的挑战。如何提供更加完善的数字化手术室设计方案，解决传统手术示教的功能不足问题，是本文重点讨论的问题。

1 数字化手术室基础知识和关键技术

1.1 数字化手术室3D格式选择

立体感是人眼视觉的重要功能之一，正常人双眼平均瞳距约为65 mm，当眼睛看着前方的任何一件物品，两只眼睛形成双眼视差，这个细小的角度差距经过神经传送到大脑，大脑就可以产生远近深度的立体感[5-7]。利用这个原理，将略有差异的二维图像分别成像给左右眼，从而使人产生画面的立体感[8]。

目前3D立体格式主要有红蓝格式、交错格式、上下格式、左右格式，具体区别见表1[9-11]。

表1 3D立体格式的性质及适用范围

光是一种电磁波，是由与传播方向垂直的电场和磁场交替转换的振动形成的[12-13]。自然光的震动方向是杂乱无章的，各个方向均有。利用光的特性，可以使用偏振片将通过它的自然光只沿着偏振片的偏振方向振动[14]。

考虑到手术部位对色彩还原度要求较高，不宜采用分色法，但分时法需要佩戴主动式3D眼镜，若在手术关键时刻断电容易发生意外，并且维护起来较为麻烦[15]。由于手术室内3D医疗设备一般采用稍有视差的两个摄像头进行拍摄，与人眼的观看方式相似，因此系统采用左右格式，并在这种格式上转换成其他所有立体格式，保证系统的兼容性和扩展性。

1.2 传统3D技术需要解决的问题

1.2.1 亮度损失问题

亮度是指从一个物体表面以一个指定的角度反射的光线。亮度损失来源于系统的方方面面，如投影灯功率、屏幕增益等的影响。无论何种3D系统，其特征都会吸收大量的光，要产生双眼分离的图像就必然造成亮度损失，每只眼镜都只看到屏幕反射的一半光线，导致至少50%的亮度缩减。本设计对应的解决办法是采用双机投影系统，并提高亮度增益。

1.2.2 信号编解码及传输问题

数字化手术室系统需要有可靠的灵活性和实时性，因此视频信号的传输需要采用基于Internet的实时信号传输。由于网络带宽的限制和3D视频信号的大数据量，本设计对应的解决方法是提升物理带宽和有效的数据压缩传输算法。

2 手术室系统的实现

系统建设目的是提高手术效率和教学质量，解决3D手术环境下手术示教及多媒体存储的需求，以期实现更加完善的数字化手术室系统。

系统建设主要分为手术室、会议室和中心机房（图1）。手术室将3D视频信号集中采集展现，并传输到会议室展现，实现3D手术转播；中心机房作为数字化手术室的管理单元，是手术室和会议室的桥梁，它不仅可存储3D影像资料，同时可以无缝集成医院信息系统（HIS）、医学影像存储与通讯系统（PACS）、实验室信息系统（LIS）、电子病历（EMR）系统等，实现多元化、立体化的信息共享和融合。

图 1 数字化手术室的3D视频技术系统架构

2.1 手术室场景设计

与普通数字化手术室类似，手术室内配置1套高清摄像系统，1套3D显示系统。其中高清摄像系统包含2台摄像机，微创医疗设备，其中1台全高清医用摄像机安装在手术室无影灯吊臂上拍摄外科医生手术操作图像，与无影灯形成同轴三臂状态；另一台摄像机是全景摄像头，吸顶安装于手术室一侧角落，用于观察手术室整体情况。微创医疗设备一般指3D内窥镜、显微镜等。内窥镜和显微镜的高清视频画面由2个摄像头获取后，通过DVI或HDMI接口输出，由数字化手术室内高清一体化手术控制终端采集处理。3套摄像系统配合工作完成手术室内的视频采集工作。

3D显示系统由2块3D医用术野显示屏、多功能显示屏和医用触摸屏组成。其中1块3D术野显示屏吊顶安装于手术床两侧，另外一块安装于手术床一侧墙壁上，使佩戴3D偏光眼镜的医护人员在手术室任何地方，都可方便观察手术部位；多功能显示屏用于展示术中远程场景、患者电子病历、监护仪信号等；医用触摸屏可控制手术室内所有视频信号及摄像系统。3D手术室场景图，见图2。

图2 3D手术室场景图

2.2 会议室设计

为避免示教时的亮度损失，会议室利用两部高清投影机组成被动投影系统，分别显示左右格式的信号，观众佩戴偏振式3D眼镜，用不同偏振态的镜片分别过滤掉其中一幅图像就可以实现立体图像。视频会议室设计示意图，见图3。

图3 3D视频会议室设计示意图

双机放映可以极大的弥补单机3D画面两端不足，得到更高图像质量的同时，保证画面更加平滑流畅，避免了屏幕亮点或光反射不均匀，消除单机3D系统放映的长时间观看带来的视觉疲劳和眩晕感。并且系统在传输中一直保持1080 P格式的质量，实现了图像质量还原的高保真度。

2.3 信号编解码及传输设计

手术室内采用光纤进行3D视频信号的传输，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，在提升带宽、保证传输速度的同时，有效地避免了手术过程中如电刀设备等对视频信号的干扰。

考虑到网络中存在的延迟和多用户访问问题，并保证视频系统的可靠还原性，系统采用标准TCP通信协议，基于H.264/AVC编码标准设计相应的信源信道联合编码算法，根据信道的特性设计网络和编码器的接口，通过跟踪信道状态的变化来调整编码器的参数。信号编码及传输示意图，见图3。

图4 信号编码及传输示意图

3 总结与展望

随着科学技术的不断发展，医疗领域的3D视频技术应用重新定义了数字化手术室的高质量画面展现，为临床手术提供了更具科技含量的数字化手术室系统解决方案。本文通过大量的实践和论证，为实现并完善3D视频技术在数字化手术室的及时传输、展示功能，优化采用了左右格式的3D视频技术；增加3D投影机数量和提高增益亮度；有效提升网络传输带宽；有效视频压缩传输数据，从而确保3D视频技术在数字化手术室的落地。

虽然目前医护人员还需佩戴3D眼镜才能观看3D视频，但随着3D技术的发展，裸眼3D、全息影像的技术应用也必将走入手术室，为临床手术的发展注入新的动力。因此未来3D视频技术必在医疗教育和诊断上发挥更大的作用，也将体现出巨大的经济和社会价值。

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Application Design of 3D Technology in the Digital Operating Room

LI Hao-hang, FU Hong, YUAN Ming-yong
MedicalSystem Company, Suzhou Jiangsu 215021, China

Abstaract:ObjectiveTo make use of the 3D video technology in the digital operating room so as to enhance its teaching function and further provide a better solution for the digital operation room.MethodsIn view of the problems of massive 3D video data and network bandwidth limitation, application of left-and-right-format 3D video technology in digital operation room was realized to ensure the compatibility and scalability of the system, which also used the dual projector, enhanced bandwidth and effcient compression algorithm to solve the problem of luminance loss and transmission speed.ResultsThe centralized collection and transmission of 3D video signals in the operating room to the conference room were realized. The center room served as a unit of the digital operating room management for storage of 3D image data. At the same time, the integration with other hospital information systems was accomplished.Conclusion3D video technology was of important value in the construction of digital operation room. With the extensive application of HD 3D medical devices, the future 3D video technology would have a broad development space.

3D technology; digital operating room; endoscopic surgical instruments; hospital information systems

TP37

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.07.023

1674-1633(2016)07-0079-03

2015-12-23

2015-12-26

国家863计划项目（2012AA02A606）。

本文作者：李昊航，工程师，数字医疗研究方向。

作者邮箱：44502163@qq.com