视频拼接系统与我院手术示教系统的结合应用

王曼，李涛

北京积水潭医院 信息中心，北京 100035

引言

北京积水潭医院是一家以骨科和烧伤科为重点的三级甲等综合医院，医院每年接收来自全国各地的骨科进修大夫600余人次，还需完成数百名硕士、博士研究生及本科生的临床教学任务。手术示教是广大实习人员获得外科手术经验的最佳途径之一，手术示教系统的开发对我院手术示教水平的提高起到巨大推动作用。

现代手术越来越趋于精准化，高清晰度的手术示教画面展示有助于学习人员更直观、更快速地理解关键步骤的细节要求。例如我院脊柱外科的神经减压、手外科细小的血管神经缝合等涉及精细手术操作，均需要手术示教信号高清晰无损传输。由于医院网络带宽资源有限，为保证手术示教画面的流畅性，需要对视频信号采用H.264算法进行网络编码，通过牺牲画面清晰度换取流畅性。然而，对于高精度手术的示教，示教质量与信号显示的清晰度息息相关，清晰度降低会导致观摩人员遗漏重要的手术操作细节，导致示教质量打折。

为了解决上述问题，本文拟通过将视频拼接显示技术与传统手术示教系统相融合，使手术示教信号以无损方式由手术室传输至示教室，并通过示教室配套设置的视频拼接墙展示高分辨率的手术示教画面，从而提升手术示教质量。

1 视频拼接技术简介

视频拼接系统已经广泛应用于教育科研、政府公告、信息出版、行政管理、军事指挥、展览展示、安防监控等行业。拼接处理器是视频拼接系统的核心设备，其主要功能是将一个完整的图像信号划分成N个显示区块，并分配给对等数量的显示单元，每个显示单元显示该图像信号的部分内容，组成一个完整的超大分辨率图像拼接墙[1]。拼接处理器的硬件架构是以高速数字交换背板为核心，采用PCI-E硬件架构设计，拼接处理器的内部硬件架构如图1所示。

图1 拼接处理器的内部硬件架构图

拼接处理器按照物理板卡类型划分为视频信号采集卡、视频信号切换卡、视频信号输出卡、控制卡，各板卡之间通过高速数字交换背板提供的PCI-E总线实现数据交互。拼接处理器内部的信号传输链路包括RGB数据传输链路和控制指令传输链路。RGB数据传输链路专用于传输RGB数据，RGB数据传输链路布置于视频信号采集卡与视频信号切换卡之间，以及视频信号切换卡与视频信号输出卡之间。控制指令传输链路专用于控制卡向其他板卡传递控制指令。

（1）视频信号采集卡用于采集外部信号源设备输出的视频信号，并通过FPGA处理芯片对视频信号按显示帧率进行RGB颜色空间转换，将得到的RGB数据输出至视频信号切换卡。

（2）视频信号切换卡用于建立视频信号采集卡与视频信号输出卡的端口映射通道，该端口映射通道的建立规则取决于控制卡接收到的外部中控设备的参数配置信息。视频信号切换卡采用全交叉调度架构高速数据传输技术，底层数据传输由数据调度芯片控制，保证每路视频信号在数据传输链路中独享传输通道，兼顾视频信号的传输速度与质量，信号显示速度达到60帧/s，从根本上保证对所有输入信号源进行全实时处理和数据一致性，图像无延迟、无离散化、无丢帧现象。

（3）视频信号输出卡用于将RGB数据进行RGB颜色空间逆转换，并根据外部中控设备发送的信号显示方案，对获取的视频信号调整显示分辨率、截取每个显示单元对应的像素区块，并将视频信号输出至外部显示设备进行显示。

（4）控制卡通过网线或串行数据通信线束连接外部中控设备，接收管理人员在中控设备中配置的示教显示参数，包括各路视频信号在拼接墙中的显示位置、显示分辨率、叠加字幕内容等参数信息。控制卡将显示参数解析成可执行指令并转发至各个板卡，对各个板卡的正常运作起到指导控制作用。

2 手术示教系统的设计方案

2.1 现有手术示教系统介绍

现有手术示教系统采用网络分布式硬件架构，如图2所示。

图2 现有手术示教系统采用网络分布式硬件架构

手术室内的医疗影像设备，如全景摄像机、术野摄像机、内窥镜、腹腔镜等，经网络编码器编码后通过医院内网环境的交换机输出至网络信道。通过示教室的计算机设备登陆示教客户端，向中心服务器发送示教请求指令，中心服务器建立手术室与示教室的网络端口映射通道[2]。示教室的计算机设备获取网络信号后进行本地解码，然后通过本地显示器进行播放[3]。视频信号由手术室传输至示教室经过有损压缩步骤，导致该信号经过本地解码后无法完美还原视频信号原始的细节要素。

2.2 手术示教系统的硬件架构设计

2.2.1 视频拼接系统与手术室的对接方案

拼接处理器作为医疗影像信号的调度主机，固定放置在手术室的专用机柜中，机柜采用符合ANST/EIA RS-310-C/D的标准化设计，各个信号源设备通过有线方式直连拼接处理器的视频信号采集卡。考虑到不同医疗影像设备的信号输出格式各异，视频信号采集卡支持对多种视频信号格式的采集处理，根据手术室的设备实际使用情况适配对应的视频信号采集卡，实现与各种医疗影像设备、医学监护仪器的友好对接。视频信号采集卡支持的输入信号格式如表1所示。

表1 视频信号采集卡支持的输入信号格式

适配我院骨科显微手术的示教系统，在拼接处理器中布置SDI信号采集卡、HDMI信号采集卡、VGA信号采集卡、DVI信号采集卡。SDI/HDMI信号采集卡直连于术野摄像机，VGA信号采集卡直连于麻醉监护仪，DVI/HDMI信号采集卡直连于手术室计算机设备，上述三路视频信号分别由拼接处理器推送至拼接墙进行同步显示。手术室计算机设备通过医院内网环境登陆医学影像信息系统（Picture Archiving and Communication Systems，简称PACS系统），调取患者手术部位的核磁共振影像并输出该计算机设备的显示器[4]。

2.2.2 视频拼接系统与示教室的对接方案

示教室布置由M×N个显示器阵列组成的拼接墙，每个显示器分别直连于拼接处理器的视频信号输出卡，本系统中示教室无需配置计算机设备。为了保证数据传输的成功率，HDMI高清信号线缆直连的最大距离不宜超过10 m，VGA模拟信号线缆直连的最大距离不宜超过15 m。考虑到我院手术室与示教室之间的实际物理距离较远，不支持短距离直连布线，需要在拼接处理器的信号输出端与拼接墙的信号输入端之间添加信号远传节点[5]。

具体地，在拼接处理器的每一路输出信号与拼接墙之间的信号传输链路上设置光端机，每组光端机包括发送器和接收器，发送器与拼接处理器的视频信号输出卡相连接,接收器与拼接墙的显示器相连接,发送器与接收器之间通过光缆连接，利用光纤信号传输优势，实现在不损失信号质量的前提下延长高清信号的传输距离，传输距离最远可达10 km，最高支持4 K分辨率，兼顾视频信号的传输效率与质量[6]。

综上所述，手术示教系统的硬件架构如图3所示。

2.2.3 示教拼接显示预案

拼接处理器支持视频信号在拼接墙的任意位置开窗显示，拼接处理器中的控制卡通过网线或串行控制总线连接外部的中控设备，以接收管理人员通过中控设备发送的拼接显示参数，包括：

（1）窗口水平起始位置。指显示视频信号的窗口的参考点（如窗口左上角端点）在拼接墙二维坐标系中的横向坐标值。

（2）窗口垂直起始位置。指显示视频信号的窗口的参考点（如窗口左上角端点）在拼接墙二维坐标系中的纵向坐标值。

（3）窗口横向分辨率。指显示视频信号的窗口沿水平方向覆盖的像素点个数。

（4）窗口纵向分辨率。指显示视频信号的窗口沿垂直方向覆盖的像素点个数[7]。

考虑到目前主流视频信号质量已经由传统高清1080 P（1920×1080）分辨率逐渐向4 K（3840×2160）分辨率过渡[8]，示教室的视频拼接墙布置方案如图4所示，其分别是由8个显示器构成的4×2显示规模的视频拼接墙，自然数编号为各个显示器在视频拼接墙中的逻辑位置，各个显示器的显示分辨率均为1080P。图4虚线框内的4个显示器所形成的2×2显示器阵列，其分辨率均为3840×2160，即可以支持拼接显示4 K信号。

图4 示教室的视频拼接墙布置方案

以骨科显微手术的示教为例，通过中控设备配置显示参数，使拼接墙中央的2×2显示器阵列拼接显示术野摄像机的视频信号，同时使拼接墙左侧1×2的显示器阵列拼接显示麻醉监护仪的视频信号，右侧1×2的显示器阵列拼接显示手术室计算机设备的视频信号（即拼接显示PACS系统中调用的MRI影像信息），为实习人员提供全方位、多角度的手术相关信息。完整的骨科显微手术的示教拼接显示画面如图5所示。

图5 完整的骨科显微手术的示教拼接显示画面

3 结论

通过将视频拼接技术、高清信号远传技术以及医院的数字化信息管理技术与手术示教系统相结合，实现的有益效果如下：

图3 手术示教系统的硬件架构

（1）实现手术室高清数字化信号的无损远距离传输，并能够保持60帧/s的信号显示速度，有效提升手术示教画面的清晰度，更好地展示手术细节。

（2）针对目前主流的1080 P画质医疗影像信号以及未来4 K信号的应用趋势，有预见性地布置示教室中的显示器阵列规模，在中控设备的配合下实现配置多样化的示教拼接显示预案，使示教室显示器阵列与手术室医疗影像信号的对接兼容性更高。

（3）与传统手术示教系统相比，我院手术示教系统采用集中式布置架构，无需在示教室配置计算机设备，仅需要布置显示器阵列，降低了示教室的布线难度；此外，拼接处理器中的视频信号采集卡、视频信号输出卡支持工作状态下的热插拔，当设备板卡发生故障时，仅需将故障板卡进行替换，无需将整个设备断电，降低了设备的日常检修与维护成本。