手术视频采集设备及应用现状进展

马锋，韩珍珍，李艳，薛召，康小云，王浩华，汤博，吕毅,d

西安交通大学第一附属医院 a.精准外科与再生医学国家地方联合工程研究中心；b.陕西省再生医学与外科工程研究中心；c.肿瘤外科；d.肝胆外科，陕西 西安 710061

引言

随着科技的发展，带有摄像功能的电子产品日益普及。其为医务工作者手术或实验过程中录制手术视频提供前所未有的便利。手术视频以其准确、直观的特点深受医务工作者认可，已成为医务工作者学习、教学和学术交流的重要多媒体形式[1-3]。美国骨外科和骨创伤学会已经认识到与此内容相关的独特教育价值，并将外科视频纳入了其年度教育会议[4]。近年我国外科相关学术会议也增加了手术视频大赛评选版块[5-6]。但尚未有统一规范的手术视频采集设备，本文就当前国内外报道使用较多的手术视频录制设备进行归纳总结，简要介绍现用手术视频采集设备及其应用现状，为手术视频录制时工具选用提供参考。

1 手术视频采集设备的分类

手术视频采集设备的发展是和科技进步同步的，从1839年世界上第一台照相机出现，到现在的高清摄录像机。手术视频采集设备也是从最原始的胶片留影发展到现在的数码产品录像。根据摄像镜头和手术设备、术者之间的关系，手术视频采集设备分为以下三类：非集成式、术者集成式、设备集成式。

1.1 非集成式手术视频采集（摄像机外录）

非集成式手术视频采集设备主要以手持式视频采集为主。手持式手术视频采集方式是自摄像机诞生以来就有的最原始、最耗费体力的录制手段。为了节省体力，也可外接固定支架。早在2009年就有文献报道这种视频采集设备[7-8]，它是直接利用市面上的商用摄像机，外接固定支架将镜头直接对准手术视野获取手术录像，录制的手术视频直接存贮在摄像机内置存储器中。为了防止手术录像过程中污染手术台面，摄像机不能太靠近手术部位，以至于很多手术部位无法录制。这种视频采集方式的主要优点是画面清晰度高，色彩还原度好。缺点是摄像机自带内存空间有限，不能支持长时间录制；对于一些如腹部等较深部位手术，受局部解剖因素及术者体位影响，镜头无法看到关键步骤，影响视频连贯性和可读性[7]，仅是录像功能。

1.2 术者集成式视频采集设备

术者集成手术录像方式也称为可穿戴式移动视频采集，通过将摄像机绑带固定于术者身体的某个部位，带有高清视频录制功能的小型可穿戴运动相机使外科医生可以在手术中轻松使用相机，无需支付高昂的成本、庞大的相机系统或专业的视频团队[9]。现在市面上主流的可穿戴相机包括Google Glass[10-12]，GoPro Hero系列[13]和Panasonic HXA100移动相机[14]，已成功在医院中使用。

Lee等[9]从主观因素、规格和视频质量的角度对GoPro Hero 4 Silver、Google Glass和Panasonic HX-A100移动相机进行比较。在整个手术操作过程中，最方便佩戴和握持的设备是Google Glass。除Google Glass之外，其他设备都支持HD格式，GoPro具有独特的2.7K或4K分辨率。GoPro视频分辨率的质量最高，可以根据手术调整视野，便于共享剪辑视频。Google Glass具备成为应用程序的潜力。诸如Wi-Fi和蓝牙之类的连接功能可以为观众提供视频流，但是只有Google Glass在设备中具有双向通信功能。但最大的弊端在于术者身体移动尤其是头部活动会对录像质量影响较大，增加剪辑工作量。

1.3 集成式手术视频采集设备

集成手术录制方式是指将摄像机与内窥镜集成摄像。摄像机和内窥镜集成录像的方式在临床上应用较为广泛，比如膀胱镜、胃镜、大肠镜、支气管镜、腹腔镜等都属于此类录像方式。内窥镜不但能提供录像功能，同时还可兼具诊断、治疗手术病变的优点。内窥镜通常有两个玻璃纤维管，光通过其中之一进入体内，医生通过另一个管或通过一个摄像机来进行观察，有些内窥镜甚至还有微型集成电路传感器，将所观察到的信息反馈给计算机，典型的例子就是腹腔镜手术，医生就是通过外置计算机显示器来观察手术视野并进行手术的。

上海东方肝胆外科医院姜小清团队报道了腹腔镜镜头联合普通的摄像机对胆道手术进行录像，手术过程中利用腹腔镜的摄像头获得图像后经S端子将图像传给DVD录像机并实现视频录像的保存[15]。并且在拍摄影像的同时可以把视频传送到腹腔镜自带的监视器内，实现同步播放。腹腔镜录像的优点是腹腔镜手术时根据术者要求，可随时对手术过程进行录像，并且整个手术过程中手术视野暴露清晰，可以录制到所有的手术关键步骤，便于后期整理。学习者也能够以第一视角观察手术，更好的理解手术。不足之处是对于一些腹部位置较深暴露难度高的手术，无法使用腹腔镜进行手术，自然也就无法直接对其进行录像；另外，由于腹腔镜镜头比较局限，主要聚焦于主刀视野，手术录像常常难以看到助手的配合，如牵引、暴露等过程[16]。

上述手术视频采集设备调整视野或图像分辨率可能会改善图像细节，但可能会因相机的广角镜头而导致不适当的图像曝光或失真而付出代价。许多外科手术录像质量差，摄像机过度移动，外科手术部位不居中或曝光过度或缺乏足够的解剖学细节而受阻[4]。同时，有效录像存在不连续性，片段多，剪辑量亦大。作者团队研发了一款智能外科手术过程视频记录系统[17]，专门用于外科手术过程的录像系统，兼有拍照、照明、语音文字转化、术中远程会诊等功能。术中术者对于手术过程中关键通过语言描述、采集照片，术后可直接生成图文并茂的手术记录并将其打印[18]，如同目前电子胃镜的报告。该系统主要包括硬件和软件两部分。硬件部分主要由医用台车、可活动臂、无线路由器、图像采集摄像头、术中监视器、PC 计算机、工作站单元、彩色打印机、语音收发单元；软件系统即外科手术语音图文工作系统[19-20]，是基于 WIN7+VS2010 开发平台而来，利用C#语言编程来实现良好的人机交互界面，再结合 PC 平台收集到的数据信息生成相应的手术图文报告[18,21]。图文手术报告系统完美的解决了外科手术录像和纯文字描述的手术记录缺乏客观、准确的手术资料的难题。该系统已经在临床初步使用，医生和患者反馈良好[18]。

在当前信息化、大数据时代，传统的手写病历已被电子病历所取代。电子病历在很大程度上减轻了术者书写手术记录的工作量，但相似的手术，手术记录基本上是直接复制拷贝，使手术记录缺乏个体化，存在潜在的医疗纠纷风险。另外，很多创新的手术，也很难用文字直接准确描述[22-23]。作者团队研发的智能外科手术过程视频记录系统能有效解决此问题，真正降低术者劳动强度，提高医疗质量和工作效率，对于今后临床研究和外科学术交流、教学具有重要意义。

2 手术视频的用途

2.1 学习与交流

利用手术视频学习、教学，一方面是在学术会议中专科医生提升技能再学习或者称继续教育，另一方面是在医学本科生和规培生外科教学中的应用。这是今后手术视频最重要的用途和发展趋势。视频资料中的图片也可用于相关医学书籍中的插图，便于医学生学习[24-26]。

近年来国内外一些杂志如中国胸心血管外科临床杂志、Surgical Oncology等开辟了手术视频文章专栏[27-28]；中华乳腺病杂志等举办中青年医师真空辅助乳腺微创旋切手术视频大赛[6]；YouTube、WebSurg等网站开设手术视频在线平台[29-31]。传统外科医师培训再教育模式逐渐被各学科、学会提倡的、日益广泛应用的手术视频交流学习方式所取代。各学科专家利用手术视频进行教学探索不断涌现。

但Marcel等[28]和Kartal等[30]从手术录像、技术质量等方面对YouTube平台发表的六个国家32～50个腹股沟疝修补视频比较获得的较低分数，表明它们不能提供足够水平的可靠性和质量信息。Ferhatoglu 等[31]对套筒胃切除术中新时代的教育平台YouTube®和WebSurg®的比较，在线视频平台袖套胃切除术视频信息的准确性和质量方面仍低于预期的质量。这提示我们在利用在线平台学习时要有高质量的手术视频、高质量的手术技术。

2.2 提高医疗质量

高质量手术视频对于外科医生和医学生的学习、交流至关重要，与提高医疗质量相辅相成，互相促进。Omahoney等[25]提出手术视频必将是提高手术质量的下一个推动者。手术视频有助于住院医师和研究人员了解有关手术的细节，并强调器械的人体工程学。对于外科医生来说，不断评估和改进其手术技术确保更好的手术效果也是至关重要的[32]。许多外科手术技能培训将手术视频纳入培训计划中[33]。另外，国外文献报道患者可以访问或使用医疗数据生成的视频和数据记录[34]。由此可见，要想通过手术视频进行学术交流、外科教学与再教育，必须提高手术视频质量。要提高手术视频质量，除视频录制工具因素外，必然要求术者围术期各项操作更精细，无形之中医疗质量得以提高。

另外，手术视频提供客观、真实、立体的手术操作细节和过程[7-8]，手术记录也是重要的医疗文书内容，随着电子病历系统的不断升级，有可能作为电子病历的一部分内容而被记录，进一步促进手术患者医疗质量的提高。同时对于因手术发生的医患纠纷，其将为保护医务工作者提供有力证据。这也是作者团队2015年提出“倡用图文外科手术记录专家共识（2015·西安）”目的所在。

3 讨论与展望

理想的手术视频记录设备应具有高度的便携性、非干扰性、舒适性，并能够获得高质量视频以进行手术学习及手术过程的视频库中。该类设备的未来目标不仅是提供高质量的视频，应当将真实的图像传递给医务工作者甚至患者家属，可以实现与手术室的外部空间进行实时通信。显然非集成式、术者集成式、设备集成式三种手术视频采集设备虽都能录制手术视频，但不足之处更为突出。作者团队研发的智能外科手术过程视频记录系统克服上述手术视频采集设备不足之处的同时，兼有自动对焦、暂停、照明、摄像与照相、远程传输、语音文字转化等功能，可实现术中直播演示、交流或会诊，甚至外科教学。术后可生成图文手术记录。目前主要存在两大问题：一是语音库不够完善，需要建大量的专业术语库，以保证后续语音文字转化的精准程度；二是尚不能与现行医院软件兼用。

作者团队提出“倡用图文外科手术记录专家共识（2015·西安）”已被中华医学会外科学分会外科手术学组采纳并以学组名义发布。研发的语音图文手术记录系统的成功研制具有一定的前瞻性、智能性。目前该成果已实现转化，相信不断优化后有望成为一款智能化专用手术视频录制设备而被推广、普及；可与医院系统结合将手术视频作为医疗文件的一部分。将切实提高医疗质量、降低医生工作强度，同时也将在外科手术视频交流及人才培养等方面发挥其重要意义，促进外科学的发展。