姜 濤，潘新華，譚 珂，郭天泉

解放軍總醫(yī)院教育技術(shù)中心，北京 100853

基于光纖傳輸?shù)?D手術(shù)示教系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

姜 濤，潘新華，譚 珂，郭天泉

解放軍總醫(yī)院教育技術(shù)中心，北京 100853

在介紹機(jī)器人一般技術(shù)、原理、傳輸途徑的基礎(chǔ)上，結(jié)合“達(dá)芬奇機(jī)器人系統(tǒng)”，從關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行分析，并運(yùn)用3D顯示技術(shù)、光纖傳輸技術(shù)設(shè)計(jì)了一套3D手術(shù)示教系統(tǒng)。

3D視頻;光纖傳輸;示教系統(tǒng)

解放軍總醫(yī)院是一所大型綜合性醫(yī)院，承擔(dān)著醫(yī)療、保健、科研、教學(xué)的任務(wù)［1］，鑒于其所處的學(xué)術(shù)地位，每年都會(huì)舉辦多次大型的國際、國內(nèi)學(xué)術(shù)交流會(huì)議。2006年引進(jìn)了達(dá)芬奇機(jī)器人系統(tǒng)［2］，其3D視覺系統(tǒng)再現(xiàn)了手術(shù)視野，引導(dǎo)操作實(shí)現(xiàn)了微創(chuàng)手術(shù)。隨著3D顯示技術(shù)的發(fā)展與推廣，會(huì)議為手術(shù)示教轉(zhuǎn)播系統(tǒng)的術(shù)野實(shí)景再現(xiàn)能力提出了更高的要求。為了滿足其對(duì)真實(shí)感的需求，決定將無壓縮的數(shù)字術(shù)野信號(hào)傳輸?shù)綍?huì)場(chǎng)，以3D技術(shù)將其再現(xiàn)。由于無壓縮的數(shù)據(jù)量大，而需要傳輸?shù)木嚯x遠(yuǎn)，所以采用具有頻帶寬、容量大、抗干擾能力強(qiáng)的光纖作為傳輸介質(zhì)?；诠饫w傳輸?shù)?D手術(shù)示教系統(tǒng)的建立為高級(jí)別學(xué)術(shù)會(huì)議的完美舉行提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 機(jī)器人系統(tǒng)介紹

機(jī)器人是一種視頻操作系統(tǒng)，由醫(yī)生控制臺(tái)、床旁機(jī)械臂塔和視頻系統(tǒng)三部分組成(如圖1所示)。在醫(yī)生控制臺(tái)裝有3D視覺系統(tǒng)和動(dòng)作定標(biāo)系統(tǒng)，主刀醫(yī)生的動(dòng)作通過傳感器被精確地記錄下來并同步傳導(dǎo)給機(jī)械臂。床旁機(jī)械臂塔上裝有四個(gè)機(jī)械臂，中間攝像臂裝有兩個(gè)攝像頭，與連接于胸腔內(nèi)鏡所采集的圖像一起經(jīng)視頻系統(tǒng)處理后產(chǎn)生了具有真實(shí)感且術(shù)野放大了10倍的三維立體圖像，并顯示于醫(yī)生控制臺(tái)，其他三個(gè)機(jī)械臂均裝有類似人的手腕關(guān)節(jié)的機(jī)械腕，能完成精細(xì)動(dòng)作。

圖1 機(jī)器人系統(tǒng)圖

1.2 3D技術(shù)原理

人體有兩個(gè)眼球，在看事物時(shí)，因它們的視覺范圍及角度并不一致，兩眼分別得到略有視差的二維圖像，在視網(wǎng)膜上投像后經(jīng)視神經(jīng)傳遞給大腦，大腦通過對(duì)左右兩幅圖像以及兩幅圖像的視差進(jìn)行分析和處理后，得到關(guān)于事物的光亮度、形狀、色彩、空間分布等信息［3］。3D顯示技術(shù)通過將兩個(gè)略有差異的二維圖像分別呈像給左右眼，模擬出人眼所看到的兩個(gè)不同圖像，從而產(chǎn)生該物體的立體感覺?，F(xiàn)在共有4種實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方法:分別為分色法、分光法、分時(shí)法和光柵法。

目前，3D顯示技術(shù)中分光法應(yīng)用比較廣泛，其原理是利用偏振光濾鏡特性選擇性地讓某特定角度偏振光透過，比如讓左旋偏振光只進(jìn)入左眼，右旋偏振光只進(jìn)入右眼，從而使存在視差的兩畫面分別進(jìn)入左右眼。投影設(shè)備以每秒144幀交替輸出左眼與右眼圖像，并設(shè)置使左右畫面的交替與圓偏振光濾光片的左右旋同步，當(dāng)光投射到銀幕上時(shí)，銀幕將反射左旋與右旋的圖像［4］。3D電視機(jī)以每秒120幀交替顯示左右圖像，電視機(jī)顯示屏的奇數(shù)、偶數(shù)水平掃描線分別貼上左旋和右旋的圓偏光濾波微型磁極，從而透射出左右旋的圖像［5］。觀眾戴上具有左旋與右旋圓偏光濾光片的無源眼鏡即可觀看到3D圖像(如圖2所示)。

圖2 3D顯示技術(shù)原理圖

1.3 數(shù)字接口的選擇

目前，常用的數(shù)字接口主要有串行數(shù)字接口(serial digital interface，SDI)、高清晰數(shù)字多媒體接口(highdefinition digital multimedia interface，HDMI)和數(shù)字視頻接口(digital visual interface，DVI)，該系統(tǒng)采用的是SDI接口。SDI接口在數(shù)字電視節(jié)目制作領(lǐng)域應(yīng)用最廣，是針對(duì)演播室環(huán)境提出的用單根同軸電纜串行傳輸未經(jīng)壓縮的數(shù)字視音頻信號(hào)的方法［6］。HDMI接口是針對(duì)消費(fèi)領(lǐng)域制定的用單根線纜并行傳輸無壓縮的數(shù)字視音頻的標(biāo)準(zhǔn)，通過單條HDMI線纜連接多媒體設(shè)備，就能欣賞到清晰的畫面和立體的聲音。目前，HDMI1.4可實(shí)現(xiàn)家庭3D系統(tǒng)輸入輸出的標(biāo)準(zhǔn)化［7］，3D電視機(jī)等家用電子產(chǎn)品多配有HDMI接口。DVI接口的最初設(shè)計(jì)是用于電腦主機(jī)和監(jiān)視器之間的數(shù)字信號(hào)傳輸，現(xiàn)在被應(yīng)用到高清晰度視頻領(lǐng)域。常見的DVI接口為DVI-D與DVI-I，DVI-D是純數(shù)字視頻接口，DVI-I根據(jù)管腳定義的不同可分為模擬接口和數(shù)字接口［8］。考慮攝像機(jī)、數(shù)字視音頻切換臺(tái)的接口為SDI，且其傳輸距離最長，所以數(shù)字視頻接口均采用SDI接口，DVI-SDI、HDMI-SDI轉(zhuǎn)換器等設(shè)備在市場(chǎng)上已有，可根據(jù)需要進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。其接口性能如表1所示。

1.4 光纖傳輸技術(shù)

光纖是由透明的細(xì)如頭絲的玻璃纖維、石英纖維等材料加工而成。由于其可傳輸光，所以將載有圖像的電信號(hào)轉(zhuǎn)化成光信號(hào)，以光波作為電信號(hào)載波，經(jīng)過光纖傳輸?shù)竭h(yuǎn)處，在目的地再將光信號(hào)轉(zhuǎn)換回電信號(hào)，從而完成信號(hào)的傳輸［9］。光纖傳輸系統(tǒng)由光發(fā)送、光傳輸和光接收三部分組成，具有頻帶寬，傳輸速度快，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)［10］。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

通過該系統(tǒng)可將手術(shù)室的3D圖像信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸?shù)綍?huì)場(chǎng)，會(huì)場(chǎng)的3D投影機(jī)等設(shè)備將手術(shù)操作呈現(xiàn)給參會(huì)者，實(shí)現(xiàn)手術(shù)室與會(huì)場(chǎng)的交流與討論。同時(shí)，能將圖像、聲音進(jìn)行記錄，方便日后教學(xué)與研討。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

下面以達(dá)芬奇機(jī)器人手術(shù)室為例，介紹系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)基本上分為三個(gè)部分:手術(shù)室信號(hào)采集部分、信號(hào)的傳輸部分和會(huì)場(chǎng)信號(hào)切換、錄制及顯示部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2.1 手術(shù)室信號(hào)的采集 主要是將手術(shù)室內(nèi)有關(guān)的視頻信號(hào)進(jìn)行采集:機(jī)器人視頻系統(tǒng)輸出3D圖像SDI左右信號(hào)的采集，手術(shù)場(chǎng)景SDI信號(hào)的采集，無影燈攝像機(jī)、全景攝像機(jī)等標(biāo)清信號(hào)的采集，對(duì)講聲音的采集及會(huì)場(chǎng)聲音的再現(xiàn)等。攝像機(jī)、機(jī)器人系統(tǒng)的輸出為數(shù)字信號(hào)，其接口為SDI接口(如為DVI-D接口，可用DVI-SDI轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換)，其中機(jī)器人系統(tǒng)的3D圖像分成左右兩路輸出;無影燈攝像機(jī)、全景攝像機(jī)為原示教系統(tǒng)所配置，其輸出為標(biāo)清模擬復(fù)合信號(hào)。

2.2.2 信號(hào)的傳輸 主要將采集的電信號(hào)形式的視音頻轉(zhuǎn)化成光信號(hào)傳輸至?xí)h室，在會(huì)議室再將光信號(hào)還原成電信號(hào)，完成視音頻信號(hào)的傳輸。采集的視頻信號(hào)分為數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)，所以選擇的光發(fā)轉(zhuǎn)換器型號(hào)也不同。前者只傳輸一路SDI視頻信號(hào)，并不傳輸音頻數(shù)據(jù)，3D圖像的左右視頻信號(hào)分成兩路分別進(jìn)行傳輸，其采用單模1 310 nm波長的光作為載波，傳輸距離最遠(yuǎn)達(dá)20公里，中間并未添加光中繼器。后者可傳輸四路標(biāo)清的模擬信號(hào)和雙向音頻信號(hào)，正向的視音頻信號(hào)數(shù)據(jù)亦采用1 310nm波長的光作為載波，反向音頻數(shù)據(jù)采用850 nm波長的光作為載波，從而實(shí)現(xiàn)聲音的對(duì)傳。

2.2.3 會(huì)場(chǎng)信號(hào)的切換、錄制及顯示 傳輸至?xí)?chǎng)的每組3D信號(hào)分左右以SDI接口接入數(shù)字視音頻切換臺(tái)，每組視頻組成雙鏈路由數(shù)字視音頻切換臺(tái)完成左右圖像的時(shí)鐘同步并進(jìn)行3D信號(hào)的切換，然后輸出至3D顯示設(shè)備及錄制設(shè)備。3D信號(hào)一組輸入至3D投影機(jī)，其將輸入的左右兩路SDI信號(hào)交錯(cuò)投射到金屬幕布上，從而實(shí)現(xiàn)三維立體圖像的再現(xiàn);另一組3D信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換器合成為一路HDMI1.4信號(hào)［11］，輸入3D電視機(jī)顯示并輸入3D錄制設(shè)備(如圖4所示)。

圖4 3D信號(hào)分配圖

手術(shù)場(chǎng)景攝像機(jī)信號(hào)以SDI接口接入另一臺(tái)視音頻切換臺(tái)進(jìn)行切換，然后輸出至顯示設(shè)備及錄制設(shè)備。其他標(biāo)清信號(hào)連至原會(huì)議系統(tǒng)的AV矩陣進(jìn)行信號(hào)切換控制，切換到相應(yīng)的顯示設(shè)備。手術(shù)室聲音輸入會(huì)場(chǎng)調(diào)音臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一控制，會(huì)場(chǎng)的聲音亦傳輸至手術(shù)室和錄制系統(tǒng)。

由于圖像信號(hào)有三種，分別為雙路SDI組成的3D信號(hào)，單路SDI信號(hào)和模擬復(fù)合信號(hào)，所以信號(hào)的切換、顯示及錄制也分成了三部分。

3 應(yīng)用展望

3D手術(shù)示教系統(tǒng)轉(zhuǎn)播的手術(shù)視野圖像清晰，其縱深感突破了傳統(tǒng)二維圖像的局限，再現(xiàn)了術(shù)者的操作視野。當(dāng)觀眾看到與術(shù)者一樣的3D圖像時(shí)，術(shù)野內(nèi)的組織空間結(jié)構(gòu)即呈現(xiàn)在眼前，手術(shù)器械前后移動(dòng)，準(zhǔn)確的定位操作，增強(qiáng)了手術(shù)空間操作的立體感和手術(shù)觀摩的沉浸感，加深了對(duì)手術(shù)理念的理解。比如觀看心血管外科治療冠心病的手術(shù)，術(shù)者吻合血管時(shí)每一步靈活的、精細(xì)的動(dòng)作好像是由自己操作完成的一樣。

該系統(tǒng)擴(kuò)展了微創(chuàng)手術(shù)視野的顯示空間，使手術(shù)觀摩人數(shù)不再受手術(shù)室場(chǎng)地的限制，增加了實(shí)踐學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，增強(qiáng)了身臨其境的真實(shí)感覺。通過該系統(tǒng)可對(duì)進(jìn)修醫(yī)師、實(shí)習(xí)生等進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)操作技能的教學(xué);可就疑難手術(shù)進(jìn)行學(xué)術(shù)會(huì)議交流;對(duì)外科醫(yī)師或執(zhí)業(yè)醫(yī)師的微創(chuàng)手術(shù)操作進(jìn)行考核等［12］。它為微創(chuàng)手術(shù)的科研、教學(xué)提供了先進(jìn)的設(shè)施條件。

該系統(tǒng)已完成心血管外科機(jī)器人手術(shù)演示5臺(tái)次，并為已開展機(jī)器人微創(chuàng)手術(shù)的科室(如泌尿外科、肝膽外科、普通外科、腫瘤外科)舉辦國際國內(nèi)會(huì)議提供了技術(shù)保障，還可應(yīng)用于其他(如3D顯微鏡系統(tǒng))3D顯示的擴(kuò)展。該系統(tǒng)的應(yīng)用將極大地增強(qiáng)會(huì)場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)效果，促進(jìn)醫(yī)院的學(xué)術(shù)交流，提升醫(yī)院的品牌形象，使手術(shù)示教系統(tǒng)緊隨時(shí)代步伐邁入3D世界，為其開辟一片嶄新的發(fā)展空間。該系統(tǒng)不足之處是對(duì)偏振眼鏡的依賴，但隨著3D技術(shù)的不斷發(fā)展，終將摒棄眼鏡，實(shí)現(xiàn)裸眼3D的真實(shí)感受。

［1］姜濤，潘新華，譚珂，等.醫(yī)學(xué)臨床教育數(shù)字播出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù)，2011，25(6):635-637

［2］桂海軍，張?jiān)娎?，沈國?醫(yī)用外科機(jī)器人應(yīng)用和研究進(jìn)展［J］.組織工程與重建外科雜志，2011，7(1):55-59

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Design and application of the 3D operation teaching system based on optic fiber transm ission

Jiang Tao，Pan Xinhua，Tan Ke，Guo Tianquan
Educational Technology Center，General Hospital of the PLA，Beijing 100853

The paper first introduces the general technology，principles and transmission pathway of robots.Then it analyzes the key technology and system structure of Da Vinci Robot System，and designs a series of 3D operation teaching system by using 3D display technology and optic fiber transmission technology.

3D video;optic-fiber transmission;teaching system

G434

:A

:1004-5287(2012)04-0421-03

國家科技支撐計(jì)劃課題(2011BAH15B08);國家社會(huì)科學(xué)基金“十二五”規(guī)劃重點(diǎn)子課題(BCA110020-G200);全軍醫(yī)藥衛(wèi)生科研項(xiàng)目子課題(10MA025-FS006)

2012-05-15

姜濤(1980-)，男，河北保定人，技師，學(xué)士，主要研究方向:音視頻多媒體技術(shù)。