李昊航，傅洪，袁明勇

蘇州麥迪斯頓醫(yī)療科技股份有限公司，江蘇 蘇州 215021

數(shù)字化手術(shù)室的3D應(yīng)用設(shè)計(jì)

李昊航，傅洪，袁明勇

蘇州麥迪斯頓醫(yī)療科技股份有限公司，江蘇 蘇州 215021

目的利用數(shù)字化3D視頻技術(shù)，提升手術(shù)室示教功能，進(jìn)一步完善數(shù)字化手術(shù)室解決方案。方法針對3D視頻信據(jù)量大和受網(wǎng)絡(luò)帶寬限制的問題，本方案采用左右格式的3D視頻技術(shù)，保證系統(tǒng)的兼容性和擴(kuò)展性；采用雙投影機(jī)、提升帶寬和有效壓縮傳輸算法解決亮度損失及傳輸速度問題。結(jié)果實(shí)現(xiàn)了手術(shù)室3D視頻信號集中采集并傳輸?shù)綍h室展現(xiàn)；中心機(jī)房作為數(shù)字化手術(shù)室的管理單元，存儲3D影像資料，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了與醫(yī)院其他信息系統(tǒng)的集成。結(jié)論3D視頻技術(shù)在數(shù)字化手術(shù)室建設(shè)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值，隨著高清3D醫(yī)療設(shè)備的廣泛應(yīng)用，未來3D視頻技術(shù)將有更廣闊的發(fā)展空間。

3D技術(shù)；數(shù)字化手術(shù)室；腔鏡手術(shù)器械；醫(yī)院信息系統(tǒng)

0 引言

數(shù)字化手術(shù)室目前已經(jīng)在很多醫(yī)院得到實(shí)際應(yīng)用并且效果良好，其最主要的一個(gè)功能即實(shí)現(xiàn)手術(shù)醫(yī)療設(shè)備的集成，能夠進(jìn)行手術(shù)醫(yī)療設(shè)備影像的采集、傳輸、記錄和共享[1]。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前3D技術(shù)已經(jīng)越來越多的被運(yùn)用在醫(yī)療行業(yè)中，如3D腔鏡、3D顯微鏡、達(dá)芬奇機(jī)器人等醫(yī)療設(shè)備在手術(shù)室得到廣泛應(yīng)用，手術(shù)室已經(jīng)跨入了3D醫(yī)療時(shí)代[2-3]。特別在微創(chuàng)手術(shù)中，由于傳統(tǒng)腔鏡手術(shù)器械在操作時(shí)缺乏空間感，無形中加大了手術(shù)難度，應(yīng)用3D技術(shù)可以給醫(yī)生提供三維立體感知，使得更精準(zhǔn)的手術(shù)操作成為可能，提高了手術(shù)安全性[4]。

3D技術(shù)的應(yīng)用，在給醫(yī)生帶來極大便捷的同時(shí)，也對數(shù)字化手術(shù)室系統(tǒng)應(yīng)用提出了更高的挑戰(zhàn)。如何提供更加完善的數(shù)字化手術(shù)室設(shè)計(jì)方案，解決傳統(tǒng)手術(shù)示教的功能不足問題，是本文重點(diǎn)討論的問題。

1 數(shù)字化手術(shù)室基礎(chǔ)知識和關(guān)鍵技術(shù)

1.1 數(shù)字化手術(shù)室3D格式選擇

立體感是人眼視覺的重要功能之一，正常人雙眼平均瞳距約為65 mm，當(dāng)眼睛看著前方的任何一件物品，兩只眼睛形成雙眼視差，這個(gè)細(xì)小的角度差距經(jīng)過神經(jīng)傳送到大腦，大腦就可以產(chǎn)生遠(yuǎn)近深度的立體感[5-7]。利用這個(gè)原理，將略有差異的二維圖像分別成像給左右眼，從而使人產(chǎn)生畫面的立體感[8]。

目前3D立體格式主要有紅藍(lán)格式、交錯(cuò)格式、上下格式、左右格式，具體區(qū)別見表1[9-11]。

表1 3D立體格式的性質(zhì)及適用范圍

光是一種電磁波，是由與傳播方向垂直的電場和磁場交替轉(zhuǎn)換的振動形成的[12-13]。自然光的震動方向是雜亂無章的，各個(gè)方向均有。利用光的特性，可以使用偏振片將通過它的自然光只沿著偏振片的偏振方向振動[14]。

考慮到手術(shù)部位對色彩還原度要求較高，不宜采用分色法，但分時(shí)法需要佩戴主動式3D眼鏡，若在手術(shù)關(guān)鍵時(shí)刻斷電容易發(fā)生意外，并且維護(hù)起來較為麻煩[15]。由于手術(shù)室內(nèi)3D醫(yī)療設(shè)備一般采用稍有視差的兩個(gè)攝像頭進(jìn)行拍攝，與人眼的觀看方式相似，因此系統(tǒng)采用左右格式，并在這種格式上轉(zhuǎn)換成其他所有立體格式，保證系統(tǒng)的兼容性和擴(kuò)展性。

1.2 傳統(tǒng)3D技術(shù)需要解決的問題

1.2.1 亮度損失問題

亮度是指從一個(gè)物體表面以一個(gè)指定的角度反射的光線。亮度損失來源于系統(tǒng)的方方面面，如投影燈功率、屏幕增益等的影響。無論何種3D系統(tǒng)，其特征都會吸收大量的光，要產(chǎn)生雙眼分離的圖像就必然造成亮度損失，每只眼鏡都只看到屏幕反射的一半光線，導(dǎo)致至少50%的亮度縮減。本設(shè)計(jì)對應(yīng)的解決辦法是采用雙機(jī)投影系統(tǒng)，并提高亮度增益。

1.2.2 信號編解碼及傳輸問題

數(shù)字化手術(shù)室系統(tǒng)需要有可靠的靈活性和實(shí)時(shí)性，因此視頻信號的傳輸需要采用基于Internet的實(shí)時(shí)信號傳輸。由于網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制和3D視頻信號的大數(shù)據(jù)量，本設(shè)計(jì)對應(yīng)的解決方法是提升物理帶寬和有效的數(shù)據(jù)壓縮傳輸算法。

2 手術(shù)室系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)建設(shè)目的是提高手術(shù)效率和教學(xué)質(zhì)量，解決3D手術(shù)環(huán)境下手術(shù)示教及多媒體存儲的需求，以期實(shí)現(xiàn)更加完善的數(shù)字化手術(shù)室系統(tǒng)。

系統(tǒng)建設(shè)主要分為手術(shù)室、會議室和中心機(jī)房（圖1）。手術(shù)室將3D視頻信號集中采集展現(xiàn)，并傳輸?shù)綍h室展現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)3D手術(shù)轉(zhuǎn)播；中心機(jī)房作為數(shù)字化手術(shù)室的管理單元，是手術(shù)室和會議室的橋梁，它不僅可存儲3D影像資料，同時(shí)可以無縫集成醫(yī)院信息系統(tǒng)（HIS）、醫(yī)學(xué)影像存儲與通訊系統(tǒng)（PACS）、實(shí)驗(yàn)室信息系統(tǒng)（LIS）、電子病歷（EMR）系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)多元化、立體化的信息共享和融合。

圖 1 數(shù)字化手術(shù)室的3D視頻技術(shù)系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 手術(shù)室場景設(shè)計(jì)

與普通數(shù)字化手術(shù)室類似，手術(shù)室內(nèi)配置1套高清攝像系統(tǒng)，1套3D顯示系統(tǒng)。其中高清攝像系統(tǒng)包含2臺攝像機(jī)，微創(chuàng)醫(yī)療設(shè)備，其中1臺全高清醫(yī)用攝像機(jī)安裝在手術(shù)室無影燈吊臂上拍攝外科醫(yī)生手術(shù)操作圖像，與無影燈形成同軸三臂狀態(tài)；另一臺攝像機(jī)是全景攝像頭，吸頂安裝于手術(shù)室一側(cè)角落，用于觀察手術(shù)室整體情況。微創(chuàng)醫(yī)療設(shè)備一般指3D內(nèi)窺鏡、顯微鏡等。內(nèi)窺鏡和顯微鏡的高清視頻畫面由2個(gè)攝像頭獲取后，通過DVI或HDMI接口輸出，由數(shù)字化手術(shù)室內(nèi)高清一體化手術(shù)控制終端采集處理。3套攝像系統(tǒng)配合工作完成手術(shù)室內(nèi)的視頻采集工作。

3D顯示系統(tǒng)由2塊3D醫(yī)用術(shù)野顯示屏、多功能顯示屏和醫(yī)用觸摸屏組成。其中1塊3D術(shù)野顯示屏吊頂安裝于手術(shù)床兩側(cè)，另外一塊安裝于手術(shù)床一側(cè)墻壁上，使佩戴3D偏光眼鏡的醫(yī)護(hù)人員在手術(shù)室任何地方，都可方便觀察手術(shù)部位；多功能顯示屏用于展示術(shù)中遠(yuǎn)程場景、患者電子病歷、監(jiān)護(hù)儀信號等；醫(yī)用觸摸屏可控制手術(shù)室內(nèi)所有視頻信號及攝像系統(tǒng)。3D手術(shù)室場景圖，見圖2。

圖2 3D手術(shù)室場景圖

2.2 會議室設(shè)計(jì)

為避免示教時(shí)的亮度損失，會議室利用兩部高清投影機(jī)組成被動投影系統(tǒng)，分別顯示左右格式的信號，觀眾佩戴偏振式3D眼鏡，用不同偏振態(tài)的鏡片分別過濾掉其中一幅圖像就可以實(shí)現(xiàn)立體圖像。視頻會議室設(shè)計(jì)示意圖，見圖3。

圖3 3D視頻會議室設(shè)計(jì)示意圖

雙機(jī)放映可以極大的彌補(bǔ)單機(jī)3D畫面兩端不足，得到更高圖像質(zhì)量的同時(shí)，保證畫面更加平滑流暢，避免了屏幕亮點(diǎn)或光反射不均勻，消除單機(jī)3D系統(tǒng)放映的長時(shí)間觀看帶來的視覺疲勞和眩暈感。并且系統(tǒng)在傳輸中一直保持1080 P格式的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了圖像質(zhì)量還原的高保真度。

2.3 信號編解碼及傳輸設(shè)計(jì)

手術(shù)室內(nèi)采用光纖進(jìn)行3D視頻信號的傳輸，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)，在提升帶寬、保證傳輸速度的同時(shí)，有效地避免了手術(shù)過程中如電刀設(shè)備等對視頻信號的干擾。

考慮到網(wǎng)絡(luò)中存在的延遲和多用戶訪問問題，并保證視頻系統(tǒng)的可靠還原性，系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)TCP通信協(xié)議，基于H.264/AVC編碼標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)相應(yīng)的信源信道聯(lián)合編碼算法，根據(jù)信道的特性設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)和編碼器的接口，通過跟蹤信道狀態(tài)的變化來調(diào)整編碼器的參數(shù)。信號編碼及傳輸示意圖，見圖3。

圖4 信號編碼及傳輸示意圖

3 總結(jié)與展望

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，醫(yī)療領(lǐng)域的3D視頻技術(shù)應(yīng)用重新定義了數(shù)字化手術(shù)室的高質(zhì)量畫面展現(xiàn)，為臨床手術(shù)提供了更具科技含量的數(shù)字化手術(shù)室系統(tǒng)解決方案。本文通過大量的實(shí)踐和論證，為實(shí)現(xiàn)并完善3D視頻技術(shù)在數(shù)字化手術(shù)室的及時(shí)傳輸、展示功能，優(yōu)化采用了左右格式的3D視頻技術(shù)；增加3D投影機(jī)數(shù)量和提高增益亮度；有效提升網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬；有效視頻壓縮傳輸數(shù)據(jù)，從而確保3D視頻技術(shù)在數(shù)字化手術(shù)室的落地。

雖然目前醫(yī)護(hù)人員還需佩戴3D眼鏡才能觀看3D視頻，但隨著3D技術(shù)的發(fā)展，裸眼3D、全息影像的技術(shù)應(yīng)用也必將走入手術(shù)室，為臨床手術(shù)的發(fā)展注入新的動力。因此未來3D視頻技術(shù)必在醫(yī)療教育和診斷上發(fā)揮更大的作用，也將體現(xiàn)出巨大的經(jīng)濟(jì)和社會價(jià)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

國家863計(jì)劃項(xiàng)目（2012AA02A606）。

本文作者：李昊航，工程師，數(shù)字醫(yī)療研究方向。

作者郵箱：44502163@qq.com