潘智堅

（中山廣播電視臺 廣東省中山市 528405）

1 前言

4K超高清技術(shù)在電影、電視領(lǐng)域的應(yīng)用已廣為人知，但是，在其他行業(yè)的應(yīng)用仍有相當大的挖掘空間，譬如醫(yī)療領(lǐng)域。當年在索尼高清學院觀看到的4K超高清拍攝的心臟外科手術(shù)畫面相當震撼。由此產(chǎn)生了將4K超高清技術(shù)應(yīng)用在醫(yī)學領(lǐng)域的念頭。正所謂隔行如隔山，跨的界有點寬，一直找不到北。在一次跟醫(yī)院的同學聊天過程中發(fā)現(xiàn)，其實醫(yī)院對于如何應(yīng)用先進的影像技術(shù)進行外科手術(shù)過程的醫(yī)療教學也是一直沒有找到好的方法。由此，兩位同學一拍即合，決定來一次廣電+醫(yī)學的強強聯(lián)合。

2 技術(shù)方案

平生第一次進入醫(yī)院的手術(shù)室內(nèi)，發(fā)現(xiàn)有各種各樣的醫(yī)療器械，如內(nèi)窺鏡、顯微鏡、無影燈等一摞醫(yī)療器械。經(jīng)了解，醫(yī)院的手術(shù)室一直渴望可以將外科手術(shù)的過程進行直播，可以為實習醫(yī)生培訓(xùn)、特別是邊遠地區(qū)醫(yī)生的學習培訓(xùn)提供便利。其實手術(shù)室內(nèi)已鋪設(shè)了千兆網(wǎng)，但是醫(yī)院過去經(jīng)過多次的嘗試均沒能成功，或者說直播圖像比較模糊、效果比較糟糕。在掌握了基本情況后，我們應(yīng)用廣電行業(yè)的技術(shù)為醫(yī)院設(shè)計外科手術(shù)室直播系統(tǒng)。技術(shù)系統(tǒng)由四部分構(gòu)成：

信號采集、編碼，網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，終端顯示，通話指揮系統(tǒng)。

2.1 信號采集、編碼

手術(shù)室內(nèi)的信號源主要來自內(nèi)窺鏡、顯微鏡、超高清攝像機等。通過實地勘察，手術(shù)室內(nèi)的醫(yī)療影像設(shè)備均帶有HD-SDI或HDMI接口。本次，我們?yōu)槭中g(shù)室配備的超高清攝像機帶有12G或HDMI2.0接口，可以輸出4K超高清視頻信號。我們本次為手術(shù)室選用的超高清攝像機帶有控制云臺及接口，可實現(xiàn)遠程的推、拉等動作，攝像機是專為手術(shù)室而設(shè)計，在無影燈高亮度條件可清晰地拍攝到手術(shù)的過程。本次的系統(tǒng)設(shè)計，第一是要求畫面必須清晰穩(wěn)定；第二是必須低延時，讓遠端的醫(yī)生學員或者專家能及時收看和指導(dǎo)現(xiàn)場的手術(shù)；第三是能實現(xiàn)遠端與手術(shù)室的即時通話。因此，我們的系統(tǒng)方案是選用一款專業(yè)的醫(yī)野4K攝像機（見圖1）、廣播級的超低延時編碼器完成信號采集。本次選用的醫(yī)野4K攝像機由于采用大尺CMOS傳感器和非球面鏡，具有低噪點的細膩畫質(zhì)。同時，具有變焦控制功能，醫(yī)生助理可采用特寫拍攝手術(shù)過程中復(fù)雜的畫面。4K超高清分辨率，能夠為外科醫(yī)生和臨床工作人精準地還原拍攝細節(jié)。1.0英寸大尺寸傳感器，光通量要遠遠超過傳統(tǒng)攝像機，從而拍攝出噪點極低，細節(jié)豐富的高品質(zhì)圖像；同時，搭載的圖像處理裝置可忠實還原拍攝物體的紋理和細節(jié)，圖像噪點低；配備超薄高級非球面鏡片（AA鏡）大孔徑4K鏡頭，即使在畫面邊緣也能維持原有分辨率；具有自動曝光補償功能，在難以調(diào)整曝光的無影燈環(huán)境也能準確地完成拍攝；另外，還配備天花板吊臂或落地吊臂，便于安裝。

圖1：Sony MCC-S40MD4K吊臂安裝視頻攝像機

本方案選用的編碼器（見圖2）單臺支持完成1路4K信號（3840*2160 60p的12G或4*3G）或4路高清信號(1920*1080 60p 4:2:2 10bit)的編碼，編碼方式支持HEVC（H.265）、H.264，并支持配置為恒定碼率模式和可變碼率模式；恒定碼率可在穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境傳輸高質(zhì)量的視音頻信號，有利提升遠程醫(yī)療直播質(zhì)量，比如醫(yī)院內(nèi)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，第三方電信公司的專線或OTN網(wǎng)絡(luò)等；可變碼率應(yīng)對復(fù)雜的公網(wǎng)環(huán)境，可以將高質(zhì)量的視音頻通過公網(wǎng)傳輸并保證信號的穩(wěn)定性。編碼輸出滿足目前大多數(shù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議：SRT/UDP/RTP/RTSP/RTMP；編解碼過程采用高效率低延時芯片解決方案，最低延時可控制在70ms以內(nèi)；低延時的技術(shù)手段是對遠程信號直播的極大推動，特別是針對實時性要求很高的外科手術(shù)直播，可以廣泛應(yīng)用于廣播電視、遠程醫(yī)療、遠程教育、應(yīng)急指揮等領(lǐng)域。

圖2：編碼器

如圖3所示，我們同時將攝像機、內(nèi)窺鏡、顯微鏡等4路HDSDI信號輸入送入編碼器，通過H.264或者H.265方式完成對視頻信號的編碼壓縮，壓縮碼率在高清狀態(tài)下采用8M，4K狀態(tài)下采用48M，輸出為IP碼流信號，畫面清晰穩(wěn)定；按照這個碼率，高清信號完全可以采用公網(wǎng)或5G網(wǎng)絡(luò)傳輸，4K信號也可以嘗試采用5G網(wǎng)絡(luò)傳輸，這次由于條件限制，未測試5G傳輸效果。本次我們選用的攝像機帶以太網(wǎng)控制接口，手術(shù)室內(nèi)的助理或遠端的專家可調(diào)整攝像機的畫面?？紤]到手術(shù)室內(nèi)的醫(yī)生還需要跟場外的專家進行溝通，或者跟受訓(xùn)的醫(yī)生進行教學講解，因此，我們在手術(shù)室內(nèi)配置了IP雙向內(nèi)部通話系統(tǒng)、外放設(shè)備等。為不妨礙醫(yī)生手術(shù)過程的操作，我們采用藍牙通訊技術(shù)，將醫(yī)生的麥克風與IP雙向內(nèi)部通話系統(tǒng)連接。編碼器打包后的IP碼流信號和雙向通話信號，在交換機匯聚后，通過手術(shù)室內(nèi)的千兆網(wǎng)送達醫(yī)院內(nèi)部的多媒體中心機房或其他終端設(shè)備。

圖3：終端顯示設(shè)備

2.2 網(wǎng)絡(luò)發(fā)布

本方案的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布可以有兩種模式：模式一 編碼器直接推流。編碼器背后設(shè)有2個千兆以太網(wǎng)接口，1個用于推流，1個用于網(wǎng)管，通過網(wǎng)管進行推流地址設(shè)定等操作。由編碼器直接將接入的4路HD-SDI信號推4路IP信號到醫(yī)院內(nèi)網(wǎng)指定接收設(shè)備，接收端通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)收看手術(shù)過程，這是一種點對點的方式，欠缺靈活性。模式二 由醫(yī)院媒體中心的多媒體服務(wù)器對編碼器進行拉流，再由媒體服務(wù)器進行發(fā)布。這樣的方式比較靈活，不用固定收看場所，只要有網(wǎng)絡(luò)就能收看，而且可以多終端收看，在內(nèi)網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)上均收看。

2.3 終端顯示

終端顯示設(shè)備如圖3所示，包含了解碼器、畫面分割器、顯示屏、硬盤記錄設(shè)備等。解碼器與編碼器匹配，是一個反過程，將接收到的IP信號解碼成HD-SDI信號，最多可以輸出4路HD-SDI信號。考慮到醫(yī)院一般沒有帶HD-SDI專業(yè)接口顯示器，所以，方案中增加了高清畫面分割器，將多路高清視頻信號合成一路HDMI信號，送普通高清或超高清電視機觀看，一臺電視機可以同時收看手術(shù)室的多路信號，這樣大大節(jié)約了成本。

通過實際的測試，視頻信號從手術(shù)室至顯示終端，總的延時約1秒鐘左右，實現(xiàn)較低的延時量，超出院方的預(yù)期。

硬盤記錄設(shè)備完成對手術(shù)整個過程的視音頻的錄像保存功能，保存后的錄像支持回放，為醫(yī)療教學提供參考素材。

2.4 通話指揮系統(tǒng)

通話系統(tǒng)采用廣電行業(yè)慣常使用的IP內(nèi)部通話系統(tǒng)。IP內(nèi)部通話系統(tǒng)使用起來比較方便，只要ping通雙方的IP地址，手術(shù)室與手術(shù)觀摩室的專家、醫(yī)生就可以進行通話討論、提問。這里有個關(guān)鍵性問題就是通話和視音頻系統(tǒng)是各自獨立的IP系統(tǒng)，是通過交換機匯聚后再于兩端或多端的終端聯(lián)通，此時如果需要手術(shù)室與手術(shù)觀摩室的專家、醫(yī)生進行通話討論、提問，對系統(tǒng)的實時性，延時一致性要求很高，這里我們要求音頻的延時時間和通話延時時間基本一致才能達到要求；通過實際測量，IP內(nèi)部通話系統(tǒng)延時量約為100ms左右，配合視音頻編碼器的70ms左右的延時，使得通話系統(tǒng)和視音頻系統(tǒng)基本同步且貼近實時，應(yīng)答響應(yīng)完全滿足要求。

在手術(shù)室內(nèi)，醫(yī)生采用藍牙耳麥跟IP內(nèi)部通話主站相連，同時還設(shè)有監(jiān)聽喇叭，聆聽手術(shù)觀摩室的專家、醫(yī)生的提問。這里需說明一點，手術(shù)室內(nèi)的多路視頻信號與內(nèi)部通話信號是相互獨立的，各自分開傳送，通話聲音并沒有嵌入到視頻信號中打包傳送。如嵌入傳送，一方面增加成本，因為需在手術(shù)室和手術(shù)觀摩室增加加、解嵌設(shè)備，而且系統(tǒng)變得復(fù)雜。另一方面，醫(yī)院幾乎沒有這方面的日常維護人員，一旦發(fā)生一丁點兒故障必然影響整套系統(tǒng)的使用。所以，從實際出發(fā)，系統(tǒng)越簡易就越牢靠。在手術(shù)室內(nèi)，我們將所有的編碼、IP內(nèi)部通話、交換機等設(shè)備整合到一個小型飛行箱，醫(yī)院只需要通電、連接信號線就好。在手術(shù)觀摩室，同樣將解碼器、高清畫面分割器、IP內(nèi)部通話系統(tǒng)整合在飛行箱內(nèi)，只需簡單的通電、連接信號線就可以使用。

3 未來展望

早早就有5G+醫(yī)療手術(shù)直播或遠程手術(shù)的相關(guān)報導(dǎo)，但目前5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋密度、超高清信號的穩(wěn)定可靠上行傳送仍有待加強。但我們相信，隨著5G網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，外科手術(shù)直播系統(tǒng)布網(wǎng)將會越來越便捷。小型4K超高清攝像機已推出網(wǎng)絡(luò)推流功能，相信廠家不久會根據(jù)用家的使用需求為醫(yī)野攝像機增加推流功能選件。這樣，就會大大方便了手術(shù)直播，為經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)的醫(yī)生提供了良好的培訓(xùn)手段，為醫(yī)生之間的相互交流、學習提升搭建便捷平臺，讓邊緣地區(qū)的病患能獲得遠在千里之外專家的悉心指導(dǎo)，提升了當?shù)氐尼t(yī)療水平，提高了人民的幸福獲得感。人民對美好生活的新需求，就是我們的奮斗目標，讓我們共同努力，為智能醫(yī)療系統(tǒng)的建設(shè)添磚加瓦！