基于WHD I的無線視頻傳輸技術在手術轉播中的應用

黃天海，羅成，朱鋒杰，王志康

浙江大學醫學院附屬第二醫院 臨床

醫學工程部，浙江 杭州 310009

基于WHD I的無線視頻傳輸技術在手術轉播中的應用

黃天海，羅成，朱鋒杰，王志康

浙江大學醫學院附屬第二醫院 臨床

醫學工程部，浙江 杭州 310009

本文闡述采用內置WHDI技術的無線視頻轉換器，實現視頻無壓縮無線實時傳輸。將該技術運用到醫院高清手術轉播中，不僅可以滿足遠程示教的實時視頻傳輸要求，而且大大提高了傳輸效率，節省了手術室的空間。

視頻傳輸；無線傳輸技術；WHDI；手術轉播

0 前言

隨著計算機通訊技術的發展，無線圖像傳輸作為一個特殊使用方式也逐漸被廣大用戶看好。在醫療行業中，無線的發展也為醫療技術的進步提供了新的機遇[1-3]。通過無線網絡，醫療人員可以隨時隨地地獲得即時信息如病歷、化驗結果、醫囑、生命體征等，并實現數字化遠程視頻轉播。運用高清手術轉播示教系統（HD Surgery Broadcastteach System，HD-STS）進行形象直觀的手術示教，是醫學生接受臨床外科技能培養訓練的最佳途徑之一。高清手術轉播示教系統突破了手術室消毒隔離環境的局限，目前已被國內外專家廣泛應用于手術觀摩交流、遠程醫療教學[4-5]。

1 有線視頻傳輸存在的問題

現有的大部分視頻轉播都是采用有線傳輸，動態圖像由視頻信號源的輸出口，通過視頻傳輸電纜，如光纖、同軸纜線、DVI/HDMI信號線，傳輸到監視器再顯像。由此帶來的問題也顯而易見：

（1）有線視頻傳輸是從視頻信號源通過各種視頻線與顯示器、存儲設備、視頻編碼設備、視頻矩陣等設備直連，達到外接顯示、存儲、傳輸的目的。短距離傳輸會出現轉播現場設備擁擠、各種線夾雜的現象。而一般手術室，場地面積有限，多為40~60 m2的隔離凈化空間，在這個空間內，包含醫生、護士、技術員，有8~10人，各種手術用設備，如電刀、手術床、麻醉機、腔鏡吊塔等不少于10臺，視頻轉播時，交錯拖地的連線使整個空間看起來雜亂不齊，也給人員走動帶來不便和安全隱患。

（2）遠距離的視頻轉播，需要預先埋設線管，增加使用的成本，且降低了使用的靈活性。點對點的傳輸因為條件的限制，傳送和接收兩端地點已經固定，無法隨意更改傳輸路徑和傳輸場地。而遠距離的埋設管線更是受到空間結構、地理位置的限定，不一定所有場所都滿足埋線要求，線管布設的中間也存在很多不確定因素的影響，對后期的檢修和故障排查造成一定阻礙。

（3）現有的視頻傳輸信號線，如DVI/HDMI 線、VGA線、SDI線對傳輸距離都有一定要求，距離越遠，視頻干擾越大，信號衰減也越嚴重。在做遠程視頻轉播時，往往會因為遠距離傳輸的信號衰減而降低畫質，影響手術轉播效果。

2 無線視頻傳輸的概念

無線視頻傳輸是指不用布線，利用無線電波來傳輸視頻、聲音、數據等信號的傳輸技術。目前常用的有模擬微波視頻傳輸和數字微波視頻傳輸，或者用電信和移動的通訊網絡，如現在的3G、4G通訊[6-8]。

2.1 無線視頻傳輸的分類

無線視頻傳輸從傳輸原理可分為模擬微波傳輸和數字微波傳輸。模擬微波傳輸是把視頻信號直接調制在微波的信道上通過天線發射出去，接收端直接解調出原來的視頻信號，這種方式沒有延時和壓縮損耗。數字微波傳輸則是先把視頻編碼壓縮，然后通過數字微波信道調制，再通過天線發射，接收端則相反，天線接收信號，經后端視頻解壓縮最后還原模擬的視頻信號，此方式信道帶寬較小，抗干擾性較強[9]。

無線圖像傳輸系統從應用層面可分為：①固定點的圖像監控傳輸系統；②移動視頻圖像傳輸系統。固定點的無線圖像監控傳輸系統，主要應用在有線閉路監控不便實現的場合，比如港口碼頭的監控系統、河流水利的視頻和數據監控、森林防火監控系統、城市安全監控等[10]。而本文就是利用固定點的無線圖像傳輸實現醫療手術視頻的遠程傳輸。

2.2 無線視頻傳輸的優勢

無線視頻傳輸相對有線傳輸有如下優勢（表1）：①綜合成本低，性能更穩定。無須挖溝埋管，采用無線傳輸可以擺脫線纜的束縛，具有安裝周期短、維護方便、擴容能力強的優點；②組網靈活，可擴展性好，即插即用?？芍苯犹砑有碌膫鬏旤c，不需要鋪設新線路；③維護費用低。無線傳輸的維護由網絡提供商負責，前端設備是即插即用、免維護系統[11-12]。

表1 無線視頻傳輸與有線傳輸的比較

3 無線視頻傳輸在手術轉播中的應用

3.1 我院高清手術轉播系統簡介

我院現有腔鏡數字化手術室5間、心臟?？茢底只中g室2間、腦外科手術室6間。其中5間腔鏡數字化手術室，是由德國STORZ公司設計并建造。線路采用全光纖鋪設，從手術間內將腔鏡、術野、全景等視頻源傳輸到機柜，通過視頻矩陣和控制處理器再分散傳輸到各個會場，通過光端機轉換視頻信號，實現1080P全高清視頻傳輸。其他數字化手術室則為醫院自行改造，根據臨床實際需求，采用網絡視頻傳輸技術，將視頻源用編碼器轉換為網絡信號，在遠程會議端，用軟件解碼實現視頻傳輸，也可實現標清視頻和高清視頻的傳輸。這兩種遠程視頻傳輸系統都為有線傳輸，建造過程中需要預埋管線、光纖，不僅建造成本巨大，而且也大大增加了相應的施工和后期維護的難度。

3.2 高清視頻手術轉播設計方法

在準備高清手術遠程轉播時，需要完成兩部分內容：①手術室內醫用視頻的分屏顯示；②醫用視頻及語音遠距離傳輸到會場并實時顯示。實現該項功能可運用有線和無線兩種傳輸方法。

3.2.1 有線高清視頻傳輸

使用有線視頻傳輸，需要在手術間內放置移動轉播車，包括視頻采集設備、視頻分配器、視頻矩陣、光端機、編碼解碼器及大尺寸（55~60寸）顯示器。轉播的方法是先將需要轉播的視頻源（如腔鏡視頻、手術全景、病人生命體征等醫用信息）用視頻分配器分成多路信號，分別傳輸到手術內本地顯示器和遠程轉播設備，將視頻信號編碼后，用光纖或有線網絡編碼器傳輸到會場，再通過會場的光端機轉換成模擬信號輸入到外接顯示器，或是通過會場網絡解碼客戶端輸出視頻信號接入顯示器。手術轉播示意圖，見圖1。

圖1 手術轉播示意圖

3.2.2 基于WHDI的無線高清視頻傳輸

本文采用以色列芯片商Amimon提供的無線家庭數字接口（Wireless Home Digital Interface，WHDI）方案，使用5 GHz自由頻段中的40 MHz頻段，可支持高頻寬數位內容保護（HDCP）2.0標準，可提供優質的安全性及數位，并與HDMI完全相兼容[13-15]。它展現了傳輸速度快、響應時間短、穿透能力強的優勢。不同于60 GHz的WirelessHD技術僅能在10 m距離內傳輸（須透過波束Beam forming技術），WHDI傳輸距離可超過30 m，并可穿透障礙物及墻壁，且延遲時間少于1 ms，因而可實現跨房間的無壓縮1080P高清畫質無線影音串流應用[16]。

方案中，先將視頻信號接入到以WHDI為核心部件的無線發射器中，將視頻信號用電磁波的形式發送到無線接收器，再轉換成HDMI高清視頻信號接入到顯示器的視頻接口中。而超遠距離的傳輸（＞30 m），也可采用網絡編碼器，將模擬信號轉換成數字信號，通過無線網絡（可用公網或院內無線局域網）傳輸到會場解碼顯示。

3.2.3 實現無線視頻傳輸的優勢

無線視頻傳輸的應用，極大地改善了手術間內各種蜘蛛網式連線的雜亂環境并減少了拖在地上的視頻線絆人的安全隱患，更加符合手術風險控制和感控要求。尤其是針對暗線的埋設，因手術室層流設計的原因，手術間內四周及頂面相對封閉，有線傳輸在后期的維護和故障排除中相對困難，甚至需要破壞性的拆除才能完成維修工作，也為日后的升級改造增加了不小的難度。而無線傳輸，不需要預埋管線，只要監測發送端和接收端的連接情況，就能排查故障，運用更加方便。無線傳輸示意圖，見圖2。

圖2 無線傳輸示意圖

隨著醫學影像的發展，醫療診治對圖像質量的要求也越來越高，現在基本都實現了全高清醫學手術視頻，近年來3D腔鏡應用也在逐步開展。采用WHDI無線視頻傳輸器，全面支持1080P全高清圖像信號，實現無視頻壓縮高速傳輸，幾乎無傳輸延遲，且抗干擾性能良好，在日常手術開展中具有很好的優勢。

4 結束語

在嵌入式技術、數字視頻以及無線網絡高速發展的時代，無線視頻傳輸技術也日趨成熟。本文將無線視頻傳輸技術運用到醫院遠程視頻轉播和手術室高清腔鏡視頻分屏顯示中，解除了復雜布線的煩惱和降低手術換臺時連線插拔導致故障發生的概率，同時也讓醫護人員在狹小的手術空間內移動自由度更大，提高了手術效率[17-18]。從目前來看，WHDI技術還只處于發展的初級階段，接下來如能將該技術集成在設備內部，那么毫無疑問將給用戶帶來更大的便利。

[1]Hsu C,O rtega A,KhansariM.Rate control for robust video transmission over w ireless channels[J].Proc SPIE,1997：1200-1211.

[2]Stockhammer T,Hannuksela MM.H.264/Avc Video For W ireless Transmission[J].IEEE Wireless Communications,2005,12(4）：6-13.

[3]Jensen JB,Rodes R,Caballero A,et al.4 Gbps impulse radio (IR）ultra-w ideband (UWB）transm ission over 100 meters multi mode fiber w ith 4 meters w ireless transm ission[J].Opt Express, 2009,17(19）：16898-16903.

[4]趙惠康,楊愛華,劉博.我國高清手術轉播示教系統的現狀與發展趨勢[J].中國醫學教育技術,2013,27(2）：185-190.

[5]穆杰,劉玉華.醫院手術轉播的三種方式[J].中國數字醫學,2008, 3(4）：70-71.

[6]李雪梅.無線圖像傳輸技術及應用介紹[J].中國無線電,2006, (7）：12-14.

[7]薄奇.低功耗無線會議席位屏系統設計與實現[D].太原：太原理工大學,2012.

[8]史長生,支朝朋,杜洪良.4G通訊技術在遠程醫療中的應用[J].中國醫療設備,2014,29(7）：77-78.

[9]鞠巧慧.通信工程傳輸技術的應用[J].中國新通信,2012,14(11）：53-54.

[10]Van Dyck RE,M iller DJ.Transport of w ireless video using separate, concatenated, and joint source-channel coding[J]. Proceedings of the IEEE,1999,87(10）：1734-1750.

[11]Sam ia Shimu,Khan A W ahid,Dinh A.W ireless transm ission of HD video using H.264 compression over UWB channel[J]. Journal of Real-Time Image Processing,2012,7(4）：233-246.

[12]Van Veen BD,Buckley KM.Beam form ing：a versatile approach to spatial filtering[J].IEEE Assp Magazine,1988,5(2）：4-24.

[13]Arar Y.W iDi transfers content from laptops to HDTVs[J].Pc World,2011.

[14]Zong W,Xi-zhong L.W ireless high definition TV system based on WHDI technique[J].Video Engineering,2009.

[15]G KR,Zulfi TA,Khare K.WHDI vs W ireless HD：5 GHz based w ireless HDM I its im pacts and challenges[J].International Journal of Computer Applications,2013.

[16]Siligaris A,R ichard O,Martineau B,et al.A 65-Nm Cmos Fully Integrated Transceiver M odule For 60-Ghz W ireless Hd Applications[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,2011,46(12）：3005-3017.

[17]嚴丹.無線高清視頻傳輸技術在智能家庭中的應用與展望[J].視聽界：廣播電視技術,2011,(2）：14-16.

[18]吳愛軍.用于智能交通管理的無線視頻監控系統的研究[D].長沙：中南大學,2010.

App lication of W ireless Transm ission Technology Based on WHDI in Operation Rebroadcasting

HUANG Tian-hai, LUO-Cheng, ZHU Feng-Jie, WANG Zhi-kang
Departm en t o f C linica l M ed ical Engineering, The Second Hospital A f fi liated to Zhejiang University School o f M ed icine, Hangzhou Zhejiang 310009, China

A w ireless video converter w ith built-in WHDI (Wireless Home Digital Interface）technology was deployed in this paper, which could realize the w ireless real-time transm ission of uncompressed video. Application of this technique to the high-definition rebroadcasting of operation videos in the hospital could not only make hospital satisfy the requirement of real-time video transm ission, but also greatly improved the transmission ef fi ciency and saved the space of the operation room.

video transmission；w ireless transm ission technology；w ireless home digital interface；operation rebroadcasting

R197.324

C

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.09.049

1674-1633(2015）09-0151-03

2015-05-22

2015-07-07

作者郵箱：hth513@163.com