數字化手術室的3D應用設計

李昊航，傅洪，袁明勇

蘇州麥迪斯頓醫療科技股份有限公司，江蘇 蘇州 215021

數字化手術室的3D應用設計

李昊航，傅洪，袁明勇

蘇州麥迪斯頓醫療科技股份有限公司，江蘇 蘇州 215021

目的利用數字化3D視頻技術，提升手術室示教功能，進一步完善數字化手術室解決方案。方法針對3D視頻信據量大和受網絡帶寬限制的問題，本方案采用左右格式的3D視頻技術，保證系統的兼容性和擴展性；采用雙投影機、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。結果實現了手術室3D視頻信號集中采集并傳輸到會議室展現；中心機房作為數字化手術室的管理單元，存儲3D影像資料，同時實現了與醫院其他信息系統的集成。結論3D視頻技術在數字化手術室建設中具有重要的應用價值，隨著高清3D醫療設備的廣泛應用，未來3D視頻技術將有更廣闊的發展空間。

3D技術；數字化手術室；腔鏡手術器械；醫院信息系統

0 引言

數字化手術室目前已經在很多醫院得到實際應用并且效果良好，其最主要的一個功能即實現手術醫療設備的集成，能夠進行手術醫療設備影像的采集、傳輸、記錄和共享[1]。

隨著科學技術的發展，目前3D技術已經越來越多的被運用在醫療行業中，如3D腔鏡、3D顯微鏡、達芬奇機器人等醫療設備在手術室得到廣泛應用，手術室已經跨入了3D醫療時代[2-3]。特別在微創手術中，由于傳統腔鏡手術器械在操作時缺乏空間感，無形中加大了手術難度，應用3D技術可以給醫生提供三維立體感知，使得更精準的手術操作成為可能，提高了手術安全性[4]。

3D技術的應用，在給醫生帶來極大便捷的同時，也對數字化手術室系統應用提出了更高的挑戰。如何提供更加完善的數字化手術室設計方案，解決傳統手術示教的功能不足問題，是本文重點討論的問題。

1 數字化手術室基礎知識和關鍵技術

1.1 數字化手術室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，這個細小的角度差距經過神經傳送到大腦，大腦就可以產生遠近深度的立體感[5-7]。利用這個原理，將略有差異的二維圖像分別成像給左右眼，從而使人產生畫面的立體感[8]。

目前3D立體格式主要有紅藍格式、交錯格式、上下格式、左右格式，具體區別見表1[9-11]。

表1 3D立體格式的性質及適用范圍

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]。

考慮到手術部位對色彩還原度要求較高，不宜采用分色法，但分時法需要佩戴主動式3D眼鏡，若在手術關鍵時刻斷電容易發生意外，并且維護起來較為麻煩[15]。由于手術室內3D醫療設備一般采用稍有視差的兩個攝像頭進行拍攝，與人眼的觀看方式相似，因此系統采用左右格式，并在這種格式上轉換成其他所有立體格式，保證系統的兼容性和擴展性。

1.2 傳統3D技術需要解決的問題

1.2.1 亮度損失問題

亮度是指從一個物體表面以一個指定的角度反射的光線。亮度損失來源于系統的方方面面，如投影燈功率、屏幕增益等的影響。無論何種3D系統，其特征都會吸收大量的光，要產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，導致至少50%的亮度縮減。本設計對應的解決辦法是采用雙機投影系統，并提高亮度增益。

1.2.2 信號編解碼及傳輸問題

數字化手術室系統需要有可靠的靈活性和實時性，因此視頻信號的傳輸需要采用基于Internet的實時信號傳輸。由于網絡帶寬的限制和3D視頻信號的大數據量，本設計對應的解決方法是提升物理帶寬和有效的數據壓縮傳輸算法。

2 手術室系統的實現

系統建設目的是提高手術效率和教學質量，解決3D手術環境下手術示教及多媒體存儲的需求，以期實現更加完善的數字化手術室系統。

系統建設主要分為手術室、會議室和中心機房（圖1）。手術室將3D視頻信號集中采集展現，并傳輸到會議室展現，實現3D手術轉播；中心機房作為數字化手術室的管理單元，是手術室和會議室的橋梁，它不僅可存儲3D影像資料，同時可以無縫集成醫院信息系統（HIS）、醫學影像存儲與通訊系統（PACS）、實驗室信息系統（LIS）、電子病歷（EMR）系統等，實現多元化、立體化的信息共享和融合。

圖 1 數字化手術室的3D視頻技術系統架構

2.1 手術室場景設計

與普通數字化手術室類似，手術室內配置1套高清攝像系統，1套3D顯示系統。其中高清攝像系統包含2臺攝像機，微創醫療設備，其中1臺全高清醫用攝像機安裝在手術室無影燈吊臂上拍攝外科醫生手術操作圖像，與無影燈形成同軸三臂狀態；另一臺攝像機是全景攝像頭，吸頂安裝于手術室一側角落，用于觀察手術室整體情況。微創醫療設備一般指3D內窺鏡、顯微鏡等。內窺鏡和顯微鏡的高清視頻畫面由2個攝像頭獲取后，通過DVI或HDMI接口輸出，由數字化手術室內高清一體化手術控制終端采集處理。3套攝像系統配合工作完成手術室內的視頻采集工作。

3D顯示系統由2塊3D醫用術野顯示屏、多功能顯示屏和醫用觸摸屏組成。其中1塊3D術野顯示屏吊頂安裝于手術床兩側，另外一塊安裝于手術床一側墻壁上，使佩戴3D偏光眼鏡的醫護人員在手術室任何地方，都可方便觀察手術部位；多功能顯示屏用于展示術中遠程場景、患者電子病歷、監護儀信號等；醫用觸摸屏可控制手術室內所有視頻信號及攝像系統。3D手術室場景圖，見圖2。

圖2 3D手術室場景圖

2.2 會議室設計

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

圖3 3D視頻會議室設計示意圖

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

2.3 信號編解碼及傳輸設計

手術室內采用光纖進行3D視頻信號的傳輸，光纖傳輸系統由光發送、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、傳輸距離遠等特點，在提升帶寬、保證傳輸速度的同時，有效地避免了手術過程中如電刀設備等對視頻信號的干擾。

考慮到網絡中存在的延遲和多用戶訪問問題，并保證視頻系統的可靠還原性，系統采用標準TCP通信協議，基于H.264/AVC編碼標準設計相應的信源信道聯合編碼算法，根據信道的特性設計網絡和編碼器的接口，通過跟蹤信道狀態的變化來調整編碼器的參數。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 總結與展望

隨著科學技術的不斷發展，醫療領域的3D視頻技術應用重新定義了數字化手術室的高質量畫面展現，為臨床手術提供了更具科技含量的數字化手術室系統解決方案。本文通過大量的實踐和論證，為實現并完善3D視頻技術在數字化手術室的及時傳輸、展示功能，優化采用了左右格式的3D視頻技術；增加3D投影機數量和提高增益亮度；有效提升網絡傳輸帶寬；有效視頻壓縮傳輸數據，從而確保3D視頻技術在數字化手術室的落地。

雖然目前醫護人員還需佩戴3D眼鏡才能觀看3D視頻，但隨著3D技術的發展，裸眼3D、全息影像的技術應用也必將走入手術室，為臨床手術的發展注入新的動力。因此未來3D視頻技術必在醫療教育和診斷上發揮更大的作用，也將體現出巨大的經濟和社會價值。

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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計劃項目（2012AA02A606）。

本文作者：李昊航，工程師，數字醫療研究方向。

作者郵箱：44502163@qq.com