視頻拼接系統與我院手術示教系統的結合應用

王曼，李濤

北京積水潭醫院 信息中心，北京 100035

引言

北京積水潭醫院是一家以骨科和燒傷科為重點的三級甲等綜合醫院，醫院每年接收來自全國各地的骨科進修大夫600余人次，還需完成數百名碩士、博士研究生及本科生的臨床教學任務。手術示教是廣大實習人員獲得外科手術經驗的最佳途徑之一，手術示教系統的開發對我院手術示教水平的提高起到巨大推動作用。

現代手術越來越趨于精準化，高清晰度的手術示教畫面展示有助于學習人員更直觀、更快速地理解關鍵步驟的細節要求。例如我院脊柱外科的神經減壓、手外科細小的血管神經縫合等涉及精細手術操作，均需要手術示教信號高清晰無損傳輸。由于醫院網絡帶寬資源有限，為保證手術示教畫面的流暢性，需要對視頻信號采用H.264算法進行網絡編碼，通過犧牲畫面清晰度換取流暢性。然而，對于高精度手術的示教，示教質量與信號顯示的清晰度息息相關，清晰度降低會導致觀摩人員遺漏重要的手術操作細節，導致示教質量打折。

為了解決上述問題，本文擬通過將視頻拼接顯示技術與傳統手術示教系統相融合，使手術示教信號以無損方式由手術室傳輸至示教室，并通過示教室配套設置的視頻拼接墻展示高分辨率的手術示教畫面，從而提升手術示教質量。

1 視頻拼接技術簡介

視頻拼接系統已經廣泛應用于教育科研、政府公告、信息出版、行政管理、軍事指揮、展覽展示、安防監控等行業。拼接處理器是視頻拼接系統的核心設備，其主要功能是將一個完整的圖像信號劃分成N個顯示區塊，并分配給對等數量的顯示單元，每個顯示單元顯示該圖像信號的部分內容，組成一個完整的超大分辨率圖像拼接墻[1]。拼接處理器的硬件架構是以高速數字交換背板為核心，采用PCI-E硬件架構設計，拼接處理器的內部硬件架構如圖1所示。

圖1 拼接處理器的內部硬件架構圖

拼接處理器按照物理板卡類型劃分為視頻信號采集卡、視頻信號切換卡、視頻信號輸出卡、控制卡，各板卡之間通過高速數字交換背板提供的PCI-E總線實現數據交互。拼接處理器內部的信號傳輸鏈路包括RGB數據傳輸鏈路和控制指令傳輸鏈路。RGB數據傳輸鏈路專用于傳輸RGB數據，RGB數據傳輸鏈路布置于視頻信號采集卡與視頻信號切換卡之間，以及視頻信號切換卡與視頻信號輸出卡之間?？刂浦噶顐鬏旀溌穼Ｓ糜诳刂瓶ㄏ蚱渌蹇▊鬟f控制指令。

（1）視頻信號采集卡用于采集外部信號源設備輸出的視頻信號，并通過FPGA處理芯片對視頻信號按顯示幀率進行RGB顏色空間轉換，將得到的RGB數據輸出至視頻信號切換卡。

（2）視頻信號切換卡用于建立視頻信號采集卡與視頻信號輸出卡的端口映射通道，該端口映射通道的建立規則取決于控制卡接收到的外部中控設備的參數配置信息。視頻信號切換卡采用全交叉調度架構高速數據傳輸技術，底層數據傳輸由數據調度芯片控制，保證每路視頻信號在數據傳輸鏈路中獨享傳輸通道，兼顧視頻信號的傳輸速度與質量，信號顯示速度達到60幀/s，從根本上保證對所有輸入信號源進行全實時處理和數據一致性，圖像無延遲、無離散化、無丟幀現象。

（3）視頻信號輸出卡用于將RGB數據進行RGB顏色空間逆轉換，并根據外部中控設備發送的信號顯示方案，對獲取的視頻信號調整顯示分辨率、截取每個顯示單元對應的像素區塊，并將視頻信號輸出至外部顯示設備進行顯示。

（4）控制卡通過網線或串行數據通信線束連接外部中控設備，接收管理人員在中控設備中配置的示教顯示參數，包括各路視頻信號在拼接墻中的顯示位置、顯示分辨率、疊加字幕內容等參數信息?？刂瓶▽@示參數解析成可執行指令并轉發至各個板卡，對各個板卡的正常運作起到指導控制作用。

2 手術示教系統的設計方案

2.1 現有手術示教系統介紹

現有手術示教系統采用網絡分布式硬件架構，如圖2所示。

圖2 現有手術示教系統采用網絡分布式硬件架構

手術室內的醫療影像設備，如全景攝像機、術野攝像機、內窺鏡、腹腔鏡等，經網絡編碼器編碼后通過醫院內網環境的交換機輸出至網絡信道。通過示教室的計算機設備登陸示教客戶端，向中心服務器發送示教請求指令，中心服務器建立手術室與示教室的網絡端口映射通道[2]。示教室的計算機設備獲取網絡信號后進行本地解碼，然后通過本地顯示器進行播放[3]。視頻信號由手術室傳輸至示教室經過有損壓縮步驟，導致該信號經過本地解碼后無法完美還原視頻信號原始的細節要素。

2.2 手術示教系統的硬件架構設計

2.2.1 視頻拼接系統與手術室的對接方案

拼接處理器作為醫療影像信號的調度主機，固定放置在手術室的專用機柜中，機柜采用符合ANST/EIA RS-310-C/D的標準化設計，各個信號源設備通過有線方式直連拼接處理器的視頻信號采集卡?？紤]到不同醫療影像設備的信號輸出格式各異，視頻信號采集卡支持對多種視頻信號格式的采集處理，根據手術室的設備實際使用情況適配對應的視頻信號采集卡，實現與各種醫療影像設備、醫學監護儀器的友好對接。視頻信號采集卡支持的輸入信號格式如表1所示。

表1 視頻信號采集卡支持的輸入信號格式

適配我院骨科顯微手術的示教系統，在拼接處理器中布置SDI信號采集卡、HDMI信號采集卡、VGA信號采集卡、DVI信號采集卡。SDI/HDMI信號采集卡直連于術野攝像機，VGA信號采集卡直連于麻醉監護儀，DVI/HDMI信號采集卡直連于手術室計算機設備，上述三路視頻信號分別由拼接處理器推送至拼接墻進行同步顯示。手術室計算機設備通過醫院內網環境登陸醫學影像信息系統（Picture Archiving and Communication Systems，簡稱PACS系統），調取患者手術部位的核磁共振影像并輸出該計算機設備的顯示器[4]。

2.2.2 視頻拼接系統與示教室的對接方案

示教室布置由M×N個顯示器陣列組成的拼接墻，每個顯示器分別直連于拼接處理器的視頻信號輸出卡，本系統中示教室無需配置計算機設備。為了保證數據傳輸的成功率，HDMI高清信號線纜直連的最大距離不宜超過10 m，VGA模擬信號線纜直連的最大距離不宜超過15 m?？紤]到我院手術室與示教室之間的實際物理距離較遠，不支持短距離直連布線，需要在拼接處理器的信號輸出端與拼接墻的信號輸入端之間添加信號遠傳節點[5]。

具體地，在拼接處理器的每一路輸出信號與拼接墻之間的信號傳輸鏈路上設置光端機，每組光端機包括發送器和接收器，發送器與拼接處理器的視頻信號輸出卡相連接,接收器與拼接墻的顯示器相連接,發送器與接收器之間通過光纜連接，利用光纖信號傳輸優勢，實現在不損失信號質量的前提下延長高清信號的傳輸距離，傳輸距離最遠可達10 km，最高支持4 K分辨率，兼顧視頻信號的傳輸效率與質量[6]。

綜上所述，手術示教系統的硬件架構如圖3所示。

2.2.3 示教拼接顯示預案

拼接處理器支持視頻信號在拼接墻的任意位置開窗顯示，拼接處理器中的控制卡通過網線或串行控制總線連接外部的中控設備，以接收管理人員通過中控設備發送的拼接顯示參數，包括：

（1）窗口水平起始位置。指顯示視頻信號的窗口的參考點（如窗口左上角端點）在拼接墻二維坐標系中的橫向坐標值。

（2）窗口垂直起始位置。指顯示視頻信號的窗口的參考點（如窗口左上角端點）在拼接墻二維坐標系中的縱向坐標值。

（3）窗口橫向分辨率。指顯示視頻信號的窗口沿水平方向覆蓋的像素點個數。

（4）窗口縱向分辨率。指顯示視頻信號的窗口沿垂直方向覆蓋的像素點個數[7]。

考慮到目前主流視頻信號質量已經由傳統高清1080 P（1920×1080）分辨率逐漸向4 K（3840×2160）分辨率過渡[8]，示教室的視頻拼接墻布置方案如圖4所示，其分別是由8個顯示器構成的4×2顯示規模的視頻拼接墻，自然數編號為各個顯示器在視頻拼接墻中的邏輯位置，各個顯示器的顯示分辨率均為1080P。圖4虛線框內的4個顯示器所形成的2×2顯示器陣列，其分辨率均為3840×2160，即可以支持拼接顯示4 K信號。

圖4 示教室的視頻拼接墻布置方案

以骨科顯微手術的示教為例，通過中控設備配置顯示參數，使拼接墻中央的2×2顯示器陣列拼接顯示術野攝像機的視頻信號，同時使拼接墻左側1×2的顯示器陣列拼接顯示麻醉監護儀的視頻信號，右側1×2的顯示器陣列拼接顯示手術室計算機設備的視頻信號（即拼接顯示PACS系統中調用的MRI影像信息），為實習人員提供全方位、多角度的手術相關信息。完整的骨科顯微手術的示教拼接顯示畫面如圖5所示。

圖5 完整的骨科顯微手術的示教拼接顯示畫面

3 結論

通過將視頻拼接技術、高清信號遠傳技術以及醫院的數字化信息管理技術與手術示教系統相結合，實現的有益效果如下：

圖3 手術示教系統的硬件架構

（1）實現手術室高清數字化信號的無損遠距離傳輸，并能夠保持60幀/s的信號顯示速度，有效提升手術示教畫面的清晰度，更好地展示手術細節。

（2）針對目前主流的1080 P畫質醫療影像信號以及未來4 K信號的應用趨勢，有預見性地布置示教室中的顯示器陣列規模，在中控設備的配合下實現配置多樣化的示教拼接顯示預案，使示教室顯示器陣列與手術室醫療影像信號的對接兼容性更高。

（3）與傳統手術示教系統相比，我院手術示教系統采用集中式布置架構，無需在示教室配置計算機設備，僅需要布置顯示器陣列，降低了示教室的布線難度；此外，拼接處理器中的視頻信號采集卡、視頻信號輸出卡支持工作狀態下的熱插拔，當設備板卡發生故障時，僅需將故障板卡進行替換，無需將整個設備斷電，降低了設備的日常檢修與維護成本。