马少华蔡伟东郭 伟

手术室示教系统的数字化改造

马少华①蔡伟东①郭 伟①

结合医院手术部整体改造工程，介绍多种示教系统的设计、建设方案；提出了示教系统的创造性改造不仅提升了手术室的洁净等级，还满足了人性化的手术室管理、举办国际会议设置分会场、日常教学观摩演示等实际需求，总结了数字化手术室示教系统在设计、建设、维护过程中的经验并提出了建议。

数字化手术室；数字化；演示系统

[First-author's address]Department of Equipment Management, Taihe County People’s Hospital, Taihe 236604, China.

1 数字化手术室的简介

1.1 数字化手术室

数字化手术室的理念，起源于20世纪90年代初，其设计建设的要求和目标在不断扩充。当前，主要是采用网络、信息和影像技术，从医院信息系统（HIS）中调取数据或影像信息，并将手术室内与患者有关的重要信息，实时多向传输。同时，可以采取实时交互的形式进行远程演示、教学，并对手术进程进行监控和储存，对手术室的人、财、物进行统一调度和管理的一整套完整的解决方案。

数字化手术室的建设主要涉及到：影像的实时采集储存与传输、影像压缩与解压缩技术、综合布线系统施工、视频监控安防施工、背景音乐等内容。

1.2 数字化手术室的改造背景

由于传统手术室存在无法进行手术远程示教、无法统一储存信息资源、无法避免二次污染及进行医学影像集中显示及调取等诸多问题,医院决定对手术室进行彻底改造。改造后的手术室可以实现示教、视频采集、背景音乐等功能的数字化管理；手术室内的控制情报面板可以对电源、气体、空调、时间、灯光及手术信息传递等进行集中控制和显示。

1.3 数字化手术室的建设目标

数字化手术室的设计、建设需要融合手术室管理、临床医学、基建施工、综合布线、视频编码解码、视频传输、设备远程控制、网络传输与管理、HIS信息共享、视音频交互、监控安防等多学科的专业知识,需要各相关科室及专业负责人通力合作,并保持有效的沟通和配合,只有这样才可以在规定时间内完成施工。

图1

数字化手术室不仅可以满足医院及进修生的临床教学、实时视频示教、学术交流、手术观摩的需求,达到国家教学评估的基本标准要求,而且,传输效果可以满足临床医生对色彩、分辨率、扩展性等诸多要求。

2 数字化手术室的设计

2.1 数字化手术室调研

在进行综合布线、数字化建设方案确定及示教设备选型、安装等各个阶段,首先需要调研手术室管理科室的实际需求。通过调查研究发现，目前医院一旦有手术转播或录象任务时，需要联系专业人员携带摄像设备进入手术室，对手术过程进行摄像，此举难免会造成污染。并且，一旦有临床教学课程时，数名学员围在主刀大夫周围教学效果和质量难以保证。当进行学术会议实况转播的时候，需要直播实时影象，为达到最高图象质量避免会议失败，需要高价租用电信公司的“野战”光纤和昂贵的设备，经室外铺设光纤进入手术室，不经任何压缩直接由光纤传输视音频信号到会场，这样不仅耗资巨大，而且技术人员全部进入手术室，无法避免二次污染问题，同时会后资料的留存也很困难，这一切，给手术室的管理和使用人员带来很多问题。可见，传统手术室的固有功能，已无法满足当前日益频繁的会议、示教教学、手术室管理等各方面的需要，急需改造升级。

在调查研究的基础上，医院最终确定以TCP/IP协议网络为传输途径，所有视音频信号均编码转换为网络信号，在局域网上传输，在远端经解码还原为视频或音频信号的方案。同时，确定数字化手术室示教系统内容包括：视音频高质量采集、有效存储、系统级分权限管理、数字化远程传输、管理监控、背景音乐、HIS系统集成等诸多功能模块，具体的改造内容包括：（1）针对手术室内部，安装视音频采集设备，包括：手术吊臂摄象机、拾音无线麦克、音箱、视音频辅助接口等。（2）手术室内安装全景监控摄象机，麻醉恢复室、等候区等共六处区域安装全景监控摄象机。（3）全景监控信号通过局域网进行网络化传输和控制不同的权限进行显示。（4）手术室内可以播放统一或个性化的背景音乐，麻醉恢复室、等候区等三处分区播放个性化背景音乐。（5）手术室内各区域覆盖对讲扩声系统。（6）实施基于TCP/IP协议的手术数字化网络示教系统。（7）HIS、LIS、PACS与手术示教平台信息集成，手术中可调取重要诊疗相关信息。（8）餐厅/示教室、接待室、医护办公室、麻醉科办公室、学术报告厅和多功能厅均安装固定或移动的手术示教设备及双向对讲设备，按功能要求，通过网络实现转播需求。

2.2 工程设计阶段

首先,在确定手术室改造的土建基础方案时,意识到弱电系统综合布线工作具有非常重要的意义。因此只有明确了手术室各区域的使用功能、信号传输介质及设备选型，才可以进行统一的数字化手术室的施工组织安排，各专业施工才可以有序开展，从而有效保证总工期和质量。基于以上因素，信息中心总结调研结果，初步拟订三种手术室改造方案：

（1）所有手术室安装模拟视音频线缆，按照调研结果提到的功能性区域，如各手术室、主任办公室、护士长办公室、会议室、贵宾接待室直接铺设手术室至该区域的视音频线缆。该方案的优势在于：传统的模拟信号传输，使用效果可以很好的满足手术室使用要求；传统视音频设备采购成本和集成费用均比较低，在投资规划上可以有效把握；录制视频资料使用普通设备即可达到，比较方便，只要有基本电器常识即可操作设备，培训和管理成本较低。不足之处在于房间的功能改变，需要重新铺设模拟视音频线缆，但手术室一旦投入使用，这一工作将影响日常繁忙的手术室工作；视频会议时，手术室内视频对外转播仍需铺设电信公司的“野战光纤”临时解决，线路、设备租用和管理支出耗资巨大。同时也会打乱手术室内的正常工作次序和人员安排。由于该方案应用于手术室数量较少，对本地的影象质量要求苛刻的环境，且手术室内的功能和分区非常固定，视频线端到端长度不超过350米范围内，因而不利于使用中扩展。

图2

（2）手术室内铺设网线，在每间手术室内安装（或临时放置）视音频采集及编码（或直接安装网络摄像机）在手术室内直接进行模拟信号的编码，然后经局域网络传输到远端，在远端进行解码播放。该方案的优势在于：每个手术室的设备安装可以按需安装，部分设备不安装而选择移动中使用，这样可以节约设备购置费用并提高设备使用率；设备使用的灵活性较强，可以根据需要更换不同档次的采集、编码、解码设备测试质量，按需使用相应档次的产品，投资较低。不足之处在于：采集和解码一体的设备对色彩还原和分辨率指标难以达到临床的要求，如果更换设备来提高质量，设备采购成本将非常高；手术室内放置较多的设备和临时连线，给使用中和使用后的消毒工作带来较大的困难，同时存在二次污染问题；设备操作管理人员需要有丰富的连接、操作实战经验，对出现的接口及连线故障可以自行维修，否则将延误会议使用。该方案可用于临时应急及对转播图象质量要求不高的视频会议转播，对于手术室未经数字化改造的，可临时铺设网线直接完成视频会议的使用需求，但扩展性和效果并不理想。

（3）所有手术室模拟线缆到中控机房，由中控机房统一进行编码，通过网络向远端进行转播。该方案的优势在于：手术室内只需安放遥控摄像机，避免污染和无关人员进入手术区域，所有视音频信号质量在采集、传输、编码、解码各个环节均可以有效保证最终效果满足临床要求；通过网络传输，不仅可以针对手术室的管理要求，灵活安排视频转播，而且可以向手术室外部或异地进行视频转播，这样对房间功能的改变，方案可以第一时间做出调整，而不必重新铺线应急。不足之处在于：要求手术室建设初期统筹考虑，线缆、设备安装要求统一施工调试，改造的基础建设、设备采购的投资较大；要求网络环境开放而且互联，网络管理达到一定水平，网络控制水平较高；需要建立一个设备管理、网络管理的技术团队，对视频矩阵、视频编码解码等复杂设备的使用能熟悉掌握。

该方案可满足大型视频会议转播的要求，在视频采集、传输链路、编码、解码、显示、交互的各个环节，均可以保证最终图象的效果和质量，使转播、存储、交互的质量可控，对出现的效果差异便于及时排查。最终手术室改造项目就是选用本方案进行实施。2.3 手术室综合布线设计

为满足以上第三种示教方案要求,综合布线施工计划分为:线缆数量、位置、价格及余数。吊臂摄像机、吊塔腔镜、全景监控、音箱均预埋模拟线缆，并直接连到中控室，统一由机房内的视频矩阵进行切换选择，经统一编码后传输。

3 设备选择及要求

3.1 设备参数选择

设备选择应考虑三方面问题：（1）采集端：视频源是关键，影响视频采集质量的关键因素有：摄像机的镜头、CCD大小及摄像机的影像处理能力。（2）传输非常重要，选择模拟传输或数字传输均应分清利弊得失，即模拟传输受线缆质量、传输距离和环境的影响；数字传输受编码器的档次（专业广播级或普通安防监控级的区别）、编码方式（MPEG2、MPEG4、H.264）的差别,传输带宽（2M-10M或低于512K）等诸多因素限制。（3）显示设备也不可忽视，技术指标要求控制显示分辨率和颜色还原质量，即解码器的档次影响画面效果。硬件解码可以有效提升显示效果，不同的显示设备（等离子、液晶或投影机）效果有差别，如常见的“拖尾”现象。当摄像头快速运动时，图像出现严重的延迟，看后让人“头晕眼花”，最终的效果不能满足要求。

3.2 设备选型

经多次实际测试比较,本次数字化手术室的改造,视频源至少达到3CCD,850线的水平清晰度,最终选定专业广播级的摄像机SONYDXC-990P;编码设备采用MPEG2编码技术,分辨率可以达到DVD效果,色彩失真少,2M-10M码流,适合用于局域网或远程视频传输，最终选择OPTIBASE MGW-2000E专业编码设备，为很好的与AD（Active Directory活动目录）集成,进行身份证和授权，支持视频、PPT（幻灯）文件、胸片、PACS资源，监护仪及腔镜等信号信息，集成平台最终选定CREATON MEDEX示教终端系统。

4 系统及功能设计分析

4.1 手术室监控系统

通过在各手术室设置彩色半球摄像机,进行全景摄像。可直接显示手术室内医护人员的手术配合情况。通过局域网络，护士长根据需要可以在任何地点、任何时间，对各手术室进行最直观的监控。了解手术房间的使用情况，对于手术室的各种术前准备进行统一安排，提高了手术室的使用率。通过室内音箱，可以及时与室内人员进行沟通。

4.2 背景音乐系统

在手术室不同区域,均设置背景音乐（选用BOSE吸顶定压音箱）,各手术室均设置可调音量的背景音乐开关,实现每个手术室个性化播放背景音乐功能,同时,医护人员可以自助的播放自带的MP3音乐等个性化音乐,为医护人员和患者创造轻松的医疗、工作环境。当出现火情，可以自动立刻转换（强切）与医院的消防紧急广播系统连通。

4.3 数字示教系统

通过手术室吊臂上安装带变焦镜头的彩色摄像机，从手术部位的上方进行图像采集。对大型手术、抢救手术或具有疑难杂症的手术过程，留下必要的影像资料，用于医学研究、远程手术指导。有教学任务和临床教学活动时，学生可在示教室进行。通过大屏幕专业等离子或投影机观摩手术的实况。

4.4 数字化手术室网络示教系统功能

各个子系统方案确定后,即可设计总体的示教系统解决方案。其中，最为关键的设备是：吊臂摄像机（SONY 990P），视频服务器（OPTIBASE MGW-2000E），视音频矩阵（CREATOR AV64-48），专业等离子（PANASONIC TH-42PH9C）。

4.5 布线系统及相关值得注意的问题

4.5.1 弱电综合布线系统。综合布线的内容包括：信息线缆（超5类双绞线，长度控制在95 m内，国家规范要求超5类网线的两端长度不超过100 m，上配线架前预留5 m），语音线缆（3类4芯线），呼叫对讲线缆（3类4芯线），视频线缆（SYV-75-5-1，长度控制在350 m内），音频线缆（带屏蔽的RVVP-2 ×0.7,长度控制在200 m内）,控制线缆（带屏蔽的RVVP2×28/0.15）。如果进行统一综合布线施工，建议将电话线与网线均铺设超5类双绞线，实现信息与语音的互用。需要特别注意的是：在布线过程中，需提前考虑各类摄像机的本地取电方式，提前布管，并且在手术室内走线时，管径最好不小于25 mm；而且音箱如果选择定压音箱，需提前选定符合规格要求的定压功放。

4.5.2 相关专业需协调的内容。手术室改造中，不应忘记对手术室内部的中控室的建设质量要求。即：机房要求24 h制冷，保证湿度水平，配电输入由UPS（不间断电源）供电，UPS带隔离变压器，0.5 ms切换,带设备运行流程图,至少1 h后备电池；中控室安装防静电地板，配电柜输入端实现双路供电，安装机房温湿漏水监控报警等。如果布线完成后，机房内的相关设施未提前安排妥当，机房的建设和施工将会延误整个手术室改造项目的工期。另外，手术室内的监控对讲音箱，需要在应急情况时，“强切”到消防喊话状态，这需要在安防设备安装时，预留接口。局域网网络管理方面，应提前为手术室中控室留有VLAN（虚拟子网）及IP地址规划方案，否则手术示教平台大规模的网络使用，势必与原有的业务应用相互影响。预留中控室至院外电信公司机房的光纤（建议单模ST24芯，共2根互作备份），便于进行院内外视频直播传输。

4.5.3 示教系统的建设经验。在手术室示教平台的设计建设过程中，由于涉及到相关各专业部门、专业知识和施工计划非常庞杂，建议提前做好各专业项目负责人沟通方案，以便于提前协调解决问题，避免返工、浪费或延误工期。

4.5.4 信息共享平台的建设将有效满足术中诊疗需求。目前，我院正在进行手术示教平台与HIS、LIS、PACS接口的后续工作，近期将与放射科设备完成国际标准接口的图象、数据、视频资源信息共享。

5 总结

本次手术室改造施工，最终达到了数字化手术室具有现场视频、音频资源进行直播、转播、存储音视频资料等功能。使需要对手术过程进行学习、观摩的专家可以通过局域网络查看手术详细过程的目的，并可以进行手术视频的在线录制或教学。选用的广播级转播设备保证了临床医护人员对手术图像高色彩还原度和高清晰度的质量要求。

总之，数字化手术室的建设，对提高手术室的日常管理水平、节约管理成本、保证临床手术的安全和质量、满足国际会议演示或教学观摩的需要，意义深远。

[[11]]GB 50174-93，电子计算机机房设计规范.

[2]GB 50311-2007，综合布线系统工程设计规范.

[3]GB 50333-2002，医院洁净手术部建筑技术规范.

[4]冉梓垠, 韩乾.数字化手术室的应用[J].中国医疗设备,2008,23(10).

[5]蒋协远.医院全新数字化手术室改造方案浅析[J].中国医院建筑与装备,2008,9(6).

[6]张强,谢文,王国宏.临床工程部门在数字化手术室建设中应关注的问题[J].中国医学装备2008,5(1).

Analysis on digitalization of surgery demonstration system

MA Shao-hua,CAI Wei-dong,GUO Wei

This paper introduces a variety of design and implementation plans, with combination of the whole reconstruction program of digitalized demonstration system in the surgery department. It puts forward that the creative digitalization of demonstration system not only improves the surgery cleanness, but also satisfies many practical needs including personalized surgery management, international conference sub-venues, and daily teaching observations. A summary of design, implementation, and maintenance process of digitalization of surgery demonstration system is also given in the paper.

Digital operating room; Digitalization; Demonstration system

1672-8270(2010)04-0007-05

TH 772

B

马少华,男,(1974- ),1996年毕业于安徽工学院，机电工程专业，本科学历，工程师。现为中国医学装备协会CT工程技术专业委员会委员。

2010-02-18

①安徽太和县人民医院设备科 安徽 太和 236604

China Medical Equipment,2010,7(4):7-11.