4K超高清技术在医疗领域中的应用

潘智坚

（中山广播电视台 广东省中山市 528405）

1 前言

4K超高清技术在电影、电视领域的应用已广为人知，但是，在其他行业的应用仍有相当大的挖掘空间，譬如医疗领域。当年在索尼高清学院观看到的4K超高清拍摄的心脏外科手术画面相当震撼。由此产生了将4K超高清技术应用在医学领域的念头。正所谓隔行如隔山，跨的界有点宽，一直找不到北。在一次跟医院的同学聊天过程中发现，其实医院对于如何应用先进的影像技术进行外科手术过程的医疗教学也是一直没有找到好的方法。由此，两位同学一拍即合，决定来一次广电+医学的强强联合。

2 技术方案

平生第一次进入医院的手术室内，发现有各种各样的医疗器械，如内窥镜、显微镜、无影灯等一摞医疗器械。经了解，医院的手术室一直渴望可以将外科手术的过程进行直播，可以为实习医生培训、特别是边远地区医生的学习培训提供便利。其实手术室内已铺设了千兆网，但是医院过去经过多次的尝试均没能成功，或者说直播图像比较模糊、效果比较糟糕。在掌握了基本情况后，我们应用广电行业的技术为医院设计外科手术室直播系统。技术系统由四部分构成：

信号采集、编码，网络发布，终端显示，通话指挥系统。

2.1 信号采集、编码

手术室内的信号源主要来自内窥镜、显微镜、超高清摄像机等。通过实地勘察，手术室内的医疗影像设备均带有HD-SDI或HDMI接口。本次，我们为手术室配备的超高清摄像机带有12G或HDMI2.0接口，可以输出4K超高清视频信号。我们本次为手术室选用的超高清摄像机带有控制云台及接口，可实现远程的推、拉等动作，摄像机是专为手术室而设计，在无影灯高亮度条件可清晰地拍摄到手术的过程。本次的系统设计，第一是要求画面必须清晰稳定；第二是必须低延时，让远端的医生学员或者专家能及时收看和指导现场的手术；第三是能实现远端与手术室的即时通话。因此，我们的系统方案是选用一款专业的医野4K摄像机（见图1）、广播级的超低延时编码器完成信号采集。本次选用的医野4K摄像机由于采用大尺CMOS传感器和非球面镜，具有低噪点的细腻画质。同时，具有变焦控制功能，医生助理可采用特写拍摄手术过程中复杂的画面。4K超高清分辨率，能够为外科医生和临床工作人精准地还原拍摄细节。1.0英寸大尺寸传感器，光通量要远远超过传统摄像机，从而拍摄出噪点极低，细节丰富的高品质图像；同时，搭载的图像处理装置可忠实还原拍摄物体的纹理和细节，图像噪点低；配备超薄高级非球面镜片（AA镜）大孔径4K镜头，即使在画面边缘也能维持原有分辨率；具有自动曝光补偿功能，在难以调整曝光的无影灯环境也能准确地完成拍摄；另外，还配备天花板吊臂或落地吊臂，便于安装。

图1：Sony MCC-S40MD4K吊臂安装视频摄像机

本方案选用的编码器（见图2）单台支持完成1路4K信号（3840*2160 60p的12G或4*3G）或4路高清信号(1920*1080 60p 4:2:2 10bit)的编码，编码方式支持HEVC（H.265）、H.264，并支持配置为恒定码率模式和可变码率模式；恒定码率可在稳定的网络环境传输高质量的视音频信号，有利提升远程医疗直播质量，比如医院内网络环境，第三方电信公司的专线或OTN网络等；可变码率应对复杂的公网环境，可以将高质量的视音频通过公网传输并保证信号的稳定性。编码输出满足目前大多数的网络传输协议：SRT/UDP/RTP/RTSP/RTMP；编解码过程采用高效率低延时芯片解决方案，最低延时可控制在70ms以内；低延时的技术手段是对远程信号直播的极大推动，特别是针对实时性要求很高的外科手术直播，可以广泛应用于广播电视、远程医疗、远程教育、应急指挥等领域。

图2：编码器

如图3所示，我们同时将摄像机、内窥镜、显微镜等4路HDSDI信号输入送入编码器，通过H.264或者H.265方式完成对视频信号的编码压缩，压缩码率在高清状态下采用8M，4K状态下采用48M，输出为IP码流信号，画面清晰稳定；按照这个码率，高清信号完全可以采用公网或5G网络传输，4K信号也可以尝试采用5G网络传输，这次由于条件限制，未测试5G传输效果。本次我们选用的摄像机带以太网控制接口，手术室内的助理或远端的专家可调整摄像机的画面。考虑到手术室内的医生还需要跟场外的专家进行沟通，或者跟受训的医生进行教学讲解，因此，我们在手术室内配置了IP双向内部通话系统、外放设备等。为不妨碍医生手术过程的操作，我们采用蓝牙通讯技术，将医生的麦克风与IP双向内部通话系统连接。编码器打包后的IP码流信号和双向通话信号，在交换机汇聚后，通过手术室内的千兆网送达医院内部的多媒体中心机房或其他终端设备。

图3：终端显示设备

2.2 网络发布

本方案的网络发布可以有两种模式：模式一 编码器直接推流。编码器背后设有2个千兆以太网接口，1个用于推流，1个用于网管，通过网管进行推流地址设定等操作。由编码器直接将接入的4路HD-SDI信号推4路IP信号到医院内网指定接收设备，接收端通过内部网络收看手术过程，这是一种点对点的方式，欠缺灵活性。模式二 由医院媒体中心的多媒体服务器对编码器进行拉流，再由媒体服务器进行发布。这样的方式比较灵活，不用固定收看场所，只要有网络就能收看，而且可以多终端收看，在内网或互联网上均收看。

2.3 终端显示

终端显示设备如图3所示，包含了解码器、画面分割器、显示屏、硬盘记录设备等。解码器与编码器匹配，是一个反过程，将接收到的IP信号解码成HD-SDI信号，最多可以输出4路HD-SDI信号。考虑到医院一般没有带HD-SDI专业接口显示器，所以，方案中增加了高清画面分割器，将多路高清视频信号合成一路HDMI信号，送普通高清或超高清电视机观看，一台电视机可以同时收看手术室的多路信号，这样大大节约了成本。

通过实际的测试，视频信号从手术室至显示终端，总的延时约1秒钟左右，实现较低的延时量，超出院方的预期。

硬盘记录设备完成对手术整个过程的视音频的录像保存功能，保存后的录像支持回放，为医疗教学提供参考素材。

2.4 通话指挥系统

通话系统采用广电行业惯常使用的IP内部通话系统。IP内部通话系统使用起来比较方便，只要ping通双方的IP地址，手术室与手术观摩室的专家、医生就可以进行通话讨论、提问。这里有个关键性问题就是通话和视音频系统是各自独立的IP系统，是通过交换机汇聚后再于两端或多端的终端联通，此时如果需要手术室与手术观摩室的专家、医生进行通话讨论、提问，对系统的实时性，延时一致性要求很高，这里我们要求音频的延时时间和通话延时时间基本一致才能达到要求；通过实际测量，IP内部通话系统延时量约为100ms左右，配合视音频编码器的70ms左右的延时，使得通话系统和视音频系统基本同步且贴近实时，应答响应完全满足要求。

在手术室内，医生采用蓝牙耳麦跟IP内部通话主站相连，同时还设有监听喇叭，聆听手术观摩室的专家、医生的提问。这里需说明一点，手术室内的多路视频信号与内部通话信号是相互独立的，各自分开传送，通话声音并没有嵌入到视频信号中打包传送。如嵌入传送，一方面增加成本，因为需在手术室和手术观摩室增加加、解嵌设备，而且系统变得复杂。另一方面，医院几乎没有这方面的日常维护人员，一旦发生一丁点儿故障必然影响整套系统的使用。所以，从实际出发，系统越简易就越牢靠。在手术室内，我们将所有的编码、IP内部通话、交换机等设备整合到一个小型飞行箱，医院只需要通电、连接信号线就好。在手术观摩室，同样将解码器、高清画面分割器、IP内部通话系统整合在飞行箱内，只需简单的通电、连接信号线就可以使用。

3 未来展望

早早就有5G+医疗手术直播或远程手术的相关报导，但目前5G网络的覆盖密度、超高清信号的稳定可靠上行传送仍有待加强。但我们相信，随着5G网络的不断完善，外科手术直播系统布网将会越来越便捷。小型4K超高清摄像机已推出网络推流功能，相信厂家不久会根据用家的使用需求为医野摄像机增加推流功能选件。这样，就会大大方便了手术直播，为经济欠发达地区的医生提供了良好的培训手段，为医生之间的相互交流、学习提升搭建便捷平台，让边缘地区的病患能获得远在千里之外专家的悉心指导，提升了当地的医疗水平，提高了人民的幸福获得感。人民对美好生活的新需求，就是我们的奋斗目标，让我们共同努力，为智能医疗系统的建设添砖加瓦！