高清手术直播系统建设方案


 

 

高清手术直播服务平台

建设方案

 

 

 

______________________

北京顺景科技有限公司

【串流直播技术团队】

 

2018年于北京

 

Email:support@shunjingtech.com

电话:010-57221668

QQ: 1918098288

  XXXXX医院数字化手术室解决方案 

一、引言…. 3

二、建设的意义和效果…. 3

2.1建设意义3

2.2建设效果3

2.3系统定义4

三、用户需求…. 4

四、解决方案…. 4

4.1方案拓扑图4

4.2数字化手术室系统设备组成6

4.3信号采集部分6

4.4.     信号采集部分需要的设备:8

4.5信号直播与转发部分16

4.6信号接收显示部分20

4.7控制管理部分22

4.8语音交互部分22

4.9集中控制部分23

4.9.1数字化手术室设备集中控制模块23

4.9.2数字化手术室信息检索查阅模块24

五、功能实现…. 24

5.1数字化手术室可实现的功能24

5.2示教室、会议室可实现的功能25

六、方案优势及特点…. 27

6.1信号任意显示切换27

6.2信号接入简单方便27

6.3录像清晰、全面28

6.4观看地点不受限制,手术录像分享便捷29

6.5观看方式多种多样29

6.6与临床系统应用无缝融合29

6.6系统运行安全稳定30

6.8最专业的研发团队30

6.9多流录制、快速编辑30

6.10严格的权限管理30

 

 

一、引言

  数字化手术室融集计算机网络技术、自动控制技术、图形信号处理技术、综合布线技术等信息通信技术(ICT)于一体,将与手术过程有关的各种系统有机地结合进行统筹设计,使得医生能够实时获得大量与患者相关重要信息,便于医生操作、提高效率和安全性,为整个手术提供更加高效、舒适、安全、便利的环境,是信息通信技术(ICT)在医院建设中的广泛应用。

作为数字化手术直播方案的技术开发商和服务提供商,我们非常熟悉实际的应用需求,有十足的信心为医院搭建好手术直播服务平台,并能够提供不间断的产品升级与技术支持服务。

该文档是对我方所提供的高清手术直播解决方案的一个整体阐述,医院的领导与专家可以从中了解我们的产品与解决方案设计思路。

本方案假定对1间手术室进行网络直播平台建设,如果需要在多间手术室进行直播,只需要按需扩展手术室端的设备数量即可。以达到手术观摩、手术教学的目的,各种终端用户均可以实时收看和在线交流。

二、建设的意义和效果

2.1建设意义

Ø  实时共享手术视频、影像医学资料

Ø  全高清手术直播,实现远程教学、远程会诊

Ø  全面整合手术周边信息接入(DSA、腔镜、超声、术中影像)

Ø  实现多路信号源的任意切换

Ø  手术设备集中控制,触控一体化操作

2.2建设效果

Ø  集中控制

Ø  信息整合

Ø  提高手术效率

Ø  改善教学质量

Ø  积累实践资料

Ø  减少医患纠纷

2.3系统定义

数字化手术室主要是采用网络、信息和影像技术,在医院信息系统(HIS)中调取数据或影像信息,并将手术室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,并对手术进程进行跟踪预览和储存,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。

三、用户需求

当前,在医院内多个手术室需要同时进行多场手术,手术中需要用到肠镜、X光机、全景摄像机,可以在手术室对多路信号进行切换,将输出画面传输到会议室,并和会议室之间通过网络进行语音交流互动。主要功能如下:

1.       4场手术同时进行网络转播,将手术室信号实时传输到会场;

2.       位于二楼的3个肠镜手术室,每个手术室有2路信号(肠镜+全景摄像机);一楼的介入手术室有3路信号(肠镜+X光机+全景摄像机);

3.       会场端主持人和手术室大夫进行实时语音交流互动;

4.       4个手术室信号在会场大屏幕上实时投放;

四、解决方案

4.1方案拓扑图

根据XXX医院的建设需求,方案拓扑图如下

说明: 天津武警医院

高清手术直播系统拓扑图

 

如上图,在数字化手术室内通过高清术野摄像机、高清全景摄像机、动态医疗影像设备来采集手术信号,手术室的多路高清信号经过高清手术编码服务器/便携式手术直播工作站处理后通过网络传输到流媒体直播发布服务器,由流媒体直播发布服务器将信号转发到示教室、会议室或者其它网络接收终端,示教室、会议室使用计算机通过IE访问观看,具有相关权限的用户就可以用分配给自己的用户名和密码访问示教服务器接收手术室的图像及声音,或者点播录制好的音视频文件。便携式直播工作站可以对手术室的多路信号源进行导播切换,实现信号的任意输出供终端用户观看,显示的高清晰视频图像可以提高手术医生的手术效率,手术室与示教室可以通过语音终端进行互动,交谈的声音也可以通过该系统直播到网络中并通过服务器进行存储。

该方案采用模块化设计,支持后期的系统的扩容,如果需要对更多的手术室进行直播,只需在手术室中增加前端信号采集和处理设备即可(高清手术编码服务器/便携式手术直播工作站),有效节约平台建设成本。

4.2数字化手术室系统设备组成

数字化手术室系统共由六个部分组成:信号采集部分信号存储转发部分信号接收显示部分控制管理部分语音交互部分、集中控制部分

 

4.3信号采集部分

信号采集部分主要负责采集医疗活动中需要传输、记录的各种信号并编码压缩后通过IP网络发送给流媒体发布服务器。

信号采集部分可采集的医疗信号包括三类:

a.场景信号:主要包括全景摄像机、术野摄像机的视频信号

b.监护仪器信号:病人监护仪、麻醉机等;

c.医疗影像设备信号

按照成像原理,可分为六类:

超声成像:A型、B型(B超)、C型、D型(彩超)、M型等;

X线成像:X线机、CT、数字X线摄影(CRDRDSA….)等;

光学成像:

内镜:腹腔镜、胸腔镜、胆道镜、胃镜、支气管镜、鼻窦镜等;

手术显微镜:眼科手术显微镜、骨科手术显微镜、脑外科手术显微镜等;

核共振成像:MRI等;

核医学成像:PET、PET-CT、SPECT、R相机等;

红外成像:医用红外热像仪等;

 

4.4.  信号采集部分需要的设备:

 

1.  摄像机

2.  高清手术采集/导播工作站 或者 便携式手术直播工作站

高清手术采集/导播工作站

如图所示,这是我们专门为手术直播开发的一款采集/导播工作站,它能够支持4路高清视频信号和4路音频信号的接入,具有一个多画面预监输出接口,可以同时对4路信号进行采集、编码和直播输出,支持多画面合成(画中画、画面分割),支持台标和字幕叠加,支持外接USB3.0硬盘录像。同时,它能够将导播输出的节目编码后以双码流输出(面向PC和移动终端输出高低不同的码流),支持WEB方式的远程导播控制。

产品功能界面如下:

导播控制界面

显示设置界面

显示设置界面

系统设定界面

状态监控界面

 

3.  便携式手术直播工作站

设备图片(上翻盖版本)

设备图片(下翻盖版本)

 

为了全方面支持手术直播中的各种信号源,并且对多路信号源随时进行导播切换,同时考虑到设备的易用性和可移动性,我们为此专门设计了这款便携式手术直播工作站,它可以采集医院手术室内常见的医疗设备信号,比如:术野摄像机、各类腹腔镜、胸腔镜、显微镜、监护仪、DSA设备、多导仪、X光、carto等设备,兼容SiemensAgfaJohnsonGEPhilipsStrykerKarlstorzPlanmedKonica Minolaolympus等医疗仪器输出接口,支持医用诊断级影像特殊分辨率。

设备的主要功能如下:

1、  支持多码流采集和发布功能。

比如对于1080P的高清信号源,可以将其以多种码流和分辨率进行编码,包括1080P 分辨率@4Mb/s码流、720P分辨率@2Mb/s码流、D1分辨率@1Mb/s码流、CIF分辨率@500kb/s码流。多种码流同时向互联网用户发布,用户可以根据自己的网络带宽情况选择接收适合自己的节目收看。这样可以给用户提供更好的收视体验。

2、  支持电视效果的台标叠加功能。

用户方可以制作自己的形象台标,这样对于宣传自身形象可以起到很好的效果。台标的位置可以自主设定,比如放在屏幕的右上角或者左上角或者其它指定的位置。

3、  支持滚动字幕功能。

手术直播时可以像电视台一样在直播画面中实时插播滚动字幕广告或者其它公告信息,或者是手术现场的动态信息。比如主刀医生的介绍,患者病情介绍。这样可以给收看的用户带来更好的收视体验,同时也可用于发布字幕广告。

4、  支持多码流节目录制功能。

节目以多码流方式进行播出时,在我们新的现场编播设备上可以同步对多个码流的节目进行录制。这样在手术直播结束后可以将录像内容发布到网上供用户点播收看。

5、  支持多机位信号采集、导播和切换功能。

在大型的手术直播活动中往往需要用到多个机位,分别用于采集全景画面、术野画面、腔镜画面以及术者的音频信号等,有时还需要接入笔记本PPT画面,所以需要导播切换功能来完成,我们这款专业设备将多画面导播功能和其它功能集于一身,设备结构紧凑,方便移动,而且成本相对更低,可以满足各种类型的手术直播活动的需要。

设备功能参数:

视频输入接口

4HD-SDI(内嵌音频)高清接口或4HDMI(内嵌音频)高清接口

音频输入接口

2XLR平衡音频接口,可以接入立体声音频

媒体源输入

支持本地视频文件源、摄像机信号源

混合效果

支持overlay,可以在画面中叠加Logo和字幕

图像调整

支持色彩调节、去隔行、锐化、缩放、旋转

网络输出

支持多码流同步输出、多码流同步录制,可以同步录制4个不同分辨率的节目流,支持UDPHTTPRTSPRTMP多协议网络输出。

录制标准

支持TSMP4FLVMOVF4V3GP录像格式

多画面预览

通过外接监视器可以支持多信号源和输出画面预览

支持的视频输出分辨率

3840 x 2160P 23.98, 24, 25, 29.97, 30, 48 A/B, 50 A/B, 59.94    A/B, 60 A/B

4096 x 2160P 23.98, 24, 25, 29.97, 30, 48 A/B, 50 A/B, 59.94    A/B, 60 A/B

1080P 23.98, 24, 25, 29.97, 30 / 1080PsF 23.98,   24, 25, 29.97, 30 / 1080i 25, 29.97, 30720p 50, 50.94, 60525i 29.97 / 625i 25

设备尺寸/重量

450x340x220   mm15kg

 

【适用于手术室有多路视频信号源需要导播切换的场景】

 

设备连接示意图:

4.5信号直播与转发部分

信号存储转发部分主要负责将通过网络接收到的前端各种编码器发送的码流录制存储于流媒体发布服务器(或扩展的IP-SAN存储)内,录制的同时通过网络发送直播视频流到接收显示端,同时还响应接收显示端的点播请求并按请求发送视频流到相应接收显示端。

流媒体发布服务器接收网络中编码器发送的视频流后进行多路组合录制,录制的同时直播手术室的多路视频流,手术完毕后即可点播。

信号存储转发部分需要的设备

流媒体发布服务器

u 流媒体发布服务器视图

 

前视图

后视图

内部视图

l  高性能服务器、关键任务应用服务器、企业服务器、石油&天然气、金融、广电、电信、生物科学、医疗健康;

l  双路英特尔至强 E5-2650系列处理器;R型插座(LGA2011)

l  42.5’’热插拔SATA2/3硬盘位

l  8个内存插槽,最大支持256GB DDR3 1600MHz reg. ECC内存

l  3x16PCI-E 3.01x8 PCI-E 3.0x16)插槽

l  支持3GPU/MIC模块(选配)

l  I/O接口:21GB/10GBTRFT)网络接口,1VGA接口,1COM/串口,2USB 2.0接口

l  系统管理:集成专用远程管理功能——IPMI2.0

l  10个高转速对流风扇,并具备优秀的温控管理

l  1800W铂金级认证高效冗余电源(TRFTRFT

l  1800W铂金级认证高效电源(TSF

u 流媒体发布服务器视图主要功能指标

1.  高效率、面向多终端的流媒体发布

我们开发的运营级专业流媒体发布服务器也是采用C语言编码实现的,具有极高的运行效率。在性能方面,单台服务器可以同时处理5000并发流媒体请求,可以面向PC终端、手机终端、机顶盒终端以多种协议同时发布,并且多终端自动适配。

对于当前flash播放技术日趋没落的情况下,市场上几大主流的浏览器已经不再与之兼容(如Chrome、Firefox、Safari),传统的基于flash的视频播放技术给终端用户的播放体验造成了极大的影响,为此我们前瞻性地将HTML5 MSE技术引入到了当前的平台中,特别是在视频直播应用中我们独创性地采用该技术极大地降低了直播延时,给终端用户带来了良好的收视体验。

2.  实时的视频直播

在一对多的直播应用场景中,我们有专业的直播发布平台可以满足用户要求,该平台从2012年下半年开始研发,历时3年多时间完成,无论在性能上还是功能上在业界都是首屈一指的,这已经被众多当前用户所证实。

3.  多服务器负载均衡和超大规模CDN内容分发

基于我们多年的流媒体运营平台建设经验,我们开发的流媒体服务器支持多服务器负载均衡功能,从而使单个节点能够处理更高的并发用户请求;通过我们的CDN内容分发网络技术,可以将平台部署到极大地规模,通过部署更多的内容分发节点来把内容分发到全国乃至全球的用户。

4.  高效率直播互动

正如我们的多媒体互动平台中所表述的,“互动”是我们所推崇的核心基因,为此我们专门开发了专业的高性能文字互动聊天服务器,该服务器采用先进的异步I/O技术架构,完全由C/C++语言编程实现,单台服务器可以支持上百万并发连接互动,并且支持的聊天文字消息长度理论上无上限;

当前大部分应用开发商实现的直播文字互动功能主要基于JS/PHP等脚本语言来实现互动服务器的,由于脚本语言是在解释器里运行的而非在物理CPU上运行的,在加上脚本语言运行环境的限制,很难实现高并发。比如采用PHP语言开发的聊天服务器在windows平台下只能支持256个并发,在Linux下只能支持2000个并发;如果采用这种技术来部署聊天服务器,则需要部署超大规模的服务器集群才能满足高并发应用的需要,这种方案对于大的运营平台来说极不可取。

5.  视音频节目上传(大文件)

在我们的多媒体互动平台中,视音频文件上传是一个使用频率非常高的功能,由于当前的节目制作主要以高清为主,因此一个完整的节目录像往往要超过2GB,对于这种大体积的视频文件上传,对平台的性能和技术要求极高,尤其是在高并发的应用场景下更有挑战性。

针对这种情况,我们为此专门开发了视频上传服务模块,采用C语言自主开发实现,比传统的web视频上传方式效率高出100倍,同时支持超大文件断点续传,并且对上传服务器的CPU和内存占用率极低,单台上传服务器可以支撑1000并发用户上传。

6.  实时的直播录制与回放

直播的同时,我们的服务器端可以将内容实时录制存储下来,直播结束后终端用户可以立即进行内容回放,并且服务器的性能很高,单台服务器可以支持2000并发用户访问。

7.  高性能弹幕发布

为了发布直播视频时给参与的用户提供更好的互动体验,我们为此专门开发了弹幕服务器。与聊天服务器一样,弹幕服务器也是采用C++编程语言开发实现,单台服务器可以支持数十万并发连接,比其它开发商实现的弹幕服务器运行效率高出100倍。

 

4.6信号接收显示部分

信号接收显示部分主要负责从网络接收前端多媒体流媒体发布服务器发送的视频流解码后输出给各种显示设备。

    

普通PC客户端可使用网页接收手术室视频直播,只要PC客户端能通过网络访问示教服务器,就能接收手术直播、点播。

对于3D手术直播信号,我们有专门的被动3D视频播放器,可以在PC终端上呈现实时的3D手术直播信号;

如果需要将3D手术信号投放到大尺寸幕布上,我们有专业的3D视频播放终端,可以将3D直播信号解码后分离为左右眼视频信号,然后输出给2台被动式3D投影机进行影响投放。

3D投影播放

4.7控制管理部分

控制管理部分主要提供给用户直观、便捷的系统管理方式,通过IP网络对各种设备进行管理控制以及系统的功能扩展等。

控制管理部分主要需要的设备: PC及软件

4.8语音交互部分

语音交互部分主要负责完成手术室与示教观摩端之间的语音交流功能,通过IP网络实现手术室与示教室的语音交流。

手术室与示教观摩端语音交互基于普通的IP网络,两个IP语音终端即可实现手术室与示教室间点对点的语音交流,通过多方语音交互系统可扩展三方及以上的语音交互。

语音交互部分主要需要的设备IP语音终端(两个IP语音终端即可实现点对点的语音交互)。

4.9集中控制部分

集中控制部分主要涉及:影像的实时采集存储与传输、影像压缩与解压缩技术、PACS影像调阅与HIS信息查询、显示信号路由、语音通讯等内容。

4.9.1数字化手术室设备集中控制模块

通过触控屏中的数字化手术室集中控制系统,医师可实现:设备集中控制、信息检索查阅、手术室内外通讯交互、手术视频记录与传输、显示路由(切换)等功能。

4.9.2数字化手术室信息检索查阅模块

在手术室中医师、护士可通过专用工作站及医院内的网络登录院内信息系统(PACS\HIS\LIS)检索查阅病人的检查资料、化验结果等各种电子信息,便于医师在手术中也能查看病人资料,及时获得所需资料用于治疗决策。

五、功能实现

5.1数字化手术室可实现的功能

数字化手术室布局

吊臂高清显示器

Ø  可实现信号源的任意切换显示输出,(如腔镜视频、术野视频、手术全景摄像视频、PACS查询工作站图像视频等);

壁挂液晶监视器

Ø  可实现信号源的任意切换显示输出,(如腔镜视频、术野视频、手术全景摄像视频、PACS查询工作站图像视频等);

高清全景摄像机

Ø  可被集中控制系统控制;

Ø  控制功能包括摄像机角度上下左右移动,聚焦方大、缩小;

手术多路图像记录、存储、传输

Ø  能同时将腔镜图像(根据手术的类型也可以是无影灯术野摄像机图像)、全景摄像机的图像同步录制成为手术视频录像文件,亦可同步通过网络转播到示教室或者其他网络节点

实现手术中图像的拍照及存储功能

Ø  通过触控屏可实现腔镜图像(或术野摄像机的图像)的拍照

Ø  支持DICOM3.0格式一致式协议声明,可发送拍照图像到PACS系统中

与示教室可进行双向交流

Ø  手术室内医师可使用全向拾音器或无线耳麦与示教室通话

Ø  示教室可采用无线耳机或桌面话筒与手术室通话

触控屏集中控制

Ø  通过触控屏可控制所有设备

Ø  触控屏为图形化界面,操作简单方便

5.2示教室、会议室可实现的功能

医生观摩室示意图

 

示教室示意图

示教室示意图

根据手术室内的手术类型可观看到无影灯高清术野图像(腔镜手术为高清内镜)和高清全景摄像机的画面。

与手术室实现互通

Ø  可与手术室内的医师沟通手术细节

Ø  可用于手术教学

Ø  示教室内的图像传输到手术室内

六、方案优势及特点

6.1信号任意显示切换

术室内共设置2块医疗影像显示屏幕(无影灯第三臂配置两块吊臂显示器、手术室墙壁嵌入安装壁挂全高清液晶电视),医生、护士以及直播操作人员可根据需要将合适的图像信号切换输出,用于给观摩人员收看。

 

6.2信号接入简单方便

手术室内各种医疗设备影像均可通过手术影像录制与手术转播模块记录、存储、传播。不仅支持高清内镜图像、高清术野图像、高清全景图像(图像格式支持业内最高的1080p 60Hz),还支持麻控工作站、PACS查询工作站、导航、C臂、B超等众多医疗影像设备输出的图像

手术室内的多路高清图像均可同时通过网络传输到医院内外的任何网络节点,相比传统的转播手段,不仅可以让观摩人员收看到手术室内更多的图像,还可将手术转播扩展到更大的地域范围。

医师、护士通过院内的网络和专用工作站可在手术室查询、调阅HIS\PACS\LIS等系统数据,给予医师更多术中的决策支持。

6.3录像清晰、全面

单间手术室支持多达6路可视信号的同步组合录播,可满足复杂手术及诊治环境下(如心脏介入治疗手术)医疗影像信号的全面完整记录,录制信号存储在一个单一文件中,方便传播及事后同步回放。

视频清晰度采用最先进H.264算法,支持720P/1080i/1080P,向下支持CIF/4CIF/480i/576i,最高可达1920X1080,音频采用AAC-HE算法,44.1k及以上采样,可高清晰记录和传播手术全程影音信息,充分展示数字化手术室系统和医疗观摩成果。

6.4观看地点不受限制,手术录像分享便捷

系统采用基于IP网络的传输技术,使用个人电脑通过网络访问转播系统即可收看手术转播、点播手术录像,手术教学可随时随地开展。

手术视频录制完毕后存储于带有网络访问功能的服务器中,医师手术完毕后使用任何一台电脑访问服务器即可下载手术视频,将手术视频文件刻录光盘或拷贝到移动存储设备中。

6.5观看方式多种多样

系统可以通过电脑登陆IE进行访问,还可以使用硬件解码器,解码输出至大屏幕或高清显示器上,解码输出完全支持1080P/1080i720PD1等信号。

6.6与临床系统应用无缝融合

系统采用基于WEBB/S架构,提供增值开发包及后期媒体编辑软件等管理软件,可与医院原有的OA/E-Learning/HIS/PACS等系统无缝融合,方便医生随时随地进行观摩和学习。

6.6系统运行安全稳定

采用嵌入式操作系统,防病毒感染和黑客攻击。

为满足医院不同应用,并保障安全,手术流媒体发布服务器支持内外网同时发布,一路节目输出到内网,一路节目输出到公网,2个网络输出物理隔离,并且在网络中断恢复后,手术直播系统具备自动恢复图像与语音传输的能力。

6.8最专业的研发团队

北京顺景科技有限公司拥有业内一流的专业技术研发团队,我们的母公司(北京邦丰网络)于2002年注册成立,公司十多年来长期致力于流媒体产品与应用平台解决方案的开发,我们深入医院了解用户需求,可以为用户量身定制合理的解决方案。

6.9多流录制、快速编辑

在直播的同时,系统可以将各路画面同步录制下来,录像文件可以进行剪辑、合并、重新录制旁白、图像渲染、添加字幕等多种后期制作功能,并且录像文件可以快速刻录成光盘。

6.10严格的权限管理

系统为每个授权用户分配一个全局唯一的用户名,每个用户通过自己设定的密码登陆系统,在使用不同的软件模块时使用同一个用户名;系统提供用户分组机制,用于简化用户授权;系统提供集中的用户及权限管理程序,通过系统管理员为用户授权,不同权限管理不同的内容;系统提供用户访问日志功能,对访问过的数据以及特殊的操作进行记录,并提供记录查看和检索手段。



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