数字化手术室设计方案

9/9数字化手术室设计方案数字化手术室

设计方案

中国航天科工集团二院七○六所

2012.1

一、项目概述

(一)项目建设背景

数字化手术室起源于上世纪90年代初，与传统的“封闭式”手术室相比，数字化手术室实现了信息的开放与流通。利用实时数据检测和远程医学影像技术的结合，医生可以实时、便捷地获取大量与患者有关的信息，并在精确导航系统的帮助下实施更为精准的手术，从而大大提高手术的效率和成功率。同时，实时的视频传输也为手术室内外的交流以及手术观摩和远程教学提供了可靠的通道。除此之外，大量的术中资料也为科研以及循证医学提供了宝贵的资源。

相对于传统的手术室，数字化手术室的革新意义显而易见，它使得原来的“信息孤岛”变成了名副其实的信息中心，所有关于患者的信息都在这里得到了最佳的融合。一项美国的调查报告显示，数字化手术室能使手术效率平均提高5％-10％；同时，在数字化手术室中医生做出最佳决定的几率也得到了显著提高，因此能从整体上显著提高医院的经济和社会效益。

数字化手术室的建立，不会对医生提高要求——为了提高手术的效率和安全性，触摸屏只需护士操作就可以。虽然其背后的技术含量很高，可是对用户来说，只是非常简单、人性化的操作，不会增加医生手术的难度。

数字化手术室，无论是查看PACS影像，在异地对手术医生进行远程协助，还是和病理科或重症监护室进行实时视讯会诊，都能在正确的时刻，帮助医生做出正确的决定，从而提高手术的效率和安全性。

(二)项目总体要求

1、项目基本情况介绍

2、项目建设目标

数字化手术室是医院数字化建设的重要组成部分，项目的建设目标是：将手术室、医生办公室、护士站、教室、病房以及医院其他各个部门，进行网络系统连接，提供具有高度兼容性的设备以及一套手术室信息集成与控制平台，有效存取手术病人信息数据库和教学视频的相关资料，方便医生了解病人的各种信息，为手术方案制定和手术过程的进行提供综合、快速的参考。实现：?利用高清视频和网络技术，实现手术室信息采集、整合与传输上的突破，将与手术相关的信息安全、有效、清晰地传输

给手术参与者（包括手术医生、护士、会诊专家等）和手术

观摩者。

?可与手术医生实现实时语音视频交互。

?与现有医疗系统集成。

?通过海量数字化存储技术，对手术进行高清录制、存储，并提供有效的视频点播、视频后处理等功能。

?在满足一定带宽基础上，可以与接入互联网的远端医生进行互动和培训。

3、项目设计原则

(1)、实用性

以现实需求为导向，以有效应用为核心，以技术建设与工作机制的同步协调为保障，确保系统能有效服务于医疗工作，提高医护人员的工作效率。

同时，客户端要求操作简单，图像清晰；整个系统能实现互联

互控，充分发挥整个系统的综合功能。

(2)、可靠性

本系统无论在网络、系统平台，还是在系统应用方面都具有一定规模，系统的运行可靠性是主要性能之一。本系统必须确保24小时不间断的正常运行。

本系统的可靠性主要体现在采用行业内的最新技术和高品质设备和软件，设备和软件选型以专业生产厂商为主；关键设备采用成熟厂家的设备；为了保证系统的联动性和稳定性，必要时需考虑联网设备采用统一品牌。

系统以严格的权限控制机制，以工作角色确定每个人的工作权限，使信息和数据安全可靠。

(3)、先进性

系统充分考虑到技术发展对行业带来的变化，在系统的建设中，应用较为前沿的技术，采用全数字高清、IP网络、一体化集成控制等先进技术，以保证系统在若干年内的先进性。

(4)、开放性

系统应符合国家标准和行业规划，能提供用于系统集成的软、硬件接口，使系统具备良好的灵活性、兼容性、可扩展性。可兼容已存在的主流产品和系统，保证用户投资。

(5)、经济性

在保证系统先进性的同时，系统在设计中还应充分考虑设备的选型，配置参数以及性能、价格等因素，同时考虑现有各种资源及设备，以减少系统重复投资。

系统在同类系统中具有最优的性能价格比。其费用包括以下内容：系统本身的价格；系统运行、系统升级及维护费用；对系统实

施现场的特殊要求所需的费用。

(6)、系统的安全性

?网络的安全性

保证系统的正常运行，特别是手术过程中的系统的正常运行，应采取比较严密的安全措施，保证影响资料、医疗档案等的安全性，防止窃密、泄密事件的发生。

?软件系统的安全性

操作系统的安全规范必须满足国际C2级标准，可以保证不被黑客所攻击。数据库的高级用户帐号及密码由服务器的系统管理员设定，数据库的普通用户帐号及密码权限由数据库高级用户（数据库管理员）设定。系统定时自动将主数据库服务器的数据备份到备份服务器中。系统维护人员可随时方便地对数据进行备份和恢复。

?应用程序的安全性

所有的操作人员进入系统前应通过工号和密码进行登录，并通过认证，核对准确后方可进入系统。

所有的操作人员均授予相应的级别及权限，任何越权的操作必须被拒绝。所有的操作与登陆信息均应有记录，并可以根据工号或密码进行查询。除基本资料外，工作人员不得对用户的其它资料或数据进行篡改，除非是系统的授权人员。

(7)、系统的可扩展性

随着系统的扩容，用户数量会不断扩大，对新功能的要求也将不断增加。这要求系统具备良好的可扩性，因而在建设初期，除了满足现有要求之外，还必须考虑系统的可扩容性，以保证今后发展的需求。

系统的各个组成部件选用标准的硬件和软件，采用模块化设

计，使系统可以通过增加模块的方式进行扩容；系统的接口要求规范化，从而使软、硬件能够平滑升级或更新，网络节点的增减对网络性能没有影响。

4、项目设计标准

可靠性和准确性是系统建设中永远追求的目标。因此本系统建设涉及的所有设计、施工、设备、材料和工艺均符合相关的国家标准和信息产业部的规定。特别是本系统将直接应用到医疗、会诊、远程教学等场合，它也同样应满足有关规定。具体来讲，整个系统建设中的所有工作均满足如下规范：

《视频安防监控系统技术要求》（GA/T367－2001）；

《民用建筑闭路监视电视系统工程技术规范》（GB50198－96）；

《中国电器安装工程施工及验收规范》（GBJZ32－90－92）；

《信息技术客户通用电缆铺设要求》（ISO/IEC11801）；

《工业电视系统工程技术规范》（GBJ115－87）；

《视音频编解码标准——视听对象的编码（6部分）》（ISO/IEC14496）；

《工业企业扩音通信系统工程设计规程》（CECS62－94）；

《工业企业通信工程设计图形及文字符号标准》（ECS37－91）；

《广播传音电缆线路工程建设技术规范》（GY5053－94）；

《音频、视频及类似电子设备安全要求》（GB8898－2001）；

《测量、控制和试验室用电气设备的安全要求》（GB4793－2001）；

《信息技术设备的安全》（GB4943－2001）。

另外，所有的设计、施工和设备均应满足数字化手术室系统建设的实际需求。

(三)项目需求分析

1、应用需求

通过本系统，可以对手术室进行全方位监控和全过程记录，使用者可以在多个图像采集点之间进行实时的语音和图像交互，可通过触摸屏对手术室内的设备如手术台、无影灯、环境灯带、摄像机等的控制，为手术室的工作提供了便利，并可进行大范围的手术示范、教学以及远程会诊。

1、提供显示手术必须的医疗信息，如病人信息，相关视频信息等。

2、对灯光、影像、手术信息等进行集中控制和管理。

3、手术排班信息管理。

4、无论监控仪器的视频，还是摄像头输出信号，都可以灵活在任何一个显示器上显示，使影像脱离了机器的束缚。

5、手术过程中的动态影像、静态的照片及语音信息均可以完整的保存，从而有效、方便地对所有病人相关文本和图像数据进行归档。亦可在院内网络实现对此部分的调用。

6、远程教学，远程交流。术中学术交流系统具有真实、高效、实时的特点，实时传输视频与音频信息，使与会者可以远距离进行直观、真实的视音频交流，是一种便捷而有效的医学学术形式，远程学术会议使各方与会人员身临其境，并进行“面对面”的对话。

7、全触摸屏操作，方便快捷：无菌区里语音或触摸屏遥控手术室医疗设备、音响等外围设备。

2、功能及性能需求

(1)、一体化控制功能需求

?通过触摸屏实现对无影灯、手术床及环境灯带的集中控制。

?无影灯、手术床均要求通过RS485连接控制。

?实现控制无影灯的一、二次聚焦及电源开关。

?实现控制手术床的多位移（升降、平移、左右倾、前后倾、背板升降、一键复位、刹车及解锁等）动作。

?实现手术室内周围环境灯带的分组开启及关闭控制操作。

(2)、音视频管理功能需求

摄像机可根据实际需要选配，系统支持的模拟摄像机应达到720×576（D1）的广播级要求，数字摄像机应达到1280×720（720p）高清标准。图像的网络延迟不大于0.5秒，能够满足交流的要求。

?通过手术室内悬挂的高清液晶电视墙将手术中患者的术野高清影像进行放大呈现。术野影像的拍摄采用高清IP摄像机，

摄像机分辨率应达到720p。

?手术室内的触摸屏工作站，可以完成中心授权和控制、本地授权、本地请求、本地推送等影像操作，实现手术室与医生

办公室、其他手术室、护士站等场所基于H.264、G.711的音

视频通讯。

?实现集图像、影像、文本数据的混合编辑和显示。可将编辑后的综合图文、视频影像信息推送至高清液晶电视墙上，辅

助医生进行术中导航操作。

?预留HIS、PACS、LIS、RIS等系统接口，实现与医院其他医疗系统的信息集成。

?护士站可实现各手术室全景视频影像的集中监控。

?医院内的视教会议中心可实现现场教学及观摩。

?通过WEB实现网上影音传送与交互，用于远程专家会诊建议、教学观摩应用及医疗研讨等需求。

(3)、触摸屏客户端软件功能需求

?集成一体化控制系统和音视频管理系统，并支持热键快速切换功能。

?用户操作界面具有最佳的可视化效果，如界面布局、字体及文字描述、色彩及对比度、快捷功能键定义等。

?触摸屏点选操作功能要求操作简捷、响应迅速。

?界面突出显示手术时间、进度，并定义工作状态。

?实现对所有摄像装置定义名称并加权控制，允许改变配置、增加设备、定义访问权限。

表1客户端软件功能需求表

3、数据需求

医院信息系统的建立，在为医院提供大量的基础数据的同时，也会逐渐积累大量的医疗信息，比如患者的就诊信息、治疗方案、生命体征记录、检验记录、影像诊断记录等构成患者的病案信息，而这些病案信息是为患者以后再进入医院的参考信息。大量病案和典型病历的积累也是医生从事医学研究和对其他患者进行诊断参考的依据。

与手术相关的信息源包括：病人基本信息、图像（X光、超声、MRI、病理等）、检验参数、生理监控参数、麻醉参数、手术视频、手术环境、手术器械等，这些信息存在形式包括文本、信号、图形、图像、视频等，其特点是信息量大、信息源多、价值高。

本系统实现基于上述信息的采集、传输、显示、管理与控制。

二、总体方案设计

(一)系统组成结构模拟摄像机网线DVI/VGA视频线485控制线模拟音频线模拟视频线IP摄像机触摸屏工作站扬声器麦克风触摸屏

工作站麦克风扬声器扬声器图1数字化手术室集成与控制平台的系统架构

数字化手术室集成与控制平台包括一系列的硬件设备：?医疗设备

包括手术台、无影灯、环境灯带等固定安装在手术室中的医疗设备，以及其他移动式的医疗设备。医疗设备通过485控制线连接到安装在手术室内的医疗设备集控器上。

?医疗设备集控器（EIC：EquipmentIntegrateController）用于对医疗设备进行一体化集成控制，例如控制手术台移动、倾斜，控制无影灯聚焦、以及环境灯带的分组开关等。?影音设备

包括数字或模拟摄像机、语音对讲设备（麦克风/拾音器、扬声器/音箱）、液晶显示大屏等。这些设备或者直接入网（如IP数字摄像机），或者通过音视频线、485控制线连接到影音控制设备（如DVS、显控终端、触摸屏工作站），实现手术室监控、影音交互等各

项功能。

?视频服务器DVS

若手术室内安装有模拟摄像机，需同时选配视频服务器DVS，DVS的功能是对模拟视频信号进行采集编码，将处理过的数字视频流传送到网络中，供媒体服务器进行处理；同时，DVS还承担了对模拟球机或云台的控制任务，负责控制模拟摄像机变换监控角度，调整摄像机的参数等等。

?触摸屏工作站

安装集成控制与影音管理客户端，是用户向系统内其他设备发出控制和交互指令的主要工具。完成设备管理和控制，音视频的播放、编排和推送等工作。

?显控终端（DCC：DisplayControlClient）

提供H.264解码和图文混排功能，与触摸屏工作站通讯，实现推送内容在高清液晶显示器上的显示。在视教会议中心，显控终端还具有播放声音的功能。

?媒体服务器（MediaServer）

用于控制授权其管理的监控设备，完成数字视频流的接入、转发、和存储，并集成了数字摄像机的控制功能。

?其他设备

包括控制机柜、千兆网主交换机、WEB服务器、数据库服务器、集中存储设备等用于支持系统正常运行的基础设施。

?其他客户端

应用于不同场所的集成控制与音视频管理客户端，需要参与交互的可以配置为C/S模式，本地示教采用C/S模式，远程示教、远程观摩配置为B/S模式。

(二)系统功能结构

图2从另应用功能角度说明了数字化手术室各组成部分之间的关系以及功能模块构成。

图2数字化手术室系统组成框图

系统功能结构可概括如下：

1、集成控制与影音管理

是系统与用户进行交互的主要途径，可以安装在触摸屏工作站、普通PC机、笔记本电脑等具有处理能力的设备上，部署在手术室、护士站、医生办公室等需要进行交互的场所，主要包括如下功能模块：

?影音管理：控制视频监控设备、语音对讲设备（扬声器、麦克风）实现各场所内医护人员的实时影音交互；还支持视教

会议观摩、影像记录存储等功能；

?导航编辑：将从各种渠道获取的图像和文字资料混合编排，

即在屏幕上指定位置、指定大小的区域内显示指定的内容，这些内容可以是来源于其他医疗系统的文字、影像信息，也可以是来源于本系统的实时或历史影像资料，以及用户输入的文本信息等；

?实时监控：基于手术室分布平面图查看手术室的基本信息、状态信息、手术信息、全景视频；可是同时对多个手术室的全景画面进行实时监控，对视频播放画面进行布局管理，支持对视频播放窗口的位置、大小随意调整，对齐调整；

?信息查询：支持按时间、按设备、按手术室、按手术、按类型等多种历史资料查询方式，查询结果先列表显示，用户可以通过点选结果列表中的某项来观看历史视频，对历史视频的播放同样支持快进、慢放、暂停、转存等功能。支持最多4路历史视频同时播放；

?信息维护：维护手术室基本信息、状态信息、手术信息、手术人员信息、患者信息；

?系统维护。包括用户管理、日志管理、系统配置管理等功能。

?设备管理。包括监控设备和医疗设备管理两部分，支持对两类设备的增加和删除，以及对设备信息的更改；支持基于电子地图的设备部署；

?设备控制：实现手术台、无影灯、环境灯带等手术时医疗设备的控制，主要指发出控制指令，与设备集控PLC交换信令，完成用户指定的控制操作；

?音视频解码：完成向流媒体转发功能模块申请媒体流，并对获取的媒体流进行解码输出的功能。支持H.264视频解码，

G.711音频解码；

2、通讯模块

为了保证数字化手术室各子系统之间的独立性，在集成控制与音视频管理客户端与系统其它组成单元之间设计了通讯模块。通讯模块总是成对出现，分别运行在需要进行信息交互的单元之间，承担起在系统间传递信令和数据的工作。

根据承担的通讯任务，本系统设计实现3类通讯模块：

?监控通讯模块。运行于媒体服务器MediaServer上，完成监控指令的传递，监控设备状态的收集工作；

?集控通讯模块。运行于客户端与各医疗设备集控单元EICU上，实现设备控制指令的传递、解析和转发功能；

?显控通讯模块。运行于客户端与显控终端DCC上，承担显示数据的推送和接收处理任务。

3、医疗设备集成控制单元

接受客户端指令，实现对手术室内的医疗设备的自动控制。设备集控单元主要实现如下控制功能：

?无影灯的一、二次聚焦及电源开关；

?手术台的升降、平移、倾斜、背板升降、一键复位、刹车及解锁等；

?手术外围环境灯带的分组开启和关闭；

?集控通讯模块预留与其它医疗信息系统（如PACS的）的通讯接口，用于与其他医疗信息系统交换医患信息、影像资料

等。

4、媒体服务

接受客户端指令，实现对手术室内的监控设备，包括数字摄像

机、DVS的控制。监控设备代理单元主要实现如下控制功能：?摄像机监控角度调整；

?摄像机镜头缩放倍率调整；

?摄像机镜头聚焦；

?摄像机参数（如对比度、照度、快门、光圈等）调整。

5、显控终端

接受客户端指令，将图文混排的结果显示到液晶大屏上。包括：

?音视频解码；

?显控信令的解析和处理；

?结果的输出显示——影音播放。

6、示教终端

安装在示教室，实现对本地手术室和远程手术室的实时手术示教、手术观摩，对历史录播视频实现示教功能。

?实时示教：示教申请，直播视频回放，音频交互，音量调节，云镜控制，视频抓拍。

?录播示教：手术相关信息查询，视频信息查询，视频播放、暂停、回放、停止。

?视频显示：视频多种分屏模式显示，视频关闭，视频比例调整。

?视频下载：可将历史视频下载到本地。

?视频上传：对本地视频上传到示教系统中，并可以在系统中进行播放等控制。

三、系统应用软件介绍

(一)手术室集中控制系统

安装在手术室内，实现对手术室的监控，医疗设备的集中控制，手术信息的记录，信息查询，具有视频录像和图像抓拍功能，另外可以实现影音交互，远程视教，视频推送，视频切换，音量控制等功能。

(二)示教系统

安装在示教室，实现对本地手术室和远程手术室的实时手术示教、手术观摩，对历史录播视频实现示教功能。具体包括示教申请，获取手术视频，多种分屏模式显示，关闭视频，视频比例调整，直播视频回放、暂停、恢复直播，摄像机云镜控制，实时视频抓拍，语音对讲，音量调节。录播示教提供手术相关历史视频的查询和浏览，并提供对历史视频进行播放、暂停、回放、抓拍、下载功能，多屏模式显示视频。

播放面板

分屏模式视频控制

系统工具栏

(三)集中监控系统

安装在护士站集中监控站，显示各在线手术室的状态信息，向在线手术室进行视频申请和语音交互申请，同时可以进行视频切换、音量大小控制，视频播放模式切换；可在手术室外对手术室视频进行录像，监控各手术室与示教室的交互状态；手术安排。

四、安全体系设计

(一)安全性设计要求

从体系结构来看，安全体系应该是一个多层次、多方面的结构。通过对公安系统业务所面临的安全状况的分析，可将整个网络的安全性在总体结构上分为四个层次：网络层安全、应用层安全、系统层安全和管理层安全。

网络层安全是指在网络的下三层(物理层、链路层、网络层)采取各种安全措施来保障网络平台的安全；

应用层安全是指通过利用各应用系统和数据库自身的安全机制，在应用层保证对网络上所承载的各种网络应用系统的信息访问合法性；

系统层安全主要是通过对操作系统的安全设置，防止不法分子利用操作系统的安全漏洞对网络构成安全威胁；

管理层安全主要是从网络所涉及的各分局和各派出所各级网络用户内部安全管理和计算机病毒防范两方面来保障网络的安全。(二)数据访问的安全性

登录验证机制：用户登录时，需要输入系统分配的用户名和密码。

授权机制：系统提供完善的授权机制，可以灵活地分配用户可以查看的摄像机、可执行的