馬解良

（浙江中醫(yī)藥大學(xué)信息與教育技術(shù)中心，杭州　310053）

?

淺談醫(yī)學(xué)虛擬演播遠(yuǎn)程示教系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

馬解良

（浙江中醫(yī)藥大學(xué)信息與教育技術(shù)中心，杭州310053）

摘要：隨著人類進(jìn)入信息化時(shí)代，信息技術(shù)、教育技術(shù)、遠(yuǎn)程通信技術(shù)、虛擬技術(shù)、醫(yī)療保健技術(shù)、多媒體技術(shù)融合及發(fā)展的形勢下，醫(yī)學(xué)虛擬演播遠(yuǎn)程示教系統(tǒng)孕育而生。醫(yī)學(xué)虛擬演播遠(yuǎn)程示教系統(tǒng)研究的出現(xiàn)，可解決醫(yī)學(xué)教學(xué)資源分布不平衡，不再受到時(shí)間及地理環(huán)境的影響，解決有些地方醫(yī)護(hù)人員，醫(yī)護(hù)知識(shí)全而不專，醫(yī)院人才人力緊張等問題。

關(guān)鍵詞：醫(yī)學(xué)虛擬演播室；遠(yuǎn)程示教；物聯(lián)網(wǎng)

1　研究背景

在現(xiàn)代社會(huì)中，隨著人們的生活水平的提高，對診斷和醫(yī)療有了更高的要求。有些大醫(yī)院名大夫排長龍，某些小醫(yī)院冷冷清清，因此出現(xiàn)了看病難看病貴，始終是繞不過的一道坎。

在傳統(tǒng)的封閉式醫(yī)學(xué)教學(xué)模式下，廣大農(nóng)村和西部的高層次衛(wèi)生人才下不去，也留不住，直接影響到我國實(shí)現(xiàn)“人人享有衛(wèi)生保健”的目標(biāo)，迫切需要中國高等醫(yī)藥教育服務(wù)的配套改革和外延發(fā)展。

2　總體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

醫(yī)學(xué)虛擬演播遠(yuǎn)程示教系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)典型的3層體系架構(gòu)，自上而下的分別為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)支撐層和感知延伸層如圖1所示。應(yīng)用層通過業(yè)務(wù)開放接口與網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行交互，感知延伸層通過泛在接入接口與網(wǎng)絡(luò)支撐層交互。

圖1　物聯(lián)網(wǎng)分層架構(gòu)圖

醫(yī)學(xué)虛擬演播遠(yuǎn)程示教系統(tǒng)的應(yīng)用層主要包括示教的各種具體應(yīng)用。它含有學(xué)生受教學(xué)習(xí)、醫(yī)學(xué)受教學(xué)習(xí)、大眾受教學(xué)習(xí)等，它涵蓋了示教整個(gè)活動(dòng)行為；網(wǎng)絡(luò)層主要支撐終端及感知延伸層的信息交流、路由與控制，為應(yīng)用層的物與物、人與物之間提供通信支持；感知延伸層（終端）主要來實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)示教過程中各種場景(實(shí)景拍攝加虛擬展示)信息采集，并通過通信模塊與網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行信息交互。

設(shè)計(jì)主要目的是為了在醫(yī)學(xué)虛擬演播遠(yuǎn)程示教系統(tǒng)環(huán)境下，幫助醫(yī)學(xué)院校學(xué)生、社區(qū)衛(wèi)生院醫(yī)務(wù)工作者及其它醫(yī)護(hù)人員解決實(shí)際問題，在相對短時(shí)內(nèi)，有效的提高醫(yī)護(hù)學(xué)水平，節(jié)約時(shí)間及節(jié)省開支，防止交叉感染[1]。

設(shè)計(jì)主要特征：在于互連性、虛擬性、普及性、創(chuàng)新性。互連性：是指不論受教者身在何處，只要互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)及終端設(shè)備，被受權(quán)的受教者可以觀看相應(yīng)示教內(nèi)容，在不明白之處，可向指導(dǎo)老師提問。為受教者提供詳細(xì)的全面的醫(yī)學(xué)示教內(nèi)容。虛擬性：在某些病變不能清楚看到或某些病菌看不到，可以用虛擬圖像來展示給受教者。普及性：通過互聯(lián)網(wǎng)，突破了城鎮(zhèn)與鄉(xiāng)村、大醫(yī)院與社區(qū)醫(yī)務(wù)所、學(xué)校與醫(yī)院之間的地域限制，突破了白天與晚上，上班與下班時(shí)間限制。創(chuàng)新性：借助相關(guān)科學(xué)技術(shù)豐富醫(yī)學(xué)示教，在法律及倫理許可范圍內(nèi)，對傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)示教模式一次變革，激發(fā)更多示教領(lǐng)域內(nèi)的創(chuàng)新發(fā)展。

3　虛擬演播設(shè)計(jì)

虛擬演播室(Virtual Studio System)是一門新興技術(shù)，是一種只有演員和道具，不需要實(shí)際場景的演播室系統(tǒng)。它主要依靠計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、傳統(tǒng)電視技術(shù)、色鍵技術(shù)、3D動(dòng)畫技術(shù)、傳感技術(shù)，并且結(jié)合了虛擬三維場景或二維的背景圖像實(shí)現(xiàn)節(jié)目的制作。場景的精度和質(zhì)量決定節(jié)目的質(zhì)量和最終效果。虛擬演播室如圖2所示，虛擬演播其實(shí)相當(dāng)于將虛擬技術(shù)應(yīng)用于實(shí)景演播室。采用攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)等數(shù)據(jù)信號及攝像機(jī)拍攝的實(shí)景延時(shí)經(jīng)色鍵扣像后與計(jì)算機(jī)生成的背景信號合成完美虛擬視頻，當(dāng)然在實(shí)際應(yīng)用中，相對還要復(fù)雜，比如多機(jī)位切換、信號同頻等。根據(jù)不同的原理可以分為二維系統(tǒng)、二維半系統(tǒng)、真三維系統(tǒng)。根據(jù)不同的跟蹤技術(shù)可以分為機(jī)械傳感器跟蹤系統(tǒng)、紅外線傳感跟蹤系統(tǒng)、網(wǎng)格識(shí)別跟蹤系統(tǒng)、超聲波跟蹤系統(tǒng)等[2]。

圖2　虛擬演播室的基本原理

4　實(shí)景系統(tǒng)設(shè)計(jì)

醫(yī)學(xué)虛擬演播遠(yuǎn)程示教系統(tǒng)的實(shí)景部分采用了高標(biāo)清兼容技術(shù)。以手術(shù)實(shí)景為例，采用2迅道微格攝像系統(tǒng)，包括全景高清攝像機(jī)(定機(jī)位)固定放置在每個(gè)示教室內(nèi)，術(shù)野高清攝像機(jī)（移動(dòng)機(jī)位）、云臺(tái)、DVI轉(zhuǎn)換器、模擬數(shù)字換器、光端機(jī)、軟切換臺(tái)、遙控單元、拾音話筒、音響及監(jiān)視器。所有攝像機(jī)、切換臺(tái)、遙控單元與虛擬部分的同步機(jī)同步。

圖3　實(shí)景示意圖

圖4　實(shí)景控制示意圖

實(shí)景部分由三大部分構(gòu)成如圖3所示，信號錄入部分主要有兩項(xiàng)，1）通過高清攝像機(jī)手術(shù)或?qū)＜议T診進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝，以手術(shù)示教為例，手術(shù)現(xiàn)場采集的圖像一般都由兩路高清晰度攝像機(jī)輸出，一路信號進(jìn)行手術(shù)過程的細(xì)節(jié)拍攝，另一路信號進(jìn)行手術(shù)室現(xiàn)場的全景拍攝。二）將內(nèi)窺鏡、各種監(jiān)護(hù)儀等設(shè)備產(chǎn)生監(jiān)護(hù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄；信號傳輸部分是將信號錄入視音頻信，通過光電轉(zhuǎn)換，光電轉(zhuǎn)換可以長距離傳輸，將信號傳入助理室教室內(nèi)，再通過光電轉(zhuǎn)換，還原視音頻信號；信號控制部分它也分為兩項(xiàng)，一項(xiàng)是主要通過控制器，走RS-422協(xié)議進(jìn)行，對兩臺(tái)高清晰攝像機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制如圖4所示，可調(diào)節(jié)攝像機(jī)鏡頭聚焦，拉近、推遠(yuǎn)，云臺(tái)的上下左右控制，使畫面更清晰，看的更全面。另一項(xiàng)是對視音頻信號切換控制，通過切換臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)切換需要的視頻，并控制助理示教員與現(xiàn)場主刀醫(yī)生（示教者）進(jìn)行語音交流。實(shí)景系統(tǒng)視音頻如圖5所示。

圖5　實(shí)景視音頻示意圖

5　遠(yuǎn)程多媒體設(shè)計(jì)

醫(yī)學(xué)虛擬演播遠(yuǎn)程示教系統(tǒng)遠(yuǎn)程多媒體部分由硬件和軟件系統(tǒng)兩部分組成。硬件系統(tǒng)主要包括寬帶網(wǎng)絡(luò)、多媒體服務(wù)器等，軟件系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)支撐軟件和多媒體制作軟件。

根據(jù)實(shí)際需要，需要解決流媒體在數(shù)據(jù)網(wǎng)上傳輸，需要解決音視頻的編解碼、網(wǎng)絡(luò)端的媒體服務(wù)、存儲(chǔ)、媒體流的傳輸，到最終用戶端的播放等一系統(tǒng)列的問題。完整的需求媒體流程傳輸如圖6所示。要求高清晰最終視音頻信號將存儲(chǔ)在本地磁盤陣列中，另一路高清晰最終視音頻信號編碼及壓縮后，形成流媒體文件，根據(jù)實(shí)際要求把流媒體文件（或直播媒體流）經(jīng)虛擬專用網(wǎng)絡(luò)（VPN)推至遠(yuǎn)端媒體服務(wù)器。媒體服務(wù)器根據(jù)受教者的請求，把流媒體文件（或直播媒體流）傳遞給受教者的媒體播放器上。在媒體傳輸過程中，還需要代理服務(wù)器進(jìn)行媒體內(nèi)容的轉(zhuǎn)發(fā)或分發(fā)。編碼和壓縮的性能、媒體傳輸?shù)馁|(zhì)量控制及服務(wù)器性能是設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的關(guān)鍵因素[3]。

圖6　媒體傳輸流程圖

6　系統(tǒng)在醫(yī)教中的應(yīng)用

在醫(yī)學(xué)虛擬演播遠(yuǎn)程示教系統(tǒng)過程中，名老專家醫(yī)護(hù)人員的示教過程可以直觀展現(xiàn)，細(xì)節(jié)內(nèi)容的直觀呈現(xiàn)。同步視頻觀看，語音及文字交流，有助于醫(yī)學(xué)受教者信息化能力的提高和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在醫(yī)學(xué)高清虛擬演播遠(yuǎn)程示教系統(tǒng)中，創(chuàng)建全新的教學(xué)環(huán)境中，由于示教端、受教端是通過互聯(lián)網(wǎng)直播或點(diǎn)播觀看流媒體視音頻，因此示教者和受教者的教學(xué)過程完全直觀。示教者和受教者的學(xué)習(xí)過程可以在虛擬演播室的虛擬環(huán)境中與高清實(shí)景拍攝無縫的融合，示教者和受教者雖相隔較遠(yuǎn)，但卻可以實(shí)現(xiàn)同處一地的教學(xué)過程。示教者可以正常的門診或手術(shù)等，助教可以用虛擬事物補(bǔ)充教學(xué)中的不足，為受教者提供靈活多樣的、豐富多彩的示教內(nèi)容。一些不易看到的，危險(xiǎn)性較大的手術(shù)或診斷，可以通過虛擬技術(shù)，較為直觀呈現(xiàn)給受教者面前，不但可以加強(qiáng)受教者對學(xué)習(xí)內(nèi)容的了解，還可以放便受教者模仿、觀察，達(dá)到事半功倍的效果。在異地同步遠(yuǎn)程示教過程中，受教者可以將學(xué)習(xí)中的問題及時(shí)給助理示教者，助理示教者可以及時(shí)解答受教者的問題，了解受教者撐握的情況。在符合教學(xué)目標(biāo)的醫(yī)學(xué)示教環(huán)境下，受教者通過示教者演示、自己模仿或者是直接參與示教者策劃的教學(xué)活動(dòng)，可以開闊創(chuàng)新精神，提高自主的收集、整理、分析和加工信息的能力，并在示教者有意識(shí)的引導(dǎo)下，形成辯證、科學(xué)、唯物的學(xué)習(xí)觀和世界觀，為今后的醫(yī)學(xué)學(xué)習(xí)道路奠定堅(jiān)實(shí)的醫(yī)學(xué)學(xué)習(xí)能力方面的基礎(chǔ)[4]。

1）在醫(yī)教中保護(hù)受教者的實(shí)現(xiàn)：既減少醫(yī)院內(nèi)交叉感染，如受教者在比較危險(xiǎn)情況的環(huán)境（高危傳染、流行病或放射環(huán)境），采用醫(yī)學(xué)虛擬演播遠(yuǎn)程示教系統(tǒng)可以完全避免這些侵害。2）在醫(yī)教中避免或減少患者危險(xiǎn)性的實(shí)現(xiàn)：比如在手術(shù)過程，一般有些關(guān)鍵手術(shù)需要一步位，但作虛擬示教可重復(fù)性、零風(fēng)險(xiǎn)，虛擬示教系統(tǒng)不會(huì)對患者造成多次傷害。3）減少醫(yī)患間醫(yī)療糾紛的實(shí)現(xiàn)：在醫(yī)教門診或手術(shù)全過程中同步高清錄制，全程可看可控，減少和避免了醫(yī)療糾紛。改善了目前日益緊張的醫(yī)患關(guān)系。4）節(jié)省受教者的時(shí)間、空間的實(shí)現(xiàn)：在傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)教學(xué)中，實(shí)習(xí)學(xué)生臨床教學(xué)必需在規(guī)定時(shí)內(nèi)，到指定醫(yī)院實(shí)習(xí)。但采用醫(yī)學(xué)虛擬演播遠(yuǎn)程示教系統(tǒng)，完全擺脫了傳統(tǒng)教學(xué)模式在時(shí)間、空間和人數(shù)上的限制。5）節(jié)省費(fèi)用的實(shí)現(xiàn)：節(jié)省了教育投入，提高了教學(xué)效率，在培養(yǎng)年輕醫(yī)護(hù)人員中，充分體現(xiàn)了現(xiàn)代教育理念的現(xiàn)實(shí)性和前瞻性的緊密結(jié)合。

參考文獻(xiàn)

[1]唐雄燕，李建功.基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧醫(yī)療技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[2]Moshe Moshkovitz.夏力等譯.虛擬演播室技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[3]王蔚.多媒體應(yīng)用技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[4]王廣林，趙剛，王敏.虛擬課堂教學(xué)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)(專業(yè)版)，2008，107(10):84-86.

Discussion on the Design and Application of Medical Virtual Studio Remote Teaching System

MA Jieliang
(Center of Information and Education Technology, Zhejiang Chinese Medicine University, Hangzhou 310053, China)

Abstract:As human entering the era of information, medical virtual studio remote teaching system was established through the integration and development of information technology, educational technology, telecommunications technology, virtual technology, healthcare technology and multimedia technology. The research on medical virtual studio remote teaching system is able to resolve uneven distribution of medical education resources, geographical influences, unskilled local healthcare practitioners, limited manpower in hospital and so forth.

Keywords:virtual studio system; remote teaching; internet of things

收稿日期：（本文編輯：張文娟本文校對：黃莉萍2015-11-24）

doi:10.3969/j.issn.1672-2779.2016.06.013

文章編號：1672-2779（2016）-06-0026-03