Разработка метода контроля действий хирурга в вертебрологической операционной с помощью технологий телемедицины

Актуальность.

Применение информационных компьютерных технологий для передачи данных, в частности интернет-технологий, находят все более широкое применение в клинической медицине. В тех случаях, когда необходимо предоставление медицинской информации на расстоянии возможно применение методов телемедицины. По определению Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ) телемедицина («медицина на расстоянии», от греч. «tele» - вдаль, далеко) – метод предоставления услуг по медицинскому обслуживанию там, где расстояние является ключевым фактором. По своей сути телемедицина является направлением на стыке нескольких областей – медицины, телекоммуникаций и информационных технологий. Исследование возможностей использования каналов связи для оказания медицинской помощи на расстоянии предпринимались еще в начале XX века. Так, например в 1905 году основоположник ЭКГ В. Эйтховен предпринял попытку передачи кардиосигнала по телефону. В Швеции с 1922 года в университетском госпитале Готтенбурга по радиоканалам проводились медицинские консультации моряков, находящихся в плавании.  В 1959 году в США была проведена первая телевизионная консультация, и в том же году из США в Канаду было передано изображение флюорограммы. В 1965 году кардиохирург М. Дебейки через канал спутника связи консультировал ход операции на сердце, выполняемой в Женеве (Швейцария). В России история телемедицины ведет отсчет с момента возникновения космической медицины. С 1960-х годов применялись биотелеметрические методы контроля параметров жизнедеятельности летчиков и космонавтов. Примечательно, что активное участие в этих проектах принимал первый врач-космонавт Б.Б. Егоров, который был включен в экипаж вместе с К.П. Феоктистовым  и В.М. Комаровым.  Для обеспечения врачебного контроля применялась аппаратура «Вега-3». В 1970-е годы в крупных городах России была создана сеть центров дистанционной кардиологической диагностики «ЭКГ по телефону», которые можно считать прямым прообразом телемедицинских центров.  Первым крупномасштабным проектом в области телемедицины стала организация телемоста между СССР и США для консультации пострадавших во время землетрясения  в Армении и взрыва газопровода в Уфе в 1988-1989 гг. С 1996 года в рамках реализации проекта «Здоровье» телемедицина представлена как одно из важных направлений повышения качества оказания медицинской помощи. К функциям современной телемедицины следует отнести:

• трансляция и передача видеоизображения и медицинских данных;
• консультации в режиме реального времени;
• проведение интерактивных консилиумов;
• диагностика;
• дистанционное обучение;
• «домашняя телемедицина» (когда пациент проходит курс лечения в домашних условиях).

Основными преимуществами телемедицины являются скорость передачи медицинской информации и её сравнительно низкая стоимость.

Очевидно, что применение технологий телемедицины актуально для медицины в целом, но она оказывается еще более полезной для сверхсложных и быстроразвивающихся ее направлений. Наглядным примером этого является хирургия заболеваний позвоночника и спинного мозга. Развитие хирургии позвоночника с начала XX характеризуется постоянным усовершенствованием применяемых хирургических методов. Несомненно, это стало возможным благодаря развитию смежных медицинских технических дисциплин. Основные пики развития спинальной нейрохирургии традиционно совпадают с достижениями в смежных направлениях. Так, например, появление и, самое главное, постепенное распространение таких методов диагностики, как компьютерная и магнитно-резонансная томографии (1970-80е годы) стали платформой для появления большого количества методов лечения заболеваний позвоночника и спинного мозга. Развитие самих хирургических методов прошло путь от простых декомпрессивных – до сложных сочетаний декомпрессивных и  реконструктивных операций, направленных на сохранение и восстановление утраченных функций. Число ежегодно выполняемых хирургических операций при заболеваниях позвоночника и спинного мозга возрастает. Динамика увеличения числа операций в отделении «спинальная нейрохирургия» НИИ нейрохирургии представлена в диаграмме 1.

К сожалению, ведущие специалисты не могут присутствовать на каждой операции, хотя наличие возможности интерактивной интраоперационной консультации с ними в некоторых случаях оказывается важной. Изначально, как видно на вышеприведенных примерах, телемедицина была ориентирована на взаимодействие между различными (территориально удаленными) медицинскими и иными учреждениями и людьми. Развитие технологий телемедицины позволяет нам активно продвинуться в направлении решения внутренних задач научно-клинического учреждения. В этой статье мы рассмотрим реализацию с помощью телемедицинских технологий возможности контроля действий оперирующей бригады в режиме «онлайн».

Цель исследования – разработать схему трансляции видеосигнала с камер, установленных в операционной на стационарные и мобильные устройства в режиме «онлайн» и инсталлировать прототип, работающий по этой схеме.

Материалы и методы

С начала 2000-х годов в НИИ нейрохирургии имени акад. Н.Н.Бурденко РАМН функционирует система телевизионной трансляции видеоизображения с различных источников из операционных (камеры общего вида и микроскопа) посредством коаксиального кабеля. Такой подход обеспечивает простой способ получения видеоизображения из операционной на телевизоре, к которому подведена коаксиальная сеть. Использование телевизионной коаксиальной сети имеет ряд недостатков:

• Ограниченная разрешающая способность передаваемого видеоизображения (720х576 для PAL);
• Необходимость прокладки коаксиальной линии передачи изображения к каждому телевизору, на котором планируется просмотр изображения;
• Необходимость усиления сигнала с увеличением расстояния передачи;
• Невозможность трансляции изображения за пределы кабельной сети Института;
• Отсутствие обратной связи – возможно только трансляция от источника к зрителю;
• Необходимость оцифровки сигнала для внедрения в инфраструктуру информационных технологий (IT).

В этой статье мы рассмотрим две схемы трансляции видеоизображения из операционной.

Схема I: трансляция с использованием дополнительного Программного Обеспечения (ПО) и выделенного сервера.

В схеме I рассмотрена передача видеосигнала к пользователю через промежуточный сервер, установленный в центр обработки данных (ЦОД) за пределами медицинского учреждения.

Так как аналоговая сеть вещания уже развернута в НИИ нейрохирургии имени акад. Н.Н.Бурденко РАМН, то для передачи видеоинформации в ЦОД посредством сети «Интернет» необходимо преобразование аналогового сигнала в цифровой.

В качестве ЦОД может выступать любая площадка, специально предназначенная для размещения серверного оборудования с подготовленной инфраструктурой для передачи больших объемов информации с высоким качеством и подключенных к сети «Интернет». В предложенной схеме из НИИ нейрохирургии имени акад. Н.Н.Бурденко РАМН в ЦОД передается только одна копия видеопотока, а для просмотра клиенты подключаются к ЦОД. Таким образом, минимизируется объем передаваемой информации, что не потребует высоких расходов на трафик и изменения в сетевой инфраструктуре НИИ нейрохирургии. Схема вещания изображена на рисунке 1. Так же в такую систему планируется включить возможность передачи аудио сигнала между участниками вещания (операционной и руководителем) для организации консультации в наиболее сложных ситуациях, возникающих в процессе проведения операции.

Основными элементами системы являются станции кодирования и трансляции (СКТ) и сервер ретрансляции. СКТ представляет собой обычный компьютер с минимальными требованиями к производительности (технические возможности будут ограничивать качество передаваемого видеопотока). В стенде, в качестве СКТ используется ноутбук «Lenovo ThinkPad x200s» с процессором «Intel Core 2 Duo». В качестве операционной системы (ОС) может использоваться как «Windows», «MacOs» так и «Linux». Предпочтительней является использование системы «Linux», так как она относиться к свободно распространяемому программному обеспечению (ПО) и не требует покупки лицензии, а так же позволяет достичь максимальной производительности и гибкости.

Для преобразования аналогового PAL сигнала в цифровой используются специальные устройства – USB ТВ-тюнер. В качестве USB ТВ-тюнера могут использоваться любые доступные на рынке решения позволяющие принимать аналоговый телевизионный сигнал в формате PAL. На  тестовом стенде проводились испытания следующих USB ТВ-тюнеров: «AVerMedia Volar Lite», «AVerMedia Volar Lite II», «AVerMedia Volar Go». Для обеспечения питания ТВ-тюнеров использовался USB-концентратор.

Для преобразования и сжатия  цифрового видеопотока (транскодирования) используется свободно распространяемое программное обеспечение – ffmpeg [2]. Программное обеспечение позволяет транскодировать видеопоток из различных форматов (видео-устройства, файлы, сетевые потоки и т.д.) и передавать по сети на удаленный север трансляции с использованием протокола «RTMP». Программа «ffmpeg» позволяет осуществлять тонкую настройку параметров передаваемого видео изображения.

В качестве сервера ретрансляции может использоваться обычный компьютер с минимальными требованиями, но это наложит ограничение на количество клиентов, которые могут одновременно просматривать видео на сайте. Рекомендуемые характеристики для сервера ретрансляции при подключении не более 20 пользователей и видеопотоку 500 кб/с следующие:

• ЦП – 500 МГц;
• Оперативная память – 256 Мб.

В качестве операционной системы используется «Linux – CentOS 5» [6]. Для организации ретрансляции используется свободно распространяемая версия программ «Flussonic video streaming server (Flussonic)». «Flussonic» позволяет организовывать ретрансляцию с минимальными требованиями к аппаратному обеспечению [4]. Для предоставления доступа к ретранслируемому видеопотоку используется веб-страница с включенным кодом плеера («Jwplayer») [3]. Безопасность доступа к видеопотокам обеспечивается парольной защитой. Алгоритм с системой на практике представлен на рисунке 3.

На мониторе пользователь видит следующее изображение (Рисунок 4).

Правовой аспект данного проекта включен в добровольное информированное согласие, подписываемое пациентом или его доверенным лицом перед операцией (пункт 6).  Разрешение видеоизображения, которое передается в сеть «Интернет» с камеры общего вида не позволяет идентифицировать личность пациента, а требуется для того чтобы руководитель видел расположение операционной бригады. Видеоизображение, транслируемое с камеры микроскопа, также является полностью обезличенным, поэтому данная система трансляции не нарушает  статьи 13 Федерального закона от 21.11.2011 №323-ФЗ (ред. от 25.06.2012) «Об основах охраны здоровья граждан в Российской Федерации».

Схема II: трансляция с использованием IP-камер и аппаратных видеосерверов-энкодеров.

В схеме II трансляция ведется без использования оборудования и сервисов, установленных за пределами медицинской организации. Все решение находится на территории Института.

В рассматриваемой нами ситуации наличия внутренней телевизионной сети, схема трансляции содержит в себе этап модулирования низкочастотного сигнала с операционного микроскопа и камеры общего вида в высокочастотный телевизионный сигнал (ТВ-сигнал). Это необходимо для передачи нескольких сигналов из различных операционных по единой коаксиальной кабельной сети на абонентские телевизоры. В схеме I использовался USB ТВ-тюнер для получения цифрового низкочастотного видеоизображения из ТВ-сигнала. Тем самым проводилось двойное преобразование видеосигнала в ТВ-сигнал и обратно. Это двойное преобразование можно исключить из схемы. На сегодняшний день на рынке доступны видеоэнкодеры (VideoEncoder) – устройства, осуществляющие захват, оцифровку и сжатие низкочастотного видеосигнала. При использовании этих устройств, схема трансляции может быть упрощена за счет исключения модулятора и тюнера. Мы использовали видеоэнкодер «TrendNet TV-VS1P», поддерживающий стандарты сжатия «H.264», «MPEG4», «MJPEG» [8].

Одним из упомянутых выше недостатков сети телевидения стандартной четкости является ограничение качества видеоизображения. В современном медицинском оборудовании все чаще используется вывод изображения высокой четкости. Кроме того для трансляции с камеры общего вида в учебных целях желательно использовать изображение с более высоким разрешением. Это позволит наблюдателям увидеть значимые детали и нюансы действий медицинского персонала (например, детали операционного доступа). Для обеспечения возможности трансляции видеосигнала высокой четкости необходимо использовать источник, выдающий сигнал соответствующего качества. Нами была использована IP-видеокамера «TrendNet TV-IP672P» с разрешением 1280х800 точек (WXGA). Изображение с этой камеры содержит в 2,5 раза больше точек, чем стандартная камера формата PAL.

Важной целью, которую мы преследовали при построении Схемы II, было упрощение решения. Мы собирали работающий прототип из компонент свободно доступных на рынке и не требующих существенных технических компетенций для их установки. Одним из факторов, упрощающих решение задачи построения сети компьютерной трансляции видеоизображения, является использование технологии PoE. «Power over Ethernet» (PoE) — технология, позволяющая передавать удалённому устройству вместе с данными электрическое питание через стандартную витую пару в сети «Ethernet». Установка устройств, поддерживающих PoE, позволила избежать работ по прокладке дополнительных линий электропитания к камере и энкодеру. Другим значимым фактором является наличие и в видеокамере, и в видеоэнкодере собственных средств трансляции видеоизображения. Задача просмотра видеоизображения на стационарных и мобильных устройствах может быть решена вышеописанным способом без использования дополнительных станций кодирования, станций трансляции и серверов трансляции. Это существенно упрощает схему, и делает ее реализацию более доступной при отсутствии высококомпетентного технического персонала.

Для просмотра изображения на экране компьютера может использоваться веб-браузер с поддержкой «Java» (рисунок 7).

Для просмотра видеоизображения на мобильном устройстве может быть использована любая программа, поддерживающая протокол «RTSP». Например, «IP Cam Viewer Lite» [9]. Такие программы доступны для большинства мобильных платформ: «Android», «iOS», «WP7», «Blackberry» (рисунок 8).

Авторизация пользователя осуществляется встроенными средствами камеры и видеоэнкодера.

Обсуждение

Обе схемы реализации данного проекта позволяют руководителю наблюдать за ходом операции в любой точке мира с любого устройства, имеющего доступ к сети «Интернет».
Сравнивая эти схемы между собой, стоит выделить основное различие между ними. Схема I имеет больший потенциал развития. Схема II отличается простотой и не требует высоких компетенций для реализации.

Плеер, описанный в Схеме I, с отображением вещания может быть размещен на любом сайте. Планируется поместить ссылку вещания на сайте вертебрологического регистра (http://spineregistry.ru/). Это будет сделано для реализации функции дистанционного обучения молодых специалистов.

Для обеспечения максимального качества и минимальной задержки видеоизображения при ретрансляции для связи компонентов системы рекомендуется использовать проводное подключение к сети интернет, при этом наличие публичного IP-адреса не требуется. Тестовый стенд подключается к сети «Интернет» с использованием модема «Megafon 4G» и обеспечивает стабильную работу при вещании со следующими параметрами:

• разрешение:
• 320х240 пикселей – камера микроскопа
• 320х240 пикселей – камера общего вида
• полоса пропускания:
• 500 кбит/с – камера микроскопа;
• 250 кбит/с – камера общего вида;
• Суммарно: 750 кбит/с (Желательно 800-850 кбит/с)
• алгоритм кодирования: h264

Для просмотра видеотрансляции используется веб странница со встроенным видеоплеером.

В качестве дальнейшего развития предложенного технического решения можно выделить следующие направления:

• добавление возможности удаленного просмотра информации с других устройств в операционной (например: экран электронно-оптического преобразователя, экран анестезиолога и др.);
• передача аудио сигнала между участниками процесса;
• архивирование видео для фиксации в виртуальном протоколе операции;
• возможность  «перемотки» видеотрансляции;
• комментирование этапов трансляции;
• выделение объектов в кадре, для указания точек интереса;
• возможность сохранения «стоп кадра».

Результаты

Представленные в настоящем исследовании техические решения имеют следующие преимущества:

• использует свободно распростарняемые компоненты, не требующих покупки лицензий;
• не требует изменений в существующей инфраструктуре на территории внедрения;
• наличие возможности ведения трансляции на удаленных участках, не имеющих кабельного поделючения;
• наличие возможности для расширения и интеграции (за счет использования открытых компонентов);
• наличие возможности передавать видеоизображение высокого качества (при наличие необходимого канала связи).

Выводы

1. Предложенная технология обладает низкой стоимостью внедрения проекта в работу отделения.
2. Предложенная технолгия обладает возможностью настройки параметров системы вещания и возможностью дальнейшего совершенствования системы с реализацией новых функций.
3. Предложенная технология реализует проект «Руководитель в операционной», позволяющий осуществлять мониторинг действий хирургов в режиме «онлайн» вне зависимости от его местонахождения.
4. Предложенная технология может использоваться для дистанционной демонстрации хирургических вмешательств в режиме «онлайн» с реализацией общения между операционной и аудиторией. (конгрессы, курсы повышения квалификации и т.д.).

Список литературы

1. Организация видеотрансляции на сайте. VLC+Erlyvideo+HLS+nginx. | Freelance Karelia [Электронный ресурс] http://flance.onego.ru/2012/09/07/38
2. FFmpeg [Электронный ресурс] URL: http://ffmpeg.org/
3. JW Player Overview | Best HTML5 & Flash Video Player | LongTail Video [Электронный ресурс] URL: http://www.longtailvideo.com/jw-player/
4. erlyvideo | Erlyvideo [Электронный ресурс] URL: http://erlyvideo.org/flussonic/
5. Производительность Flussonic | Erlyvideo [Электронный ресурс] URL: http://erlyvideo.ru/benchmark/
6. www.centos.org - The Community ENTerprise Operating System [Электронный ресурс] URL: http://www.centos.org/
7. Fedora Project Homepage [Электронный ресурс] URL: http://fedoraproject.org/
8. TrendNet.ru [Электронный ресурс] URL: http://trendnet.ru/
9. IP Cam Viewer Lite [Электронный ресурс] URL: http://hit-mob.com/

И.Н. Шевелев, Н.А. Коновалов, М.А. Шифрин, А.Ю. Ильяшенко, А.М Черкашов, Т. Г. Шарамко, К.В. Бушминкин,  А.И. Молодченков, С.Ю. Тимонин, Д.С. Асютин

Статья опубликована в журнале Хирургия позвоночника №4, 2013, стр. 67-74.