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      生物病理切片
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      数字病理切片系统可视化数据使用说明

      2020-06-15 15:13:40

      数字病理切片(digital slide of pathology)又称虚拟病理切片(virtualslide of pathology),是一种现代数字系统与传统光学放大装置有机结合的技术.它将传统的玻璃病理切片通过全自动显微镜或光学放大系统扫描采集得到高分辨数字图像,再应用计算机对得到的图像自动进行高精度多视野无缝隙拼接和处理,获得优质的可视化数据以应用于病理学的各个领域.


      病理切片


      一、数字病理切片系统简介与主要产品

      1.数字病理切片系统简介:数字病理切片系统的应用最早始于1985年,20世纪90年代在美国开始被应用于商业领域,从2000年开始在医学院校逐步取代传统显微镜.此后,美国以及全世界范围内有50%的医学院校都已经或正在筹备引进数字病理切片系统.数字病理切片系统主要由数字切片扫描装置和数据处理软件构成.首先,利用数字显微镜或放大系统在低倍物镜下对玻璃切片进行逐幅扫描采集成像.显微扫描平台自动按照切片XY轴方向扫描移动,并在Z轴方向自动聚焦.然后,由扫描控制软件在光学放大装置有效放大的基础上利用程控扫描方式采集高分辨数字图像,图像压缩与存储软件将图像自动进行无缝拼接处理,制作生成整张全视野的数字化切片(whole slide image).再将这些数据存储在一定介质中建立起数字病理切片库.随后就可以利用相应的数字病理切片浏览系统,对一系列可视化数据进行任意比例的放大或缩小,以及在任意方向移动以浏览和分析处理,就好比在操作一台真实的光学显微镜一样.

      2.数字病理切片系统的主要产品:日前已研发成功并应用成熟的数字病理切片系统产品主要有美国Aperio公司的数字化病理学影像管理分析系统Aperio ScanScope-Digital Pathology Solutions,日本滨松光子学株式会社研发生产的数字切片扫描装置NanoZoomer Digital Pathology,麦克奥迪实业集团有限公司的数字切片扫描系统Motic BA600-4,日本奥林巴斯公司(Olympus)的DotSlide全景智能化扫描数字切片系统,山东易创电子有限公司的显微数字切片系统,北京优纳科技有限公司的赛睿系列(Precice)全自动数字切片扫描系统等.每个系统都具备数字切片系统基本的特性,并随着技术创新的不断应用而发展迅速,各具优势.


      二、国内外数字病理切片系统的研究及应用现状

      1.数字病理切片系统的主要应用领域:由于数字病理切片系统可使病理资源数字化、网络化,实现了可视化数据的储存和不受时空限制的同步浏览处理,因此在病理的各个领域得到广泛应用.它主要可用在病理学等形态学相关学科的教学与考试、病理学科读片交流会议、医院病理科信息管理、临床上重大病例诊断中的远程会诊与咨询、科研成果的分析与交流、病理专科医师的培训、建立常规和疑难病例的可视化资源数据库、图像的标准化分析和统计分析等诸多工作中.

      2.国内外的研究与应用现状:如今,国外在数字病理切片系统的应用上已达到较高的水平,例如澳大利亚新南威尔士大学早在2004年就成功地将数字切片系统应用于病理学教学与考试的累积性评估.国外的数字病理切片系统在远程会诊和远程切片分析方面也得到了广泛应用,例如德国已实现利用数字病理系统进行乳腺癌远程诊断.在国内,目前也已有多所高校、医院及其他科研机构建立起了数字病理切片系统的可视化数据库.诸多大学采用麦克奥迪实业集团有限公司、日本滨松光子学株式会社等的数字病理切片系统进行经典教学切片和疑难病例切片的扫描,建立起统一的形态学数字切片网络教学平台;国内许多大型医院的病理科和中心实验室也已建成数字切片库,用于远程病理会诊,并尝试性地开展联合诊断.今后,数字病理切片系统在各个领域将会有更多、更广泛的应用.


      三、数字病理切片系统的优势

       与传统的病理切片相比,数字病理切片系统具备许多无可比拟的优势.

      1.易于保存与管理.利用超大容量的数字病理切片库,保存珍贵的病理切片资料,解决了.玻璃切片不易储存保管、易褪色、易损坏、易丢片掉片和切片检索困难等问题,并实现了同一张切片可在不同地点同时被很多人浏览.

      2.方便浏览与传输.应用者可随时随地对显微切片的任何区域进行不同放大倍率的浏览(2×、4×、10×、20×、40×、100×),资料传输不必受时间和空间的约束.浏览时为光学放大而非数码放大,因此不存在图像信息失真和细节不清的问题,这与普通计算机图片缩放只改变图像大小而无法改变分辨率有本质的区别.

      3.为教学与远程会诊提供便利.该系统能在鼠标操纵下选择切片的任意位置完成无极变倍连续缩放浏览,并提供切片全景导航,使高倍镜下的图像与低倍镜下的位置形成良好对应,还能实现切片的定量分析和标注等后期处理

      4.高速、高效、高通量.采用先进技术的数字切片系统可达到高通量切片扫描,如日本滨松光子学株式会社的系统可一次性全自动扫描210张切片,大大提高了工作效率.

      5.进一步提升分辨率和清晰度.在20×和40×模式下每像素均可达到0.2μm水平,并具备了图像高保真的特点.

      6.实现了荧光切片的扫描.只需外加相应的荧光光源和更换滤光镜就能扫描荧光切片,克服了玻璃荧光切片易褪色、不宜长久保存的缺点.


       四、对数据应用的思考与展望

       1.对新技术与新发展的思考:尽管数字病理切片系统在国内各个领域方兴未艾,但要建立起更加科学完善的数字病理切片系统的可视化数据库,使其更加广泛并迅速地发展起来,以达到国际先进的水平,还需要对系统的应用进行更深一步的挖掘和思考.(1)实现广义上的共享.被转化成可视化数据库的切片资料可实现病理资源的共享,但仅限于同一种数字病理切片系统内部的资源共享,即狭义的共享.目前已被广泛应用的Motic、Aperio、NanoZoomer等几大数字切片系统分别以自身的系统运行,分析和处理软件的界面和工作平台各不相同,图片格式也不一致.而国内外各个科研和医疗单位义使用不同的数字病理切片系统,在需要交流可视化数据库和收集不同单位的资源用于诊断分析时,就造成了无法共享的不便.所以,为了实现真正意义上的广义资源共享,应建立起一个指定的集中管理中心,使数字病理切片系统由单机向联网转化,使不同供应方的数据统一化、网络化、用户化,图片格式标准化,提供多供应方共享交互服务,以网络为桥梁,跨越供应方与用户方在时间和空间上的距离,将可视化数据延伸到网络所覆盖的任何一个场所,使全球用户都能通过网络浏览并分析处理来自不同系统的可视化数据.我国学者几年前就提出过建立中国数字病理资源库的设想,实现优质资源的共建共享也是教育部"211"重点工程"大学数字图书馆国际合作计划(CADAL)"的目标之一.(2)优化备份与存储.每一个可视化数据库在交互共享和传输的同时都要在集中管理中心进行备份和存储,而经过无缝拼接得到的图像等可视化文件有数百Mb乃至几个Gb之大,而系统的空间有限,为适应数字病理切片日益增长的共享需求,就需要优化备份和存储技术.用于备份的可视化数据一般要经过压缩,既要能显著缩小图像文件的体积,又要保持图像信息的真实性.即不能损伤图像的细节、比例、可缩放性、光度、色度等图像质量.因此,需要开发新的图像压缩技术,保证无损压缩,既能大幅度地压缩图像,又能尽可能减少图像信息的损失.也可以尝试不同级别的压缩存储,以达到缓冲的目的.此外还可开发容量更大、可靠性更好的储存介质,将这些可视化数据保存.(3)提高数据的传输速度.数字病理切片系统采集到的可视化数据对分辨率要求较高,所占存储空间巨大,在交互共享时由于受到图像压缩、计算机性能和网络宽带等多种因素的制约,可视化数据的传输速度不尽如人意,一般的依靠互联网的传输方式无法满足需要.日本滨松光子学株式会社的实验结果显示,直接用千兆网线对接两台电脑,传输数据大小在300-500Mb,需时约为2-4S.如果是通过互联网传输,则速度会有所下降,具体情况视网络情况而定.数据传输速度受到限制也是目前国内许多地区难以普及远程病理诊断的主要原因之一.因此,提高可视化数据的传输速度势在必行.我们寄希望于计算机和网络技术的发展,寻求更加简便快捷的数据传输方式,以弥补当前计算机存储空间和网络通讯技术所带来的数据传输的速度缺陷.届时,数字病理切片系统的应用必将得到进一步的发展.(4)完善数据库的检索功能.包含大量信息的病理资源可视化数据库在应用和浏览时必须具备良好的检索功能,以帮助用户从繁杂的数据中快速方便地找到目标资源.现在一般的数字病理切片数据库都配备有高级检索工具,数据可按日期、特征、疾病、症状、解剖部位、图像类型等进行布尔检索.然而,受到广泛重视的模式识别技术又为可视化数据的计算机辅助丛配查找提供了更完善的空间.模式识别技术是一种基于数据库中各种图像内容的检索系统,即基于图像可视属性的检索技术,它是由图像分析软件自动抽取图像颜色、形状、纹理等特征,建立特征索引库,用户只需将所要查找图像的大致特征描述出来,就可以找出与之相近特征的图像,相信这种技术的应用会使数字病理切片系统可视化数据库的检索功能更加完善并且人性化.

      2.对数字病理切片系统前景的展望:数字病理切片系统在病理学教学、临床诊断以及科研领域将会占据越来越重要的位置,它的出现和应用会使数字病理学发展成为一门独立的学科.本文提到的针对应用方面的问题和不足也推动着数字病理这门学科的不断发展.目前,国际上已成立了数字病理学会(Digital Pathology Association),并多次举办了学术年会,讨论了诸如冷冻切片的扫描、传统荧光定量显微镜与数字化切片的比较、生物标志物在肿瘤临床发展上的数字优势等问题,也开展了大量关于网络合作与共享数字切片、实现数字病理信息管理的工作,对促进数字病理学科的发展起到了重要作用.鉴于数字病理的发展趋势,建议成立中国数字病理学会,承办相关专业期刊,开展专家讨论制度,整合中国的数字病理资源,使数字病理切片系统得到更好的挖掘与应用,为数字病理学科的发展提供一个更广阔的平台.


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