Co je digitální patologie?

Co je digitální patologie

Po většinu své historie se patologie provozovala u mikroskopu: tkáňový řez se fixuje, zalije, nakrájí, obarví, umístí na sklo a prohlíží okem. Digitální patologie nahrazuje poslední krok. Skleněný preparát se jednou naskenuje, výsledný digitální snímek se uloží a vše ostatní, od běžné revize přes druhá čtení, výuku a archivaci až po obrazovou analýzu, probíhá na obrazovce.

Pojem zahrnuje celé prostředí, které to umožňuje: skenery, celoplošné snímky, které vytvářejí, úložiště a systémy pro správu snímků, které je uchovávají, prohlížeče, které je zobrazují, a analytické nástroje, které s nimi pracují. Sám o sobě neznamená umělou inteligenci, i když AI je nejrychleji rostoucím využitím snímků, jakmile existují.

Tři příbuzné pojmy se často zaměňují a vyplatí se je rozlišovat. Celoplošné zobrazování (whole slide imaging, WSI) je technologie skenování. Virtuální mikroskopie je prohlížení naskenovaného preparátu, jako by šlo o pohled mikroskopem, a tento výraz používají spíše výukové programy. Telepatologie je vzdálené patologické hodnocení, které digitální preparáty výrazně usnadňují, ale které existovalo už před nimi.

Jak se ze skleněného preparátu stane celoplošný snímek

1. Skenování. Skener preparátů posouvá sklo pod kamerou a objektivem, obvykle při zvětšení 20x nebo 40x, zachytí tisíce překrývajících se polí a spojí je do jednoho snímku. Některé skenery zachycují několik ohniskových rovin (Z-stack), aby bylo možné silné řezy později přeostřit.
2. Sestavení pyramidy. Snímek v plném rozlišení může mít přes 100 000 pixelů na stranu a několik gigabajtů. Skener proto zapisuje také postupně menší kopie (obvykle každá úroveň poloviční) a každou úroveň rozřeže na dlaždice. Právě tato pyramida s více rozlišeními dělá snímek použitelným: prohlížeč si vyžádá jen dlaždice pro oblast a úroveň přiblížení na obrazovce.
3. Zaznamenání měřítka. Soubor ukládá fyzickou velikost jednoho pixelu v mikrometrech (často uváděnou jako MPP, mikrony na pixel, asi 0,25 µm při 40x a 0,5 µm při 20x). Na této hodnotě závisí každé měření v prohlížeči.
4. Připojení metadat. Snímek štítku, přehledový makrosnímek, model skeneru, objektiv a datum skenování putují uvnitř souboru spolu s případným čárovým kódem, který laboratoř na preparát vytiskla.
5. Ukládání a zpřístupnění. V nemocnici putují preparáty do systému pro správu snímků vedle laboratorního informačního systému. Ve výzkumu a výuce obvykle leží na sdíleném disku, cloudovém úložišti nebo notebooku a otevírají se v desktopovém prohlížeči.

Formáty celoplošných snímků podle výrobce skeneru

Neexistuje jediný formát souborů pro digitální patologii. Každý výrobce zapisuje vlastní kontejner, většinou variantu dlaždicového TIFF, a volba prohlížeče často závisí na tom, které z nich umí přečíst.

Většinu z nich čtou open-source knihovny jako OpenSlide a Bio-Formats, a právě proto vůbec existují prohlížeče nezávislé na výrobci. SlideScope čte SVS, NDPI, VMS, VMU, MRXS, SCN, BIF, SVSLIDE, QPTIFF, AVS, DICOM, TIFF a OME-TIFF, od verze 1.10.0 také Olympus VSI a Hamamatsu NDPIS a od verze 1.20.0 Philips iSyntax a KFBio KFB; nečte SDPC, MDSX ani TMAP. Přesná omezení najdete v přehledu kompatibility souborů a srovnání skenerů pro digitální patologii uvádí aktuální modely skenerů, jejich kapacitu a výstup DICOM.

Softwarové vrstvy digitální patologie

Kdo hledá „software pro digitální patologii“, obvykle myslí jednu z pěti dost odlišných věcí.

Výzkumné, výukové a klinické použití jsou odlišné problémy

Výzkumná patologie je dnes oblastí, kde se skenuje nejvíce preparátů. Kohorta se digitalizuje jednou, prohlédne ji několik lidí, změří se, anotuje a vstupuje do analýzy. Požadavky jsou podpora souborů nezávislá na výrobci, kalibrované měření, anotace, které přežijí předání, a snadný způsob, jak poslat spolupracovníkovi přesně ten výřez. Neexistuje žádná regulační bariéra; nástroj musí být jen přesný a rychlý.

Výuka využívá digitální preparáty jako virtuální mikroskop. Kurz jednou naskenuje svou krabici preparátů a každý student otevře stejnou sadu na vlastním notebooku, označí, co poznal, a porovná si poznámky. Proto jsou pro univerzity důležité prohlížeče histologických preparátů, které běží lokálně ve Windows i macOS.

Klinická primární diagnostika na obrazovce je regulovaná. Skenery a zobrazovací systémy používané k uzavírání případů jsou ve většině jurisdikcí schválené jako zdravotnické prostředky, laboratoře je validují oproti sklu a displeje mají stanovené parametry. Univerzální prohlížeče, včetně SlideScope, pro to schválené nejsou a otevřeně to uvádějí. Klinicky se používají jen pro nediagnostickou práci kolem případu: výuku, přípravu konferencí, výzkum archivního materiálu a kontrolu kvality tam, kde to pravidla instituce dovolují.

Výhody a omezení

Co digitální patologie usnadňuje: sdílet preparát bez posílání skla, prohlížet stejnou oblast ve stejnou dobu z různých míst, měřit reprodukovatelně, uchovávat anotace se snímkem, vytvářet výukové sady, které nikdy nevyblednou ani se nerozbijí, archivovat bez místnosti na preparáty a vůbec provádět obrazovou analýzu nebo používat AI.

Co to stojí: skener, úložiště v řádu terabajtů, čas na skenování, pracovní postup, který udržuje sklo a digitální data v souladu, a validaci, pokud se snímky budou používat k diagnostice. Skenováním se také ztrácejí některé možnosti mikroskopu, například přeostřování silným řezem, pokud skener nezachytil Z-stack, a polarizované světlo, pokud ho skener nepodporuje.

Kam SlideScope zapadá

SlideScope je desktopový prohlížeč pro digitální patologii pro výzkum, vzdělávání a revizi. Ve Windows a macOS otevírá celoplošné snímky od hlavních výrobců skenerů, měří v kalibrovaných mikrometrech, uchovává anotace připojené k preparátu, porovnává dva preparáty vedle sebe ve shodném měřítku, exportuje oblasti jako GeoJSON pro QuPath a sdílí přesný výřez jako odkaz. Běží na vašem vlastním počítači, nepotřebuje obrazový server a jeho cena je nastavena pro laboratoř, nikoli pro nemocnici. Není zdravotnickým prostředkem a není určen k primární diagnostice. Pokud se rozhodujete mezi ním a bezplatnými prohlížeči, poctivým výchozím bodem je srovnání prohlížečů celoplošných snímků.

Slovníček digitální patologie

Celoplošný snímek (WSI)

Gigapixelový digitální sken celého skleněného preparátu ve více rozlišeních.

Obrazová pyramida

Sada postupně zmenšovaných dlaždicových kopií celoplošného snímku, díky které prohlížeč rychle zobrazí libovolnou úroveň přiblížení.

MPP (mikrony na pixel)

Fyzická velikost jednoho pixelu v plném rozlišení; kalibrace, na které závisí každé měření. Pro kteroukoli úroveň pyramidy ji vypočítáte pomocí kalkulačky velikosti pixelu.

20x a 40x

Zvětšení objektivu použité při skenování, odpovídající přibližně 0,5 µm a 0,25 µm na pixel.

H&E

Hematoxylin-eozin, standardní barvení pro morfologii tkání.

IHC

Imunohistochemie, barvení, které označí konkrétní protein; často se hodnotí vedle H&E ze stejného bločku.

Z-stack

Několik ohniskových rovin zachycených silným řezem, aby prohlížeč mohl přeostřit.

DICOM WSI

Dodatek standardu DICOM pro celoplošné snímky, používaný k začlenění patologie do nemocničních zobrazovacích systémů.

Systém pro správu snímků

Serverová platforma, která v klinické laboratoři ukládá, indexuje a zpřístupňuje celoplošné snímky.

Výpočetní patologie

Obrazová analýza a strojové učení aplikované na celoplošné snímky.

Na co se lidé ptají v souvislosti s digitální patologií