Digitale Pathologie – eine Definition
Den größten Teil ihrer Geschichte wurde die Pathologie am Mikroskop betrieben: Ein Gewebeschnitt wird fixiert, eingebettet, geschnitten, gefärbt, auf Glas aufgezogen und mit dem Auge untersucht. Die digitale Pathologie ersetzt den letzten Schritt. Der Glasobjektträger wird einmal gescannt, das entstandene digitale Bild wird gespeichert, und alles Weitere – von der Routinebegutachtung über Zweitmeinungen, Lehre und Archivierung bis zur Bildanalyse – geschieht am Bildschirm.
Der Begriff umfasst die gesamte Umgebung, die das möglich macht: die Scanner, die von ihnen erzeugten Whole-Slide-Bilder, die Speicher- und Bildverwaltungssysteme, in denen sie liegen, die Viewer, die sie anzeigen, und die Analysewerkzeuge, die mit ihnen arbeiten. Für sich genommen bedeutet er nicht künstliche Intelligenz, auch wenn KI die am schnellsten wachsende Nutzung der Bilder ist, sobald sie einmal existieren.
Drei verwandte Begriffe werden oft synonym verwendet, sollten aber auseinandergehalten werden. Whole-Slide-Imaging (WSI) ist die Scantechnik. Virtuelle Mikroskopie ist das Betrachten eines gescannten Präparats wie durch ein Mikroskop; diesen Ausdruck verwenden vor allem Lehrprogramme. Telepathologie ist die pathologische Begutachtung aus der Ferne, die durch digitale Präparate viel einfacher wird, aber schon vor ihnen existierte.
Wie aus einem Glasobjektträger ein Whole-Slide-Bild wird
- Scannen. Ein Slide-Scanner bewegt das Glas unter einer Kamera und einem Objektiv, typischerweise bei 20x oder 40x, nimmt Tausende sich überlappender Felder auf und setzt sie zu einem Bild zusammen. Manche Scanner nehmen mehrere Fokusebenen auf (einen Z-Stapel), damit dicke Schnitte später nachfokussiert werden können.
- Aufbau der Pyramide. Das Bild in voller Auflösung kann mehr als 100.000 Pixel Kantenlänge und mehrere Gigabyte erreichen. Deshalb schreibt der Scanner zusätzlich schrittweise kleinere Kopien (typischerweise halbiert sich jede Ebene) und zerlegt jede Ebene in Kacheln. Diese Pyramide aus mehreren Auflösungen macht das Bild erst nutzbar: Ein Viewer fordert nur die Kacheln für den Bereich und die Zoomstufe auf dem Bildschirm an.
- Festhalten des Maßstabs. Die Datei speichert die physische Größe eines Pixels in Mikrometern (oft als MPP angegeben, Mikrometer pro Pixel, etwa 0,25 µm bei 40x und 0,5 µm bei 20x). Jede Messung in einem Viewer hängt von diesem Wert ab.
- Anhängen von Metadaten. Das Etikettbild, eine Makroübersicht, das Scannermodell, das Objektiv und das Scandatum reisen in der Datei mit, zusammen mit einem etwaigen Barcode, den das Labor auf das Präparat gedruckt hat.
- Speichern und Bereitstellen. Im Krankenhaus kommen Präparate in ein Bildverwaltungssystem neben dem Laborinformationssystem. In Forschung und Lehre liegen sie meist auf einer Netzwerkfreigabe, einem Cloud-Laufwerk oder einem Laptop und werden in einem Desktop-Viewer geöffnet.
Formate für Whole-Slide-Bilder nach Scannerhersteller
Es gibt nicht das eine Dateiformat der digitalen Pathologie. Jeder Hersteller schreibt seinen eigenen Container, meist Varianten von gekacheltem TIFF, und die Wahl des Viewers hängt oft davon ab, welche davon er lesen kann.
Open-Source-Bibliotheken wie OpenSlide und Bio-Formats lesen die meisten davon; deshalb gibt es überhaupt herstellerunabhängige Viewer. SlideScope liest SVS, NDPI, VMS, VMU, MRXS, SCN, BIF, SVSLIDE, QPTIFF, AVS, DICOM, TIFF und OME-TIFF, dazu Olympus VSI und Hamamatsu NDPIS seit Version 1.10.0 sowie Philips iSyntax und KFBio KFB seit Version 1.20.0; SDPC, MDSX und TMAP liest es nicht. Die Übersicht zur Dateikompatibilität nennt die genauen Grenzen, und der Vergleich von Scannern für die digitale Pathologie listet aktuelle Scannermodelle, ihre Kapazität und ihre DICOM-Ausgabe auf.
Die Software-Ebenen der digitalen Pathologie
Wer nach „Software für digitale Pathologie“ sucht, meint meist eines von fünf recht unterschiedlichen Dingen.
Scannersoftware
Steuert den Scanner und wird meist mit einem kostenlosen Viewer für das eigene Format des Herstellers geliefert, etwa Aperio ImageScope für SVS oder Hamamatsu NDP.view2 für NDPI.
Bildverwaltungssysteme
Plattformen in Krankenhausqualität, die Präparate speichern, an das Laborinformationssystem angebunden sind, Fälle und Arbeitslisten verwalten und für den klinischen Einsatz validiert sind. Mit Enterprise-Preisen und von der IT bereitgestellt.
Desktop-Viewer
Anwendungen, die Whole-Slide-Bilder aus einer Datei, einem Ordner oder einem Link auf einem gewöhnlichen Computer öffnen, zur Begutachtung, Messung, Annotation und Lehre. Hier ist SlideScope angesiedelt.
Analyseplattformen
QuPath, CellProfiler, ImageJ und Fiji, ASAP und kommerzielle Gegenstücke, die Gewebe segmentieren, Zellen zählen und skriptgesteuerte Pipelines ausführen. Ein Viewer übergibt ihnen Regionen typischerweise als GeoJSON.
KI und Computational Pathology
Modelle, die Gewebe im Whole-Slide-Bild erkennen, klassifizieren oder graduieren. Einige sind als klinische Entscheidungsunterstützung zugelassen; die meisten sind Forschungswerkzeuge, die voraussetzen, dass das digitale Präparat bereits existiert.
Forschung, Lehre und klinischer Einsatz sind unterschiedliche Aufgaben
Forschungspathologie ist der Bereich, in dem heute die meisten Präparate gescannt werden. Eine Kohorte wird einmal digitalisiert, von mehreren Personen begutachtet, vermessen, annotiert und in die Analyse eingespeist. Gefragt sind herstellerunabhängige Dateiunterstützung, kalibrierte Messungen, Annotationen, die eine Übergabe überstehen, und ein einfacher Weg, einem Kooperationspartner genau den richtigen Bildausschnitt zu schicken. Es gibt keine regulatorische Hürde; das Werkzeug muss nur genau und schnell sein.
Die Lehre nutzt digitale Präparate als virtuelles Mikroskop. Ein Kurs scannt seinen Präparatekasten einmal, und alle Studierenden öffnen dasselbe Set auf ihrem eigenen Laptop, markieren, was sie erkannt haben, und vergleichen ihre Notizen. Deshalb sind Viewer für Histologiepräparate, die lokal unter Windows und macOS laufen, für Universitäten wichtig.
Die klinische Primärdiagnostik am Bildschirm ist reguliert. Scanner und Betrachtungssysteme, mit denen Fälle abschließend befundet werden, sind in den meisten Rechtsordnungen als Medizinprodukte zugelassen, Labore validieren sie gegen das Glaspräparat, und die Bildschirme sind spezifiziert. Allgemeine Viewer, einschließlich SlideScope, sind dafür nicht zugelassen und sagen das auch. Klinisch werden sie nur für die nichtdiagnostische Arbeit rund um einen Fall genutzt: Lehre, Vorbereitung von Konferenzen, Forschung an archiviertem Material und Qualitätsprüfung, soweit die Richtlinien der Einrichtung es erlauben.
Vorteile und Grenzen
Was die digitale Pathologie erleichtert: ein Präparat teilen, ohne Glas zu verschicken, denselben Bereich zur selben Zeit von verschiedenen Orten aus begutachten, reproduzierbar messen, Annotationen beim Bild behalten, Lehrsets aufbauen, die nie verblassen oder zerbrechen, ohne Präparatelager archivieren und Bildanalyse oder KI überhaupt erst einsetzen.
Was sie kostet: einen Scanner, Speicher in Terabyte-Größenordnung, Zeit zum Scannen, einen Arbeitsablauf, der Glas und Digitales synchron hält, und eine Validierung, falls die Bilder für die Diagnose genutzt werden. Beim Scannen geht außerdem einiges verloren, was ein Mikroskop bietet, etwa das Durchfokussieren eines dicken Schnitts, sofern der Scanner keinen Z-Stapel aufgenommen hat, und polarisiertes Licht, sofern der Scanner es nicht unterstützt.
Wofür sich SlideScope eignet
SlideScope ist ein Desktop-Viewer für die digitale Pathologie für Forschung, Lehre und Begutachtung. Er öffnet Whole-Slide-Bilder der großen Scannerhersteller unter Windows und macOS, misst in kalibrierten Mikrometern, hält Annotationen am Präparat fest, vergleicht zwei Präparate nebeneinander im gleichen Maßstab, exportiert Regionen als GeoJSON für QuPath und teilt einen exakten Bildausschnitt als Link. Er läuft auf Ihrem eigenen Rechner, braucht keinen Bildserver und ist für ein Labor statt für ein Krankenhaus bepreist. Er ist kein Medizinprodukt und nicht für die Primärdiagnostik bestimmt. Wenn Sie zwischen ihm und den kostenlosen Viewern wählen, ist der Vergleich von Viewern für Whole-Slide-Bilder der ehrliche Ausgangspunkt.
Glossar der digitalen Pathologie
- Whole-Slide-Bild (WSI)
- Ein digitaler Gigapixel-Scan eines ganzen Glasobjektträgers in mehreren Auflösungen.
- Bildpyramide
- Die Reihe schrittweise verkleinerter, gekachelter Kopien eines Whole-Slide-Bildes, mit der ein Viewer jede Zoomstufe schnell anzeigen kann.
- MPP (Mikrometer pro Pixel)
- Die physische Größe eines Pixels bei voller Auflösung; die Kalibrierung, von der jede Messung abhängt. Für jede Pyramidenebene können Sie sie mit dem Pixelgrößen-Rechner ermitteln.
- 20x und 40x
- Die beim Scannen verwendete Objektivvergrößerung, entsprechend etwa 0,5 µm bzw. 0,25 µm pro Pixel.
- H&E
- Hämatoxylin-Eosin, die Standardfärbung für die Gewebemorphologie.
- IHC
- Immunhistochemie, eine Färbung, die ein bestimmtes Protein markiert; wird oft neben der H&E-Färbung desselben Blocks begutachtet.
- Z-Stapel
- Mehrere Fokusebenen, die durch einen dicken Schnitt aufgenommen werden, damit der Viewer nachfokussieren kann.
- DICOM WSI
- Der Zusatz (Supplement) zum DICOM-Standard für Whole-Slide-Bilder, mit dem die Pathologie in die Bildgebungssysteme von Krankenhäusern eingebunden wird.
- Bildverwaltungssystem
- Die Serverplattform, die Whole-Slide-Bilder in einem klinischen Labor speichert, indexiert und bereitstellt.
- Computational Pathology
- Bildanalyse und maschinelles Lernen, angewandt auf Whole-Slide-Bilder.
Häufige Fragen zur digitalen Pathologie
Was ist der Unterschied zwischen digitaler Pathologie und Computational Pathology?
Digitale Pathologie ist die Infrastruktur: Präparate scannen, Whole-Slide-Bilder speichern und sie am Bildschirm betrachten. Computational Pathology ist das, was Sie mit diesen Bildern tun, sobald sie digital sind: Bildanalyse, Zellzählung, Gewebeklassifikation und Modelle des maschinellen Lernens. Das Erste brauchen Sie, bevor Sie das Zweite tun können.
Ist digitale Pathologie dasselbe wie Telepathologie?
Nein. Telepathologie bedeutet, pathologisches Material aus der Ferne zu begutachten; sie ist älter als das Whole-Slide-Imaging und nutzte ursprünglich Live-Kamerabilder von einem Mikroskop. Die digitale Pathologie macht Telepathologie viel einfacher, weil ein gescanntes Präparat als Datei oder Link geteilt werden kann, aber ein Labor kann vollständig digital arbeiten, ohne je aus der Ferne zu konsultieren.
Welches Dateiformat verwenden Präparate der digitalen Pathologie?
Es gibt kein einheitliches Format. Jeder Scannerhersteller schreibt sein eigenes: Aperio und Leica schreiben SVS, Hamamatsu NDPI, 3DHISTECH MRXS, Leica-SCN-Scanner SCN, Ventana BIF, Philips iSyntax und Olympus VSI. Herstellerunabhängige Optionen sind pyramidales TIFF, OME-TIFF und DICOM Whole-Slide-Imaging. Ein herstellerunabhängiger Viewer wie SlideScope liest die meisten davon direkt.
Brauche ich spezielle Hardware, um Whole-Slide-Bilder anzusehen?
Nein. Weil ein Whole-Slide-Bild als Pyramide aus Kacheln gespeichert ist, lädt ein Viewer nur die Kacheln für den Bereich und die Zoomstufe auf dem Bildschirm. Ein gewöhnlicher Laptop mit 8 GB RAM öffnet ein Präparat mit mehreren Gigabyte in Sekunden. Zum Scannen braucht man einen Slide-Scanner, und die klinische Primärdiagnostik nutzt validierte Bildschirme, die Begutachtung in Forschung und Lehre aber nicht.
Kann ich digitale Pathologie auf dem Mac betreiben?
Ja, für die Betrachtung und die Begutachtung in der Forschung. Mehrere Hersteller-Viewer laufen nur unter Windows, darunter Aperio ImageScope, aber QuPath, ObjectiveView, Hamamatsu NDP.view2 und SlideScope laufen alle unter macOS. SlideScope wird als native Version für Apple Silicon und Intel ausgeliefert und öffnet SVS-, NDPI-, MRXS-, SCN-, BIF- und QPTIFF-Präparate auf dem Mac.
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Beginnen Sie kostenlos mit der mitgelieferten Beispielbibliothek: ohne Konto, mit allen Werkzeugen. Wenn Sie Ihre eigenen Präparate öffnen möchten, schaltet ein Abonnement alle Funktionen frei (PayPal oder Karte, abgerechnet bei Abschluss). Ziehen Sie eine SVS-, NDPI- oder MRXS-Datei hinein und sehen Sie die Pyramide, den kalibrierten Maßstab und die Annotationswerkzeuge an Ihren eigenen Präparaten.
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