Czym jest patologia cyfrowa?

Definicja patologii cyfrowej

Przez większość swojej historii patologię uprawiano przy mikroskopie: wycinek tkanki utrwala się, zatapia, kroi, barwi, nakłada na szkiełko i ogląda okiem. Patologia cyfrowa zastępuje ten ostatni krok. Szkiełko skanuje się raz, powstały obraz cyfrowy jest przechowywany, a wszystko, co następuje potem, od rutynowej oceny przez konsultacje, dydaktykę i archiwizację po analizę obrazu, odbywa się na ekranie.

Termin obejmuje całe środowisko, które to umożliwia: skanery, tworzone przez nie obrazy całych preparatów, systemy przechowywania i zarządzania obrazami, przeglądarki, które je wyświetlają, oraz narzędzia analityczne, które na nich pracują. Sam w sobie nie oznacza sztucznej inteligencji, choć AI to najszybciej rosnące zastosowanie tych obrazów, gdy już istnieją.

Trzy pokrewne terminy często używane są zamiennie i warto je rozróżnić. Obrazowanie całych preparatów (WSI) to technologia skanowania. Mikroskopia wirtualna to oglądanie zeskanowanego preparatu tak, jakby przez mikroskop; tego określenia zwykle używają programy dydaktyczne. Telepatologia to zdalna ocena patologiczna, którą preparaty cyfrowe znacznie ułatwiają, ale która istniała przed nimi.

Jak szkiełko staje się obrazem całego preparatu

1. Skanowanie. Skaner preparatów przesuwa szkiełko pod kamerą i obiektywem, zwykle przy powiększeniu 20x lub 40x, rejestrując tysiące nachodzących na siebie pól i zszywając je w jeden obraz. Niektóre skanery rejestrują kilka płaszczyzn ogniskowych (stos Z), aby grube skrawki można było później przeogniskować.
2. Budowanie piramidy. Obraz w pełnej rozdzielczości może przekraczać 100 000 pikseli na bok i kilka gigabajtów. Dlatego skaner zapisuje także coraz mniejsze kopie (zwykle każdy poziom o połowę mniejszy) i dzieli każdy poziom na kafelki. To właśnie ta wielorozdzielcza piramida sprawia, że z obrazu da się korzystać: przeglądarka pobiera tylko kafelki dla regionu i poziomu powiększenia widocznego na ekranie.
3. Zapisanie skali. Plik przechowuje fizyczny rozmiar jednego piksela w mikrometrach (często zapisywany jako MPP, mikrometry na piksel, około 0,25 µm przy 40x i 0,5 µm przy 20x). Od tej wartości zależy każdy pomiar w przeglądarce.
4. Dołączenie metadanych. Obraz etykiety, poglądowy obraz makro, model skanera, obiektyw i data skanowania są zapisane wewnątrz pliku, razem z ewentualnym kodem kreskowym, który laboratorium wydrukowało na szkiełku.
5. Przechowywanie i udostępnianie. W szpitalu preparaty trafiają do systemu zarządzania obrazami, obok laboratoryjnego systemu informatycznego. W badaniach i dydaktyce zwykle leżą w udziale sieciowym, na dysku w chmurze lub na laptopie i otwiera się je w przeglądarce desktopowej.

Formaty obrazów całych preparatów według producenta skanera

Nie ma jednego formatu plików patologii cyfrowej. Każdy producent zapisuje własny kontener, w większości odmianę kafelkowego TIFF, a wybór przeglądarki często sprowadza się do tego, które z nich potrafi odczytać.

Biblioteki open source, takie jak OpenSlide i Bio-Formats, odczytują większość z nich i właśnie dlatego w ogóle istnieją przeglądarki niezależne od producenta. SlideScope odczytuje SVS, NDPI, VMS, VMU, MRXS, SCN, BIF, SVSLIDE, QPTIFF, AVS, DICOM, TIFF i OME-TIFF, a także Olympus VSI i Hamamatsu NDPIS od wersji 1.10.0 oraz Philips iSyntax i KFBio KFB od wersji 1.20.0; nie odczytuje SDPC, MDSX ani TMAP. Dokładne ograniczenia podaje zestawienie zgodności plików, a porównanie skanerów do patologii cyfrowej wymienia aktualne modele skanerów, ich pojemność i zapis w DICOM.

Warstwy oprogramowania w patologii cyfrowej

Osoby szukające "oprogramowania do patologii cyfrowej" zwykle mają na myśli jedną z pięciu zupełnie różnych rzeczy.

Badania, dydaktyka i zastosowania kliniczne to różne problemy

Patologia badawcza to obszar, w którym obecnie skanuje się najwięcej preparatów. Kohorta jest digitalizowana raz, oceniana przez kilka osób, mierzona, opisywana adnotacjami i przekazywana do analizy. Wymagania to obsługa plików niezależna od producenta, skalibrowane pomiary, adnotacje, które przetrwają przekazanie pracy, i łatwy sposób na wysłanie współpracownikowi dokładnie tego samego pola widzenia. Nie ma bariery regulacyjnej; narzędzie musi po prostu być dokładne i szybkie.

Dydaktyka wykorzystuje preparaty cyfrowe jako wirtualny mikroskop. Kurs skanuje swoje pudełko preparatów raz, a każdy student otwiera ten sam zestaw na własnym laptopie, zaznacza to, co rozpoznał, i porównuje notatki. Dlatego przeglądarki preparatów histologicznych działające lokalnie zarówno na Windows, jak i na macOS, są ważne dla uczelni.

Kliniczna diagnostyka pierwotna na ekranie podlega regulacjom. Skanery i systemy przeglądania używane do zamykania przypadków są w większości jurysdykcji dopuszczone lub zatwierdzone jako wyroby medyczne, laboratoria walidują je względem szkiełek, a wyświetlacze mają określone wymagania. Przeglądarki ogólnego przeznaczenia, w tym SlideScope, nie są do tego dopuszczone i otwarcie to komunikują. W kontekście klinicznym używa się ich tylko do pracy niediagnostycznej wokół przypadku: dydaktyki, przygotowania do konferencji, badań na materiale archiwalnym i kontroli jakości, jeśli pozwalają na to zasady instytucji.

Zalety i ograniczenia

Co ułatwia patologia cyfrowa: udostępnianie preparatu bez wysyłania szkiełek, ocenę tego samego regionu w tym samym czasie z różnych miejsc, powtarzalne pomiary, przechowywanie adnotacji razem z obrazem, tworzenie zestawów dydaktycznych, które nigdy nie blakną ani się nie tłuką, archiwizację bez magazynu szkiełek i w ogóle możliwość prowadzenia analizy obrazu czy AI.

Ile to kosztuje: skaner, przestrzeń dyskowa liczona w terabajtach, czas skanowania, procedura utrzymywania zgodności szkiełek i wersji cyfrowej oraz walidacja, jeśli obrazy mają służyć do diagnozy. Skanowanie odbiera też niektóre możliwości mikroskopu, takie jak przeogniskowanie w grubym skrawku, chyba że skaner zarejestrował stos Z, oraz światło spolaryzowane, chyba że skaner je obsługuje.

Gdzie pasuje SlideScope

SlideScope to desktopowa przeglądarka do patologii cyfrowej do badań, dydaktyki i przeglądu. Otwiera obrazy całych preparatów od głównych producentów skanerów na Windows i macOS, mierzy w skalibrowanych mikrometrach, przechowuje adnotacje razem z preparatem, porównuje dwa preparaty obok siebie w dopasowanej skali, eksportuje regiony jako GeoJSON do QuPath i udostępnia dokładne pole widzenia jako link. Działa na Twoim komputerze, nie wymaga serwera obrazów i jest wyceniony z myślą o laboratorium, a nie szpitalu. Nie jest wyrobem medycznym i nie służy do diagnostyki pierwotnej. Jeśli wybierasz między nim a bezpłatnymi przeglądarkami, rzetelnym punktem wyjścia jest porównanie przeglądarek obrazów całych preparatów.

Słowniczek patologii cyfrowej

Obraz całego preparatu (WSI)

Gigapikselowy, wielorozdzielczy cyfrowy skan całego szkiełka.

Piramida obrazów

Zestaw coraz silniej pomniejszonych, kafelkowych kopii obrazu całego preparatu, dzięki któremu przeglądarka szybko wyświetla dowolny poziom powiększenia.

MPP (mikrometry na piksel)

Fizyczny rozmiar jednego piksela w pełnej rozdzielczości; kalibracja, od której zależy każdy pomiar. Dla dowolnego poziomu piramidy obliczysz ją kalkulatorem rozmiaru piksela.

20x i 40x

Powiększenie obiektywu użyte podczas skanowania, odpowiednio około 0,5 µm i 0,25 µm na piksel.

H&E

Hematoksylina i eozyna, standardowe barwienie do oceny morfologii tkanki.

IHC

Immunohistochemia, barwienie wykrywające określone białko; często oceniane obok preparatu H&E z tego samego bloczka.

Stos Z

Kilka płaszczyzn ogniskowych zarejestrowanych w grubym skrawku, dzięki którym przeglądarka może przeogniskować obraz.

DICOM WSI

Suplement standardu DICOM dotyczący obrazów całych preparatów, służący do integracji patologii z systemami obrazowania szpitalnego.

System zarządzania obrazami

Platforma serwerowa, która przechowuje, indeksuje i udostępnia obrazy całych preparatów w laboratorium klinicznym.

Patologia obliczeniowa

Analiza obrazu i uczenie maszynowe stosowane do obrazów całych preparatów.

Częste pytania o patologię cyfrową