Цифровая патология: определение
Большую часть своей истории патология практиковалась за микроскопом: срез ткани фиксируют, заливают, режут, окрашивают, помещают на стекло и исследуют глазами. Цифровая патология заменяет последний шаг. Стеклянный препарат сканируют один раз, полученное цифровое изображение сохраняют, и всё дальнейшее — от рутинного просмотра до вторых мнений, обучения, архивирования и анализа изображений — происходит на экране.
Этот термин охватывает всю среду, которая делает это возможным: сканеры, создаваемые ими полнослайдовые изображения, системы хранения и управления изображениями, в которых они хранятся, просмотрщики, которые их отображают, и инструменты анализа, которые с ними работают. Сам по себе он не подразумевает искусственный интеллект, хотя ИИ — самое быстрорастущее применение изображений, когда они уже существуют.
Три родственных термина часто используют как взаимозаменяемые, но их стоит различать. Полнослайдовая визуализация (WSI) — это технология сканирования. Виртуальная микроскопия — это просмотр отсканированного слайда так, будто вы смотрите в микроскоп; это выражение обычно используют в учебных программах. Телепатология — это удалённый патологический просмотр, который цифровые слайды сильно упрощают, но который существовал и до них.
Как стеклянный препарат становится полнослайдовым изображением
- Сканирование. Сканер слайдов перемещает стекло под камерой и объективом, обычно при 20x или 40x, снимает тысячи перекрывающихся полей и сшивает их в одно изображение. Некоторые сканеры снимают несколько фокальных плоскостей (Z-стек), чтобы толстые срезы можно было перефокусировать позже.
- Построение пирамиды. Изображение в полном разрешении может превышать 100 000 пикселей по стороне и занимать несколько гигабайт. Поэтому сканер также записывает всё меньшие копии (обычно каждый уровень вдвое меньше предыдущего) и разрезает каждый уровень на тайлы. Именно эта многоуровневая пирамида делает изображение пригодным для работы: просмотрщик запрашивает только тайлы для области и уровня масштаба на экране.
- Запись масштаба. Файл хранит физический размер одного пикселя в микрометрах (часто записывается как MPP, микроны на пиксель: около 0,25 µm при 40x и 0,5 µm при 20x). От этого значения зависит каждое измерение в просмотрщике.
- Добавление метаданных. Изображение этикетки, обзорный макроснимок, модель сканера, объектив и дата сканирования хранятся внутри файла вместе со штрихкодом, который лаборатория напечатала на слайде.
- Хранение и выдача. В больнице слайды попадают в систему управления изображениями рядом с лабораторной информационной системой. В исследованиях и обучении они обычно лежат на общем файловом ресурсе, в облачном хранилище или на ноутбуке и открываются в настольном просмотрщике.
Форматы полнослайдовых изображений по производителям сканеров
Единого формата файлов для цифровой патологии не существует. Каждый производитель записывает собственный контейнер, в большинстве случаев — вариацию тайлового TIFF, и выбор просмотрщика часто сводится к тому, какие из них он умеет читать.
Библиотеки с открытым исходным кодом, такие как OpenSlide и Bio-Formats, читают большинство из них — именно поэтому вообще существуют просмотрщики, не зависящие от производителя. SlideScope читает SVS, NDPI, VMS, VMU, MRXS, SCN, BIF, SVSLIDE, QPTIFF, AVS, DICOM, TIFF и OME-TIFF, а также Olympus VSI и Hamamatsu NDPIS начиная с версии 1.10.0 и Philips iSyntax и KFBio KFB начиная с версии 1.20.0; он не читает SDPC, MDSX и TMAP. Точные ограничения приведены в справочнике по совместимости файлов, а в сравнении сканеров для цифровой патологии перечислены актуальные модели сканеров, их ёмкость и вывод в DICOM.
Программные уровни цифровой патологии
Те, кто ищет «программы для цифровой патологии», обычно имеют в виду одну из пяти совершенно разных вещей.
Программы сканеров
Управляют сканером и обычно поставляются с бесплатным просмотрщиком для собственного формата производителя, например Aperio ImageScope для SVS или Hamamatsu NDP.view2 для NDPI.
Системы управления изображениями
Платформы больничного уровня, которые хранят слайды, подключаются к лабораторной информационной системе, управляют случаями и рабочими списками и валидированы для клинического применения. Цены корпоративного уровня, развёртывание силами ИТ-отдела.
Настольные просмотрщики
Приложения, которые открывают полнослайдовые изображения из файла, папки или по ссылке на обычном компьютере — для просмотра, измерений, аннотирования и обучения. Именно здесь находится SlideScope.
Платформы анализа
QuPath, CellProfiler, ImageJ и Fiji, ASAP и коммерческие аналоги, которые сегментируют ткань, подсчитывают клетки и выполняют конвейеры на скриптах. Просмотрщик обычно передаёт им области в формате GeoJSON.
ИИ и вычислительная патология
Модели, которые обнаруживают, классифицируют или оценивают степень изменений ткани по полнослайдовому изображению. Некоторые из них одобрены как средства поддержки клинических решений; большинство — исследовательские инструменты, которым сначала нужен цифровой слайд.
Исследования, обучение и клиника — разные задачи
Исследовательская патология — сегодня именно здесь сканируется большая часть слайдов. Когорту оцифровывают один раз, её просматривают несколько человек, измеряют, аннотируют и передают на анализ. Требования: поддержка файлов разных производителей, калиброванные измерения, аннотации, которые сохраняются при передаче, и простой способ отправить коллеге точное поле зрения. Регуляторного барьера нет; инструмент просто должен быть точным и быстрым.
Обучение использует цифровые слайды как виртуальный микроскоп. Курс один раз сканирует свою коробку со слайдами, и каждый студент открывает тот же набор на своём ноутбуке, отмечает то, что распознал, и сравнивает заметки. Поэтому для университетов важны просмотрщики гистологических слайдов, которые работают локально и в Windows, и в macOS.
Первичная клиническая диагностика на экране регулируется. Сканеры и системы просмотра, на которых подписываются заключения, в большинстве юрисдикций одобрены или сертифицированы как медицинские изделия, лаборатории валидируют их по сравнению со стеклом, а к мониторам предъявляются требования. Просмотрщики общего назначения, включая SlideScope, для этого не одобрены и прямо об этом говорят. В клинике их используют только для недиагностической работы вокруг случая: обучения, подготовки к конференциям, исследований на архивном материале и контроля качества там, где это допускает политика учреждения.
Преимущества и ограничения
Что упрощает цифровая патология: делиться слайдом, не пересылая стекло, просматривать одну и ту же область одновременно из разных мест, измерять воспроизводимо, хранить аннотации вместе с изображением, собирать учебные наборы, которые не выцветают и не бьются, архивировать без помещения для хранения стёкол и вообще запускать анализ изображений или ИИ.
Чего она стоит: сканер, хранилище объёмом в терабайты, время на сканирование, рабочий процесс, поддерживающий соответствие стекла и цифровых копий, и валидация, если изображения будут использоваться для диагностики. Кроме того, при сканировании теряются некоторые возможности микроскопа, например перефокусировка по толщине толстого среза, если сканер не снял Z-стек, и поляризованный свет, если сканер его не поддерживает.
Место SlideScope
SlideScope — настольный просмотрщик для цифровой патологии для исследований, обучения и просмотра. Он открывает полнослайдовые изображения сканеров основных производителей в Windows и macOS, измеряет в калиброванных микрометрах, хранит аннотации привязанными к слайду, сравнивает два слайда бок о бок в одинаковом масштабе, экспортирует области в GeoJSON для QuPath и делится точным полем зрения по ссылке. Он работает на вашем компьютере, не требует сервера изображений, а его цена рассчитана на лабораторию, а не на больницу. Это не медицинское изделие, и оно не предназначено для первичной диагностики. Если вы выбираете между ним и бесплатными просмотрщиками, честнее всего начать со сравнения просмотрщиков полнослайдовых изображений.
Глоссарий цифровой патологии
- Полнослайдовое изображение (WSI)
- Гигапиксельный многоуровневый цифровой скан всего предметного стекла.
- Пирамида изображений
- Набор последовательно уменьшенных тайловых копий полнослайдового изображения, позволяющий просмотрщику быстро показывать любой уровень масштаба.
- MPP (микроны на пиксель)
- Физический размер одного пикселя в полном разрешении; калибровка, от которой зависит каждое измерение. Рассчитать его для любого уровня пирамиды можно с помощью калькулятора размера пикселя.
- 20x и 40x
- Увеличение объектива при сканировании; соответствует примерно 0,5 µm и 0,25 µm на пиксель.
- H&E
- Гематоксилин и эозин — стандартная окраска для оценки морфологии ткани.
- IHC
- Иммуногистохимия — окраска, выявляющая определённый белок; её часто просматривают бок о бок с окраской H&E того же блока.
- Z-стек
- Несколько фокальных плоскостей, снятых по толщине толстого среза, чтобы просмотрщик мог перефокусироваться.
- DICOM WSI
- Дополнение стандарта DICOM для полнослайдовых изображений, используемое для интеграции патологии в больничные системы визуализации.
- Система управления изображениями
- Серверная платформа, которая хранит, индексирует и выдаёт полнослайдовые изображения в клинической лаборатории.
- Вычислительная патология
- Анализ изображений и машинное обучение применительно к полнослайдовым изображениям.
Частые вопросы о цифровой патологии
Чем цифровая патология отличается от вычислительной?
Цифровая патология — это инфраструктура: сканирование слайдов, хранение полнослайдовых изображений и их просмотр на экране. Вычислительная патология — это то, что делают с изображениями, когда они уже оцифрованы: анализ изображений, подсчёт клеток, классификация тканей и модели машинного обучения. Сначала нужно первое, и только потом возможно второе.
Цифровая патология — это то же самое, что телепатология?
Нет. Телепатология означает удалённый просмотр патологического материала; она появилась раньше полнослайдовой визуализации и изначально использовала прямую трансляцию с камеры микроскопа. Цифровая патология сильно упрощает телепатологию, потому что отсканированным слайдом можно поделиться как файлом или ссылкой, но лаборатория может быть полностью цифровой, ни разу не проводя удалённых консультаций.
В каком формате хранятся слайды цифровой патологии?
Единого формата нет. Каждый производитель сканеров записывает свой: Aperio и Leica записывают SVS, Hamamatsu — NDPI, 3DHISTECH — MRXS, сканеры Leica SCN — SCN, Ventana — BIF, Philips — iSyntax, а Olympus — VSI. Варианты, не зависящие от производителя: пирамидальный TIFF, OME-TIFF и полнослайдовая визуализация DICOM. Независимый от производителя просмотрщик, такой как SlideScope, читает большинство из них напрямую.
Нужно ли специальное оборудование для просмотра полнослайдовых изображений?
Нет. Поскольку полнослайдовое изображение хранится как пирамида тайлов, просмотрщик загружает только тайлы для области и уровня масштаба на экране. Обычный ноутбук с 8 GB оперативной памяти открывает слайд размером в несколько гигабайт за секунды. Для сканирования нужен сканер слайдов, а в первичной клинической диагностике используются валидированные мониторы, но для исследовательского и учебного просмотра это не требуется.
Можно ли заниматься цифровой патологией на Mac?
Да, для просмотра и исследовательской работы. Некоторые просмотрщики производителей работают только в Windows, в том числе Aperio ImageScope, но QuPath, ObjectiveView, Hamamatsu NDP.view2 и SlideScope работают в macOS. SlideScope выпускается в нативных сборках для Apple Silicon и Intel и открывает на Mac слайды SVS, NDPI, MRXS, SCN, BIF и QPTIFF.
Откройте своё первое полнослайдовое изображение
Начните бесплатно со встроенной библиотеки образцов: без учётной записи, со всеми инструментами. Когда захотите открывать собственные слайды, подписка откроет все функции (PayPal или карта, оплата при оформлении). Перетащите файл SVS, NDPI или MRXS и посмотрите на пирамиду, калиброванный масштаб и инструменты аннотирования на своих слайдах.
Скачать SlideScope