Посібник простими словами

Що таке цифрова патологія?

Цифрова патологія — це практика сканування скляних мікроскопічних слайдів у повнослайдові зображення з подальшим переглядом, поширенням, анотуванням і аналізом цих зображень на комп’ютері, а не за мікроскопом. Цей посібник пояснює, як відбувається сканування, які формати файлів при цьому використовуються, що насправді робить переглядач, чим відрізняються дослідницьке, навчальне й клінічне застосування і яке місце тут посідає ШІ.

Що таке повнослайдова візуалізація Формати за виробниками сканерів Дослідження, навчання та клініка

Цифрова патологія: визначення

Більшу частину своєї історії патологія практикувалася за мікроскопом: зріз тканини фіксують, заливають, ріжуть, фарбують, монтують на скло й оглядають на око. Цифрова патологія замінює останній крок. Скляний слайд сканують один раз, отримане цифрове зображення зберігають, і все подальше — від рутинного перегляду до других думок, навчання, архівування та аналізу зображень — відбувається на екрані.

Цей термін охоплює все середовище, яке робить це можливим: сканери, повнослайдові зображення, які вони створюють, системи зберігання й керування зображеннями, що їх містять, переглядачі, які їх показують, і засоби аналізу, які з ними працюють. Сам по собі він не означає штучного інтелекту, хоча ШІ — найшвидше зростаюче застосування цих зображень, щойно вони з’являються.

Три споріднені терміни часто вживають як синоніми, але їх варто розрізняти. Повнослайдова візуалізація (WSI) — це технологія сканування. Віртуальна мікроскопія — це перегляд відсканованого слайда так, ніби крізь мікроскоп; цей вислів зазвичай використовують навчальні програми. Телепатологія — це дистанційний патологічний перегляд, який цифрові слайди значно спрощують, але який існував і до них.

Як скляний слайд стає повнослайдовим зображенням

  1. Сканування. Сканер слайдів переміщує скло під камерою та об’єктивом, зазвичай за 20x або 40x, знімає тисячі полів, що перекриваються, і зшиває їх в одне зображення. Деякі сканери знімають кілька фокальних площин (Z-стек), щоб товсті зрізи можна було перефокусувати пізніше.
  2. Побудова піраміди. Зображення в повній роздільності може перевищувати 100 000 пікселів по стороні й займати кілька гігабайтів. Тому сканер також записує дедалі менші копії (зазвичай кожен рівень удвічі менший) і розрізає кожен рівень на тайли. Саме ця багаторівнева піраміда робить зображення придатним до роботи: переглядач запитує лише тайли для ділянки й рівня масштабу, що є на екрані.
  3. Запис масштабу. Файл зберігає фізичний розмір одного пікселя в мікрометрах (часто позначається як MPP, мікрон на піксель: близько 0.25 µm за 40x і 0.5 µm за 20x). Від цього значення залежить кожне вимірювання в переглядачі.
  4. Додавання метаданих. Зображення етикетки, макроогляд, модель сканера, об’єктив і дата сканування зберігаються всередині файлу разом зі штрихкодом, який лабораторія надрукувала на слайді.
  5. Зберігання й надання доступу. У лікарні слайди потрапляють у систему керування зображеннями поряд із лабораторною інформаційною системою. У дослідженнях і навчанні вони зазвичай лежать у спільній папці, на хмарному диску чи ноутбуці й відкриваються в настільному переглядачі.

Формати повнослайдових зображень за виробниками сканерів

Єдиного формату файлів для цифрової патології не існує. Кожен виробник записує власний контейнер — переважно варіації тайлового TIFF, — і вибір переглядача часто зводиться до того, які з них він уміє читати.

ВиробникФорматЩо це
Aperio / Leica Biosystems.svsТайловий пірамідальний TIFF із тегами виробника. Найпоширеніший формат у дослідницьких архівах.
Hamamatsu.ndpi, .vms, .vmuNDPI — однофайловий варіант TIFF; VMS і VMU зберігають пікселі в супровідних файлах.
3DHISTECH.mrxsНевеликий індексний файл плюс однойменна папка з даними зображення.
Leica (SCN400, GT450).scnНа основі BigTIFF; один слайд може містити кілька відсканованих ділянок.
Ventana / Roche.bifТайловий TIFF від сімейства iScan.
Akoya / PerkinElmer.qptiffМультиплексна імунофлуоресценція з окремим зображенням для кожного каналу маркера.
Philips.isyntaxНа основі вейвлетів; потрібне ПЗ Philips або переглядач, що його декодує, як-от SlideScope починаючи з версії 1.20.0.
Olympus / Evident.vsiІндексний файл плюс папка з даними зображення.
Незалежні від виробникапірамідальний TIFF, OME-TIFF, DICOM WSIВідкриті стандарти. Повнослайдова візуалізація DICOM — напрям, у якому рухаються лікарняні системи.

Бібліотеки з відкритим кодом, як-от OpenSlide і Bio-Formats, читають більшість із них — саме тому взагалі існують переглядачі, незалежні від виробника. SlideScope читає SVS, NDPI, VMS, VMU, MRXS, SCN, BIF, SVSLIDE, QPTIFF, AVS, DICOM, TIFF і OME-TIFF, а також Olympus VSI і Hamamatsu NDPIS починаючи з версії 1.10.0 та Philips iSyntax і KFBio KFB починаючи з версії 1.20.0; він не читає SDPC, MDSX і TMAP. Точні обмеження наведено в довіднику сумісності файлів, а порівняння сканерів для цифрової патології перелічує актуальні моделі сканерів, їхню місткість і вивід у DICOM.

Програмні рівні цифрової патології

Ті, хто шукає «програми для цифрової патології», зазвичай мають на увазі одну з п’яти зовсім різних речей.

Програмне забезпечення сканера

Керує сканером і зазвичай постачається з безкоштовним переглядачем для власного формату виробника, як-от Aperio ImageScope для SVS або Hamamatsu NDP.view2 для NDPI.

Системи керування зображеннями

Платформи лікарняного рівня, які зберігають слайди, під’єднуються до лабораторної інформаційної системи, керують випадками й робочими списками та валідовані для клінічного використання. Ціни корпоративні, розгортання — силами ІТ-відділу.

Настільні переглядачі

Програми, які відкривають повнослайдові зображення з файлу, папки чи посилання на звичайному комп’ютері для перегляду, вимірювань, анотування й навчання. Саме тут розташований SlideScope.

Платформи для аналізу

QuPath, CellProfiler, ImageJ і Fiji, ASAP та комерційні аналоги, які сегментують тканину, підраховують клітини й запускають скриптові конвеєри. Переглядач зазвичай передає їм ділянки у форматі GeoJSON.

ШІ та обчислювальна патологія

Моделі, які виявляють, класифікують або оцінюють ступінь змін тканини за повнослайдовим зображенням. Деякі дозволені як засоби підтримки клінічних рішень; більшість — дослідницькі інструменти, яким спершу потрібен цифровий слайд.

Дослідження, навчання та клінічне використання — це різні задачі

Дослідницька патологія — це сфера, де сьогодні сканують найбільше слайдів. Когорту оцифровують один раз, її переглядають кілька людей, вимірюють, анотують і передають на аналіз. Потрібні підтримка файлів незалежно від виробника, калібровані вимірювання, анотації, що не губляться при передаванні, і простий спосіб надіслати колезі точне поле зору. Регуляторного бар’єра немає; інструмент просто має бути точним і швидким.

Навчання використовує цифрові слайди як віртуальний мікроскоп. Курс один раз сканує свою колекцію слайдів, і кожен студент відкриває той самий набір на власному ноутбуці, позначає те, що розпізнав, і порівнює нотатки. Ось чому для університетів важливі переглядачі гістологічних слайдів, що працюють локально і в Windows, і в macOS.

Клінічна первинна діагностика на екрані регулюється. Сканери й системи перегляду, які використовують для підписання випадків, у більшості юрисдикцій дозволені або схвалені як медичні вироби, лабораторії валідують їх порівняно зі склом, а для дисплеїв встановлено вимоги. Переглядачі загального призначення, зокрема SlideScope, для цього не дозволені й прямо про це повідомляють. У клініці їх використовують лише для недіагностичної роботи навколо випадку: навчання, підготовки до конференцій, досліджень на архівному матеріалі та контролю якості там, де це дозволяє політика установи.

Переваги й обмеження

Що цифрова патологія спрощує: ділитися слайдом без пересилання скла, переглядати ту саму ділянку одночасно з різних місць, відтворювано вимірювати, зберігати анотації разом із зображенням, створювати навчальні набори, які ніколи не вицвітають і не б’ються, архівувати без кімнати для слайдів і взагалі запускати аналіз зображень чи ШІ.

Чого вона вимагає: сканера, сховища, обсяг якого вимірюється терабайтами, часу на сканування, робочого процесу для синхронізації скла й цифрових копій і валідації, якщо зображення використовуватимуться для діагностики. Під час сканування також втрачаються деякі можливості мікроскопа, як-от перефокусування в товщі зрізу, якщо сканер не зняв Z-стек, і поляризоване світло, якщо сканер його не підтримує.

Місце SlideScope

SlideScope — це настільний переглядач цифрової патології для досліджень, освіти й перегляду. Він відкриває повнослайдові зображення від провідних виробників сканерів у Windows і macOS, вимірює в каліброваних мікрометрах, зберігає анотації прив’язаними до слайда, порівнює два слайди поруч в однаковому масштабі, експортує ділянки як GeoJSON для QuPath і ділиться точним полем зору за посиланням. Він працює на вашому власному комп’ютері, не потребує сервера зображень, а його ціна розрахована на лабораторію, а не на лікарню. Він не є медичним виробом і не призначений для первинної діагностики. Якщо ви обираєте між ним і безкоштовними переглядачами, чесна відправна точка — порівняння переглядачів повнослайдових зображень.

Глосарій цифрової патології

Повнослайдове зображення (WSI)
Гігапіксельний багаторівневий цифровий скан усього скляного слайда.
Піраміда зображень
Набір дедалі зменшених тайлових копій повнослайдового зображення, завдяки якому переглядач швидко показує будь-який рівень масштабу.
MPP (мікрон на піксель)
Фізичний розмір одного пікселя в повній роздільності; калібрування, від якого залежить кожне вимірювання. Обчисліть його для будь-якого рівня піраміди за допомогою калькулятора розміру пікселя.
20x і 40x
Збільшення об’єктива під час сканування — приблизно 0.5 µm і 0.25 µm на піксель відповідно.
H&E
Гематоксилін і еозин — стандартне забарвлення для морфології тканин.
IHC
Імуногістохімія — забарвлення, що позначає певний білок; часто переглядається поруч із H&E з того самого блоку.
Z-стек
Кілька фокальних площин, знятих крізь товстий зріз, щоб переглядач міг перефокусуватися.
DICOM WSI
Доповнення стандарту DICOM для повнослайдових зображень, яке використовують для інтеграції патології в лікарняні системи візуалізації.
Система керування зображеннями
Серверна платформа, яка зберігає, індексує й надає повнослайдові зображення в клінічній лабораторії.
Обчислювальна патологія
Аналіз зображень і машинне навчання, застосовані до повнослайдових зображень.

Поширені запитання про цифрову патологію

Чим цифрова патологія відрізняється від обчислювальної?

Цифрова патологія — це інфраструктура: сканування слайдів, зберігання повнослайдових зображень і їх перегляд на екрані. Обчислювальна патологія — це те, що ви робите з цими зображеннями, коли вони вже цифрові: аналіз зображень, підрахунок клітин, класифікація тканин і моделі машинного навчання. Без першого друге неможливе.

Цифрова патологія — це те саме, що телепатологія?

Ні. Телепатологія означає дистанційний перегляд патологічного матеріалу; вона з’явилася раніше за повнослайдову візуалізацію й спочатку використовувала живу трансляцію з камери мікроскопа. Цифрова патологія значно спрощує телепатологію, бо відсканованим слайдом можна поділитися як файлом чи посиланням, але лабораторія може бути повністю цифровою й ніколи не консультуватися дистанційно.

У якому форматі файлів зберігаються слайди цифрової патології?

Єдиного формату немає. Кожен виробник сканерів записує власний: Aperio і Leica — SVS, Hamamatsu — NDPI, 3DHISTECH — MRXS, сканери Leica SCN — SCN, Ventana — BIF, Philips — iSyntax, Olympus — VSI. Незалежні від виробника варіанти — пірамідальний TIFF, OME-TIFF і повнослайдова візуалізація DICOM. Незалежний від виробника переглядач, як-от SlideScope, напряму читає більшість із них.

Чи потрібне спеціальне обладнання для перегляду повнослайдових зображень?

Ні. Оскільки повнослайдове зображення зберігається як піраміда тайлів, переглядач завантажує лише тайли для ділянки й рівня масштабу на екрані. Звичайний ноутбук із 8 GB оперативної пам’яті відкриває слайд розміром у кілька гігабайтів за лічені секунди. Для сканування потрібен сканер слайдів, а для клінічної первинної діагностики — валідовані дисплеї, але для дослідницького й навчального перегляду — ні.

Чи можна працювати з цифровою патологією на Mac?

Так, для перегляду й дослідницької роботи. Кілька переглядачів від виробників працюють лише у Windows, зокрема Aperio ImageScope, але QuPath, ObjectiveView, Hamamatsu NDP.view2 і SlideScope працюють у macOS. SlideScope має нативні збірки для Apple Silicon та Intel і відкриває слайди SVS, NDPI, MRXS, SCN, BIF і QPTIFF на Mac.

Відкрийте своє перше повнослайдове зображення

Почніть безкоштовно з вбудованою бібліотекою зразків: без облікового запису, з усіма інструментами. Коли захочете відкривати власні слайди, передплата відкриває всі функції (PayPal або картка, оплата в момент оформлення передплати). Перетягніть файл SVS, NDPI або MRXS і побачте піраміду, калібрований масштаб та інструменти анотування на власних слайдах.

Завантажити SlideScope