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
- 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.
- 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.
- 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.
- Додавання метаданих. Зображення етикетки, макроогляд, модель сканера, об’єктив і дата сканування зберігаються всередині файлу разом зі штрихкодом, який лабораторія надрукувала на слайді.
- 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.
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