Bệnh học số là gì?

Định nghĩa bệnh học số

Trong phần lớn lịch sử của mình, bệnh học được thực hành dưới kính hiển vi: một lát cắt mô được cố định, vùi, cắt, nhuộm, gắn lên lam kính và quan sát bằng mắt. Bệnh học số thay thế bước cuối cùng. Lam kính được quét một lần, ảnh số thu được được lưu lại, và mọi việc sau đó, từ xem xét thường quy, hội chẩn, giảng dạy, lưu trữ đến phân tích ảnh, đều diễn ra trên màn hình.

Thuật ngữ này bao gồm toàn bộ môi trường giúp điều đó trở nên khả thi: máy quét, ảnh toàn tiêu bản mà chúng tạo ra, hệ thống lưu trữ và quản lý ảnh chứa các ảnh đó, trình xem hiển thị chúng và công cụ phân tích làm việc trên chúng. Bản thân thuật ngữ không hàm ý trí tuệ nhân tạo, dù AI là cách sử dụng ảnh phát triển nhanh nhất một khi ảnh đã tồn tại.

Ba thuật ngữ liên quan thường được dùng thay cho nhau và nên được phân biệt. Chụp ảnh toàn tiêu bản (WSI) là công nghệ quét. Hiển vi ảo là việc xem một tiêu bản đã quét như thể qua kính hiển vi, và là cụm từ các chương trình giảng dạy hay dùng. Bệnh học từ xa (telepathology) là xem xét bệnh học từ xa, việc mà tiêu bản số giúp dễ dàng hơn nhiều nhưng đã có từ trước khi có tiêu bản số.

Lam kính trở thành ảnh toàn tiêu bản như thế nào

1. Quét. Máy quét tiêu bản di chuyển lam kính dưới một camera và vật kính, thường ở 20x hoặc 40x, chụp hàng nghìn trường nhìn chồng lấn nhau và ghép chúng thành một ảnh. Một số máy quét chụp nhiều mặt phẳng tiêu cự (chồng Z) để có thể lấy nét lại các lát cắt dày về sau.
2. Dựng kim tự tháp. Ảnh ở độ phân giải đầy đủ có thể vượt quá 100.000 điểm ảnh mỗi cạnh và nặng vài gigabyte. Vì vậy máy quét còn ghi thêm các bản sao nhỏ dần (thường giảm một nửa ở mỗi mức) và cắt mỗi mức thành các ô. Kim tự tháp đa độ phân giải này là thứ khiến ảnh dùng được: trình xem chỉ yêu cầu các ô của vùng và mức thu phóng đang hiển thị trên màn hình.
3. Ghi lại tỷ lệ. Tệp lưu kích thước vật lý của một điểm ảnh tính bằng micromet (thường ghi là MPP, micromet trên mỗi điểm ảnh, khoảng 0,25 µm ở 40x và 0,5 µm ở 20x). Mọi phép đo trong trình xem đều phụ thuộc vào giá trị này.
4. Đính kèm siêu dữ liệu. Ảnh nhãn, ảnh tổng quan macro, kiểu máy quét, vật kính và ngày quét đi kèm bên trong tệp, cùng với mã vạch mà phòng xét nghiệm đã in trên tiêu bản.
5. Lưu trữ và cung cấp. Trong bệnh viện, tiêu bản được đưa vào hệ thống quản lý ảnh, song song với hệ thống thông tin phòng xét nghiệm. Trong nghiên cứu và giảng dạy, chúng thường nằm trên thư mục chia sẻ, ổ đĩa đám mây hoặc máy tính xách tay, và được mở trong trình xem trên máy tính.

Định dạng ảnh toàn tiêu bản theo hãng máy quét

Không có một định dạng tệp bệnh học số duy nhất. Mỗi nhà sản xuất ghi theo định dạng chứa riêng của mình, phần lớn là biến thể của TIFF dạng ô, và việc chọn trình xem thường quy về chuyện trình xem đó đọc được những định dạng nào.

Các thư viện mã nguồn mở như OpenSlide và Bio-Formats đọc được phần lớn các định dạng này, đó chính là lý do các trình xem không phụ thuộc hãng có thể tồn tại. SlideScope đọc SVS, NDPI, VMS, VMU, MRXS, SCN, BIF, SVSLIDE, QPTIFF, AVS, DICOM, TIFF và OME-TIFF, cùng Olympus VSI và Hamamatsu NDPIS từ phiên bản 1.10.0 và Philips iSyntax và KFBio KFB từ phiên bản 1.20.0; ứng dụng không đọc SDPC, MDSX hoặc TMAP. Tài liệu tham khảo về khả năng tương thích tệp nêu chính xác các giới hạn, và bảng so sánh máy quét bệnh học số liệt kê các mẫu máy quét hiện hành, công suất và khả năng xuất DICOM của chúng.

Các lớp phần mềm của bệnh học số

Người tìm kiếm "phần mềm bệnh học số" thường muốn nói đến một trong năm thứ khá khác nhau.

Nghiên cứu, giảng dạy và lâm sàng là những bài toán khác nhau

Bệnh học nghiên cứu là nơi phần lớn tiêu bản được quét hiện nay. Một nhóm mẫu nghiên cứu (cohort) được số hóa một lần, được nhiều người xem xét, đo đạc, chú thích và đưa vào phân tích. Yêu cầu đặt ra là hỗ trợ tệp không phụ thuộc hãng, phép đo đã hiệu chuẩn, chú thích vẫn còn nguyên khi bàn giao, và một cách dễ dàng để gửi cho cộng sự đúng trường nhìn. Không có rào cản pháp lý; công cụ chỉ cần chính xác và nhanh.

Giảng dạy dùng tiêu bản số như một kính hiển vi ảo. Một khóa học quét hộp tiêu bản của mình một lần và mọi sinh viên mở cùng bộ tiêu bản đó trên máy tính xách tay của mình, đánh dấu những gì đã nhận ra và so sánh ghi chú. Đó là lý do các trình xem tiêu bản mô học chạy cục bộ trên cả Windows lẫn macOS lại quan trọng với các trường đại học.

Chẩn đoán sơ cấp lâm sàng trên màn hình chịu sự quản lý pháp lý. Máy quét và hệ thống xem dùng để ký trả kết quả ca bệnh được cấp phép hoặc phê duyệt là thiết bị y tế ở hầu hết các khu vực pháp lý, các phòng xét nghiệm thẩm định chúng so với lam kính, và màn hình hiển thị có thông số quy định. Các trình xem đa năng, bao gồm SlideScope, không được cấp phép cho việc này và nói rõ như vậy. Chúng chỉ được dùng trong lâm sàng cho các công việc không chẩn đoán xoay quanh một ca bệnh: giảng dạy, chuẩn bị hội chẩn, nghiên cứu trên vật liệu lưu trữ, và đánh giá chất lượng khi chính sách của cơ sở cho phép.

Lợi ích và hạn chế

Những gì bệnh học số giúp dễ dàng hơn: chia sẻ tiêu bản mà không phải gửi lam kính, xem cùng một vùng vào cùng một lúc từ những nơi khác nhau, đo đạc có thể lặp lại, giữ chú thích cùng với ảnh, xây dựng bộ tiêu bản giảng dạy không bao giờ phai màu hay vỡ, lưu trữ mà không cần phòng chứa tiêu bản, và có thể chạy phân tích ảnh hay AI.

Chi phí bỏ ra: một máy quét, dung lượng lưu trữ tính bằng terabyte, thời gian quét, một quy trình để giữ lam kính và bản số đồng bộ với nhau, và việc thẩm định nếu ảnh sẽ được dùng để chẩn đoán. Việc quét cũng làm mất đi một số thứ mà kính hiển vi mang lại, như lấy nét lại xuyên qua lát cắt dày trừ khi máy quét đã chụp chồng Z, và ánh sáng phân cực trừ khi máy quét hỗ trợ.

Vị trí của SlideScope

SlideScope là một trình xem bệnh học số trên máy tính dành cho nghiên cứu, giáo dục và xem xét. Ứng dụng mở ảnh toàn tiêu bản từ các hãng máy quét lớn trên Windows và macOS, đo bằng micromet đã hiệu chuẩn, giữ chú thích gắn với tiêu bản, so sánh song song hai tiêu bản ở cùng tỷ lệ, xuất các vùng dưới dạng GeoJSON cho QuPath, và chia sẻ đúng một trường nhìn dưới dạng liên kết. Ứng dụng chạy trên máy của chính bạn, không cần máy chủ ảnh, và có mức giá dành cho phòng thí nghiệm chứ không phải cho bệnh viện. Đây không phải thiết bị y tế và không dùng cho chẩn đoán sơ cấp. Nếu bạn đang cân nhắc giữa nó và các trình xem miễn phí, bảng so sánh trình xem ảnh toàn tiêu bản là điểm khởi đầu trung thực.

Thuật ngữ bệnh học số

Ảnh toàn tiêu bản (WSI)

Bản quét số hàng gigapixel, đa độ phân giải của toàn bộ một lam kính.

Kim tự tháp ảnh

Tập hợp các bản sao được giảm mẫu dần và chia ô của một ảnh toàn tiêu bản, cho phép trình xem hiển thị nhanh bất kỳ mức thu phóng nào.

MPP (micromet trên mỗi điểm ảnh)

Kích thước vật lý của một điểm ảnh ở độ phân giải đầy đủ; là thông tin hiệu chuẩn mà mọi phép đo phụ thuộc vào. Tính giá trị này cho bất kỳ mức kim tự tháp nào bằng máy tính kích thước điểm ảnh.

20x và 40x

Độ phóng đại vật kính dùng khi quét, tương ứng khoảng 0,5 µm và 0,25 µm mỗi điểm ảnh.

H&E

Hematoxylin và eosin, thuốc nhuộm tiêu chuẩn cho hình thái mô.

IHC

Hóa mô miễn dịch, phương pháp nhuộm đánh dấu một protein cụ thể; thường được xem song song với tiêu bản H&E của cùng một khối mô.

Chồng Z (Z-stack)

Nhiều mặt phẳng tiêu cự được chụp xuyên qua một lát cắt dày để trình xem có thể lấy nét lại.

DICOM WSI

Phần bổ sung của tiêu chuẩn DICOM cho ảnh toàn tiêu bản, dùng để tích hợp bệnh học vào hệ thống hình ảnh của bệnh viện.

Hệ thống quản lý ảnh

Nền tảng máy chủ lưu trữ, lập chỉ mục và cung cấp ảnh toàn tiêu bản trong phòng xét nghiệm lâm sàng.

Bệnh học tính toán

Phân tích ảnh và học máy áp dụng cho ảnh toàn tiêu bản.

Những câu hỏi thường gặp về bệnh học số