基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字切片系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

王 霞，李 娟，張 明，胡曉松

基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字切片系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

王 霞，李 娟，張 明，胡曉松

介紹了數(shù)字切片技術(shù)的發(fā)展情況及其功能，對(duì)基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字切片系統(tǒng)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)教學(xué)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了分析和比較。提出該系統(tǒng)可提供一種不受時(shí)間和地域限制的交互式學(xué)習(xí)信息平臺(tái)，給傳統(tǒng)的形態(tài)學(xué)教學(xué)模式帶來(lái)深刻變革，更大限度地發(fā)揮學(xué)生主體和主動(dòng)精神，開(kāi)拓素質(zhì)教育資源，提高形態(tài)學(xué)教學(xué)質(zhì)量。

數(shù)字切片；形態(tài)學(xué)教學(xué)；虛擬顯微鏡；網(wǎng)絡(luò)

1 引言

基于玻璃切片和顯微鏡的傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)觀察，已經(jīng)發(fā)展了300多年。近十余年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，數(shù)字（虛擬）切片技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。由于該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在計(jì)算機(jī)屏幕上對(duì)顯微鏡觀察的仿真過(guò)程，可使閱片者能夠完整、方便地瀏覽數(shù)據(jù)庫(kù)中的任何切片，因此在臨床病理診斷、遠(yuǎn)程病理會(huì)診、讀片會(huì)、形態(tài)學(xué)教學(xué)、科研等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

2 數(shù)字切片技術(shù)的發(fā)展

數(shù)字切片技術(shù)始于1985年，但囿于臺(tái)式計(jì)算機(jī)的處理速度和儲(chǔ)存能力，直到20世紀(jì)90年代末，才逐漸在教育領(lǐng)域得以使用[1]。近年來(lái)數(shù)字切片技術(shù)發(fā)展迅速，其中具有代表性的有日本的濱松光子技術(shù)有限公司（Hamamatsu）開(kāi)發(fā)的數(shù)字切片掃描系統(tǒng)NDP以及國(guó)內(nèi)廈門麥克奧迪公司開(kāi)發(fā)的數(shù)字切片掃描系統(tǒng)VM（virtual microscope）[2]。VM是基于自動(dòng)顯微鏡的數(shù)字切片采集設(shè)備，而NDP屬于切片掃描儀類設(shè)備。

數(shù)字切片系統(tǒng)主要由自動(dòng)掃描顯微鏡、數(shù)碼攝像頭（CCD）、自動(dòng)圖像掃描采集軟件、數(shù)字切片瀏覽器和計(jì)算機(jī)等組成。系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)控制自動(dòng)顯微鏡移動(dòng)，并對(duì)觀察到的組織切片進(jìn)行X/Y軸方向掃描移動(dòng)和Z軸方向全自動(dòng)聚焦掃描，逐幅自動(dòng)采集數(shù)字化的顯微圖像，并進(jìn)行高精度、多視野、無(wú)縫隙自動(dòng)拼圖，壓縮后保存為1個(gè)定態(tài)切片的數(shù)字圖像文件，隨即完成對(duì)1張完整玻璃切片承載信息的虛擬（仿真），即數(shù)字切片制作過(guò)程。

基于Web的數(shù)字切片需要多個(gè)技術(shù)的支持：（1）大容量的高倍視野數(shù)字信息采集；（2）創(chuàng)建1個(gè)無(wú)縫拼接的切片數(shù)字圖像；（3）將數(shù)字切片轉(zhuǎn)換為允許在X-Y軸平移和連續(xù)放大的文件；（4）對(duì)數(shù)字切片標(biāo)注和編輯附文；（5）將數(shù)字切片文件（通過(guò)網(wǎng)絡(luò)）上傳服務(wù)器。通過(guò)看圖軟件能方便地仿真模擬光學(xué)顯微鏡的功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)這張數(shù)字圖像的不同物鏡倍率（4、10、20、40、100×或 4～100×連續(xù)物鏡）及任意方向的動(dòng)態(tài)觀察。迄今為止，大多數(shù)數(shù)字切片的圖像獲取及處理時(shí)間超過(guò)20 min，其原因主要是目前數(shù)字切片制作是采用單鏡頭有序連續(xù)攝影技術(shù)。近來(lái)，一種全新設(shè)計(jì)的陣列顯微鏡（array microscope）已經(jīng)被研制出來(lái)并成功得以運(yùn)用，該顯微鏡通過(guò)將一系列小型顯微鏡物鏡排列在一起，組成一個(gè)陣列式的組合物鏡，因而可同時(shí)獲得更大的視野。應(yīng)用陣列顯微鏡可以將整個(gè)組織切片的高倍圖像一次拍攝下來(lái)，每秒鐘可以從數(shù)十個(gè)小型顯微鏡中攝取數(shù)千張圖像，該系統(tǒng)可以在1 min內(nèi)完成1張切片的掃描[3-4]。

3 數(shù)字切片的功能

由于虛擬顯微鏡集成了光學(xué)顯微鏡、機(jī)電、自動(dòng)化控制、計(jì)算機(jī)圖像處理、數(shù)碼成像等方面的技術(shù)，它將顯微鏡鏡檢從手工操作升級(jí)為電控自動(dòng)化操作，從而改變了人類操作傳統(tǒng)顯微鏡的方式。因而它可以完成以往人工顯微鏡操作不可能完成的許多工作?？蓮V泛應(yīng)用在HE切片、免疫組化、原位雜交、組織芯片等具有切片載體的圖像掃描中，具有廣泛的應(yīng)用前景。

3.1 全景自動(dòng)拼圖，使用方便

高精度自動(dòng)顯微鏡掃描可將鏡下視野圖像從單幅肉眼觀察升級(jí)為計(jì)算機(jī)控制高速全景自動(dòng)拼圖，從而獲得高質(zhì)量的數(shù)字切片圖像，可保證原切片圖像信息的完整性、真實(shí)性，包括完整的結(jié)構(gòu)信息、光密度信息、色度信息等可完全滿足閱片者要求。模擬顯微鏡操作，用鼠標(biāo)即可隨意選擇不同放大倍率，觀察不同倍率下切片的真實(shí)圖像，并進(jìn)行圖像的標(biāo)準(zhǔn)化分析、統(tǒng)計(jì)分析等應(yīng)用。

3.2 支持顯微鏡景深圖像融合技術(shù)

普通顯微鏡都有固定的景深，在縱向變化范圍較大的情況下，難以各個(gè)層面都清晰顯示，在高倍率下由于景深小，這種現(xiàn)象更加明顯。虛擬顯微鏡技術(shù)可以將各層面聚焦清晰的圖像進(jìn)行圖像融合處理，可以得到各層都清晰聚焦的整幅圖像。

3.3 進(jìn)行各種圖像分析、處理和報(bào)告

在普通顯微鏡下對(duì)有用的觀察點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記比較麻煩，虛擬顯微鏡技術(shù)可以把切片中特定的點(diǎn)標(biāo)記存儲(chǔ)下來(lái)，以備日后查閱使用。當(dāng)需要重新查閱這些特征點(diǎn)時(shí)，只需要單擊屏幕上的特征點(diǎn)快捷按鈕，計(jì)算機(jī)隨即將該位置的圖像移動(dòng)到屏幕上，十分快捷方便?？晒┒嘤脩敉瑫r(shí)瀏覽和討論，與已建立的病例快速、準(zhǔn)確比較。

3.4 實(shí)現(xiàn)在線遠(yuǎn)程瀏覽

數(shù)字切片存儲(chǔ)、瀏覽容易，檢索迅速，無(wú)時(shí)間、地域限制。通過(guò)將數(shù)字切片存儲(chǔ)在專業(yè)的服務(wù)器中供遠(yuǎn)程閱片者下載或在線瀏覽。

4 數(shù)字切片系統(tǒng)在形態(tài)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的顯微形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，都是將切片發(fā)給學(xué)生在顯微鏡下觀察，或者教師在顯微鏡下觀察，通過(guò)投影機(jī)或數(shù)碼顯微互動(dòng)系統(tǒng)示教觀察過(guò)程。因此，數(shù)字切片的出現(xiàn)將來(lái)很可能會(huì)在很大程度上取代傳統(tǒng)教學(xué)方法。國(guó)內(nèi)山東易創(chuàng)電子有限公司、廈門Motic實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司和北京創(chuàng)美偉業(yè)科技有限公司都已經(jīng)成功地開(kāi)發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全自動(dòng)顯微鏡數(shù)字切片系統(tǒng)。目前國(guó)內(nèi)山東大學(xué)、南方醫(yī)科大學(xué)和華中科技大學(xué)[5]、第三軍醫(yī)大學(xué)等高校均已建成數(shù)字切片系統(tǒng)，我校和Motic合作建立的形態(tài)學(xué)數(shù)字切片網(wǎng)站預(yù)計(jì)將于年底前投入使用。

4.1 數(shù)字切片教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

4.1.1 閱片更加便捷

數(shù)字切片脫離了傳統(tǒng)顯微形態(tài)學(xué)觀察使用玻璃切片和顯微鏡的局限，高清晰度的數(shù)字切片系統(tǒng)全天候開(kāi)放。在網(wǎng)絡(luò)迅速普及的今天，學(xué)生實(shí)驗(yàn)室、宿舍、教室，甚至戶外，均可近距離觀察編輯標(biāo)注好的數(shù)字切片。指導(dǎo)性更強(qiáng)，學(xué)生也能更快更好地理解和掌握切片的內(nèi)容，有利于學(xué)生課前預(yù)習(xí)及課后復(fù)習(xí)，提高了學(xué)習(xí)效率，也能促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性的發(fā)揮和自學(xué)能力的培養(yǎng)。

4.1.2 教學(xué)內(nèi)容更加豐富

一些特殊染色的切片易褪色，數(shù)字切片可彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，或?qū)⒁恍┱滟F的示教片直接掃描后作為教學(xué)切片使用。所有學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)空間可以同步瀏覽觀察數(shù)字切片。理論課堂選擇典型的數(shù)字切片演示，直觀、通俗。實(shí)驗(yàn)討論課，教師將重點(diǎn)難點(diǎn)的數(shù)字切片作為疑難標(biāo)本，附加一些文字問(wèn)題，作為學(xué)生討論的內(nèi)容，可促進(jìn)學(xué)生之間交流和協(xié)作，實(shí)現(xiàn)合作學(xué)習(xí)模式，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題的能力，充分發(fā)揮學(xué)生在教學(xué)中的主體作用[6]。

4.1.3 切片資源保存、檢索實(shí)現(xiàn)數(shù)字化

傳統(tǒng)的教學(xué)切片保存一直存在許多問(wèn)題，如數(shù)量龐大，儲(chǔ)存空間有限，切片褪色、損壞，珍貴切片難以補(bǔ)充，切片難以附帶足夠的信息，檢索困難等。數(shù)字切片庫(kù)技術(shù)的出現(xiàn)可以完全改變這種局面。所有的切片經(jīng)數(shù)字化、分類保存后，均可通過(guò)日期、特征、疾病、癥狀、解剖部位、圖像類型等關(guān)鍵詞進(jìn)行快捷布爾檢索、調(diào)閱[4，7]。不僅可以有效解決教學(xué)切片資源不足的問(wèn)題，也能節(jié)約教學(xué)消耗，提高教學(xué)資源的利用率。

4.1.4 促進(jìn)形態(tài)學(xué)課程的有機(jī)整合，實(shí)現(xiàn)教學(xué)方式多樣化

通過(guò)建立含數(shù)字切片的圖片資源庫(kù)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的縱向、橫向?qū)Ρ葘W(xué)習(xí)，如病原學(xué)（病因）→正常形態(tài)學(xué)（解剖學(xué)、組織學(xué)）→異常形態(tài)學(xué)（病理解剖學(xué)的大體、顯微）→臨床，通過(guò)教學(xué)方法和手段的革新，提高教學(xué)效果。通過(guò)這種寬面縱深式的學(xué)習(xí)模式，促進(jìn)多學(xué)科知識(shí)的有機(jī)融合，加強(qiáng)高年級(jí)學(xué)生理論知識(shí)實(shí)踐能力的培養(yǎng)。此外，通過(guò)基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字切片系統(tǒng)，還可開(kāi)展跨地域的醫(yī)院典型病例或罕見(jiàn)病例的遠(yuǎn)程教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)探究熱情，實(shí)現(xiàn)教育方式多樣化，加快我國(guó)醫(yī)學(xué)教育技術(shù)水平國(guó)際化、現(xiàn)代化的發(fā)展進(jìn)程。

4.1.5 為教師備課提供更多素材

數(shù)字切片庫(kù)能不斷更新，內(nèi)容不斷豐富，并利用互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字切片的資料共享，可為教師編寫課件提供更多理想的素材。此外，利用圖像編輯軟件，將數(shù)字切片進(jìn)行剪接、編輯、標(biāo)注等處理，課件制作更加靈活多樣，內(nèi)容也更加豐富。

4.1.6 促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核方式的轉(zhuǎn)變

傳統(tǒng)的形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)考核方式主要有肉眼辨識(shí)實(shí)物標(biāo)本、鏡下結(jié)構(gòu)觀察、口試等，目前多數(shù)醫(yī)學(xué)院校主要采用數(shù)碼互動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行圖片考試，采用數(shù)字切片進(jìn)行考試可實(shí)現(xiàn)標(biāo)本信息的完整性、公平性。對(duì)數(shù)字切片進(jìn)行編輯、裁剪、標(biāo)注等處理，可以設(shè)計(jì)出新穎活潑的題型，能全面、客觀地考核學(xué)生。新的考試模式既考察學(xué)生對(duì)知識(shí)的了解程度，同時(shí)也考察學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)踐技能，體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)課的實(shí)踐性，又可使考試內(nèi)容在深度廣度上得到擴(kuò)展，可對(duì)學(xué)生的精細(xì)觀察辨別能力進(jìn)行準(zhǔn)確判斷[6]。

4.2 數(shù)字切片教學(xué)目前存在的問(wèn)題

當(dāng)前，數(shù)字切片尚不能廣泛應(yīng)用于形態(tài)學(xué)教學(xué)領(lǐng)域，主要受到以下一些因素的限制，如對(duì)數(shù)字切片技術(shù)的認(rèn)識(shí)明顯滯后；購(gòu)買自動(dòng)掃描顯微鏡、建立網(wǎng)絡(luò)數(shù)字切片庫(kù)的費(fèi)用仍相對(duì)昂貴；計(jì)算機(jī)配置要求較高；數(shù)據(jù)傳輸速度受限；數(shù)字切片保存格式不統(tǒng)一；數(shù)字切片技術(shù)尚未標(biāo)準(zhǔn)化；尚無(wú)油鏡掃描設(shè)備；無(wú)法進(jìn)行培養(yǎng)細(xì)胞及組織、FISH、基因芯片、蛋白芯片的掃描等。此外，過(guò)分依賴數(shù)字切片的使用，也使得學(xué)生無(wú)法熟練掌握傳統(tǒng)顯微鏡的使用。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，數(shù)字信息化技術(shù)日新月異，以使用顯微鏡為主的傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)教學(xué)正發(fā)生著教學(xué)方法和手段的深刻變革。數(shù)字切片技術(shù)的出現(xiàn)不僅改變了傳統(tǒng)玻璃切片的信息承載形式，而且也不斷改變傳統(tǒng)的臨床病理診斷、病理會(huì)診的方式，使不同地域的醫(yī)院之間、學(xué)校間，甚至不同學(xué)科的信息交流、數(shù)據(jù)資源共享不斷成為現(xiàn)實(shí)，必將對(duì)醫(yī)學(xué)事業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

[1]Silage D A，Gil J.Digital image tiles:a method for the processing of large sections[J].J Microsc，1985，138（2）：221-227.

[2]葉可人，姜志國(guó)，孟 鋼.一種基于線陣CCD成像的顯微數(shù)字切片掃描系統(tǒng)[J].中國(guó)體視學(xué)與圖像分析，2009，14（4）：413-418.

[3]Weinstein R S，Descour M R，Liang C，et al.An array microscope for ultra rapid virtual slide processing and telepathology.Design，fabrication， and validation study[J].Hum Pathol，2004，35 （11）：1 303-1 314.

[4]Weinstein R S.Innovations in medical imaging and virtual microscopy[J].Hum Pathol，2005，36（4）：317-319.

[5]陳英華，董為人，俞新華，等.基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字組織切片在組織學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)組織化學(xué)與細(xì)胞化學(xué)雜志，2009，18（4）：454-458.

[6]馬保華.建設(shè)數(shù)字化切片庫(kù)，提高形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量[EB/OL].（2010-5-11）[2011-01-10].http：//www.lcyxtszy.sdu.edu.cn/show article.php?articleid=1814.

[7]Helin H，Lundin M，Ludin J，et al.Web-based virtual microscopy in teaching and standardizing Gleason grading[J].Hum Pathol，2005，36（4）：381-386.

Application of Web-based Digital Slide System in Teaching of Medical Morphology

WANG-xia1,LI-Juan2,ZHANG-ming1,HU Xiao-song2
(1.Department of Computer Science Basics of Chengdu Medical College,Chengdu 610083,China;2.Medical Morphology Lab of Chengdu Medical College,Chengdu 610083,China)

The development and function of the digital slide technique are introduced,and its web-based application in teaching of medical morphology is analyzed.The system,making the student access to the digital slide database anywhere and anytime,can activate the subjective initiative of the student and enhance the teaching quality of medical morphology.[Chinese Medical Equipment Journal，2011，32（11）：135-136]

digital slices;teaching of morphology;virtual microscopy;web

R445

A

1003-8868（2011）11-0135-02

四川省高等教育人才培養(yǎng)質(zhì)量和教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（P09442）

王 霞（1975-），女，四川江安人，碩士，講師，主要從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)方面的研究工作，E-mail：rosyxia@sina100.com。

610083 成都 成都醫(yī)學(xué)院計(jì)算機(jī)教研室（王 霞、張 明），形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)室（李 娟、胡曉松）

胡曉松，E-mail：woodwind@cmc.edu.cn

（收稿：2011-01-18 修回：2011-04-20）