虛擬切片技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

范嘉盈， 張 嵐， 陳蓀紅

（上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，上海 200025）

虛擬切片技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

范嘉盈， 張 嵐， 陳蓀紅

（上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，上海 200025）

醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)是一門重要的醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)課程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)則是形態(tài)學(xué)教學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式依賴于書本、玻璃切片和光學(xué)顯微鏡三者的結(jié)合，存在一定局限性。隨著數(shù)字化技術(shù)和信息化技術(shù)在高校的普及，現(xiàn)代化的教學(xué)手段已被逐步運(yùn)用于教學(xué)之中，為形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)尋求新的途徑。闡述和分析了虛擬切片技術(shù)的優(yōu)勢、特點(diǎn)和功能，介紹其在教學(xué)、臨床和學(xué)術(shù)交流等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，旨在更大限度地利用和共享有限的教學(xué)資源，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，從而提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。

形態(tài)學(xué);虛擬切片;全視野

0 引言

虛擬切片(virtual slides)又叫數(shù)字切片(digital slides)，是利用計(jì)算機(jī)結(jié)合顯微鏡攝影技術(shù)，將一張傳統(tǒng)的組織切片轉(zhuǎn)化為一張全視野的數(shù)字化虛擬切片，后者包含前者的所有信息，并保持了前者的完整性和真實(shí)性［1］。虛擬切片技術(shù)應(yīng)用廣泛，可應(yīng)用于常規(guī)HE染色、特殊染色、甚至熒光染色的組織切片。

傳統(tǒng)的組織切片是形態(tài)學(xué)的重要載體，組織學(xué)和病理學(xué)基于觀察各種組織切片來理解和鞏固理論知識，因此切片的數(shù)量和質(zhì)量必須達(dá)到教學(xué)要求。但優(yōu)質(zhì)的組織切片非常難得，而且在切片的保存上仍然需要較大的存放空間、容易破損、長期使用易褪色等缺點(diǎn)，且必須在顯微鏡下方能觀察的要求大大制約了形態(tài)學(xué)的教學(xué)質(zhì)量［2］。目前從事形態(tài)學(xué)教學(xué)的工作者想方設(shè)法改善傳統(tǒng)組織切片所帶來的缺陷，如利用多媒體技術(shù)為學(xué)生顯示盡可能多的組織學(xué)和病理學(xué)經(jīng)典顯微照片，但是由于這些照片僅代表局部的組織特征，并非學(xué)生通過顯微鏡下觀察，結(jié)合理論知識主動得到的信息，因此并不能給學(xué)生帶來深刻的感性認(rèn)識，其教學(xué)效果值得商榷［3］。

數(shù)字切片因其記錄了原始切片中的所有信息，可將數(shù)百張傳統(tǒng)切片的信息，保存于一個小小的移動硬盤。觀察數(shù)字切片時無需顯微鏡，僅需一臺電腦，在利用電腦察過程中可隨意拖動、放大或縮小，并可隨時進(jìn)行標(biāo)示和注解，不僅傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)的缺陷迎刃而解，而且學(xué)習(xí)效果更好。在電腦高度普及的今天，數(shù)字切片的重要性日益顯示。

1 虛擬切片工作站

虛擬切片工作站是Olympus VS120(見圖1)，配備BX61VS顯微鏡、Olympus VC50高清攝像頭和 HP Z400計(jì)算機(jī)，該套裝置配套 VS-ASW采集軟件和Olyvia數(shù)字掃描閱片軟件。

圖1 Olympus VS120虛擬切片工作站

1.1 硬 件

因?yàn)橛?jì)算機(jī)需要完成顯微鏡的控制、圖像的采集、拼接等一系列工作，為保證掃描速度和圖像質(zhì)量，硬件配置上需要滿足以下條件:

(1)硬盤。硬盤容量至少1TB。放大倍數(shù)越高，切片面積越大，所需的儲存空間就大，一張1 cm×1 cm的組織切片經(jīng)過掃描后所保存文件的大小在500 MB左右。

(2)CPU和內(nèi)存。CPU為Intel Xeon W3565，內(nèi)存達(dá)到4 GB。圖像處理本身需要消耗相當(dāng)大的資源，計(jì)算機(jī)在控制CCD拍攝同時，還需完成無縫拼接，因此主頻越高，內(nèi)存越大，才能保證處理速度越快。

(3)顯示器分辨率高。顯示器至少為24英寸，1 920×1 200的最大分辨率，為全局視圖提供了良好的展示條件。

(4)顯卡。顯卡是Nvidia Quadro 600專業(yè)圖像顯卡，為整個圖像處理過程提高更高效更卓越的性能。

1.2 軟 件

(1)VS-ASW采集軟件。VS-ASW負(fù)責(zé)圖像采集、編輯等并生產(chǎn)一個壓縮和封裝的特定格式的文件。該軟件有三種工作模式:全自動模式、專家模式和深度虛擬模式。全自動模式下，只需在載物臺放置好切片，選擇物鏡倍數(shù)，軟件將能自行完成識別、對焦和掃描，以及自動白平衡，只對切片部分進(jìn)行處理，空白區(qū)域不掃描。專家模式可選擇所需掃描的范圍，進(jìn)行局部掃描，只對感興趣的一個或者幾個區(qū)域進(jìn)行掃描，而其他區(qū)域則自動跳過。因此，不同的掃描設(shè)置可以針對不同需求進(jìn)行掃描，節(jié)省大量的掃描時間，提高掃描能力，減少數(shù)據(jù)文件的大小，使掃描過程盡可能快和盡可能高效。以上兩種模式都是對切片進(jìn)行X和Y軸的連續(xù)掃描，在Z軸是進(jìn)行自動聚焦，深度虛擬模式則是通過指定深度、范圍等多個屬性，對一定深度的Z平面各個層面進(jìn)行掃描，該掃描模式，特別有利于觀察厚樣品，如細(xì)胞集群或顱神經(jīng)等。

(2)OlyVIA閱片軟件。OlyVIA是一個用來觀看圖像文件的應(yīng)用程序，可供學(xué)生或者研究人員在其他場所閱片，但不具備編輯和使用等其他功能。此外，VS-ASW除了保存為 vsi特定格式，也可以保存為JPEG和TIFF格式，這種格式包含了經(jīng)攝像頭拍攝下的所有圖層圖片，因?yàn)槲唇?jīng)過壓縮，所以文件較大，但優(yōu)點(diǎn)是能將數(shù)字切片導(dǎo)入到圖像分析軟件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化分析。幾種保存格式各具特色。

2 虛擬切片工作站的功能

2.1 觀察功能

虛擬切片工作站利用計(jì)算機(jī)控制顯微鏡載物臺進(jìn)行自動移動和自動聚焦，并通過高清CCD攝像頭對組織切片進(jìn)行連續(xù)拍攝，然后將所有拍攝下的照片進(jìn)行無縫拼接和融合［4］，生成一張全視野的數(shù)字化虛擬切片(見圖2)。它猶如Google地圖，能進(jìn)行連續(xù)觀察整體到局部、由低倍到高倍(1～100倍)之間任意放大或縮小，并保證圖像信息不失真，色彩還原度高。同時顯示的導(dǎo)航圖能夠展示圖像的全局視圖及當(dāng)前所處位置，有利于觀察者掌握整體和局部的位置關(guān)系。虛擬切片不但能夠保存全部的圖像信息，還詳細(xì)記錄了放大倍數(shù)、文件大小、掃描日期和掃描者姓名等一系列相關(guān)信息，具有真實(shí)性、有效性，并為文件檢索提供了完整的原始數(shù)據(jù)。

圖2 19 d小鼠胚胎HE染色切片圖

2.2 編輯功能

VS-ASW具備強(qiáng)大的圖像編輯功能，不僅能對圖像的亮度、分辨率、色彩等進(jìn)行調(diào)節(jié)，還能實(shí)現(xiàn)添加文本、標(biāo)注、測量、分析等深層次的處理，使虛擬切片的功能更實(shí)用更完善。

(1)對比瀏覽。VS-ASW圖像編輯軟件具有強(qiáng)大的同步對照分頁瀏覽功能，可以清晰直觀地將2～4個圖像放在同一界面進(jìn)行比對，且每個視圖都能單獨(dú)操作和編輯。正常組織切片與病理切片的對照，免疫組織化學(xué)陰性與陽性反應(yīng)的對照是學(xué)習(xí)和研究形態(tài)學(xué)等多門學(xué)科的一種重要基本手段。而虛擬切片所具備的直觀圖像對照功能將為使用者提高極大的便利條件(見圖3)。

圖3 A為正常人肝HE染色，B為肝脂肪變性HE染色，C為肝癌HE染色，D為肝淤血HE染色，E為當(dāng)前對象導(dǎo)航圖，紅框區(qū)域?yàn)槟繕?biāo)位置局部放大(專業(yè)模式下40x鏡掃描)

(2)標(biāo)注。VS-ASW編輯軟件允許在已掃描組織的任何圖像位置添加標(biāo)注和必要的注釋，甚至可以在特定區(qū)域保存鏈接和語音數(shù)據(jù)，這種醒目的顯示有助于再次使用時快速的定位，在教學(xué)演示和病例討論中起到重要作用。

(3)測量。VS-ASW編輯軟件允許軟件測量任意線段的長度、圓形結(jié)構(gòu)的半徑等，所有測量內(nèi)容的數(shù)值可直接輸出，并可顯示平均值、最大值、最小值、標(biāo)準(zhǔn)差和總和(見圖4)。輸出格式可設(shè)置為Office Excel格式和文本格式，這樣就能將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到統(tǒng)計(jì)分析軟件(如 SPSS、SAS)等進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化分析［5］。這種切片、圖像、數(shù)據(jù)、分析系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，將極大地提高醫(yī)學(xué)科學(xué)研究的效率。

(4)數(shù)據(jù)庫功能。VS120平臺集成了microsoft sqlserver數(shù)據(jù)庫接口，可與其直接連接，可視化操作儲存編輯數(shù)據(jù)，允許JPEG和TIFF格式的圖像數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫。VS120平臺提供設(shè)置和儲存圖像相關(guān)屬性的功能，如存儲組織的名字、染色方法、機(jī)構(gòu)名稱和其他關(guān)鍵詞。這些信息與所儲存的圖像關(guān)聯(lián)，有利于提高檢索和查找圖像效率。虛擬切片可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程瀏覽［6］。只需將數(shù)據(jù)庫存放在服務(wù)器上，以B/S架構(gòu)即Browser/Server，利用瀏覽器通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程調(diào)取圖片就構(gòu)建成了一個網(wǎng)絡(luò)圖像服務(wù)器(Net Image Server)。這樣的信息化模式為遠(yuǎn)程教育打下了基礎(chǔ)，為遠(yuǎn)程病理會診提供了條件，達(dá)到資源共享，節(jié)省了現(xiàn)今寶貴的教學(xué)和醫(yī)療資源。

3 虛擬切片的應(yīng)用與展望

3.1 形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

虛擬切片為形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和學(xué)術(shù)研究提供了有效的交流工具，可以完全脫離傳統(tǒng)顯微鏡進(jìn)行讀片交流［7］。我校已經(jīng)根據(jù)章節(jié)內(nèi)容建立了正常組織和病理組織數(shù)字切片庫，在此基礎(chǔ)上，利用VS-ASW圖像編輯軟件，將已掃描的各種數(shù)字切片進(jìn)行編輯、測量和標(biāo)注等處理，尤其是課前將典型的組織結(jié)構(gòu)或難以觀察到的細(xì)胞如血涂片中的嗜堿性粒細(xì)胞等先行標(biāo)注，教學(xué)過程中，教師通過縮略的導(dǎo)航圖，便捷地指導(dǎo)學(xué)生觀察圖像的全局視圖和當(dāng)前所在的位置，放大到最佳觀察場景，分析切片觀察中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，有利于學(xué)生掌握整體和局部的位置關(guān)系。此外，同一組織的多張切片均保存于數(shù)字庫中，為學(xué)生提供了更多的展示內(nèi)容，更有利于學(xué)生理解人體組織的多樣性，比傳統(tǒng)的圖譜更具有指導(dǎo)意義［8］。學(xué)生參照編輯標(biāo)注好的數(shù)字切片觀察玻璃切片，能更快更好地理解和掌握切片的內(nèi)容，提高學(xué)習(xí)效率，既節(jié)約了寶貴的教師資源，又有利于師生互動。

圖4 腎髓質(zhì)集合管管壁測量(專業(yè)模式40x鏡掃描)

學(xué)生還可將編輯完的數(shù)字切片刻錄到DVD光盤或者復(fù)制到USB等可移動存儲設(shè)備，隨時隨地進(jìn)行操作觀察，如同顯微鏡隨時在身邊，提供一個便利的工作和學(xué)術(shù)氛圍［9］。新穎而多樣化的學(xué)習(xí)方式能夠大大提升學(xué)生的興趣。虛擬切片克服了傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)受時間和空間限制的缺陷，便于學(xué)生自學(xué)，在一定程度上能減輕了教學(xué)壓力。

3.2 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與測試

目前，世界著名各大高校紛紛推出網(wǎng)絡(luò)公開課程，因此網(wǎng)絡(luò)教學(xué)日益成為一種教學(xué)趨勢［10］。形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程一直受到傳統(tǒng)切片制約，而虛擬切片則很好地解決了這個難題。教師將可以利用虛擬切片技術(shù)指導(dǎo)遠(yuǎn)在千里之外的學(xué)生觀察組織結(jié)構(gòu)。若將數(shù)字切片庫存放到校園網(wǎng)的服務(wù)器上，學(xué)生只需利用瀏覽器通過網(wǎng)絡(luò)訪問服務(wù)器遠(yuǎn)程調(diào)取圖片，就能輕松地觀察和討論組織切片，將大大鞏固理論知識。

通過Olyvia讀圖軟件集成的數(shù)據(jù)庫接口，可將數(shù)據(jù)庫放在教師機(jī)上，以其作為服務(wù)器，學(xué)生機(jī)和教師機(jī)相互連接即形成了一個局域網(wǎng)絡(luò)。對虛擬切片進(jìn)行一定的處理后連同考題一起儲存到數(shù)據(jù)庫，學(xué)生就能夠利用Olyvia調(diào)用教師機(jī)數(shù)據(jù)庫中的考題，完成答題。這種新穎的考試模式，能全面客觀地考核學(xué)生，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)考試方式的轉(zhuǎn)變［11］。

3.3 病理會診

虛擬切片解決了圖片壓縮、儲存和傳輸?shù)葐栴}，為未來病理會診的網(wǎng)絡(luò)化提供了必要的手段。將來腫瘤病人手術(shù)中切下的組織，制成石蠟切片，掃描成虛擬化切片后，與病理數(shù)據(jù)資料一起，傳輸?shù)綍\專用的服務(wù)器上。病理醫(yī)師只需利用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器即可隨時隨地進(jìn)行網(wǎng)上同步會診。參與會診的醫(yī)生即使不在同一城市也可以同時瀏覽相同的觀察區(qū)域，更有效率地分析和討論病例［12］。這種網(wǎng)絡(luò)讀片的模式不僅有利于實(shí)現(xiàn)圖像的共享、數(shù)據(jù)的共享和醫(yī)療資源的共享，病人也不必帶著切片或者石蠟塊四處求醫(yī)。

這種遠(yuǎn)程會診方式與傳統(tǒng)病理會診相比，解決了醫(yī)療資源匱乏，醫(yī)師少，病患多的難題，突破了普通顯微鏡觀察受限于時間與空間和圖像質(zhì)量等束縛，實(shí)現(xiàn)了病理切片病例的及時診斷［13］。它提供了無時間與空間限制的數(shù)字切片交流機(jī)會［14］，增加了進(jìn)行病理遠(yuǎn)程教學(xué)、病例討論、專家遠(yuǎn)程讀片的可能性，同時使病理圖像走向大眾，讓病理知識得到廣泛普及，在提高認(rèn)識的同時加強(qiáng)醫(yī)患之間的相互溝通。

4 結(jié)語

虛擬切片技術(shù)優(yōu)勢巨大，前景廣闊，但它的圖像質(zhì)量仍取決于普通組織切片的制作質(zhì)量和典型性，因此傳統(tǒng)切片還不能完全被取代［15］。目前，虛擬切片尚未標(biāo)準(zhǔn)化，應(yīng)將其作為形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科學(xué)研究和病理會診的一種輔助手段，合理地引入到形態(tài)學(xué)教學(xué)和臨床病理診斷之中，積極探索與數(shù)字化教學(xué)設(shè)備相適應(yīng)的、更完善的教學(xué)方法，努力推動實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，提高教學(xué)質(zhì)量和水平。

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Application of Virtual Slide Technology in Experimental Teaching

FAN Jia-ying，ZHANG Lan，CHEN Sun-hong
(Experimental Teaching Center，School of Medicine，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200025，China)

Morphology is an important basic course of medicine，and the experimental teaching is an important part.Traditionally，morphological teaching is dependent on textbooks，glass slides and conventional microscope，and has limitations.With the popularity of the digital and informational technology in universities，some modern methods have been gradually applied in teaching.The new opportunities of didactics are created.This paper mainly describes the features，functions and advantages of virtual slides，and analyzes the wide application of it in teaching，clinical and academic in order to explore the new way for morphology experimental teaching and make full use of the teaching resources，The virtual technique helps to stimulate students＇motivation and enthusiasm，improve the teaching efficiency and promote the reform of experimental teaching.

morphology;virtual slides;full field

TP 391.98

A

1006－7167(2014)05－0072－05

2013－12－15

上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院課程建設(shè)項(xiàng)目(胚胎數(shù)字切片的構(gòu)建)

范嘉盈(1986－)，男，浙江紹興人，實(shí)驗(yàn)師，主要從事形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究。

Tel.:13818368102;E-mail:kimi68342050@163.com

陳蓀紅(1969－)，女，浙江臨海人，博士，講師，主要從事組織胚胎學(xué)教學(xué)與研究。

Tel.:13661623449;E-mail:zpcshong@shsmu.edu.cn