數(shù)字切片掃描技術(shù)淺析

陳木旺

摘要： 詳細闡述了現(xiàn)有4種數(shù)字切片掃描技術(shù)的原理及特點，并對比了優(yōu)缺點。其中微物鏡陣列掃描方案速度快，但實現(xiàn)復(fù)雜，成本高；線掃方案可以實現(xiàn)較快的速度，但對控制要求也較高，也容易出現(xiàn)掃描失敗的問題；基于面陣傳感器掃描的方案，實現(xiàn)較為簡單，靈活性較好，可工作于連續(xù)運動和走停兩種模式，連續(xù)運動模式可以提供與線掃接近的掃描速度，走停模式可以提高掃描成功率并獲得更好的圖像質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：

數(shù)字切片掃描； 面陣掃描； 線掃； 微透鏡陣列

中圖分類號： TH 742文獻標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2017.06.002

Abstract：This paper introduces the principle and feature of 4 kinds of digital slide scanning techniques.The advantages and disadvantages are also compared.The micro objective array scanning has the advantage of fast speed and the disadvantage of complex and high cost.The line scanning based on continuous motion is also fast but it requires the high precision control and the scanning is easy to fail.The array scanning has the advantages of simple implement and flexibility.It can work at 2 modes including stopandgo and continuous motion.The continuous motion mode can provide fast scanning speed which is close to the line scanning.The stopandgo mode can enhance scanning success ratio and provide high quality image.

Keywords：

digital slide scanning； array scanning； line scanning； microobjective array

引言

數(shù)字切片掃描儀是一種集光學(xué)、機械、電子、計算機等多學(xué)科技術(shù)為一體的精密儀器，通過控制顯微成像系統(tǒng)和切片以一定的規(guī)則運動，采集多張連續(xù)的高分辨率顯微圖像，再無縫拼接生成一張高分辨率的全切片圖像（WSI，也稱為虛擬切片）。傳統(tǒng)切片變成一張高分辨率的數(shù)字圖片后，用戶可以脫離顯微鏡隨時隨地在計算機或移動設(shè)備上瀏覽切片，這種數(shù)字圖片具有永不褪色，易于保存、管理、分享以及可隨意放大縮小全方位觀看等優(yōu)點[12]，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于病理診斷、教學(xué)培訓(xùn)、藥物研究和科學(xué)研究等領(lǐng)域。隨著應(yīng)用的拓展，促使切片掃描儀技術(shù)的不斷進步，出現(xiàn)了多種掃描技術(shù)，顯著提高了掃描速度，完成掃描時間已從最早的幾十分鐘縮短到現(xiàn)有的幾十秒。這些技術(shù)包括走停模式的面陣掃描、連續(xù)運動的線陣掃描、連續(xù)運動的面陣掃描、連續(xù)運動的微物鏡陣列掃描，主要區(qū)別在于所用的圖像傳感器和切片運動方式兩方面，圖像傳感器主要有面陣和線陣兩種，切片運動方式主要有走停和連續(xù)運動兩種。

1走停模式的面陣掃描

基于走停模式面陣掃描的數(shù)字切片掃描儀主要由電動載物臺、顯微成像系統(tǒng)和面陣圖像傳感器組成。工作時首先將切片沿著其Y方向劃分成若干個連續(xù)的等間距掃描條帶，每個掃描條帶的寬度為顯微成像系統(tǒng)的物方視場在Y方向的尺寸，相鄰條帶間留有一定的重疊部分，同時將每個掃描條帶沿著X方向再劃分成若干個連續(xù)的掃描視場，每個掃描視場的長度為成像系統(tǒng)的物方視場在X方向的尺寸，相鄰掃描視場間留有一定的重疊部分，如圖1所示；然后控制載物臺帶動切片從第一條掃描條帶的第一個掃描視場開始，以掃描視場為單位進行走走停停的步進，依次穿過顯微成像系統(tǒng)，載物臺每次停止后，面陣圖像傳感器開始對焦并曝光采集圖像，直到當(dāng)前條帶的所有掃描視場采集完成；再后根據(jù)相鄰視場的重疊區(qū)域拼接成一個條帶，并沿Y方向移動至下一個掃描條帶掃描，依此類推，采集完所有條帶的圖像；最后根據(jù)相鄰條帶的重疊區(qū)域進行無縫拼接，生成一張完整的數(shù)字切片圖。

最早的產(chǎn)品是Bacus實驗室（后被奧林巴斯收購）于1994年研發(fā)的BLISS系統(tǒng)，該系統(tǒng)是在顯微鏡上改進而成的。該系統(tǒng)的實現(xiàn)方法較為簡單，但采集過程中要求載物臺走走停停，而且停止后還需再等待一段時間，確保載物臺穩(wěn)定后再開始對焦和曝光，因而速度非常慢。其中對焦過程比較費時間，需要在Z方向采集多張圖像以計算出離焦量，然后再驅(qū)動至焦面。通常一個視場對焦一般需要若干秒時間，15 mm×15 mm的掃描范圍一般需要1 000個視場，再加上載物臺移動及等待時間，圖像采集及拼接時間，需要幾十分鐘[3]。此掃描速度比較慢，主要問題在于對焦方法上，后續(xù)出現(xiàn)了兩種改進方案：一是采用焦面建模的方法，即先選取切片的若干視場并以計算出的焦面位置作為模型點，根據(jù)這幾個模型點再通過算法估算出切片中每個視場的焦面位置，這樣在掃描時，只需根據(jù)建模的焦面位置直接對焦即可，如DigiPath的PathScope在20×模式時，15 mm×15 mm的掃描范圍可以縮短到150 s左右，由于此方法大部分視場的焦面是由建模估算而得，不能確保每個掃描視場是完全清晰的；二是采用專用的自動對焦裝置，每個掃描視場的對焦時間縮短到幾十毫秒左右[4]，麥克奧迪實業(yè)集團有限公司的最新產(chǎn)品EasyScan就集成了專用自動對焦裝置[5]，能有效提高掃描速度，在40×分辨率時，最快可以達到160 s（掃描范圍15 mm×15 mm），同時能確保每個掃描視場準(zhǔn)確對焦。endprint

2連續(xù)運動的線陣掃描（簡稱線掃）

該方案借用了遙感領(lǐng)域和工業(yè)檢測領(lǐng)域中成熟的線陣圖像傳感器掃描技術(shù)，主要由電動載物臺、顯微成像系統(tǒng)和線陣圖像傳感器組成。工作時首先將切片沿著其Y方向劃分成若干個連續(xù)的等間距掃描條帶，每個掃描條帶的寬度為顯微成像系統(tǒng)的物方視場在Y方向的尺寸，相鄰條帶間留有一定的重疊部分，如圖2所示；然后根據(jù)上述提到的焦面建模方法計算出切片的焦面模型，控制載物臺帶動切片從第一條掃描條帶開始，以一定的速度勻速運動，同時控制線陣圖像傳感器按一定時序同步曝光，實現(xiàn)對當(dāng)前條帶的圖像采集，直到當(dāng)前條帶采集完成，再移動至下一個掃描條帶掃描成像，依此類推，采集完所有條帶的圖像；最后根據(jù)相鄰條帶的重疊區(qū)域進行無縫拼接成一張數(shù)字切片。

該方法在對每個條帶進行掃描成像時，載物臺帶動切片是連續(xù)運動的，不需要走走停停和等待，也不需要拼接，所以速度比較快。線掃的數(shù)字切片掃描儀最早是Aperio（2012年被Leica收購）于2000年推出的，隨后Leica、Hamamatsu、江豐等也相繼推出。目前速度最快的是Hamamatsu的NanoZoomerXR，在40×模式下掃描15 mm×15 mm范圍只需45 s[6]。該產(chǎn)品采用的是一種更為高級的線陣圖像傳感器即時間延遲積分（TDI）傳感器，其操作與線陣圖像傳感器類似，不同之處在于TDI圖像傳感器擁有幾十甚至上百條線陣。工作時，每條線陣圖像傳感器分時對同一標(biāo)本曝光，然后再疊加，圖3為4級TDI傳感器的工作原理圖，經(jīng)過4級疊加后，圖像信號大大增強，因而等效的曝光時間可以更短，切片可以以更高的速度同步運動，也就是掃描速度更快。

采用線掃方式速度較快，但其對載物臺的控制要求較高，線陣傳感器的成本也比較高。另外，由于采用建模方法對焦，容易出現(xiàn)掃描模糊的問題。

3連續(xù)運動的面陣掃描

此方法綜合了上述兩種技術(shù)的特點：其組成跟技術(shù)1一樣，采用的是面陣圖像傳感器，工作時也需事先按照技術(shù)1的方法將切片在X和Y方向劃分成若干個連續(xù)的掃描視場，如圖4所示；掃描方法則跟技術(shù)2一樣，具體為控制載物臺帶動切片在X方向上進行連續(xù)運動并穿過顯微成像系統(tǒng)，每移動一個掃描視場時，面陣圖像傳感器同步高速曝光和采集圖像，直到當(dāng)前條帶的所有視場采集完成，然后根據(jù)相鄰掃描視場的重疊區(qū)域拼接成一個條帶，再移到下一條帶掃描，依此類推，采集完所有條帶的圖像，最后根據(jù)相鄰條帶的重疊區(qū)域拼接成一張數(shù)字切片[7]。該方案主要是在技術(shù)1基礎(chǔ)上改進軟件，使得面陣傳感器的曝光時序與載物臺移動速度匹配，實現(xiàn)較為簡單，且由于沒有技術(shù)1的走走停停，掃描速度可以提高很多，因而同時具有線掃速度快和成本較低的優(yōu)點。典型的廠家有Motic、Zeiss、3D Histech等，其中3D Histech最新一代的數(shù)字切片掃描儀Pannoramic FlashⅢ在40×模式下，掃描15 mm×15 mm的范圍可以達到60 s以內(nèi)[8]，與線掃技術(shù)的速度相當(dāng)。

4微物鏡陣列掃描

一般數(shù)字切片掃描使用的標(biāo)準(zhǔn)物鏡20×/0.75，

其物方視場一般為1.1 mm左右，考慮到平場性，實際視場一般最多也只用到1 mm。所以掃描15 mm×15 mm時，至少要掃描15個條帶，這在一定程度上限制了掃描速度。該技術(shù)采用一種微物鏡陣列和定制的圖像傳感器來提高掃描視場，以減少掃描條帶，從而提高掃描速度。所采用的微物鏡陣列共有80個微物鏡組成，每個微物鏡的視場是250 μm，按照一定的規(guī)律排列，確保每個微物鏡的視場在掃描方向上的投影構(gòu)成一條連續(xù)的線段，通過圖像處理可合并成一個線視場為20 mm線陣掃描系統(tǒng)[9]，如圖5所示。這樣掃描15 mm×15 mm只需掃描一個條帶即可，速度非?？臁４思夹g(shù)由美國DMetrix公司于2004年推出，18 mm×50 mm的范圍只需158 s就可以掃描完成，此掃描速度在當(dāng)時是非?？斓?。

該技術(shù)需要先拼接成一個大視場的線陣成像系統(tǒng)，且由于掃描視場大，其對焦方式也非常有挑戰(zhàn)性，比線掃技術(shù)更為復(fù)雜。另外關(guān)鍵器件如微透鏡陣列和圖像傳感器都是定制的，成本高，通用性不強。

5結(jié)論

從上述的幾種數(shù)字切片掃描技術(shù)原理及其特點來看：微物鏡陣列掃描具有速度快，但實現(xiàn)復(fù)雜，成本高；線掃可以實現(xiàn)較快的速度，但隨著連續(xù)運動的面陣掃描技術(shù)的發(fā)展，其速度優(yōu)勢也不明顯，且對控制要求也較高，也容易出現(xiàn)掃描模糊問題；基于面陣傳感器掃描實現(xiàn)較為簡單，可工作于連續(xù)運動和走停兩種模式，連續(xù)掃描運動模式可以提供與線掃接近的掃描速度，走停模式可以提高掃描成功率并獲得更好的圖像質(zhì)量。

參考文獻：

[1]PANTANOWITZ L，F(xiàn)ARAHANI N，PARWANI A.Whole slide imaging in pathology：advantages，limitations，and emerging perspectives[J].Pathology and Laboratory Medicine International，2015，7：2333.

[2]GHAZNAVI F，EVANS A，MADABHUSHI A，et al.Digital imaging in pathology：wholeslide imaging and beyond[J].Annual Review of Pathology：Mechanisms of Disease，2013，8：331359.

[3]ROJO M G，GARCA G B，MATEOS C P，et al.Critical comparison of 31 commercially available digital slide systems in pathology[J].International Journal of Surgical Pathology，2006，14（4）：285305.

[4]LIAO J，BIAN L H，BIAN Z C，et al.Singleframe rapid autofocusing for brightfield and fluorescence whole slide imaging[J].Biomedical Optics Express，2016，7（11）：4763.

[5]Motic Easy Scan catalog[EB/OL].[20170724].http：∥www.motic.com/upload/File/201506/20150611032138535.pdf.

[6]Nano ZoomerXR Digital slide scanner catalog[EB/OL].[20170724].http：∥www.hamamatsu.com/resources/pdf/sys/SBIS0043E_NanoZoomers.pdf.

[7]VARGA V S，MOLNR B，VIRG T.Automated high throughput whole slide imaging using area sensors，flash light illumination and solid state light engine[J].Studies in Health Technology & Informatics，2012，179：187202.

[8]Pannoramic 250 Flash III[EB/OL].[20170724].http：∥www.3dhistech.com/data/sup014/brochures/FLASH_Ⅲ.pdf.

[9]WEINSTEIN R S，DESCOUR M R，LIANG C，et al.An array microscope for ultrarapid virtual slide processing and telepathology.Design，fabrication，and validation study[J].Human Pathology，2004，35（11）：13031314.

（編輯：劉鐵英）endprint