虛擬切片技術(shù)在遠(yuǎn)程數(shù)字病理會(huì)診系統(tǒng)中的應(yīng)用

岳麗娟，薛啟勛，高全學(xué)

虛擬切片技術(shù)在遠(yuǎn)程數(shù)字病理會(huì)診系統(tǒng)中的應(yīng)用

岳麗娟，薛啟勛，高全學(xué)

醫(yī)學(xué)信息研究

數(shù)字病理；虛擬切片；切片掃描；遠(yuǎn)程會(huì)診

1 引言

病理診斷作為目前醫(yī)學(xué)界公認(rèn)的最可信賴、重復(fù)性最強(qiáng)、準(zhǔn)確性最高的手段，在疾病診斷中發(fā)揮著舉足輕重的作用。傳統(tǒng)的病理診斷是病理醫(yī)師通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察組織切片的形態(tài)進(jìn)行觀察從而做出疾病的診斷，這種方式存在著時(shí)間和空間上的局限性。隨著數(shù)字化的發(fā)展，模擬式或數(shù)字式攝像頭開(kāi)始應(yīng)用于病理進(jìn)行圖像采集、存儲(chǔ)和傳輸，這是數(shù)字化病理的初次嘗試［1］，但這種方式會(huì)因?yàn)椴杉叩闹饔^因素而遺漏病變區(qū)域。針對(duì)這些不足，業(yè)界提出數(shù)字病理技術(shù)即數(shù)字化虛擬切片技術(shù)，并探索應(yīng)用且取得了一定的進(jìn)展。

數(shù)字化虛擬切片技術(shù)可應(yīng)用于快速冰凍、細(xì)胞學(xué)檢查、分子病理學(xué)檢查以及免疫組化、組織芯片等具有切片載體的圖像掃描中，使醫(yī)師脫離顯微鏡，通過(guò)計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)清晰查看所取患者組織的病理圖像，隨時(shí)隨地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與異地病理醫(yī)師就圖像進(jìn)行交流，實(shí)現(xiàn)異地在線同步遠(yuǎn)程會(huì)診或離線遠(yuǎn)程會(huì)診。

2 遠(yuǎn)程數(shù)字病理會(huì)診系統(tǒng)簡(jiǎn)介

遠(yuǎn)程數(shù)字病理會(huì)診系統(tǒng)，主要由數(shù)字切片掃描設(shè)備和數(shù)字病理診斷平臺(tái)兩部分組成。數(shù)字切片掃描技術(shù)的發(fā)展主要有自動(dòng)顯微鏡和切片掃描儀兩個(gè)方向。前者開(kāi)發(fā)較早，關(guān)鍵部件為顯微鏡上的自動(dòng)載物臺(tái)，成像部件仍為數(shù)字式攝像頭，使用這種方式，通過(guò)無(wú)縫拼接，處理及后續(xù)壓縮等過(guò)程獲得高質(zhì)量高分辨率的數(shù)字化全切片圖像［2］。隨著技術(shù)的進(jìn)步，為更好滿足對(duì)虛擬切片質(zhì)量和速度的要求，一種虛擬切片掃描儀開(kāi)始受人注目，其關(guān)鍵部件有自動(dòng)切片轉(zhuǎn)運(yùn)部件、高速線性，矩陣式［3］和線性矩陣式數(shù)字成像部件等，將整個(gè)載玻片全信息、全方位快速掃描，提供全切片信息，在成像質(zhì)量和速度上都有了較大飛躍。本文以我院所使用優(yōu)納科技的PRECICE500虛擬切片掃描儀為例，進(jìn)行分析研究。

2.1 數(shù)字病理切片的特點(diǎn)數(shù)字化虛擬切片，并非一張靜態(tài)圖片。它包含了玻璃切片上的所有病變信息，每張圖片像素可達(dá)到十幾億，每個(gè)像素點(diǎn)可以精確到250納米，具有許多傳統(tǒng)載玻片不具備的優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合切片瀏覽軟件，可以在計(jì)算機(jī)上如同在顯微鏡上進(jìn)行不同倍率觀察，并在一定范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)變倍瀏覽切片。還能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)進(jìn)行切片圖像的放大、縮小及標(biāo)注、測(cè)量，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程分析，診斷等功能。

2.2 數(shù)字病理圖像獲取的過(guò)程虛擬切片掃描儀實(shí)現(xiàn)“盒式”一體機(jī)設(shè)計(jì)，全封閉一體化的掃描環(huán)境打破了傳統(tǒng)顯微鏡概念的局限性。在掃描過(guò)程中多數(shù)情況下無(wú)須人工干預(yù)，從切片傳遞、選擇圖像區(qū)域、對(duì)焦、成像、文件合成等一系列操作完全由計(jì)算機(jī)控制自動(dòng)完成，將玻璃切片掃描成全息高分辨率的數(shù)字病理切片。獲取數(shù)字虛擬切片圖像的過(guò)程主要包括切片裝載、識(shí)別和掃描。（1）切片裝載。該虛擬切片掃描儀可以實(shí)現(xiàn)一次多個(gè)載玻片的裝載。（2）切片識(shí)別。通過(guò)切片識(shí)別進(jìn)行切片組織的快速定位，標(biāo)示出切片所在的區(qū)域。在此基礎(chǔ)上也可以自行設(shè)置定位切片的局部，選擇需要掃描的切片區(qū)域，同時(shí)可以選擇掃描的起始位置。自動(dòng)識(shí)別功能使得只對(duì)切片選擇部位進(jìn)行掃描。（3）切片掃描。切片掃描模式可以分為快速掃描、組織追蹤、精確和融合的模式。在快速掃描時(shí)，先對(duì)切片組織的邊緣部位點(diǎn)定位分析，以此確定組織切片的區(qū)域，只對(duì)切片標(biāo)本部分進(jìn)行掃描，在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)玻璃切片的掃描和數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)圖像的快速無(wú)縫拼接。比較常用的還有組織跟蹤精確掃描，動(dòng)態(tài)對(duì)焦跟蹤，揭示更多樣本的細(xì)節(jié)，使掃描精度更好，圖像質(zhì)量更清晰，當(dāng)然掃描處理的時(shí)間要長(zhǎng)于快速掃描。無(wú)論選擇哪種掃描模式，都是采用高速線性矩陣式掃描（COF）的方法，在掃描過(guò)程中實(shí)現(xiàn)圖像的存儲(chǔ)，并利用無(wú)縫拼接技術(shù)將掃描的信息整合成為全息的數(shù)字虛擬切片圖像。

2.3 遠(yuǎn)程數(shù)字病理會(huì)診的實(shí)現(xiàn)將病理切片的全視野高分辨率數(shù)字化圖像，通過(guò)計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行病理診斷、教學(xué)和科研等，結(jié)合信息化管理和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，整合病理專家資源，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程專家會(huì)診、遠(yuǎn)程教學(xué)等，幫助邊遠(yuǎn)地區(qū)解決病理診斷難的問(wèn)題。遠(yuǎn)程數(shù)字病理技術(shù)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)，避免了傳統(tǒng)病理會(huì)診時(shí)郵寄切片過(guò)程中切片丟失損壞等意外，節(jié)省了患者兩地來(lái)回奔波的費(fèi)用和時(shí)間。

圖1 兩種掃描方式的數(shù)字虛擬切片圖像在5、10、20、40倍下的效果圖

3 討論

為了直觀地展現(xiàn)出使用虛擬切片掃描儀獲取全息數(shù)字圖像在速度和質(zhì)量上的優(yōu)勢(shì)，在此將不同患者的不同部位組織切片，利用精確掃描的模式每片切片都得到一張全息的數(shù)字病理圖像。這張圖像不僅包含了載玻片的全部信息，還允許在不同的放大倍數(shù)下對(duì)切片進(jìn)行觀察。圖1中（a1）～（a4）分別為其中一張數(shù)字病理圖像的局部區(qū)域在5、10、20、40倍下的圖像效果。

為進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)同一批載玻片利用全自動(dòng)顯微鏡在低倍鏡下獲取數(shù)字化虛擬圖像。在獲取過(guò)程中進(jìn)行X軸和Y軸的連續(xù)掃描，并在Z軸進(jìn)行自動(dòng)聚焦，通過(guò)安裝在顯微鏡上的高速攝像機(jī)對(duì)視野進(jìn)行連續(xù)拍照，從而得到玻璃切片的一系列局部圖片，然后通過(guò)無(wú)縫拼接技術(shù)組成完整的切片數(shù)字圖像。圖1中（b1）～（b4）分別為與（a）相同切片的數(shù)字病理圖像相同局部區(qū)域在5、10、20、40倍下的圖像效果。

圖1所示，使用虛擬切片掃描儀得到的數(shù)字病理圖片，相較于全自動(dòng)數(shù)字顯微鏡的掃描結(jié)果更為清晰，這可能是由于其全封閉式的結(jié)構(gòu)，減少了外界環(huán)境如光線、亮度等因素的干擾，能夠更好地刻畫描述組織的紋理和結(jié)構(gòu)，在20倍和40倍的狀態(tài)下這種優(yōu)勢(shì)更為明顯。

在圖像采集上，自動(dòng)顯微鏡多使用面陣的方式，能夠直觀地對(duì)顯微鏡視場(chǎng)中的圖像進(jìn)行觀察，但單個(gè)視野面陣成像要遍歷整個(gè)切片，通過(guò)拼接才可以形成全視野虛擬切片，會(huì)存在速度慢，拼接配準(zhǔn)效果不好的缺點(diǎn)。而虛擬切片掃描儀采用線性矩陣式掃描的方式，使無(wú)縫拼接的效果更好，而且線陣每行元素較多，在配合高速平臺(tái)移動(dòng)的情況下能達(dá)到更快的掃描速度。此外，相較于全自動(dòng)數(shù)字顯微鏡而言，使用虛擬切片掃描儀減少了人工干預(yù)的過(guò)程。

高質(zhì)量的數(shù)字病理圖片和便捷的遠(yuǎn)程會(huì)診平臺(tái)，解決了會(huì)診時(shí)切片的借閱、傳輸?shù)葐?wèn)題，使醫(yī)師擺脫顯微鏡，病理專家通過(guò)網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)隨地與醫(yī)師進(jìn)行交流，醫(yī)學(xué)專家可以自由調(diào)閱瀏覽患者的數(shù)字病理及電子病歷資料，與申請(qǐng)端的醫(yī)護(hù)人員及患者、家屬“面對(duì)面”交流，共同討論病情，使患者能夠及時(shí)獲得專家的診斷意見(jiàn)。遠(yuǎn)程數(shù)字病理系統(tǒng)既減輕了患者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，又促進(jìn)了病理醫(yī)師診斷水平的提升，在基層醫(yī)院的疑難病理會(huì)診方面能夠發(fā)揮重要的作用。

［1］朱晨雁，施華強(qiáng).遠(yuǎn)程病理診斷的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.病理診斷學(xué)雜志，2010，17（1）：49.

［2］鄭清平，張春明.虛擬病理切片技術(shù)在病理學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用［C］.第12屆中國(guó)體視學(xué)與圖像分析學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2008.

［3］葉可人，姜志國(guó)，孟鋼.一種基于線性CCD成像的顯微虛擬切片掃描系統(tǒng)［J］.中國(guó)體視學(xué)與圖像分析，2009，14（4）：413-418.

［2016－08－24收稿，2016－09－22修回］［本文編輯：王軍紅］

R197.324

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10.14172/j.issn1671-4008.2017.03.035

264200山東威海，解放軍404醫(yī)院（岳麗娟，薛啟勛，高全學(xué)）