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【CAIVD蓝皮书】病理检测(五)

第五章数字病理


第一节:概述


1. 数字病理原理

数字化病理切片数字病理切片(digital slide of pathology)又称虚拟病理切片(vitual slide of pathology),是一种现代数字系统与传统光学放大装置有机结合的技术。它是将传统的玻璃病理切片通过全自动显微镜或光学放大系统扫描采集得到高分辨数字图像,再应用计算机对得到的图像自动进行高精度多视野无缝隙拼接和处理,获得优质的可视化数据以应用于病理学的各个领域。

数字病理系统主要由数字切片扫描装置和数据处理软件构成。首先,利用数字显微镜或放大系统在低倍物镜下对玻璃切片进行逐幅扫描采集成像,显微扫描平台自动按照切片XY轴方向扫描移动,并在Z轴方向自动聚焦。然后,由扫描控制软件在光学放大装置有效放大的基础上利用程控扫描方式采集高分辨数字图像,图像压缩与存储软件将图像自动进行无缝拼接处理,制作生成整张全视野的数字化切片(Whole Slide Image, 简称WSI)。再将这些数据存储在一定介质中建立起数字病理切片库。随后就可以利用相应的数字病理切片浏览系统,对一系列可视化数据进行任意比例放大或缩小以及任意方向移动的浏览和分析处理,就好比在操作一台真实的光学显微镜一样。


该技术可以帮助病理医生摆脱传统显微镜的约束,随时随地通过互联网进行医学诊断上的交流,实现全球化在线实时远程会诊或离线远程会诊。由于该系统可以支持全切片立体信息,使得分析过程等同于传统显微镜的肉眼观察,其在空间和时间变换等方面具有突出优点。


2. 技术分类

从图像采集原理上划分,可以分为面阵CCD和线阵CCD采集设备。


2.1 面阵CCD扫描

能够直观地对视场中的图像进行观察。但单个视野的面阵成像要遍历整个切片,通过拼接全部“方块”视野后才形成大视野的虚拟切片,因此存在处理数据量大,容易造成拼接错误、速度慢等缺点。

面阵图像传感器配合切片的扫描,具体是切片移动一个视场后,停下来等面阵图像传感器曝光,曝光结束后再移动至下一个视场,依此类推,获得多个连续视场的图像数据,最后拼接成全视场的图像。该方法具有实现简单,但切片需要走走停停,而且停止后还需再等待一段时间,确保切片稳定后再开始曝光,因而速度比较慢。


2.2 线阵CCD扫描

线阵图像传感器配合切片的匀速运动,一般称为线扫方式,其在扫描时,切片是保持匀速运动,速度很快,但是控制复杂,要求载物台的控制精度高,并需要有辅助的对焦装置,系统成本高。面阵扫描在追求扫描速度的同时,更在意的是扫描后的图像质量。而面阵传感器面积大,可收集更多的光,这一优势在荧光扫描中,能明显地体现出来。


第二节:数字病理发展历程及应用


1.数字病理的发展和演变

以玻璃切片和显微镜为基础的病理学技术,至今已经发展了200多年。

最近几十年,随着计算机和信息技术的迅速发展,数字病理学应运而生。

数字病理学,简单来说,就是将传统病理切片转化成数字图像,上传到计算机查看,这是数字病理学最早的模式。从单张2D虚拟切片开始,到包含多张虚拟切片的虚拟病例,是数字病理学最初的尝试。然而从那以后,数字病理学的概念和功能逐步发生巨大改变,当前对它更准确的定义是:组织学和为组织学病理信息系统。这类系统不仅实现样品数字可视化,也实现了对2D/3D样品的数字化管理,譬如实时评估、比较、2D/3D重建、归档;大范围地传播查看和咨询;与其他病人资料进行汇编、数据挖掘;以及用于教育、临床诊断、病人管理研究和发展人工智能工具等等。


上世纪60年代,有科学家进行了尝试。80年代,开始使用模拟或数字摄像头进行图像采集、存储和传输。到80年代末,有人提出将整张切片数字化的设想。该设想一提出就在欧美涌现出竞相研发的热潮。上世纪90年代,首套数字病理切片系统在美国研发成功,并应用于商业领域。


2. 数字病理切片的特点

2.1 可以永久保存,方便管理检索。

传统玻璃切片在制作和使用过程中容易破碎、褪色,标本消耗量大;一些珍贵标本取材不易,一旦破损,难以补充;荧光切片易淬灭不宜长久保存……数字切片克服了这些缺点,既可以永久保存,又无需大量重复制作,节约资源。


玻璃切片数字化之后,便于进行标记,分类保存,方便检索,使切片的管理更加高效便捷。利用数字切片建立超大容量的数字病理切片库,保存珍贵的切片资料,并且实现了同一张切片可在不同地点同时被很多人浏览。


2.2 随时浏览,便于标记

与传统玻璃切片依赖显微镜进行观察不同,数字切片可以随时随地通过调阅电脑切片库里进行浏览阅读。


玻璃切片在显微镜下观察,遇到典型结构,定位标记比较困难,一旦移动视野就要重新再寻找典型结构。数字切片是一个电子文档,在观察切片时可以把典型结构进行标记,日后需要查阅,只需单击屏幕上的典型结构快捷按钮,标记位置立即重现,无论是教学的复习,还是诊断的复核都非常方便。


2.3 方便传输,为教学和远程会诊提供便利。

网络技术的发展使得数字切片可以高速高效地传输。

数字切片库用网络进行远程传输和资源共享, 学生可随时通过网络系统, 以模拟显微镜的方式浏览和观察数据资源库的切片,使教学活动延伸到课堂之外。


采用数字切片,专家远程实时阅片,避免过去病理切片寄送中发生玻璃切片破碎、丢失或其他医疗安全隐患,同时及时进行多方会诊。


2.4 优质图像包含切片全部信息。

日益发展的数字切片扫描系统,扫描获得高分辨率和清晰度的图像。


在鼠标操纵下选择数字切片任意位置完成无极变倍连续缩放浏览,并提供切片全景导航,使高倍镜下的图像与低倍镜下的位置形成良好对应。还能够实现切片的定量分析和标注等后期处理。


应用者可对显微切片任何区域进行不同放大倍率的浏览,浏览时为光学放大而非数码放大,因此不存在图像信息失真和细节不清的问题,这与普通计算机浏览图片缩放只改变图像大小而无法改变分辨率有本质的区别。


3. 数字病理切片应用现状

3.1形态学学科的教学工具

作为一种新的突破性技术,数字病理切片已经给病理学等形态学学科的教学带来革命性变化。澳大利亚新南威尔士大学早在2004年就首次成功的将数字切片系统应用于病理学教学与考试的累积性评估。

医院、学校、研究机构整理典型病例和疑难病例切片,挑选制作精良、图像清晰的玻璃切片扫描成数字切片,建立数字病理切片库。病变组织扫描后可以永久使用,能够避免教学组织切片的不断损耗。全数字化存储,不占空间。


根据特征、疾病、症状、解破部位等对数字病理切片进行分类检索和查询,在展示病变组织的同时对照正常图像,加强学生的纵向和横向思维的锻炼,更准确地理解某些抽象概念。不仅提高教学资源的使用效率,丰富了教学内容,同时方便教学资源的管理。对本科生、研究生及临床医生的教学培训起了关键作用。


将数字病理切片上传到服务器端,通过网络传输,应用于讲座教学和集体阅片。通过图像浏览软件进行观察,用鼠标选择切片任意位置,进行定倍及任意倍率的放大或缩小,不产生图像信息失真。进行网上教学,不同地点的人可以共同探讨和发表意见,不受时间空间限制。


3.2 临床疾病的诊断助手

3.2.1 远程诊断

病理远程诊断于1973年首次应用于临床,从一艘停泊在巴西的轮船通过卫星远距离向华盛顿传送骨髓涂片的病理图像。1987年,美国Rush医学院病理科Weinstein首次提出利用远程医学开展病理会诊。目前,远程病理诊断已在欧美、日本的病理诊断中得到广泛应用。德国已经实现利用数字病理系统进行乳腺癌远程诊断。


病理远程诊断是通过数字切片扫描系统,在高倍物镜下,把整张病理切片快速扫描生成全视野数字病理切片后存储在电脑里,医院或患者通过网络,将数字病理切片与相关病史上传到诊断平台。专家登录平台,通过浏览器进行数字切片浏览、分析和诊断,对病人的病情进行讨论,进一步明确诊断,指导确定治疗方案。专家诊断或会诊结束后,系统可自动下载专家诊断报告,并打印。

这套系统实现了患者、医院、专家之间远程诊断信息的及时传递,使病理医生、临床医生在最短的时间内取得诊断报告(被誉为肿瘤诊断的“金标准”),使患者得到及时的救治。特别适合于冰冻切片远程诊断。


此外,这套系统架起了专家与基层医院、病理科医生会诊、咨询、讨论的桥梁,可以实现无时间、空间限制的快速的远程病理会诊和咨询业务,缓解因医疗资源分配不均造成的一系列问题。


3.2.2 诊断中的质量控制

病理诊断是鉴定肿瘤良、恶性唯一“金标准”,准确缜密的病理诊断是决定临床手术、治疗方案的重要依据。病理诊断涉及的环节众多,任何一个节点出现问题,即可能引起诊断失误。因而病理诊断的每一个环节都应该进行质量控制。包括:


( 1) 诊断前质控: 主要对标本的接收和固定、取材、制片等环节进行质控。

( 2) 诊断中质控: 主要对诊断过程中的审核、医嘱提醒、病理报告、标本质量进行质控。

( 3) 诊断后质控: 主要对切片借阅、病例归档、查询统计进行质控。

传统质量控制,需要到现场查看制片结果。

采用数字化病理后,即可远程基于通过全视野数字病理切片对制片质量以及诊断质量进行评价。通过远程病理质控,直接修订存在问题的病理诊断。


3.2.3计算机辅助病理诊断

随着全视野数字切片扫描技术的不断进步与发展,由数字病理拓展而来的临床应用越来越广泛。数字病理应用于病理图像深度分析协助病理诊断将在未来依赖人工智能的发展程度,然而这是我国乃至世界方兴未艾的领域,也是未来数字病理发展的重要方向。


(1)自动图像分析提高组织病理学的诊断效率。采用全视野数字切片进行诊断时,进行图像浏览的时间可能比传统显微镜有所增加。通过编写程序来识别感兴趣区域(ROI)可以改善并加速诊断工作流程,特别是如果能在病理医生看到图像前就计算出ROI就更有意义。

(2)对于免疫组织化学染色的全视野数字切片进行定量分析软件可以提高分析的准确性。软件通过对照细胞的染色强度来进行评价,比肉眼观察有更高的稳定性和准确性。

麦克奥迪实业集团、Ventana医疗系统公司等都推出针对免疫组织化学染色图像自动分析的软件,如Her2病理图像分析软件,Ki67病理图像分析软件,p53病理图像分析软件等。


3.3科学研究

3.3.1 医学研究中的应用

全视野数字切片可以对病变进行精准的测量,比光学显微镜下直接测量或测量照片获得更准确地结果。很多医学研究都需要对病理切片进行多中心的评价。通过全视野数字切片可以方便地提供切片共享,以及归档管理。


3.3.2 病理学研究中的应用

组织芯片TMA、药物筛选、毒理实验室、法医鉴定、刑事微物鉴别等。

以往,病理图像研究仅限于记录与测量,较少进行分析。而数字化病理切片,可以在切片数字化基础上进行图像分析。比如通过软件对肿瘤组织免疫组织化学染色情况进行分析,把染色强弱、阳性比例等进行统计,得出全片的结果。比人工评价、手工统计更方便、准确。目前对于标记在细胞核或细胞膜上的自动免疫组化(IHC)染色已经有了成熟的解决方案,比如ER、PR、Her-2等。

组织微阵列(TMA)作为大通量病理组织形态的研究手段,已经在病理研究中普遍使用。WSI扫描TMA切片后,软件进行分割,逐一提取TMA组织,再进行统计分析计算,大大降低了人力成本,而且保证结果更真实可靠。


应用病理远程诊断平台,可以实现切片制作、存储和管理的数字化,通过医院PACS/HIS接口,共享全球数字化病理信息;实现教学、科研、诊断以及远程病理质控的网络信息化,使各地医院(同城或异地医院)可进行学术交流和互联网络会议等。


第三节:主要生产企业及概况

1. 国内主要厂家

(1)麦克奥迪实业集团有限公司

创立于1983年,已成功地在美国、加拿大、德国、西班牙、英国、香港和中国等多个国家注册了motic商标。近几年来,MOTIC将现代科技与医疗诊断技术结合,把传统显微镜变为“数码显微图像处理系统”的分支平台。数码互动教室、实验室的首创和推出,掀起了形态教学的革命。自动显微镜系统的成功研发为显微科学领域的研究和发展提供了崭新的理念和实用平台,推动了远程医疗、远程科研和远程教学的广泛应用。


由麦克奥迪自主研发的EasyScan系列的数字切片扫描系统,有四种扫描方式应用于不同标本:标准扫描;高精度扫描;多层扫描;景深扩展扫描。该系统切片扫描图像清晰、浏览快速、操作简便,与远程平台技术相结合,可作为病理远程会诊咨询、病理诊断的质控、病理数字化建设、教学、培训及考核等方面的工具使用,对病理诊断水平较薄弱的基层医疗机构更具有实用价值,对提升我国医院的病理诊断水平具有重要深远的意义。


由麦克奥迪实业集团有限公司、加拿大不列颠哥伦比亚肿瘤研究院(BCCA)合资建立的麦克奥迪(厦门)医疗诊断系统有限公司。2011年麦克奥迪(厦门)医疗诊断系统有限公司为国家卫生计生委搭建中国数字病理远程诊断与质控平台。现已覆盖全国近1000家医院,每年为医院解决疑难病例会诊2万多列,该平台成为全球运行最有效的远程病理会诊平台之一。


自主开发的Gallery数字切片云存储平台,可应用于存储和浏览个人数字切片,针对病例进行分享和讨论,以及有价值病里数字切片有偿使用;作为病理科内部数字切片系统,提供数字切片的存储、管理、应用解决方案,可应用于院内与临床的讨论;作为第三方会诊系统数字切片支持,输入多个厂家数字切片问价格式,开放的API方便与第三方远程会诊系统进行集成。


厦门麦克奥迪病理细胞诊断中心(以下简称中心)是由麦克奥迪(厦门)医疗诊断系统有限公司全额投资,并经国家卫生行政主管机关批准的独立病理细胞诊断中心,能自主开展临床病理、细胞学诊断,独立于临床之外的第三方实验室。中国工程院院士、著名病理学家刘彤华教授为本中心首席专家。中心日常坐诊专家(教授、主任医师)3人,医师2人,技术员3人。


作为中华医学会妇科肿瘤分会、中国宫颈癌防治工程和中国健康扶贫工程组委会的战略合作伙伴,厦门麦克奥迪病理细胞诊断中心在全国范围内广泛开展宫颈癌普查和其他肿瘤的早期诊断工作,积累了丰富的实践经验。


(2)北京优纳科技有限公司

成立于2005年8月,是由海外归国留学人员创办的高新技术企业。业务领域包括基于“数字病理远程会诊”一体化解决方案的医学影像领域和基于机器视觉产品及解决方案的半导体及工业检测领域,具体内容包括半导体、平板电子、SMT等自动化光学检测设备的研发、生产、销售以及数字病理及远程病理相关产品研发及服务。


优纳科技是国家高新技术企业、软件企业、北京中关村百家试点企业、火炬计划实施企业,通过了ISO9000、ISO13485等一系列管理体系认证。自2005年成立以来,优纳科技依托自身强大的技术开发能力以及创新能力,研究开发出PHOCUS-G系列高速千兆网工业相机、RAPID系列全自动全光学检测设备、KIS系列平板电子产品检测系统、PRECICE系列全自动数字切片扫描系统等拥有自主知识产权的软硬件产品。其中多项产品被北京市授予“自主创新产品”称号,入选政府采购产品目录。在知识产权方面,优纳科技已拥有发明专利二十余项,软件著作权认证四十余项。


(3)宁波江丰生物信息技术有限公司

宁波江丰生物信息技术有限公司坐落于具有七千年历史文化沉淀的浙江省余姚市,是一家专业从事数字病理系统开发和生产的高科技生物信息技术企业。公司成立于2011年8月,注册资本1000万元人民币。


数字病理综合诊断系统作为公司核心产品,是以高精度数字化病理切片扫描仪代替传统的显微镜,实现传统病理切片的数字信息化,并利用独自的医疗影像处理技术进行智能化病理分析和诊断,同时建立起数字病理图像数据库并实现病理诊断信息的远程共享。该系统将现代医学、自动控制技术、医疗图像处理技术、计算机网络技术、现代通信技术等高科技融为一体,最终形成一个医疗、教育、科研以及信息服务为一体的解决平台。


2.国外主要厂家

(1)德国莱卡Aperio

2012年,莱卡正式收购Aperio。莱卡可以利用遍布世界各国的终端销售网络为数字病理扫描仪开路,同时发挥aperio的在数字病理扫描仪方面的高端技术,享受aperio在数字病理扫描行业的15年的成熟研发成果。这是目前技术最成熟的数字病理扫描系统,但是价格昂贵。


(2)日本滨松Hamamatsu

成立于1953年的日本滨松光子学株式会社(以下简称滨松集团),是一家高水平的光科学、光产业公司。滨松集团的产品被广泛的应用在医疗生物、高能物理、宇宙探测、精密分析等产 业领域,是光产业界的领军企业。为了更好的贡献于中国光产业,紧跟中国十二五规划的步伐,在2011年10月 成立“滨松光子学商贸(中国)有限公司”。


自2003年推出第一款数字切片扫描仪以来,滨松数字切片扫描仪NanoZoomer家族不断壮大,推出包括NanoZoomer-SQ, NanoZoomer-HT, NanoZoomer-RS以及NanoZoomer-XR型号产品。


(3)3DHistech

3DHISTECH,创立于1996年,总部位于匈牙利首都布达佩斯,专业从事数字切片扫描系统和全自动组织芯片系统的研发、生产和经营。公司自1999年成功推出了世界上第一台Marix机器后的十余年,分别推出了Pannoramic系列数字切片扫描系统和MA全自动组织芯片系统,并取得了美国及欧盟百余种专利技术。


Pannoramic系列有三种扫描方式:单层扫描,扫描时间短,所需存储空间最小,适用于明场或IF(免疫荧光)切片扫描;多层扫描,扫描后将每层图像分别保存和浏览,扫描时间长,所需存储空间大;深扩展扫描,也就是多层融合扫描,是将自动聚焦多层扫描的功能得到了更深的扩展,它可实现多层图像的融合,时间长,但所需存储空间小,特别适合FISH切片扫描。


除了数字切片扫描软件、数字切片浏览软件为与PANNORAMIC相配套的两个基本功能软件外,3D还有多种可选配的专项分析软件,例如组织定量分析软件,适用于明场及荧光图像分析,同时可以应用于细胞学或血液学的定量分析、胚胎学组织分割的定量分析等。


(4)其他厂商

Zeiss(德国)、Philips(荷兰)、Visiopharm(丹麦)、Indica Labs(美国)、Ventana医疗系统公司(美国)也都有比较成熟的全视野数字切片产品,这里就不一一赘述。


第四节:行业发展趋势


现阶段病理诊断已进入了数字化阶段,所有病理图像和管理都可以全部数字化,实现资源的共享,解放了病理医生的部分手脚工作,有效缓解了病理资源分布不均的问题,提高了诊断效率。随着数字病理应用的普及,其诊断的需求量越来越大。这就要求有更为高效、准确的诊断方式。一是需要解决数字切片的标准化,以兼容医院医学影像信息系统和其他医学影像数据,实现广义上的共享,进一步提高互联网医疗的效率;二是采用新技术实现自动的定量判读,以解决现有病理医生严重不足的问题,以及容易出现漏诊,误诊的问题。


1. 数字切片的标准化

随着数字病理诊断的普及,数字切片扫描仪的厂家越来越多,但数字切片并没有统一标准,每家都有自己的专有格式,基本互不兼容,例如麦克奥迪实业集团有限公司的MDS格式、Leica 的SVS格式等,并为这些专用文件格式开发了对应的软件库和浏览器。专用的文件格式只适用于对应厂商的产品,不具有通用性。出于技术保密的考虑,各厂商一般不提供专用文件格式的文档,即使提供也会省略重要的细节。要访问数字切片,必须使用厂商提供的软件库和浏览器,导致医生和研究人员受限于特定的厂商。这些问题正影响着数字病理信息的互联互通、远程利用与共享,也影响与医院医学影像信息系统PACS(Picture Archiving and Communication Systems)、医院信息系统HIS (Hospital Information System)HIS的方便整合,在一定程度上制约着数字病理、远程病理的发展。所以,数字切片迫切需要一种通用的文件格式或者一种通用的规范。作为PACS中医学图像格式和传输医学图像协议的标准中的DICOM标准,专门成立了研究病理问题的DICOM 工作组WG-26,研究解决将DICOM 应用于数字切片的技术障碍,包括数字切片的尺寸、数据量,数据的组织方式和处理方式,并提出了两个补充协议122 和145。


2.定量病理

传统的显微成像技术只能提供被观测标本的形态学信息和颜色信息,不能进一步给出物质的组成成分信息,医生在诊断时也只能根据临床经验提供定性判断,缺乏定量标准,存在一定的误差,易发生误诊、漏诊。随着相关技术的进步,基因组学和蛋白质组学的发展很大程度上拓展了临床医学对疾病机制研究的广度和深度。组织和细胞的形态学信息已满足不了诊断需求,需要更关注细胞内多种蛋白的表达、分布、调控、转移及与疾病发生、发展的联系。尤其是在癌症的研究领域,揭示肿瘤微环境在免疫应答中的重要作用,探究癌细胞和基质细胞特别是免疫细胞的相互关系,成为精准医学攻克癌症的重要研究议题。显微光谱成像技术是在传统显微成像技术的基础上,结合目前发展迅速的光谱成像理论得到的一种新型光学探测技术。它是光谱分析技术和显微成像技术的有机结合,可以同时提供二维空间信息和一维光谱信息,图谱合一,配合一定的模式识别算法,能够实现物质组成成份定性、定量、定位的综合指标分析,国内外的很多研究也表明了此技术的优势,如Dicker等检测了皮肤组织中的异常,获取得到400-800nm之间的连续波长,利用高光谱成像技术,由此对比了良性痣与黑色素瘤的差异。PerkinElmer近期推出的新一代的组织定量病理学工作站Mantra,就是采用了多光谱技术,为定量病理的研究工作提供了有力的工具,会促使定量病理的加快临床应用。


3. 人工智能诊断

数字切片虽然解决了患者和病理医生在空间和时间上的障碍,但其诊断还是要依靠病理医生。病理诊断是疾病诊断的金标准,是精准医疗的关键,所以病理医生又被称为“医生的医生”,但病理医生的培养周期很长,一位病理医生能够独自做病理诊断一般需要先经过大学5年甚至8年的临床医学教育,再进行5年~6年的临床病理诊断实践,所以比较紧缺。特别是在中国,据中国医师协会病理科医师分会普查,中国只有 2 万左右的病理医生,如要达到发达国家的要求,有8~10万的缺口。病理人才奇缺又培养艰难,意味着只有通过创新技术的手段来解决。近年来人工智能技术的迅猛发展,


如谷歌大脑与Verily公司联合开发了一款能用数字病理切片来诊断乳腺癌的人工智能,并与一位资深病理学家对130张切片进行“读片”比赛,结果是人工智能的准确率超过病理学家。表明人工智能识别病理切片在技术上已具备可行性,而且优势非常明显:具有准确度高、阅片速度快、成本低、永不疲劳、没有使用地域限制、重复性高,更好地辅助病理科医生筛查出有问题的病理照片,可以代替病理医生80%的工作,使得病理医生可以将更多精力放在疑难杂症的诊断上,有效解决病理医生不足和分布不均匀的问题。除此之外也利于病理人才的培养,人工智能本身就是一个巨大的数据库,存了大量的病例、图库、知识库。一方面,可以利用这些病例来拓宽病理医生的视野;另一方面,在不断和人工智能接触的过程中,医生也可以不断学习并找到诊断的依据和思路。人工智能诊断是数字化病理发展的必然趋势。


在技术、政策、资金等的驱动下,人工智能诊断将得到迅猛发展,相信很快就可以商业化并临床应用,并覆盖更多的病种。

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    【CAIVD蓝皮书】病理检测(五)

    第五章数字病理


    第一节:概述


    1. 数字病理原理

    数字化病理切片数字病理切片(digital slide of pathology)又称虚拟病理切片(vitual slide of pathology),是一种现代数字系统与传统光学放大装置有机结合的技术。它是将传统的玻璃病理切片通过全自动显微镜或光学放大系统扫描采集得到高分辨数字图像,再应用计算机对得到的图像自动进行高精度多视野无缝隙拼接和处理,获得优质的可视化数据以应用于病理学的各个领域。

    数字病理系统主要由数字切片扫描装置和数据处理软件构成。首先,利用数字显微镜或放大系统在低倍物镜下对玻璃切片进行逐幅扫描采集成像,显微扫描平台自动按照切片XY轴方向扫描移动,并在Z轴方向自动聚焦。然后,由扫描控制软件在光学放大装置有效放大的基础上利用程控扫描方式采集高分辨数字图像,图像压缩与存储软件将图像自动进行无缝拼接处理,制作生成整张全视野的数字化切片(Whole Slide Image, 简称WSI)。再将这些数据存储在一定介质中建立起数字病理切片库。随后就可以利用相应的数字病理切片浏览系统,对一系列可视化数据进行任意比例放大或缩小以及任意方向移动的浏览和分析处理,就好比在操作一台真实的光学显微镜一样。


    该技术可以帮助病理医生摆脱传统显微镜的约束,随时随地通过互联网进行医学诊断上的交流,实现全球化在线实时远程会诊或离线远程会诊。由于该系统可以支持全切片立体信息,使得分析过程等同于传统显微镜的肉眼观察,其在空间和时间变换等方面具有突出优点。


    2. 技术分类

    从图像采集原理上划分,可以分为面阵CCD和线阵CCD采集设备。


    2.1 面阵CCD扫描

    能够直观地对视场中的图像进行观察。但单个视野的面阵成像要遍历整个切片,通过拼接全部“方块”视野后才形成大视野的虚拟切片,因此存在处理数据量大,容易造成拼接错误、速度慢等缺点。

    面阵图像传感器配合切片的扫描,具体是切片移动一个视场后,停下来等面阵图像传感器曝光,曝光结束后再移动至下一个视场,依此类推,获得多个连续视场的图像数据,最后拼接成全视场的图像。该方法具有实现简单,但切片需要走走停停,而且停止后还需再等待一段时间,确保切片稳定后再开始曝光,因而速度比较慢。


    2.2 线阵CCD扫描

    线阵图像传感器配合切片的匀速运动,一般称为线扫方式,其在扫描时,切片是保持匀速运动,速度很快,但是控制复杂,要求载物台的控制精度高,并需要有辅助的对焦装置,系统成本高。面阵扫描在追求扫描速度的同时,更在意的是扫描后的图像质量。而面阵传感器面积大,可收集更多的光,这一优势在荧光扫描中,能明显地体现出来。


    第二节:数字病理发展历程及应用


    1.数字病理的发展和演变

    以玻璃切片和显微镜为基础的病理学技术,至今已经发展了200多年。

    最近几十年,随着计算机和信息技术的迅速发展,数字病理学应运而生。

    数字病理学,简单来说,就是将传统病理切片转化成数字图像,上传到计算机查看,这是数字病理学最早的模式。从单张2D虚拟切片开始,到包含多张虚拟切片的虚拟病例,是数字病理学最初的尝试。然而从那以后,数字病理学的概念和功能逐步发生巨大改变,当前对它更准确的定义是:组织学和为组织学病理信息系统。这类系统不仅实现样品数字可视化,也实现了对2D/3D样品的数字化管理,譬如实时评估、比较、2D/3D重建、归档;大范围地传播查看和咨询;与其他病人资料进行汇编、数据挖掘;以及用于教育、临床诊断、病人管理研究和发展人工智能工具等等。


    上世纪60年代,有科学家进行了尝试。80年代,开始使用模拟或数字摄像头进行图像采集、存储和传输。到80年代末,有人提出将整张切片数字化的设想。该设想一提出就在欧美涌现出竞相研发的热潮。上世纪90年代,首套数字病理切片系统在美国研发成功,并应用于商业领域。


    2. 数字病理切片的特点

    2.1 可以永久保存,方便管理检索。

    传统玻璃切片在制作和使用过程中容易破碎、褪色,标本消耗量大;一些珍贵标本取材不易,一旦破损,难以补充;荧光切片易淬灭不宜长久保存……数字切片克服了这些缺点,既可以永久保存,又无需大量重复制作,节约资源。


    玻璃切片数字化之后,便于进行标记,分类保存,方便检索,使切片的管理更加高效便捷。利用数字切片建立超大容量的数字病理切片库,保存珍贵的切片资料,并且实现了同一张切片可在不同地点同时被很多人浏览。


    2.2 随时浏览,便于标记

    与传统玻璃切片依赖显微镜进行观察不同,数字切片可以随时随地通过调阅电脑切片库里进行浏览阅读。


    玻璃切片在显微镜下观察,遇到典型结构,定位标记比较困难,一旦移动视野就要重新再寻找典型结构。数字切片是一个电子文档,在观察切片时可以把典型结构进行标记,日后需要查阅,只需单击屏幕上的典型结构快捷按钮,标记位置立即重现,无论是教学的复习,还是诊断的复核都非常方便。


    2.3 方便传输,为教学和远程会诊提供便利。

    网络技术的发展使得数字切片可以高速高效地传输。

    数字切片库用网络进行远程传输和资源共享, 学生可随时通过网络系统, 以模拟显微镜的方式浏览和观察数据资源库的切片,使教学活动延伸到课堂之外。


    采用数字切片,专家远程实时阅片,避免过去病理切片寄送中发生玻璃切片破碎、丢失或其他医疗安全隐患,同时及时进行多方会诊。


    2.4 优质图像包含切片全部信息。

    日益发展的数字切片扫描系统,扫描获得高分辨率和清晰度的图像。


    在鼠标操纵下选择数字切片任意位置完成无极变倍连续缩放浏览,并提供切片全景导航,使高倍镜下的图像与低倍镜下的位置形成良好对应。还能够实现切片的定量分析和标注等后期处理。


    应用者可对显微切片任何区域进行不同放大倍率的浏览,浏览时为光学放大而非数码放大,因此不存在图像信息失真和细节不清的问题,这与普通计算机浏览图片缩放只改变图像大小而无法改变分辨率有本质的区别。


    3. 数字病理切片应用现状

    3.1形态学学科的教学工具

    作为一种新的突破性技术,数字病理切片已经给病理学等形态学学科的教学带来革命性变化。澳大利亚新南威尔士大学早在2004年就首次成功的将数字切片系统应用于病理学教学与考试的累积性评估。

    医院、学校、研究机构整理典型病例和疑难病例切片,挑选制作精良、图像清晰的玻璃切片扫描成数字切片,建立数字病理切片库。病变组织扫描后可以永久使用,能够避免教学组织切片的不断损耗。全数字化存储,不占空间。


    根据特征、疾病、症状、解破部位等对数字病理切片进行分类检索和查询,在展示病变组织的同时对照正常图像,加强学生的纵向和横向思维的锻炼,更准确地理解某些抽象概念。不仅提高教学资源的使用效率,丰富了教学内容,同时方便教学资源的管理。对本科生、研究生及临床医生的教学培训起了关键作用。


    将数字病理切片上传到服务器端,通过网络传输,应用于讲座教学和集体阅片。通过图像浏览软件进行观察,用鼠标选择切片任意位置,进行定倍及任意倍率的放大或缩小,不产生图像信息失真。进行网上教学,不同地点的人可以共同探讨和发表意见,不受时间空间限制。


    3.2 临床疾病的诊断助手

    3.2.1 远程诊断

    病理远程诊断于1973年首次应用于临床,从一艘停泊在巴西的轮船通过卫星远距离向华盛顿传送骨髓涂片的病理图像。1987年,美国Rush医学院病理科Weinstein首次提出利用远程医学开展病理会诊。目前,远程病理诊断已在欧美、日本的病理诊断中得到广泛应用。德国已经实现利用数字病理系统进行乳腺癌远程诊断。


    病理远程诊断是通过数字切片扫描系统,在高倍物镜下,把整张病理切片快速扫描生成全视野数字病理切片后存储在电脑里,医院或患者通过网络,将数字病理切片与相关病史上传到诊断平台。专家登录平台,通过浏览器进行数字切片浏览、分析和诊断,对病人的病情进行讨论,进一步明确诊断,指导确定治疗方案。专家诊断或会诊结束后,系统可自动下载专家诊断报告,并打印。

    这套系统实现了患者、医院、专家之间远程诊断信息的及时传递,使病理医生、临床医生在最短的时间内取得诊断报告(被誉为肿瘤诊断的“金标准”),使患者得到及时的救治。特别适合于冰冻切片远程诊断。


    此外,这套系统架起了专家与基层医院、病理科医生会诊、咨询、讨论的桥梁,可以实现无时间、空间限制的快速的远程病理会诊和咨询业务,缓解因医疗资源分配不均造成的一系列问题。


    3.2.2 诊断中的质量控制

    病理诊断是鉴定肿瘤良、恶性唯一“金标准”,准确缜密的病理诊断是决定临床手术、治疗方案的重要依据。病理诊断涉及的环节众多,任何一个节点出现问题,即可能引起诊断失误。因而病理诊断的每一个环节都应该进行质量控制。包括:


    ( 1) 诊断前质控: 主要对标本的接收和固定、取材、制片等环节进行质控。

    ( 2) 诊断中质控: 主要对诊断过程中的审核、医嘱提醒、病理报告、标本质量进行质控。

    ( 3) 诊断后质控: 主要对切片借阅、病例归档、查询统计进行质控。

    传统质量控制,需要到现场查看制片结果。

    采用数字化病理后,即可远程基于通过全视野数字病理切片对制片质量以及诊断质量进行评价。通过远程病理质控,直接修订存在问题的病理诊断。


    3.2.3计算机辅助病理诊断

    随着全视野数字切片扫描技术的不断进步与发展,由数字病理拓展而来的临床应用越来越广泛。数字病理应用于病理图像深度分析协助病理诊断将在未来依赖人工智能的发展程度,然而这是我国乃至世界方兴未艾的领域,也是未来数字病理发展的重要方向。


    (1)自动图像分析提高组织病理学的诊断效率。采用全视野数字切片进行诊断时,进行图像浏览的时间可能比传统显微镜有所增加。通过编写程序来识别感兴趣区域(ROI)可以改善并加速诊断工作流程,特别是如果能在病理医生看到图像前就计算出ROI就更有意义。

    (2)对于免疫组织化学染色的全视野数字切片进行定量分析软件可以提高分析的准确性。软件通过对照细胞的染色强度来进行评价,比肉眼观察有更高的稳定性和准确性。

    麦克奥迪实业集团、Ventana医疗系统公司等都推出针对免疫组织化学染色图像自动分析的软件,如Her2病理图像分析软件,Ki67病理图像分析软件,p53病理图像分析软件等。


    3.3科学研究

    3.3.1 医学研究中的应用

    全视野数字切片可以对病变进行精准的测量,比光学显微镜下直接测量或测量照片获得更准确地结果。很多医学研究都需要对病理切片进行多中心的评价。通过全视野数字切片可以方便地提供切片共享,以及归档管理。


    3.3.2 病理学研究中的应用

    组织芯片TMA、药物筛选、毒理实验室、法医鉴定、刑事微物鉴别等。

    以往,病理图像研究仅限于记录与测量,较少进行分析。而数字化病理切片,可以在切片数字化基础上进行图像分析。比如通过软件对肿瘤组织免疫组织化学染色情况进行分析,把染色强弱、阳性比例等进行统计,得出全片的结果。比人工评价、手工统计更方便、准确。目前对于标记在细胞核或细胞膜上的自动免疫组化(IHC)染色已经有了成熟的解决方案,比如ER、PR、Her-2等。

    组织微阵列(TMA)作为大通量病理组织形态的研究手段,已经在病理研究中普遍使用。WSI扫描TMA切片后,软件进行分割,逐一提取TMA组织,再进行统计分析计算,大大降低了人力成本,而且保证结果更真实可靠。


    应用病理远程诊断平台,可以实现切片制作、存储和管理的数字化,通过医院PACS/HIS接口,共享全球数字化病理信息;实现教学、科研、诊断以及远程病理质控的网络信息化,使各地医院(同城或异地医院)可进行学术交流和互联网络会议等。


    第三节:主要生产企业及概况

    1. 国内主要厂家

    (1)麦克奥迪实业集团有限公司

    创立于1983年,已成功地在美国、加拿大、德国、西班牙、英国、香港和中国等多个国家注册了motic商标。近几年来,MOTIC将现代科技与医疗诊断技术结合,把传统显微镜变为“数码显微图像处理系统”的分支平台。数码互动教室、实验室的首创和推出,掀起了形态教学的革命。自动显微镜系统的成功研发为显微科学领域的研究和发展提供了崭新的理念和实用平台,推动了远程医疗、远程科研和远程教学的广泛应用。


    由麦克奥迪自主研发的EasyScan系列的数字切片扫描系统,有四种扫描方式应用于不同标本:标准扫描;高精度扫描;多层扫描;景深扩展扫描。该系统切片扫描图像清晰、浏览快速、操作简便,与远程平台技术相结合,可作为病理远程会诊咨询、病理诊断的质控、病理数字化建设、教学、培训及考核等方面的工具使用,对病理诊断水平较薄弱的基层医疗机构更具有实用价值,对提升我国医院的病理诊断水平具有重要深远的意义。


    由麦克奥迪实业集团有限公司、加拿大不列颠哥伦比亚肿瘤研究院(BCCA)合资建立的麦克奥迪(厦门)医疗诊断系统有限公司。2011年麦克奥迪(厦门)医疗诊断系统有限公司为国家卫生计生委搭建中国数字病理远程诊断与质控平台。现已覆盖全国近1000家医院,每年为医院解决疑难病例会诊2万多列,该平台成为全球运行最有效的远程病理会诊平台之一。


    自主开发的Gallery数字切片云存储平台,可应用于存储和浏览个人数字切片,针对病例进行分享和讨论,以及有价值病里数字切片有偿使用;作为病理科内部数字切片系统,提供数字切片的存储、管理、应用解决方案,可应用于院内与临床的讨论;作为第三方会诊系统数字切片支持,输入多个厂家数字切片问价格式,开放的API方便与第三方远程会诊系统进行集成。


    厦门麦克奥迪病理细胞诊断中心(以下简称中心)是由麦克奥迪(厦门)医疗诊断系统有限公司全额投资,并经国家卫生行政主管机关批准的独立病理细胞诊断中心,能自主开展临床病理、细胞学诊断,独立于临床之外的第三方实验室。中国工程院院士、著名病理学家刘彤华教授为本中心首席专家。中心日常坐诊专家(教授、主任医师)3人,医师2人,技术员3人。


    作为中华医学会妇科肿瘤分会、中国宫颈癌防治工程和中国健康扶贫工程组委会的战略合作伙伴,厦门麦克奥迪病理细胞诊断中心在全国范围内广泛开展宫颈癌普查和其他肿瘤的早期诊断工作,积累了丰富的实践经验。


    (2)北京优纳科技有限公司

    成立于2005年8月,是由海外归国留学人员创办的高新技术企业。业务领域包括基于“数字病理远程会诊”一体化解决方案的医学影像领域和基于机器视觉产品及解决方案的半导体及工业检测领域,具体内容包括半导体、平板电子、SMT等自动化光学检测设备的研发、生产、销售以及数字病理及远程病理相关产品研发及服务。


    优纳科技是国家高新技术企业、软件企业、北京中关村百家试点企业、火炬计划实施企业,通过了ISO9000、ISO13485等一系列管理体系认证。自2005年成立以来,优纳科技依托自身强大的技术开发能力以及创新能力,研究开发出PHOCUS-G系列高速千兆网工业相机、RAPID系列全自动全光学检测设备、KIS系列平板电子产品检测系统、PRECICE系列全自动数字切片扫描系统等拥有自主知识产权的软硬件产品。其中多项产品被北京市授予“自主创新产品”称号,入选政府采购产品目录。在知识产权方面,优纳科技已拥有发明专利二十余项,软件著作权认证四十余项。


    (3)宁波江丰生物信息技术有限公司

    宁波江丰生物信息技术有限公司坐落于具有七千年历史文化沉淀的浙江省余姚市,是一家专业从事数字病理系统开发和生产的高科技生物信息技术企业。公司成立于2011年8月,注册资本1000万元人民币。


    数字病理综合诊断系统作为公司核心产品,是以高精度数字化病理切片扫描仪代替传统的显微镜,实现传统病理切片的数字信息化,并利用独自的医疗影像处理技术进行智能化病理分析和诊断,同时建立起数字病理图像数据库并实现病理诊断信息的远程共享。该系统将现代医学、自动控制技术、医疗图像处理技术、计算机网络技术、现代通信技术等高科技融为一体,最终形成一个医疗、教育、科研以及信息服务为一体的解决平台。


    2.国外主要厂家

    (1)德国莱卡Aperio

    2012年,莱卡正式收购Aperio。莱卡可以利用遍布世界各国的终端销售网络为数字病理扫描仪开路,同时发挥aperio的在数字病理扫描仪方面的高端技术,享受aperio在数字病理扫描行业的15年的成熟研发成果。这是目前技术最成熟的数字病理扫描系统,但是价格昂贵。


    (2)日本滨松Hamamatsu

    成立于1953年的日本滨松光子学株式会社(以下简称滨松集团),是一家高水平的光科学、光产业公司。滨松集团的产品被广泛的应用在医疗生物、高能物理、宇宙探测、精密分析等产 业领域,是光产业界的领军企业。为了更好的贡献于中国光产业,紧跟中国十二五规划的步伐,在2011年10月 成立“滨松光子学商贸(中国)有限公司”。


    自2003年推出第一款数字切片扫描仪以来,滨松数字切片扫描仪NanoZoomer家族不断壮大,推出包括NanoZoomer-SQ, NanoZoomer-HT, NanoZoomer-RS以及NanoZoomer-XR型号产品。


    (3)3DHistech

    3DHISTECH,创立于1996年,总部位于匈牙利首都布达佩斯,专业从事数字切片扫描系统和全自动组织芯片系统的研发、生产和经营。公司自1999年成功推出了世界上第一台Marix机器后的十余年,分别推出了Pannoramic系列数字切片扫描系统和MA全自动组织芯片系统,并取得了美国及欧盟百余种专利技术。


    Pannoramic系列有三种扫描方式:单层扫描,扫描时间短,所需存储空间最小,适用于明场或IF(免疫荧光)切片扫描;多层扫描,扫描后将每层图像分别保存和浏览,扫描时间长,所需存储空间大;深扩展扫描,也就是多层融合扫描,是将自动聚焦多层扫描的功能得到了更深的扩展,它可实现多层图像的融合,时间长,但所需存储空间小,特别适合FISH切片扫描。


    除了数字切片扫描软件、数字切片浏览软件为与PANNORAMIC相配套的两个基本功能软件外,3D还有多种可选配的专项分析软件,例如组织定量分析软件,适用于明场及荧光图像分析,同时可以应用于细胞学或血液学的定量分析、胚胎学组织分割的定量分析等。


    (4)其他厂商

    Zeiss(德国)、Philips(荷兰)、Visiopharm(丹麦)、Indica Labs(美国)、Ventana医疗系统公司(美国)也都有比较成熟的全视野数字切片产品,这里就不一一赘述。


    第四节:行业发展趋势


    现阶段病理诊断已进入了数字化阶段,所有病理图像和管理都可以全部数字化,实现资源的共享,解放了病理医生的部分手脚工作,有效缓解了病理资源分布不均的问题,提高了诊断效率。随着数字病理应用的普及,其诊断的需求量越来越大。这就要求有更为高效、准确的诊断方式。一是需要解决数字切片的标准化,以兼容医院医学影像信息系统和其他医学影像数据,实现广义上的共享,进一步提高互联网医疗的效率;二是采用新技术实现自动的定量判读,以解决现有病理医生严重不足的问题,以及容易出现漏诊,误诊的问题。


    1. 数字切片的标准化

    随着数字病理诊断的普及,数字切片扫描仪的厂家越来越多,但数字切片并没有统一标准,每家都有自己的专有格式,基本互不兼容,例如麦克奥迪实业集团有限公司的MDS格式、Leica 的SVS格式等,并为这些专用文件格式开发了对应的软件库和浏览器。专用的文件格式只适用于对应厂商的产品,不具有通用性。出于技术保密的考虑,各厂商一般不提供专用文件格式的文档,即使提供也会省略重要的细节。要访问数字切片,必须使用厂商提供的软件库和浏览器,导致医生和研究人员受限于特定的厂商。这些问题正影响着数字病理信息的互联互通、远程利用与共享,也影响与医院医学影像信息系统PACS(Picture Archiving and Communication Systems)、医院信息系统HIS (Hospital Information System)HIS的方便整合,在一定程度上制约着数字病理、远程病理的发展。所以,数字切片迫切需要一种通用的文件格式或者一种通用的规范。作为PACS中医学图像格式和传输医学图像协议的标准中的DICOM标准,专门成立了研究病理问题的DICOM 工作组WG-26,研究解决将DICOM 应用于数字切片的技术障碍,包括数字切片的尺寸、数据量,数据的组织方式和处理方式,并提出了两个补充协议122 和145。


    2.定量病理

    传统的显微成像技术只能提供被观测标本的形态学信息和颜色信息,不能进一步给出物质的组成成分信息,医生在诊断时也只能根据临床经验提供定性判断,缺乏定量标准,存在一定的误差,易发生误诊、漏诊。随着相关技术的进步,基因组学和蛋白质组学的发展很大程度上拓展了临床医学对疾病机制研究的广度和深度。组织和细胞的形态学信息已满足不了诊断需求,需要更关注细胞内多种蛋白的表达、分布、调控、转移及与疾病发生、发展的联系。尤其是在癌症的研究领域,揭示肿瘤微环境在免疫应答中的重要作用,探究癌细胞和基质细胞特别是免疫细胞的相互关系,成为精准医学攻克癌症的重要研究议题。显微光谱成像技术是在传统显微成像技术的基础上,结合目前发展迅速的光谱成像理论得到的一种新型光学探测技术。它是光谱分析技术和显微成像技术的有机结合,可以同时提供二维空间信息和一维光谱信息,图谱合一,配合一定的模式识别算法,能够实现物质组成成份定性、定量、定位的综合指标分析,国内外的很多研究也表明了此技术的优势,如Dicker等检测了皮肤组织中的异常,获取得到400-800nm之间的连续波长,利用高光谱成像技术,由此对比了良性痣与黑色素瘤的差异。PerkinElmer近期推出的新一代的组织定量病理学工作站Mantra,就是采用了多光谱技术,为定量病理的研究工作提供了有力的工具,会促使定量病理的加快临床应用。


    3. 人工智能诊断

    数字切片虽然解决了患者和病理医生在空间和时间上的障碍,但其诊断还是要依靠病理医生。病理诊断是疾病诊断的金标准,是精准医疗的关键,所以病理医生又被称为“医生的医生”,但病理医生的培养周期很长,一位病理医生能够独自做病理诊断一般需要先经过大学5年甚至8年的临床医学教育,再进行5年~6年的临床病理诊断实践,所以比较紧缺。特别是在中国,据中国医师协会病理科医师分会普查,中国只有 2 万左右的病理医生,如要达到发达国家的要求,有8~10万的缺口。病理人才奇缺又培养艰难,意味着只有通过创新技术的手段来解决。近年来人工智能技术的迅猛发展,


    如谷歌大脑与Verily公司联合开发了一款能用数字病理切片来诊断乳腺癌的人工智能,并与一位资深病理学家对130张切片进行“读片”比赛,结果是人工智能的准确率超过病理学家。表明人工智能识别病理切片在技术上已具备可行性,而且优势非常明显:具有准确度高、阅片速度快、成本低、永不疲劳、没有使用地域限制、重复性高,更好地辅助病理科医生筛查出有问题的病理照片,可以代替病理医生80%的工作,使得病理医生可以将更多精力放在疑难杂症的诊断上,有效解决病理医生不足和分布不均匀的问题。除此之外也利于病理人才的培养,人工智能本身就是一个巨大的数据库,存了大量的病例、图库、知识库。一方面,可以利用这些病例来拓宽病理医生的视野;另一方面,在不断和人工智能接触的过程中,医生也可以不断学习并找到诊断的依据和思路。人工智能诊断是数字化病理发展的必然趋势。


    在技术、政策、资金等的驱动下,人工智能诊断将得到迅猛发展,相信很快就可以商业化并临床应用,并覆盖更多的病种。