虛擬切片技術在遠程數字病理會診系統中的應用

岳麗娟，薛啟勛，高全學

虛擬切片技術在遠程數字病理會診系統中的應用

岳麗娟，薛啟勛，高全學

醫學信息研究

數字病理；虛擬切片；切片掃描；遠程會診

1 引言

病理診斷作為目前醫學界公認的最可信賴、重復性最強、準確性最高的手段，在疾病診斷中發揮著舉足輕重的作用。傳統的病理診斷是病理醫師通過光學顯微鏡觀察組織切片的形態進行觀察從而做出疾病的診斷，這種方式存在著時間和空間上的局限性。隨著數字化的發展，模擬式或數字式攝像頭開始應用于病理進行圖像采集、存儲和傳輸，這是數字化病理的初次嘗試［1］，但這種方式會因為采集者的主觀因素而遺漏病變區域。針對這些不足，業界提出數字病理技術即數字化虛擬切片技術，并探索應用且取得了一定的進展。

數字化虛擬切片技術可應用于快速冰凍、細胞學檢查、分子病理學檢查以及免疫組化、組織芯片等具有切片載體的圖像掃描中，使醫師脫離顯微鏡，通過計算機可實現清晰查看所取患者組織的病理圖像，隨時隨地通過網絡與異地病理醫師就圖像進行交流，實現異地在線同步遠程會診或離線遠程會診。

2 遠程數字病理會診系統簡介

遠程數字病理會診系統，主要由數字切片掃描設備和數字病理診斷平臺兩部分組成。數字切片掃描技術的發展主要有自動顯微鏡和切片掃描儀兩個方向。前者開發較早，關鍵部件為顯微鏡上的自動載物臺，成像部件仍為數字式攝像頭，使用這種方式，通過無縫拼接，處理及后續壓縮等過程獲得高質量高分辨率的數字化全切片圖像［2］。隨著技術的進步，為更好滿足對虛擬切片質量和速度的要求，一種虛擬切片掃描儀開始受人注目，其關鍵部件有自動切片轉運部件、高速線性，矩陣式［3］和線性矩陣式數字成像部件等，將整個載玻片全信息、全方位快速掃描，提供全切片信息，在成像質量和速度上都有了較大飛躍。本文以我院所使用優納科技的PRECICE500虛擬切片掃描儀為例，進行分析研究。

2.1 數字病理切片的特點數字化虛擬切片，并非一張靜態圖片。它包含了玻璃切片上的所有病變信息，每張圖片像素可達到十幾億，每個像素點可以精確到250納米，具有許多傳統載玻片不具備的優點。結合切片瀏覽軟件，可以在計算機上如同在顯微鏡上進行不同倍率觀察，并在一定范圍內，實現連續變倍瀏覽切片。還能夠通過網絡在遠程計算機進行切片圖像的放大、縮小及標注、測量，實現遠程分析，診斷等功能。

2.2 數字病理圖像獲取的過程虛擬切片掃描儀實現“盒式”一體機設計，全封閉一體化的掃描環境打破了傳統顯微鏡概念的局限性。在掃描過程中多數情況下無須人工干預，從切片傳遞、選擇圖像區域、對焦、成像、文件合成等一系列操作完全由計算機控制自動完成，將玻璃切片掃描成全息高分辨率的數字病理切片。獲取數字虛擬切片圖像的過程主要包括切片裝載、識別和掃描。（1）切片裝載。該虛擬切片掃描儀可以實現一次多個載玻片的裝載。（2）切片識別。通過切片識別進行切片組織的快速定位，標示出切片所在的區域。在此基礎上也可以自行設置定位切片的局部，選擇需要掃描的切片區域，同時可以選擇掃描的起始位置。自動識別功能使得只對切片選擇部位進行掃描。（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，先對切片組織的邊緣部位點定位分析，以此確定組織切片的區域，只對切片標本部分進行掃描，在短時間內實現玻璃切片的掃描和數字化，實現圖像的快速無縫拼接。比較常用的還有組織跟蹤精確掃描，動態對焦跟蹤，揭示更多樣本的細節，使掃描精度更好，圖像質量更清晰，當然掃描處理的時間要長于快速掃描。無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，在掃描過程中實現圖像的存儲，并利用無縫拼接技術將掃描的信息整合成為全息的數字虛擬切片圖像。

2.3 遠程數字病理會診的實現將病理切片的全視野高分辨率數字化圖像，通過計算機和網絡進行病理診斷、教學和科研等，結合信息化管理和網絡平臺，整合病理專家資源，實現遠程專家會診、遠程教學等，幫助邊遠地區解決病理診斷難的問題。遠程數字病理技術平臺的實現，避免了傳統病理會診時郵寄切片過程中切片丟失損壞等意外，節省了患者兩地來回奔波的費用和時間。

圖1 兩種掃描方式的數字虛擬切片圖像在5、10、20、40倍下的效果圖

3 討論

為了直觀地展現出使用虛擬切片掃描儀獲取全息數字圖像在速度和質量上的優勢，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下對切片進行觀察。圖1中（a1）～（a4）分別為其中一張數字病理圖像的局部區域在5、10、20、40倍下的圖像效果。

為進行對比分析，對同一批載玻片利用全自動顯微鏡在低倍鏡下獲取數字化虛擬圖像。在獲取過程中進行X軸和Y軸的連續掃描，并在Z軸進行自動聚焦，通過安裝在顯微鏡上的高速攝像機對視野進行連續拍照，從而得到玻璃切片的一系列局部圖片，然后通過無縫拼接技術組成完整的切片數字圖像。圖1中（b1）～（b4）分別為與（a）相同切片的數字病理圖像相同局部區域在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字病理圖片，相較于全自動數字顯微鏡的掃描結果更為清晰，這可能是由于其全封閉式的結構，減少了外界環境如光線、亮度等因素的干擾，能夠更好地刻畫描述組織的紋理和結構，在20倍和40倍的狀態下這種優勢更為明顯。

在圖像采集上，自動顯微鏡多使用面陣的方式，能夠直觀地對顯微鏡視場中的圖像進行觀察，但單個視野面陣成像要遍歷整個切片，通過拼接才可以形成全視野虛擬切片，會存在速度慢，拼接配準效果不好的缺點。而虛擬切片掃描儀采用線性矩陣式掃描的方式，使無縫拼接的效果更好，而且線陣每行元素較多，在配合高速平臺移動的情況下能達到更快的掃描速度。此外，相較于全自動數字顯微鏡而言，使用虛擬切片掃描儀減少了人工干預的過程。

高質量的數字病理圖片和便捷的遠程會診平臺，解決了會診時切片的借閱、傳輸等問題，使醫師擺脫顯微鏡，病理專家通過網絡隨時隨地與醫師進行交流，醫學專家可以自由調閱瀏覽患者的數字病理及電子病歷資料，與申請端的醫護人員及患者、家屬“面對面”交流，共同討論病情，使患者能夠及時獲得專家的診斷意見。遠程數字病理系統既減輕了患者的經濟負擔，又促進了病理醫師診斷水平的提升，在基層醫院的疑難病理會診方面能夠發揮重要的作用。

［1］朱晨雁，施華強.遠程病理診斷的現狀與發展趨勢［J］.病理診斷學雜志，2010，17（1）：49.

［2］鄭清平，張春明.虛擬病理切片技術在病理學領域中應用［C］.第12屆中國體視學與圖像分析學術會議論文集，2008.

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

［2016－08－24收稿，2016－09－22修回］［本文編輯：王軍紅］

R197.324

B

10.14172/j.issn1671-4008.2017.03.035

264200山東威海，解放軍404醫院（岳麗娟，薛啟勛，高全學）