虚拟切片技术在远程数字病理会诊系统中的应用

岳丽娟，薛启勋，高全学

虚拟切片技术在远程数字病理会诊系统中的应用

岳丽娟，薛启勋，高全学

医学信息研究

数字病理；虚拟切片；切片扫描；远程会诊

1 引言

病理诊断作为目前医学界公认的最可信赖、重复性最强、准确性最高的手段，在疾病诊断中发挥着举足轻重的作用。传统的病理诊断是病理医师通过光学显微镜观察组织切片的形态进行观察从而做出疾病的诊断，这种方式存在着时间和空间上的局限性。随着数字化的发展，模拟式或数字式摄像头开始应用于病理进行图像采集、存储和传输，这是数字化病理的初次尝试［1］，但这种方式会因为采集者的主观因素而遗漏病变区域。针对这些不足，业界提出数字病理技术即数字化虚拟切片技术，并探索应用且取得了一定的进展。

数字化虚拟切片技术可应用于快速冰冻、细胞学检查、分子病理学检查以及免疫组化、组织芯片等具有切片载体的图像扫描中，使医师脱离显微镜，通过计算机可实现清晰查看所取患者组织的病理图像，随时随地通过网络与异地病理医师就图像进行交流，实现异地在线同步远程会诊或离线远程会诊。

2 远程数字病理会诊系统简介

远程数字病理会诊系统，主要由数字切片扫描设备和数字病理诊断平台两部分组成。数字切片扫描技术的发展主要有自动显微镜和切片扫描仪两个方向。前者开发较早，关键部件为显微镜上的自动载物台，成像部件仍为数字式摄像头，使用这种方式，通过无缝拼接，处理及后续压缩等过程获得高质量高分辨率的数字化全切片图像［2］。随着技术的进步，为更好满足对虚拟切片质量和速度的要求，一种虚拟切片扫描仪开始受人注目，其关键部件有自动切片转运部件、高速线性，矩阵式［3］和线性矩阵式数字成像部件等，将整个载玻片全信息、全方位快速扫描，提供全切片信息，在成像质量和速度上都有了较大飞跃。本文以我院所使用优纳科技的PRECICE500虚拟切片扫描仪为例，进行分析研究。

2.1 数字病理切片的特点数字化虚拟切片，并非一张静态图片。它包含了玻璃切片上的所有病变信息，每张图片像素可达到十几亿，每个像素点可以精确到250纳米，具有许多传统载玻片不具备的优点。结合切片浏览软件，可以在计算机上如同在显微镜上进行不同倍率观察，并在一定范围内，实现连续变倍浏览切片。还能够通过网络在远程计算机进行切片图像的放大、缩小及标注、测量，实现远程分析，诊断等功能。

2.2 数字病理图像获取的过程虚拟切片扫描仪实现“盒式”一体机设计，全封闭一体化的扫描环境打破了传统显微镜概念的局限性。在扫描过程中多数情况下无须人工干预，从切片传递、选择图像区域、对焦、成像、文件合成等一系列操作完全由计算机控制自动完成，将玻璃切片扫描成全息高分辨率的数字病理切片。获取数字虚拟切片图像的过程主要包括切片装载、识别和扫描。（1）切片装载。该虚拟切片扫描仪可以实现一次多个载玻片的装载。（2）切片识别。通过切片识别进行切片组织的快速定位，标示出切片所在的区域。在此基础上也可以自行设置定位切片的局部，选择需要扫描的切片区域，同时可以选择扫描的起始位置。自动识别功能使得只对切片选择部位进行扫描。（3）切片扫描。切片扫描模式可以分为快速扫描、组织追踪、精确和融合的模式。在快速扫描时，先对切片组织的边缘部位点定位分析，以此确定组织切片的区域，只对切片标本部分进行扫描，在短时间内实现玻璃切片的扫描和数字化，实现图像的快速无缝拼接。比较常用的还有组织跟踪精确扫描，动态对焦跟踪，揭示更多样本的细节，使扫描精度更好，图像质量更清晰，当然扫描处理的时间要长于快速扫描。无论选择哪种扫描模式，都是采用高速线性矩阵式扫描（COF）的方法，在扫描过程中实现图像的存储，并利用无缝拼接技术将扫描的信息整合成为全息的数字虚拟切片图像。

2.3 远程数字病理会诊的实现将病理切片的全视野高分辨率数字化图像，通过计算机和网络进行病理诊断、教学和科研等，结合信息化管理和网络平台，整合病理专家资源，实现远程专家会诊、远程教学等，帮助边远地区解决病理诊断难的问题。远程数字病理技术平台的实现，避免了传统病理会诊时邮寄切片过程中切片丢失损坏等意外，节省了患者两地来回奔波的费用和时间。

图1 两种扫描方式的数字虚拟切片图像在5、10、20、40倍下的效果图

3 讨论

为了直观地展现出使用虚拟切片扫描仪获取全息数字图像在速度和质量上的优势，在此将不同患者的不同部位组织切片，利用精确扫描的模式每片切片都得到一张全息的数字病理图像。这张图像不仅包含了载玻片的全部信息，还允许在不同的放大倍数下对切片进行观察。图1中（a1）～（a4）分别为其中一张数字病理图像的局部区域在5、10、20、40倍下的图像效果。

为进行对比分析，对同一批载玻片利用全自动显微镜在低倍镜下获取数字化虚拟图像。在获取过程中进行X轴和Y轴的连续扫描，并在Z轴进行自动聚焦，通过安装在显微镜上的高速摄像机对视野进行连续拍照，从而得到玻璃切片的一系列局部图片，然后通过无缝拼接技术组成完整的切片数字图像。图1中（b1）～（b4）分别为与（a）相同切片的数字病理图像相同局部区域在5、10、20、40倍下的图像效果。

图1所示，使用虚拟切片扫描仪得到的数字病理图片，相较于全自动数字显微镜的扫描结果更为清晰，这可能是由于其全封闭式的结构，减少了外界环境如光线、亮度等因素的干扰，能够更好地刻画描述组织的纹理和结构，在20倍和40倍的状态下这种优势更为明显。

在图像采集上，自动显微镜多使用面阵的方式，能够直观地对显微镜视场中的图像进行观察，但单个视野面阵成像要遍历整个切片，通过拼接才可以形成全视野虚拟切片，会存在速度慢，拼接配准效果不好的缺点。而虚拟切片扫描仪采用线性矩阵式扫描的方式，使无缝拼接的效果更好，而且线阵每行元素较多，在配合高速平台移动的情况下能达到更快的扫描速度。此外，相较于全自动数字显微镜而言，使用虚拟切片扫描仪减少了人工干预的过程。

高质量的数字病理图片和便捷的远程会诊平台，解决了会诊时切片的借阅、传输等问题，使医师摆脱显微镜，病理专家通过网络随时随地与医师进行交流，医学专家可以自由调阅浏览患者的数字病理及电子病历资料，与申请端的医护人员及患者、家属“面对面”交流，共同讨论病情，使患者能够及时获得专家的诊断意见。远程数字病理系统既减轻了患者的经济负担，又促进了病理医师诊断水平的提升，在基层医院的疑难病理会诊方面能够发挥重要的作用。

［1］朱晨雁，施华强.远程病理诊断的现状与发展趋势［J］.病理诊断学杂志，2010，17（1）：49.

［2］郑清平，张春明.虚拟病理切片技术在病理学领域中应用［C］.第12届中国体视学与图像分析学术会议论文集，2008.

［3］叶可人，姜志国，孟钢.一种基于线性CCD成像的显微虚拟切片扫描系统［J］.中国体视学与图像分析，2009，14（4）：413-418.

［2016－08－24收稿，2016－09－22修回］［本文编辑：王军红］

R197.324

B

10.14172/j.issn1671-4008.2017.03.035

264200山东威海，解放军404医院（岳丽娟，薛启勋，高全学）