數(shù)字切片掃描儀產(chǎn)品主要性能指標(biāo)的檢驗(yàn)方法初探

李佳戈，郝燁，侯曉旭，張艷麗

中國(guó)食品藥品檢定研究院

醫(yī)療器械檢定所，北京 100050

數(shù)字切片掃描儀產(chǎn)品主要性能指標(biāo)的檢驗(yàn)方法初探

李佳戈，郝燁，侯曉旭，張艷麗

中國(guó)食品藥品檢定研究院

醫(yī)療器械檢定所，北京 100050

數(shù)字切片掃描儀產(chǎn)品按照醫(yī)療器械進(jìn)行管理，管理類別為Ⅱ類。本文依據(jù)日常檢驗(yàn)工作要求，歸納總結(jié)出一套現(xiàn)實(shí)可行的，針對(duì)數(shù)字切片掃描儀產(chǎn)品主要性能指標(biāo)的檢驗(yàn)方法，以期規(guī)范和指導(dǎo)該類產(chǎn)品的檢驗(yàn)。

數(shù)字切片；病理切片；掃描儀；顯微鏡

0 前言

數(shù)字切片又稱虛擬切片，是將物質(zhì)的病理切片標(biāo)本數(shù)字化，即將病理切片快速掃描成包含所有組織信息的高分辨率數(shù)字圖片，實(shí)現(xiàn)病理數(shù)字閱片。其本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)全信息、高清晰、標(biāo)準(zhǔn)化的圖像采集。所以又被稱為全切片圖像（Whole Slide Image，WSI），即全信息數(shù)字切片。

傳統(tǒng)病理切片容易褪色、損壞，不易保存，在存儲(chǔ)和檢索方面也有其局限性。數(shù)字病理技術(shù)的出現(xiàn)使病理閱片擺脫了顯微鏡的限制，使病理專家可以在辦公環(huán)境下輕松閱片，并可通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽遠(yuǎn)程的全信息數(shù)字切片，實(shí)現(xiàn)及時(shí)、快捷的遠(yuǎn)程會(huì)診。

在數(shù)字切片技術(shù)應(yīng)用方面，目前最為流行的第二代技術(shù)是采用類似于辦公用掃描儀的方式，將在高倍物鏡下采集到的光學(xué)圖像傳送到光電轉(zhuǎn)換器中變?yōu)槟M電信號(hào)，再將模擬電信號(hào)變換成為數(shù)字信號(hào)，最后將數(shù)字信號(hào)傳送到計(jì)算機(jī)并合成為完整的圖像[1-2]。此種方式掃描圖像質(zhì)量高，無任何拼接痕跡，圖像分辨率可達(dá)0.23μm/pixel；掃描速度快，1～3 min內(nèi)即可完成整張切片的掃描。國(guó)際主流的數(shù)字切片掃描儀產(chǎn)品有匈牙利的3DHistech、美國(guó)的Aperio、日本的Hammamatsu等。

在我國(guó)依據(jù)相關(guān)法規(guī)要求，數(shù)字切片掃描儀產(chǎn)品按照醫(yī)療器械進(jìn)行管理，管理類別為Ⅱ類。眾所周知，為了確保醫(yī)療器械產(chǎn)品的安全有效，我國(guó)實(shí)行以檢驗(yàn)為基礎(chǔ)的醫(yī)療器械市場(chǎng)準(zhǔn)入制度。對(duì)于數(shù)字切片掃描儀產(chǎn)品的安全性檢驗(yàn)可以依照GB 4793.1-2207[3]、YY 0648-2008[4]標(biāo)準(zhǔn)。而對(duì)于其有效性的檢驗(yàn)于目前還沒有相應(yīng)的國(guó)家/行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，都是依據(jù)企業(yè)所提供的方法進(jìn)行檢驗(yàn)，存在著方法不夠統(tǒng)一，可溯源性較差的問題。本文依據(jù)日常檢驗(yàn)工作要求，歸納總結(jié)出一套現(xiàn)實(shí)可行的數(shù)字切片掃描儀產(chǎn)品主要性能指標(biāo)的檢驗(yàn)方法，以期規(guī)范和指導(dǎo)該類產(chǎn)品的檢驗(yàn)。

1 主要性能指標(biāo)的確認(rèn)及檢驗(yàn)

根據(jù)數(shù)字切片掃描儀產(chǎn)品的構(gòu)成原理及臨床使用，其主要性能指標(biāo)包括：數(shù)字圖像放大倍數(shù)的準(zhǔn)確性、最大掃描區(qū)域、掃描速度、掃描分辨率。

1.1 數(shù)字圖像放大倍數(shù)準(zhǔn)確性的檢驗(yàn)方法

由于臨床觀察診斷的需要，數(shù)字切片掃描儀產(chǎn)品一般均具備對(duì)原始切片信息的放大掃描功能。常見的放大倍率為20×和40×。

由于數(shù)字切片掃描儀產(chǎn)品是對(duì)通用的病理切片進(jìn)行掃描后對(duì)所得的數(shù)字圖像進(jìn)行存儲(chǔ)并通過圖像工作站進(jìn)行調(diào)閱的。其掃描對(duì)象是粘附有病變組織或臟器薄片的玻璃載玻片。因此，其數(shù)字圖像放大倍數(shù)的準(zhǔn)確性可采用下述步驟進(jìn)行檢驗(yàn)：

（1）在空白玻璃載玻片上用普通彩色熒光筆（均可被數(shù)字切片掃描儀識(shí)別并掃描）及直尺畫一條任意長(zhǎng)度（以1～3 mm為宜）的直線或間隔為任意寬度的2條直線；

（2）開啟被測(cè)數(shù)字切片掃描儀，裝載上述玻片，設(shè)置放大倍率（包含1×及設(shè)備標(biāo)稱放大倍數(shù)）并進(jìn)行掃描成像；

（3）使用游標(biāo)卡尺等通用測(cè)量工具分別對(duì)1×及設(shè)備標(biāo)稱放大倍數(shù)下的標(biāo)記直線或2條直線間隔的數(shù)字圖像長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量并記錄結(jié)果；

（4）設(shè)備放大倍率的實(shí)測(cè)值=設(shè)備標(biāo)稱放大倍數(shù)下標(biāo)記直線或直線間隔的數(shù)字圖像長(zhǎng)度測(cè)量值/1×下標(biāo)記直線或直線間隔的數(shù)字圖像長(zhǎng)度測(cè)量值。計(jì)算結(jié)果與設(shè)備標(biāo)稱放大倍率值進(jìn)行比較即可知數(shù)字圖像放大倍數(shù)的準(zhǔn)確性。

1.2 最大掃描區(qū)域的檢驗(yàn)方法

通用玻璃載玻片的有效尺寸一般為26 mm×56 mm。而常見數(shù)字切片掃描儀產(chǎn)品的標(biāo)稱可掃描最大區(qū)域一般也在該尺寸附近?？衫玫姆椒ㄈ缦拢?/p>

（1）使用極細(xì)的彩色熒光筆或利用激光蝕刻后染色的方法，在空白載玻片有效區(qū)域的長(zhǎng)、寬兩邊，沿著玻片邊緣向內(nèi)每隔1 mm（彩色熒光筆直接標(biāo)記）或0.1 mm（激光蝕刻后染色）的距離，連續(xù)劃5條長(zhǎng)度約為1 cm的直線；

（2）開啟被測(cè)數(shù)字切片掃描儀，裝載上述玻片設(shè)置最大掃描范圍并掃描成像；

（3）對(duì)所成數(shù)字圖像進(jìn)行觀察，依據(jù)掃描圖像邊緣所對(duì)應(yīng)的劃線刻度讀取實(shí)際最大掃描區(qū)域尺寸。

1.3 掃描速度的檢驗(yàn)方法

由于不同品牌產(chǎn)品掃描原理不同，設(shè)備的標(biāo)稱掃描速度也不盡相同。常見的要求有：15 mm×15 mm/60 s、3 min/cm2、4.6 mm/s等。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)不同要求的統(tǒng)一規(guī)范測(cè)量，可利用下述簡(jiǎn)單物理圖形的方法：

（1）使用彩色熒光筆及標(biāo)準(zhǔn)量具，在空白載玻片有效區(qū)域畫出2個(gè)正方形，邊長(zhǎng)分別為1 cm和1.5 cm；

（2）開啟被測(cè)數(shù)字切片掃描儀，裝載上述玻片，根據(jù)被測(cè)設(shè)備的掃描速度要求不同，選擇不同的標(biāo)記圖形進(jìn)行掃描。對(duì)于掃描速度要求類似為15 mm×15 mm/60 s的設(shè)備可選擇邊長(zhǎng)為1.5 cm的正方形圖形進(jìn)行掃描；對(duì)于掃描速度要求類似為3 min/cm2或4.6 mm/s的設(shè)備可選擇邊長(zhǎng)為1 cm的正方形圖形進(jìn)行掃描；

（3）開始掃描，使用秒表對(duì)設(shè)備的掃描過程進(jìn)行計(jì)時(shí)并記錄完成整個(gè)掃描過程的時(shí)間，即得到相應(yīng)的掃描速度的測(cè)量值。

1.4 掃描分辨率的檢驗(yàn)方法

目前主流的數(shù)字切片掃描儀產(chǎn)品的的掃描分辨率一般在0.5μm/pixel以內(nèi)?？捎玫臋z驗(yàn)方法為：

（1）取一標(biāo)準(zhǔn)分辨率板（線對(duì)間隔1 mm以內(nèi)）或使用彩色熒光筆及標(biāo)準(zhǔn)量具在空白載玻片有效區(qū)域畫出固定間隔（1 mm）的2條直線；

（2）開啟被測(cè)數(shù)字切片掃描儀，裝載上述玻片并掃描成像；

（3）通過圖形工作站分析得到分辨率板相鄰刻線或固定間隔（1 mm）的2條直線間的像素點(diǎn)數(shù)N（取最小整數(shù))；

（4）用公式：L/N計(jì)算出被測(cè)設(shè)備的掃描分辨率，其中L為分辨率板相鄰刻線之間的距離或固定間隔（1 mm）。

2 主要性能指標(biāo)檢驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)片的設(shè)計(jì)與制作

2.1 標(biāo)準(zhǔn)片的設(shè)計(jì)

綜上所述，對(duì)于數(shù)字切片掃描儀產(chǎn)品的4項(xiàng)主要性能指標(biāo)檢測(cè)方法歸納總結(jié)，設(shè)計(jì)“數(shù)字切片掃描儀產(chǎn)品主要性能指標(biāo)檢驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)片”見圖1。

由圖1可知，對(duì)于數(shù)字圖像放大倍數(shù)的準(zhǔn)確性、最大掃描區(qū)域及掃描分辨率3項(xiàng)性能指標(biāo)的測(cè)量可以利用標(biāo)準(zhǔn)片有效區(qū)域中4個(gè)邊沿的標(biāo)準(zhǔn)間隔（0.1 mm）刻線來完成；而掃描速度則可以通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)片有效區(qū)域中的2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)（邊長(zhǎng)：15 mm及10 mm）正方形的掃描并計(jì)時(shí)來完成檢驗(yàn)。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)片的制作

完成了設(shè)計(jì)，就進(jìn)入了標(biāo)準(zhǔn)片的制作環(huán)節(jié)。為了減少誤差、增加標(biāo)準(zhǔn)片的可溯源性。同時(shí)，由于數(shù)字切片掃描儀產(chǎn)品對(duì)被掃描玻片上的圖形或刻線要求必須透光并與本底有明顯色差才能完成對(duì)焦并掃描。因此，經(jīng)過多方論證，為了滿足上述要求，首批標(biāo)準(zhǔn)片（圖2）采用了電腦設(shè)計(jì)、光學(xué)鍍膜技術(shù)完成。但在實(shí)際使用中，發(fā)現(xiàn)相關(guān)圖形及刻線的顏色及透光性雖然滿足要求，但鍍膜位置即檢驗(yàn)區(qū)域有明顯反光，造成了被測(cè)數(shù)字切片掃描儀難以完成對(duì)焦或?qū)共粶?zhǔn)，影響了掃描及檢驗(yàn)結(jié)果。

因此，又對(duì)標(biāo)準(zhǔn)片進(jìn)行了修改：

（1）對(duì)其中的刻線部分改用激光蝕刻后染色的方法進(jìn)行標(biāo)記；

（2）對(duì)兩個(gè)邊長(zhǎng)分別為10 mm和15 mm的正方形的標(biāo)記改用了彩色熒光筆結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)量具來描畫的方法。修改后的標(biāo)準(zhǔn)片經(jīng)過不同設(shè)備的驗(yàn)證，基本滿足了日常檢測(cè)的需要。

3 討論

上述數(shù)字切片掃描儀產(chǎn)品主要性能指標(biāo)檢驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)片的制作和使用，雖然已經(jīng)基本滿足了日常檢測(cè)的需要，但仍然存在著幾個(gè)問題需要進(jìn)一步解決和完善：

（1）對(duì)刻線部分標(biāo)記的激光蝕刻后染色，目前仍采用熒光筆填涂的方法。由于人為操作手法的不同，相關(guān)刻線的邊界不清，增加了檢驗(yàn)結(jié)果的誤差；

（2）兩個(gè)正方形的標(biāo)記，采用熒光筆結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)量具來描畫的方法，存在一定的人為誤差；

（3）標(biāo)準(zhǔn)片中相關(guān)刻線及圖形均使用彩色熒光筆描畫的方法，容易掉色，且不易保存和流轉(zhuǎn)。

4 結(jié)論

隨著數(shù)字病理技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字切片掃描儀產(chǎn)品也會(huì)逐步替代傳統(tǒng)的顯微鏡觀察，越來越多地應(yīng)用于臨床，幫助醫(yī)生快速、準(zhǔn)確地診斷疾病，造福患者[5-7]。而為了保證其安全有效，其主要性能指標(biāo)的檢驗(yàn)必不可少，由于缺少可依據(jù)的通用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，本次只是對(duì)相關(guān)檢驗(yàn)方法的初步探索，對(duì)存在的不足需要繼續(xù)解決完善，以期最終能夠形成該類產(chǎn)品檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)加以推廣使用。

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Study on Testing Methods for Main Performance Indicators of Digital Slide Scanner

LI Jia-ge, HAO Ye, HOU Xiao-xu, ZHANG Yan-li
Institute for Medical Devices Control, National Institutes for Food and Drug Control, Beijing 100050, China

The management of digital slide scanners which are managed as medical equipment belongs to class Ⅱ. According to daily testing work, this paper summarizes a set of operable testing methods for main performance indicators of digital slide scanners in order to standardize and guide the testing of digital slide scanners.

digital slide; pathological section; scanner; microscope

TP335

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.11.021

1674-1633(2014)11-0069-03

2014-06-09

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃課題（2011AA02A115）資助。

張艷麗，高級(jí)工程師。

通訊作者郵箱：guangjidian@nifdc.org.cn