虚拟病理切片的发展和评价:一种新的精神病理学工具

介绍

心灵病理学的定义

远程病理学是由远程病理学家利用通过电信网络传输的组织标本图像进行病理诊断的实践[1，2]。传统上，心灵病理学系统被定义为动态或静态。动态系统使心灵病理学家能够查看远程机器人显微镜实时传输的图像，从而完全控制视野和放大[3.]。静态(或存储转发)远程病理学涉及图像的捕获和存储，然后通过电子邮件附件、文件传输协议或Web页面在Internet上传输，或通过CD-ROM分发。动态混合动力车也存在，它结合了两种技术的各个方面[3.]。

心灵病理学的应用

远程病理学系统的多样性反映了该领域日益增长的技术专长，以及远程病理学在教育、培训、质量保证和远程会诊中的重要性日益增加[4-9]。互联网上有大量的病理档案，提供教育和商业心灵病理学网站的链接。这些服务提供使用静态或动态图像传送系统的机会[7-19]。

心灵病理学的局限性

图像质量和从电子压缩图像中做出诊断决策的能力是一个有争议的问题[3.，19-20.]。为了使心灵病理学在临床中得到应用，研究试图获得存储-转发式心灵病理学的诊断准确性，结果显示准确率在77%到100%之间[3.，20.-28]。该技术的多样性使得很难在研究之间进行比较，或者就最佳实践方法形成共识。在硬件、软件、图像分辨率、色彩深度或图像压缩和存储方面没有普遍接受的标准化[3.]。然而，研究表明，使用分辨率低至1024像素x 768像素x 24位颜色的图像并不会影响诊断性能[3.，20.，27-29]。为了应对这种非标准化，已经制定了关于诊断图像的捕获和处理以及心灵病理学实践的指导方针[30.-31]。

internet浏览器技术的最新改进促进了交互式存储转发Web页面的开发。这些功能能够在低功率和高功率视图中显示单个图像之间的空间关系。这种技术通常是通过一个小型图片库来实现的，该图片库由数千个微观视场中的一个或两个组成，以更高的放大倍率显示相同视场的图像[3.，20.，21]。领域选择和解释被认为是存储-转发心灵病理学特有的主要原因，解释了它与传统病理环境中的诊断不一致[19-20.]。涉及多名病理学家的研究提供了评估一项心灵病理学技术的最可靠和最准确的方法[20.-27]。然而，很难将技术的性能与病理学家的技能和所呈现的病例的困难程度区分开来[21]。直到最近，常规诊断和远程会诊工具的发展是远程病理学系统发展的驱动目标。初始费用、缺乏宽带互联网连接、潜在的责任以及缺乏从专家到潜在用户的知识转移都阻碍了将心灵病理学纳入日常实践。32-35]。心灵病理学在教育和质量保证领域的新作用没有受到同样困难的阻碍。已经证明，在这些角色中应用心灵病理学具有成本较低，后勤工作较少以及最终用户对其使用的积极反应的优势[36-39]。再加上超高速切片扫描仪的出现，这将确保心灵病理学在这一领域的作用越来越大[40-42]。

虚拟病理切片(VPS)

为了克服由于有限的视野选择而导致的采样偏差和解释问题，心灵病理学家必须能够导航到任何视野，在与传统显微镜相当的放大倍率下，使用足够分辨率的图像来做出正确的诊断[21，22，35]。为了符合这些标准，我们开发了虚拟病理切片(VPS) [43，44]。这是一个显微镜模拟器，显示组织载玻片的数字化表示，允许检查许多视场，在广泛的放大范围。其他商业及学术团体亦开发了类似的应用程序，通常称为虚拟幻灯片[16，18，20.，34，35，40-42]。我们的VPS的截图显示在图1;进一步的屏幕截图多媒体附录1．

在一个重要的新突破中，VPS还可以记录和量化病理学家的诊断痕迹，作为中央服务器上的离散数据集。这使得病理学家的领域选择与心灵病理学系统的技术功能脱钩。在本文中，我们报告了该系统的发展，其在一组评估病理学家中的可接受性，该组之间的诊断一致性水平，以及VPS在心灵病理学中的潜在未来应用。

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方法

详细介绍了VPS的扫描算法和系统架构多媒体附录2．

VPS的建设

VPS影像工作站的开发

为了制作VPS幻灯片，内部开发了一个成像工作站。使用Olympus BX-40显微镜(Olympus, Melville, NY, USA)，采用40倍平面消差透镜，0.95数值孔径。显微镜配有机器人平台(Prior Scientific Inc .， Rockland, Mass, USA)和JVC 3-CCD(3芯片电荷耦合器件)摄像机。

VPS幻灯片扫描算法的开发

使用Optimas 6.5成像软件(Media Cybernetics, Inc, Silver Spring, Md, USA)，用ALI(图像分析语言)编写算法，执行15.53 mm x 11.61 mm (180 mm)的光栅扫描²)在40倍物镜放大下的组织。VPS光栅扫描在x和Y笛卡尔方向上获取128 x 128图像，每次一行。每张图像代表0.011 mm²分辨率为768 * 574像素。图像使用JPEG(联合摄影专家组)格式保存，压缩率为10%，因此图像文件大小在100到150 KB(千字节)之间。为了构建较小放大倍率的图层，开发了第二种算法，该算法将光栅扫描的多个图像拼接并调整大小为合成图像[16]。图像随后被上传到VPS Web服务器上。

VPS Web界面的开发

为了透过互联网浏览图像，我们建立了一个图形用户界面[45]。这是一个使用PHP (PHP = Hypertext Preprocessor)编写服务器端脚本的Web页面。该界面模拟了使用传统显微镜的体验，允许用户在检查组织切片时增加或减少放大倍率或横向移动。

开发了一种定制的浏览器，用于在专门研究期间控制用户对VPS的访问，优化记录数据的完整性，并为用户提供统一的体验，否则用户将由于当前Web浏览器版本的变化而经历细微的差异。

VPS浏览器是用Visual c++编写的Microsoft Foundation Class (MFC)应用程序，它利用Internet Explorer文件库作为自定义浏览器。VPS定制浏览器用于打开VPS服务器上指定的Web页面。VPS浏览器是针对使用微软Internet Explorer 5或更高版本的PC用户进行优化的。

VPS数据库的开发

当用户检查VPS幻灯片时，描述用户与VPS交互的数据从用户工作站传输到VPS服务器，并存储在Oracle数据库中。VPS考试数据库的结构包含以下数据类型:

系统配置数据

VPS服务器自动记录的数据，包括用户浏览器版本、操作系统、屏幕分辨率、屏幕颜色深度、IP (Internet Protocol)地址等参数。

用户跟踪数据

当用户检查幻灯片时，该数据记录了用户的“诊断模式”。记录的信息包括图像文件名、图像放大倍数和查看每个图像所花费的时间。

用户提交的数据

诊断和描述性数据由参与者以HTML(超文本标记语言)表单提交给VPS服务器。记录的信息包括用户在每次幻灯片检查结束时提交的报告和最终问卷。观察者还可以选择记录或注释所检查的每个视场。

VPS的部署

对于他或她希望如何使用系统，用户有两个选择。高速上网的用户可以从VPS首页下载VPS浏览器，直接查看从VPS服务器下载的图片。为配合网速较慢的用户，用户可在VPS光碟上启动VPS浏览器，浏览储存在光碟上的影像。不过，仍需连接网际网络，才能在VPS资料库中记录数据，并提供重要的数据作统计分析及回放之用。

VPS的验证

幻灯片选择

从爱尔兰都柏林圣母医院病毒科获得10个针芯活检。载玻片是随机选择的病理学家(P.A.D.)与乳腺病理学的特殊兴趣。幻灯片显示了一系列的诊断分类。其中两张幻灯片在图2．所有10张幻灯片都可以查看多媒体附录3．

参与者

54名具有至少2年病理实践经验的病理学家注册参加了这项研究。在54名病理学家中，17名检查了所有10张载玻片，8名开始了研究，但没有完成研究。在完成这项研究的17名参与者中，有8名是欧洲乳腺筛查病理工作组的成员。在检查了所有10张幻灯片的17名参与者中，有13人随后完成了一份关于用户对VPS的看法的问卷调查。在开始研究但没有完成的8名参与者中，有3人完成了调查问卷。

检查程序

启动VPS浏览器后，参与者被提示使用注册时收到的用户名和密码登录。这使得系统可以识别它们。成功登入后，VPS针芯检查指引[46显示。

在声明他们阅读了指南之后，用户可以浏览可供检查的幻灯片，并从幻灯片库中选择一张。幻灯片库显示了每张幻灯片的缩略图，并指出了患者的年龄和性别，以及简短的病例描述。

在选择要检查的幻灯片后，参与者将看到VPS用户界面。在检查幻灯片时，如果需要，参与者可以使用提供的文本区域注释视图字段。在完成幻灯片检查后，参与者提交了一份在线报告，提供了病例的诊断分类，使用了非手术诊断程序和乳腺癌筛查报告的核心活检报告指南的改编[47]，由英国国家乳腺筛查病理学协调委员会使用。用户被要求将幻灯片分类为以下类别之一:

B1:只有不合格/正常的组织。

B2:良性的。

B3:良性，但不确定恶性潜能。

怀疑恶性肿瘤。

B5:恶性。

对于分类为B5的幻灯片，参与者需要将他们的决定细分为恶性，原位或侵入性。在进行分类后，参与者返回到幻灯片库，从中选择另一张幻灯片进行检查。

利用这些数据可以确定以下情况:

• 用户的一致性百分比，计算为用户的诊断与共识VPS诊断一致的幻灯片数量(以百分比表示)。
• 幻灯片的一致性百分比，计算为同意幻灯片正确诊断的用户的百分比。
• 科恩的卡帕[48-49]，是一种衡量观察者之间是否一致的标准，考虑到可能偶然发生的一致。Kappa值范围从0到1，分数大于0.7表示“基本一致”。

完成10张幻灯片检查的参与者随后被要求完成一份在线问卷，描述他们使用VPS的体验。参与者被要求对使用VPS的诊断信心、不确定性的原因、图像质量的评估和感知的下载速度进行主观评估。

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结果

用户性能(VPS

表1显示原始玻片诊断与VPS用户提供的最常见诊断之间有很强的诊断一致性，10张玻片中有9张达到一致。玻片8诊断不一致1级(玻片诊断为B3级;最常见的VPS诊断为B4)。幻灯片8的诊断分类在参与者之间的一致性最低，为38.5%。幻灯片8第二受欢迎的选择分为B3和B2, 6名参与者(35.3%的用户)将其归类为B4, 4名参与者(23.5%的用户)将其归类为B3, 4名参与者(23.5%的用户)将其归类为B2。Kappa得分最高的参与者(占用户的23.5%)将幻灯片8归类为B4。

对参与者所作的诊断分类的更详细的分析描述在表2．参与者对所有病例的平均一致性百分比为66.5%。在17名参与者中，14名达到了90%至60%的百分比一致性。

参与者的平均Kappa值为0.76。参与者36和6的Kappa分别为0.26和0.23，表示“公平同意”[31-32]，而其余15名参与者的Kappa在0.97到0.65之间。

幻灯片的平均一致性百分比为66.5%，其中幻灯片8的一致性最小为35.3%，幻灯片6的一致性最大为100%。幻灯片5的一致性百分比为47%。对于所有剩下的幻灯片，参与者之间的一致性超过50%。

每个参与者检查的视野平均数量是每张幻灯片23个。Kappa得分最高的第5号参与者检查了321个视图，而Kappa得分最低的第6号参与者检查了418个视图。

6号参与者在检查幻灯片10时，对特定幻灯片检查的视野数量最多是118个。这张幻灯片的参与者之间的一致性百分比为52.9%。在检查幻灯片时，被检查的最少次数是3次;这是参与者10，他的Kappa得分为0.91，并同意小组对幻灯片2的共识。幻灯片2的诊断在参与者中有94%的一致性百分比。

参与者检查一张幻灯片的平均时间为6分11秒。36号参与者检查幻灯片所用的最长时间为12分49秒，检查幻灯片7时的平均带宽为每秒20千比特。参与者1在检查幻灯片2时记录的最短检查时间为43秒，平均带宽为64千比特/秒。

用户对VPS的感知

参与者被要求评估他们自己的计算机能力和他们使用心灵病理学系统的频率。参与者将自己描述为“高级”(18.75%)、“胜任”(18.75%)或“足够胜任”(62.5%)，而44%的参与者表示他们在研究之前从未使用过心灵病理学系统。

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图368.75%的参与者认为VPS“容易”(62.5%)使用或“非常容易”使用(6.25%)。参与者被要求对他们使用VPS做出诊断决定的信心程度进行评级。

图4表明80.25%的参与者表示对使用VPS有信心，56.25%的人表示他们“相当有信心”，而18.75%的人表示“有信心”，6.25%的人对做出诊断“非常有信心”。

图5说明87.5%的参与者对图像质量表示满意，其中43.75%表示质量“足够”，25%表示“良好”，18.75%的参与者表示图像质量“优秀”。

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讨论

VPS系统是动态心灵病理学的现实替代方案，就其模仿传统显微镜的能力而言，它可以通过互联网访问，并且操作简单。在17名参与者中，15名达到了0.97至0.65之间的Kappa, 14名达到了90%至60%之间的百分比一致性。这表明用户在使用VPS时达成了“实质性”协议[31-32]。对Kappa的计算进行加权，以反映参与者的诊断决策从最受欢迎的选择的变化程度。例如，参与者18在10张幻灯片中有4张与其他参与者意见一致，但Kappa却达到了0.86的高水平。这是因为在其他6张幻灯片中，参与者18与流行的选择相差1度。参与者36与参与者18的一致性百分比相同，但Kappa仅为0.26。这是因为参与者36选择的诊断类别比参与者18选择的诊断类别偏离大众选择的程度更大[48-49]。

参与者36和参与者6的Kappa得分最低，分别为0.26和0.23。这大大降低了总体平均Kappa值。参与者36对使用VPS的信心被描述为“合理自信”，他有3年的病理经验，在检查整套载玻片时检查了201个视野。进一步分析所查看的图像是必要的，以阐明参与者36做出诊断决定的原因;然而，缺乏乳腺病理经验加上对切片检查不充分可能导致表现不佳。参与者6对使用VPS进行诊断分类“有信心”，并将VPS的使用描述为“容易”，并将远程病理学的使用描述为“不经常”。然而，参与者6将一些诊断的不确定性归因于“在没有看到整个幻灯片的情况下评估小的细微病变的重要性的问题。”参与者6检查了418个视野，是所有参与者中检查的最多的。

整套幻灯片的平均一致性百分比为66.5%。在幻灯片6中，参与者之间达成了完全一致，这表明使用VPS可以实现完全一致。

参与者在检查整套幻灯片时检查的平均观看次数为230次。特定幻灯片的一致性百分比随着该幻灯片检查的平均字段数的增加而降低。例如，幻灯片6(参与者之间100%的一致性)的平均检查字段数为14.3，而幻灯片10(参与者之间52.9%的一致性)的平均检查字段数为34.8。相反，Kappa分数高的参与者比Kappa分数低的参与者倾向于观察更多的视野，这表明病理学家观察的组织越多，他们就越有可能做出正确的诊断。

幻灯片8的一致性水平最低，为35.3%。这使得这组幻灯片的平均一致性百分比降低了3.46%。表2显示参与者对幻灯片8的诊断分类有广泛的分布。如图所示表1，对于幻灯片8，考虑到案例的明显复杂性，参与者检查的视野数量很低(299)。很明显，使用者很快得出的结论通常与最初的玻片诊断不一致。需要进一步研究这张幻灯片上的检查痕迹，以评估诊断性传播的原因。

3年或更少经验的参与者没有宽带互联网连接，记录的带宽速度低于每秒15千比特。这些参与者在易用性、图像质量和诊断信心方面对VPS表示最不满意。所有3名参与者都表示他们“没有信心”，他们将使用VPS的困难归因于下载速度差，他们的评论包括“下载速度差非常慢，使观看体验脱节，基本上不可行。”在这3个参与者中，2个参与者的工作带宽分别为12.6千比特/秒和31.5千比特/秒。无法确定第三个的带宽，但是第三个确实给出了诸如“下载图像时间太长”和“问题在我这边，连接速度慢”之类的评论。许多病理学家仍然无法使用高速宽带互联网连接。由于从互联网下载大型图像文件需要时间，这是限制人们接受网络驱动的精神病理学的主要因素[2，4，39]。为了克服这个问题，我们为选定的参与者开发和部署了一个光盘VPS系统。这有助于从CD中快速检索图像，同时有关检查的数据被传输并存储在VPS web服务器上。

参与者被要求对他们希望实施的VPS改进发表评论。一些与会者暗示，他们希望有更多的放大幅度。例如，“幻灯片中的导航是脱节的，很难在从一个领域移动到另一个领域时保持视角。放大倍率的范围太有限，特别是在中等放大倍率范围内。

互联网上有越来越多的交互式病理网站[7-19]。它们在操作原理上的多样性、在精神病理学中的应用以及它们的复杂程度预示着精神病理学的一个令人鼓舞的未来。VPS对精神病理学领域的贡献是值得注意的，因为它记录了病理学家切片检查的诊断途径。我们现在有17名病理学家检查了10个病例的诊断痕迹。我们打算利用这些数据来阐明病理学家在使用显微镜进行诊断时的认知和决策过程。这将为观察者之间的可变性和显微诊断的主观过程提供有价值的见解。