互动科普

20世纪90年代末，德克·G·森克森（Dirk G. Soenksen）对病理学的未来有了一个新设想。当时，病理学家为了在使用显微镜时获得良好的视野，不得不将厚厚的电话簿塞在屁股下面，把身体垫高，而森克森的孩子们玩的任天堂掌上游戏机上却有一块高分辨率屏幕。森克森开始思索：“为什么不把显示屏和显微镜结合起来呢？”

这个问题让森克森走上了一条漫漫长路。他最初在自己的车库中进行研究，经过一年半的辛勤工作后，他建立了一家名为Aperio的数字病理仪器公司，如今这家公司总部设在美国加利福尼亚州的维斯塔。森克森开发的技术，以及其他一些新兴公司甚至成熟医疗公司的技术，并不仅仅是将组织病变图像从显微镜镜头里搬到屏幕上，而是让涉及切片检查的病理解剖学变得更加定量。这项改进应该能够提高疾病诊断的精确度，帮助医生了解所用治疗方案的效果，并针对结果迅速作出改变。

在日常工作中，许多病理学家少不了与电脑打交道，即便仅仅是用于记录病人的档案。在他们的办公桌上，除了摆放着显示器，还堆满了各种各样的记事本和文件资料。只有研究领域的病理学家，才可能将组织样品转换成数字文件，进行检查和储存。如今美国的病理学家一般都无法制作或获得数字化组织切片，因为美国食品及药物管理局（Food and Drug Administration，FDA）仅对少数几类与乳腺癌有关的医学应用给予了这方面的授权。

美国每年需要处理的组织切片不计其数，采用的还是100多年前的老方法。首先，组织样品被切成与纸片厚度相同的薄片，继而经过染色突出其结构特点。然后，病理学家将装有组织切片的载玻片放置在显微镜物镜下进行观察。在检查乳腺癌样品时，病理学家会在样品中寻找一系列特征，包括切片中异常细胞的数量和肿瘤大小等级（后者取决于细胞结构之类的特征）。“现阶段这些工作都靠人眼通过显微镜一点一点辨认而完成，” 乔治·K·米哈洛浦洛斯（George K. Michalopoulos）说，他是美国匹兹堡大学病理学系主任。

事实上，通过显微镜，病理学家根本无法检查每一个切片上的每一个细节。但是如果借助计算机对所有切片进行数字化处理，就能够对每个切片上的每一个像素点进行彻底检查，从而获取细胞的所有特征，包括内部结构、颜色、纹理及每个细胞中每个像素的浓度，由此定量判断它们是健康的细胞还是病变的细胞。仅借助显微镜的话，病理学家只能在几个细胞的范围内寻找这些的特征。

全面采用计算机处理，并不会让病理学家“下岗”。相反，数字化切片技术能让更多的病理学家参与到医疗方案的制定和修改之中，以避免产生医疗事故。米哈洛浦洛斯说，和其他人一起商量改进医疗方案是“病理学中的一个日常任务”。可是现在，“要运送一片载玻片，就算采用最快捷的邮寄方式，一般也需要两三天”。若采用数字化处理方式，就完全不会有这种问题。通过网络，医生能够迅速与其他人分享组织切片图像，或者将它们张贴在一个安全的网站上，与世界各地的病理学家一起探讨。如果数据分享能更加轻松和便捷，病理学家间的交流会比如今更加频繁。正如米哈洛浦洛斯所说：“专家经常会有意见分歧，而解决争论最好的方法就是会诊。因此共享切片数据很有必要。”

定量分析和适于会诊的快速图像分享——这两大优点结合在一起，构成了我们病理学样品数字化的最主要原因。然而要做到这一点，必须先解决一系列技术和制度上的挑战。Aperio和其他一些数字技术公司正着手应对这些挑战。

为样品创建一幅高清晰度的数字图像是数字化遇到的一个关键障碍，这可比想象中的要困难。在20世纪90年代初，一些病理学家已经开始对组织切片进行数字化尝试。他们采用的方法也很简单，就是将数码相机镜头贴在显微镜的目镜上方，然后按下快门。这种方法无法提供足够的分辨率。

当今的数字病理学，第一步仍是将样品制成切片。但接下来的步骤，是把切片装入一个扫描仪中。扫描仪内部的一组显微镜物镜（基本作用就相当于放大镜）在切片上方来回扫描，然后用图像采集器件[比如电荷耦合器件（charge-coupled device，CCD）]来捕获图像。扫描速度是数字病理学器件的主要参数之一。一个典型的切片为正方形，边长约15毫米，大小相当于一张小邮票。Aperio公司的扫描仪可以在两分钟内完成扫描，生成的图像中每个像素代表的实际大小约为0.5微米。

这些数字，向我们揭示了一个基本的挑战。为达到研究所需的清晰度，将这样一个切片数字化后得到的图像就要包括约9亿个像素。做个比较，一张普通的照片（尺寸为4英寸×5英寸，以每英寸300点的清晰度扫描）仅包含约180万个像素点。换句话说，数字化的病理学切片所用的像素是普通照片的500倍。为了更快速地将切片样品数字化，需要用到更快的电子器件，以便在收集和处理两个方面提高速度。一些扫描仪将载玻片以方块的形式扫描为图像，然后利用软件拼接。Aperio公司的产品和其他一些设备则像传真机一样，以横条的方式扫描，并实时创建图像。

无论扫描仪有多快，速度总是无法满足人们的需要。匹兹堡大学医学中心的皮肤病理学家琼汉·霍（Jonhan Ho）说：“我们一年大约制备150万片载玻片样品，这还不包括一些需要特别染色的载玻片。”若按每片两分钟的处理速度计算，即使扫描器一刻不停地工作，仅仅扫描这个医疗中心的载玻片样品，也需要大约300万分钟，即5年多的时间。

到底好不好

另一个逐渐显现的问题是，当病理学家通过Aperio或者其他公司的产品观察显示屏上的数字化图像时，是否能像直接通过显微镜观察一样，准确地识别样品组织的异常情况。在2006年《人体病理学》（Human Pathology）刊登的一篇文章中，匹兹堡医学中心的德拉然·M·尤科奇（Drazen M. Jukic）和他的同事对传统技术和数字病理学进行对比研究。在大多数情况下，这些病理学家发现，在诊断疾病时，数字化图片与传统手段带来的帮助几乎不相上下。

既然数字病理学的表现同传统方法相比仅仅是“不相上下”，我们为什么还要采用这项新技术呢？便于分享信息就是一个重要的原因。奥林巴斯公司的Net Image Server （网络图像服务器软件）与OlyVIA图像浏览软件配合使用，访问那些图像就会像访问一个普通网页那么简单。分享数字化切片时，用不着真的把图像发过去，因为每张数字化切片的图片文件大小都达到GB级，一张图片文件就能填满约3张光盘（每张光盘容量约700MB），只要用软件在网站或者服务器上建一个图片库就行了。

病理学家在浏览图像时，点击大图上的一小部分，奥林巴斯的软件就会下载该部分的图像数据，并将这部分放大到全屏显示。这就跟在Google Earth上查询一个地址类似，屏幕上只显示一部分卫星图像，通过鼠标的点击和拖曳，就能够将其余部分显示出来。如果一名病理学家只将一个大文件中的部分文件上传，其他人就能通过数字用户线（Digital Subscriber Line，DSL）或者有线通等宽带接入因特网浏览这些数字化的组织图片。

尽管这种技术能够让分享和讨论变得更容易，但仅仅如此的话，并不会为医学带来新的发展。不过，计算机图像分析能为医学带来更根本的变革。Aperio和其他公司正致力于开发和改进相关分析软件。

在某些特定领域，比如检查乳腺癌的切片图像时，病理学家已经进入数字化时代。大约1/4的乳腺癌患者，体内有一种蛋白质的含量显著超标，这种蛋白质被称为人表皮生长因子受体2（human epidermal growth factor Receptor 2，HER2）。通过将乳腺组织染色，就能够分辨出这种蛋白质。

对于传统的病理学家，接下来要做的就是仔细观察这些切片，记录被染色的细胞的数量和浓度。仅仅依靠眼睛估计染色范围 （测量浓度），带有很大的主观性，不同病理学家的结果会有很大差别。而将数字化方法同相应的软件结合，就能够确定每个像素点的强度，让分析结果变得更加一致和可靠。

到目前为止，仅有Aperio公司和美国加利福尼亚州森尼维尔的BioImagene公司通过了FDA的批准，能够用数字处理方法标定HER2的浓度。许多数字病理学公司的领导人则希望FDA能够批准更多公司参与其中，这样对该技术的发展也大有裨益。美国匹兹堡地区一家名为Omnyx的数字病理学公司主席吉恩·卡特赖特（Gene Cartwright）说：“在不远的将来，计算机也许能够为我们展示那些肉眼无法看到的世界。”卡特赖特举了一个例子：“假如一片载玻片上有5个染色区域，而你想用肉眼判定它们染色的强度，那还是算了吧，你根本无法依靠肉眼完成这个任务。但是通过计算机的帮助，你能够轻松实现目标。”

未来的方向

尽管有几家公司提供的软件很适合在医院使用，但这还不足以吸引病理学家使用这样的设备。为了加快它的普及速度，仪器开发者专注于为病理学家创造一个“操作平台”。这个平台可以将外科手术中刚刚切下的样品制作成数字化切片，再与患者的病历和其他各类测试结果汇总在一起，显示在同一个屏幕上。

“达到这个标准还需要几年的时间，”森克森说，“我们需要把数字切片信息与医院的实验室信息系统、放射学系统以及其他系统整合起来。所有系统的接口都要能够共享。然而，这些接口都是在不同时期建成的，标准并不统一。”

尽管存在种种挑战，数字病理学还是在逐步进入医院。一开始，它仅用于一些特定领域，比如检查乳腺癌的特征标志。“医院在开始阶段会用数字病理学系统处理大约20%的切片，随着时间推移，这个数字会继续增长，”卡特赖特说，“很少有人能够迅速抛弃传统，投入新技术的怀抱。”

对新技术的排斥总是会持续很长时间。“病理学家在与显微镜为伴时，会有一种归属感，”霍解释说，“因为它同手术刀、听诊器一样，是医生的工具，是我们手指的延伸。因此抛开显微镜肯定会遭遇抵制。”

尽管如此，数字病理学处理方法依然会沿着自己的路线，一点一点渗透到临床病理学，并延伸到法医鉴证领域。有了它的帮助，医生能更细致地观察、更及时地交流，从而更客观地诊断病情，更有效地检验疗效。