Digitale Pathologie: Vom Objektträger zur virtuellen Mikroskopie

Die Digitalisierung der Medizin schreitet voran. Von der Entwicklung profitieren Forscher, Ärzte und Patienten gleichermaßen – durch eine bessere Diagnostik mit hochempfindlichen Geräten können Befunde heute umfassend bewertet und Therapieentscheidungen auf breiter Grundlage getroffen werden. Auch für die Pathologie bietet die Digitalisierung interessante Einsatzmöglichkeiten.

02/02/2015

 
Foto: Mann am Mikroskop ©panthermedia.net/ luchschen

Die virtuelle Mikroskopie erleichtert den Arbeitsablauf eines Pathologen immens. Sie setzt voraus, dass die histologischen Präparate digital vorliegen, also mit einem Scanner eingescannt wurden; © panthermedia.net/luchschen

Unter dem Begriff „digitale Pathologie“ versteht man den zunehmenden Einsatz informationstechnischer Systeme in der Pathologie. Der Wechsel von der histopathologischen Diagnostik mit einem analogen Mikroskop zur Diagnostik am Computer stellt einen wesentlichen Teil des Wandels dar. Im weitesten Sinn umfasst der Begriff auch die Einführung digitaler Verfahren zur Verarbeitung, Auswertung und Archivierung von Schnittpräparaten.

„Gewebeschnitte werden im Computer digitalisiert. Das heißt, dass sie hochauflösend eingescannt werden, sodass ein zum konventionell mikroskopischen analoges Bild entsteht. Die maximale Auflösung entspricht daher in etwa der des sichtbaren Lichts“, erläutert PD. Dr. Gian Kayser, leitender Oberarzt am Institut für Klinische Pathologie des Universitätsklinikums Freiburg.

Automatisierte Erfassung und Herausforderung Speicherplatz

Liegt ein Gewebeschnitt vor, wird er in einen sogenannten Präparatscanner eingelegt und vermessen. Das Gerät erkennt gewisse Fokuspunkte im Gewebe und nimmt diese Bild für Bild auf. Dabei gibt es zwei verschiedene Methoden: Die Technik des Linearscanners stammt aus der Weltraumtechnik. Er funktioniert ähnlich wie bei der Aufnahme von Satellitenbildern, bei denen die digitalen Aufnahmen linear aneinandergereiht werden. Die Sensoren bestehen hier aus wenigen aneinander gereihten Zeilen. Des Weiteren gibt es Scanner, die einen rechteckigen Chip besitzen, den man vom Aufbau her aus handelsüblichen Fotokameras kennt. Die Technik funktioniert ähnlich wie bei der Panoramafunktion von Handys oder Fotokameras: In einem bestimmten Abstand zueinander werden Bilder aufgenommen, die sich überlappen und dann zu einem großen Gesamtbild verschmolzen werden.
Foto: Serverraum © panthermedia.net/scanrail

Die digitale Datenspeicherung erlaubt den Zugriff auf alle gewünschten Scans oder Patientenberichte. Ein Vergleich von Scans mit Archivbildern ist jederzeit möglich, allerdings benötigen die Bilder momentan noch sehr viel Speichervolumen; © panthermedia.net/scanrail

„Ein Schnitt mit Maßen von ungefähr 1x1 cm erzeugt unkomprimiert ca. 6 Gigabyte Datenvolumen. Zwar kann man die Datenmenge komprimieren auf 0,5-1,5 GB, allerdings muss diese auch verwaltet werden“, so Kayser. Um den Datenfluss optimieren zu können, werden die Schnitte in einem sogenannten pyramidalen Format abgelegt. Bei diesem wird dann bei Betrachtung nicht der gesamte Schnitt auf einmal geladen, sondern nur die Bildausschnitte beziehungsweise die Kacheln, die der Pathologe betrachten will. Damit wird gewährleistet, dass das zu übertragende Datenvolumen möglichst gering ist und die üblichen Bandbreiten der vorhandenen Netzwerkinfrastrukturen für die digitale Pathologie überwiegend ausreichend sind. Dieses Prinzip eines pyramidalen Bildformats nutzt beispielsweise auch Google Earth.

Die Datenspeicherung ist neben der Automatisierung der Schnitterfassung ein weiteres Teilgebiet der digitalen Pathologie. Mit der weiterentwickelten Computertechnik ist es zwar möglich, große Datenmengen aufzunehmen und zu verarbeiten, allerdings müssen die Schnitte auch verfügbar gemacht und archiviert werden. Kayser erläutert weiter: „Ein mittelgroßes Institut produziert in etwa 300 bis 700 Schnittpräparate pro Tag, also ungefähr 300 bis 1000 GB Datenvolumen täglich. Für die analogen Schnittpräparate besteht eine gesetzliche Aufbewahrungspflicht von 10 bis 30 Jahren. Diese wird wahrscheinlich gleichwertig auf die digitalen Schnitte übertragen werden. Rechnet man nun den Speicherbedarf auf 300 Arbeitstage im Jahr hoch, ist man schnell im Petabyte-Bereich, der für die Archivierung der Bilddaten vorgehalten werden muss. Das entspricht einer Milliarde GB. Diese Archive erfordern zusätzlich entsprechende Serverkapazitäten, die adäquate Datenbandbreiten benötigen und mit einem (derzeit noch) sehr hohen Investitionsvolumen einhergehen. Hinzu kommen ferner laufende Kosten für IT-Support und die Datensicherung.“ Für kleine pathologische Institute und Einrichtungen sei dies derzeit ein wesentlicher Grund, nicht auf die digitale Pathologie umzusteigen.

Ökonomisierung des Arbeitsablaufes

Dabei liegen die Vorteile der digitalen Pathologie auf der Hand: Vergleichsbefunde lassen sich schnell, zuverlässig und ohne zusätzlichen Personalaufwand erheben, da die Pathologen auf ein digitales Archiv zurückgreifen. Schnittpräparate müssen nicht mehr händisch am Mikroskop gewechselt werden. Zu vergleichende Positionen lassen sich dadurch innerhalb eines Präparats leichter wieder finden und mehrere Präparate sich gleichzeitig parallel mikroskopieren. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn nur wenige diagnostisch relevante Zellen oder Zellgruppen im erfassten Gewebevorhanden sind.

Nicht nur der Digitalisierungsprozess mit der Betrachtungssoftware gehört zu den Vorteilen der digitalen Pathologie. Sie bietet vielmehr auch ein großes Potenzial für den nationalen und internationalen Austausch mit Experten. Über Telepathologie-Konsultationen und Telekonferenzschaltungen können sich Experten über digitalisierte histologische Präparate in Echtzeit austauschen und Zweitmeinungen einholen. Dies fördert zum einen die Qualifikation der „lokalen“ Pathologen, zum anderen dient es der Optimierung der Patientenversorgung durch eine schnellere Verfügbarkeit spezialisierter Expertise.

Die Arbeit innerhalb der Pathologie wird durch die Einbindung der virtuellen Mikroskopie zusätzlich für das gesamte Labor erheblich erleichtert: „Wir Pathologen können durch eine intelligente Integration der digitalen Pathologie in das Qualitätssicherungssystem, das Qualitätsmanagementsystem und das Fehlerbearbeitungssystem Ressourcen sparen und zeitlich ökonomischer arbeiten“, ergänzt Kayser.
Foto: histopathologischer Aufnahme einer Schilddrüse

Die Präparatscanner scannen und digitalisieren vollautomatisch gefärbte Gewebeschnitte. Es können mehrere Ebenen erfasst werden, sodass die räumliche Dimension des Gewebes begutachtet werden kann. Hier: eine Schilddrüse; © panthermedia.net/Norbert Dr. Lange

Die Kommission "Digitale Pathologie", die vom Berufsverband der Deutschen Pathologen e. V. initiiert wurde, setzt sich dafür ein, dass die Potenziale der digitalen Methodik für die Pathologen nutzbar gemacht werden.

Auch Kayser ist eines der Mitglieder, die sich für den Ausbau dieses Fachgebietes einsetzen. Seine eigene Vision der digitalen Pathologie betrifft insbesondere die Weiterentwicklung potentieller Anwendungsgebiete innerhalb der morphometrischen digitalen Pathologie:

Ein Prescreening könnte zukünftig die Arbeit des Pathologen unterstützen. Das bedeutet, dass ein Gewebeschnitt zunächst automatisch analysiert wird und diagnostisch relevante Areale vom Computer markiert werden. Der Pathologe kann sich dann gezielt mit der Diagnose befassen. Durch diese derzeit lediglich in der Wissenschaft erprobten Algorithmen wird dem diagnostisch tätigen Pathologen mehr Zeit für komplexe Fälle mit seltenen Diagnosen ermöglicht.

"In Zukunft wird es sicherlich möglich sein, ein automatisiertes Prescreening zu nutzen. In einer Weiterentwicklung der Algorithmen kann eine automatisierte Diagnostik entwickelt werden, mit der dann durch Einbindung von Datenbanken und neuronalen Netzwerken die möglichen Differenzialdiagnosen dem Pathologen mit der entsprechenden Wahrscheinlichkeit vorgeschlagen werden." Die diagnostische Verantwortung wird jedoch immer beim Pathologen verbleiben, er hat dann allerdings zusätzlich die Möglichkeit, seine gestellte Diagnose im Sinne der Qualitätssicherung über die Angaben der automatisierten Diagnostik zu ergänzen und absichern zu lassen.

Allerdings wird es noch einige Zeit dauern, bis die digitale Pathologie sich auch im klinischen Alltag, vor allem in der Diagnostik, etabliert. Momentan nutzen im Wesentlichen universitäre und wissenschaftliche Institute digitale Präparatscanner und Archivierungssysteme vor allem in der Lehre. Zudem leidet die Pathologie unter einem großen Nachwuchsproblem. Gleichzeitig steigen aber die Anforderungen an die Diagnostik, sodass sich Pathologen mit immer mehr Aufgaben auch aus dem nicht-ärztlichen Bereich konfrontiert sehen. Hier kann die digitale Pathologie einen Beitrag leisten, die Pathologen zu entlasten.

Kayser gibt sich optimistisch: "Die Technik wird in absehbarer Zeit sicherlich günstiger und qualitativ hochwertiger werden. In einem Zeitraum von etwa fünf bis zehn Jahren werden wir mehr und mehr Pathologien sehen, die vollständig digital arbeiten."

Foto: Melanie Günther; Copyright: B. Frommann

© B. Frommann

Melanie Günther
MEDICA.de