数字病理时代的病理学学习与临床实践

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 数字病理时代的病理学学习与临床 实践 摘要 信息技术的迅猛发展，给 许多学科与研究领域带来了巨大变化， 将信息技术与不同专业结合是发展的趋 势。病理学也已经从传统意义上的学科 进入数字病理学时代。数字病理W 给 临床、教学及科研工作均带来不同程度 地改变，特别是对病理学的学习方法与 教学模式的影响很大。本文就虚拟切片 与病理学教学模式、3D 打印及虚拟现 实（VR）技术在病理解剖学中的应用 以及人工智能与组织病理学自动诊断这 三个方面的发展状况进行总结与阐述， 分析现代信息技术在病理学各个方面的 应用前景。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 中国论文网 /6/view-12954873.htm 关键词 虚拟切片； 3D 打印技 术；虚拟现实技术；人工智能；自动诊 断 中图分类号 G643 文献标识码 A 文章编号 1673-7210（2017） 10（a）-0144-04 Abstract The information technology has been developed rapidly， that led a huge transformation to many disciplines and research field. It is tend to combine information technology with different specialties. Traditional pathology is getting into digital time. Digital pathology brings so many differences in surgical pathology， teaching and scientific research， especially for the approaches of learning and teaching. This article discusses three contents in this review： digital virtual （slides） with pathology curriculum， three- dimensional print， virtual reality -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 applying in anatomy and artificial intelligence in histology-from image analysis to automatic diagnosis. The prospect of application modern information technology to pathology would be analyzed. Key words Virtual slides； Three-dimension print； Virtual reality； Artificial intelligence； Automatic diagnosis 显微镜将不再是病理医生的工具， 病理医生及影像科医生将被机器取代？ 危言耸听？现代信息技术，特别是其在 生物医学领域的广泛应用，使上述一切 皆有可能。传统的医学模式正在发生着 极大地改变，从虚拟切片到病理学教学 模式的改变，从三维（three- dimensional， 3D）打印到虚拟现实技术 （virtual reality，VR）在外科学、解剖 学等专业的应用，远程会诊的大规模使 用，人工智能（artificial intelligence，AI ）与组织病理学自动诊 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 断，更是充分体现了数字病理的优越性。 这些先进的科学技术也在改变人们的思 维与学习模式，学习方法需要与时俱进， 才能适应现代医学包括数字病理学的发 展。 1 虚拟切片与病理学学习模式的 转变 1.1 虚拟切片与病理学教学方式 虚拟切片即数字切片、数字化图 像，使病理科医生可以像影像科医生一 样看图像进行诊断，其在数字病理的发 展中起到了至关重要的作用。数字病理 切片具有将组织切片转化为高分辨率的 数字化图像，并存储于多分辨率的文件 格式中，通过浏览器阅读。最早将计算 机引入教学的是 Cotter1，2001 年，他 将组织学的传统教学模式标本示教 与阅读切片与计算机辅助教学相结合。 同年，Harris 等2将虚拟切片引入组织 学教学，其优势是学生们可以学习组织 病理学的关键技能，如在计算机网络支 持环境下从整个切片中判断与诊断相关 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 的图像区域，通过 x 轴及 y 轴两个方向 实时阅片，其操作过程非常类似显微镜 阅片。图像可无限放大，并可以按照顺 序进行观察，当观察到某一个位置时， 剩余的未读区域可以很快呈现于屏幕， 这可以使观察者看到整个数字切片的图 像而不会象显微镜阅片中局限于某个感 兴趣的区域，而可能导致漏诊。学生们 不用挤在一个实验室里看切片，培训可 以是远程的。特别是随着人机交互技术 的发展，学生们可以通过触摸屏及 iPad 等更自然的方式进行图像阅读3，并可 以在需要注意的地方进行标记。学生们 对于数字切片有更高的学习热情4。对 于教师而言，可以省去大量寻找典型病 例的标本及切片的时间，而可以更好与 学生交流，培训学生良好的诊断技能。 对校方而言，可以以更经济的投入培养 更多的学生。 1.2 虚拟切片与病理学教学改革 随着数字化病理图像的发展，其 在大学教育中教学课程的设置及改革中 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 也扮演着重要角色。早在 2006 年，新 南威尔士大学的医学课程中就出现了将 组织学与胚胎学与病理组织学联合授课 的新模式5。此课程设置的基础就是数 字切片的应用，可以让低年级及高年级 的学生一起参与学习，其优势是数字切 片的运用可以使学生在认识正常组织学 切片的基础上对比疾病中异常的该组织 结构，高年级的学生能与临床特征相结 合，从而极大激发起学生的学习兴趣， 调动其课堂参与性，且组织胚胎学教师 与病理组织学教师同时参加授课，解答 学生们的问题。教师们可在 2 个小时的 授课时间讲授 58 张数字切片，并能 让学生广泛自由讨论。在新课程授毕结 束后进行了问卷调查，其内容涉及学习 的有效性、图像质量、实用性、激发讨 论、趣味性、整合授课是否有益。调查 结果显示，组织学与病理学整合授课特 别能激发学生的学习兴趣，这是最重要 的收获，授课质量及效果均显示非常好。 同时，这一教学方法的改进也促进了组 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 织解剖学与病理学两个专业教师的沟通 与合作。而这种教学模式甚至可以推广 到医学生的继续教育中。此后，已经又 有一些医学院校也因虚拟切片的出现整 合了组织学与病理组织学的教学6。一 直认为，国内某些医学院校的病理课程 设置时间上存在脱节，学生在高年级接 受临床病理学授课时既对低年级时所学 的组织学及基础病理学的知识淡忘了， 又没有对临床专业知识的清楚认识，教 师的传统授课方法很难激发学生的学习 兴趣，引起共鸣，因而教学效果不尽人 意。因此，希望高等院校的授课也能随 着现代信息技术的发展而发展，学习模 式进行转化，以使教育成果最大化。 1.3 虚拟切片与病理医师继续教育 不仅在校学生可以从数字切片中 获益，在住院医师等的病理医师继续教 育中数字切片也起到了重要作用。目前 一些医疗机构存储了丰富的不同系统及 疾病的数字化病理图像，运用网络资源 进行远程会诊在线阅片与培训，不仅可 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 以整合专家资源进行会诊，重要的是通 过远程会诊可以使得经济欠发达地区的 病理诊断得到有效的质控7，特别是远 程培训，病理医师可以随时随地进行专 业培训与知识更新，并且可以统一不同 国家及地区的培训标准，提高病理诊断 的标准化及规范化8。 通过数字化病理图像技术，还可 为病理医师的定期考核进行实践中的技 术再认证提供帮助。对医师新技能及已 有诊断能力的定期评价是保证病理医师 队伍专业水平的要求，不同国家对其评 价考核均有要求，而数字病理技术为病 理医师的继续学习及考核提供了方便、 价廉物美的平台。 2 3D 打印及 VR 技术在解剖学教 学中及在心血管疾病的临床实践中的应 用 2.1 3D 打印及 VR 技术与解剖学 教学 人体解剖学及病理解剖学在医学 教育中有重要的意义，它不仅仅是外科 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 医生的实践基础，也是目前从事介入治 疗等内科医生进行临床干预的重要保证。 如何能将复杂的人体器官结构认识清楚 是解剖学学习的重点。传统的解剖学教 学从挂图、大体标本及尸体解剖标本入 手，虽然有着直观的效果，但存在以下 发展的局限：教师的课程准备时间长， 需要寻找典型的病例；获得有价值的 尸体标本愈来愈不易，来源减少；某 些标本经过解剖之后，其结构不能完整 重现，因而无法进行多次重复的演示， 如先天性心脏畸形的标本；某些病变 结构复杂，不易多人同时观察及接受讲 解，而影响教学效果；一些发育畸形 的病理解剖结构需要动态观察其发生演 化过程，传统地教学模式很难呈现这一 过程，如器官的胚胎发育过程等，只有 认识某一器官的胚胎发育过程，才能很 好地理解某些先天性畸形的衍变，掌握 其病理解剖特点。随着影像学及计算机 技术的发展上述问题正在迎刃而解。 20 世纪 60 年代，Asmund -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 Laerdal 最早将模拟仿真学应用到医学领 域，他制作了训练“ 口对口 ”复苏操作的 塑胶模具，其也被称为“ 复苏安妮 ”9。 20 世纪 90 年代，在一些医学院的教学 中开始运用仿真模型进行教学10。尽 管 3D 成像技术发展很快，但它的基础 仍然是以平面形式展现的二维结构。所 谓 3D 打印技术也称为快速成型、立体 平板印刷或加层制造，最早在口腔、颌 面外科及正畸科等修复手术中应用11。 目前应用主要在以下几个方面：外科 领域的指南，如术前术式的选择；移 植物定制；修复模型；解剖模型 12。而 VR 技术是指采用计算机技术 为核心的现代高科技手段生成的一种虚 拟环境，使用户借助特殊的输入或输出 设备，与虚拟世界中的物体进行自然交 互，从而通过视觉、听觉和触觉等获得 与真实世界相同的感受。VR 技术属于 跨学科的综合集成技术。虚拟人体结构 也称为数字化虚拟人体，它是采用虚拟 仿真软件制作出来的人体生理结构的三 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 维立体数字模型。学生可以对虚拟的实 验标本进行解剖和观察，获取各组织及 器官的名称、形状、位置、结构、内部 血管和神经的分布状况及与相邻组织和 器官的位置关系等信息，实现交互化情 景学习，更能激发学生学习的兴趣，提 高认知水平13-14 。 2.2 3D 打印及 VR 技术与心血管 疾病的临床实践与病理解剖 首都医科大学附属北京安贞医院 是国家心血管疾病中心，因此本文特别 关注了 3D 打印及 VR 技术在心血管疾 病及病理解剖中的应用。因心血管系统 解剖位置复杂，且受血流的影响，在 2D 显像水平很难清晰反映心血管系统 的功能结构及位置关系，因此将 3D 成 像及打印技术、VR 技术引入心血管疾 病的诊疗与教学就非常有意义。 Meier 等15已经开始在结构性心 脏病及先天性心脏病的介入治疗中引入 3D 打印技术，这一过程包括三个步骤： 图像的采集：合成 3D 的图像主要来 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 源于 CT、MRI 及超声影像（ECG） 。 CT、MRI 能更好地反映心脏内部的结 构，而 ECG 可以使具有动功能的结 构快速成像，如瓣膜。空间分辨率、组 织对比性及扫描层面厚度决定了 3D 数 据集的质量，是保证 3D 打印质量地前 提。图像分割：这一过程需要复杂技 术，如表面三角测量、等值面及体绘制。 因此好时长，要求高，需要分割软件及 对心脏复杂解剖结构熟悉的专家。3D 打印：有 3 种常见类型的 3D 打印机用 于医学打印，根据它们的机械原理及材 料界定分为：熔融沉积成型（fused deposition modeling，FDM） 、立体平板 印刷（stereolithography，SLA） 、聚乙 烯喷墨 3D 打印机。各种打印机有不同 的优缺特点。3D 打印模型可用于心脏 病理解剖的教学，直观学习心脏畸形的 典型结构；培训进行心脏病介入治疗的 医师；结构性心脏病及瓣膜病的干预治 疗（术前了解其心脏结构的复杂性、术 式的选择等） 。目前已有多例运用 3D 打 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 印技术及 VR 技术对先心病进行体外及 体内治疗的报道，如心上型完全性肺静 脉异位引流球囊扩张及支架缩窄共同腔 术、肺动脉瓣成型术及置换术16、先 天性大动脉转位矫正术等17。 Nieder 教授是美国华盛顿大学的 解剖学及生理学教授，他一直致力于将 信息技术与解剖学教学结合，并最早创 立了 Ouck-TimeVR 解剖资源网站（the Quick-Time？ VR Anatomical Resources Web /qtvr） ， 他希望运用 VR 技术保存与分享解剖标 本，与病理学家及解剖学家合作，建立 一个虚拟标本制作及保存中心，一个向 世界开放的虚拟“ 解剖学博物馆 ”18， 其理念是通过这个开放的博物馆将虚拟 的解剖学图像及课程带到世界上任何一 个有网络的地方，以补充因人体标本有 限而影响解剖学及大体病理学的学习。 首都医科大学附属北京安贞医院现拥有 胎儿先天性心脏病的标本库及心脏移植 标本，也在着手运用 3D 及 VR 技术将 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 14 这些标本进行图像整合，建立一个虚拟 心血管标本库，以利于这些珍贵标本的 保存及教学。 2.3 3D 打印及 VR 技术局限性 目前的 3D 打印对象大都是复制， 尚不能打印出个性化的模型，打印耗时 比较长，成本较高，对 3D 成像地技术 要求较高，需专业工程人员进行。 3 AI 与自动组织病理学诊断 AI 是目前计算机领域最具发展 前景的产业，其已广泛渗透到各个领域， 医学领域也不例外，特别是医学诊断， 如影像学及病理学诊断。人们不禁会问： 未来病理医师是否会太多？是否会被机 器自动诊断所取代？病理自动诊断的原 理是什么？是否与阿尔法 Go 学习的方 法相同？无疑，英国深度思维公司的阿 尔法 Go 是最具人气的。近日其与世界 围棋排名第一的中国选手柯杰的比赛中， 以 30 完胜，赛后，柯杰说他感觉自 己在与“围棋上帝 ”下棋。阿尔法 Go 的 学习分两个阶段，第一阶段是深度学习， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 15 学习各种大家的棋法；第二阶段是自我 学习，通过与自己的不断对局，寻找新 的突破与方法。目前已有多家公司在不 同方面进行病理自动诊断的研发，并已 取得了不错的进展与成绩。但正如 Kayser 等19所言，AI 正在起步，刚刚 发展，其运用到临床实践还将在不久的 未来。自动诊断的前提条件是数字化切 片的运用。正如显微镜的出现给临床病 理学带来革命性的变化。23 千兆字节 的全数字化组织病理学切片是进行自动 诊断的基础。20 世纪 90 年代已经出现 了细胞学自动筛查系统20，基于组织 病理学的结构分析理论也早在 20 世纪 80 年代由 Kayser 等21及 Bartels 等22 提出。随后相继出现了针对某一系统疾 病上皮细胞的特点进行肿瘤分类的临