Виртуальный микроскоп

Здравствуй, мой юный исследователь!

Сложно подобрать слова, чтобы описать мое состояние восторга и удивления от того, что я узнал. Для меня – биолога, исследователя-первооткрывателя – потрясающие открытия свершаются вновь и вновь. Ты только представь, мы находимся далеко-далеко друг от друга, но можем вместе одновременно рассматривать блоху под одним микроскопом. Разве это не чудо?!

Дорогой друг, сегодня речь пойдет о виртуальной микроскопии!

Если обычную микроскопию проводить в цифровом формате, то это уже будет самая настоящая виртуальная микроскопия. Поясню. Вот, например, в реальных условиях мы с тобой сидим за микроскопом, смотрим в окуляр, наблюдаем образец, анализируем… Согласен? В случае виртуальной микроскопии нам понадобится только монитор, на который будет передаваться изображение всего препарата, так называемый «виртуальный слайд», с совершенным качеством изображения. Получается, нам не нужно находиться в одном месте и быть «привязанными» к одному микроскопу, потому что виртуальная микроскопия позволяет независимо просматривать изображения большому количеству людей, находящихся в разных местах.

Диагностика при помощи виртуальной микроскопии

Историческая справка. Автоматизация ручной микроскопии началась с первой телепатологической демонстрации в прошлом веке в 1968 году. Для понимания разберём незнакомое слово.

Телепатология – дистанционный анализ патологических (болезненных, неправильных) процессов, при котором изображения рассматриваются на мониторе компьютера, а не в окуляре оптического микроскопа.

С того самого момента развитие виртуальной микроскопии пошло по двум совершенно разным направлениям.

За одно направление «отвечали» технологии, которые старались максимально использовать достижения из разных научных областей, чтобы только доказать уникальность возможности автоматического морфологического (связанного с формой, структурой) исследования. Технические специалисты трудились над увеличением разрешения цифровых камер, скорости и точности работы, изобретением автоматизированных микроскопов, развитием интернета и стремительным развитием компьютерных технологий, в том числе увеличением скорости процессора, памяти и средств хранения информации, чтобы разрушить все барьеры на пути создания системы виртуальной микроскопии.

Второе направление контролировалось требованиями различных специалистов. Они работали над решением проблем патологической анатомии. Например, над тем, как быстро получить заключение другого специалиста (врача, сотрудника аналитической лаборатории и т.д.). Решали проблемы получения замороженных срезов, снижения себестоимости лабораторий их стандартизации, обучения студентов и ординаторов, непрерывного медицинского образования, облегчения системы хранения и поиска препаратов и др.

Мой друг, понять очевидность перечисленных проблем, уверен, поможет мое пояснение. Ты, конечно же, знаком с понятием «микропрепарат». Можно сказать, в нашем понимании он выглядит так…

Микропрепараты для микроскопии	Приготовление микропрепарата по методу «раздавленная капля»

Эти микропрепараты можно хранить неограниченное время и использовать при необходимости. Существуют микропрепараты с «короткой жизнью». 

Замороженные микропрепараты тоже относятся к временным и необходимы для выполнения быстрого микроскопического анализа. Замороженные образцы не подлежат хранению, и срезы, полученные с замороженного кусочка, в процессе дальнейшей обработки легко повреждаются. Теперь, я думаю, ты понимаешь, насколько сложно за определенный короткий период времени одновременно поработать с образцом с целью диагностики или обучения.

Кримикротом для срочного гистологического исследования. Образец размещается на замораживающем столике

Вернемся к специалистам. А именно к решению задач виртуальной микроскопии.

История одного проекта. В США существовал специальный проект, который показал, как микропрепараты, приготовленные в лаборатории Техаса могут быть переданы через спутник и удаленно оценены в реальном времени (внимание! из замороженных срезов) в Колумбии. Проект был успешен! Но, для того, чтобы поставить технологию на коммерческую основу, необходимо было преодолеть ряд ограничений, в первую очередь, связанных отсутствием телекоммуникационных систем и стандартов. А отсутствовали они потому, что не было необходимости в данной технологии! Кроме того, передавать изображения через спутник было довольно дорого и финансово невыгодно. Поэтому начались поиски более доступных вариантов.

Таким образом, в качестве альтернативы была предложена идея «статической телепатологии». Идея заключается с том, что врач при помощи фотокамеры, установленной на микроскопе, фотографирует и сохраняет изображение среза или серии срезов в цифровом виде, после чего через компьютер их можно отправить по электронной почте другому патологу (врачу). Доступность е-mail и других сервисов упростила передачу данных и способствовала разработке стандартов изображений, однако, статический характер изображения сильно ограничивал их практическое использование. Для полного представления стандартного микропрепарата требуется тысячи статических изображений, что сделало метод неприменимым в практике.

Дорогой друг, несмотря на то, что лишь немногие пользуются данной системой в диагностических целях, она, тем не менее, широко применяется для оценки краев опухолей, обучения и образования.

Следующим этапом развития технологии было создание программного обеспечения по «склеиванию» фотографий. Эта технология позволяет произвести цифровое представление всего микропрепарата, оцифровывая каждое поле зрения, собирая их в единый рисунок – виртуальный препарат. Это был трудоемкий и затратный по времени процесс, сдерживаемый развитием компьютерных технологий и возможностями хранения информации. Из-за этих ограничений, следующая предложенная система содержала элементы и статической и динамической телепатологии. Эта система оцифровывала весь препарат на небольшом увеличении, врач-патолог выбирал интересующие его участки, после чего эти участки фотографировались на большем увеличении и передавались как статические изображения.

Вот такие истоки, мой юный друг, у виртуальной микроскопии!

Хочу рассказать тебе еще об одном важном для виртуальной микроскопии этапе –сканировании микропрепарата. Этот этап является первым шагом в работе системы виртуальной микроскопии. Перед тем, как оцифровать микропрепарат, система должна определить фокальную плоскость.

Блиц-вопрос, мой друг, от твоего покорного слуги Антони ван Левенгука! Пришли мне в канал Telegram пояснение, как в данном случае ты понимаешь выражение «фокальная плоскость»?

Далее, одно или несколько сканируемых изображений сохраняются как двухмерный цифровой файл, в то время, как микропрепарат и его срез имеют трехмерную структуру. Ты лучше меня знаешь, что 2D фигура имеет только два измерения, например длину и высоту, а 3D форма имеет три измерения, например длину, ширину и высоту.

(p.s. Хотел спросить, а 5D и 7D кино – это круто? …напиши мне в Telegram)

При сканировании микропрепарата на малом увеличении (например, объектив х5) одной фокальной плоскости обычно хватает для передачи трехмерной структуры изображения, но при работе с большими увеличениями (например, х40) глубина резкости уменьшается, что требует постоянной фокусировки сканирующей системы на выбранном поле зрения. Все сканирующие системы сегодня имеют автофокусировку, но они все делают это немного по-разному.

Вторую камеру можно установить на мониторе, что позволяет непрерывно приспосабливать фокусировку при сканировании микропрепарата. Кроме того, можно создать карту сканируемого среза, что позволит выбрать «точки фокусировки». После сканирования препарата, система наводит резкость в каждой выбранной точке фокусировки. Таким образом, решается ряд проблем, например, различия в толщине исследуемой ткани или складки препарата.

Процесс сканирования микропрепарата на разных системах также различается, но в любом случае все технологии подразумевают получение изображения препарата в некоторой форме и склеивание этих изображений, чтобы создать репрезентативный слайд.

Цифровой слайд-сканер

Процесс оцифровки, бесспорно, позволил достигнуть существенного прогресса в области микроскопии. Но, тем не менее, цифровая технология до сих пор имеет некоторые ограничения.

Одна из проблем заключается в том, что поле обзора всех камер ограничено при любом увеличении. Как правило, невозможно получить полную картинку образца ткани с разрешением, позволяющим проведение дальнейшего анализа. Цифровая виртуальная микроскопия преодолевает и этот барьер! Отдельные компоненты системы (микроскоп, предметный столик, ПК, программное обеспечение) оптимально скоординированы между собой и обеспечивают скорость, точность и надежность в использовании. Режимы работы в интегрированном фокусе гарантируют, что изображение всегда четкое. Получаемые отдельные снимки автоматически сшиваются в большой «виртуальный слайд», который может отображаться на мониторе.

Виртуальные слайды

Уточню, мой друг, что детальные сегменты изображения могут выбираться и приближаться или удаляться, также как и при работе с фактическим стеклянным препаратом под микроскопом и с той же эффективностью. А при подсоединении к сети интернет эту процедуру можно выполнять, как я уже упоминал ранее, из любой точки мира. Кроме того, пользователи получают в свое распоряжение все преимущества обработки цифровых изображений, включая структурированное веб-архивирование изображений, анализ и документацию результатов.

Приглашаю тебя на экскурсию по виртуальным лабораториям!

Первой мы посетим лабораторию виртуальной микроскопии Ncbionetwork. Перемещайся по разделам. В разделе исследований «Explore» попробуй установить микропрепарат и провести наблюдение. Обязательно напиши в Telegram-канале, что у тебя получилось!

Далее мы посетим отделение виртуальной микроскопии зоологии беспозвоночных музея естественной истории Йельского университета Пибоди в штате Коннектикут в США. Пользуйся автоматическим переводом страниц. Вводи в «Поиск» интересующее название таксонов или любое другое определяющее название. Указывай предпочтительную категорию исследований и рассматривай объекты. Хорошего просмотра!

А теперь мы заглянем в японскую компанию Meiji Techno. Рассмотри под их виртуальным микроскопом микропрепараты. Используй настройки. На каком увеличении тебе удалось рассмотреть мазок крови в деталях?

Предлагаю рассмотреть коллекцию Виртуального микроскопа Соединенного Королевства, которая состоит из магматических, осадочных и метаморфических пород со всей Великобритании.

А ты бы рекомендовал друзьям к просмотру?

Понравилась тебе экскурсия? Закрепим материал выполнением увлекательного задания? Тогда скорее «включай» виртуальный микроскоп и изучай предложенные системы. Используй автоматический (онлайн) переводчик.

Напиши небольшое сообщение о том, что ты узнал. Рассмотри такие вопросы, как:

- какие функции виртуального микроскопа тебе были доступны?

- какие системы ты смог изучить?

- на каких организационных (увеличительных) уровнях тебе было доступно исследование?

- насколько сложно работать с иностранной версией?

- полезны ли такие форматы заданий для углубленного изучения иностранного языка?

Отправляй свой ответ через форму.

До скорой встречи!

ДЛЯ ОТВЕТОВ:

Источники

Kumar, G. Иммуногистохимические методы: Руководство / Ed. by George L. Kumar, Lars Rudbeck.: DAKO / Пер. с англ. под ред. Г. А. Франка и П. Г. Малькова. – М., 2011. – 224 с

Виртуальный микроскоп [Электронный ресурс].https://meijitechno.ru/virtmicroscope#1 (режим доступа - свободный).

Виртуальный микроскоп BioNetwork [Электронный ресурс]. URL: https://www.ncbionetwork.org/iet/microscope/ (режим доступа - свободный).

Виртуальный микроскоп Великобритании [Электронный ресурс] https://www.virtualmicroscope.org/content/uk-virtual-microscope (режим доступа - свободный).