多相机阵列扫描仪在数字细胞病理学中的应用

2024-12-30 Mon
快速3D成像在数字细胞病理学中的应用：多相机阵列扫描仪（MCAS）学术背景光学显微镜长期以来一直是细胞病理学诊断的标准方法。然而，传统的全片扫描仪虽然能够自动成像并数字化大面积的样本，但其速度慢、成本高，因此并未广泛普及。特别是在细胞学样本的临床诊断中，样本通常分布在大面积且较厚的区域，这要求进行3D成像。现有的全片扫描技术在处理厚样本时，往往需要数小时才能完成扫描，这极大地限制了其在临床中的应用。因此，开发一种能够快速、高效地对厚样本进行3D成像的技术成为了细胞病理学领域的一个重要挑战。
本文提出了一种新型的多相机阵列扫描仪（Multi-Camera Array Scanner, MCAS），旨在解决这一难题。MCAS通过并行化的显微镜设计，能够在极短的时间内对大面积、厚样本进行高分辨率的3D成像，并结合机器学习技术，辅助病理学家进行快速诊断。
论文来源本文由Kanghyun Kim、Amey Chaware、Clare B. Cook等作者共同撰写，作者来自Duke University、University of California Berkeley、Ramona Optics Inc.等机构。论文于2024年发表在npj Imaging期刊上。
研究流程1. MCAS系统设计MCAS系统由48个独立的13兆像素CMOS图像传感器组成，每个传感器配备一个定制的高分辨率物镜。这些传感器紧密排列在一个6×8的网格中，每个相机同时成像不同的区域。通过这种设计，MCAS能够在一次快照中捕获624兆像素的图像，显著快于传统的全片扫描仪。
MCAS系统还配备了样品台和相关的固件，能够快速移动最多3张载玻片，完成3D扫描。系统能够在1.2微米和0.6微米的分辨率下对厚样本进行扫描，扫描深度可达150微米。这种并行化的成像方式理论上可以将成像速度提高48倍。
2. 快速全片成像为了展示MCAS的快速全片3D成像能力，研究团队对16个Diff-Quik染色的肺细胞学样本进行了扫描，其中包括腺癌阳性和良性样本。使用0.3数值孔径（NA）的物镜和5微米的轴向步长，MCAS在不到5分钟的时间内完成了3张载玻片的扫描，相当于每张载玻片不到2分钟。相比之下，现有的全片扫描仪通常需要1分钟进行2D扫描，数十分钟进行3D扫描。
3. 甲状腺样本的充分性评估MCAS的快速3D数据采集和GigaViewer导航功能使得远程检查细胞学涂片成为可能。研究团队将MCAS应用于甲状腺细针穿刺（FNA）涂片的充分性评估。通过MCAS数字化26个甲状腺FNA涂片，并将其显示给三位病理学家进行评估，结果显示MCAS的充分性决策与当前标准相当，灵敏度为100%，特异性为94.4%。
4. 肺样本中的腺癌检测为了更高效地分析和检查3D细胞学涂片数据，研究团队探索了机器学习算法在MCAS图像数据中的应用。具体来说，他们使用MCAS对5个肺FNA涂片进行成像，并通过YOLOv7算法训练了一个目标检测模型，用于定位涂片中的腺癌区域。该模型的平均精度为0.645，召回率为0.73。
5. 肺样本的腺癌分类在肺FNA涂片的诊断中，确定疾病的空间位置并不总是必要的，主要目标是分类癌症类型。因此，研究团队设计了一个基于多实例学习（Multiple Instance Learning, MIL）的滑片级分类网络。通过4折交叉验证，该模型的平均测试准确率为0.930，AUC为0.969。
主要结果MCAS系统设计：MCAS能够在1.2微米和0.6微米的分辨率下对厚样本进行快速3D成像，扫描速度显著快于传统全片扫描仪。
快速全片成像：MCAS在不到5分钟的时间内完成了3张肺细胞学载玻片的扫描，展示了其高效的3D成像能力。
甲状腺样本的充分性评估：MCAS的远程评估功能与当前标准相当，能够有效优化细胞学工作流程。
腺癌检测：通过YOLOv7算法，MCAS能够快速定位肺FNA涂片中的腺癌区域，召回率为0.73。
腺癌分类：基于MIL的滑片级分类模型在4折交叉验证中表现出色，AUC为0.969。
结论MCAS通过并行化的显微镜设计，显著提高了厚细胞学样本的3D成像速度，能够在几分钟内完成全片扫描。结合机器学习算法，MCAS不仅能够辅助病理学家进行快速诊断，还能够优化细胞学工作流程，提高临床诊断的效率和准确性。未来，随着MCAS系统的进一步优化和成本降低，其在数字病理学中的应用前景将更加广阔。
研究亮点快速3D成像：MCAS能够在几分钟内完成厚细胞学样本的全片3D成像，显著提高了扫描速度。
机器学习辅助诊断：通过YOLOv7和MIL算法，MCAS能够快速定位和分类腺癌区域，辅助病理学家进行诊断。
远程评估功能：MCAS的GigaViewer导航功能使得远程检查细胞学涂片成为可能，优化了细胞学工作流程。
高效成本：MCAS的成像速度显著快于传统全片扫描仪，且成本较低，具有广泛的应用潜力。
其他有价值的信息MCAS系统的设计不仅适用于细胞病理学，还可以扩展到其他需要快速、高分辨率3D成像的领域，如生物医学研究和工业检测。未来，研究团队计划进一步优化MCAS的照明系统和3D数据处理能力，以提升其在不同应用场景中的性能。