Chirurgische Pathologie

So können intraoperative Konsultationen digital ablaufen

Dominik Gerber
Dominik Gerber

CEO PreciPoint

Felix Zeno Würzinger
Felix Zeno Würzinger

CSO PreciPoint

Übersicht

* Um die Lesbarkeit dieses Artikels zu erleichtern, weisen wir unsere Leserinnen und Leser darauf hin, dass wir bei der Bezeichnung von Personen das generische Maskulinum verwenden. Wir machen jedoch keinen Unterschied zwischen den Geschlechtern und beziehen uns in unseren Texten auf alle Gender.

Was ist die chirurgische Pathologie?

Die chirurgische Pathologie ist definiert als jener Teil der Pathologie, der sich mit der mikroskopischen Schnelluntersuchung von histologischen und zytologischen Operationspräparaten beschäftigt. Die Präparate werden bei einem chirurgischen Eingriff aus dem menschlichen Körper entnommen und noch während des Eingriffs innerhalb von 15 bis 20 Minuten von einem Pathologen untersucht. 

Die pathologische Untersuchung umfasst die grobe Inspektion des Präparats, die Probenvorbereitung und die schnelle mikroskopische Untersuchung eines aus dem Präparat hergestellten Gewebeschnitts oder einer Flüssigkeitsprobe. Sie wird durchgeführt, um dem Chirurgen schnell die Informationen zu liefern, die er für die notwendigen chirurgischen Schritte benötigt. Diese Operationsmanagement-Informationen beschränken sich beispielsweise auf die Beurteilung, ob der Tumor gutartig oder bösartig ist und ob die Resektionsränder positiv oder negativ sind. Dieser Vorgang wird als intraoperative pathologische Konsultation bezeichnet.

Auf eine weitergehende Diagnostik wird in der intraoperativen Untersuchung vorerst verzichtet. Sie wird zu einem späteren Zeitpunkt anhand von permanenten FFPE-Proben durchgeführt. Diese Untersuchung dauert einige Stunden bis Tage, je nach Umfang der Fragestellung.

Welche Arten von Operationspräparaten gibt es?

Je nach Art der Operation oder der Erkrankung können während eines chirurgischen Eingriffs verschiedene Arten von OP-Präparaten entnommen und einem Pathologen vorgelegt werden.

Gewebebiopsien

Hier finden Sie einen Überblick über die häufigsten Arten von Gewebebiopsien und die chirurgischen Methoden, die zur Entnahme der Biopsien während der Operation verwendet werden. Diese Tabelle dient primär dem allgemeinen Überblick und erhebt nicht den Anspruch auf Vollständigkeit.

Art der Biopsie Chirurgische Methoden Biopsierte Stellen (Beispiele)
Endoskopische Biopsien
(ugs: Zupf- oder Knipsbiopsie)
Endoskopische Biopsien
Hohlorgane
z.B. Nase, Nebenhöhlen, Magen-Darm-Trakt, Bronchus
Inzisionsbiopsien
Minimalinvasive Biopsien
z.B. Thorax-, Bauch- und Beckenorgane
Kernbiopsien, Nadelbiopsien
Kernnadelbiopsien
Solide Organe
z.B. Lunge, Knochenmark, Brust
Feinnadelbiopsien, auch:
Feinnadelaspiration (FNA)
z.B. Knochenmark, Schilddrüse, Brust,
neurologische Proben (Liquor)
Exzisionsbiopsien
Jedes Organ

Chirurgische Resektionen

Eine chirurgische Resektion ist eine chirurgische Methode, bei der so viel wie möglich bzw. notwendig vom Tumor entfernt wird. Nennenswert ist die Mohs-Chirurgie als moderne Resektionsmethode, welche vor allem bei chirurgischen Eingriffen an Hautkrebs zum Einsatz kommt.

Im Gegensatz zu Biopsien, die zu Untersuchungszwecken durchgeführt werden, sind Resektionen notwendig, wenn bereits ein bösartiger Tumor festgestellt wurde. 

Gängige chirurgische Methoden zur Entnahme zytologischer Proben

Hier finden Sie einen Überblick der chirurgischen Methoden, die zur Entnahme von zytologischen Proben verwendet werden. Diese Tabelle dient primär dem allgemeinen Überblick und erhebt nicht den Anspruch auf Vollständigkeit.

Methoden Stellen (Beispiele)
Feinnadelaspiration (FNA)
Knochenmark, jeder Tumor
Untersuchung von Körperflüssigkeiten
Körperhöhlen
Abstrich oder Bürstenzytologie (Beispiel: Pap-Abstrich)
Gebärmutterhals, Speiseröhre, Magen, Bronchien und Mund

Glossar einiger wichtiger Begriffe der chirurgischen Pathologie

Das chirurgische Management bezeichnet die verschiedenen Tätigkeiten, die zur Durchführung einer effizienten Operation erforderlich sind. Das Operationsmanagement umfasst die ärztlichen, chirurgischen und pflegerischen Tätigkeiten sowie andere Aufgaben im Zusammenhang mit der Operation, wie z. B. das Facility Management, die Patientenverwaltung und die Abrechnung. Das Operationsmanagement kann sich auf eine bestimmte Pathologie beziehen, z. B. das chirurgische Management einer Blinddarmentzündung.

Der chirurgische Pathologiebericht, auch Pathologiebericht oder Pathologenbericht, ist ein Dokument, das das Ergebnis des Schnellschnitts durch die makroskopische und mikroskopische Untersuchung des OP-Präparates enthält. Bei intraoperativen Konsultationen übermittelt der Pathologe in der Regel sofortige Informationen per Telefon an den operierenden Chirurgen.

Gewebeprobe, die während eines chirurgischen Eingriffs zur Untersuchung durch einen Pathologen aus dem menschlichen Körper entnommen wird. Der Hauptzweck einer Biopsie ist die Beurteilung, ob das Gewebe gesund ist oder nicht. Auf Basis der Beurteilung der Probe durch den Pathologen werden ggf. weitere Schritte für das OP-Management (im Fall einer intraoperativen Untersuchung) bzw. für die weitere Behandlung des Patienten (im Fall der Diagnose eines Permanentschnitts) eingeleitet.

Die intraoperative Konsultation ist eine Pathologiedienstleistung, bei der ein Pathologe ein Zell- oder Gewebepräparat, z. B. einen sogenannten Schnellschnitt, untersucht, während der Patient operiert wird. Der Hauptzweck einer Konsultation besteht darin, dem Chirurgen unmittelbare Informationenen zu geben, die Auswirkung auf den chirurgischen Eingriff haben, wie z.B. ob die Resektionsränder negativ oder positiv sind.

Die Kryosektion, auch Cryosektion oder Gefrierschnitt ist ein Verfahren, bei dem eine Gewebeprobe in einem sogenannten Cryostaten schockgefroren und geschnitten wird, um sie für die mikroskopische Untersuchung durch einen Pathologen während einer intraoperativen Konsultation vorzubereiten.

Schnell präparierter Schnitt mit einer Dicke von 5-10 μm, der von einem Pathologen während einer intraoperativen Konsultation mikroskopisch untersucht wird. Synonym: Gefrierschnitt. Umgangssprachlich wird oft die gesamte intraoperative Untersuchung als Schnellschnitt bezeichnet.

Rapid On-Site Evaluation (ROSE) ist die schnelle pathologische Beurteilung von FNA-Abstrichen oder kleinen Gewebeproben, um Echtzeit-Feedback und Anleitung während einer Biopsieoperation oder Resektion zu geben. Eines der Hauptziele der ROSE ist die Beurteilung, ob die Probenentnahme adäquat ist.

Quelle: Rapid On-Site Evaluation (ROSE) A Practical Guide, Guoping Cai, Adebowale J. Adeniran (Herausgeber)

Läsion oder Tumorgewebe, das während eines chirurgischen Eingriffs (Resektion) aus dem menschlichen Körper entfernt wird. Der Zweck einer Resektion besteht darin, so viel wie möglich von der Läsion zu entfernen. 

Bei bösartigen Tumoren bezeichnet der Resektionsrand das gesunde Gewebe um die bösartigen Zellen des Resektats oder der Biopsie. Der Resektionsrand dient als Annäherung einer Beurteilung, ob alle bösartigen Zellen entfernt wurden. Der Pathologe beurteilt die Ränder mikroskopisch, um festzustellen, ob sie ausreichend (negativ) sind oder nicht (positiv). 

Einzelne Zellen und kleine Zellhaufen, die während eines chirurgischen Eingriffs aus dem menschlichen Körper entnommen und von einem Pathologen untersucht werden.

Was ist das Ziel einer intraoperativen Konsultation?

Eine intraoperative Konsultation oder ein intraoperatives Verfahren ist eine Qualitätssicherungsleistung, die von einem Pathologen während eines chirurgischen Eingriffs erbracht werden kann. Sie besteht in der raschen Beurteilung eines Operationspräparats (Gewebebiopsie, chirurgisches Resektat oder zytologische Probe). Sie wird manchmal auch als Rapid On-Site Evaluation (ROSE) bezeichnet, obwohl sich ROSE technisch gesehen auf die Live-Bewertung von zytologischen Proben bezieht, um den Chirurgen während einer Operation in Echtzeit anzuleiten.

Intraoperative Konsultationen werden hauptsächlich in der onkologischen Chirurgie praktiziert, sind aber nicht darauf beschränkt. Das Hauptziel besteht darin, dem operierenden Chirurgen schnelle pathologische Informationen zu liefern, anhand derer er entscheiden kann, wie die Operation weiter ablaufen soll.

  • Erste Einschätzung darüber, ob der Tumor bösartig oder gutartig ist
  • Eine Biopsie klärt, ob die richtige Entnahmestelle ausgewählt wurde und ob das Präparat adäquat ist.
  • Eine Resektion klärt, ob die Läsion oder der Tumor vollständig entfernt wurde oder ob mehr Gewebe entnommen werden muss. In diesem Fall beurteilt der Pathologe unter dem Mikroskop, ob die Resektionsränder frei von residualem Krebs sind oder nicht (negativ oder positive Ränder).
 
Letztlich besteht das Ziel der intraoperativen Konsultationen darin, Folgeoperationen zu vermeiden. Im Hinblick auf die Krankenhausversorgung tragen intraoperative Konsultationen zur Verbesserung des Operationsmanagements und des gesamten chirurgischen Patientenmanagements bei.

Was ist der Unterschied zwischen chirurgischer und klinischer Pathologie?

Im Gegensatz zur klinischen Routinepathologie werden chirurgische Pathologiekonsultationen unter hohem Zeitdruck durchgeführt, während sich der Patient im Operationssaal befindet. Daher sind die Arbeitsabläufe in der intraoperativen Pathologie wesentlich schneller als in der Routinepathologie. 

Intraoperativ ist die gesamte Prozesslaufzeit entscheidend

Chirurgische Pathologie Prozess
Die Reise eines OP-Präparats vom OP-Raum bis in die Pathologie

Schnelle intraoperative Arbeitsabläufe in der Pathologie sind sehr wichtig. Wenn der Patient auf dem OP-Tisch liegt, zählt jede Minute!

Heute wird ein intraoperativer Schnellschnitt innerhalb von 20 Minuten nach der Anlieferung der Probe im Pathologielabor durchgeführt. Die verkürzte Präparationszeit ist möglich, weil das Schnellschnittprotokoll andere, schnellere Handlungstechniken verwendet als in der klinischen Routine-Histopathologie. Sobald der Objektträger unter dem Mikroskop liegt, kann ein Pathologe innerhalb von Minuten dem operierenden Chirurgen seinen Befund weitergeben.

Jedoch haben einige Faktoren großen Einfluss, wie lange die gesamte intraoperative Konsultation dauert. Die wichtigsten Faktoren, die Einfluss auf die generelle Durchführbarkeit und die Dauer der Konsultation nehmen, sind:

  • Geographische Verteilung von Krankenhäusern mit und ohne Labore sowie externen Laboren
  • Räumliche Entfernung von OP-Saal zu Labor und die damit verbundene Transportzeit
  • Probenvorbereitung
 
 Wenn der OP-Raum und das Labor geographisch weit auseinander liegen oder das Krankenhaus keinen Vollzeit-Pathologen hat, werden die Proben zu einem Pathologielabor geschickt. Andernfalls kommt der Pathologe ins Krankenhaus, um die Konsultation durchführen zu können. Dies stellt nicht nur eine logistische Herausforderung dar, sondern verlängert auch die Gesamtlaufzeit der Untersuchung und erhöht die Kosten der Konsultationen.

In vielen Ländern ist der Mangel an Pathologen oder die ungleiche regionale Verteilung innerhalb eines Landes eine erhebliche Einschränkung, die die Durchführbarkeit einer Konsultation infrage stellen kann. So werden intraoperative Konsultationen möglicherweise nicht systematisch oder bei nicht kritischen Operationen gar nicht durchgeführt, was die Wahrscheinlichkeit einer Folgeoperation erhöhen kann.

Permanentschnitt vs. Schnellschnitt

Aufgrund des Zeitdrucks während einer OP unterscheidet sich ein Schnellschnitt von einem Permanentschnitt, der in der Routinepathologie nach der FFPE-Methode (formalin-fixed paraffin-embedded) durchgeführt wird.

Die Schnellschnittmethode umfasst meist manuelle Aufgaben, die unter hohem Zeitdruck sehr genau ausgeführt werden müssen. Daher werden Gefrierschnitte in der Regel von geschulten und erfahrenen medizinisch-technischen Assistenten oder Technikern angefertigt.

Zum Vergleich sind die wichtigsten Schritte der einzelnen Protokolle in der folgenden Grafik dargestellt.  

Kryosektion

Chirurgische Pathologie Prozess
Probenvorbereitung im Vergleich

Die Fachbezeichnung für einen Schnellschnitt ist Kryosektion. Bei einer Schnellschnitt-Konsultation folgt die Kryosektion (oben dargestellt)  auf die makroskopische Beurteilung und den Zuschnitt des Präparats.

Das sind die wichtigsten Schritte der Kryosektion:

Schritt 1: Die Gewebeprobe wird auf einen speziellen Objekthalter gegeben und mit einem Gel oder Einbettungsmittel (OCT) eingebettet.

Schritt 2: Der Gewebeblock wird in einen Kryostat gelegt und schockgefroren. Durch diesen Schritt wird der Gewebeblock gehärtet und eignet sich zum Schneiden.

Schritt 3: Der gefrorene Block wird mit einem Mikrotom in sehr dünne Scheiben geschnitten.

Schritt 4: Die Schnitte werden auf Glasträger aufgetragen und meist manuell mit Standardfärbung gefärbt.

Die zur Herstellung von Schnellschnitten verwendeten Methoden ermöglichen eine Probenvorbereitung innerhalb weniger Minuten. Allerdings sind Schnellschnittproben von geringerer Schnitt-Qualität als Permanentschnitte, was dem Schnellverfahren des Vorbereitungsprozesses geschuldet ist.

Warum sind Schnellschnittpräparate von geringerer Qualität als Permanentpräparate?

Schnellschnittproben sind in der Regel nicht so eben wie permanente Proben, weil sie meist mehr Artefakte aufweisen.

Schnitte, die durch das Anschneiden von gefrorenen Gewebeblöcken gewonnen werden, sind nicht so glatt und eben wie Schnitte, die aus FFPE-Blöcken entnommen werden.

Darüber hinaus kann das im Gewebe enthaltene Wasser beim Einfrieren die Morphologie der Zellen stören. Dies ist auf sogenannte Eiskristall-Artefakte zurückzuführen. Andere Artefakte wie überlappendes Gewebe, Schmutz oder Luftblasen können durch manuelles Anschneiden des gefrorenen Gewebes oder beim Auflegen auf den Objektträger sowie beim Färben entstehen.

Unter dem Mikroskop sind Gefrierschnitte schwieriger zu beurteilen als normale FFPE-Proben. Sie erfordern in der Regel erfahrene Pathologen des jeweiligen Fachgebiets.

Die Schnellschnittmikroskopie ist in Umfang und Genauigkeit auf die rasche Bereitstellung von Informationen für das Operationsmanagement beschränkt. Schnellschnittproben eignen sich nicht für eine bestimmte, finale Diagnose und können auch nicht archiviert oder längerfristig gelagert werden.

Kann ein Schnellschnitt digitalisiert werden?

Schnellschnitt-Proben sind in der Regel uneben. Auch wenn es heutzutage technisch möglich ist,  diese ungleichmäßigen Schnitte zu digitalisieren, dauert der Prozess der Digitalisierung bzw. der digitalen Bilderzeugung wesentlich länger als bei glatten Routineproben.  Zudem ist zu bedenken, dass das Ziel eines intra-operativen Schnellschnitts nicht die Archivierung, sondern die schnelle Bereitstellung von Bildinformationen ist.

Warum sind Schnellschnitte ungleichmäßig?

Mikroskopisch gesehen können Schnellschnitt-Proben im Vergleich zu permanenten Proben sehr ungleichmäßig sein. Im Gegensatz zu Permanentschnitten werden die Gewebeblöcke für Schnellschnitte nicht fixiert, schnell eingebettet und schockgefroren. Die beim Anschneiden solcher Blöcke gewonnenen Schnitte sind nicht so glatt und eben wie Permanentschnitte.

Bei der Herstellung von Schnellschnittproben kann das im Gewebe enthaltene Wasser beim Einfrieren die Morphologie der Zellen stören.  Dies ist auf sogenannte Eiskristall-Artefakte zurückzuführen. Andere Artefakte wie überlappendes Gewebe, Schmutz oder Luftblasen können durch manuelles Anschneiden des gefrorenen Gewebes oder beim Auflegen auf den Objektträger sowie beim Färben entstehen.

Auch wenn es heutzutage technisch möglich ist,  unebene Schnitte zu digitalisieren, dauert der Prozess der Digitalisierung bzw. der digitalen Bilderzeugung wesentlich länger als bei vergleichsweise glatten Routineproben.

Warum dauert es länger eine unebene Probe zu scannen?

Um eine Schnittprobe vollständig scannen zu können und daraus ein einziges Bild (WSI, Whole Slide Image) erstellen zu können, geht ein Scanner folgendermaßen vor: Die Kamera erzeugt automatisch einen Fokuspunkt und bewegt sich entlang der horizontalen Fokusebene über Hunderte von x-y-Positionen. Dabei nimmt sie an jeder Position ein Bild auf. Alle Bilder werden dann zusammengefügt (Stitching), um ein einziges Bild (WSI, Whole Slide Image) zu erstellen. In der Regel dauert dieser Vorgang ein paar Minuten.

Beim Scannen ungleichmäßiger Proben, wie z. B. einem Knochenmarkausstrich oder einem Schnellschnitt, wird ein anderes Scanverfahren verwendet, um eine hochauflösende, digitale Darstellung der Probe zu erzeugen. Die Kamera bewegt sich nicht nur horizontal durch Hunderte von x-y-Positionen, sondern auch vertikal, wobei sie für jede x-y-Position ein Bild an verschiedenen Positionen der z-Achse aufnimmt. Das schärfste Bild an jeder z-Position wird ermittelt und dann für das Stitching verwendet. Bei einer Schnellschnittuntersuchung müsste der Vorgang für jedes Schnellschnittpräparat während der Untersuchung wiederholt werden (im Durchschnitt etwa 4-6 Präparate pro Konsultation, in manchen Fällen auch wesentlich mehr). 

Was bei Routineproben nur wenige Minuten dauert, kann bei Schnellschnittproben im Durchschnitt bis zu 10 Minuten pro Probe in Anspruch nehmen.

Was bedeutet eine längere Scanzeit bei dem intraoperativen Verfahren?

Da die Schnellschnitt-Konsultation nicht länger als 15 bis 20 Minuten dauern sollte, kann es durchaus passieren, dass das Scannen einer einzigen Schnellschnittprobe einen großen Teil der für den Prozess verfügbaren Zeit in Anspruch nimmt.

Die in einem Gefrierschnitt enthaltenen Artefakte führen dazu, dass bestimmte Bereiche des WSI, oder manchmal das gesamte WSI weniger scharf sind. Dadurch wird die genaue mikroskopische Beurteilung erschwert oder das erzeugte Bild ist unbrauchbar.

Die Schnelligkeit und die Qualität der Bilderzeugung sind jedoch zwei kritische Faktoren für den effizienten Ablauf einer intraoperativen Konsultation. Andere Technologien zur digitalen Bilderzeugung, wie zum Beispiel die Live-Mikroskopie mit dem digitalen Mikroskop, oder Telemikroskopie, lassen sich besser in den intraoperativen Workflow integrieren und können zusätzliche Nutzen mit sich bringen, wie etwa den Zugang zu einer schnellen Zweitmeinung. 

Warum intraoperative Konsultationen digitalisieren?

Wenn Sie die Digitalisierung intraoperativer Konsultationen vorantreiben wollen, sollten Sie klar kommunizieren können, wie jeder Mitbeteiligter davon profitieren kann. Mit diesen 5 Gründen helfen wir Ihnen eine starke Argumentation auszuarbeiten.

1. Versorgungslücke reduzieren

Der Mangel an Pathologen ist ein globales Problem mit extremen regionalen Unterschieden. Patienten aus entlegenen und unterversorgten Regionen haben oft kaum Zugang, um von intraoperativen Dienstleistungen zu profitieren. In dicht besiedelten Entwicklungsländern kann die Situation besonders schlimm sein. Laut Dr. Rabia Ali, Histopathologin in Karachi, werden in ganz Pakistan täglich Krebsoperationen durchgeführt, aber nur sehr wenige Pathologielabore in Großstädten können überhaupt intraoperative Untersuchungen anbieten.
Digitale Schnellschnitte können chirurgische Abteilungen mit Pathologen über große Entfernungen und regionale Grenzen hinweg verbinden. Dadurch kann die Versorgungslücke weiter geschlossen werden, was für Patienten sowie das gesamte Gesundheitssystem einen großen Mehrwert bringen kann.

2. Patientenversorgung verbessern

Die Vorteile einer schnellen mikroskopischen Beurteilung während einem chirurgischen Eingriff sind gut erforscht: Studien zeigen, dass bei Brustkrebs die Rate der Folgeoperationen durch Schnellschnittverfahren um 70 % von 48,9 % auf 14,9 % gesenkt werden konnte.* Bei Prostatakrebs wurden in 22 % der Fälle maligne Resektionsränder während dem Schnellschnitt festgestellt, von denen 92,3 % entfernt werden konnten.** Daraus folgt eine deutlich geringere Wahrscheinlichkeit für eine erneute Operation, was für die Patienten einen großen Vorteil darstellt.

Die Digitalisierung erhöht die Verfügbarkeit und Durchführbarkeit intraoperativer Konsultationen und ermöglicht eine Zusammenarbeit der Spezialisten während der Konsultation. Dadurch werden die Patientenversorgung und die Therapieansätze weiter optimiert. 

*American Journal of Clincal Pathology Author manuscript; available in PMC 2014 Apr 16.   Intraoperative frozen section analysis of margins in breast conserving surgery significantly decreases reoperative rates: one year experience at an ambulatory surgical centerJulie M. Jorns, M.D., Daniel Visscher, M.D., Michael Sabel, M.D., Tara Breslin, M.D., M.S., Patrick Healy, M.S., Stephanie Daignaut, M.S., Jeffrey L. Myers, M.D., and Angela Wu, M.D. 

**Source: Journal of Urology 2013 Aug;190(2):515-20.doi: 10.1016/j.juro.2013.02.011. Epub 2013 Feb 13., Intraoperative frozen section of the prostate decreases positive margin rate while ensuring nerve sparing procedure during radical prostatectomyChristian von Bodman 1 , Marko Brock, Florian Roghmann, Anne Byers, Björn Löppenberg, Katharina Braun, Jobst Pastor, Florian Sommerer, Joachim Noldus, Rein Jüri Palisaar   https://www.auajournals.org/doi/10.1016/j.juro.2013.02.011

3. Gesamte Prozessdauer reduzieren

Trotz ihres zeitkritischen Charakters sind intraoperative Konsultationen oft sehr zeitaufwändig: Der häufigste Grund dafür ist, dass der Pathologe selten am Ort der Behandlung ist, weil das Krankenhaus über keine eigene Pathologie verfügt oder Personal fehlt. Daher muss der Facharzt entweder zu dem Labor in der Nähe des OP-Bereichs pendeln, in dem die intraoperative Beurteilung stattfindet, oder die frischen chirurgischen Proben aus dem Operationssaal werden zur raschen Beurteilung schnellstmöglich in das nächstgelegene Pathologielabor gebracht. Oft ist die Zeit für den Transport, das Pendeln oder die Wartezeit der zeitaufwändigste Teil des Gesamtprozesses.
Total Intraoperative Turnaround Time
Abb. 1: Gesamtdauer und wichtigste Schritte einer intraoperativen Konsultation

Durch die Fernkonsultation können digitale Schnellschnitte die Notwendigkeit von Reisen oder Transporten überflüssig machen und so wertvolle Zeit sparen, während der Patient in Narkose liegt. Die Entscheidungsträger sollten sich jedoch darüber im Klaren sein, dass eine Verkürzung der Gesamtprozessdauer nicht direkt mit einer Verkürzung der intraoperativen Konsultation einhergehen muss. Zudem kann die Digitalisierung den Prozess möglicherweise sogar verlängern. Dies hängt stark von der Art der verwendeten Technologie ab. In Abschnitt 8 Bilderfassungstechnologien geben wir einen Überblick über die verschiedenen Technologien, die für die Digitalisierung zur Verfügung stehen. 

4. Zweitmeinungen ermöglichen

Die Interpretation von Schnellschnitten erfordert Kenntnisse und Fachwissen in dem betreffenden Fachgebiet oder Unterfachgebiet. Wenn der Experte nicht vor Ort verfügbar ist, ist es praktisch unmöglich, innerhalb der Konsultationszeit die Zweitmeinung eines qualifizierten Spezialisten aus der Ferne zu organisieren.

Digitale Schnellschnitte ermöglichen den Zugang zu einer Zweitmeinung aus der Ferne aus einem großen Pool an Spezialisten als unmittelbare Unterstützung für den berichtenden Pathologen. 

REMOTE KONSULTATIONEN Digitale Pathologie
Abb. 2: Kooperation über Abteilungen und Standorte hinweg ermöglichen

5. Konsultationskosten senken

Intraoperative Konsultationen sind mit hohen Kosten verbunden. Der oft weite Anfahrtsweg, die lange Wartezeit und selbst die Opportunitätskosten im Sinne der ruhenden Routinearbeit, treiben unweigerlich die Gesamtkosten der Konsultation in die Höhe. Hohe Prozesskosten haben direkte Auswirkungen auf die Zugänglichkeit zu intraoperativen Pathologiedienstleistungen.

Aus der Sicht eines Pathologen und insbesondere eines Laborinhabers ist die intraoperative Arbeit aufgrund der Reisezeit und damit einhergehenden Einschränkung zu anderen, gewinnbringenden Untersuchungen oft ein verlustbringender Geschäftszweig. Dennoch sollten intraoperative Konsultationen den Kunden als Dienstleistung angeboten werden, um das weitaus größere Arbeitsvolumen zu sichern, das sich aus den Routinekonsultationen in der Pathologie ergibt. Das Anbieten von intraoperativen Konsultationen kann daher eine Gelegenheit für Pathologielabore sein, ihren Kundenstamm zu erweitern.

Durch digitale Schnellschnitte entfallen die mit einer Schnellschnittkonsultation verbundenen Reisekosten. Pathologen können ihre Dienstleistungen effizienter erbringen und so die Zahl der Fälle, die sie in der gleichen Zeit bearbeiten können, erhöhen. 

Mikroskopische Bildgenerierungstechnologien

Es gibt zwei gängige Technologien, um eine digitale Darstellung von mikroskopischen Proben zu erzeugen. Whole Slide Imaging (WSI) und digitale Mikroskopie.

WSI ist für den Einsatz in der digitalen Pathologie konzipiert, wo digitale Abbilder erzeugt und für die virtuelle Betrachtung (virtuelle Mikroskopie) unabhängig von Zeit und Ort zur Verfügung gestellt werden.

Das Hauptziel der digitalen Mikroskopie besteht darin, den Benutzern die Möglichkeit zu geben, ihre Präparate live von einem Computer aus zu bearbeiten. Wenn die digitale Mikroskopie aus der Ferne praktiziert wird, spricht man von Telemikroskopie. Die Telepathologie, d. h. die „Ausübung der Pathologie aus der Ferne“, baut technisch auf Telemikroskopie-Lösungen auf. 

1. Whole-Slide Imaging (WSI)

Die digitale Pathologie basiert auf der Whole-Slide-Imaging-Technologie, auch Slide-Scanning genannt. WSI ist die Erzeugung permanenter digitaler Abbilder physischer Proben mit Hilfe von Scannern zur Betrachtung durch einen Spezialisten, unabhängig von Zeit und Ort.

Im Gegensatz zur analogen und digitalen Mikroskopie erfolgt das Whole-Slide-Imaging in zwei getrennten, aufeinander folgenden Prozessschritten: dem Bildgebungs- und dem Visualisierungsprozess.

1) Bildgebung: Erstellung des virtuellen Bildes durch einen Scanner. Der Benutzer legt das Präparat in den Scanner ein, stellt die Parameter ein und startet den Scanvorgang. Während des Scanvorgangs muss der Benutzer warten, bis der Scanvorgang abgeschlossen ist. Nach einigen Minuten (oder mehr, je nach den Parametereinstellungen, der allgemeinen Leistung des Scan-Geräts sowie der Probenvorbereitung) wird eine digitale Darstellung, ein so genanntes Whole Slide Image (WSI), erstellt und als Datendatei gespeichert. Diese Datendateien benötigen viel Speicherplatz: ein einziges WSI benötigt in der Regel 500-2000 MB an Speicherkapazität.

2) Visualisierung: Virtuelle Betrachtung des digitalen Bildes durch einen Spezialisten mittels einer speziellen Viewer-Software. Der Nutzer kann die digitale Darstellung unabhängig von Zeit und Ort virtuell begutachten. Ähnlich wie bei Google Maps kann der Nutzer durch das Bild navigieren, hinein- und herauszoomen und, falls von der Viewer-Software angeboten, das Bild manipulieren. Zur Anzeige von WSI-Dateien ist eine spezielle und oft proprietäre Viewer-Software erforderlich. Aufgrund der komplexen Bildarchitektur von WSIs wurden von verschiedenen Anbietern spezielle Datendateiformate entwickelt und etabliert. Ein weiterer Nachteil von WSIs besteht darin, dass der Benutzer keinen direkten Zugriff auf das eigentliche Präparat mehr hat. Dies kann erforderlich sein, wenn der Scanvorgang Bilder mit unscharfen Bereichen erzeugt, wobei ganze Bilder unscharf sein können. Nun muss ein zeitaufwändiger Nachbearbeitungsprozess gestartet werden, was zu Prozessineffizienzen führt.

Whole-Slide Imaging ermöglicht, eine Probe unabhängig von Zeit und Ort zu betrachten. In bestimmten Anwendungsfällen bedeutet dies ein hohes Maß an Flexibilität. Der oben beschriebene zusätzliche Prozessschritt verzögert jedoch den Mikroskopie-Workflow, was in anderen Anwendungsfällen nicht möglich ist. Wenn beispielsweise bei intraoperativen Eingriffen nur wenige Minuten für den gesamten Vorgang zur Verfügung stehen, ist der Zeitaufwand für das Scannen aller Objektträger eines Falles unerschwinglich.

Derzeit sind Scanlösungen für die digitale Pathologie vor allem in Forschung und Lehre zu finden, da die Verfügbarkeit virtueller Bilder die Zusammenarbeit erheblich erleichtert. Hochdurchsatz-Scanner werden vor allem im Biobanking zu Forschungszwecken eingesetzt. Pioniere der digitalen Pathologie haben damit begonnen, Scanner in die Arbeitsabläufe der klinischen Pathologie zu integrieren, um sehr große Mengen von Objektträgern zu verarbeiten.

Wir haben die Experten gefragt: Warum sind Whole-Slide Images (WSI) so groß?

Whole-Slide Images bestehen aus Hunderten oder gar Tausenden von hochauflösenden Bildern, die zu einem einzigen Bild und einer einzigen Datei zusammengefügt werden. Man kann sie sich als ein Mosaik oder Bildpyramide vorstellen. Ein ähnliches Verfahren zur Bilderzeugung findet sich in der Google Maps-Technologie.

Wie groß können diese Dateien werden? Eine einfache Frage, auf die es keine einfache Antwort gibt. Die Dateigröße hängt von einigen Parametern ab, darunter:

– Art der Probe

– Größe des Scanbereichs

– Objektivvergrößerung

Hier sind einige Beispiele:

Präparat

Link

Dateigröße

Mamma HE, 20x Objektiv

Ca. 500 MB

Pleural Fluid, 100x Objektiv 

Ca. 1,5 – 2 GB

Orang Utang Upper Lip, 40x Objektiv 

Ca. 2 GB

2. Digitale Mikroskopie

Das Hauptziel der digitalen Mikroskopie besteht darin, dass die Benutzer ihre Proben live am Computerbildschirm betrachten können.

Der Hauptunterschied zwischen der digitalen Mikroskopie und der analogen Mikroskopie besteht darin, dass das Bild von einer Digitalkamera aufgenommen und auf einem Bildschirm angezeigt wird, nicht durch das Auge der Person, die durch die Okulare des Mikroskops schaut. Die Digitalmikroskopie ist also die Weiterentwicklung der Analogmikroskopie. 

Digitalmikroskope ähneln in ihrer Funktion den analogen Mikroskopen insofern, als sie die sofortige mikroskopische Untersuchung eines physischen Präparats auf einem Bildschirm ermöglichen. Dabei werden zwei Haupttypen von Digitalmikroskopen unterschieden:

Einfache Digitalmikroskope sind im Wesentlichen analoge Mikroskope, auf die eine Digitalkamera montiert ist. Sie zeigen auf einem Bildschirm ein von der Kamera aufgenommenes mikroskopisches Bild an. Wesentliche Unterschiede bestehen in der optischen Beschaffenheit dieser Produkte: Der optische Strahlengang ist oft nicht auf die Generierung qualitativ hochwertiger Digitalbilder optimiert, sondern überwiegend für die analoge Betrachtung ausgelegt. 

Digitale Live-Mikroskope. Dabei handelt es sich um voll motorisierte Digitalmikroskope, die keine Bedienung am physischen Mikroskop erfordern. Sobald der Glasobjektträger unter dem Mikroskop platziert ist, kann der Benutzer das Mikroskop vollständig über eine Software auf einem Computer steuern, unabhängig davon, ob sich dieser Computer neben dem Mikroskop oder z. B. 500 km entfernt befindet. Bei dieser Art von Mikroskopen ist der optische Strahlengang meist ausschließlich für die Generierung hochwertiger Digitalbilder optimiert.

Wie funktioniert die Mikroskopie aus der Ferne?

Bei der Verwendung aus der Ferne gibt es erhebliche Unterschiede zwischen einem einfachen digitalen Mikroskop und einem digitalen Robotermikroskop. Während einfache Digitalmikroskope erfordern, dass der Benutzer vor Ort das Mikroskop manuell steuert, um durch die verschiedenen x-, y- und z-Positionen auf dem Objektträger zu navigieren, sind Robotermikroskope mit einem motorisierten x-y-Tisch und einer z-Achse ausgestattet, die es dem Benutzer ermöglichen, das motorisierte Mikroskop aus der Ferne vollständig und aktiv zu steuern.

Um den Fernzugriff über große geografische Entfernungen zu ermöglichen, kann eine normale Streaming-Software verwendet werden. Es wird jedoch dringend empfohlen, eine Streaming-Software zu verwenden, die speziell für das Streaming in höchster Bildqualität konzipiert ist. Während sich herkömmliche Software darauf konzentriert, die Verbindung zu halten und dabei den Videostream und die Bildqualität schnell reduziert, sollte die verwendete Software so programmiert sein, dass die beste verfügbare Bildqualität gestreamt wird.

Für die Fernbetrachtung muss eine ausreichend gute Internetverbindung vorhanden sein. Angesichts der enormen Fortschritte bei der Verfügbarkeit und Geschwindigkeit von Internetverbindungen ist die digitale Mikroskopie mit Fernbenutzern technisch kein Problem. Dennoch kann es für lokale Infrastruktur- und IT-Teams eine Herausforderung sein, wenn die Umstände eine Fernnutzung nicht zulassen.

Telemikroskopie für den Schnellschnitt

Unter Telemikroskopie versteht man die Möglichkeit, aus der Ferne auf ein digitales Mikroskop zuzugreifen. Die für die Telemikroskopie verwendeten Geräte werden als Digitalmikroskope bezeichnet, wobei dieser Begriff eine große Vielfalt von Produkten umfasst (siehe Kapitel Mikroskopische Bildgenerierungstechnologien).

Die fortschrittlichste Kategorie von Digitalmikroskopen sind die digitalen Live-Mikroskope, auch robotische Live-Mikroskope bezeichnet. Im folgenden Text verwenden wir ausschließlich den Begriff robotisches Live-Mikroskop. 

Was ist ein robotisches Live-Mikroskop?

Ein robotisches Live-Mikroskop ist ein voll motorisiertes Digitalmikroskop, welches vollständig über eine auf einem Computer installierte Software gesteuert werden kann und keinen physischen Eingriff des Bedieners am Mikroskop erfordert. Sobald der Glasobjektträger unter dem Mikroskop platziert ist, kann der Benutzer das Mikroskop vollständig über den Computer fernsteuern, unabhängig davon, ob sich dieser Computer direkt neben dem Mikroskop oder 500 km entfernt befindet.

Dies ist einer der vielen Gründe, warum ein robotisches Live-Mikroskop erhebliche Vorteile für intraoperative Konsultationen wie etwa den Schnellschnitt bietet. Weitere Gründe werden oben erörtert (siehe 6. Kann ein Schnellschnitt digitalisiert werden?)

7 interessante Fakten über robotische Live-Mikroskope

Robotische Live-Mikroskope:

1. Ermöglicht die Live-Beobachtung der physischen Probe

2. erlauben dem Benutzer, den Bildgebungsprozess zu kontrollieren

3. bieten eine ähnliches Nutzungserlebnis wie analoge Mikroskope

4. haben eine nahezu unmittelbare Visualisierungsgeschwindigkeit

5. benötigen nicht unbedingt eine Integration in ein LIS oder LIMS

6. erfordern keine Übertragung von Bilddateien vor der Betrachtung

7. benötigen keine Speicherinfrastruktur für große WSI-Dateien

Technische Anforderungen

Installation

Am Standort des Anwenders befindet sich das robotische Live-Mikroskop idealerweise dort, wo auch die Instrumente zur Probenvorbereitung aufgestellt sind. Das robotische Live-Mikroskop, das aus einer Mikroskopie-Hardware (dem Mikroskop) und einem Computer besteht, auf dem die Steuerungssoftware läuft, wird in der Regel vorkonfiguriert geliefert und erfordert nur wenige Installationsmaßnahmen. In den meisten Fällen wird der Host-Computer von der IT-Abteilung in das interne IT-Netzwerk integriert. Die Lösung ist nun einsatzbereit.

Um die Fernnutzung zu ermöglichen, ist eine spezielle Streaming-Software erforderlich, die von der IT-Abteilung eingerichtet werden kann. Es wird empfohlen, einen Streaming-Dienst zu verwenden, der auf die Bedürfnisse der Mikroskopie zugeschnitten ist, wobei die Bereitstellung der höchsten verfügbaren Bildqualität Vorrang vor anderen Streaming-Parametern hat. Da der Host-Computer Teil des internen Netzwerks ist, kann auf diesen Computer von anderen Computern innerhalb des Netzwerks aus zugegriffen werden, z. B. von einem Partnerinstitut.

Wenn der Computer und die Streaming-Software eingerichtet sind, kann das robotische Mikroskop nun vollständig ferngesteuert werden und ermöglicht die Steuerung sowohl des x-y-Tisches für die Navigation durch den Objektträger als auch der z-Achse für die Nachfokussierung aus der Ferne.

Monitor

Wenn es um die Qualität des angezeigten Bildes geht, spielt der Monitor, der das Bild anzeigt, eine große Rolle. Um qualitativ hochwertige Bilder anzuzeigen, wird eine Auflösung von 3840×2160 (4K) empfohlen. Für Fernkonsultationen wird auf beiden Seiten, d. h. für Sender und Empfänger, die gleiche Auflösung empfohlen.

Computer

Der Host-Computer muss in der Lage sein, die von der Steuerungssoftware erzeugten, verarbeiteten und visualisierten Digitalbilder zu verarbeiten. Daher sollte der Computer mit ausreichend internem Speicher, einem leistungsstarken Prozessor und einer guten Grafikkarte ausgestattet sein.

Vor der Bildübertragung werden die Bilder von der Streaming-Software komprimiert. Sie werden verpackt, um ihre Übertragbarkeit zu verbessern, was nur mit einem leistungsfähigen Host-Computer möglich ist. Der empfangende Computer muss nicht ganz so viel leisten, da das Entpacken der Bilder durch die Streaming-Software nicht sehr rechenintensiv ist.

Internetverbindung

Für die Fernnutzung muss sowohl auf der Seite des Mikroskops (Sender) als auch auf der Seite des Endnutzers (Empfänger) eine stabile Internetverbindung verfügbar sein.

Telemikroskopie mit Fernübertragung
Abbildung: Konzeptuelle Darstellung der Telemikroskopie mit Fernübertragung zwischen Mikroskop (Sender) und Endnutzer (Empfänger)

Die Internetleitung sollte in der Lage sein, mindestens 50 Mbit/s im Up- und Downstream aktiv zu verarbeiten. Das bedeutet, dass die Internetleitung in der Lage ist, während der gesamten Dauer des Streams kontinuierlich ein Datenvolumen von 50 Mbit/s in beide Richtungen zu übertragen.

Um ohne Verzögerungen arbeiten zu können, ist eine Übertragungsrate zwischen 30 und 60 Bildern pro Sekunde, auch FPS genannt, ideal.

Die Abkürzung „Mbit/s“ gibt an, wie viele Daten pro Sekunde übertragen werden können. 

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