Hochdurchsatzmikroskopie

Zum Thema Digitalisierung und Automatisierung in der Mikroskopie

Ludwig Wildner
Ludwig Wildner

Head of Software PreciPoint

Nicolas Weiss
Nicolas Weiss

CEO PreciPoint

Was versteht man unter Hochdurchsatzmikroskopie?

Das Ziel der Hochdurchsatz-Mikroskopie ist es möglichst viele Objektträger pro Zeiteinheit zu bearbeiten. Um den Grad der Effektivität zu messen, werden als Kennzahl die analysierten Objektträger pro Zeiteinheit herangezogen. Mit analysierten Objektträgern ist gemeint, dass sie Ihren primären Zweck erfüllt haben. Sie wurden beispielsweise beurteilt oder vom Forscher evaluiert und dokumentiert. Danach können sie für eine spätere Verwendung archiviert werden. Grundsätzlich kann zwischen zwei Methoden der Hochdurchsatzmikroskopie unterschieden werden, denn es können sowohl mit analogen als auch mit digitalen Methoden hohe Durchsätze erzielt werden. In diesem Artikel werden beide Verfahren berücksichtigt und es wird auf deren Unterschiede eingegangen.

Welche Parameter spielen eine Rolle bei analoger und digitaler Hochdurchsatzmikroskopie?

Mit einem analogen Lichtmikroskop und entsprechend konfiguriertem Mikroskopiertisch kann eine hohe Anzahl Proben in relativ kurzer Zeit untersucht werden. Der Mikroskopierende und die Probe müssen dafür jedoch immer zur gleichen Zeit am gleichen Ort sein. Die Geschwindigkeit hängt hierbei in hohem Maße von den individuellen Arbeitsabläufen des Labors ab.

Wichtige Parameter der analogen Hochdurchsatzmikroskopie:

  • Analysierte Objektträger / Zeit
  • Kosten (vorwiegend Personalkosten) / analysierte Objektträger

Die digitale Hochdurchsatz-Mikroskopie ermöglicht es ortsunabhängig und zeitversetzt zu arbeiten. Der Forscher, Pathologe oder Histologe muss die physischen Proben nicht mehr vor sich haben, da sie als virtuelle Präparate am Computer jederzeit abrufbar sind. Dafür müssen die Objektträger zunächst von Präparate-Scannern digitalisiert werden.

Wichtige Parameter der digitalen Hochdurchsatzmikroskopie:

  • Analysierte Objektträger / Zeit
  • Kosten* / analysierte Objektträger
  • Digitalisierte Objektträger / Zeit
  • Walk-Away-Zeit (Die Zeit, in der das Laborgerät eigenständig arbeiten kann; Bestimmt durch Lagerkapazität, Scangeschwindigkeit und Automatisierungsgrad)

Wie können große Mengen von Laborproben in möglichst kurzer Zeit analysiert bzw. befundet werden?

  1. Manuell analog:
    Auch mit analoger Mikroskopie kann ein hohes Probenaufkommen verarbeitet werden. Dafür werden je nach Aufkommen mehrere Lichtmikroskope und mehrere Mikroskopierende benötigt. Bei einem hohen Bedarf an Messungen ist dieser Prozess jedoch mit einem insgesamt hohen Zeitaufwand verbunden. Anmerkungen zu Proben können nicht direkt in der Probe erfolgen und müssen beispielsweise gesondert auf Papier erfasst werden.
  2. Manuell digital:
    Man verwendet ein Digitalmikroskop ohne automatisierte Probenzuführung und führt die Proben manuell zu. Zur Digitalisierung kann ein Analogmikroskop mit Kameraaufsatz oder ein Slide-Scanner ohne Slide-Lager verwendet werden. Die Proben werden anschließend in einer Viewer-Software betrachtet. Um einen hohen Durchsatz zu erreichen, müssen mehrere Geräte parallel scannen und beladen werden. Dadurch entsteht dementsprechend ein höherer Personalaufwand.
  3. Automatisiert digital:
    Hier nutzt man einen Slide-Scanner, bei dem die Zuführung der Objektträger automatisiert ist. Dadurch entsteht kein manueller Aufwand mehr und Proben können über Nacht gescannt werden. Anschließend können sie dann in der Viewer-Software jederzeit betrachtet werden. Der Slide Scanner arbeitet im Idealfall ohne manuelle Intervention, sodass man von der oben genannten “Walk-Away-Zeit“ sprechen kann. Diese wird durch die Größe des Lagers an Objektträgern im Scanner, durch die Scangeschwindigkeit und den Automatisierungsgrad bestimmt.


Wie digitalisiert man Mikroskopie?

Dafür wird ein Digitalmikroskop oder Slide Scanner benötigt. Slide Scanner werden aber nicht ausschließlich für hohe Probenaufkommen verwendet. Es gibt unter den Slide Scannern verschiedene Modelle, die auf unterschiedliche Durchsatzanforderungen und Qualitäten abgestimmt sind. Die Lagerkapazitäten beziehungsweise der Platz für Objektträger der Scanner reichen dabei von einem bis tausend Objektträgern. Die Lagerkapazität ist jedoch nicht der einzige Parameter, der die Walk-Away-Zeit beeinflusst.

Wie funktioniert ein Slide Scanner?

Die Funktionsweise der Scanner ist ähnlich, besteht jedoch aus unterschiedlichen Komponenten:

Lademechanismus:
Signifikante Unterschiede bestehen in den Ladesystemen der Scanner. Sie können manuell oder automatisiert beladen werden. Für die automatisierte Variante wird ein Lagersystem im Slide Scanner verbaut. Meistens gilt: je höher die Lagerkapazität an Objektträgern, desto größer das Gerät.

Lichtmikroskop + Kamera
Ein physischer Objektträger wird eingelegt und durch eine Verbindung aus Mikroskop-Optik, Mechanik (XY-Tisch und Z-Achse) und Kamera gescannt und als Datei gespeichert.

Bildverarbeitungssoftware
Damit automatisiert vollständige Bilder des Präparats entstehen, benötigt der Scanner spezielle Software. Solche digitalen Präparate nennt man auch “Whole Slide Images” (WSI) und die dazugehörigen Geräte “Whole Slide Scanner”.

Motorisierung XY-Tisch und Z-Achse
Um die Probe vollständig digital zu erfassen, muss entweder die Probe manuell bewegt und fokussiert werden oder die XY-Achse sowie die Z-Achse des Lichtmikroskops sind motorisiert und können dadurch die Probe selbständig Bewegen und Fokussieren.

Was versteht man unter einem Whole Slide Image?

Als Whole Slide Images (WSI) bezeichnet man vollständig digitalisierte Mikroskopie-Proben. Um eine Probe in ihrer Gesamtheit abzubilden, werden Einzelbilder in hoher Auflösung zu einem Gesamtbild vom Whole Slide Scanner zusammengefügt. Ein Whole Slide Image lässt sich somit am Bildschirm navigieren, vergrößern und analysieren, ähnlich wie ein Gewebeschnitt unter einem Mikroskop. Die digitale Probe bietet dem Betrachter ein großes “Field of View” und damit eine gute Übersicht und Orientierung in der Probe.

Was ist der Unterschied zwischen einem Slide Scanner und einem digitalen Mikroskop?

Nicht jedes digitale Mikroskop ist in der Lage Whole Slide Images anzufertigen. Die Bandbreite an verschiedenen Digitalmikroskopen ist sehr groß. Manche Systeme liefern lediglich ein Live-Bild der Kamera an einen angeschlossenen Computer. Andere können manuell Proben digitalisieren, indem man die einzelnen Bildabschnitte der Probe abfährt. Die gewonnen Einzelbilder werden dann zu einem Whole Slide Image zusammengefügt.
Digitalmikroskope mit integriertem Scanner und einem automatisierten XY-Tisch ermöglichen wiederum eine automatische Scanerstellung.

Ein Slide Scanner wird in der Regel genutzt um mikroskopische Proben möglichst schnell und vollständig zu Digitalisieren. Die meisten Scanner liefern lediglich ein gescanntes Bild (WSI). Alle weiteren Analysen müssen dann an dem gescannten Bild durchgeführt werden.

Manche Scanner und Digitalmikroskope bieten auch die Option, die Probe vor dem Scanvorgang einer automatischen Qualitätskontrolle zu unterziehen. Über ein Übersichtsbild werden besonders relevante Stellen identifiziert oder die Qualität der Probe überprüft.
Darüber hinaus bieten bestimmte Digitalmikroskope auch die Möglichkeit, die Probe vor dem Scanvorgang, wie mit einem analogen Mikroskop, zu untersuchen.

Welche Rolle spielt Hochdurchsatz-Mikroskopie und welche Herausforderungen entstehen dadurch?

Höhere Probenaufkommen
Die heutigen Anforderungen an Labore steigen konstant. Damit einhergehend steigen die Anforderungen an die Ausbildung von Labormitarbeitern und medizinisch technischen Angestellten (MTA). So müssen Forschungslabore für Studien oft eine große Anzahl an Proben analysieren, um statistisch relevante Ergebnisse zu erzielen. In den Pathologien werden mehr Einsendungen empfangen als je zuvor, bedingt durch die erhöhte Anzahl an Biopsien. In der Lehre sind unter anderem bedingt durch die Corona-Pandemie, virtuelle Proben attraktiver geworden, die ebenfalls effizient digitalisiert werden müssen.

Mangel an Personal und Expertise
Proportional zum wachsenden Probenaufkommen, gibt es aktuell nicht ausreichend neue Fachkräfte, um die Last abzufangen. Insofern kommt es zu einem Engpass, der zumindest kurz- und mittelfristig nicht durch menschlichen Arbeitseinsatz ausreichend kompensiert wird. So kommt es zu einem höheren Zeitdruck in den Laboren, der Störungen und Abweichungen in den Arbeitsabläufen noch schwerwiegender macht.  Eine Abhilfe durch digitale und automatisierte Technologie ist also naheliegend. Forscher oder Pathologen mit Spezialexpertise sind oft nicht vor Ort verfügbar. Falls möglich, müssen die Proben dann per Post versandt werden.  Durch die komplexeren Aufgabenstellungen und die Internationalisierung in der Forschung sowie die große Varianz an möglichen Diagnosen  in der Pathologie ist ein effizienter Austausch zwischen Kollegen unabdingbar. Die Verwaltung einer physischen Probenbibliothek in Kliniken, Forschungseinrichtungen oder Museen  ist ressourcenintensiv. In der Folge wird viel Zeit benötigt, um die Proben für Diskussionen und Teambesprechungen zu finden und vorzubereiten.

Anforderungen an eine moderne Arbeitsumgebung im Laborumfeld
Der Wunsch und die Notwendigkeit ortsunabhängig und zeitlich flexibel zu arbeiten ist eine der größeren Herausforderungen. Die Möglichkeit im Home-Office an Proben zu arbeiten oder die Arbeitslast flexibler zu verteilen, setzt ebenfalls eine effiziente Digitalisierung der Proben voraus.
Ein weiterer Aspekt ist die Handhabung und die Ergonomie beim Mikroskopieren. Beim analogen Untersuchen der Proben durch das Okular muss z.B. der Pathologe das Mikroskop bedienen und diktiert währenddessen den Befund. Diese Arbeitshaltung kann zum einen zu orthopädischen Problemen führen. Zum anderen ist eine Sortierung der Fälle und zugehöriger Akten umständlicher als beim digitalen Befunden und Unterstützung durch ein Pathologieinformationssystem.

Aufbewahrungsvorschriften
Bereits diagnostizierte Proben unterliegen der Archivierungspflicht, das gilt ebenso für Proben, die in Studien verwendet werden. Aufgrund dieser Vorschriften stapeln sich die Proben im Keller und es werden Platz, Finanzmittel und Personal benötigt, um Lagersysteme, mit systematischem Zugriff auf die Proben zu erstellen und betreiben. Durch den Einsatz digitaler Archive kann diese Problematik entzerrt werden, indem etwa Proben durch eine Suchmaske und Filter im Bildverwaltungssystem gefunden werden, ohne dabei den Arbeitsplatz zu verlassen.


Wie kann die Hochdurchsatzmikroskopie beitragen diese Probleme zu lösen?

Digitalisierung und Automatisierung erhöhen die Effizienz
Mikroskopie und Analyse der Proben profitieren von einer digitalen Arbeitsumgebung durch:

  • Die Analyse der Proben erfolgt am Bildschirm, ohne das physische Proben am Arbeitsplatz nötig sind. Der Arbeitsplatz wird dadurch ortsunabhängig.
  • Die Dokumente, Fotodokumentation (z.B. vom Zuschnitt) und Metadaten zu jeder Probe sind durch das digitale Archiv direkt zugänglich.
  • Das Diktat kann direkt mittels digitaler Spracherkennung erfolgen.
  • Durch die Verknüpfung der Daten können Fehler reduziert werden
    Verringerter Dokumentationsaufwand

Automatisierung kann verschiedenen Schritte im Labor verbessern. Von Gewebeentwässerung, Schnittfärbung und Eindeckelung bis hin zur Immunohistochemie. Im Zusammenspiel mit einer automatisierten Probendigitalisierung ergeben sich folgende Vorteile:

  • Strukturierung und Optimierung der Arbeitsabläufe
  • Optimale Auslastung von Laborkapazitäten
  • Vermeidung von Wartezeiten
  • Präparate können über Nacht digitalisiert werden
  • Reduzierung der Durchlaufzeiten

Flexible Kollaboration und moderne Arbeitsweise
In einer immer stärker digitalisierten Welt wird eine schnelle und unkomplizierte Kommunikation in allen Bereichen erwartet. Für Labor- und speziell mikroskopische Arbeit ermöglichen digitale Proben orts- und zeitunabhängig zu arbeiten. Das bringt Vorteile wie:

  • Internationale Zusammenarbeit ist leichter
  • Konferenzen mit digitalem Bildmaterial
  • Zweitmeinungen zu Proben werden unkomplizierter, schneller und günstiger
  • Home-Office, ortsunabhängiges Arbeiten
  • Zeitlich flexibles Arbeiten
  • Experten und Organisationen profitieren von besserer Vernetzung untereinander
  • Arbeitsaufkommen können flexibler verteilt werden

Wie können Bildanalysen mit künstlicher Intelligenz Entlastung bringen?
Durch Digitalisierung entstehen größere Datenmengen, mit denen Software auf spezifische Fragestellungen trainiert werden kann. So ist die Digitalisierung Grundvoraussetzung für die Nutzung von künstlicher Intelligenz. Innerhalb der Pathologie und Histologie ist die KI wohl die größte Neuerung nach der Immunhistochemie und Molekularpathologie. Mithilfe der KI-Software können eine Reihe an Analysen automatisiert werden und benötigen im Vergleich zu manueller Auswertung nur einen Bruchteil der Zeit. Dadurch erhöht sich die Effizienz sowohl in der Pathologie, Histologie als auch in verschiedenen Qualitätskontrollen.

Was sind Beispiele für KI-Bildanalysen?

Analysen auf Zellbasis:

  • Zählen von bestimmten Zellen oder Partikeln
  • Messen von Abständen der Zellen zueinander
  • Bestimmen von Zell- oder Partikelkonzentrationen

Morphologische Analysen:

  • Erkennen von Strukturen in Gewebe und anderen Präparaten
  • Quantifizieren der morphologischen Strukturen
  • Automatische Klassifizierung von Präparaten

Die KI kann den Menschen hier nicht ersetzen, aber unterstützen und entlasten. Für eine Diagnose bzw. Beurteilung der Proben ist immer der entsprechende Experte zuständig.

Im Forschungsbereich ermöglicht die KI im Zusammenspiel mit großen Datensätzen Studien in viel größerem Umfang durchzuführen als bisher. Komplexere Software Programme erlauben den Forschern ihre eigenen Anwendungen auf KI-Basis zu entwickeln und damit verschiedenen Fragestellungen nachzugehen.

Digitale Archive ermöglichen effizienten Datenzugriff
Ein digitales Archiv kann das physische Archiv als vorschriftsmäßiges Lager nicht ersetzen, bietet aber viel bequemeren und schnelleren Zugriff auf Proben. Die Zugriffszeiten sind viel geringer und die Auffindbarkeit auch zusammenhängender Proben und Datensätze ist unmittelbar und präzise möglich. Im Gegensatz zu physischen Probenarchiven eignen sich digitale Archive um standortübergreifend als Zentralarchive genutzt zu werden. Das ermöglicht in Kombination mit KI-Bildanalysen die Forschung effizienter zu gestalten.

Für die fachliche Aus- und Fortbildung stellen mikroskopische Datenbanken eine große Erleichterung dar. Lehrende und Lernende können gleichermaßen von standardisierten und qualitativ hochwertigen Kursinhalten profitieren.

Die Anforderungen an eine Digitalisierungslösung unterscheiden sich je nach Anwendungsgebiet. Man kann folgende Anwendungen unterscheiden:

  • Forschung
  • Lehre
  • Routine Pathologie

Präparatescanner und zugehörige Software sollten verschiedene Anforderungen erfüllen:

Stabilität und Zuverlässigkeit

Forschung Lehre Routine Labor
Hohe Zuverlässigkeit und Sicherheit der Anlage
Höchste Zuverlässigkeit um Verzögerungen durch Arbeitsstau zu vermeiden
Proben dürfen nicht beschädigt werden : oft seltene Präparate
Proben dürfen nicht beschädigt werden : Aufwendige Nachanforderung und Reinigung
Einfache und intuitive Bedienung, da Personal und Einstellungen häufig wechseln
Vollständige Integration in IT
Integration in IT sowie in vor- und nachgelagerte Prozesse nicht standardmäßig gewünscht, optional.
Vollständige Integration in IT sowie in vor- und nachgelagerte Prozesse notwendig.
Einfache und intuitive Bedienung, da Personal und Einstellungen häufig wechseln
Bedienung angepasst auf die Anforderungen im Routinebetrieb; geschultes Personal, welches tagtäglich mit dem System arbeitet

Bildqualität

Forschung Lehre Routine Labor
Verschiedene Objektive einsetzbar (5x bis 100x)
Objektive einsetzbar (20x, 40x)

Hohe Farbtreue

Hohe Auflösung: Ortsauflösung, Dichteauflösung

Vollständige Erfassung der Probe optional

Vollständige Erfassung der Probe ist ein MUSS 

 

Automatische Gewebeerkennung optional 

Automatische Gewebeerkennung sollte verfügbar sein 

Komprimierung der Bilddaten 

Adäquate Anzahl an Fokuspunkten für gleichmäßige Bildschärfe (automatisch) 

Kapazität und Durchsatz

Forschung Lehre Routine Labor

Geringer bis mittlere Kapazität und Durchsatz 

Hohe bis sehr hohe Kapazität und Durchsatz

 

Automatisierung: benötigte Walk-Away-Zeit kann stark schwanken 

 

Hohe Walk-Away-Zeit benötigt 

 

unregelmäßig, oft in Projektspitzen   

 

regelmäßig, täglich

 

Proben oft uneben und entsprechend aufwendig in der Digitalisierung

 

Proben sehr flach und entsprechend schnell digitalisierbar

 

Oft unterschiedliche Dimensionen der Objektträger 

 

Standardisierte Dimensionen der Objektträger

 

Hohe Walk-Away-Zeiten wünschenswert

 

Höchste Walk-Away-Zeiten notwendig

 

Vernetzung

Forschung Lehre Routine Labor

Integration mit Image Management System (IMS) 

Integration mit LIMS des Forschungslabors ist möglich 

Integration des Scanners in Pathologie Informationssystem ist ein MUSS 

 

 

Online Upload der Daten möglich für Konferenzen, internationale Zusammenarbeit, Vorlesungen und Prüfungen

Einfaches Teilen von digitalen Präparaten für Konsilmeinungen 

Viewer Software muss für alle verfügbar sein 

Zusammenspiel mit pathologiespezifischer Viewer-Software

Erfassen von Barcodes optional

Erfassen von Barcodes ist ein MUSS

Integration mit Laborperipherie je nach Anforderung 

Zusammenspiel mit anderen Laborgeräten ist nötig (z.B. Färbeautomaten)

Home-Office sollte möglich sein

KI-Schnittstellen sollten verfügbar sein 

Digitales Probenarchiv ist verknüpft 

Integration nicht standardmäßig gewünscht, optional

Integration mit Image Management System (IMS) oder Picture Archiving and Communication System (PACS)

Flexibilität

Forschung Lehre Routine Labor

Unterschiedliche Geometrie und Dimension von Objektträgern möglich

Anpassung an Dimensionen der Objektträger des Instituts möglich

Vernetzung des Systems (Siehe oben) mit Drittanbietern möglich

Kontinuierliches Be- und entladen des Systems möglich

Priorisierung von Proben optional

Priorisierung von Proben sollte möglich sein

Projektmanagement

Forschung Lehre Routine Labor

Je nach Komplexität und Dringlichkeit der Workflows sollte die Digitalisierung als Projekt erfolgen, um Unterbrechungen und Störungen zu vermeiden

Verwendung und Zugriff der Mitarbeiter und Studenten auf Slide Scanner und Software muss geregelt werden 

 

Digitalisierung sollte als ganzheitliches Projekt erfolgen und Zusammenhänge im Institut berücksichtigen

Bereitstellung der Daten für alle Nutzer muss sichergestellt sein
Workflow muss ganzheitlich geplant und auf die Anforderungen des jeweiligen Instituts angepasst werden
Slide-Scanner und Geräte alleine sind aufgrund der höheren Komplexität und Vernetzungsgrad nicht ausreichend für erfolgreiche Prozesse

Wie kann die Digitalisierung im Labor gelingen?

Wie kann die Digitalisierung im Labor gelingen?

Labore, die einen hohen Probendurchsatz verzeichnen, können diesen auf verschiedene Arten bewältigen. Die langfristig sinnvollste Art ist sicherlich die verfügbaren Digitalisierungs- und Automatisierungstechnologien zu nutzen.

Veränderungen, vor allem organisatorischer Art sind meistens mit großen Schwierigkeiten verbunden. Das muss aber nicht unbedingt so sein. Vor jedem Digitalisierungsprojekt sollte eine Analyse, Planung und Einübung neuer Arbeitsweisen durchgeführt werden. So können Unsicherheiten und Risiken reduziert werden. Das gilt sowohl für schrittweise Verbesserungen als auch für eine vollständige Umstellung auf digitale Arbeitsweisen.

Digitale Hochdurchsatzmikroskopie bietet vielen Laboren eine erhebliche Entlastung und verbesserte Effizienz der Prozesse. Mit der Zeit, werden immer mehr Technologien im Feld der Digitalen Mikroskopie und Bildanalyse verfügbar sein. Labore, die rechtzeitig diesen Wandel für sich nutzen, können sowohl mit Wettbewerbsvorteilen als auch langfristig effizienteren Kostenstrukturen rechnen.

Wie kann mit der Labordigitalisierung begonnen werden?

Dieser Artikel soll ein besseres Verständnis dafür vermitteln, wie hohe Durchsätze in der Mikroskopie verarbeitet werden können und welche Anforderungen beachtet werden sollten.

Egal, ob Ihr Ziel die Steigerung der Effizienz durch Digitalisierung oder die Implementierung von Automatisierung ist, größere Veränderungen müssen nicht überwältigend sein, und Sie müssen sie nicht allein durchführen.

Wie kann mit der Labordigitalisierung begonnen werden?

Dieser Artikel soll ein besseres Verständnis dafür vermitteln, wie hohe Durchsätze in der Mikroskopie verarbeitet werden können und welche Anforderungen beachtet werden sollten.

Egal, ob Ihr Ziel die Steigerung der Effizienz durch Digitalisierung oder die Implementierung von Automatisierung ist, größere Veränderungen müssen nicht überwältigend sein, und Sie müssen sie nicht alleine durchführen.  

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