Virtuelle Mikroskopie
Bausteine, Möglichkeiten, Lösungen und Anforderungen
Geschäftsführer PreciPoint
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Übersicht
Was ist Virtuelle Mikroskopie?
Die virtuelle Mikroskopie bietet die Möglichkeit Orts- und Zeitunabhängig digital zu Mikroskopieren. Den Grundstein bilden digitalisierte mikroskopische Präparate, die auf einem Bildschirm betrachtet und bearbeitet werden können. Die Präparate können in Datenbanken abgelegt werden und mit nahezu unendlich vielen Nutzern geteilt werden. Abhängig von der verwendeten Software können zu den virtuellen Präparaten Informationen und Annotationen eingefügt werden.
Die virtuelle Mikroskopie ist eine Weiterentwicklung der Telemikroskopie (vgl. „Virtuelle Mikroskopie“ K.Glatz-Krieger, D.Glatz, M.J.Mihatsch). Im Gegensatz zur Telemikroskopie geschieht jedoch keine Live-Übertragung des mikroskopischen Bildes. Vielmehr wird mit Hilfe von geeigneter Kameratechnik ein virtuelles Abbild eines Präparates erzeugt, welches als Datei gespeichert werden kann.
Für digitalisierte mikroskopische Präparate gibt es viele Begriffe, so werden Sie auch als virtuelle Präparate, Scans oder Whole Slide Images bezeichnet. Doch was bedeutet das?
Unter Whole Slide Images (WSI), Scans und virtuellen Präparaten versteht man vollständig digitalisierte Mikroskopie-Präparate. Um ein Präparat ganzheitlich abzubilden, werden Einzelbilder in hoher Auflösung von einem Whole Slide Scanner aufgenommen und zu einem Gesamtbild zusammengefügt. Ein Whole Slide Image lässt sich mit Hilfe eines Computers über einen Monitor navigieren. Ähnlich einer Gewebeprobe, die unter einem Mikroskop betrachtet wird, lässt Sie sich vergrößern und analysieren.
Bausteine der virtuellen Mikroskopie
Bildgenerierung
Die Erstellung von digitalen Präparaten ist essenziell, wenn man virtuell mikroskopieren möchte. Hierbei gibt es drei unterschiedliche Möglichkeiten diese sogenannten Scans zu erstellen.
Mit einem Kameraaufsatz kann man die Bilder eines analogen Mikroskops auf den Bildschirm eines Computers übertragen und auch Scans erstellen. Diese Art der Digitalisierung zählt sicherlich zu den ersten Lösungen, die es auf dem Markt gab. Je nach Modell wird eine digitale Kamera anstelle des Okulars oder kurz hinter dem Okular auf dem Mikroskop angebracht. Mit Hilfe einer geeigneten Software können über einen Computer Bilder der Präparate aufgenommen werden. Diese manuelle Art der Bilderstellung ist häufig mit einem großen zeitlichen Aufwand verbunden.
Ein Digitalmikroskop vereint die Funktionen eines analogen Mikroskops, mit denen eines Scanners. Je nach Ausbaustufe, verfügt das Mikroskop über motorisierte Achsen (XY-Tisch, Z-Achse). Es benötigt keine Okulare, da das mikroskopische Bild direkt auf einen Monitor übertragen wird. Manche Digitalmikroskope verfügen über eine Live-Funktion und gleichzeitig über eine Scan-Funktion, damit Proben sowohl Live betrachtet werden als auch einscannt werden können. Sie sind also sowohl Scanner als auch Digitalmikroskop. Abhängig vom jeweiligen Modell fasst der Objekttisch zwischen 1 und 5 Präparaten, die ohne Unterbrechung, nacheinander digitalisiert werden können.
Slide-Scanner verwendet man für das Einscannen von Proben, also, um von physischen Objektträgern ein digitales Abbild zu erzeugen. Mit ihnen können ausschließlich Scans erstellt werden. Sie werden über eine dazugehörige Software gesteuert und fassen, je nach Modell, eine sehr große Anzahl an mikroskopischen Präparaten, teilweise bis zu 1000 Objektträger. Wenn Sie mehr zur Funktionalität von Scannern erfahren möchten, werfen Sie einen Blick in unseren Artikel zum Thema „Hochdurchsatz Mikroskopie.„
Wovon hängt die Qualität eines digitalen mikroskopischen Präparates ab?
Die Qualität eines mikroskopischen Scans hängt von vielen verschiedenen Faktoren ab. Wir wollen hier nur die, unserer Meinung nach, ausschlaggebendsten nennen.
Probenvorbereitung für die Digitalisierung
Wie bei allen mikroskopischen Verfahren, spielt die Qualität der Präparate auch in der virtuellen Mikroskopie eine große Rolle. Eine gute Probenqualität ist bei einer Software gesteuerten Verarbeitung essenziell.
Das bedeutet:
Die Proben sollten möglichst gleichmäßig dick sein, da während des Scan-Vorgangs vom System automatische Fokuspunkte festgelegt werden. Große Höhenunterscheide können zu Ebenen-Sprüngen und unscharfen Bereichen im fertigen Scan führen. Ein Nachjustieren ist im fertigen Scan nicht mehr möglich.
Die Proben müssen so auf den Objektträgern angeordnet werden, dass Sie sich im scanbaren Bereich des Gerätes befinden. Dieser ist vom System fest definiert. Alles was außerhalb dieses Bereichs liegt, kann nicht erfasst werden und führt zu unvollständigen Scan-Ergebnissen.
Die Proben sollten gleichmäßig gefärbt werden. Wie auch in der analogen Mikroskopie spielt eine gleichmäßige und nicht zu intensive Färbung eine große Rolle für die Sichtbarkeit einzelner Zellstrukturen. Die Farbgebung der Scans kann jedoch, wo zulässig, nachträglich etwas angepasst werden.
Zudem sollten die Präparate keine Lufteinschlüsse, Probenüberlappung und möglichst keine Staubpartikel enthalten, da dies allesamt zu Artefakten im digitalen Bild führen kann
Im Gegensatz zum menschlichen Auge sind computergesteuerte Programme nicht in der Lage Fehler auszubessern oder richtig einzuordnen. Deswegen ist es wichtig die Proben bereits vor dem Scannen auf die oben beschriebenen Merkmale zu kontrollieren.
Qualität der verwendeten Technik
Zunächst einmal ist es wichtig zu wissen, wie das Scannen abläuft. Dies ist unabhängig von der verwendeten Methode bei allen Arten der Bilderstellung ähnlich. Die Probe wird Stück für Stück abgefahren und dabei werden eine Vielzahl an einzelnen Bildern aufgenommen. Dies kann automatisch oder manuell erfolgen. Automatisch bedeutet, dass das System einen elektrischen softwaregesteuerten Tisch besitzt. Manuell bedeutet, dass die Steuerung des Tisches vom Anwender selbst übernommen werden muss. Alle aufgenommenen Bilder werden später von einer Software verarbeitet und zu einem Gesamtbild zusammengefügt.
Einerseits wird die Bildqualität von der Software selbst beeinflusst. Zum Beispiel spielt es für ein homogenes Gesamtbild eine große Rolle, wie die einzelnen Bilder in der Verarbeitung zu einem Gesamtbild zusammengefügt werden. Wie weit sich die Einzelbilder dabei überlappen, ist entscheidend für eine homogene Bildqualität. Mit Hilfe von softwarebasierter Objekterkennung werden die einzelnen Bilder nahtlos aneinandergefügt und miteinander verrechnet. Der industriebekannte Fachbegriff für diesen Vorgang ist das sogenannte Stitching.
Andererseits spielt auch die Verarbeitung der verbauten optischen Komponenten eine Rolle. Abhängig von der Qualität der verwendeten Teile (z.B. Objektiv, Tubuslinse, Kamera) werden qualitativ bessere, oder schlechtere, Einzelbilder geschossen. Dies führt am Ende zu besseren oder schlechteren Bildergebnissen.
Auch die Beleuchtung hat einen großen Einfluss, auf die Bildqualität. Eine schlechte Ausleuchtung kann im fertigen Scan zu dem bekannten Kachelmuster führen.
Zum Schluss gilt es sich bewusst zu werden, dass die Vergrößerung, mit der das Bild generiert werden soll, einen wichtigen Einflussfaktor darstellt. Wie auch in der analogen Mikroskopie, bestimmt die Objektivvergrößerung wie viele Details im digitalen Bild sichtbar werden. Je höher die Vergrößerung des Scans sein soll, desto höher muss auch die Vergrößerung des eingesetzten Objektivs sein. Je höher die Vergrößerung des Objektivs, desto mehr Einzelbilder müssen bei der Digitalisierung aufgenommen werden. Dementsprechend verlängert sich die Zeit, die es braucht, um einen Scan zu erstellen, ungefähr im Quadrat.
Wie unterscheidet sich die Qualität abhängig von der Gewählten Methode?
Kameraaufsatz
Scans, die mit einem nachträglich angebrachten Kameraaufsatz erstellt werden, sind meist von nicht allzu hoher Qualität. Dies liegt daran, dass die Bilder durch manuelles Hindurchfahren durch die Probe gewonnen werden. Zudem sind diese Systeme ursprünglich nicht für Digitalisierungsprozesse entwickelt worden. Unabhängig von der Kamera kann mit einer solchen Lösung regulär, analog und manuell mikroskopiert werden.
Digitalmikroskop
Scans, die mit einem digitalen Mikroskop erstellt werden, weisen meist eine ordentliche Qualität auf. Neben der Scanning-Funktion verfügen digitale Mikroskope auch über eine Live Ansicht, in der am Bildschirm live mikroskopiert werden kann.
Slide-Scanner
Slide-Scanner erstellen meistens Scans von guter Qualität in wenig Zeit. Bei vielen Scannern kann der Benutzer zwischen höherer Scangeschwindigkeit oder höherer Bildqualität wählen. Bei höheren Scangeschwindigkeiten kann das Risiko steigen, an Bildqualität einzubüßen.
IT-Infrastruktur/Bildspeicherung und -verbreitung
Es gibt verschiedene Möglichkeiten die erstellten Scans zu speichern und mit anderen Nutzern zu teilen. Ganz unabhängig von der genutzten Scan Methode.
Die einfachste Art ist die Speicherung auf einem Speichermedium vor Ort. Dies kann Speicherplatz auf einem Computer oder einer externen Festplatte bedeuten. Bei dieser Art der Speicherung ist eine Verbreitung schwierig, da nur eine Person gleichzeitig direkten Zugriff auf die Bilder haben kann.
Die Speicherung auf einem gemeinsamen Arbeitsserver, zum Beispiel in Universitäten und Lehreinrichtungen, bietet der gesamten Arbeitsgruppe die Möglichkeit auf die Bilder zuzugreifen. Die Betrachtung der Bilder wird also mehreren Nutzern ermöglicht und somit der Nutzerkreis erweitert.
Web-Server bieten die einfachste Möglichkeit die Scans mit möglichst vielen Nutzern zu Teilen. Sie werden dazu auf den Internet-Server hochgeladen und können über den Web-Browser abgerufen werden. Hierbei kann man verschiedene Nutzer anlegen, sodass die Bilder nur über einen Passwortgeschützten Zugang zu erreichen sind. Diese Web-Server basierte Art der Speicherung wir oft auch als Cloud bezeichnet.
Bildbetrachtung
Um mikroskopische Scans vollumfänglich nutzen zu können, ist eine geeignete Bildbetrachtungssoftware notwendig. Je nach Bildformat können nur sehr spezielle Programme die Bilder verarbeiten. Diese sogenannten Viewing-Softwares bieten verschiedene Möglichkeiten die Bilder auch auszuwerten. Mit verschiedenen Annotations-Werkzeugen können beispielsweise Linien und Kreise eingezeichnet werden oder schriftliche Hinweise angebracht werden. Es ist sogar möglich in solche Programme eine künstliche Intelligenz mit einzubinden. Mit Hilfe dieser KI wird eine automatische Auswertung bestimmter Strukturen oder Zellen möglich. Im Idealfall können die Annotationen und Auswertungen bildspezifisch gespeichert werden und stehen bei der nächsten Betrachtung des Scans wieder zur Verfügung.
Es besteht auch die Möglichkeit eine Viewing Software in eine Cloud zu integrieren. Bei dieser Variante können die Scans nicht nur über den Web-Server mit anderen Nutzern geteilt werden, sondern auf der Plattform auch direkt betrachtet werden. Zusätzlich können häufig auch Informationen zu den Bildern bereitgestellt werden. In dieser Art der Cloud werden Bildspeicherung, Bildverbreitung und Bildbetrachtung vereint. Dies gibt dem Nutzer eine gute Gesamterfahrung, da die einzelnen Komponenten zu einem Gesamtkonzept werden.
Grundsätzlich ist die Betrachtung der Scans mit jedem Endgerät möglich. Egal ob Großbildschirm, Smartphone, Tablet oder Laptop. Die Beschaffenheit des Bildschirms ist hier jedoch entscheidend für die wiedergegebene Bildqualität.
Welche Technikstandards sollten erfüllt werden?
Internetgeschwindigkeit
Die Internetgeschwindigkeit spielt besonders bei der Erstellung eines virtuellen Mikroskops eine Rolle. Sollen die Scans über eine Cloud verarbeitet werden sollte die Internet Leitung mindestens 50 Mbit/s verarbeiten können.
Die Abkürzung „Mbit/s“ gibt an wie viele Daten pro Sekunde übertragen werden können. Damit die Datenübertragung in die Cloud nicht zu viel Zeit in Anspruch nimmt ist eine schnelle Internetleitung hilfreich.
Hier ein Rechenbeispiel:
Ein Scan mit einer 20x Vergrößerung ist 400 MB groß. Bei einer 50 Mbit/s (entspricht 6,25 MB/s) schnellen Internetleitung dauert die Übertragung der gesamten Datei etwa 64 Sekunden.
Für die Betrachtung der Bilder in der Cloud reicht auch eine weniger schnelle Internetleitung aus. Dabei muss nämlich nicht die gesamte Bilddatei übertragen werden, sondern immer nur der aktuell auf dem Bildschirm angezeigte Teil.
Abhängig von der Bildschirmauflösung (16 Mbit/s bei Full HD und 64 Mbit/s bei 4k), wird diese Bandbreite folglich nur ganz kurz während des Ladens des Bildausschnitts beansprucht. Im Anschluss wird die Bandbreite bis zur nächsten Bewegung im Präparat nicht mehr beansprucht. Da die meisten Smartphones über eine mobile Datenübertragung von 4G verfügen (dies entspricht bis zu 300 Mbit/s) ist eine virtuelle Betrachtung von Proben auch problemlos von Unterwegs möglich.
Bildschirmauflösung
Die Bildschirmauflösung ist besonders für die Betrachtung und Bearbeitung der hochauflösenden Scans von Bedeutung. Als Grundregel gilt: Für eine gute Darstellung ist es wichtig, dass der Bildschirm verglichen mit der Scanauflösung eine größere oder gleiche Auflösung hat. Deswegen ist eine Auflösung von mindestens 2.560 x 1.440 (QHD) zu empfehlen.
Viele moderne Endgeräte, ebenso Smartphones und Tablets haben bereits Bildschirme mit einer solchen Auflösung.
Moderner Browser
Ein moderner Browser ist notwendig, um die Oberfläche darstellen zu können und die Interaktivität zu gewährleisten. Jede aktuelle Version von Google Chrome, Mozilla Firefox, Edge und Safari wird unterstützt. Eine vollständige Liste der unterstützten Browsern gibt es unter Angular Browser Support.
Grafikkarte mit WebGL2.0-Support
Um den grafischen Anforderungen gerecht zu werden und alle Inhalte korrekt anzeigen zu können, wird WebGL 2.0 genutzt. WebGL 2.0 basiert auf OpenGL ES 3.0, das von der Grafikkarte unterstützt werden muss.
Welche Möglichkeiten bietet die virtuelle Mikroskopie im Vergleich zur analogen Mikroskopie?
| Herausforderungen der analogen Mikroskopie | Möglichkeiten der virtuellen Mikroskopie | Anwendungsbereiche |
|---|---|---|
|
Direkter Austausch über ein physisches / reales Präparat ist umständlich (Mehrkopf-Mikroskope) |
Gleiche Darstellung für Alle bietet eine gemeinsame Grundlage und eine gute Basis für Diskussionen |
Forschung, Lehre, Aus- und Weiterbildung |
|
Färbungen bleichen mit der Zeit aus |
Digitale Scans der Proben behalten Ihre Qualität bei –
Ältere Präparate können durch eine digitale Kopie haltbar gemacht werden |
Lehre, Aus- und Weiterbildung, wissenschaftliche Sammlungen |
|
Begrenzte Teilnehmerzahlen in Mikroskopie Kursen (Begrenzte Zahl an Mikroskopen) |
Simultan, für uneingeschränkt viele Nutzer zugänglich |
Lehre, Aus- und Weiterbildung |
|
Wertvolle und seltene Präparate können nicht allen einzeln zur Verfügung gestellt werden |
Präparate können uneingeschränkt zur Verfügung gestellt werden, das Original verbleibt geschützt in der Sammlung |
Wissenschaftlicher Sammlungen, Lehre, Aus- und Weiterbildung |
|
Keine Garantie, dass auf jedem Präparat die relevanten Strukturen sichtbar sind |
Da nur ein reales Präparat benötigt wird ist es einfacher sicher zu stellen, dass die relevanten Strukturen im Präparat zu finden sind |
Lehre, Aus- und Weiterbildung |
|
Notizen und Skizzen zu den Präparaten müssen händisch angefertigt werden, Richtigkeit ist nicht überprüfbar |
Annotationen und Hinweise können direkt in das Präparat eingebunden werden
Dies kann für das gleiche Präparat zusammen in der Gruppe geschehen und gleichzeitig auch Nutzerdefiniert sein |
Forschung, Lehre, Aus- und Weiterbildung |
|
Präparate Sammlungen sind ortsgebunden |
Ortsübergreifende, virtuelle Sammlung, keine Gefährdung durch Versenden an Interessenten |
Forschung, Lehre, Aus- und Weiterbildung, wissenschaftliche Sammlungen |
|
Mikroskopieren außerhalb des Labors ist schwierig, da kein Mikroskop vorhanden |
Mikroskopieren wird auf computergestützten Endgeräten möglich |
Forschung, Lehre, Aus- und Weiterbildung, wissenschaftliche Sammlungen |
Was sollte bei der Umsetzung/dem Kauf beachtet werden?
Die Anschaffung von einem geeigneten Scanning Gerät zur Digitalisierung von Präparaten muss gut überlegt sein. Unter Umständen kann sich auch ein Scan-Service lohnen. Hier werden die Präparate zum Hersteller geschickt und dieser digitalisiert diese.
Hier raus ergeben sich vier Möglichkeiten der Digitalisierung von Präparaten. Die Digitalisierung mit Hilfe eines Kameraaufsatzes, mit Hilfe eines digitalen Mikroskops, mit Hilfe eines Slide-Scanners und die Inanspruchnahme eines Scan-Service.
Bei der Wahl einer geeigneten Digitalisierungsart gilt es verschiedene Faktoren zu berücksichtigen.
Wie viele Präparate sollen digitalisiert werden?
| Kameraaufsatz | Digitales Mikroskop mit Scan-Funktion | Slide-Scanner | Scan-Service | |
|---|---|---|---|---|
|
Anzahl an zu digitalisierenden Präparaten |
Wenige Präparate pro Woche |
5-10 Präparate pro Tag
oder Sammlung bis 500 Präparate |
10+ Präparate am Tag |
Abhängig von der Projektgröße bis zu 20 Präparate am Tag |
|
Lade-Kapazität |
1 Präparat |
1-8 Präparate |
1-1000 Präparate |
Abhängig vom gewählten Scansystem |
|
Größe des Geräts |
Platz eines Mikroskops |
Platz eines Mikroskops |
Ähnlich einem Mikroskop bis hin zu 2m x 2m |
Es wird kein Platz vor Ort benötigt |
|
Benötigte Arbeitskraft |
Eine Person während der gesamten Dauer des Digitalisierungsprozesses |
Eine Person, nur zum nachladen |
Eine Person, nur zum nachladen |
Keine |
Welche Qualität der digitalen mikroskopischen Bilder ist zu erwarten?
| Kameraaufsatz | Digitales Mikroskop mit Scan-Funktion | Slide-Scanner | Scan-Service | |
|---|---|---|---|---|
|
Qualität des Scans |
Niedrig |
Mittel bis hoch |
Hoch |
Abhängig vom verwendeten Gerät |
|
Beispiele für Anwendungen |
Zum Einfügen in Berichte, mit Begrenzter Datengröße |
Forschung und Lehre |
Labore mit einem hohen täglichen Probenaufkommen oder sehr umfangreiche wissenschaftliche Sammlung |
Forschungsprojekte, Lehrprojekte |
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