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Was können Sie von der Digitalisierung Ihrer Forschungsarbeiten heute schon erwarten?

Anne-France Carter

Anne-France Carter

Content Creator at PreciPoint GmbH

Digitalisierung: Grundstein für künstliche Intelligenz

In unserem virtuellen Event zum Thema „Wie trägt die digitale Mikroskopie zu Ihrer Forschungsarbeit bei?“ zeigte uns Science Manager Paul Jank auf, wie sich seine tägliche Forschung am Institut mit der digitalen Mikroskopie gestaltet. In diesem Artikel fassen wir zusammen, welche Möglichkeiten die Technologie für die Forschung heute schon eröffnet und welche Überlegungen Sie schneller zum Erfolg Ihrer Digitalisierungsarbeit führen.

Digitale Mikroskopie fördert die Forschungskooperation

Seit über 6 Jahren hat Paul Jank in seiner Forschung Berührungspunkte mit digitalen Mikroskopen und dem Scannen von Objektträgern mit dem Präparatescanner. Damit ist seine Arbeit viel integrativer geworden. Die Digitalisierung hat interne Prozesse beschleunigt und die Institut-übergreifende und internationale Kooperation vereinfacht.

Paul spricht von den wichtigsten Vorteilen in seinem Alltag:

• Nicht ärztliches Personal wird in den Workflow miteinbezogen.
• Fälle werden mit Überseepartnern gemeinsam mikroskopiert.
• Kooperationspartner analysieren dasselbe Bild und haben so die exakt gleiche Gesprächsgrundlage.
• Die digitalisierten Schnitte sind sehr schnell zugänglich und teilbar.

Unmittelbarer Vorteil: Sofort verfügbare Schnitte

Um es noch genauer auf den Punkt zu bringen, liegt für Paul der größte Gewinn der Digitalisierung daran, dass die Schnitte sehr schnell verfügbar sind. Nach dem Scannen stehen die Schnitte als Whole Slide Image (WSI) jederzeit und ortsübergreifend zur Verfügung.

Die Zeit zum Schnitt hat sich deutlich verringert, denn das Personal muss die Proben nicht mehr aus dem Archiv heraussuchen oder auf den Postweg bringen. Diese werden in der strukturierten Datenablage (digitale Probenzuordnung) schnell gefunden und sofort mit den jeweiligen Forschungspartnern geteilt.

Objektträger werden digitalisiert und am Bildschirm analysiert

Ohne digitale Proben keine Künstliche Intelligenz

Digitalisierung eröffnet aber auch völlig neue Wege für die Forschung. Schlichtweg machen Whole Slide Images den Einsatz von künstlicher Intelligenz (KI, im englischen AI) in der Forschungsarbeit erst möglich.

Dies hat das Institut für Pathologie an der Uni Marburg erkannt und führt bereits verschiedene Forschungsprojekte digital durch. Ein gutes Beispiel davon gibt es im Bereich der Biomarker-Validierung, mit dem direkten Vorteil, dass die Interobserver-Variabilität gemindert wird.

In der Gewebeforschung arbeitet jeder Doktorand am Institut nur noch mit Künstlicher Intelligenz und versucht validierte Syntaxen zu schreiben, um künftig Auswerteschemata mit KI vorhalten zu können.“

Paul Jank, Science Manager und Biotechnologe am Institut für Pathologie,
Philipps Universität Marburg.

Biomarker-Auswertung an Tissue Micro Arrays

Einen besonders erfolgreichen Einsatz künstlicher Intelligenz im Forschungsbereich hat das Institut für Pathologie bei der Tissue Micro Array (TMA) gemacht. Um die Auswertung von Immunhisto-Biomarkern zu standardisierten wurde die KI so trainiert, dass sie automatisch Tumorzellen von Stroma unterscheidet und Lymphozyten farblich unterscheidet. So können innerhalb von Minuten für ca. 1000 unterschiedliche Gewebeschnitten eine immunhistologische Auswertung getroffen werden. Die Werte können dann sehr einfach für die Statistik verwendet werden. Im Vergleich zu analogen Prozessen bedeutet das neue Verfahren eine erhebliche Zeitersparnis. Analog müsste der Forscher jede Probe einzeln auswerten. Ohne TMA müsste erst einmal jeder einzelne der 1000 Objektträger gefärbt werden.
Die KI markiert Lymphozyten und erkennt Tumorzellen von Stroma innerhalb von Minuten

KI-Forschung und Computational Pathology

Aktuell wird am Institut für Pathologie intensiv im Rahmen der automatischen Bildanalyse gearbeitet, der sog. Computational Pathology. In einem aktuellen Forschungsprojekt werden Lymphknoten mit Pancytokeratin gefärbt, um die prozentuale Infiltration von Tumorzellen automatisch zu bestimmen. Mit den digitalisierten Schnitten kann der Anteil der Tumorzellen sowie Fläche des Infiltrates im Lymphknoten viel einfacher und präziser ausgewertet werden.
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Automatische Bestimmung der prozentualen Infiltration von Tumorzellen

Studierende profitieren von der Digitalisierung

Auch im Bereich der Lehre arbeitet das Institut für Pathologie an der Universität Marburg mittlerweile digital. Die mit dem Digitalmikroskop erzeugten Bilder werden in eine Cloudbasierte Lernplattform eingebunden und den Studierenden in der Medizin und in der Humanbiologie zur online Mikroskopie zur Verfügung gestellt. Die Plattform macht, besonders in den Corona-Zeiten das Mikroskopieren vor Ort hinfällig, und erlaubt es den Studierenden durch die Slide-Annotationen und das Zusatzmaterial, auch remote für die Klausuren zu studieren.

Wichtige Überlegungen bei der Digitalisierung

250.000 Schnitte: das ist die Anzahl von Schnitten, die Paul allein für die Forschung retrospektiv am Marburger Institut und die Biobank von klinischen Brustkrebsstudien der German Breast Group digitalisieren möchte. Fast täglich kommen um die 50 bis 100 Schnitte für die Forschung hinzu. Aktuell hat das Institut ein Digitalisierungsdurchsatz von rund 350 Slides pro Tag. Dafür ist eine geeignete Lösung für die Speicherinfrastruktur notwendig, wenn man bedenkt, dass jeder einzelne digitalisierte Schnitt eine Dateigröße von 500 bis 1000 MB hat.

Zur Minderung der Dateigröße beim Scannen gibt es unverzichtbare Lösungen, wie zum Beispiel eine gute Dateikompression. Aber auch die Gewebeerkennung liefert gute Ergebnisse. Diese erkennt das zu scannende Gewebe auf dem Objektträger und lässt beim Scannen den Hintergrund oder das Gel aus. Es resultieren kleinere Bilddateien, was direkt zur Senkung des Bedarfs an Speicherplatz führt. Hier erfahren Sie mehr zur Gewebeerkennung.

Schrittweise digitalisieren

Bevor Sie mit der Digitalisierung starten, sollten Sie Ihre langfristigen Ziele klar definieren. Jedoch sollte die Digitalisierung immer darauf hinzielen, den Workflow effizienter zu machen.

Sie müssen nicht alles auf einmal digitalisieren. Überlegen Sie sich daher vorab genau, an welchen Punkten des Workflows eine Digitalisierung möglich und zielführend ist. Fangen Sie also dort an, wo Sie den Workflow möglichst nicht anhalten oder sogar schon beschleunigen können.

Fazit

Am Institut für Pathologie in Marburg sind die digitalisierten Schnitte das A und O für die Digitalisierung der Forschungs- und Laborworkflows.

Paul nutzt seit ein paar Jahren das M8 Mikroskop und Scanner zum Digitalisieren der Proben. Das kompakte Gerät bietet ihm Flexibilität in seiner Arbeit: „Das Gerät hat eine intuitive Bedienung und ist nach wenigen Minuten einsatzbereit. Das PreciPoint Bildformat vmic ist breit anwendbar. Und wenn doch was ist, ist der Kundenservice schnell hilfsbereit“, verrät Paul noch zum Schluss seiner Präsentation.

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