范嘉盈， 张 岚， 陈荪红

（上海交通大学医学院实验教学中心，上海 200025）

虚拟切片技术在实验教学中的应用

范嘉盈， 张 岚， 陈荪红

（上海交通大学医学院实验教学中心，上海 200025）

医学形态学是一门重要的医学基础课程，实验教学则是形态学教学的关键环节。传统形态学实验教学模式依赖于书本、玻璃切片和光学显微镜三者的结合，存在一定局限性。随着数字化技术和信息化技术在高校的普及，现代化的教学手段已被逐步运用于教学之中，为形态学实验教学寻求新的途径。阐述和分析了虚拟切片技术的优势、特点和功能，介绍其在教学、临床和学术交流等领域的广泛应用，旨在更大限度地利用和共享有限的教学资源，激发学生学习的积极性和主动性，从而提高实验教学质量，深化实验教学改革。

形态学;虚拟切片;全视野

0 引言

虚拟切片(virtual slides)又叫数字切片(digital slides)，是利用计算机结合显微镜摄影技术，将一张传统的组织切片转化为一张全视野的数字化虚拟切片，后者包含前者的所有信息，并保持了前者的完整性和真实性［1］。虚拟切片技术应用广泛，可应用于常规HE染色、特殊染色、甚至荧光染色的组织切片。

传统的组织切片是形态学的重要载体，组织学和病理学基于观察各种组织切片来理解和巩固理论知识，因此切片的数量和质量必须达到教学要求。但优质的组织切片非常难得，而且在切片的保存上仍然需要较大的存放空间、容易破损、长期使用易褪色等缺点，且必须在显微镜下方能观察的要求大大制约了形态学的教学质量［2］。目前从事形态学教学的工作者想方设法改善传统组织切片所带来的缺陷，如利用多媒体技术为学生显示尽可能多的组织学和病理学经典显微照片，但是由于这些照片仅代表局部的组织特征，并非学生通过显微镜下观察，结合理论知识主动得到的信息，因此并不能给学生带来深刻的感性认识，其教学效果值得商榷［3］。

数字切片因其记录了原始切片中的所有信息，可将数百张传统切片的信息，保存于一个小小的移动硬盘。观察数字切片时无需显微镜，仅需一台电脑，在利用电脑察过程中可随意拖动、放大或缩小，并可随时进行标示和注解，不仅传统形态学实验的缺陷迎刃而解，而且学习效果更好。在电脑高度普及的今天，数字切片的重要性日益显示。

1 虚拟切片工作站

虚拟切片工作站是Olympus VS120(见图1)，配备BX61VS显微镜、Olympus VC50高清摄像头和 HP Z400计算机，该套装置配套 VS-ASW采集软件和Olyvia数字扫描阅片软件。

图1 Olympus VS120虚拟切片工作站

1.1 硬 件

因为计算机需要完成显微镜的控制、图像的采集、拼接等一系列工作，为保证扫描速度和图像质量，硬件配置上需要满足以下条件:

(1)硬盘。硬盘容量至少1TB。放大倍数越高，切片面积越大，所需的储存空间就大，一张1 cm×1 cm的组织切片经过扫描后所保存文件的大小在500 MB左右。

(2)CPU和内存。CPU为Intel Xeon W3565，内存达到4 GB。图像处理本身需要消耗相当大的资源，计算机在控制CCD拍摄同时，还需完成无缝拼接，因此主频越高，内存越大，才能保证处理速度越快。

(3)显示器分辨率高。显示器至少为24英寸，1 920×1 200的最大分辨率，为全局视图提供了良好的展示条件。

(4)显卡。显卡是Nvidia Quadro 600专业图像显卡，为整个图像处理过程提高更高效更卓越的性能。

1.2 软 件

(1)VS-ASW采集软件。VS-ASW负责图像采集、编辑等并生产一个压缩和封装的特定格式的文件。该软件有三种工作模式:全自动模式、专家模式和深度虚拟模式。全自动模式下，只需在载物台放置好切片，选择物镜倍数，软件将能自行完成识别、对焦和扫描，以及自动白平衡，只对切片部分进行处理，空白区域不扫描。专家模式可选择所需扫描的范围，进行局部扫描，只对感兴趣的一个或者几个区域进行扫描，而其他区域则自动跳过。因此，不同的扫描设置可以针对不同需求进行扫描，节省大量的扫描时间，提高扫描能力，减少数据文件的大小，使扫描过程尽可能快和尽可能高效。以上两种模式都是对切片进行X和Y轴的连续扫描，在Z轴是进行自动聚焦，深度虚拟模式则是通过指定深度、范围等多个属性，对一定深度的Z平面各个层面进行扫描，该扫描模式，特别有利于观察厚样品，如细胞集群或颅神经等。

(2)OlyVIA阅片软件。OlyVIA是一个用来观看图像文件的应用程序，可供学生或者研究人员在其他场所阅片，但不具备编辑和使用等其他功能。此外，VS-ASW除了保存为 vsi特定格式，也可以保存为JPEG和TIFF格式，这种格式包含了经摄像头拍摄下的所有图层图片，因为未经过压缩，所以文件较大，但优点是能将数字切片导入到图像分析软件进行标准化分析。几种保存格式各具特色。

2 虚拟切片工作站的功能

2.1 观察功能

虚拟切片工作站利用计算机控制显微镜载物台进行自动移动和自动聚焦，并通过高清CCD摄像头对组织切片进行连续拍摄，然后将所有拍摄下的照片进行无缝拼接和融合［4］，生成一张全视野的数字化虚拟切片(见图2)。它犹如Google地图，能进行连续观察整体到局部、由低倍到高倍(1～100倍)之间任意放大或缩小，并保证图像信息不失真，色彩还原度高。同时显示的导航图能够展示图像的全局视图及当前所处位置，有利于观察者掌握整体和局部的位置关系。虚拟切片不但能够保存全部的图像信息，还详细记录了放大倍数、文件大小、扫描日期和扫描者姓名等一系列相关信息，具有真实性、有效性，并为文件检索提供了完整的原始数据。

图2 19 d小鼠胚胎HE染色切片图

2.2 编辑功能

VS-ASW具备强大的图像编辑功能，不仅能对图像的亮度、分辨率、色彩等进行调节，还能实现添加文本、标注、测量、分析等深层次的处理，使虚拟切片的功能更实用更完善。

(1)对比浏览。VS-ASW图像编辑软件具有强大的同步对照分页浏览功能，可以清晰直观地将2～4个图像放在同一界面进行比对，且每个视图都能单独操作和编辑。正常组织切片与病理切片的对照，免疫组织化学阴性与阳性反应的对照是学习和研究形态学等多门学科的一种重要基本手段。而虚拟切片所具备的直观图像对照功能将为使用者提高极大的便利条件(见图3)。

图3 A为正常人肝HE染色，B为肝脂肪变性HE染色，C为肝癌HE染色，D为肝淤血HE染色，E为当前对象导航图，红框区域为目标位置局部放大(专业模式下40x镜扫描)

(2)标注。VS-ASW编辑软件允许在已扫描组织的任何图像位置添加标注和必要的注释，甚至可以在特定区域保存链接和语音数据，这种醒目的显示有助于再次使用时快速的定位，在教学演示和病例讨论中起到重要作用。

(3)测量。VS-ASW编辑软件允许软件测量任意线段的长度、圆形结构的半径等，所有测量内容的数值可直接输出，并可显示平均值、最大值、最小值、标准差和总和(见图4)。输出格式可设置为Office Excel格式和文本格式，这样就能将数据导入到统计分析软件(如 SPSS、SAS)等进行数据标准化分析［5］。这种切片、图像、数据、分析系统的有机结合，将极大地提高医学科学研究的效率。

(4)数据库功能。VS120平台集成了microsoft sqlserver数据库接口，可与其直接连接，可视化操作储存编辑数据，允许JPEG和TIFF格式的图像数据保存到数据库。VS120平台提供设置和储存图像相关属性的功能，如存储组织的名字、染色方法、机构名称和其他关键词。这些信息与所储存的图像关联，有利于提高检索和查找图像效率。虚拟切片可以通过网络进行远程浏览［6］。只需将数据库存放在服务器上，以B/S架构即Browser/Server，利用浏览器通过网络远程调取图片就构建成了一个网络图像服务器(Net Image Server)。这样的信息化模式为远程教育打下了基础，为远程病理会诊提供了条件，达到资源共享，节省了现今宝贵的教学和医疗资源。

3 虚拟切片的应用与展望

3.1 形态学实验教学

虚拟切片为形态学实验教学和学术研究提供了有效的交流工具，可以完全脱离传统显微镜进行读片交流［7］。我校已经根据章节内容建立了正常组织和病理组织数字切片库，在此基础上，利用VS-ASW图像编辑软件，将已扫描的各种数字切片进行编辑、测量和标注等处理，尤其是课前将典型的组织结构或难以观察到的细胞如血涂片中的嗜碱性粒细胞等先行标注，教学过程中，教师通过缩略的导航图，便捷地指导学生观察图像的全局视图和当前所在的位置，放大到最佳观察场景，分析切片观察中的重点和难点，有利于学生掌握整体和局部的位置关系。此外，同一组织的多张切片均保存于数字库中，为学生提供了更多的展示内容，更有利于学生理解人体组织的多样性，比传统的图谱更具有指导意义［8］。学生参照编辑标注好的数字切片观察玻璃切片，能更快更好地理解和掌握切片的内容，提高学习效率，既节约了宝贵的教师资源，又有利于师生互动。

图4 肾髓质集合管管壁测量(专业模式40x镜扫描)

学生还可将编辑完的数字切片刻录到DVD光盘或者复制到USB等可移动存储设备，随时随地进行操作观察，如同显微镜随时在身边，提供一个便利的工作和学术氛围［9］。新颖而多样化的学习方式能够大大提升学生的兴趣。虚拟切片克服了传统形态学实验受时间和空间限制的缺陷，便于学生自学，在一定程度上能减轻了教学压力。

3.2 网络教学与测试

目前，世界著名各大高校纷纷推出网络公开课程，因此网络教学日益成为一种教学趋势［10］。形态学实验教学的网络化进程一直受到传统切片制约，而虚拟切片则很好地解决了这个难题。教师将可以利用虚拟切片技术指导远在千里之外的学生观察组织结构。若将数字切片库存放到校园网的服务器上，学生只需利用浏览器通过网络访问服务器远程调取图片，就能轻松地观察和讨论组织切片，将大大巩固理论知识。

通过Olyvia读图软件集成的数据库接口，可将数据库放在教师机上，以其作为服务器，学生机和教师机相互连接即形成了一个局域网络。对虚拟切片进行一定的处理后连同考题一起储存到数据库，学生就能够利用Olyvia调用教师机数据库中的考题，完成答题。这种新颖的考试模式，能全面客观地考核学生，促进实验教学考试方式的转变［11］。

3.3 病理会诊

虚拟切片解决了图片压缩、储存和传输等问题，为未来病理会诊的网络化提供了必要的手段。将来肿瘤病人手术中切下的组织，制成石蜡切片，扫描成虚拟化切片后，与病理数据资料一起，传输到会诊专用的服务器上。病理医师只需利用网络浏览器即可随时随地进行网上同步会诊。参与会诊的医生即使不在同一城市也可以同时浏览相同的观察区域，更有效率地分析和讨论病例［12］。这种网络读片的模式不仅有利于实现图像的共享、数据的共享和医疗资源的共享，病人也不必带着切片或者石蜡块四处求医。

这种远程会诊方式与传统病理会诊相比，解决了医疗资源匮乏，医师少，病患多的难题，突破了普通显微镜观察受限于时间与空间和图像质量等束缚，实现了病理切片病例的及时诊断［13］。它提供了无时间与空间限制的数字切片交流机会［14］，增加了进行病理远程教学、病例讨论、专家远程读片的可能性，同时使病理图像走向大众，让病理知识得到广泛普及，在提高认识的同时加强医患之间的相互沟通。

4 结语

虚拟切片技术优势巨大，前景广阔，但它的图像质量仍取决于普通组织切片的制作质量和典型性，因此传统切片还不能完全被取代［15］。目前，虚拟切片尚未标准化，应将其作为形态学实验教学、科学研究和病理会诊的一种辅助手段，合理地引入到形态学教学和临床病理诊断之中，积极探索与数字化教学设备相适应的、更完善的教学方法，努力推动实验教学改革，提高教学质量和水平。

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Application of Virtual Slide Technology in Experimental Teaching

FAN Jia-ying，ZHANG Lan，CHEN Sun-hong
(Experimental Teaching Center，School of Medicine，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200025，China)

Morphology is an important basic course of medicine，and the experimental teaching is an important part.Traditionally，morphological teaching is dependent on textbooks，glass slides and conventional microscope，and has limitations.With the popularity of the digital and informational technology in universities，some modern methods have been gradually applied in teaching.The new opportunities of didactics are created.This paper mainly describes the features，functions and advantages of virtual slides，and analyzes the wide application of it in teaching，clinical and academic in order to explore the new way for morphology experimental teaching and make full use of the teaching resources，The virtual technique helps to stimulate students＇motivation and enthusiasm，improve the teaching efficiency and promote the reform of experimental teaching.

morphology;virtual slides;full field

TP 391.98

A

1006－7167(2014)05－0072－05

2013－12－15

上海交通大学医学院课程建设项目(胚胎数字切片的构建)

范嘉盈(1986－)，男，浙江绍兴人，实验师，主要从事形态学实验教学与研究。

Tel.:13818368102;E-mail:kimi68342050@163.com

陈荪红(1969－)，女，浙江临海人，博士，讲师，主要从事组织胚胎学教学与研究。

Tel.:13661623449;E-mail:zpcshong@shsmu.edu.cn