在 20 世纪 90 年代末，德克·G·索恩克森构想了病理学的新未来。当时，病理学家经常坐在电话簿上以便更好地通过显微镜观察，但索恩克森的孩子们仅仅玩任天堂游戏时就观看高分辨率显示器。“为什么显微镜学家不能也看电脑显示器呢？”他想知道。
这个问题开启了索恩克森的漫长旅程，起点是他的车库。经过 18 个月的辛勤劳动，他以一家新成立的数字病理公司 Aperio 的负责人的身份出现，该公司目前在加利福尼亚州维斯塔市运营。除了仅仅将患病组织图像从显微镜转移到计算机之外，他的技术——以及其他初创公司甚至成熟的医疗保健公司的技术——有望使解剖病理学（涉及活组织检查的解读）更加定量化。反过来，这种进步应该提高疾病诊断的准确性，并帮助医生跟踪治疗的有效性，以便及时做出任何必要的改变。
大多数病理学家已经在某种程度上使用计算机，即使只是在患者文件中做笔记。除了电脑显示器外，病理学家的桌子上通常还堆满了各种笔记本和成堆的文件。然而，只有研究病理学家才有可能将样本作为数字文件进行检查。总的来说，今天的病理学家缺乏制作或获取数字化切片的能力，而美国食品和药物管理局仅批准对少数与乳腺癌相关的医疗应用进行此类切片的审查。
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目前，每年准备的数亿张病理切片的处理方式与 100 多年前相同。将组织样本切成纸一样薄或更薄的切片，并用染色剂突出特定特征。然后，病理学家将玻璃切片放在显微镜下。例如，在乳腺癌活组织检查中，病理学家会寻找组织中的一系列特征，包括切片中异常细胞的数量和肿瘤分级，后者取决于细胞结构等特征。“现在这是通过眼睛在显微镜下完成的，观察每一个小点，”匹兹堡大学病理学系主任乔治·K·迈克洛波洛斯说。
事实上，病理学家不会查看每张切片上的每个点，但数字化的版本可以更彻底地检查。计算机可以分析每个数字切片上的每个像素。它可以找到并测量指示健康和疾病的属性——例如每个细胞中每个像素的内部结构、颜色、纹理和强度。 病理学家在显微镜下只会评估少量细胞中的这些相同属性。
然而，转向计算机不会将病理学家排除在画面之外。相反，数字化切片实际上可以将更多病理学家带入诊断过程，从而避免医疗错误。迈克洛波洛斯说，就诊断咨询他人是“病理学日常工作的一部分”。但今天，他说，“你把玻璃切片放在邮件中，即使使用最快的方法，也需要两三天才能到达那里。” 通过数字病理学，组织图像可以电子方式发送给其他人，或者更可能的是，发布在安全的网站上，并在几秒钟内提供给世界另一端的病理学家进行会诊。 如果切片的咨询变得如此容易、如此快速，病理学家可能会比现在更频繁地进行会诊。正如迈克洛波洛斯所说，“会诊是解决争议的唯一方法，专家们经常意见不一致。所以你需要将切片发送给外部专家。”
总之，这两大进步——更定量的分析和更快的图像共享以进行会诊——是病理学样本数字化的主要理由。然而，要实现这一目标，将取决于解决一系列技术和机构挑战，Aperio 和其他数字技术公司已经开始着手解决这些挑战。
实现这一愿景的一个主要障碍仅仅是生成载玻片上标本的高分辨率数字图像，这项任务比看起来更难。在 20 世纪 90 年代初期，一些病理学家开始尝试数字方法，他们只是将数码相机对准显微镜的目镜并拍摄图像。除了笨拙之外，这种方法未能提供所需的分辨率。
在目前的数字病理学中，切片像往常一样制备，然后将其装入扫描仪。扫描仪内部的显微镜物镜——基本上是一个放大镜——在切片上来回移动，成像技术（例如 CCD（电荷耦合器件）相机）捕获图像。速度是数字病理学的关键。例如，Aperio 的扫描仪可以在大约两分钟内以每像素 0.5 微米的分辨率数字化一个典型的样本——大约 15 毫米见方，或大致相当于邮票的尺寸。
这些数字揭示了一个根本性的挑战。仅将一张这样的切片数字化到详细观察所需的分辨率就需要 9 亿像素。相比之下，一张 4 × 5 英寸的照片以 300 点/英寸的分辨率扫描——这是杂志印刷的标准分辨率——仅由 180 万像素组成。因此，数字病理切片需要多 500 倍的像素。更快地数字化图像需要更快的电子设备来收集和处理数据。一些扫描仪以称为图块的正方形碎片获取玻璃切片上的图像，然后软件将它们拼接成完整的数字切片。其他设备，例如 Aperio 的设备，像传真机一样以条纹扫描切片，并动态构建图像。
无论扫描仪运行速度多快，速度永远不够快。“我们每年可能[准备] 150 万张玻璃切片，还不包括特殊染色等等，”匹兹堡大学医学中心的皮肤病理学家乔纳森·何说。如果一台扫描仪以每张切片两分钟的速度运行，那么为该医疗中心扫描一年的切片将需要 300 万分钟——每天 24 小时、每周 7 天扫描超过五年。
数字技术是否足够好？
另一个迫在眉睫的问题是，病理学家在计算机屏幕上查看来自 Aperio 和其他公司的切片时，是否能够像在显微镜下检查标准切片时一样识别组织异常。德拉任·M·朱基奇和他的一些匹兹堡医疗中心的同事在 2006 年《人类病理学》杂志上的一篇文章中比较了传统病理学和数字技术。在大多数情况下，这些病理学家发现数字文件在通过查看图像来帮助他们诊断疾病方面与显微镜切片几乎一样好。
如果数字病理学仅与古老的方法一样好，那么什么可以使其更好呢？轻松共享切片的能力是一个答案。例如，Net Image Server 以及 Olympus 的 OlyVIA 查看器软件的工作方式很像普通的网页。此软件不是发送数字化的切片（大小可能达到千兆字节甚至更大，信息量相当于三个光盘），而是在网站或服务器上创建一个切片存储库。
当病理学家单击缩略图时，奥林巴斯软件会下载足够多的图像以填充屏幕上的查看框。这很像在 Google 地球上查找地址，用户会获得一个查看框大小的卫星图像。查看器只需使用鼠标单击并拖动即可查看更多卫星图像。OlyVIA 也可以这样做。如果病理学家仅发送大文件的一部分，则其他人可以通过数字用户线路 (DSL) 或电缆连接到互联网来查看数字化的组织图像。
虽然电子共享将使病理学家更容易、更快速地相互咨询，但仅此功能并不能为医学带来全新的能力。但计算机化图像分析可能会带来更根本的变革。Aperio 和其他公司已经开发了分析软件，并且正在努力开发更高级的版本。
在某些情况下，例如检查乳腺癌图像，病理学家已经可以进入数字时代。例如，大约四分之一的乳腺癌会产生异常高水平的蛋白质，称为人表皮生长因子受体 2，简称 HER2。这种蛋白质可以通过染色蛋白质在乳腺组织样本中显示出来，以便在组织切片中看到它。
传统上，病理学家会观察这些切片的染色强度和着色细胞的数量。对染色程度（强度测量）的视觉估计在不同病理学家之间可能会有很大差异。数字化结合测量每个像素强度的软件，可以量化强度测量，使分析更加统一和可靠。
到目前为止，只有来自 Aperio 和加利福尼亚州森尼维尔市 BioImagene 的技术获得了 FDA 的批准，可以在计算机显示器上解释 HER2 水平的数字切片。然而，数字病理学公司的领导者希望能够获得更多的认可，并且该技术将继续进步。“在未来，甚至在不远的将来，”匹兹堡数字病理学公司 Omnyx 的负责人吉恩·卡特赖特说，“计算机可能会向您展示您的眼睛可能看不到的东西。” 例如，他想象病理学家希望量化在同一张切片上使用的多种染色剂。“如果有五种染色剂，你想用肉眼判断它们的强度，那就别想了，”他解释说。“你做不到，但计算机很容易分析不同颜色的强度。”
未来的改进
虽然几家公司为临床环境提供软件，但必须吸引病理学家自己使用这些系统。为了帮助实现这一目标，开发人员正专注于为病理学家创建“驾驶舱”。显示器可以显示手术期间切除的总标本的数字切片，以及患者病史和总结各种其他测试结果的报告。
“这将需要数年时间，”索恩克森说。“您需要集成数字切片
信息与医院的实验室信息系统、放射系统和其他系统。您将需要所有这些接口才能实现共享。” 他补充说，“这些接口正在逐个建立，并且每个接口都是定制开发的。”
尽管面临挑战，但数字病理学已经进入临床应用。但它首先从细分领域开始，例如乳腺癌标志物的检查。“医院可能会首先将数字病理学用于其 20% 的样本，然后在几年内扩大这一比例，”卡特赖特说。“没有人会突然戒掉传统的显微镜。”
抵制变革的问题将永远存在。“病理学家对显微镜感到自在，”何宣称。“它是一种工具，就像手术刀或听诊器一样。它是我们手指的延伸，并且有人抵制拿走显微镜。”
数字病理学将逐渐进入临床病理学领域——并在此过程中扩展到法医学领域。病理学家将更多地互动，更多地量化，并开发越来越客观的方法来诊断疾病并判断治疗效果。