1、巴可|白皮书 彩 在 现 代病 理 学 中 的 应 用 Bryan Van Meter，高级产品经理 Johan Rostang，高级研究工程师 Tom Kimpe，技术与创新副总裁巴可|白皮书 P 2/11 目录引言 3颜色的属性和表现形式 3医学影像中的色彩 5色彩在诊断中的意义 6显示器色彩和亮度衰减 7显示器色彩校准 9色彩一致性有助于数字病理学工作流程验证 10总结 10巴可数字病理学解决方案 11参考文献 12P 3/11 引言 现代病理学正在经历一场革命性的演变，这场演变促使医疗机构的病理科室和医疗保健系统开始重新评估应如何以最佳方式优化临床工作流程、患者护理以及信息技术投资。病
2、理学这一转型的基础在于从在玻片上检查组织样本，过渡至使用计算机显示器，甚至是借助人工智能视觉指示器解读数字病理学病例。随着数字工作流程的应用，病理学开始融入企业成像平台（例如VNA、PACS），从而确保在整个医疗保健系统信息技术基础设施的范围内，实现准确、可重复的诊断图像访问。当前，支持现代病理学数字可视化的信息技术工具和系统正在不断发展。在此背景下，重视色彩保真度的价值，以及了解色彩保真度与其他诊断领域（如放射学）需求的差异至关重要。在病理学领域，色彩是必不可少的核心要素，病理科医生需要通过组织化学染色和免疫组化染色来识别结构并做出诊断。1考虑到病理科医生的诊断对患者护理工作管理和效果的重要
3、性，病理科医生必须能够借助临床办公室或远程家庭环境中具有高图像和色彩再现精度的显示器，做出准确、可靠的判断。颜色的属性和表现形式 虽然颜色有可识别的描述符，如红色、紫色和黄色，但颜色本身并不具有物理属性。颜色是一种人类的感觉，具体表现为人的大脑对入射到眼球后部视网膜上具有特定光谱功率分布的光线做出反应后产生的视觉感知。2 视网膜由对可见光电磁频谱（波长在390-700nm之间）敏感的光感受器组成，每个单一波长都对应一种纯单色【图1】。图1:可见光谱是电磁辐射频谱中人眼可见的部分 巴可|白皮书波长（纳米）可见光谱紫罗兰色蓝色青色绿色黄色橙色红色P 4/11 人对颜色属性的完整感知不仅包括光的波长
4、。颜色的整体感官冲击涉及色相、饱和度和明度。色相是彩色光源的主波长。饱和度是指颜色与白色混合程度的质量，完全饱和的颜色表现为纯色。明度是指光源看起来比另一种色彩元素发出的光更多或更少的视觉感知，它与亮度密切相关。2【图2】3 图2 液晶显示器（LCD）使用加色模型生成色彩。这些显示器采用的RGB模型，可以在像素阵列内组合红、绿、蓝三原色，以再现全域色彩。【图3】图3 医学影像中的色彩 色彩可用于满足多种医学成像需求，有真彩色和伪彩色两种不同的表现方式。在数字病理学领域，如果显示器的色彩再现与实际对象的色彩有直接的临床相关性，则需要用真彩色表示。2,4 对于其他诊断成像模式，如巴可|白皮书明度色
5、相饱和度P 5/果色彩代表定量值与现实世界对象感知色彩的对比，则表现方式应为伪彩色。伪彩色还包括彩色核医学、多普勒超声和扩散磁共振成像【图4】。在选择数字病理学显示器时需要注意，大多数医疗级显示器都有默认的校准设置，该设置已针对灰度和伪彩色图像进行了优化。准确地设置和维持用于医疗级显示器真彩色的色彩校准，需要涉及硬件稳定性和精确色彩校准算法的多步骤过程。数字病理学的真彩色目标颜色配置是标准的RGB颜色空间，通常称为sRGB。实现全sRGB色域覆盖包括将显示器的白点色度值设置在精确的温度点（D65），也称为标准昼光亮度，以确定红绿蓝三原色的定义色度值，并应用调至预期环境观看条件的光电传递函数（或
6、伽马函数）。在液晶显示器上生成颜色时，可使用加色模型来生成像素阵列内组合的红绿蓝三原色，以再现被定义为RGB颜色模型的广泛色彩阵列。【图3】-图4：伪彩色：扩散磁共振成像真彩色：全切片成像/数字病理学-色彩在诊断中的意义 众所周知，实验室间和实验室内的组织染色不一致会在病理学上导致显著的色彩变化。因此，对于色彩一致性可以在多大程度上影响病理科医生识别组织病理学特征和模式以确定疾病是否存在的能力，业界一直存在争议。在现代病理学中，该主题值得重新思考，因为玻片样本的数字化过程也带来了更多可能影响诊断的色彩变化，而且图像分析算法通常使用色彩或强度来检测或判定组织特征。1 此外，用于诊断的显示器也会引
7、起色彩的变化，特别是在使用未经色彩管理和校准的显示器的情况下。并非所有人都认可数字病理学需要精确的色彩显示，其中一些反对者给出的理由是：有些病理科医生是色盲。为评估色盲的影响，研究人员对英国45家医院的270名病理科医生进行了研究，结果证明，与色觉正常的同事相比，色盲的病理科医生在识别病理特征方面的平均得分较低（94%：99%）。5 巴可|白皮书11P 6/11其他实验室转诊切片重新切割和重新染色的常见做法，就是色彩重要性的有力证据。这至少表明，病理科医生更倾向于使用熟悉的色彩，这可能会影响他们的诊断能力、信心或速度。1目前，色差对病理科医生解释数字化病理切片的影响尚未获得广泛关注，但已有研究
8、使用250张乳腺活检苏木精-伊红染色玻片的单一固定视场（FOV）图像来评估已校准颜色与未校准颜色显示器的诊断影响。虽然色彩校准显示器的诊断准确度呈现日益增高的趋势，但并未产生显著影响。研究人员观察到判读速度显著提高，校准显示器的平均判读时间为4.895秒，未校准显示器的平均判读时间为6.304秒，这是统计学上的显著差异。按百分比计算，校准显示器的判读速度快28.7%。该研究仅使用了单一固定目标区域的测试图像，因此研究人员认为，如果对整个数字化玻片进行评估，则每张玻片的观察时间差异可能会延长至数秒，“导致大量图像的观察时间明显增长。”6就全切片视场分析而言，读取时间会受到显示器色彩稳定性影响这一
9、假设得到了另一项小型研究的支持。该研究使用了来自不同病例组（外科病理学苏木精-伊红染色、冷冻切片组织、细胞学涂片、液基样本和直接涂片）的120张全切片成像（WSI）玻片。结果表明，与彩色稳定显示器（非色彩像素老化的显示器）相比（41.05.4秒），非彩色稳定显示器（色彩像素老化的显示器）识别每张玻片具有诊断意义的特征的平均时间预计要高出22%（50.17.3秒）。7显示器色彩和亮度衰减随着使用年限的增加，显示器的亮度和色彩再现精度会逐渐减弱。导致这种负面老化效应的因素有很多，基于LED的背光源就是其中之一。现代显示器利用基于LED的背光将电能转化为用于显示器的光能。由于常用的LED为蓝色，因此
10、需要添加黄色荧光粉来生成显示器所需的白色背光源，但这些荧光粉会在长时间使用后降解。8 长时间使用之后，部分透明的多层光学薄膜（偏振器、准直器）会变得越来越吸光，液晶化学品的吸光性也会在分解后增强，像素驱动响应速度逐步降低，从而加剧亮度损失。内部高温、灰尘和污垢也会对显示器的光输出产生负面影响。7 如果不加以控制，这些效应会导致显示器亮度降低，呈现蓝色色调。这导致与全切片成像显示方法相比，显示器呈现出不同的亮度和颜色配置。前者经初步验证，可建立用于初步诊断的临床数字病理工作流程。【图5】7巴可|白皮书P 7/11 图5:模拟LED背光老化的影响。左：原始图像。右：使用13,000小时（约5年）后
11、非受控消费级显示器显示的图像6 医疗级显示器针对LED背光预留有“上部空间”，可在较低的电流和温度下驱动LED,且配有稳定的冷却系统，因此LED光输出衰减相比消费级显示器要慢得多。然而，如果没有定期通过质量保证过程确保校准精度，即使是医疗级显示器，使用不到一年也会出现明度明显降低的情况。如果是需要在高温下使用LED的消费级显示器，亮度损失的速度明显更快且更加显著【图6】。此外，在显示器的使用寿命内，随着构成显示器的各种材料逐渐老化，光源发射的光线色度和亮度也会发生变化。7 这种色彩偏移的情况很难预测，因为它主要取决于漫射体和滤色器不同层光学特性的退化。医疗级显示器可进行设计控制和校准，通过在显
12、示器整个寿命期间内将其特性化的方式来对这种色彩偏移进行补偿。为控制这类负面的显示器老化效应，应将当前的质量控制过程视为数字病理工作流程的一部分；然而，基于设定时间（如设定天数）实施某个过程并非最佳选择。因为加速老化效应的因素，比如使用时间、温度和环境因素（如灰尘和湿度），会因病理科医生的阅片地点而异。这一观点与国际色彩联盟（ICC）第44号白皮书彩色显示系统医疗内容的可视化（2023年10月）最新修订版一致，该版本将推荐的显示器校准合规性验证时间从每50天一次改为了“根据典型显示行为的长期变化定期进行验证”。9此外，国际色彩联盟第44号白皮书还指出，适当的显示器色彩校准必须考虑员工办公室内环境
13、光的稳定性，因为低估45%的环境光就会导致高达16%的色彩偏差。因此，国际色彩联盟的指导思想是环境光必须稳定，如果环境光条件发生变化，则必须重复校准。9 可能改变环境光条件的因素包括窗口未遮挡的太阳光、办公室灯具的老化和/或荧光照明到LED照明的转换过程。巴可|白皮书P 8/11 图6:与稳定的显示器相比，不稳定的显示器最大亮度的长期变化。6,8-显示器色彩校准 监视器的色彩校准通过设备通常都会内置的查找表（LUT）完成。查找表的精确性和充分性对校准质量和屏幕在数字病理学领域准确再现色彩的能力有显著影响。查找表可匹配输入色彩和输出色彩，然后在将色彩传输至显示器控制面板前将其替换。这些查找表在设
14、备中存储时可能需要占用大量的内存，从而导致成本的增加。降低低端显示器成本的方法包括压缩已存储的查找表的大小或分辨率，并采用插值法来完成近似校准。需要注意的是，这种方法可能降低色彩校准的精度，并不适用于巴可的医疗级显示器。除了查找表的大小之外，另一个关键因素是它们所包含的数据与监视器实际属性的相关性。消费级显示器使用的是预先计算的通用查找表，这意味着相同型号甚至相同类别的所有设备的查找表配置完全相同，但高端医疗级显示器通常依据的是生产线测量的数据，而不是通用数据。巴可医疗级数字病理显示器通过专用校准查找表和质量保证软件（例如巴可的QAWeb企业级软件）来确保显示器使用寿命范围内的色彩一致性，同时
15、显示器正面安装了被称为I-Guard的光敏前置传感器。这种软件和集成硬件解决方案的组合可自动、连续地监控显示器并调整其校准参数，以维持规定的色彩再现精度状态。数字病理学色彩管理技术的最新进展是将标准化的ICC配置文件用于全切片扫描仪和显示器。这些ICC配置文件是表征输入设备（全切片成像扫描仪）和输出设备（显示器）颜色配置文件的一组标准化数据。之后，这些ICC配置文件可在DP浏览器的色彩管理系统中被用于调整设备的色彩空间，以确保最佳的色彩精度和一致性。巴可|白皮书显示器使用时间（小时）不稳定的查看显示不稳定的诊断显示稳定的诊断显示相对显示亮度P 9/11 色彩一致性有助于数字病理学工作流程验证
16、病理学数字工作流程国际标准的建立，需要验证显微镜玻片和显示器数字化玻片图像诊断之间的并发性判断标准。此外，还应建立可确保显示器图像质量持续一致性的流程，以确保与原始验证的衔接。每个病理科医生都可以通过对显示图像质量的日常目视检查来承担这一责任，或者采用与其他诊断医学学科流程等效的自动化和正规化显示器质量保证流程。质量控制是实验室过程的核心，因此用于诊断的显示器理应建立正规化的质量控制和质量保证流程，因为就常规使用而言，在数字工作流程验证后的一年内，显示器呈现的图像亮度和颜色配置可能发生变化。10我们可以通过自动化显示器质量保证系统（如巴可的QAWeb企业级解决方案），检查显示器的亮度、颜色配置
17、、预期环境光和ICC配置是否一致，在必要时更新，并在正规化的质量保证系统中进行记录。总结 显示器是数字病理学工作流程的核心，因为它是数字化切片图像的最终呈现者，其分辨率在最终图像判读中发挥着重要作用。10 因此，显示器质量是使用全切片成像进行组织学诊断的重要因素。1,4,7 通常，首选具有更高分辨率的大型显示器，这类显示器可以提供更大的视场，无需过多的浏览（即平移和缩放），因此阅片速度可显著提升。12 此外，更高的分辨率（增加像素数量）也有助于更快地识别相关区域。13 虽然我们尚未系统分析色彩校准与诊断效率和可靠性的相关性，但色彩校准显示器似乎更受病理科医生青睐，且有助于提高诊断置信度和速度。
18、1,6,7医疗机构之所以投资通用的数字图像平台，是因为它们可以帮助临床医生完成纵向记录访问、使用分析工具、实现高效的多位置图像数据分发和统一的图像数据存储。这类投资的背后是对改进整个网络的预期，例如更好地监控临床指南依从性、结果指标和生产力评估标准（如周转时间）。因此，高分辨率、色彩校准和质量受控的医疗级显示器可以提供的临床和效率优势具有相关性，且应被视为现代病理学与企业级成像平台的结合体。此外，从未来发展的角度来看，新兴趋势、监管机构的监督以及行业标准都支持在数字病理学领域，对色彩再现精度和一致性设定更高的标准：美国远程医疗协会建议对诊断显示器进行色彩校准。14 巴可|白皮书P 10/11
19、美国食品药品监督管理局（FDA）正在加强对实验室检测的监督，并发布了全切片成像技术性能指南，其中规定图像应以一致和可靠的方式显示。1,15DICOM全切片成像标准包括通过ICC配置文件进行色彩校正，这有助于确保在整个机构体系内实现数字病理学图像传输、浏览和存储的色彩准确性。16 此外，如果DP浏览器或分析工具未使用提供的ICC配置文件，可能会导致结果不尽人意。17 巴可数字病理学解决方案 在现代病理学实现数字工作流程转型的过程中，了解显示器及其色彩校准对病理学诊断、工作流程效率以及全切片成像验证过程持续质量保证的影响，是帮助机构简化工作流程和加强患者护理的关键。巴可能够提供多种解决方案，支持现
20、代病理学与信息技术企业级成像系统的集成，从而帮助医疗机构的基础设施，尤其是在难以提供信息技术和质量保证支持的远程阅片领域，确保准确且可重复的诊断图像输出：MDPC-8127：首款也是唯一一款获得FDA初步诊断许可的互操作显示器*QAWeb Enterprise：基于云计算的质量保证解决方案，具有自动色彩校准、ICC配置文件创建、sRGB色彩响应测试、sRGB亮度响应测试、环境光监控和预警功能配有直观工作流程工具的巴可MXRT集成显卡：具有TouchPad、FocalPath和Conference CloneView功能。-*在美国，MDPC-8127诊断显示器可与经验证可用于显示器的全切片成像
21、扫描仪和浏览软件搭配使用。该设备可用于以下经验证且获得FDA批准的全切片成像系统和数字病理浏览软件的初步诊断：使用飞利浦图像管理系统浏览软件的飞利浦Intellisite病理解决方案使用Paige.AI公司FullFocus DX浏览软件的飞利浦Intellistie病理解决方案使用ImageScope DX浏览软件的徕卡Aperio AT2 DX系统使用Sectra数字病理模块的徕卡Aperio AT2 DX扫描仪滨松NanoZoomer S360MD数字切片扫描仪 参考文献 1.Clarke EL,Treanor D.Color in digital pathology:a review.
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