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Otto von Guericke Universität Magdeburg
Universitätsklinikum
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2011-05-25 SAM-FS und virtuelle Pathologie
SAM-FS und virtuelle Pathologie am
Universitätsklinikum Magdeburg
5. SAM-FS/QFS Nutzerkonferenz 25.-27.5.2011
Dr. Harald Hofmann
Medizinisches Rechenzentrum
Dr. Thomas Kalinski
Institut für Pathologie
Dr. Ralf Zwönitzer
Imassense GmbH
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2011-05-25 SAM-FS und virtuelle Pathologie
Universitätsklinikum Magdeburg
Struktur:
• ca. 1200 Betten
• Klinikum der Maximalversorgung
• Fallzahl stationär: ca. 44.000
• Fallzahl teilstationär: 3.500
• 241.000 ambulante Konsultationen
• 15.000 ambulante Notfälle
• Jährlich 180 Immatrikulationen Humanmedizin
• Über 3000 Mitarbeiter
• Anstalt öffentlichen Rechts/Medizinische Fakultät
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Konventionelle Befundung in der Pathologie
Vollständiges
Durchmustern
3. Vergleich mit Vorbefunden
evtl. Anforderung von
auswärtigen Schnittpräparaten
2. Ggf. Anfertigung weiterer
Schnittpräparate
Spezialfärbungen
Immunhistochemie
40x
200x
100x
400x
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Konventionelle Befundung in der Pathologie
BILDARCHIV
häufig dokumentierte Befunde
• chronische Erkrankungen
• Tumoren
• Forschungsfälle
kaum dokumentierte Befunde
• Bagatellen
z.B. Tonsillitis, Appendizitis
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Einschränkungen
Histologische Bildserien für primäre Diagnostik nicht geeignet !
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Ist die digitale Technik wirklich
gleichwertig?
Objektträgerscanner Lichtmikroskop
= ?
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2011-05-25 SAM-FS und virtuelle Pathologie
Vergrößerung insgesamt:
Objektiv-Vergrößerung (x2,5, x5,
x10, x20, x40, [x63], [x100])
x
Okular-Vergrößerung (x10)
=
x25, x50, x100, x200, x400,
[x630], [x1000]
20 m
10 m
nach Vergrößerung (x400):
5 cm
2,5 cm
Original Ist die digitale Technik wirklich
gleichwertig?
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Fokussieren
Mikrometer-
schraube
Tischhöhe
Ist die digitale Technik wirklich
gleichwertig?
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virtuelle Präparate mit
multiplen Ebenen
Beurteilung spezieller
Strukturen
Präparate mit unregelmäßiger
Schichtdicke und Falten
Ist die digitale Technik wirklich
gleichwertig? Digitales Fokussieren
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Vergleichende Studie:
• Mikroskop
• virtuelle Mikroskopie: • JPEG2000-Format (Kompression 20:1)
Auflösung: 0,23 µm/pixel
• 1 Fokusebene (2D)
• 5 Fokusebenen
• 9 Fokusebenen
• 144 Magenbiopsien aus dem Antrum mit/ohne
Helicobacter-Gastritis
• 3 Befunder (Sydney-Klassifikation):
Chronizität der Entzündung
Aktivität der Entzündung
Helicobacter-Besiedelung
Intestinale Metaplasie
[Atrophie]
} virtuelles Fokussieren (3D)
Ist die digitale Technik wirklich
gleichwertig?
4 Grade:
0, 1, 2, 3 }
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Ergebnisse
Helicobacter positiv/negativ
‚Bei 9 Fokusebenen können die Ergebnisse in der
Kategorie Helicobacter-Positivität bei
virtueller 3D Mikroskopie und konventioneller Mikroskopie
in bis zu 100% übereinstimmen.‘
Vergleich konventionelle/virtuelle 3D Mikroskopie
Helico-
bacter-
Positivität
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Speicherbedarf
0,5 x 0,5 cm (0,25 cm²) = 21.739 x 21.739 pixel
= 0,5 gigapixel
= 1,4 GB Rohdaten
71MB (Kompression 20:1) / Präparat
= 7,1 TB / Jahr
18.000 Fälle / Jahr = ~ 100.000 Präparate
~ 4 cm² / Präparat = 86.957 x 86.957 Pixel / Präparat
= 7,6 gigapixel / Präparat
= 22,7 GB Rohdaten / Präparat
1,13 GB (Kompression 20:1) / Präparat
= 113 TB / Jahr
Objektträgerscanner
Physikalisch maximale
Auflösungsvermögen des klassichen
Lichtmikroskops ist abhängig vom
verwendeten Licht auf ca. 200 nm
beschränkt (Abbesche
Auflösungsgrenze)
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Problem: Hoher Speicherbedarf
Beispiel:
• Präparat: 0,5 x 0,5 cm, Auflösung: 230 nm/pixel
Rohdatenmenge, unkomprimiert:
• 2D: 1,4 GB
• 3D (9-Ebenen): 12,6 GB
Kompression erforderlich
• üblich: ca. 25-30:1
(häufig scannerseitig voreingestellt)
• Magdeburg-Standard:
• Scannen im Rohdatenformat, dann
20:1 Kompression in JPEG2000
Beispielpräparat 3D (9-Ebenen): 0,6 GB
Verlustbehaftete Kompression in der virtuellen
(3D) Mikroskopie – Wo ist das Limit?
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Vergleichende Doppelblind-Studie:
• konventionelle Mikroskopie
• virtuelle 3D Mikroskopie (9 Ebenen) JPEG2000:
• 20:1 - keine erkennbaren Artefakte
• 40:1
• 50:1
• 75:1
• 200:1 - deutliche Artefakte
• 46 Magenbiopsien aus dem Antrum mit und ohne
Helicobacter-Gastritis
• 3 Befunder (Sydney Klassifikation):
Chronizität, Aktivität, H.P., Intest. Metaplasie
} kaum erkennbare,
geringe Artefakte
Verlustbehaftete Kompression in der virtuellen
(3D) Mikroskopie – Wo ist das Limit?
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Ergebnisse Sensitivität/Spezifität/kappa der virtuellen 3D Mikroskopie in
der Helicobacter-Diagnostik:
In etwa gleiche Werte bis 75:1 Kompression,
bei 200:1 Kompression etwas schlechter.
75:1
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Einsatzmöglichkeiten der virtuellen Pathologie: Präsenzlehre
Vorteile gegenüber konventionellen
Präparaten:
Dozent und Studenten haben jeweils das
- gleiche Präparat
- in der gleichen Qualität
Die Präparate sind auch außerhalb der
Kurse im Internet verfügbar ( e-
learning)
Jeder Student hat einen eigenen
Computer, aber nicht ein
eigenes Mikroskop!
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Einsatzmöglichkeiten der virtuellen Pathologie: Lehre
Virtuelle Pathologie Magdeburg
http://patho.med.uni-magdeburg.de
•Studentenkurse
•Prüfungen (moodle)
•Lehrserien
•Fortbildung (z.B. Rätzelecke
Hannover, Internationale Akademie
für Pathologie)
öffentliche Präparatesammlung,
ohne Zugangsbeschränkung/
Anmeldung,
unbegrenzt erweiterbar
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z.B.: Ad hoc-Fälle
Zweitmeinung bei einzelnen
(anonymisierten) Fällen
Einsatzmöglichkeiten der virtuellen Pathologie:
Einholung von Zweitmeinungen
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Digitale Pathologie in der Lehre -
Verknüpfung von Wissen
• klinisch-pathologische Korrelation:
Röntgenbilder im Patho-PACS
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Digitale Pathologie in der Lehre -
Virtuelle 3D Präparate
• Virtuelle 3D Präparate:
Hochauflösende Photos
von makroskopischen
Präparaten in 360° Ansicht
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Digitale Pathologie in der Lehre -
www.pathowiki.org
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Voraussetzungen:
Informationssystem (IS)
PACS-Integration
Digitales Workflowmanagement
Einsatzmöglichkeiten der virtuellen Pathologie:
Routine-Diagnostik
Wesentliche Vorteile:
• Vorpräparate ad hoc verfügbar
• Keine Glasarchive mehr (Volumen; Gewicht)
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Aufruf mit IDs
DDiX-XML
Datenbank(z.B. SQL Server)
Aufruf mit IDs
Verteilte Serverarchitektur mit Standardschnittstellen zur Skalierung
DIC
OM
HL7 & PDF
Modalitäten A
Makroskopie Mikroskopie WSI-Scanner Falldokumente
IS-P
Pathologie IS Externe
Patientenakte
(z.B.: KIS)
D-icom PACS
Archiv für alle Dokumentklassen
Institute
&
Kliniken
Arbeitsplätze (lokal oder VPN)
Lokaler Client oder WEB-Zugriff
Hersteller KIS
Pathologieinformationssystem - Übersicht Module und
Schnittstellen
IS-G interne Akte
Viewer Anzeige DICOM
Client oder WEB
HTML
DICOM & JPEG2000
Demilitarisierte Zone im Internet
-Biobank (Demographie) - Tumorbank (Register) - Überweiser (Befunde)
DD
iX-X
ML
Nach B
edarf
Speicher
(z.B. EVA)
CIFS SMB NTFS etc.
DICOM
JPEG2000
PDF, etc.
Diktatsystem je nach Infrastruktur
Lokaler Client
Externe Applikationen z.B. Laborviewer
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Digitale Pathologie in Magdeburg Ziel: DICOM-konformes WSI-PACS
JPEG2000 als Bildformat für WSI
• Streaming-fähig über JPIP
• weniger Artefakte als z.B. JPG, insbesondere bei hoher
Kompression
• integrierbar in DICOM-Standard, mit geringer Modifikation
des existierenden Standards (Größenbegrenzung)
mittlerweile geschaffene Voraussetzungen
• DICOM-kompatibler Viewer (JPView)
• IS-P Integration
• gleichzeitiger DICOM-unabhängiger Nutzen für
Fortbildung und Lehre
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• Neue Tags für große Dimensionen
oder verbindungsabhängig (*)
• DICOM Header & JPEG2000
• Bildverteilung aus dem Archiv
• Herstellerunabhängig
• Synergien mit anderen Bildarten
„Large Dimensions“
Scanner
Herstellerabhängig
DCM
JPIP /
HTML
JPEG2000
PACS DICOM
* CP-896
Herstellerabhängig
Propr.
HTML
Scanner
PACS
DICOM
Verteilung
proprietär
DCM
Supplement 145
• Bildzerteilung statt große Bilder
• DICOM Header enthalten
Progressionsinformationen
• Bildverteilung nötig
• Abhängig von propr. Verteilung
• Keine Synergien
Aktuelle WSI Ansätze
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• Übertragung der Bildteile erfolgt auf Anfrage (z.B. Zoomify)
• WEB Server/Browser mit aktivem Teil nötig (z.B. Flash)
• Datenformat und Protokoll proprietär, hohe Ressourcenlast
Nicht in DICOM integrierbar, ungeeignet wegen Serverlast
Bildverteilung „Zerlegung“
WEB - Browser
HTTP
Archiv
(Dateisystem)
JPG proprietär
HT
ML &
Da
teiz
ugriff
Fla
sh
Zoom
Überblick
Anfrage
Anfrage
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• Berechnung der Bildteile auf Anfrage im Server.
• Zugriff auf JPEG2000 durch JPIP oder direkt.
• Kein JPIP Client nötig, Parallelbetrieb durch einheitliches Format.
Für Intranet und Internet geeignet, jedoch höhere Serverlast
Bildverteilung JPEG2000 / JPIP / AJAX
HTML
Archiv
(PACS)
JPEG 2000
JP
IP
1:1
5:1
40:1
WEB Browser (Javascript)
HT
ML
Zoom
Überblick
Anfrage
Anfrage
AJA
X
HTML
SC
P DICOM Send
JPIP-TS
JPIP-URL
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Untersuchungszahlen Pathologie seit Umstellung
seit Umstellung am 17.5.2010 :
Fälle 27.207
Proben 37.820
Blöcke 68.351
Schnitte 104.268
Gespeicherte Dokumente im Bildarchiv seit
17.5.2010 :
Dokumente (z.B. auch gescannte
Einsendescheine) 72.736
davon Slides 6.488
Größe pro Slide 200-800 MB (Durchschnitt
300MB)
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SAMFS-Clusterkonfiguration
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SAM-FS Filesysteme
Usage information samu 4.6.49 15:12:29 May 16 2011
hostid: 83e63b49 OS name: SunOS Architecture: sparc CPUs: 4 (4 online)
library 10000: capacity 211.5T bytes space 103.5T bytes, usage 51%
library 20000: capacity 149.1T bytes space 56.1T bytes, usage 62%
library totals: capacity 360.6T bytes space 159.6T bytes, usage 56%
filesystem samfs01: capacity 8.8T bytes space 1.2T bytes, usage 87%
filesystem samfs02: capacity 2.0T bytes space 305.0G bytes, usage 85%
filesystem samfs03: capacity 4.6T bytes space 650.8G bytes, usage 86%
filesystem samfs04: capacity 1.8T bytes space 458.5G bytes, usage 75%
filesystem samfs05: capacity 2.0T bytes space 487.9G bytes, usage 76%
filesystem samfs06: capacity 2.0T bytes space 403.3G bytes, usage 80%
filesystem samfs06da: cap. 1000.0G bytes space 260.3G bytes, usage 74%
filesystem samfs07: capacity 2.0T bytes space 589.8G bytes, usage 71%
filesystem samfs08: capacity 2.0T bytes space 513.6G bytes, usage 74%
filesystem samfs08da: capacity 2.0T bytes space 566.7G bytes, usage 72%
filesystem samfs09: capacity 12.7T bytes space 4.7T bytes, usage 63%
filesystem totals: capacity 40.6T bytes space 10.0T bytes, usage 75%
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2011-05-25 SAM-FS und virtuelle Pathologie
ma 200 m----2----d 85% on 1.953T 302.745G 1M 16 90% 80%
mm 201 14% on 0 49.977G 42.764G [89683456 inodes]
md 205 85% on 1 1.953T 302.745G
ma 810 m----2----d 74% on 1.953T 514.688G 1M 16 80% 70%
mm 811 32% on 0 199.977G 135.438G [284034464 inodes]
md 815 74% on 1 1.953T 514.688G
ma 900 m----2----d 63% on 12.695T 4.712T 1M 16 90% 80%
mm 901 19% on 0 49.977G 40.418G [84763520 inodes]
md 902 100% on 1 1.953T 0
mm 903 5% on 2 49.977G 47.541G [99700800 inodes]
md 904 100% on 3 1.953T 0
mm 905 13% on 4 9.977G 8.640G [18120352 inodes]
md 906 85% on 5 3.906T 611.280G
mm 907 4% on 6 9.977G 9.536G [19999296 inodes]
md 908 16% on 7 4.883T 4.115T
SAM-FS Filesysteme
schnelle Festplattenpartitionen für inode´s
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Archivübersicht
Filesystem Disk Applikation Files Kap.
samfs01 8,8 TB Alt-PACS (Medos) 1.200.000 21,6 TB
samfs02 2,0 TB Bildviewing (Chiliweb) 2.700.000 9,3 TB
samfs03 4,6 TB Zentrales Backup
(Dataprotector)
10.000 15,9 TB
samfs04 1,8 TB Xcelera, ViewPoint, IMNB,
Images
2.400.000 14,0 TB
samfs05 2,0 TB Institute 1.000.000 12,9 TB
samfs06 2,0 TB Mail- und Filearchiv,
klinische Applikationen
6.500.000 4,4 TB
samfs06da 1 TB Diskarchiv 16.000 4,5 TB
samfs07 2,0 TB Pathologie-Archiv 400.000 5,6 TB
samfs08 2,0 TB PACS (Infinitt) 89.000.000 20,0 TB
samfs08da 2,0 TB Diskarchiv 102.000 42,6 TB
samfs09 7,8 TB Patientenakte (SHA-Archiv) 8.000.000 9,5 TB
Gesamt 36 TB 111.328.000 160,3 TB