SAM-FS und virtuelle Pathologie am Universitätsklinikum...

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

[email protected]

Dr. Thomas Kalinski

Institut für Pathologie

[email protected]

Dr. Ralf Zwönitzer

Imassense GmbH



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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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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


gleichwertig?



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virtuelle Präparate mit

multiplen Ebenen

Beurteilung spezieller

Strukturen

Präparate mit unregelmäßiger

Schichtdicke und Falten


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)


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

http://patho.med.uni-magdeburg.de/





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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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Virtuelle 3D Präparate

• Virtuelle 3D Präparate:

Hochauflösende Photos

von makroskopischen

Präparaten in 360° Ansicht



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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 samfs06da: cap. 1000.0G bytes space 260.3G 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%



31


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

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