WSIのしくみ — スキャナ・解像度・ファイル形式・ストレージ【デジタル病理シリーズ②】

シリーズ序論では、デジタル病理の核が『全スライドイメージング（WSI）』であることを述べました。本稿ではその中身、すなわちスキャナがどのようにガラス標本をデジタル化し、どの解像度で、どんなファイルとして保存され、どれだけの容量とストレージを要するのかを掘り下げます。ここを理解すると、導入時の機種選定・コスト・運用設計の勘所が見えてきます。

スキャナのしくみ — どうデジタル化するのか

WSIスキャナは、対物レンズ越しにガラス標本を高解像度カメラで撮像し、自動ステージで標本面を少しずつ移動させながら、タイル状（または線状）に取り込んだ画像を1枚の巨大なデジタル標本へ合成します。多くは明視野（H&E等）が中心で、免疫蛍光に対応する蛍光スキャナもあります。撮像の良し悪しは、オートフォーカスの精度・照明・色再現・スキャン速度に左右されます（Zuraw & Aeffner, 2022）。

• 対物レンズ：20倍・40倍などで標本を拡大して撮像
• カメラ／センサ：高解像度で各視野を取得
• 自動ステージ：標本面を移動して全面を走査
• オートフォーカス：面内のピントを合わせ続ける
• 照明・光学系：色再現とコントラストを決める

解像度と倍率（µm/pixel）

デジタル病理では『1画素が標本上の何µmに相当するか（µm/pixel）』が実質的な解像度です。一般的な機種では、20倍相当で約0.5µm/pixel、40倍相当で約0.25µm/pixelです。さらに高解像度の機種では63倍相当（約0.16µm/pixel）や83倍相当（約0.12µm/pixel）も提供されます。高解像度ほど微細構造は見えますが、容量とスキャン時間が増えるため、診断目的に応じて選びます。

焦点とZスタック — 細胞診がむずかしい理由

組織標本（薄切切片）は薄く平坦なため、多くの場合は単一の焦点面で十分です。一方、細胞診の標本は細胞集塊が立体的（3次元的）で厚みがあり、1つの焦点面だけでは集塊の内部までピントが合いません。そこで複数の焦点面を重ねて撮る『Zスタック』が必要になりますが、これは容量とスキャン・閲覧時間を大きく押し上げます。例えば10焦点面を撮ると容量はおよそ10倍になり、2GBの標本が20GBに膨らみます（video compression review, 2019）。HEVC等の動画系圧縮でZスタックの容量を抑える研究も進んでいます。

ファイル形式と相互運用性 — DICOMへ

WSIには長らくベンダー独自のファイル形式が使われてきました（Aperio/LeicaのSVS、HamamatsuのNDPI、3DHISTECHのMRXS、VentanaのBIF、PhilipsのiSyntaxなど）。独自形式はスキャナやビューアに紐づくため、検査情報システム(LIS)との連携や、異なる機器間の相互運用が難しいという課題があります。これを解決するのが、ベンダー中立の標準であるDICOM WSIです。DICOMのWG-26がSupplement 145（2010年批准）で、可視光の全スライド顕微鏡画像の取り扱い（タイル化したマルチフレーム画像・多解像度ピラミッド）を定義しました（Singh et al.; Herrmann et al.）。

• 主な独自形式：SVS / NDPI / MRXS / BIF / iSyntax（スキャナ依存）
• 課題：ビューア・LIS連携・機器間の相互運用が困難
• DICOM WSI：ベンダー中立で保存・交換・閲覧を標準化（相互運用の鍵）
• 多解像度ピラミッド：拡大・移動を高速化する画像構造

ストレージとワークフロー設計

1枚あたり1.5GBを超えることも珍しくなく、Zスタックを使う細胞診ではさらに増えます。年間の検体数を掛け合わせると、保存容量は急速に大きくなります。閲覧の快適さは『多解像度ピラミッド型タイル』に支えられ、必要な倍率・領域だけを読み込むことで広大な画像を滑らかに操作できます。実装では、アーカイブ・検索・バックアップ・LIS連携・回線帯域を含めた設計が要点になります。

獣医現場での含意

組織標本は単一焦点面で扱いやすく、院内スキャナや参照ラボへの送信でも導入のハードルは比較的低めです。一方、デジタル細胞診はZスタックとストレージ要件が高く、機種選定と運用設計がより重要になります。形式は当面、独自形式とDICOM WSIが併存しますが、相互運用と将来の拡張を見据えるならDICOM対応は重要な評価軸です。次回(第3回)では、こうしてデジタル化された画像をAIがどう解析し、どこに限界があるのかを掘り下げます。

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