Avatara – digital patologi

Patologiske verktøy gir mer olje og gass

Virtuelle vevsprøver og maskinlæring innen medisin gjør oljeselskapene i stand til å finne mer olje og gass på en billigere måte.

Verdens raskeste preparatskanner: Produsert av 3DHistech i Budapest for bruk innen patologi og cytologi, P1000-skanneren har vist seg anvendbar også innen palynologi. Her ser vi preparatmagasinene som plasseres i skanneren. Det er plass til 1000 preparater. Roboten henter disse en etter en og flytter dem til mikroskop-delen av maskinen.
Verdens raskeste preparatskanner: Produsert av 3DHistech i Budapest for bruk innen patologi og cytologi, P1000-skanneren har vist seg anvendbar også innen palynologi. Her ser vi preparatmagasinene som plasseres i skanneren. Det er plass til 1000 preparater. Roboten henter disse en etter en og flytter dem til mikroskop-delen av maskinen. (Foto: Carina Johansen)

Virtuelle vevsprøver og maskinlæring innen medisin gjør oljeselskapene i stand til å finne mer olje og gass på en billigere måte.

Våren 2019 startet Oljedirektoratet et digitaliseringsprosjekt som viser hva som er oppnåelig når to ulike industrier og fagområder oppdager hverandre og identifiserer felles problemer og løsninger. Prosjektet fikk navnet «Avatara» og ble til etter en dialog mellom palynologi (analyse av fossilt mikroplankton, pollen og sporer) og patologi (analyse av organvev, celler og kroppsvæske). Patologenes digitale, virtuelle vevsprøver og kunstig intelligent analyse har vist seg å være anvendelig på fossilt mikroplankton.

– Digital patologi har gjennomgått imponerende teknologiske fremskritt de siste årene og nå kan vi palynologer og geologer dra nytte av dette på norsk sokkel, sier Oljedirektoratets egen ekspert på palynologi, Robert W. Williams, til Teknisk Ukeblad.

61-åringen er utdannet biostratigraf fra Universitetet i Oslo og har jobbet i OD de siste 35 årene. Williams får mye av æren for å ha oppdaget sammenhengen mellom palynologi og patologi.

– Selv om vi som fagfolk er høyt verdsatt av geologene, er det nesten ingen som vet om oss. Vi er en gjeng nerder som bare er opptatt av å finne alderen på mikroskopiske fossiler. Selv innen oljeselskapene er biostratigrafi et nærmest ukjent fagfelt.

Når en oljebrønn bores, tas det kanskje rundt 400 prøver. Geologenes kunnskap ligger på bergartene og deres grove tidsregning. For eksempel er bergarter fra juratiden grunnlag for mange av feltene på norsk sokkel, det vil si fra 201 til 145 millioner år siden – på den tida var dyrelivet på land preget av dinosaurer.

Raskt og billig

Men en aldersdatering av mikroorganismene i bergartene vil være mer nøyaktig og gi mer informasjon om den geologiske historien til et område.

– Det er kort sagt den raskeste og billigste metoden, men det er en ekstremt spesialisert profesjon. Det er bare åtte konsulentselskaper som driver med dette på norsk sokkel, ett i Oslo, men flere i Wales der dette startet med å kartlegge lagene av kull, forteller Williams.

Kan hende må vi gi leseren ytterligere en definisjon av hva disse «nerdene» driver med:

Palynologi er en liten del av paleontologien, det vil si læren om livets historie og utvikling. Palynologi tar for seg kun mikroskopiske fossiler som er motstandsdyktige mot oppløsning i saltsyre og flussyre, de er syreresistente.

Dinoflagellater

Dinos(gresk ord som betyr virvling, snurrende), flagellum(latinsk for pisk). Da levende dinoflagellater først ble observert i mikroskop i 1753 beveget de seg gjennom vannet som en «snurrende pisk».

  • Enkelte av dagens dinoflagellater er svært giftige. De produserer nervegiften dinotoksin, årsaken til blåskjellforgiftning.
  • Da spionflyet U-2 i 1960 skulle lande i Bodø, men ble skutt ned i Ural, hadde piloten, Francis Gary Powers med seg en ampulle med dinotoksin, datidens giftigste naturstoff.
  • Noen arter dinoflagellater skaper morild langs kysten av Sørlandet.
  • Pressemeldinger om funn på norsk sokkel sier f.eks. «Det ble påvist spor av hydrokarboner i sandstein av mellomjura og trias alder.» Men det kunne stått at alderen er bestemt på grunnlag av sandsteinens innhold av fossile dinoflagellater, pollen og sporer.

– Dermed er det enkelt å sile dinoflagellater, pollen og bregnesporer ut av stein simpelthen ved å løse steinen opp i saltsyre og flussyre. Steinen forsvinner og fossilt mikroplankton, pollen og sporer blir igjen.

– Så hva gjør da palynologene i oljeindustrien?

– Vi gjør en aldersdatering av brønnprøver for å avdekke bergartens alder. På grunnlag av sju til ti ulike former for organiske rester, tolker vi miljøet der avleiringene ble avsatt. Var leirsteinen gjennomboret ved 2350 meter dyp avsatt på en flomslette? Kanskje i en brakkvannslagune? En innsjø? Var det avsatt over eller under bølgebasis? Var det oksygenrikt eller oksygenfattig vann? Var det senere erodert og avsatt på nytt lenger ut i avsetningsbassenget?

«Vanlige» geologer tolker seismiske snitt og lager 3D-kart over avsetningene og forkastningene (sprekkene) som skjærer gjennom lagene.

– Hvis geologen ikke vet alderen på avsetningene avbildet på seismikken, blir kartleggingen av tvilsom verdi. Det blir som et bykart uten gatenavn, det blir vanskelig å finne frem til målet, forteller Williams entusiastisk.

Robert Williams bygger teleskop. Bildet viser hans selvlagde slipe- og poleringsmaskin til teleskop-optikk. Det 62 cm-store speilet er fesetet til dreiebordet. Foto: Carina Johansen

Robotmikroskop

Det desidert viktigste arbeidsredskapet for palynologer er mikroskopet, slik det også er for patologer som analyserer vevsprøver for å diagnostisere sykdommer.

De siste ti årene har patologer digitalisert datainnsamling og diagnoser ved bruk av robotmikroskoper og kunstig intelligent programvare som identifiserer sykdomsfremkallende celler. De kraftigste skannerne gjør analoge preparater om til 13-gigapiksel mosaikker sammensatt av 73.000 digitale foto, hver med en optisk oppløsning på 0,2 mikrometer per piksel.

De samme teknologiske løsningene kan gi palynologer tilgang til over 200.000 palynologiske preparater fra de fleste lete-og produksjonsbrønner på norsk sokkel. Patologenes maskinlæringssystemer kan trenes opp til å identifisere mange hundre fossile mikroplankton per preparat, fordelt på et stort antall arter gjennom flere kilometer av boringer. De kan utføre slike analyser på noen minutter per preparat, mens en erfaren palynolog måtte bruke flere timer for å oppfylle samme krav til antall eksemplarer og presisjon.

– Under et internt møte i 2017 i OD snakket en av lederne om behovet for digitalisering. Plutselig gikk det opp for meg hva dette handlet om og hvordan det kunne bidra til fremskritt i mitt fag. Jeg fikk ideen til å digitalisere vårt eget analoge arkiv og bruke maskinlæring på innholdet. Min egen leder så verdien i prosjektet umiddelbart fordi dette også bidrar til ODs mandat om å gjøre rådata tilgjengelig for industrien.

Les også

Gikk på legekongress

Williams fikk oppgaven med å utrede behov for teknologi. Raskt fant han ut at produsenter av preparat-skannere utelukkende kunne kommunisere ved bruk av patologisk sjargong.

– Jeg innså at jeg måtte lære meg deres faguttrykk og metoder. Så jeg meldte meg på «The 14th European Congress on Digital Pathology» i Helsinki i juni 2018. Hvert eneste foredrag under konferansen var som et eureka-opplevelse for meg. Aldri tidligere har jeg lært så mye og fått så mange gode innspill og ideer. Jeg merket meg spesielt ved en foredragsholders svar da noen patologer fryktet at AI ville gjøre dem overflødige. Han svarte slik: «Those pathologists who embrace digital pathology and AI will be in demand. Those who do not, will not be.»

Williams inviterte professor Johan Lundin fra Karolinska Institutet til et seminar for 50 palynologer i Europa. I løpet av ett minutt identifiserte han 450 eksemplarer av en fossil dinoflagellat ved hjelp av AI, noe som typisk ville tatt flere timer.

– Når han ikke fikk trampeklapp, må det skyldes at mine kolleger var i sjokk. Dette var jo rene science-fiction. Tenk hva vi kan få til med slik hjernekraft!

Oljedirektoratets geobank inneholder 154 km med kjerner, tre millioner borekaksprøver og over 1100 oljeprøver fra funn og felt, samt 200.000 palynologiske preparater. Foto: Carina Johansen

Oljedirektoratets Avatara-prosjekt ble operativt våren 2019. OD kjøpte verdens største og raskeste patologiske preparat-skanner, en 3DHistech P1000. Den fôres med tusen preparater om gangen, og kan utstyres med tre objektiver ved behov. I løpet av kun 15 minutter klarer den å dekke et preparat med 90.000 x 90.000 piksler per fokusnivå, 0,2 µm oppløsning per piksel, og repetere operasjonen sju ganger med 4 µm avstand mellom hvert fokusnivå. Skanning av flere fokusnivåer må til for å oppnå skarpt fokus på tredimensjonale fossiler. Hele 57 milliarder piksler, 24bits per piksel, overføres til bildeserveren fortløpende under skanningen på 15 minutter.

– I øyeblikket er det 53 registrerte eksterne brukere av Avatara. 45 av disse er palynologer. Resten er AI-ingeniører og teknisk personell i selskapene. Maskinlæringsdelen av prosjektet er under utvikling av OD og flere operatørselskaper. 

Bygger teleskop

Williams kan fortelle at OD nå har ca. 150.000 palynologiske preparater i sitt arkiv og snart skal det utvides med 100.000 til. Hvert preparat inneholder fra null til flere tusen fossile dinoflagellater, pollen og sporer. Arkivet dekker de siste 400 millioner år av Norges historie. Robert Williams er ikke bare en legendarisk palynolog, han er lidenskapelig opptatt av astronomisk optikk og astrofotografi.

– Jeg er snart ferdig med å slipe optikken til Norges største optiske teleskop i forskningsklassen. Jeg har brukt åtte år på å lage slipemaskinen og jeg bruker samme metode som på 1800-tallet. Å måle universets ekspansjon er kjempegøy. Når du får bedre data enn forventet er det som en deilig rus. Fellesnevneren for geologi og astronomi er tid og optikk. Det at jeg kunne jobbe med verdens beste mikroskop-optikk fristet meg til å studere palynologi ved UiO. Dette må være en medfødt fascinasjon. Allerede som førsteklassing i barneskolen i Texas var jeg optikk-nerd. Jeg tegnet konkave speil og Newton-teleskoper og hvordan disse bøyde lysstråler.

Artikkelen ble først publisert i Teknisk Ukeblads månedsmagasin 10/2020.

Les også

På skjermen vises et lite utsnitt av et 18 gigapiksel skann av et fossilt mikroplankton fra en kjerneprøve på 1998,8 meters dyp i en brønn som ble boret av Norsk Hydro i 1976. Den viser at den er fra sen jura-periode. I hånda holder Robert Williams en modell som viser polygonale platemønstre – et verktøy for å bestemme art og alder. (Foto: Carina Johansen)
Palynologer har siden tidlig på 1800-tallet brukt lysmikroskoper til å artsbestemme fossile mikroplankton, pollen og sporer. Disse er bestemmende for geologisk alder på brønnprøven. (Foto: Carina Johansen)
Oljedirektoratets geobank inneholder 154 km med kjerner, tre millioner borekaksprøver og over 1100 oljeprøver fra funn og felt, samt 200.000 palynologiske preparater. (Foto: Carina Johansen)
Robert Williams bygger teleskop. Bildet viser hans selvlagde slipe- og poleringsmaskin til teleskop-optikk. Det 62 cm-store speilet er fesetet til dreiebordet. (Foto: Carina Johansen)
Verdens raskeste preparatskanner: Produsert av 3DHistech i Budapest for bruk innen patologi og cytologi, P1000-skanneren har vist seg anvendbar også innen palynologi. Her ser vi preparatmagasinene som plasseres i skanneren. Det er plass til 1000 preparater. Roboten henter disse en etter en og flytter dem til mikroskop-delen av maskinen. (Foto: Carina Johansen)
Williams har bygget sitt eget observatorium på Rennesøy, 3,5 meter i diameter med en kuppel i glassfiber som er fire meter i diameter, produsert av Scopedome i Polen. (Foto: Carina Johansen)

Kommentarer (0)

Kommentarer (0)

Eksklusivt for digitale abonnenter

På forsiden nå