В.Медовый, к.т.н.
В 90-х годах быстрые и удобные автоматические проточные гемоанализаторы вытеснили в развитых странах ручную микроскопию в группе простых количественных анализов клеток крови. К середине 90-х годов казалось, что в недалеком будущем микроскопия отомрет везде, где применяется количественный анализ. Однако к концу 90-х годов расширение области применения проточных анализаторов замедлилось. Стало ясным, что в обозримом будущем анализ визуальных образов микроскопических объектов останется незаменимым источником диагностической информации. В настоящее время считается общепризнанным, что оба этих метода – проточный и микроскопический цитоанализ – должны работать вместе, обеспечивая постоянно расширяющийся спектр лабораторных анализов.
Большинство медицинских методик ручного микроскопического анализа эксплуатирует замечательные свойства глаз человека мгновенно распознавать соотношения формы, оттенков, текстуры сложных изменчивых объектов. Врач узнает клетки без их измерения, на основе качественных характеристик. Если исследуемых клеток много, а требуемый объем выборки невелик (100-200), то такой анализ на «узнавание» (подсчет лейкоформулы) при наличии достаточного числа опытных врачей-лаборантов может выполняться в массовом порядке. Значительно хуже справляются глаза человека с дифференциальным подсчетом более серьезных выборок клеток (500) и тем более с большим количеством измерений (например, такие недоступные проточным гемоанализаторам анализы как определение индекса овалоцитоза эритроцитов, подсчет Ag-NOR меток лимфоцитов). Весьма трудны психологически и физически для человека также задачи поиска редких клеток, подсчета сложных дифференциальных формул, аккуратного просмотра больших пространств препарата (например, подсчет формул при цитопении, поиск юных клеток в мазке крови, подсчет миелограммы в мазке костного мозга, подсчет патологических типов эритроцитов). Очень трудны и даже вредны для глаз врача анализы с подсчетом флуоресцирующих меток (например, подсчет субпопуляции меченых FITC лимфоцитов). Поэтому доминировавшая до последнего времени ручная микроскопия даже при высокой квалификации врача-лаборанта тяжела, субъективна и ограничена по своим реальным возможностям. Далеко не вся присутствующая в цитологическом препарате диагностическая информация может быть извлечена глазами врача.
Что же может предложить современная техника для повышения надежности и эффективности, снижения трудоемкости микроскопических анализов?
Прежде всего, информатизировать микроскопию, то есть подключить к микроскопу компьютер и использовать для анализа препарата современные информационные технологии. Компьютерные, или «цифровые» микроскопы, которыми в развитых странах оснащено большинство лабораторий, отличаются от обычных микроскопов так же, как компьютер от пишущей машинки. В состав цифрового микроскопа входят микроскоп (с тринокуляром), средства ввода изображений (аналоговая или цифровая камера или цифровой фотоаппарат, плата ввода), компьютер и программное обеспечение.
Функции цифровых микроскопов (ЦМ) сводятся к следующему:
1) изображение поля зрения микроскопа отображается на экране монитора компьютера;
2) по указаниям врача изображение на экране запоминается в базе данных компьютера вместе с сопровождающей текстовой информацией;
3) информация из базы данных может быть вызвана на экран, передана в другие компьютеры, отредактирована, распечатана;
4) при выполнении количественных анализов изображения из базы данных подвергаются компьютерной обработке, целью которой является выделение границ клеток и внутриклеточных структур. Эта процедура может проводиться как в автоматическом (для контрастных границ) так и в диалоговом режиме (для слабоконтрастных границ). Выделенные объекты автоматически измеряются с определением геометрических, цветовых, текстурных и других признаков;
5) результаты измерений клеток популяции используются для различных типов количественного анализа, классификации и диагностики.
ЦМ позволяет облегчить формирование заключений на основе системы подсказок, вызвать на экран изображения сходных объектов из атласа, передать изображения для консультаций, напечатать их, измерить интересующие объекты, воспользоваться советами компьютерных систем диагностики, сохранить в базе данных и напечатать результаты анализа. ЦМ при достаточно высокой концентрации исследуемых клеток или небольших выборках эффективно выполняет количественные анализы. Не менее важны совершенно новые возможности контроля качества и повышения квалификации персонала на основе собранного в базе данных собственного опыта лаборатории. Процесс микроскопии становится привлекательным для молодых специалистов.
Первые ЦМ появились более 40 лет назад, однако только в последние 5 лет их применение стало массовым и экономически выгодным. Это связано с бурным прогрессом в области средств съемки изображений, персональных компьютеров, информационных технологий, математических методов обработки изображений. ЦМ стал недорогим стандартным оборудованием современной лаборатории.
Хотя цифровой микроскоп значительно расширил возможности врача-лаборанта, он не принимает самостоятельных решений, оставляет за врачом ответственность за сбор выборки исследуемых клеток и за условия их наблюдения. Процесс микроскопии в ЦМ требует такой же высокой квалификации как и в ручном микроскопе. ЦМ не оказывает существенной помощи при анализе препаратов с низкой концентрацией исследуемых клеток.
В последнее десятилетие появился новый класс интеллектуальных микроскопов - автоматические микроскопы-анализаторы (МА), самостоятельно выполняющие основные этапы микроскопии.
МА избавляет врача от необходимости сидеть за микроскопом. Его рабочим местом становится компьютер, в который микроскоп-анализатор передает (возможно, из другой комнаты или другого города) изображения собранной им самостоятельно выборки клеток. Обслуживание микроскопа-анализатора может выполнять персонал невысокой квалификации.
В состав МА кроме компонент цифрового микроскопа входят средства перемещения и фокусировки препарата (моторизованный предметный стол, моторизованный узел фокусировки, блок управления)
Среди функций МА, кроме функций цифрового микроскопа, представлена автоматика, заменяющая глаза и руки лаборанта в процессе просмотра препарата. Эта аппаратно-программная компонента самостоятельно выбирает маршрут просмотра, фокусирует, обнаруживает клетки заданных типов, контролирует качество условий наблюдения и качество приготовления препарата. Пользуясь объективными количественными критериями выбора маршрута просмотра препарата микроскоп-анализатор улучшает представительность выборки клеток и тем самым объективность и точность анализа. Автоматическая классификация, одновременный просмотр при контроле до 50 высококачественных изображений клеток выборки на экране компьютера многократно повышают производительность и улучшают условия труда врача-лаборанта, избавленного от рутинных операций и выполняющего функции эксперта. Концентрированность и наглядность информации, защита от ошибок, система подсказок дополнительно уменьшают вероятность ошибок классификации, позволяют сосредоточиться на диагностически важных качественных оценках популяции. Появляется реальная возможность массового применения углубленных количественных анализов, увеличивается диагностическая значимость цитоанализа.
Главное назначение МА – анализ препаратов с невысокой и низкой концентрацией анализируемых объектов, когда сам сбор выборки объектов для анализа является трудоемкой операцией (формула лейкоцитов, формула эритроцитов, поиск юных клеток). Функции МА пока удалось реализовать для небольшой группы анализов. Помимо решения технических проблем «переднего края» разработка каждой функции МА основана на глубоком изучении конкретного вида анализа и биоматериала. Например, при разработке МА МЕКОС-Ц1 для системы выбора маршрута просмотра мазка крови на основе теоретических и экспериментальных исследований была создана модель мазка, позволившая по концентрации эритроцитов в поле зрения определять условия сохранности морфологии лейкоцитов в разных частях мазка. Для системы обнаружения лейкоцитов использована модель зависимости окраски и размеров лейкоцитов от окраски и концентрации эритроцитов. При определении границ ядер и цитоплазм применяются оригинальные алгоритмы, использующие модель зависимости контрастности от кривизны границы. При классификации лейкоцитов и эритроцитов используются статистические свойства формы, размеров, окраски, текстуры, полученные на основе архива 300000 изображений клеток и т.д.
Целесообразность использования МА МЕКОС-Ц1 в качестве гемоанализатора при наличие на рынке множества эффективных проточных гемоанализаторов (Сell-Dyn (Abbott), Technicon Н (Bayer), Sysmex (TOA), Coulter (Bekman-Coulter), Medonic (Boule) и др.) связана с выполнением не столько дублирующих, сколько дополняющих функций, доступных только при микроскопическом анализе. Современное разделение труда состоит в том, что проточный гемоанализатор обнаруживает патологию, а микроскопический анализ тонкой морфологии клеток крови служит для ее дифференциальной диагностики. В связи с этим функции МЕКОС-Ц1 направлены на автоматизацию рутинных операций микроскопии по сбору представительных выборок клеток и на эффективную визуализацию их морфологии для оценки врачом. В небольших лабораториях (до 100 клинических анализов крови в день) комплекс МЕКОС-Ц1 может применяться вместе с дешевым проточным гемоанализатором, измеряющим только концентрации клеток. В этом случае при общей стоимости интегрированной системы МЕКОС–Ц1 - проточный гемоанализатор в 18-25 тысяч долларов и при низкой себестоимости анализов весь поток клинических анализов крови проходит через МЕКОС-Ц1. В крупной лаборатории, оснащенной проточным гемоанализатором высокого класса, МЕКОС-Ц1 может использоваться только для препаратов с обнаруженной патологией.
Стремительное развитие техники позволило сделать микроскопы-анализаторы доступными по цене и потребительским свойствам для широкого круга лабораторий. МА находятся на магистральном направлении развития микроскопии и в ближайшие годы станут таким же обычным прибором как и цифровые микроскопы.