Компьютерные анализаторы изображения в гематологии: сферы применения, возможности
Задача любого диагностического процесса — установление взаимосвязей между выявляемыми клинико-лабораторными и инструментальными признаками и нозологической формой, т. е. выяснение информативности отдельных симптомов и синдромов для данного заболевания. С появлением новых технологий лабораторные методы исследования стали важной частью доказательной медицины.
Применение компьютерной и телевизионной техники при микроскопическом анализе морфологических препаратов открывает новые возможности в изучении проблем, связанных с изменением формы объектов, структуры, спектральных свойств и количества составляющих их веществ.
Компьютерная микроскопия позволяет перейти от описательной микроскопии к количественному анализу с последующим использованием математической статистики, теории вероятностей и информатики. Это позволяет максимально объективно оценивать выявляемые количественные и качественные изменения в клетках и тканях.
Особое значение для медицинской практики приобретает диагностическая морфометрия, дающая объективные данные для дифференциальной диагностики близких по морфологическим проявлениям патологических процессов.
Если раньше врач-морфолог обходился достаточно простыми диагностическими средствами (микроскоп, окуляр-микрометр), то в настоящее время получили распространение компьютерные анализаторы изображений. Эти комплексы позволяют вводить и сохранять изображения объектов, производить их измерения, создавать классификаторы, сравнивать полученные данные с результатами предыдущих исследований у того же больного или со стандартным атласом для выявления отклонений и изменений.
Все комплексы для анализа изображений можно разделить на две большие группы: универсальные, применяемые в разных областях медицины, и специализированные, созданные для автоматизации определенных методов исследований (автоматический анализ формулы крови, хромосомный анализ и т. д.).
Качество получаемого изображения напрямую зависит от оптической системы, системы ввода и от методики приготовления препаратов. Выбор микроскопа во многом влияет на точность результата работы всего анализатора в целом. Основные требования к современным световым микроскопам для морфологических исследований: равномерность освещения по полю, высокие разрешающая способность и контрастность изображения.
Для установки системы ввода и фокусировки на нее светового потока, микроскоп комплектуется видеоадаптером. Используемые в системе ввода цифровые и аналоговые камеры обеспечивают высокое качество получаемого изображения, отличаются чувствительностью и простотой использования.
В ходе работы «живое» изображение с микроскопа передается непосредственно на экран компьютера. Это позволяет провести поиск интересующего участка и настройку на резкость, не используя окуляры микроскопа. Управление настройкой работы системы ввода, корректировка яркости, контраста, коэффициента гаммы, времени экспозиции и усиления производится непосредственно на «живом» изображении. Все параметры сохраняются при съемке типовых объектов в одинаковых условиях.
После захвата изображение передается напрямую в программу для дальнейшей обработки или сохраняется на диске в одном из распространенных форматов (bmp, tiff, jpg, gif и т. д.). Компьютер, который используется в программно-аппаратном комплексе, имеет интерфейс, стыкующийся с цифровыми системами ввода, и большой объем дискового массива для хранения изображений.
Для создания автоматизированных методик и программ важен унифицированный процесс подготовки проб и их окраски для получения распознаваемых образов и воспроизводимых результатов обработки изображений. Для приготовления мазков крови целесообразно использовать специальные гемоцентрифуги, позволяющие получить монослойные препараты, пригодные для компьютерного анализа.
Универсальные анализаторы изображений получили широкое распространение в лабораторной медицине. Программное обеспечение таких систем включает расширенный набор измеряемых морфометрических параметров, а также предустановленные методики и универсальный механизм, позволяющий создавать новые алгоритмы для специалистов-морфологов.
Предустановленные (готовые) методики включают наиболее распространенные задачи:
1) архивирование (получение изображения и передача его в базу данных);
2) улучшение качества изображения;
3) ручные и автоматические измерения объектов;
4) получение изображений с объемных объектов и распределение их по размерам;
5) подсчет количества объектов разных классов и процентного соотношения между ними;
6) подсчет количества объектов одного класса на единицу площади или на заданное количество объектов другого класса;
7) анализ ядерно-цитоплазматического соотношения;
8) плоидометрию (плоидность ядер по Фельгену);
9) гистосчет для ядер (иммуногистохимия для ядер);
10) оценку изменения объекта во времени.
На основе введенных изображений создается обучающая выборка и разрабатывается классификатор объектов. Обычно применяются три типа классификаторов: автоматический, произвольный (ручной) и встроенный.
При использовании автоматического классификатора деление на классы происходит по одному из измеренных параметров. В этом случае достаточно задать количество классов, на которые нужно разделить объекты, или шаг деления. Все расчеты производятся программой автоматически.
Произвольный (ручной) классификатор позволяет разделить объекты на группы по одному или нескольким параметрам. Границы каждого класса задаются в соответствии с известными научными данными и общепринятыми классификаторами.
В тех случаях, когда нет точных количественных значений параметров по каждому классу, используется «обучение программы» (объекты выделяются, измеряются и каждому из них определяется название).
Специализированные программы и предустановленные методики поставляются со встроенными классификаторами, разработанными технологами фирмы-производителя программного обеспечения. Для их создания используются искусственные нейронные сети.
Пользователь имеет возможность создания новых методик, адаптировав уже имеющиеся путем добавления или удаления функций, изменением способа выделения, набора измеряемых параметров, условий классификации и статистической обработки. Так, например, при оценке количества миелопероксидазы в нейтрофилах обработка изображения первоначально включала медианную фильтрацию, контрастирование по яркостному компоненту, увеличение резкости, бинаризацию по цвету продукта реакции.
Дополнительно были определены количественные характеристики внутриклеточных структур — геометрические параметры (площадь, периметр, средний диаметр, длина и ширина, фактор формы круга и эллипса) и оптические параметры (оптическая плотность, цвет).
Применение компьютерного метода в количественной цитохимии позволяет объективизировать исследование, перейти от описательного, полуколичественного метода оценки ферментов в клетках и тканях к точным количественным измерениям. Такой подход дает возможность создать математический аналог морфологических признаков и оптимизировать дифференциальную диагностику патологических процессов и унификацию их оценки.
Для автоматизации рабочего места врачей-специалистов по клинической лабораторной диагностике, занимающихся подсчетом и оценкой формулы и морфологических особенностей препаратов крови предназначен специализированный автоматизированный комплекс «Видео-Тест-Гем».
Комплекс «ВидеоТест-Гем» позволяет автоматизировать методики, используемые при анализе крови в лабораторной практике.
Микроскопия окрашенных мазков крови в световом микроскопе играет ключевую роль в оценке состояния кроветворения. Клинический анализ периферической крови — одно из самых распространенных и трудоемких исследований в лабораторной гематологии. Наиболее информативной методикой является подсчет формулы крови — определение процентного отношения всех групп лейкоцитов, а также оценка морфологических особенностей эритроцитов и лейкоцитов.
Проточная цитометрия облегчает задачу диагностики, но предоставляет только количественную информацию. Между тем в лабораторной диагностике гематологических заболеваний ведущую роль играет качественная оценка клеток крови. Сочетание классических методов анализа клеток крови с компьютерным анализом изображения лежит в основе создания новых, более объективных и производительных методик.
Мазки крови могут быть приготовлены как вручную, так и с использованием механических и автоматических устройств для приготовления мазков.
Основные возможности программно-аппаратного комплекса «ВидеоТест-Гем»:
1) автоматический просмотр мазка крови по траекториям, обеспечивающим представительность выборки лейкоцитов и получение изображений клеток крови с подсчетом лейкоцитарной формулы, автоматическим анализом эритроцитов и тромбоцитов с количественной оценкой анизо-цитоза и пойкилоцитоза;
2) построение кривой Прайс-Джонса, определение толщины и индекса сферичности, построение гистограммы оптической плотности и графика распределения эритроцитов по форме, подсчет индекса овалоцитоза;
3) подсчет тромбоцитов по Фонио, определение относительной концентрации и гистограммы распределения тромбоцитов по площади;
4) получение галереи изображений классифицированных клеток с возможностью корректировки результатов специалистом клинической лабораторной диагностики;
5) ввод изображений клеток костного мозга и подсчет миелограммы в диалоговом режиме;
6) сохранение результатов анализа в базе данных с возможностью дальнейшего вывода на печать в виде бланка.
Одним из наиболее важных и информативных признаков различных заболеваний является анемия. Причину ее возникновения необходимо определять во всех случаях по объективным лабораторным симптомам. Важнейший этап диагностики любого вида анемии — оценка морфологии эритроцитов.
Эритроцитометрия (измерение диаметра эритроцитов) предназначена для уточнения характера анемии. Графическое изображение соотношения содержания в крови эритроцитов различного диаметра носит название эритроцитометрической кривой (кривой Прайс-Джонса). У здоровых людей имеется физиологический анизоцитоз (в периферической крови встречаются эритроциты различной величины). При этом преобладают нормоциты (эритроциты диаметром 7,5 мкм), в значительно меньшем количестве содержатся микроциты (эритроциты диаметром не более 6,9 мкм) и макроциты (эритроциты диаметром не менее 8 мкм).
На изображении клетки выделяются в соответствии с классом эритроцитов, в который они попали по размеру в соответствии с таблицей классов. Контуром обозначены клетки, которые не учитываются при расчетах. Это могут быть несколько слившихся эритроцитов, плохо прокрашенные клетки, остатки клеток и т. д.
Для правильной оценки размеров эритроцитов учитываются только одиночно лежащие целые клетки или клетки, контактирующие незначительно. Поэтому правку изображения делают только для разделения небольших контактов.
Для каждого класса определяются среднее значение размера, ошибка среднего, минимальный размер, максимальный размер, количество эритроцитов в каждом классе, процент количества эритроцитов данного класса. Эти же параметры рассчитываются для всей проанализированной выборки.
С учетом измеренных параметров производится расчет среднего объема эритроцита (MCV), его толщины и сферичности. Для расчета этих показателей задаются значения гематокрита и количества эритроцитов. Эти показатели предварительно определяются любым из известных методов.
Преобладание в мазке крови микроцитов обусловливает отклонение кривой Прайс-Джонса влево.
При макро- и мегалоцитозе отмечается сдвиг данной кривой вправо.
Эритроциты могут варьировать по форме. Нормальные эритроциты имеют форму двояковогнутого диска. Сфероцитоз обычно сочетается с микроцитозом и является одним из основных гематологических симптомов наследственного микросфероцитоза. Средний диаметр эритроцитов при этом не более 6,4 мкм.
Большинство традиционных методов, применявшихся ранее в лабораторной практике, сводились к качественному описанию мазков крови при визуальном анализе. Данный подход является субъективным и прямо зависит от квалификации и опыта врача, выполняющего исследование. Компьютерный анализатор изображений позволяет количественно и качественно оценить форму эритроцитов, объективно оценить объекты, что облегчает диагностику ряда патологических состояний, приводящих к морфофункциональным нарушениям клеток красной крови.
Применение автоматизированных комплексов обеспечивает значительное снижение нагрузки на врача и увеличение точности лабораторных исследований.
Использование компьютерной техники и телекоммуникационных технологий в медицинской практике привело к возникновению нового направления — телемедицины. Основной задачей телеконсилиумов и телеконсультаций является приближение специализированной помощи к удаленным районам через компьютерные сети.
Анализаторы изображений позволяют передавать изображения гистологических и цитологических препаратов по телекоммуникационным каналам для консультаций и дают возможность проводить телеконференции, телеконсультации и дистанционное обучение, которые в ближайшее время будут играть все возрастающую роль.
