Статьи

Методики исследования. Вопросы гистотехники. Методики автоматизированной микроскопии биоматериалов

Современные системы анализа изображений для медицины и биологии по уровню автоматизации можно разделить на неавтоматизированные механические (обычные ручные микроскопы) и автоматизированные диалоговые и автономные (автоматические). В целом этап использования ручных микроскопов подходит к концу. Диалоговые автоматизированные системы анализа изображений относятся к классу support system, т.е. помогают врачу-лаборанту выполнять анализы, автоматизируя некоторые их этапы. Ответственность за результаты анализа несет врач, поэтому диалоговые системы предоставляют ему необходимую для контроля промежуточную информацию. Автономные системы анализа изображений самостоятельно выполняют заданные виды анализов, врач в штатном режиме не анализирует промежуточную информацию.

Диалоговые системы анализа изображений (САИ)

В диалоговых САИ выбор полей зрения для анализа осуществляет оператор. Границы объектов выделяются в зависимости от сложности вручную, полуавтоматически или автоматически. Измерения выделенных объектов выполняются автоматически. Диалоговые САИ можно разделить на специализированные, предназначенные для узкого круга биоматериалов и/или анализов, и универсальные, предназначенные для многих типов биоматериалов и/или анализов.

Специализированные диалоговые САИ

В работе R.Katz и соавт. [1] рассматривается дСАИ для анализа препаратов лимфатических узлов, определяющая индекс ДНК на базе измерения суммарной оптической плотности ядер лимфоидных клеток (окраска по Фельгену), индекс Ki-67 (ядерный антиген) на базе измерения доли областей ядер, окрашенных Ki-67, по отношению к общей площади ядер (окраска Ki-67 антитело + гематоксилин), морфометрические характеристики популяции клеток (окраска по Фельгену).

В некоторых работах [2, 3, 4] описаны программы автоматического сбора выборки и анализа эритроцитов в окрашенном мазке крови. С помощью программы МЕКОС [2, 3] выполняют денсито- и морфометрию эритроцитов, формируют гистограммы распределения по размерами и форме, оценивают анизоцитоз и овалоцитоз.

Рис.1. Схема цифрового микроскопа

Н.Н.Волченко и соавт. [5] получили количественное решающее правило дифференциальной диагностики протокового и долькового рака молочной железы на основе автоматизированного измерения статистики площади и формы ядер клеток окрашенного по Лейшману цитологического препарата. Границы ядер выделялись в полуавтоматическом режиме. Количественное решающее правило, построенное на обучающей выборке с использованием метода дискриминантного анализа на экзаменационной выборке, в 1.5-2 раза превосходило по точности диагностику опытного цитолога на основе визуального анализа.

Универсальные диалоговые САИ

Универсальные дСАИ автоматизирует некоторые операции управления и визуализации, такие как перемещение препарата по заранее фиксированным траекториям, фокусировка, настройка освещения, смена объективов и фильтров, формирование трехмерного изображения. Предоставляются универсальные методики количественного гисто- и цитоанализа.

В Leica Microsystems описан моторизированный микроскоп "Leica DMLA", позволяющий через собственный джойстик или через подключенный компьютер управлять перемещением предметного стола, фокусировать, менять объективы, конденсоры, фильтры и освещение. Предоставляются программные средства для формирования и исполнения последовательностей таких операций во времени, в том числе для автоматического формирования многоканального изображения флюоресцентной микроскопии. Аналогичные микроскопы и программы выпускают другие ведущие производители – Karl Zeiss, Olympys, Nikon и др.

В работе Foran описана система телемикроскопии, позволяющая эксперту, находящемуся на значительном расстоянии, дистанционно выполнять световую микроскопию мазков крови и костного мозга, отбирая поля зрения для анализа на своем компьютере. Система, предназначенная для диагностики лимфом и лейкозов, снабжена базой данных, позволяющей автоматизировать поиск сходных изображений.

В.С. Медовым [6] представлена программа МЕКОС-ВИМ («виртуальный микроскоп»), формирующая в автоматическом режиме расширенное непрерывное сфокусированное поле зрения («виртуальный препарат»). Виртуальный препарат формируется из большого числа соседних первичных физических полей зрения с адаптивной подгонкой границ между ними, исключающей наличие дефектов границ (панорамирование). Он может быть просмотрен на удаленном компьютере с имитацией микроскопии (перемещение, различные увеличения) и с морфометрией интересующих объектов.

В статье R.Chamgoulov и соавт. [7] описан «оптический компьютерный томографический микроскоп для трехмерной количественной гистологии», формирующий трехмерное цветное изображение окрашенного гистологического препарата с возможностью визуализации любых проекций и разрешением до 0.1 мкм.

Автономные САИ

Автономные САИ снабжены специализированными программами заданного автоматического анализа препаратов заданных типов.

Рис.2 Схема автоматизированного микроскопа

В работе J.Laak и соавт. [8] показано, что применении аСАИ позволяло автоматизировать идентификацию диплоидных клеток в мазках шейки матки для последующего вычисления гистограмм плоидности ДНК при оценке поведения опухолевых процессов. Применяется «дерево решений» на основе дискриминантного анализа для классификации клеток и артефактов. Отклонение автоматической идентификации от идентификации опытного цитопатолога составило 2.4%.

В работе N.Kim и соавт. [9] рассмотрена аСАИ для воспроизведения структуры микроскопических кровеносных сосудов в опухоли внутри массы гистологического препарата, что является важной информацией при диагностике ряда форм рака. Соответствующая ручная методика трудоемка, субъективна, плохо воспроизводима.

N.Ray и соавт. [10] представили систему автоматического анализа подвижности лейкоцитов in vivo в мелких сосудах с помощью интравитальной микроскопии с применением методов обработки изображений «активный контур» и «змеи». Методика используется для диагностики воспалительных процессов.

Таким образом, медицинское применение современных специализированных дСАИ связано в основном с анализом морфологически наиболее сложных объектов, автоматическое распознавание которых затруднено, а также с анализом больших выборок сравнительно простых объектов при их высокой концентрации.

Применение универсальных дСАИ связанго с улучшением разрешения и условий труда и анализа, в частности с телемедициной.

Медицинское применение современных аСАИ обусловлено возможностью анализа объектов сос сравнительно простой морфологией при их низкой концентрации в препарате или при сборе выборок больших объемов.

Примерно с 2002 года наступил этап полномасштабного рутинного применения САИ для медицинских анализов биоматериалов. Помимо накопления необходимого опыта и объема исследований, это связано с достигнутым приемлемым для массового применения соотношением цена/качество электронных средств ввода изображений и автоматизации микроскопии и с широким использованием новой группы математических методов анализа, таких как обучаемые нейронные сети, wavelet, watershed, active contour и др. Рис.3 Изображение в окне Adobe Photoshop

Можно ожидать, что разработчики САИ будут в нарастающем темпе продолжать вводить в медицинскую практику новые методики анализа биоматериалов, объем и точность которых превышают возможности ручной микроскопии, а разрешение – возможности проточных анализаторов.

При подготовке статьи использован материал работы и рисунки Медового В.С. и соавт. "Методики автоматизированной микроскопии биоматериалов"- Клиническая лабораторная диагностика, 2006, №7.

Ссылки
1. R.Katz и соавт. Compendium on the computerized cytology and hystology laboratory. - Chicago, 1994, 241-258
2. Байдун Л.В. Клин.лаб.диагностика-2003-№6, стр.39-42
3. Пятницкий А.М. Клин.лаб.диагностика-1997-№10, стр.8-10
4. Albertini M.C.- Cytometry - 2003 - vol.52A - p.12-18
5. Н.Н.Волченко и соавт. - Арх.пат. - 2002 - №6 - с.44-47
6. Медовый В.С. - Врач и информац. технол. - 2004 - №6 - с.32-37
7. R.Chamgoulov et all - Cell Oncol. - 2004 - vol26, #5,6 - 319-327
8. J.Laak et all - Cytometry - 2002 - vol47 - p.256-264
9. N.Kim et all - Anal.Cell.Pathol. - 2003 - vol25, #2 - p.63-75
10. N.Ray et all - IEEE transactions on medical imaging - 2002 - vol.21, issue10 - p.1222-1235

Вернуться к списку статей