CC BY
66
■■ —
г^ ■■■■
ЕЭ кЗа! ИТ и лечебно-диагностический процесс
^ и информационные
и информационные
технологии
В.С.МЕДОВЫЙ,
к.т.н., директор ЗАО «МЕКОС»
ИНФОРМАЦИОННЫЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ МИКРОСКОПИИ ДЛЯ АНАЛИЗА БИОМАТЕРИАЛОВ
Микроскопия, позволяющая выполнять анализы внутренней структуры клеток (цитология), концентрации и пространственного расположения клеток в ткани (гистология), динамики перемещения и изменения формы (физиология), является незаменимым источником диагностической информации при лечении множества заболеваний. Несмотря на бурный прогресс лабораторной техники, микроскопия остается единственной областью лабораторной диагностики, где все еще доминирует ручной труд. Врач-лаборант ищет и анализирует визуальные образы, плохо поддающиеся количественному описанию.
Типичными признаками, с помощью которых клетки описываются в учебниках цитологии, являются такие понятия, как «нежность» или «глыбча-тость» хроматина, «зернистость по краям», «бо-бовидность», «перешеек» и тому подобное, причем обычно есть промежуточные формы, которые можно описать неоднозначно. Причины такого нечеткого описания состоят в чрезвычайно высоком многообразии и изменчивости формы и структуры микроскопических объектов биоматериалов, их расположения в заполненном мешающими объектами объеме, трудностями стандартизации пробо-подготовки. Чтобы добиться успеха, техника автоматизации микроскопии вынуждена в полной мере конкурировать с мало понятными возможностями человека узнавать сложные изменчивые образы.
Рассмотрим задачи микроскопического морфологического анализа биоматериалов с точки зре-
© В.С.Медовый, 2004 г.
ния формирования выходной информации, используемой врачом в диагностике заболеваний. Эти задачи можно разбить на следующие группы.
1. Определение процентного состава («формулы») клеток с морфологией разных типов. Примерами являются подсчет лейкоцитарной формулы в мазке крови и формулы клеток (миелограммы) в мазке костного мозга.
2. Поиск объектов с заданного типа морфологией среди весьма большого числа объектов разных типов (порядка) или на больших пространствах препарата. Цитоанализ такого рода применяется при скрининге препаратов шейки матки для обнаружения редких раковых клеток. Другим примером является поиск яиц гельминтов и простейших в препаратах смывов и фекалий.
3. Определение гистограммы распределения популяции клеток по некоторому признаку, например, гистограммы доли площади иммунного маркера в площади ядра и гистограммы оптической плотности ядра (определение плоидности ДНК) при диагностике рака.
4. Оценка топологии (взаимного расположения) клеток разных типов в ткани (например, при диагностике метастазов в онкологии).
5. Определение подвижности и характеристик траектории перемещающихся объектов (сперматозоидов при диагностике бесплодия, инфузорий при экологических тестах и др.)
До последнего времени для анализа морфологии микроскопических объектов применялась в ос-
гчш
www.idmz.ru кЛ
новном ручная микроскопия. Даже при высокой квалификации врача-лаборанта (что не является повсеместным) такие анализы трудны, субъективны и ограничены по своим практическим возможностям. Далеко не вся присутствующая в биоматериале визуальная диагностическая информация может быть точно и правильно извлечена глазами врача.
В последние 30 лет предприняты огромные усилия для повышения надежности и эффективности, снижения трудоемкости медицинских анализов микроскопических объектов.
Один из основных путей - по возможности заменить микроскопию, применяя принципиально другие методы измерения микроскопических объектов биоматериалов. В 90-х годах быстрые и удобные автоматические проточные гемоанализаторы вытеснили в развитых странах ручную микроскопию в весьма важной группе простых количественных анализов клеток крови. В проточных анализаторах находящиеся в суспензии клетки с высокой скоростью прогоняются через тонкую трубку, где выполняются измерения их оптических и электромагнитных свойств.
Предварительно клетки последовательно подвергаются ряду биохимических воздействий, что также позволяет разделять их по типам. Другим примером высокоэффективного прибора для анализа микроскопических объектов является проточный флуори-метр, широко применяемый для анализа флуоресцирующих меток в онкологии и других областях. Проточные анализаторы решают главным образом 3 задачу и простые варианты 1-й задачи. Рынок проточных анализаторов составляет в настоящее время миллиарды долларов и продолжает расширяться. Тем не менее даже полная лейкоцитарная формула, классический объект соперничества проточных и визуальных анализаторов, остается прерогативой микроскопии. По-видимому, в обозримом будущем не только качественный, но и количественный анализ визуальных образов микроскопических объектов останется незаменимым источником диагностической информации. Причина этого состоит в более высоком разрешении и большем коли-
№6, 2004
честве информации, получаемом средствами микроскопии, по сравнению с другими современными методами. В настоящее время считается общепризнанным, что оба этих метода - проточный и визуальный цитоанализ - должны работать вместе, обеспечивая постоянно расширяющийся спектр лабораторных анализов.
Вторым широко применяемым путем повышения эффективности анализов стала информатизация микроскопии, то есть подключение к микроскопу видеокамеры и компьютера и использование современных информационных технологий.
Функции цифровых микроскопов (ЦМ) сводятся к следующему:
♦ изображение поля зрения микроскопа отображается на экране монитора компьютера и может быть записано в базу данных;
♦ 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;
♦ результаты измерений клеток популяции используются для различных типов количественного анализа, классификации и диагностики;
♦ для анализа динамических объектов снимается фильм, при обработке которого в последовательных кадрах определяются смещения объектов и характеристики траекторий.
ЦМ позволяет облегчить формирование заключений на основе системы подсказок, вызвать на экран изображения сходных объектов из атласа, передать изображения для консультаций, воспользоваться советами компьютерных систем диагностики, сохранить в базе данных и напечатать результаты анализа. ЦМ при достаточно высокой концентрации исследуемых клеток или небольших выборках эффективно автоматизирует анализы задач
>
W-ЩШШ kJH
и информационные
технологии
микроскопии 1, 3 и 5 групп. Они дополняют проточные анализаторы в случаях, когда последние неэффективны: когда объем исследуемого материала недостаточен для приготовления суспензии (например, при широко применяемой вытяжке биоматериала из ткани тонкой иглой); когда измеряются тонкие особенности формы и структуры клеток (например, измерение формы эритроцитов).
Программы для ЦМ общего назначения осуществляют стандартные операции информатизации (галереи кадров, база данных, печать, Интернет и др.). Типичными примерами являются VISILOG (Noesis Vision) и KS 400 (Zeiss). Степень автоматизации анализа введенного кадра тем выше, чем более специализированы программы ЦМ под конкретный анализ или биоматериал.
Примеры специализированных программ: для флуоресцентного анализа MetaMorph (Universal Imaging), для телемедицины PACS (Siemens medical Systems), для цитогенетики Q550CW (Leica), для количественной цитологии МЕКОС-Ц (МЕКОС), для 3-мерной реконструкции Denso (Denso) и др.
На рынке представлены сотни универсальных и специализированных ЦМ производства фирм Nicon, Olympus, Media Cybernetics, ChromaVision Medical Systems, PicoQuant, I-Cube, Improvision, Life Science Resource, Syngene, Empix Imaging и др. Отечественные ЦМ представлены разработками фирм МЕКОС, ВИДЕОТЕСТ, ДИАМОРФ, DiViSy и др. Рис.1 иллюстрирует типичную программу для ЦМ.
Стоимость программ для ЦМ весьма различна, от 300 до 20 000$. Стоимость оборудования ввода и анализа изображений, дополняющего обычный микроскоп до цифрового (аналоговая или цифровая видеокамера или цифровой фотоаппарат, плата захвата (фрейм-граббер), компьютер),колеб-лется примерно в тех же пределах, обеспечивая ввод изображений весьма разного качества, скорости и объема.
Проведено огромное число исследований с применением ЦМ, в которых показаны их возможности в диагностике самых разных патологий: воспалительных процессов, инфекционных заболеваний,
анемий, заболеваний печени, хронических отравлений и профессиональных заболеваний, для профессионального отбора и определения адаптационных возможностей организма, при тестировании на алкоголизм и др. Наиболее многочисленную группу составляют работы, посвященные оценке пролиферативной активности опухолей различных типов. В качестве входной информации для диагностических решающих правил используются гистограммы оптической плотности ядер и цитоплазмы, количественные характеристики формы и топологии, текстурные характеристики и др. [1].
В отличие от развитых стран, российский рынок ЦМ все еще находится на этапе начального роста. Основные сдерживающие факторы для проникновения импортных ЦМ на российский рынок - их высокая стоимость и сложность освоения не-русифицированного ПО.
Российские ЦМ дешевы, но часто используют низкокачественные комплектующие и программы, что дискредитирует саму идею применения ЦМ. Посредники, выполняющие львиную долю поставок ЦМ, слабо ориентируются в задачах потребителей и необходимых комплектациях оборудования и программ. Отрицательно сказывается на расширении рынка ЦМ весьма слабая компьютерная грамотность наших врачей-лаборантов. Около десятка малочисленных российских фирм-разработчиков ЦМ разобщены и конкурируют в большинстве случаев на самом дешевом сегменте рынка вместо продвижения более интеллектуальных и потенциально гораздо более востребованных продуктов. 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 и средней концентрацией исследуемых клеток (например, подсчет лейкоформулы), поскольку процесс просмотра препарата остается
F4I
www.idmz.ru hil
№6, 2004
таким же трудоемким, как и в ручном микроскопе.
В последнее десятилетие появился новый класс интеллектуальных микроскопов - автоматические микроскопы-анализаторы (МА), самостоятельно выполняющие основные этапы микроскопии для некоторых типов массовых анализов биоматериалов. МА избавляет врача от необходимости сидеть за микроскопом. Его рабочим местом становится компьютер, в который микроскоп-анализатор передает изображения собранной им самостоятельно выборки клеток или других объектов.
В состав МА, кроме компонента цифрового микроскопа входят, средства перемещения и фокусировки препарата (моторизованный предметный стол, моторизованный узел фокусировки, блок управления).
Основным элементом МА является роботизирующее программное обеспечение. Микроскопы-анализаторы имеют следующие преимущества по сравнению с цифровыми микроскопами:
♦ заменяют глаза и руки врача-лаборанта, перемещая, фокусируя, выбирая маршрут просмотра препарата, собирая выборки объектов заданных типов;
♦ повышают точность и информативность стандартных и углубленных медицинских анализов за счет объективизации выбора маршрутов просмотра, улучшения представительности
Рис.1. Программа для ЦМ МЕКОС-АРЕ: автоматизированный анализ ретикулоцитов
и увеличения объема выборок, их объективного количественного анализа;
♦ увеличивают производительность и улучшают условия труда высококвалифицированного персонала, избавленного от трудоемкой рутинной микроскопии и выполняющего главным образом функции экспертов;
♦ эксплуатация комплекса может осуществляться средним медицинским персоналом;
♦ расширяются возможности производства трудоемких анализов, таких, как подсчет формул и морфометрия при низкой концентрации клеток;
♦ возможен автоматический поиск объектов на больших пространствах препарата для их повторной микроскопии в других условиях;
♦ осуществляется автоматический контроль качества приготовления препарата;
♦ изделия могут применяться в качестве станции телемедицины с автоматическим управлением процессом микроскопии по командам удаленного эксперта, наблюдающего поле зрения микроскопа на своем компьютере в реальном времени;
♦ для телемедицины выполняется автоматическая съемка фильма о препарате с формированием представительного «виртуального препарата», пригодного для дешевой передачи по линиям связи (e-mail, Internet) в нереальном времени;
>
W-ЩШШ kill
и информационные
технологии
Рис.2. Основные операции программ серии МЕКОС-КМ для микроскопа-анализатора
♦ предоставляются средства формирования маршрутов обхода площади и расписаний автоматического наблюдения и анализа динамики живых объектов в препарате в реальном времени.
МА помогает решать все 5 отмеченных выше задач морфологического анализа биоматериалов. Он является мощным многофункциональным инструментом, создающим новый уровень лабораторных исследований. Рис. 2 иллюстрирует основные операции программ микроскопа-анализатора.
Оборудование МА комплектуется либо на базе обычных ручных микроскопов с добавлением моторизованных узлов (предметного стола, фокусировки и др.), либо на базе интегрированных моторизованных микроскопов. Первый путь, по которому до настоящего времени шли небольшие фирмы (Prior Scientific, Optimas UK, МЕКОС и др.), позволяет выпускать мелкие партии недорогих МА на
базе микроскопов разных типов. Отечественным представителем этой группы является МЕКОС-Ц1 (рис. 3). В составе МЕКОС-Ц1 используются различные серийные микроскопы (МИКМЕД-2, Motic 3B, Zeiss Axiostar, Leica DMLS, NIKON E200 и др.), средства автоматизированного перемещения и фокусировки препарата, средства ввода изображений, персональный компьютер.
Примеры серийных интегрированных моторизованных микроскопов для МА: Leica DMLA, Zeiss Axiopath, Olympus BX61, NIKON Eclipse E 1000.
Функции МА пока удалось реализовать для небольшой, но очень важной группы анализов: системы AutoPap и PAPNET (США) - для обнаружения злокачественных клеток в мазках с поверхности шейки матки, LSC (США) - для измерения субпопуляций клеток при цветной флуоресценции, ACIS (США) - для анализа уровня белка HER2 при
F4I hil
Рис.3. Автоматизированный микроскоп МЕКОС-Ц1
раке молочной железы, Diffmаster-Cellаvision (Швеция) [2] для подсчета лейкоформулы, отечественная разработка МЕКОС-Ц1-МЕКОС-КМ - для подсчета лейкоформулы, анализа эритроцитов и ретикулоцитов, обнаружения яиц гельминтов, виртуальной микроскопии и др. [1].
Хотя основные идеи МА были разработаны еще в 80-х годах, только в начале 2000-х годов начался значительный рост мирового рынка МА на новом уровне развития математики, электроники, компьютерной и видеотехники [3]. Разработка МА требует применения ряда передовых технологий, освоение которых доступно только коллективам разработчиков высокого класса. В настоящее время на рынке МА представлено более десятка фирм. Российский рынок МА еще только формируется и фактически представлен только разработками ЗАО «МЕКОС».
Программы для ЦМ и МА имеют много общего, они могут разрабатываться на базе единого подхода. В частности, программы МЕКОС мобиль-
№6, 2004
ны и могут применяться со многими вариантами оборудования ЦМ и МА различных производителей. Мы предлагаем создать группу конкурентоспособных унифицированных по интерфейсу российских программ для ЦМ и МА, которая могла бы расширить и сделать цивилизованным российский рынок этих современных приборов.
Объединение усилий производителей могло бы улучшить испытания, рекламу, сервис, обучение, особенно в регионах, способствовать формированию благоприятного общественного мнения относительно потребительских свойств ЦМ и МА. Пользуясь временным отсутствием интереса к российскому рынку у серьезных западных конкурентов, российские производители могли бы попытаться значительно повысить качество своих программ, специализируясь на различных приложениях и продвигая свои продукты совместно. Экономическая эффективность таких действий связана с перспективами бурного роста нашего рынка в ближайшие годы. ЗАО «МЕКОС» предлагает для такого совместного проекта свои ЦМ/АМ-программы: «денсито-морфометрия и диагностика», «анализ мазка крови», «фототека», «автоматизированная паразитология» и др. Мы готовы рассмотреть программы других производителей для наших ЦМ и МА. Это могли бы быть программы для анализа РАР^теаг, для генетики, физиологии и др.
В начавшемся десятилетии впервые информатизация и автоматизация микроскопических анализов сводится главным образом к разработке программного обеспечения. Вместе с хронической нехваткой высококвалифицированных врачей-лаборантов это создает предпосылки для быстрого расширения производства анализов методами ЦМ и МА.
ЛИТЕРАТУРА
. http://mecos.ru
2. www.cellavision.com
3. Hatcher Michael. Medicine to boost microscopy market/Opto and Laser Europe magazine. 14 February 2003
