УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ОБНАРУЖЕНИЯ БЛАСТНЫХ КЛЕТОК В ПЕРИФЕРИЧЕСКОЙ КРОВИ

Предложенное техническое решение описывает средства автоматизированного микроскопического анализа, ориентированные на поддержку принятия решений по идентификации бластных клеток при исследовании препаратов периферической крови на основе компьютерной обработки изображений и относится к области медицины, в частности, к автоматическим гематологическим анализаторам и лабораторным методам и устройствам для исследования крови.
Острый лейкоз - заболевание системы крови, которое при отсутствии лечения может привести к летальному исходу в течение нескольких недель. При этом заболевание протекает без специфических симптомов, что осложняет его раннюю диагностику. При нормальном ходе кроветворения в костном мозге образуются бластные клетки, которые, развиваясь, превращаются в зрелые клетки, после чего попадают в кровь. При остром лейкозе число бластных клеток в костном мозге превышает норму и часть из них переходит в кровь, не пройдя всех стадий развития. Наличие бластов в периферической крови может свидетельствовать об остром лейкозе.
Факт присутствия бластных клеток в периферической крови может быть установлен при первичном обследовании пациента, обратившегося за медицинской помощью в лечебное учреждение, что способствует более ранней диагностике острого лейкоза в этих случаях.
Такое решение на практике сталкивается с рядом проблем:
1. При визуальном микроскопическом анализе мазков периферической крови в обычных поликлиниках врачи-лаборанты, как правило, не имеют достаточной квалификации для достоверной идентификации бластной клетки.
2. Автоматические гемоанализаторы, такие как проточные цитометры, при исследовании проб крови, содержащей бластные клетки, выдают ошибочные результаты по ее составу. Поэтому при отклонениях состава крови от нормы и при подозрениях на острый лейкоз обязательным является микроскопическое исследование препаратов крови (по заключению специалистов Российского онкологического научного центра им. Н.Н.Блохина РАМН).
3. Современные компьютерные системы анализа микроскопических изображений гематологических объектов («МIСRО-21» (США), «ВидеоТест-Гем» (Россия); «Лена» (Россия); «Мекос» (Россия); «АСПЕК» (Россия); «КS-400» (Германия) и др.) не обеспечивают достоверного автоматического обнаружения бластных клеток в препаратах крови (по заключению специалистов Гематологического научного центра РАМН).
Известны технические решения для автоматической классификации клеток крови по их изображению в сухих мазках с использованием телевизионной камеры и компьютера. Например, см. Патент РФ №2085943, G01N 33/48, Дата публикации: 1997.07.27. Дата подачи заявки: 1992.12.29.
СПОСОБ РАННЕЙ ДИАГНОСТИКИ РЕЦИДИВОВ ОСТРОГО ЛИМФОБЛАСТНОГО ЛЕЙКОЗА У ДЕТЕЙ
Использование: в медицине, в частности в гематологии. Сущность изобретения: у больного исследуют клетки костного мозга методом серебрения ядрышковых организаторов и при выявлении среди лимфоидных клеток популяции гипергранулярных клеток с высокой активностью ядрышковых организаторов при отсутствии морфологически распознаваемых бластных форм диагностируют раннюю стадию обострения заболевания.
Недостатками решения являются высокая трудоемкость, недостаточная достоверность результатов, ограниченные функциональные возможности.
Известно также решение, см. Патент РФ №2232988, G 01 N 33/49 Дата публикации: 2004.07.20,
Дата подачи заявки: 2002.10.03
СПОСОБ ОЦЕНКИ СОДЕРЖАНИЯ ЛЕЙКОЦИТОВ, ЭРИТРОЦИТОВ И ТРОМБОЦИТОВ В КРОВИ С УЧЕТОМ ГЕМОКОНЦЕНТРАЦИИ
Данное изобретение относится к области медицины, в частности к лабораторным методам исследования. Сущность изобретения состоит в подсчете форменных элементов крови унифицированным способом с учетом относительной плотности плазмы крови больного. Техническим результатом является повышение достоверности лабораторного определения количества форменных элементов крови при состояниях, сопровождающихся внутрисосудистым сгущением или разведением крови.
Недостатками решения являются высокая трудоемкость исследования, ограниченные функциональные возможности.
Известно также решение по патенту РФ №2122733, G 01 N 33/49, Дата публикации: 1998.11.27
Дата подачи заявки: 1996.04.26
УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ КЛАССИФИКАЦИИ ФОРМЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КРОВИ
- Устройство содержит соединенные последовательно оптический микроскоп, цветную телевизионную камеру и аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с первым входом временного запоминающего устройства, которое соединено с внешним дисковым запоминающим устройством, при этом оба запоминающих устройства соединены с микрокомпьютером, который соединен с цифроаналоговым преобразователем, а также телевизионный монитор, печатающее устройство, клавиатуру, блок управления двигателями, соединенный с двигателями перемещения предметного стола по осям X, Y и узла фокусировки микроскопа, а также с микрокомпьютером, введены дисплей, блок бинаризации и кодирования видеосигнала, блок вычисления площади ядра клеток.
Указанное устройство работает следующим образом. Сухой окрашенный мазок крови помещается на предметный стол оптического микроскопа 1. Изображение клеток крови через оптическую систему микроскопа передается на матрицу твердотельной цветной телевизионной камеры 2. Аналоговый видеосигнал изображения с выхода телевизионной камеры 2 поступает для визуального наблюдения текущего фрагмента мазка на телевизионный монитор 13 и вход АЦП 5. В АЦП 5 преобразуются в цифровую форму сигналы каждой составляющей сигнала изображения (яркостной, цветоразностных красной и синей), а также выделяются кадровый и строчный синхроимпульсы. Видеосигналы в цифровой форме и синхроимпульсы поступают на вход блока бинаризации и кодирования видеосигнала 6. После завершения процесса полного распознавания микрокомпьютер 9 выводит процентное содержание форменных элементов крови (лейкоцитарную формулу) на экран дисплея 11 и на печатающее устройство 12.
Недостатками решения являются высокая трудоемкость исследования и низкая достоверность автоматической классификации клеток для проб крови, содержащей бласты, а также ограниченные функциональные возможности.
Задача предлагаемого решения состоит в повышении достоверности результатов, снижении трудоемкости, расширении функциональных возможностей за счет поддержки принятия решений, возможности документирования, обучения.
По мнению заявителя, в объеме раскрытия информации в описании указанного выше изобретения по патенту РФ №2122733, его можно рассматривать в качестве прототипа к заявленному.
Решаемая техническая задача, состоит, в частности, в том, чтобы при обеспечении высокой точности позиционирования предметного стола и использовании частично унифицированных, легко адаптируемых функциональных узлов обеспечить простоту обслуживания, повысить ремонтопригодность, снизить стоимость, обеспечить и повысить достоверность результатов оцифровки, сопоставительного анализа изображений и оптимальные режимы перемещений предметного стола при сканировании исследуемых препаратов а также обеспечить снижение трудоемкости исследований, поддержку принятия решений, возможность документирования, обучение и повышение квалификации.
Решение указанной технической задачи и достижение технического результата обеспечивается при использовании следующей совокупности существенных признаков.
Устройство для выявления бластных клеток в мазках крови, включающее микроскоп, сменные объективы микроскопа, предметный столик микроскопа с электроприводами перемещения по осям х, у, z, управляемыми блоком-анализатором, силовой блок электроприводов, дополнительно снабженный блоком управления скоростью, направлением подачи (перемещений) предметного столика, преобразователь светового микроскопического изображения в электронное изображение, установленный на микроскопе через оптический адаптер и соединенный каналом связи с платой ввода изображений и блоком-анализатором,
при этом
- блок-анализатор дополнительно снабжен подблоком гистограммного анализа цветовых компонент RGB обрабатываемого изображения;
- устройство дополнительно снабжено базой данных изображений бластных и небластных клеток и соответствующих им морфологических характеристик;
- устройство дополнительно снабжено пультом дистанционного управления перемещением предметного столика микроскопа;
- устройство дополнительно снабжено блоком сравнения изображений найденных клеток с эталонными, имеющимися в базах изображениями бластных/не бластных клеток;
- устройство дополнительно снабжено блоком вывода на печать изображений клеток;
- сменные объективы микроскопа имеют увеличение от 2,5х и до 100х крат;
- оптический адаптер выполнен в виде трубчатой конструкции с разъемными присоединительными элементами на торцах и установленным в полости оптического адаптера средством оптических преобразований.
- преобразователь светового микроскопического изображения в электронное изображение выполнен в виде фотокамеры;
- преобразователь светового микроскопического изображения в электронное изображение выполнен в виде телекамеры;
- электроприводы перемещения предметного стола выполнены в виде блока мотор-редукторов, состоящих из шаговых двигателей с редукторами, причем
- для сопряжения выходного вала редуктора шагового двигателя и соответствующего вала предметного стола дополнительно введены пластиковые (капроновые) сопрягаемые шестерни,
конструкция электроприводов дополнительно снабжена связанными с силовым блоком электропривода, датчиками ограничения крайних положений предметного стола по координатным осям,
при этом
- использованы микроскоп МИКМЕД-2, предметный столик координатный КС-30;
- устройство дополнительно снабжено панелью навигации;
- матрица телекамеры выполнена размером по диагонали 12,7 мм.;
- параметры механической системы перемещения предметного стола микроскопа выбраны из соотношений:
Ось "х"
Шаг подачи
26,5 мм/оборот 0,0736 мм/град.
Максимальный ход подачи 80 мм
Ось "у"
Шаг подачи
53,3 мм/оборот 0,148 мм/град
Максимальный ход подачи 40 мм.;
Ось "z"
Шаг подачи
20 мкм/оборот 0,055 мкм/град
Максимальный ход подачи 26 мм.;
- параметры редуктора для шагового двигателя подачи предметного стола выбраны из следующих соотношений для обеспечения перемещения предметного стола за один шаг на расстояние 0,011 мм.:
17 зубьев
Шаг мотора 7,5 град
Шаг мотора 15 град
Ось "х"
Шаг подачи 0,0736 мм/град Редукция
50,2
100,4
Ось "у"
Шаг подачи 0,148 мм/град Редукция
100,9
201,8;
Шаг мотора 0,9 град 10 зубьев
Ось "z"
Шаг подачи 0,055 мкм/град Редукция
5,6;
- на значительном увеличении (например ×100) используют объектив с масляной иммерсией;
- для обеспечения фокусировки изображения в центре ядра анализируемого лейкоцита дополнительно введен блок вычисления максимума производной функции яркости по всей области ядра клетки лейкоцитарного ряда.
Для приведенной совокупности существенных признаков, в частности, блок управления скоростью, направлением подачи (перемещений) предметного столика обеспечивает:
при минимальном увеличении (×2, ×4) - быстрый поиск клеток с ядрами и фиксацию их координат;
при максимальном увеличении (до ×100) - ускоренное перемещение по координатам ранее обнаруженных клеток с ядрами или их скоплений;
а также охват за один сканирующий проход наибольшей пощади (длины хода) исследуемой области, что соответственно, ускоряет процесс исследования препаратов, с обеспечением дополнительных указанных преимуществ.
При этом, при изучении разных типов текстур на значительном увеличении (например ×100) используют объектив с масляной иммерсией.
Предлагаемое решение поясняется представленными иллюстративными материалами:
Фиг.1 - автоматизированная система гематологической диагностики, общий вид.
Фиг.2 - пример изображения клетки крови: бластная клетка.
Фиг.3 - пример изображения клетки крови: лимфоцит.
Фиг.4 - пример изображения клетки крови: моноцит.
Фиг.5 - структурная схема автоматизированной системы гематологической диагностики.
Фиг.6 - обобщенная схема автоматизированного анализа изображений клеток крови
Фиг.7 - пример конкретного выполнения устройства для гематологической диагностики.
Фиг.8 - представлено программно-аппаратное взаимодействие компонентов комплекса.
Фиг.9 - схема расположения элементов моторизованного привода предметного стола микроскопа.
Фиг.10 - схема расположения датчиков крайних положений моторизированного привода предметного стола микроскопа по координате X.
Фиг.11 - Схема расположения датчиков крайних положений моторизированного привода предметного стола микроскопа по координате Y.
Фиг.12 - фото Автоматизированного комплекса на базе микроскопа ЛОМО Микмед-2.
Фиг.13 - схема кинематики моторизованного привода перемещений предметного стола.
На фиг.7 (Пример конкретного выполнения устройства для гематологической диагностики) позициями обозначены:
1 - монитор
2 - камера (фото/видео)
3 - адаптер
4 - микроскоп лабораторный
5 - моторизированный привод предметного стола
6 - соединительный кабель (привода и модуля управления)
7 - модуль управления приводом
8 - системный блок совместимого IBM компьютера
9 - панель навигации (привода)
10 - клавиатура
На Фиг.9 (Схема расположения элементов моторизированного привода предметного стола микроскопа)
позициями обозначены:
11 - Валы штатных ручек перемещения препарата
12 - Элементы крепления редуктора к предметному столу
13 - Понижающая (90/40) зубчатая пара привода Y
14 - Штора датчика крайнего положения Y-координаты
15 - Пара приемник-излучатель датчика крайнего положения Y-координаты
16 - Шаговый двигатель Y-координаты с редуктором FL42PMGJB150
17 - Шаговый двигатель Х-координаты с редуктором FL42PMGJB150
18 - Пара приемник-излучатель датчика крайнего положения Х-координаты
19 - Повышающая (56/40) зубчатая пара привода Х
20 - Штора датчика крайнего положения Х-координаты
К - Элементы каркаса и кожуха моторизированного привода
указанные размеры (для примера конкретного исполнения):
а=95
в=124
Позициями на фиг.10 обозначены:
21 - Ведомое зубчатое колесо привода Y
22 - Штора датчика крайнего положения Х-координаты
23, 24 - Две пары приемник-излучатель датчика крайнего положения Х-координаты
25 - Плата оптодатчиков крайних положений привода Х
26 - Пара приемник-излучатель датчика крайнего положения Х-координаты
27 - Штора датчика крайнего положения Y-координаты
28 - Ведущая шестерня привода Х
указанные размеры (для примера конкретного исполнения):
l=50
h=82,1
угол а=10 град.
угол в=100 град.
угол d=13 град.
На фиг.11 позициями обозначены:
29 - Штора датчика крайнего положения Y-координаты
30, 31 - Две пары приемник-излучатель датчика крайнего положения Y-координаты
32 - Ведущая шестерня привода Y
33 - Плата оптодатчиков крайних положений привода Y
34 - Ведомое зубчатое колесо привода Y
указанные размеры (для примера конкретного исполнения):
n=92,5
m=50
угол с=10 град.
угол f=30 град.
На Фиг.12 (фото Автоматизированного комплекса на базе микроскопа ЛОМО Микмед-2) позициями обозначены:
35 - микроскоп с телекамерой (со специальным механизированным столом для препаратов);
36 - модуль и силовой блок управления приводом;
37 - панель навигации;
38 - ЭВМ с платой видео ввода.
На фиг.13 позициями обозначены:
39 - объектив микроскопа
40 - Шаговый двигатель Y-координаты с редуктором FL42PMGJB150
41 - Шаговый двигатель Х-координаты с редуктором FL42PMGJB150
42 - нижняя несущая панель предметного стола
43 - предметное стекло
44 - верхняя несущая панель предметного стола
45 - средняя несущая панель предметного стола
46 - корпус микроскопа
47 - Шаговый двигатель Z-координаты с редуктором FL42PMGJB150
Предложенное решение обеспечивает реализацию одного из важных компонентов автоматизированной диагностики острых лейкозов - микроскопического исследования мазков периферической крови с идентификацией бластных клеток.
Выявление и подсчет бластных клеток в периферической крови являются необходимым этапом в лабораторных исследованиях при диагностике острого лейкоза. Однако до настоящего времени не создано систем, осуществляющих надежное выявление бластных клеток в периферической крови. Такое положение обусловлено тем, что, по всей видимости, применявшихся ранее признаков, описывающих размеры и форму ядра и цитоплазмы клеток, недостаточно для идентификации бластов.
В данной связи разработаны средства автоматизированного микроскопического анализа мазка периферической крови с идентификацией бластных клеток, основанной на измерениях текстурных признаков бластных клеток. Созданная система является по существу системой поддержки принятия решений по идентификации бластных клеток.
При этом любую клетку, идентифицированную как бластную, врач, использующий систему, может сравнить с клетками из электронного атласа, входящего в состав системы и на этом основании принять окончательное решение о принадлежности исследуемой клетки к бластным.
Следует отметить, что электронный атлас бластных клеток, наряду с применением в диагностике, также оказывает помощь при повышении квалификации врачей и обучении студентов-медиков.
Системы автоматизированного анализа изображений клеток крови могут использоваться как врачами клинико-диагностических лабораторий, так и специалистами-гематологами как средство для консультаций в сложных для диагностики случаях.
Общий вид системы представлен на фиг.1, а структурная схема - на фиг.5. Мазок крови на предметном стекле готовится по стандартной методике. Предметное стекло устанавливается на моторизованный столик микроскопа.
Микроскопическое изображение препарата, формируемое микроскопом, с помощью цифровой камеры преобразуется в цифровое изображение, которое передается в компьютер. Далее анализ изображения выполняется методами компьютерной обработки.
Обобщенная схема автоматизированного анализа изображений клеток крови представлена на фиг.6.
На этапе предобработки производится фильтрация шума, нормализация изображения по яркости и цветовым характеристикам, осуществляется выделение лейкоцитов на микроскопическом изображении мазка крови.
На этапе описания определяются значения признаков выделенных клеток.
На этапе классификации производится отнесение выделенной клетки к одному из известных классов.
Предобработка изображения.
Цель предобработки - улучшить изображение и преобразовать его к виду, который обеспечит успешное решение задачи описания и классификации бластных клеток. Ключевое решение этой задачи связано с определением признаков для автоматического разделения всей области изображения на области лейкоцитов и область прочего (к области прочего в данном случае относятся как область фона, так и красные клетки крови - эритроциты).
Описание лейкоцитов.
Морфологические характеристики клеток - максимальный размер клетки, площадь ядра и цитоплазмы, ядерно-цитоплазматическое отношение - могут быть использованы для прогноза острого лейкоза. Экспериментальная оценка информативности этих характеристик для бластных и небластных клеток, показала, что гистограммы их распределений для этих клеток сильно пересекаются. Таким образом, было установлено, что только этих характеристик недостаточно для надежной идентификации бластных клеток в мазке периферической крови. По мнению врачей-гематологов одним из определяющих признаков бластной клетки является «нежность» структуры хроматина, однако существующие автоматизированные системы обработки изображений эту характеристику не измеряют. Поэтому в настоящей разработке рассматривается подход к распознаванию бластных клеток на основе описания структуры хроматина. Для количественного описания характеристики нежности хроматина предложен ряд признаков.
Поскольку «нежность» хроматина у бластных клеток определяется тонкими отдельными нитями, образующими сетку, в отличие от «глыбчатости» лимфоцитов, когда нити как бы сворачиваются в клубки - «глыбки», в основу расчета количественных признаков «нежности» положена оценка различий в значениях цветовых компонент близких точек изображения ядра.
Рассматривая изображение ядра клетки крови как текстуру естественного происхождения, для ее описания предлагается применить метод текстурного анализа, основанный на вычислении матрицы пространственной смежности (матрицы Харалика).
Указанные признаки рассчитывались для цветовых компонент, представленных в цветовых моделях, имеющих наиболее широкое применение в задачах анализа и отображения цветных изображений: RGB, HLS, YUV. В результате экспериментальной оценки их информативности по критерию точности распознавания бластных клеток были выбраны R (красный), G (зеленый), В (синий), L (светлота), Y (яркость) как наиболее информативные.
В качестве дополнительных текстурных характеристик для описания хроматина ядра клеток крови рассматривались характеристики, описывающие свойства длин серий постоянной яркости. Для длин серий рассчитывались характеристики: неоднородность яркости, момент серий, обратный момент серий, доля изображения в сериях для компонент G, L, Y. Указанные компоненты были выбраны как наиболее информативные из рассмотренных R, G, В, Н, L, S, Y, U, V, исходя из критерия точности распознавания бластных клеток.
Проведенные эксперименты показали, что использование статистик, рассчитанных на основе длин серий, приводит к ошибкам в определении бластных клеток более 20%, поэтому в дальнейшем эти признаки не рассматривались.
Классификация лейкоцитов.
Исследовались различные методы классификации - метод ближайших соседей, дискриминантный анализ, нейросетевые технологии и др. Исследования показали, что оптимальным для решения поставленной задачи является метод дискриминантно-линейного разделения.
Результаты экспериментальных исследований.
Для оценки предложенного метода автоматизированного анализа изображений мазков крови была подготовлена выборка препаратов из архива Российского онкологического научного центра им.Н.Н.Блохина. Цифровые изображения клеток вводились в компьютер с помощью системы, включающей микроскоп ZEISS Axioplan, цифровая камера Axiocam.
Изображения анализировалась врачом-экспертом. По результатам этого анализа сформировано описание типов клеток на указанных изображениях. В результате были отобраны клетки, которые удовлетворяют комплексу требований (по качеству окраски, освещения препарата, местоположения в препарате, качеству съемки). Наряду с решением задачи оценки эффективности разрабатываемого метода распознавания бластных клеток сформированная выборка клеток крови явилась основой для создания электронного атласа бластных клеток. Всего было отобрано 1384 лейкоцита, из них 429 бластных клеток и 955 небластных клеток (лимфоциты, моноциты и др.). В результате эксперимента получено, что среди бластных клеток неправильно идентифицировано не более 4%, а из небластных клеток распознано как бластные не более 3%.
Таким образом, разработана методология автоматизированного микроскопического анализа периферической крови при диагностике острых лейкозов и в результате разработки предложены способ и средства предобработки, анализа, предназначенные для обнаружения бластных клеток в периферической крови человека и последующего использования результатов. Присутствие бластных клеток в мазке периферической крови является одним из существенных оснований для предположений о наличии острого лейкоза.
Предложена стратегия решения задачи автоматизации диагностики острых лейкозов по результатам микроскопического исследования мазков крови с применением компьютерных систем обработки изображений. Обнаружение бластных клеток при указанных обстоятельствах способствует ранней диагностике острого лейкоза, что является важным фактором в его лечении.
В основу идентификации бластных клеток положено их описание с применением текстурных признаков на базе матриц пространственной смежности. Определены информативные признаки энергия, момент инерции, энтропия, максимальная вероятность, локальная однородность рассчитанные для цветовых компонент R, G, В, L, Y. Указанные цветовые компоненты соответствуют распространенным на практике цветовым моделям - RGB, HLS, YUV, они были экспериментально выбраны по критерию минимума ошибки распознавания бластных клеток. В качестве дополнительных признаков использовались характеристики площади и максимального линейного размера клеток и ядер, а также ядерно-цитоплазматическое соотношение. Классификация выполнялась по методу дискриминантно-линейного разделения.
Эксперимент по оценке качества распознавания бластных клеток был проведен на 1384 клетках, из них 429 бластных клеток и 955 небластных клеток (лимфоциты, моноциты и др.). Оценка качества распознавания проводилась врачами-экспертами. В результате эксперимента получено, что среди бластных клеток правильно идентифицировано более 96%, а из небластных клеток - более 97%, что является высоким результатом.
На основе сформированных в ходе эксперимента выборок изображений бластных клеток разработан компьютерный атлас, который используется как справочное пособие при проведении гематологических анализов в клинических лабораториях, а также при повышении квалификации врачей и обучении студентов-медиков.
Описанные исследования реализованы в созданной автоматизированной системе гематологической диагностики,  содержащей, как составной компонент, комплекс операций способа выявления бластных клеток в препаратах крови, включающего получение бинарного изображения препарата, путем выделения на полученном изображении препарата ограниченной области по отличающимся признакам цвета с использованием гистограммного анализа цветовых компонент RGB с условным обозначением клетка и фон, причем в качестве цвета пикселя изображения препарата берут его координаты RGB в цветовой системе RGB, описывающей цветояркостные характеристики пикселя, затем отмечают все пиксели принадлежащие области изображения клетки по двум классам ядро и цитоплазма, а полученные в результате бинарные изображения используют для указания области изображения препарата для расчета признаков клетки, путем морфологического анализа, причем морфологический анализ включает расчет геометрических и текстурных характеристик, полученные характеристики сравнивают с характеристиками имеющихся эталонных изображений, содержащихся в галереях изображений бластных и небластных клеток имеющейся базы данных и определяют принадлежность рассматриваемой клетки к бластным или небластным, при этом для поддержки принятия решений осуществляют визуализацию изображений выявленных бластных и небластных клеток, причем изображение с рассчитанными морфологическими характеристиками заносят в имеющуюся базу данных, документируют заключение по результатам анализа, имеющиеся в базе данных изображения бластных и небластных клеток предъявляют при обучении и контроле знаний (сертификации специалиста врача-морфолога).
Также, как указывалось выше, созданная автоматизированная система гематологической диагностики включает разработанные средства реализации описанного способа, а именно: конструктивное решение имеющихся технических задач.
Предлагаемое техническое решение относится к использованию в медицине средств автоматики и вычислительной техники при исследованиях микропрепаратов с применением взаимосвязанных конструктивно и взаимообусловленных решаемыми задачами, совокупности существенных признаков предложенного устройства.
Решаемая техническая задача, как указывалось ранее, состоит, в частности, в том, чтобы при обеспечении высокой точности позиционирования предметного стола и использовании унифицированных, легко адаптируемых функциональных узлов обеспечить простоту обслуживания, повысить ремонтопригодность, снизить стоимость, обеспечить достоверность результатов оцифровки, сопоставительного анализа изображений и оптимальные режимы перемещений предметного стола при сканировании исследуемых препаратов.
Предлагаемое устройство поясняется также фотографией, см. фиг.12 примера конкретного выполнения, где позициями обозначены:
Микроскоп с видеокамерой и предметным столом для препаратов [35], модуль и силовой блок управления приводом [36], панель навигации [37] и ЭВМ [38] с платой видео ввода.
При создании данного устройства на конкретном примере показано использование микроскопа МИКМЕД-2, Предметного столика координатного КС-30. (фиг.7)
Параметры сборки видеокамера - микроскоп:
Матрица видео камеры имеет размеры (диагональ 1/2=12,7 мм)
~9,9×7,9 мм.
Сменные объективы микроскопа имеют кратность 4÷100.
Кратность видоискателя 1,2.
Кратность объектива видеокамеры 0,6.
Таким образом, размеры поля зрения ~27,5×22÷0,137×0,11 мм.
При максимальном оптическом разрешении, для оптимального позиционирования препарата шаг смещения предметного стола должен быть не более 1/10 линейного размера поля зрения видеокамеры.
Параметры механической системы перемещения предметного стола микроскопа:
Ось "х"
Шаг подачи
26,5 мм/оборот 0,0736 мм/град.
Максимальный ход подачи 80 мм
Ось "у"
Шаг подачи
53,3 мм/оборот 0,148 мм/град
Максимальный ход подачи 40 мм.;
Ось "z"
Шаг подачи
20 мкм/оборот 0,055 мкм/град
Максимальный ход подачи 26 мм.;
Расчет параметров редуктора для шагового двигателя подачи предметного стола.
Необходимо обеспечить перемещение предметного стола за один шаг на расстояние 0,011 мм.
Для достижения такой точности необходимо преобразование углового перемещения (редукция):
17 зубьев Шаг мотора 7,5 град Шаг мотора 15 град
Ось "х"
Шаг подачи 0,0736 мм/град Редукция
50,2
100,4
Ось "у"
Шаг подачи 0,148 мм/град Редукция
100,9
201,8;
Шаг мотора 0,9 град 10 зубьев
Ось "z"
Шаг подачи 0,055 мкм/град Редукция
5,6;
Особенности дизайна этого стандартного изделия (для конкретного примера осуществления) позволили дополнить его блоком мотор-редукторов для автоматизации перемещения препарата при сканировании и фотографировании в поле зрения объектива микроскопа.
Основные параметры столика КС-30 - диапазон перемещения по горизонтали х=75 мм, по вертикали z=30 мм, при повороте управляющих рукояток на Ny=2,75 и Nx=0,75 оборота соответственно. Размеры поля зрения микроскопы МИКМЕД-2 составляют по горизонтали х0=0,137 и по вертикали у0=0,11 мм при применении объектива 1:100. Для видеосъемки препаратов необходимо обеспечить позиционирования препарата в поле зрения объектива с точностью лучшей чем 1/10 линейны размеров поля зрения по соответствующим осям. В пересчете в угловые величины механизм привода должен был обеспечивать угловое разрешение
ΔФх=х0/10* Nx*360/x=0,18°
ΔФz=z0/10* Nz*360/z=0,099°.
Исходя из сказанного выше и принимая во внимание простоту сопряжения с цифровыми устройствами для привода столика, были выбраны шаговые двигатели. Однако в стандартной конфигурации они обеспечивают угловое разрешение в пределах 1,8°÷7,2°. Для получения необходимого углового разрешения необходимо применение редуктора, который так же позволит получить достаточный момент для привода предметного столика, при небольших габаритах и электрической мощности моторов. Из числа промышленных моторов наиболее подходящим для данного применения оказался мотор модели FL42PMGJB150 фирмы Changzhou Fulling Electronics. Основные параметры которого: шаг угловой - 0,05°, частота вращения - 450 (350) шагов в секунду, крутящий момент - 2 кг·см, погрешность шага - 5%, напряжение питания - 12 (6) В, потребляемый ток - 0,6 (0,3) А.
Указанные доработки и включение в совместную скоординированную работу известных элементов позволило решить ряд поставленных технических задач с получением сверхсуммарного эффекта и расширением возможностей использования оборудования при минимальных затратах.
Для сопряжения выходного вала редуктора шагового мотора и валов предметного столика применены пластиковые (капроновые) шестерни, обеспечивающие демпфирование и беззазорную передачу вращающего момента.
Так как мотор с редуктором выдает момент превышающий предел прочности пластиковых шестерен, конструкция дополнена оптическими датчиками крайних положений столика по обеим координатным осям.
Сигналы вырабатываемые этими датчиками поступают на логическую схему, которая запрещает движение привода в том же направлении и разрешает в обратном.
При перемещении препарата по Y из одного крайнего положения в другое вал ручки привода совершает поворот на 320°. Таким образом, для получения сигналов о крайних положениях достаточно двух пар приемник-передатчик и шторы на валу ручки привода. Угловое расстояние между датчиками - 30°, угловой размер прорези в шторе датчика крайнего положения - 10°. Сумма этих величин - дополняющий угол для 320°.
При перемещении препарата по Х из одного крайнего положения в другое вал ручки привода совершает поворот на 990° (иначе на 2 оборота и 270°). В этом случае для получения сигналов о крайних положениях используется три пары приемник-передатчик. Две из них со шторой на валу ручки привода и одна - на валу шагового двигателя. С учетом передаточного отношения зубчатой пары, вал двигателя совершает поворот на 707° (иначе на 1 оборот и 347°). Установленный около него оптодатчик разрешает появление сигналов крайних положений. Угловой размер прорези в шторе этого датчика - 13°. Угловое расстояние между датчиками на валу ручки привода - 100°, угловой размер прорези в шторе этого датчика - 10°.
Схема расположения датчиков крайних положений моторизированного привода предметного стола микроскопа по координатам Х, Y показана на фиг.10, фиг.11.
Система питания и управления.
Для управления шаговым мотором можно применить целый ряд аппаратных средств, среди которых:
- специализированные управляющие и силовые драйверы в интегральном исполнении;
- специализированные платы расширения устанавливаемые на системную шину компьютера со встроенными или внешними силовым драйверами;
- силовой драйвер на дискретных элементах, управляемый от компьютера.
Для решения поставленной задачи был выбран последний вариант.
Разработанная схема обеспечивает гальваническую развязку управляющих цепей компьютера и контрольных цепей столика от силовых цепей питания моторов. Для управления драйвером используется LPT-порт, через который выдаются команды на включение питания моторов и управляющие последовательности, а также принимаются сигналы статуса блока питания и датчиков крайних положений.
Разработанный Автоматизированный комплекс, представленный, как пример, на базе микроскопа ЛОМО Микмед-2 состоит из микроскопа с телекамерой [35] (со специальным механизированным столом для препаратов), модуля и силового блока управления приводом [36], панели навигации [37] и ЭВМ [38] с платой видео ввода. См. фото., фиг.12.
Специфика.
После модернизации привода управления предметным столом, у пользователя нет больше возможности управлять столом с помощью крутящихся механических ручек. Для удобства управления моторизованным приводом (без знания специального программного обеспечения), или тогда, когда персональный компьютер выключен, разработана специальная панель навигации. Таким образом, для управления приводом стола достаточно включить модуль и силовой блок.
Программы управления шаговыми двигателями не должны прерываться - это приведет к вибрациям при движении или остановке двигателей привода. Следовательно, программы управления должны быть написаны и выполняться под операционной системой реального времени. Windows не является операционной системой реального времени, и мы приходим к необходимости разработки специального модуля управления моторизованным приводом.
Операционная система пользователя.
В качестве операционной системы пользователя персонального компьютера выбрана Windows компании Microsoft, потому что на платформах Windows (XP, Me, 98) реализовано наибольшее число прикладных программ для работы пользователей и популярность этих систем самая большая в мире.
Возможности управления.
При исследовании препаратов с помощью персонального компьютера, пользователь системы устанавливает объектив на микроскопе, проводит фокусировку и анализирует изображение препарата на экране монитора. Размеры видимой области препарата для каждого объектива разные и определяются не только возможностями обзора камеры, но и характеристиками платы видео ввода компьютера.
Для обеспечения автоматической фокусировки изображения в центре ядра анализируемого лейкоцита в устройство блока-анализатора введен блок вычисления максимума производной функции яркости по всей области ядра клетки лейкоцитарного ряда.
При просмотре материала препарата в целом удобнее всего рассматривать препарат по кадрам, перемещаясь вправо, влево, вверх, вниз. Кроме этого, перемещаясь по рассматриваемой области можно записывать видеоролик на диск, и потом просматривать его по кадрам, уже не используя привод навигации для перемещения препарата.
Удаленный доступ к данным и управление.
Для проведения удаленного медицинского консультирования и участия квалифицированных специалистов из разных центров, - удобно использовать WWW сервисы для удаленного доступа к данным и даже удаленного управления комплексами.
В итоге перечислим основные требования к программному обеспечению комплекса:
Настройки:
- Размер кадра для всех объективов.
- Время остановки (для фиксации съемки).
- Скорость (передвижения) для объективов.
- Выбор и настройки видеоисточника.
Функции управления:
- Движение вправо, влево, вверх, вниз.
- Движение по кадрам вправо, влево, вверх, вниз.
- Программа сканирования области по кадрам.
- Программа просмотра области с записью видео.
Удаленный доступ к данным и управление:
- Просмотр изображения препарата;
- Движение по кадрам вправо, влево, вверх, вниз.
- Просмотр состояния комплекса.
4. Модуль управления моторизированным приводом.
Модуль управления моторизованным приводом предназначен для управления приводом в режиме реального времени.
Управление модулем производится через последовательный порт (СОМ) или с помощью панели навигации.
Основные возможности
Настройки:
- Задание фазы движения по оси X, Y, Z.
- Задание размера кадра по X, Y, Z
- Задание максимальной скорости передвижения.
Функции управления:
- Переключение управления (терминал или панель навигации).
- Движение вправо, влево, вверх, вниз по одному или двум направлениям одновременно.
- Движение по кадрам вправо, влево, вверх, вниз по одному или двум направлениям одновременно.
- Движение на заданное число шагов по двум направлениям.
Программный комплекс «Навигатор».
Консоль управления.
Консоль управления предназначена для управления приводом стола препаратов, а также для просмотра изображения материала препарата.
Основные возможности.
Настройки:
- Задание размера кадра для всех объективов.
- Задание размера рабочей области и ее расположения в зоне навигации стола препарата.
- Время остановки (для фиксации съемки) во время сканирования области.
- Выбор и настройки видеоисточника.
Функции управления:
- Движение вправо, влево, вверх, вниз.
- Движение по кадрам вправо, влево, вверх, вниз.
- Программа сканирования области по кадрам.
- Программа просмотра области с записью видео.
- Переключение управления на панель навигации.