Современные возможности роботизированной микроскопии в автоматизации анализов и лабораторной телемедицине (аналитический обзор)

гематология

© коллектив авторов, 2012

удК 616-076.4:681.518

в. С. Медовый1, А. М. Пятницкий1, Б. З. Соколинский1, Р. ш. Балугян2

современные возможности роботизированной микроскопии в автоматизации анализов и лабораторной телемедицине

1ЗАО «МЕКОС», 223 ГКБ им. «МЕДСАНТРУД», Москва

Обсуждаются полученные в 2011 г. возможности комплексов автоматизированной микроскопии производства фирм "Cellavision" и "МЕКОС" выполнять медицинские анализы мазков крови и других биоматериалов. В режиме совместной работы комплекса и врача с автоматическими этапами загрузки, скрининга, составления выборки и сортировки на типы с простой морфологией, визуальной сортировкой подвыборки со сложной морфологией обеспечивается значительное увеличение чувствительности методики, снижение нагрузки и улучшение условий труда врача. Информационные технологии, включая виртуальные слайды и лабораторную телемедицину, позволяют создать представительные выборки редких типов и патологий для развития самих автоматизированных методик и медицинских научно-исследовательских целей.

Ключевые слова: роботизированная микроскопия, автоматизация анализов, морфология клеток крови, телемедицина

V.S. Medovy, A.M. Pyiatnitsky, B.Z. Sokolinsky, R.Sh. Balugyan THE ACTUAL POSSIBILITIES OF ROBOTIC MICROSCOPY IN ANALYSIS AUTOMATION AND

LABORATORY TELEMEDICINE The article discusses the possibilities of automation microscopy complexes manufactured by Cellavision and MEKOS to perform the medical analyses of blood films and other biomaterials. The joint work of the complex and physician in the regimen of automatic load stages, screening, sampling and sorting on types with simple morphology, visual sorting of sub-sample with complex morphology pro-vides significant increase of method sensitivity, load decrease and enhancement of physician work conditions. The information technologies, the virtual slides and laboratory telemedicine included permit to develop the representative samples of rare types and pathologies to promote automation methods and medical research targets.

Key words: robotic microscopy, analyses automation, blood cells morphology, telemedicine

В настоящее время основными средствами анализа морфологии клеток крови являются автоматические анализаторы на основе проточных технологий (простая морфология, 5-6) и ручная визуальная микроскопия (простая и сложная морфология, diff 50). В последние годы стали доступны первые эффективные роботизированные микроскопические анализаторы, призванные облегчить, улучшить и частично заменить трудоемкий визуальный анализ опытного врача. Опубликованные результаты медицинских испытаний представленных на рынке специализированных роботизированных комплексов микроскопии (СРКМ) DM1200 и DM96 ("СеИа^юп", Швеция) [1, 2] и МЕКОС-Ц2 («МЕКОС», Россия) [3-6] содержат положительные оценки их эффективности главным образом в режиме поддержки визуального анализа врача. Комплексы избавляют врача от наиболее трудоемкой операции - выборки клеток, автоматически с небольшой ошибкой сортируют простую морфологию 7-8), снабжают врача удобными средствами сортировки любой сложной морфологии на экране компьютера. Затраты времени врача снижаются тем больше, чем больше заданный объем выборки клеток. Благодаря точному скринингу и увеличенной выборке увеличивается чувствительность к атипичным

Для корреспонденции:

Медовый Владимир Семенович, д-р техн. наук, генеральный директор Адрес: 117437, Москва, ул. Волгина, 33 Телефон: 915-38-46 E-mail:medovy@mecos.ru

и юным клеткам при их низкой концентрации. В работе [2] утверждается, что DM96 является полезным инструментом как при рутинных анализах, так и при диагностике острых и хронических лейкемий. Предоставляются современные информационные средства - база данных, виртуальные слайды, ведение документации. защита, создающие новый уровень использования данных, контроля качества, консультаций и обучения персонала. В целом по указанным характеристикам анализаторы СеПа^юп и МЕКОС довольно близки друг к другу (табл. 1-5).

СРКМ СеПа^юп и МЕКОС имеют функционально аналогичный состав оборудования и работают по одной схеме (рис. 1). Вместе с тем они имеют различия, связанные как с возможностями оборудования и алгоритмического обеспечения, так и с методической ориентацией. Обе модели анализаторов СеПа^юп ориентированы на автоматическое получение конечного результата анализа, на применение в высокотехнологичной лаборатории, спроектированы как закрытые устройства с необъявленными возможностями адаптации к качеству мазка и патологии, без доступа к данным промежуточных этапов анализа. Предприняты значительные усилия по максимизации скорости анализа, интеграции к оборудованию фирмы «Sysmex", автоматической загрузке партии стекол, формированию изображений максимального разрешения, автоматической сортировке юных и патологических форм (последнее без особого успеха). Разработка МЕКОС-Ц2 нацелена на режим поддержки визуального ана-

Продолжении статьи см. на 41 стр.

Таблица 1

характеристики различных моделей рКм для анализов мазков крови

Модель Загрузка партии стекол Количество мазков в час Точность автоматического анализа Контроль качества потребителей

DM1200 До 12, автоматическая подача До 20 См. табл. 2, 3 В части сортировки

DM96 До 96, автоматическая подача До 35 См. табл. 2, 3 В части сортировки

МЕКОС-Ц2/Гемо1 1, ручная До 40 См. табл. 4, 5 Полный контроль

МЕКОС-Ц2/Гемо8 До 8, ручная До 35 См. табл. 4, 5 Полный контроль

МЕКОС-Ц2/Гемо200 До 200, автоматическая подача До 30 См. табл. 4, 5 Полный контроль

лиза сложной морфологии в реальных условиях значительной вариабельности при различном качестве пробоподготов-ки и при различных патологиях в условиях рядовой практической лаборатории. Ключевыми критериями при этом являются вероятность обнаружения и объем выборки, в том числе редких и из-за априорной неопределенности свойств препарата морфологически изменчивых типов клеток. Для таких объектов пропуски обнаружения соответствуют систематической ошибке и не могут быть компенсированы за счет других элементов выборки обнаруженных объектов. В связи с этим значительные усилия были направлены на разработку алгоритмов автоматической адаптации к особенностям по-

Таблица 2

процент автоматически правильно сортированных CeUaVision DM96 клеток, выборка 400 клеток в мазке, 286 мазков крови

Соответствие

Тип клетки ручному анализу мазка, %

Нейтрофилы 99,5

Лимфоциты 94,9

Моноциты 87,6

Эозинофилы 79,9

Базофилы 54,1

Метамиелоциты 32,6

Миелоциты 37,7

Промиелоциты 77,6

Бласты 76,6

Ядросодержащие клетки красной крови 89,6

Нейтрофилы, лимфоциты и моноциты 97,3

Эозинофилы и базофилы 87,2

Все типы клеток 89,2

Нормальные клетки, ошибочно сортированные 9,1

как другие нормальные

Атипичные клетки, сортированные как нормальные 0,9

Нормальные клетки, сортированные как атипичные 1,8

Таблица 3 [2]

процент соответствия CeUaVisюn DM96 для морфологии клеток красной крови на базе 286 мазков крови

пуляции объектов анализа данного препарата, аналогично тому, как это осуществляет зрительный анализатор врача [6]. По мнению разработчиков МЕКОС-Ц2, сортировка незрелых и патологических форм в обозримом будущем должна происходить с участием врача, поэтому наибольшей эффективности СРКМ можно достичь за счет высококачественной автоматизации выборки всех типов клеток и сортировки наиболее массовых типов на всем спектре мазков крови реального качества. Относительно редкие типы клеток сортируются врачом на экране компьютера с предоставлением современной эргономики, ускоряющей сортировку и уменьшающей вероятность ошибки. МЕКОС-Ц2 предоставляет также группу универсальных и специализированных средств автоматизированного анализа биоматериалов других типов. МЕКОС-Ц2 имеет открытую модульную архитектуру, предназначенную для применения комплектующих и внешних устройств разных производителей, формирования множества моделей различного уровня автоматизации, пропускной способности, стоимости. Уровень современных быстро прогрессирующих комплектующих, выпускаемых рядом ведущих производителей, позволяет собирать высокоавтоматизированные специализированные модели МЕКОС-Ц2 (см. рис. 1) с характеристиками, не уступающими характеристикам моделей CeПaVisюn, а также недорогие модели со средним уровнем автоматизации.

Таблица 4

мЕКос-ц2: точность определения различных форм лейкоцитов

[4]

Ручной ^ коррект Коррект ^ авто

Тип клетки коэффици- неточ- коэффи- неточ-

ент коррек- ность, циент ность, %

ции % коррекции

Палочкоядерные 0,91 2,8 0,89 3,2

Сегментоядерные 0,97 2,3 0,97 0,8

Эозинофилы 0,87 3,3 0,83 13,6

Базофилы 0,83 2,0 0,79 24,0

Лимфоциты 0,95 3,5 0,97 0,8

Моноциты 0,81 4,8 0,85 4,8

Примечание. Статистика по 405 мазкам крови, по 200 лейкоцитов в мазке; коррект - результат после корректировки врачом автоматической сортировки; авто - результат автоматической сортировки.

Патология красной крови Соответствие автоматической оценки ручному анализу мазка, % Соответствие откорректированной врачом автоматической оценки ручному анализу мазка, %

Полихромазия 76 76

Гипохромия 87 84

Микроцитоз 85 84

Макроцитоз 42 85

Анизоцитоз 51 74

Пойкилоцитоз 59 74

Таблица 5

мЕКос-ц2: автоматическая выборка лейкоцитов

Число лейкоцитов, всего 27 957

% пропусков, всего 2,61

% неспецифичных пропусков в начале скрининга до адаптации к особенностям мазка 1,87

% пропусков разрушенных клеток 0,43

% "истинных" пропусков 0,3

Примечание. Статистика по 270 мазкам крови [4]. 41

Рис. 1. Схема работы специализированного роботизированного комплекса МЕКОС-Ц2/ Гемо200 с автоматической загрузкой и анализом до 200 мазков крови.

Высокие темпы прогресса характеристик универсальных микроскопов-сканеров (УМС), автоматически производящих цифровые копии препаратов (виртуальные слайды), позволяют использовать УМС вместо специализированного оборудования СРКМ (рис. 2). В таких моделях специализированный функционал автоматизации методики анализа, обрабатывающий стандартизованные виртуальные слайды, реализуется на отдельном компьютере, что дает возможность применять сетевые решения и в перспективе перенести функционал в Интернет («облачные анализы»).

Ввиду рассмотренных различий испытания анализаторов Се1-1а^юп и МЕКОС преследуют не вполне одинаковые цели и не полностью сопоставимы. Эффективность испытаний значительно ограничивает имеющийся стандарт испытаний NCCLS Н20-А, основанный на прямом сравнении с референсной методикой ручной микроскопии. Из-за высокой стоимости и трудоемкости такие испытания проводятся на фактически непредставительной по многим редким патологиям и типам клеток выборке препаратов. Данная проблема имеет общий характер: возможности отдельных лабораторий

Рис. 2. МЕКОС-Ц2/пе^ схема работы СРКМ с универсальным микроскопом-сканером и станцией специализированного автоматического анализа.

Рис. 3. МЕКОС-Ц2: фиксация виртуальных слайдов и объектов анализа для контроля качества автоматических функций и для формирования РВС.

недостаточны для сбора представительной базы испытаний, которая должна насчитывать многие тысячи верифицированных образцов. Это касается не только морфологии клеток крови, но и практически любых анализов. Реализованные в комплексах МЕКОС-Ц2 технологии [5] предлагают решение проблемы испытаний путем создания представительного архива верифицированных референсных виртуальных слайдов (РВС) - цифровых копий препаратов, дополненных результатами анализа врача (рис. 3). В отличие от схемы с УМС (см. рис. 2) РВС фиксируется только в зоне сбора выборки, многократно уменьшая объем данных по сравнению с универсальным виртуальным слайдом. Такие РВС могут формироваться в процессе эксплуатации комплексов МЕКОС-Ц2 во многих лабораториях и пересылаться с использованием Интернет-ресурса МЕКОС-ВИРТ в централизованную базу испытаний «Расплатой» за такое отступление от традиционной схемы является объединение этапов разработки и испытаний. Этот недостаток компенсируется благодаря новой форме кооперации усилий разработчиков и потребителей, созданию уникальных по представительности баз препаратов.

Более общие перспективы открывает возможность с помощью комплексов МЕКОС-Ц2 и Интернет-ресурса МЕКОС-ВИРТ централизованно накапливать РВС по любым типам анализов биоматериалов для медицинских научно-исследовательских целей.

База РВС в частности может использоваться для определения диагностической значимости незрелой и атипичной морфологии клеток периферической крови при их низких концентрациях, что затруднительно сделать усилиями отдельных лабораторий. Представительная база РВС создает ранее недостижимые возможности поиска надежных решающих правил количественной диагностики. Базы РВС могут применяться для обучения и контроля качества анализов, в

том числе дистанционного. Примером является применение Центром внешнего контроля качества аттестованных виртуальных слайдов для контроля группы лабораторных микроскопических анализов, что позволило радикально улучшить качество и снизить трудоемкость изготовления тиража препаратов, в значительной степени сократить рассылку приготовленных ручным способом препаратов и отдельных изображений.

Таким образом, технологии роботизированной микроскопии, кроме прямой автоматизации анализа, предоставляют современные средства лабораторной телемедицины, обучения и оценки качества, тестирования, модернизации и разработки методик анализа, создания условий для применения количественной диагностики. Указанные технологии могут использоваться национальными научно-методическими центрами лабораторной диагностики.

ЛИТЕРАТУРА

1. Медовый В. С., Николаенко Д. С., Парпара А. А. и др. // Клин. лаб. диагн. - 2008. - № 6. - С. 46-50.

2. Медовый В. С., Пятницкий А. М., Соколинский Б. З. и др. // Оптич. журн. - 2011. - Т. 78, № 1. - С. 66-73.

3. Плясунова С. А., Балугян Р. Ш., Хмельницкий К. Е. и др. // Клин. лаб. диагн. - 2006. - № 10. - С. 22-24; 33-39.

4. Briggs C. et al. // Int. J. Lab. Hematol. - 2009. - Vol. 31. - P. 4860.

5. CornetE., Perol J.-P., TroussardX. // Int. J. Lab. Hematol. - 2008. -Vol. 30. - P. 536-542.

6. Pyatnitskiy A. M. Statistically motivated clustering a automated processing of the blood smear images. PRIA Proceedings. - 2010. - Vol. 2. - P. 339.

Поступила 01.12.11