УСТРОЙСТВО АНАЛИЗА КЛЕТОК КРОВИ НА ОСНОВЕ ОЦЕНКИ ХАРАКТЕРИСТИК СТРУКТУРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЯДЕР

Полезная модель относится к области медицины и может быть использована для автоматизации микроскопического анализа, проводимого с целью выявления наличия патологии, в частности при диагностике одной из разновидностей гемобластозов - острого лейкоза, посредством количественного описания структуры хроматина ядер клеток крови для снижения ошибки их классификации.
В настоящее время общая задача анализа крови - выявить наличие патологии, в частности одной из разновидностей гемобластозов - острого лейкоза. Одним из существенных признаков данного заболевания является наличие бластных клеток в периферической крови, для которых характерна тонкосетчатая с равномерным калибром и окраской нитей хроматина структура ядра. Выявление структуры ядра возможно только при микроскопическом анализе, а распознавание бластных клеток при визуальном исследовании требует привлечения специалиста высокой квалификации. В соответствии с современным уровнем техники разработаны различные приборы, позволяющие проводить автоматический анализ крови -как правило, эти приборы основаны на проточных системах подсчета клеток крови.
Известно решение для проведения анализов крови [патент РФ №2347224 от 10.01.2007 [Способ проведения анализов крови и анализатор крови]устройство реализующее анализ крови содержит проточную камеру, средство, формирующее поток пробы крови в названной проточной камере, источник когерентного излучения, средство фотодетекции, а также средство управления и обработки данных, связанное с названным средством фотодетекции, отличающийся тем, что проточная камера выполнена в форме сканирующей кюветы, имеющей корпус из оптически прозрачного материала с внутренним прямолинейным каналом, и сферическое зеркало, ось которого совпадает с осью внутреннего канала сканирующей кюветы, а источник когерентного излучения выполнен в форме источника поляризованного когерентного излучения с длиной волны 330-680 нм, который установлен таким образом, что его излучение направлено вдоль оси названного внутреннего канала сканирующей кюветы, причем внутренняя поверхность сферического зеркала сканирующей кюветы оптически связана с названным средством фотодетекции.
Устройство работает следующим образом. Гидрофокусирующая головка анализатора формирует поток клеток крови, движущихся одна за одной с определенной скоростью по центру канала сканирующей кюветы. Точность доставки клеток в центр сканирующей кюветы обеспечивается разницей расходов обжимающей жидкости и пробы крови. Скорость движения частиц регулируется расходом обжимающей жидкости. Для освещения клеток крови используется поляризованное излучение со строго определенным состоянием поляризации, создаваемое источником когерентного поляризованного излучения. Освещение производится соосно потоку пробы крови. Освещение может производиться как по направлению движения потока пробы крови, так и навстречу ему. Линзой когерентное поляризованное излучение фокусируется внутрь канала сканирующей проточной кюветы, при этом в месте измерения светорассеяния и флуоресценции создается зона постоянной освещенности. Рассеянный клеткой свет отражается от сферического зеркала, расположенного на торце сканирующей проточной кюветы, выходит через оптическое окно, отражается от зеркала с отверстием либо светоделительного элемента и попадает на средство фотодетекции. Многоканальный АЦП преобразует полученные фотоприемниками сигналы, которые поступают в средство управления и обработки данных, являющееся по сути ЭВМ. ЭВМ обрабатывает полученные данные, по которым выполняет отчет о составе крови.
Данное решение используются для дифференциального анализа лейкоцитов с подсчетом формулы крови, исследования большого количества лейкоцитов и получения статистически достоверной оценки общего количества лейкоцитов и концентрации различных классов.
Тем не менее, указанное решение не позволяет, обеспечить достоверность результатов анализа при выходе концентрации лейкоцитов за рамки гематологической нормы, а также не предусматривает визуального анализа клеток крови, являющимся важным при диагностике острых лейкозов.
Нерешенными проблемами остаются разделение бластных клеток на типы (монобласт, лимфобласт, эритробласт и т.д.), снижения ошибки обнаружения бласта и не бласта. В связи с этим актуальна задача выполнения более точной дифференцировки клеток лейкоцитарного ряда т.е разделение бластных клеток от не бластных (пролимфоцит, лимфоцит, лимфоидная клетка, моноцит, моноцитоидная клетка, промиелоцит, миелоцит, атипичный мононуклеар и д.р.) при диагностике острых лейкозов.
Известно решение для проведения анализов крови для автоматического обнаружения бластных клеток [патент на полезную модель РФ №61890 от 10.03.2007 Устройство для автоматического обнаружения бластных клеток в периферической крови], включающее микроскоп, сменные объективы микроскопа, предметный столик микроскопа с электроприводами перемещения по осям x, y, z, управляемыми блоком-анализатором, силовой блок электроприводов, 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, базу данных.
Устройство работает следующим образом. Микроскопическое изображение препарата, формируемое микроскопом, с помощью цифровой камеры преобразуется в цифровое изображение, которое передается в компьютер. Далее анализ изображения выполняется методами компьютерной обработки. 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. 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).
Однако указанное решение недостаточно для выявления особенностей структуры хроматина ядра при автоматизации диагностики острых лейкозов разных типов, т.к. не позволяет проводить разделение незрелых клеток крови по типам (в том числе по разным типам бластов) и различать разные типы структур ядер незрелых клеток крови.
В связи, с этим актуальна разработка устройства, позволяющего получить дополнительную информацию о строении клеток на основе цифровой обработки микроскопического изображения мазков крови, что позволит отнести клетку к разряду нормы или патологии, провести более точную дифференцировку клеток по типам, соответствующих патологии, выявить принадлежность клеток к той или иной линии кроветворения, что обеспечит более объективный и точный результат диагностики острых лейкозов, что в конечном итоге будет способствовать повышению эффективности лечения этих заболеваний.
Техническая задача, решаемая заявляемым устройством, состоит из последовательных этапов цифровой обработки микроскопических изображений мазков крови, реализуемых специализированными блоками, с целью получения количественных характеристик структуры хроматина ядер клеток лейкоцитарного ряда. Полученные значения соответствуют тем качественным признакам структуры хроматина, которые используют врачи при визуальном анализе микроскопических изображений мазков крови. При формировании модели количественного описания структуры хроматина использованы такие качественные оптические признаки структуры хроматина ядер клеток крови как грубость, сетчатость и нежность хроматина. Количественные характеристики структуры хроматина ядер клеток лейкоцитарного ряда в заявляемом устройстве рассчитываются на основе формирования структурных элементов ядер. Используемые в устройстве количественные характеристики позволяют решать проблемы разделения бластных клеток на типы (монобласт, лимфобласт, эритробласт и т.д.), снижения ошибки обнаружения бласта как не бласта, более точной дифференцировки клеток лейкоцитарного ряда (т.е. разделение клеток по типам пролимфоцит, лимфоцит, лимфоидная клетка, моноцит, моноцитоидная клетка, промиелоцит, миелоцит, атипичный мононуклеар и д.р.).
Техническим результатом заявляемого устройства является определение типа клетки в мазке крови на основе расчета количественных характеристик структуры хроматина ядер клеток лейкоцитарного ряда. Получение такого технического результата позволит повысить точность и объективность диагностики острого лейкоза.
Технический результат достигается тем, что устройство анализа клеток крови на основе оценки характеристик структурных элементов ядер, включает: микроскоп, установленных на предметном столике для микропрепарата с моторизованным приводом, модуль управления для управления предметным столиком по осям x, y, z посредствам моторизованного привода, установленные в блоке анализа данных модуль видеозахвата для приема полученных изображений, модуль выбора режима для приема полученных изображений с модуля видеозахвата и раскладки изображений на структурные элементы, блок логического умножения и блок логического сложения, модуль хранения данных для подачи этих данных в один из указанных блоков для получения результирующего изображения, согласующий модуль для сравнения полученных данных с данными из базы данных флеш-памяти, а также - сетевой модуль для отладки и печати результатов и получения данных с микроскопа.
Перечисленная совокупность признаков обеспечивает, разложение полученного с платы видеозахвата на несколько слоев посредством итерационной процедуры сегментации - бинаризации с получением объектов - совокупности темных и светлых областей ядра в модуле выбора режима; выполнения логических операций сложения и умножения, обеспечивающие объединение полученных объектов в «структурные элементы»;измерения количественных характеристик полученных структурных элементов ядра; хранения типов клеток крови и структур; отнесения исходного изображения на основе характеристик структурных элементов к одному из типов клеток крови; передачи результата для восприятия пользователем. Полученный результат способствует повышению точности и объективности диагностики острых лейкозов, а это в свою очередь обеспечит повышение эффективности дальнейшего лечения.
На Фиг. 1 представлены изображения клеток крови: а) бластная клетка, с указанием области D, содержащей светлый структурный элемент; б) лимфоцит с грубой структурой хроматина.
Эти структуры характеризуются такими параметрами как размер зерен в изображении грубой структуры хроматина, размер ячейки в сетчатой структуре. Иллюстрация разных типов хроматина приведена на Фиг. 1а (изображение бластной клетки с сетчатой структурой хроматина ядра) и Фиг. 1б (изображение лимфоцита с грубой структурой хроматина ядра).
На Фиг. 2 представлено изображение бластной клетки (а) и соответствующий ему профиль яркости по линии АВ (б). Светлому структурному элементу в области D Фиг. 2а) на графике Фиг. 2б соответствует локальный экстремум функции яркости.
Фиг. 2. а) изображение бластной клетки с указанием области D со светлым структурным элементом и линии АВ для анализа изменения яркости в точках этой линии (здесь линия АВ приводится для иллюстрации характера яркостных изменений изображения ядра по точкам этой линии);
б) график зависимости яркости изображения ядра от координаты x по линии АВ, Y - значение яркости, выраженное в условных единицах YЄ[0,255], x - значение пространственной координаты точек изображения по линии АВ, выраженное в мкм.
На Фиг. 3 Представлена структурная схема устройства и взаимодействие элементов между собой, позициями на Фиг. 3 отмечены следующие конструктивные элементы.
1 - Микропрепарат
2 - Столик микроскопа
3 - Микроскоп
4 - Камера (модуль видеоввода)
5 - Модуль видеозахвата
6 - Модуль выбора режима(выбор режима - порога разделения структуры ядра, получение данных, выбор канала яркости для обработки, предобработки данных)
7 - Блок логических операций «&» и «|» (объединение данных с модуля выбора режима, формирование кортежа данных)
8 - Модуль согласования данных (обеспечение классификации данных, обеспечение работы модуля сети с базой данных)
9 - Модуль хранения данных (база данных на флешь памяти)
10 - Модуль сети(обеспечение работы устройства с сетью для его отладки, диагностики, получения данных с микроскопа и передачи результатов работы устройства)
11 - Последовательный порт
12 - Модуль управления
13 - Моторизованный привод столика
14 - Блок анализа данных (получение данных, выбор режима, предварительная обработка данных, сравнение, классификация, взаимодействие с внешними устройствами)
Стрелками обозначены связи между частями устройства и логические взаимодействия их между собой.
Устройство работает следующим образом.
Изображение клетки крови с микропрепарата 1, размещенного на предметном столике 2 микроскопа 3, фотографируется камерой 4(первичный преобразователь),поступает в блок анализа данных 14 на вход модуля видеозахвата 5 (вторичный преобразователь) для предобработки и далее на модуль выбора режима 6 порога разделения структуры ядра, в результате которого выделяется ядро и происходит разделение разнородных структур. Примеры указаны на Фиг. 1а (бластная клетка с сетчатой структурой) и Фиг. 1б (лимфоцит с грубой структурой), рисунок структуры является отличительным признаком для различения типов клеток крови.
Разделение светлых и темных структурных элементов в изображении ядра клетки выполняется путем сегментации, сочетающей бинаризацию с различными уровнями порогового ограничения с применением логических функций конъюнкции и дизъюнкции для объединения объектов.
Эти структуры наблюдаются в оптическом диапазоне длин волн и характеризуются такими параметрами как размер зерен в изображении грубой структуры хроматина, размер ячейки в сетчатой структуре (то есть имеют признаки формы, расположения, состава).
Изображение представляют собой пространственное распределение яркости по трем каналам R, G и В изменяющиеся в диапазоне [0:255]. Модуль выбора режима раскладывает изображения в зависимости от режима и выбранного канала (виды режимов: режим выделения светлых структурных элементов: объекты - 255, фон - 0; режим выделения темных структурных элементов: объекты - 0, фон - 255, канал - R, G, В). Данные разделяются по порогу на всем диапазоне яркости [0:255] с расчетом на каждом уровне характеристик объектов (структурных элементов). На Фиг. 2а показан светлый структурный объект D и линии, по которой располагается данный объект АВ яркостная характеристика которого демонстрируется на Фиг. 2б и отмечена яркостное распределение объекта D, данный объект выделяется за счет итеративной процедуры сегментации - бинаризации. В результате получается набор темных и светлых объектов на элементе 6 со всего диапазона яркости [0:255].
Полученные объекты объединяются в блоке логических операций 7 в структурные элементы и поступают на модуль согласования данных 8, где производится расчет характеристик полученных структурных элементов, а количественные характеристики структурных элементов сравниваются с модулем хранения данных 9 хранения типов клеток крови (пролимфоцит, лимфоцит, лимфоидная клетка, моноцит, моноцитоидная клетка, промиелоцит, миелоцит, атипичный мононуклеар и д.р), при этом модулем хранения данных типов клеток крови хранится на флеш-памяти, результат определения типа клетки выдается на сетевой блок 10. Данный блок необходим для передачи пользователю результатов работы устройства. Сетевой блок позволяет работать как через сетевой кабель, так и с помощью беспроводной сети. Для отображения данных можно использовать планшет, телефон или компьютер.
После передачи данных сигнал от блока сети 10 через блок-анализатор 9 посредствам последовательного порта 11 передается в блок управления 12 и препарат с моторизованного привода столика микроскопа 13 перемещения на следующее поле.
В результате предлагаемое устройство решает задачу разделения клеток по типам (бласт, атипичный мононуклеар, моноцит, миелоцит, лимфоцит, промиелоцит), что является необходимым при диагностике острых лейкозов.