Устройство для морфологического анализа мазков крови
DEVICE FOR MORPHOLOGICAL ANALYSIS OF BLOOD SMEARS

Изобретение относится к области медицинской техники и может использоваться для классификации клеток крови, морфологической оценки клеток крови и их подсчета.
Для выполнения исследования кровь помещают на предметное стекло, высушивают, окрашивают специальным красителем и готовят мазок крови. Однако цвет клеток различных мазков крови зависит как от способа приготовления, так и от клеточного состава, также как и средний фон поля зрения зависит от толщины стекла и количества используемой краски.
Традиционно оценку мазка крови проводят с использованием микроскопа в «ручном» режиме, при этом врачу лабораторной диагностики приходится постоянно перемещать столик микроскопа.
Известно устройство для анализа состава крови, содержащее оптический микроскоп, снабженный механизированным предметным столиком (на котором помещен сухой окрашенный мазок крови) с механизмами перемещения в его плоскости и механизмом фокусировки, выполненными на основе шаговых двигателей, последовательно соединенную с оптическим микроскопом цветную телевизионную камеру, блок управления шаговыми двигателями и систему функциональных блоков, включающую аналого-цифровой преобразователь, блок кодирования видеосигнала, временное запоминающее устройство, микрокомпьютер и цифро-аналоговый преобразователь (RU 2122733, опубл. 27.11.1998 г.).
Однако, такое устройство сложно и неудобно в эксплуатации, не автоматизировано и содержит ряд отдельных функциональных блоков, требующих самостоятельных ручных настроек, и не обеспечивает высокую информативность клеточного состава крови.
Наиболее близким к заявленному является устройство для анализа состава крови, содержащее биологический оптический микроскоп с тринокулярной насадкой и автоматизированным предметным столиком с механизмами сканирования и фокусировки, выполненными на основе соединенных с блоком управления шаговых двигателей, установленное на тринокулярной насадке устройство формирования цветных изображений и соединенный с ним и с блоком управления персональный компьютер, устройство формирования цветных изображений выполнено в виде цифровой видеокамеры, соединенной с установленной в персональном компьютере интерфейсной платой оцифровки и ввода изображений, а блок управления выполнен в виде установленной в персональном компьютере интерфейсной платы управления шаговыми двигателями (RU 32279, опубл.10.09.2003 г.).
Данное устройство работает следующим образом: приготовленный окрашенный мазок крови в виде монослоя помещают на подвижную часть автоматизированного предметного столика, поле зрения мазка вводится в память персонального компьютера в виде серии цифровых кадров, в каждом сохраненном кадре выделяются (сегментируются) клетки всех типов и их внутриклеточные структуры, подсчитывается количество выделенных клеток каждого типа (эритроцитов, лейкоцитов, тромбоцитов), определяется их соотношение, измеряются выделенные объекты с возможностью воспроизведения формы объекта с заданной точностью, проводится классификация изображений клеток эритроцитов и лейкоцитов, выделяются нормальные и патологические формы эритроцитов и подсчитывается их соотношение, определяется лейкоцитарная формула.
Однако это известное устройство не позволяет осуществить калибровку настроек цифровой камеры под различные окраски мазков крови и, соответственно, получить достоверные результаты морфологического анализа при сканировании серии мазков крови разной окраски.
Технический результат — повышение точности, достоверности и скорости морфологического анализа серии исследуемых мазков крови за счет автоматической калибровки камеры с целью стандартизации цвета клеток мазков крови с разной окраской.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для морфологического анализа мазков крови, состоящем из оптического микроскопа с тринокулярной насадкой, автоматизированным предметным столиком и приводом фокусировки, цифровой камеры и контроллера ЭВМ с программным обеспечением, согласно изобретению, контроллер выполнен с возможностью калибровки настроек цифровой камеры в два этапа, при этом на первом этапе контроллер осуществляет настройку камеры в области чистого света, на втором этапе осуществляет выравнивание цвета клеток крови исследуемого мазка, при этом цифровая камера выполнена с возможностью автоматической калибровки ее настроек перед каждым сканированием изображений клеток крови для серии исследуемых мазков крови в зависимости от их окраски, а привод фокусировки оптического микроскопа выполнен с возможностью перемещения предметного столика в соответствии с управляющими сигналами контроллера.
Выполнение контроллера с возможностью калибровки настроек цифровой камеры в два этапа, при этом на первом этапе контроллер осуществляет настройку камеры в области чистого света, на втором этапе осуществляет выравнивание цвета клеток крови исследуемого мазка, а также выполнение цифровой камеры с возможностью автоматической калибровки ее настроек перед каждым сканированием изображений клеток крови для серии исследуемых мазков крови в зависимости от их окраски, при выполнении привода фокусировки оптического микроскопа с возможностью перемещения предметного столика в соответствии с управляющими сигналами контроллера позволяет в реальном времени определять средний фон изображения поля зрения и средний цвет клеток и приближать их к «эталонным» значениям в независимости от окраски мазков крови, т.к. средний фон и средний цвет клеток будет единым для мазка крови, приготовленным любыми известными способами.
Так как эталонные значения параметров заданы программой перед сканированием, то цвета картинки можно персонализировать под каждого врача.
Устройство позволяет регулировать настройки камеры перед каждым новым сканированием таким образом, чтобы цвет клеток и фона на каждом мазке из серии был постоянным и приближался к эталонным значениям.
Автоматизация процесса настройки камеры микроскопа, исключение человеческого фактора и ошибок при ручной настройке позволяет быстро, точно и достоверно классифицировать клетки крови не зависимо от окраски мазка.
Устройство для анализа мазков крови с автоматической калибровкой камеры под различные условия окраски мазков более эффективно по сравнению с известными аналогичными устройствами благодаря функции калибровки камеры для стандартизации цвета клеток мазков крови независимо от условий окраски мазков, при этом позволяет сканировать серии мазков крови без настройки освещения вручную перед каждым отдельным мазком крови и получать более точную классификацию клеток и высокую скорость работы. Оно удобно в эксплуатации и может широко использоваться для общего анализа крови в диагностических центрах и лабораториях.
Изобретение проиллюстрировано следующими фигурами.
На фиг. 1 схематично изображено заявляемое устройство.
На фиг. 2 показано как выглядят расфокусированное и сфокусированное изображения клетки крови.
На фиг. 3 изображен тринокулярный микроскоп с предметным столиком, который может перемещаться в пространстве по координатам X, Y, Z.
На фиг. 4 — изображения на мониторе ЭВМ, где а) — изображение с камеры; б) — слой эритроцитов; в) — слой без эритроцитов.
Заявляемое устройство содержит:
1 — тринокулярный микроскоп;
2 — цифровая камера;
3 — привод фокусировки по координате Z;
4 — блок управления предметным столиком по координатам X, Y;
5 — контроллер ЭВМ с программным обеспечением;
6 — монитор ЭВМ;
7 — предметный столик микроскопа 2.
Принцип работы устройства состоит в следующем.
Программное обеспечение контроллера 5 ЭВМ задает контрольные (эталонные) значения следующих параметров:
- значение необходимого среднего цвета изображения в области чистого света:
;
- значение необходимого среднего цвета изображения перед коррекцией фона:
;
(Средний цвет изображения — сумма всех значений интенсивности потоков каждого пикселя, поделённая на количество пикселей.)
- минимальные и максимальные значения среднего фона изображения:
;
(Средний фон изображения — средний цвет изображения, на котором предварительно убраны все клетки крови.)
- минимальные и максимальные значения оптической плотности эритроцитов:
.
(Оптическая плотность — мера непрозрачности слоя вещества для световых лучей).
Перед началом сканирования предметное стекло с мазком крови (не показано) размещают на предметном столике 7.
Далее запускается сканер цифровой камеры 2, и начинается процесс сканирования мазков крови на предметном столике 7. Привод 3 по заданной программе контроллера 5 осуществляет фокусировку изображения по координате Z в тонкой части мазка (фиг. 2).
Далее контроллер 5 выполняет первый этап, так называемую «автокалибровку в области чистого света». Данный этап выполняется на первом из серии мазков для настройки правильного освещения и выравнивания фона.
Контроллер 5 запоминает текущую позицию предметного столика 7, т.е. координаты. После этого столик 7 перемещается с помощью блока управления 4 в область чистого света, не меняя положение по оси  (положение сфокусированного изображения). Область чистого света — такое положение столика 7 микроскопа 1, в котором нет препятствия между объективом и осветителем, в частности стекла с мазком крови.
Далее контроллер 5 регулирует значение экспозиции камеры 2.
Понятие «экспозиция» характеризует количество света, попавшее на светочувствительный материал матрицы камеры в течение определенного времени.               Повышение экспозиции повышает значения среднего цвета, среднего фона изображения и наоборот, уменьшение значения экспозиции камеры уменьшает значения этих показателей изображения.
При этом начальное значение экспозиции  установлено программой контроллера 5 в зависимости от выставленного перед сканированием значения , а именно 10 % от этого значения. При этом оно не должно быть меньше минимального значения допустимого камерой - и не больше достаточно маленького фиксированной числа - .
Далее контроллер 5 увеличивает экспозицию на камере 2 с шагом 20 % от текущего значения, но не более достаточно маленького фиксированной величины и не менее минимального значения допустимого камерой 2  (  ) до тех пор, пока средний цвет изображения  с камеры 2 не превысит значение необходимого среднего цвета изображения в области чистого света (150):
, где
— интенсивность красного потока пикселя под номером ;
— интенсивность зеленого потока пикселя под номером ;
— интенсивность синего потока пикселя под номером ;
— количество пикселей на изображении.
После этого контроллер 5 выполняет автоматический баланс белого. Под балансом белого понимается процесс компенсации цветовых потерь при регистрации света матрицей в соответствие с заранее заданной цветовой температурой. Из этого следует, что баланс белого призван сохранять естественные цвета на изображении программным способом, чтобы компенсировать несовершенство матриц. Нейтральный цвет в представлении камеры — цвет, не обладающий никакими оттенками: белый, серый. Взяв такой цвет за точку отсчета, камера сможет и остальные цвета представить на изображении достоверно.
Контроллер 5 увеличивает экспозицию на камере 2 c минимальным шагом, составляющем 20 % от текущей, но не менее минимально возможной экспозиции и не более 1:
до тех пор, пока средний цвет изображения  с камеры не превысит значение необходимого среднего цвета изображения перед коррекцией фона (200):
Далее контроллер 5 выполняет коррекцию фона. Коррекция фона — метод корректировки неоднородной освещенности изображения с камеры путем деления на опорное.
Для этого контроллер 5 уменьшает экспозицию на камере 5 c минимальным шагом 20 % от текущей, но не менее минимально возможной экспозиции камеры и не более 1:
до тех пор, пока средний цвет изображения с камеры максимально не приблизится к значению 245:
По сигналу контроллера 5 привод фокусировки 3 и блок управления 4 возвращают столик 7 в исходную позицию , и камера 2 фокусируется на изображении.
Далее контроллер 5 выполняет второй этап сканирования, так называемое «выравнивание цвета клеток». На данном этапе регулируя гамму цифровой камеры 2 цвет клеток приводится к стандартному розовому.
Второй этап повторяется перед сканированием каждого нового мазка крови, при этом контроллер 5 увеличивает или уменьшает экспозицию с шагом 1:
,
пока средний фон изображения не попадет в заданный необходимый диапазон минимального и максимального значений среднего фона изображения:
.
Камера 2 по сигналу контроллера 5 делает снимок поля зрения - . и формирует новые изображения: из слоя, на котором только одни эритроциты, без фона -  и из слоя, на котором только фон, без эритроцитов —  (фиг. 4).
Расчет оптической плотности эритроцитов осуществляется по формуле:
Далее контроллер 5 изменяет гамму камеры 2 с шагом 0,2
() таким образом, чтобы оптическая плотность эритроцитов приблизилась к заданному диапазону допустимых значений:
После этого экспозиция увеличивается или уменьшается с шагом 1:
,
пока средний фон изображения максимально не приблизится к середине минимального и максимального значений среднего фона изображения:
Контроллер 5 производит коррекцию гаммы камеры 2 с изменением экспозиции до тех пор, пока оптическая плотность эритроцитов не попадет в заданный диапазон допустимых значений:
Гамма определяет отношение между численным значением пикселя и его действительной светимостью. Коррекция гаммы — это предыскажения яркости чёрно-белого или цветоделённых составляющих цветного изображения.
После проделанных манипуляций на первом и втором этапах сканирования средний фон и средний цвет клеток станет единым для мазков, приготовленных любыми известными способами.
Так как необходимые параметры заранее задаются перед сканированием программой контроллера 5, то цвета изображений возможно персонализировать для конкретного врача. А автоматизация процесса настройки системы микроскопии и исключение человеческого фактора при ручной настройке устройства позволяет быстро, точно и достоверно классифицировать клетки крови не зависимо от окраски мазка.
Далее появляется возможность осуществить заключительный этап — морфологический анализ клеток. Для этого захваченное с камеры 2 изображение анализирует классификатор общего анализа крови (ОАК), который все присутствующие на изображении лейкоциты, эритроциты и тромбоциты сохраняет и классифицирует по категориям, затем поле зрения меняется на соседнее.
Третий этап повторяется до тех пор, пока не будет найдено необходимое для анализа количество клеток. По завершению сканирования мазка крови результаты будут сохранены в базе данных ЭВМ, и доступны для просмотра врачом на мониторе 6.
При необходимости исследования следующих мазков крови контроллер 5 начнет процесс сканирования со второго этапа. При перезапуске сканирование начнется с первого этапа.
Так как необходимые параметры заранее задаются перед сканированием программой контроллера, то цвета изображений возможно персонализировать для конкретного врача. А автоматизация процесса настройки системы микроскопии и исключение человеческого фактора при ручной настройке устройства позволяет быстро, точно и достоверно классифицировать клетки крови не зависимо от окраски мазка.
Устройство для анализа мазков крови с автоматической калибровкой камеры под различные условия окраски мазков более эффективно по сравнению с известными аналогичными устройствами благодаря функции калибровки камеры для стандартизации цвета клеток мазков крови независимо от условий окраски мазков, при этом устройство позволяет сканировать серии мазков крови без настройки освещения вручную перед каждым отдельным мазком крови и получать более точную классификацию клеток и высокую скорость работы.
Оно удобно в эксплуатации и может широко использоваться для общего анализа крови в диагностических центрах и лабораториях.