Программно-аппаратные комплексы для диагностики заболеваний человека

Диагностика заболеваний.

Лабораторные методы.

Современная медицина располагает целым арсеналом высокотехнологичных методов, объединенных термином «лабораторная диагностика». Это физико-химические, биохимические и биологические методы исследования, с помощью которых можно анализировать состав и свойства биологических жидкостей и тканей человека, а также идентифицировать возбудителей заболеваний.

В общемировой практике лабораторное обследование находится на первом месте среди всех диагностических исследований и по частоте использования, и по объему предоставляемой информации. Достоверность результата анализа зависит от качества используемых в лаборатории тестов, реактивов, аппаратуры. Немаловажную роль играет также ответственность и профессионализм персонала.

Оценка и сравнение различных методик диагностики проводится на основе критериев чувствительности, специфичности и объективности лабораторного теста. Чувствительность — это процент выявления истинно положительных результатов теста у больных определенной болезнью. Иными словами, чувствительность метода — это процент вероятности выявить заболевание у больного с помощью конкретного теста. Высокой чувствительностью обладают методы, способные измерять или выявлять изучаемое свойство при его минимальных количествах. Специфичность теста определяется отсутствием ошибочных (ложноположительных) результатов. То есть чем выше специфичность метода, тем с большей долей вероятности он позволит подтвердить, что человек не болен. Объективность анализа — это соответствие среднего значения результатов подлинной величине измеряемого параметра. В идеале все тесты должны иметь чувствительность, специфичность и объективность на уровне 100%, но на практике далеко не каждый метод имеет такие показатели. Однако солидные лаборатории в своей работе используют те методы анализа, чувствительность и специфичность которых наиболее высоки.

Лабораторное обследование проводится в несколько этапов, каждый из которых влияет на достоверность результата. Первый этап называется преаналитический. Он включает в себя подготовку к анализу, взятие биоматериала, его транспортировку в лабораторию и пробоподготовку. Стоит отметить, что именно на этот этап приходится большая часть всех ошибок лабораторных исследований — от 46 до 68%. Зачастую получив от врача направление на анализ, мы не отдаем себе отчета, насколько важна самостоятельная подготовка к лабораторным обследованиям. Однако существуют строгие правила, которые необходимо знать и выполнять. Например, сдавать кровь на биохимию нужно обязательно в утренние часы, натощак и не курить до процедуры в течение часа, как минимум. Накануне необходимо избегать чрезмерных физических и эмоциональных нагрузок, воздержаться от алкоголя и приема лекарств. На процедуру стоит приходить заранее, без спешки и нервозности. Нужно помнить, что за точность результата несет ответственность не только лаборатория, но и мы сами.

Следующий этап лабораторного обследования — аналитический. Он включает в себя доприборный анализ: добавление в пробу реактивов или красителей, химические реакции, инкубацию, перемешивание, промывание и другие действия с биоматериалом. Затем в большинстве случаев происходит приборный анализ с использованием различной аппаратуры.

Финальный этап каждого лабораторного обследования — постаналитический. Лечащий врач получает результаты анализа, интерпретируя которые он может подтвердить диагноз, скорректировать ход лечения, назначить нужные процедуры и лекарства. В каких случаях необходимо пройти лабораторную диагностику? Чаще всего методы лабораторного обследования применяют для постановки и уточнения диагноза, определения причины состояния пациента (при генетических, инфекционных заболеваниях, отравлениях), характеристики формы и тяжести течения болезни, выбора терапии, подбора оптимальных лекарственных средств, а также для контроля результативности лечения и подтверждения полного излечения. Причем за весь период лечения проведение лабораторных анализов может потребоваться неоднократно.

Лабораторная диагностика в медицине представлена многочисленными методами, количество которых постоянно увеличивается, а качество — повышается. Давайте подробнее рассмотрим лабораторные методы обследования больных, наиболее часто используемые в современной медицинской практике.

Виды лабораторных обследований по типу исследуемого биоматериала

Для проведения лабораторного обследования требуется биологический материал — ткани и выделения человека, содержащие геномную информацию. Наиболее часто в качестве биоматериала используются кровь, моча, кал, мокрота, пункции тканей, мазки и соскобы слизистых оболочек и даже внутренних органов. Чаще всего в лабораторных условиях исследуется кровь. Этот биоматериал содержит практически всю необходимую информацию о человеке, поэтому служит базой для десятков различных тестов. Наверняка каждый из нас много раз сдавал кровь из пальца для общего анализа крови, с помощью которого определяется уровень гемоглобина, количество тромбоцитов, эритроцитов и лейкоцитов, а также скорость оседания эритроцитов (СОЭ).

Для биохимического анализа берется кровь из вены. Этот анализ показывает состояние внутренних систем организма, уровень гормонов, содержание глюкозы, билирубина, белков, аминокислот и других жизненно важных элементов. Определение уровня различных биохимических показателей требуется при диагностике и лечении патологий эндокринной системы, заболеваний почек, желудочно-кишечного тракта, сердечнососудистой системы, опорно-двигательного аппарата.

Кровь также служит биоматериалом и для более сложных тестов. Например, для анализа на выявление нарушений хромосомного набора человека. Цитогенетическое обследование позволяет выявить количественные (изменение числа хромосом) и структурные аберрации (изменение самих хромосом). Расширенное цитогенетическое обследование представляет возможность рассчитать процент аномальных метафаз, выявить следы действия вредных факторов на геном человека. Анализ имеет важнейшее значение для пациентов с бесплодием и невынашиванием беременности. Много важных сведений об организме содержит и другой часто используемый биоматериал — моча. Анализ мочи дает представление, прежде всего о функционировании почек, но также и других внутренних органов и систем, позволяет выявить процесс воспаления в мочеполовой системе.

В качестве биоматериала для гистологических исследований используется эпителий внутренних органов и систем, полученный в ходе биопсии. Специалист под микроскопом изучает внутриклеточные структуры в срезе ткани. Этот анализ с высокой точностью определяет наличие раковых клеток, злокачественных новообразований, метастазы соседних органов, внутренние кровоизлияния, тромбозы, воспалительные процессы. Наиболее часто гистология применяется в гинекологии.

Биоматериалом для цитологического исследования служат различные жидкости: мокрота, моча, выделения из молочных желез, материалы, полученные при пункции, соскобы и отпечатки с эрозий, язв, ран, удаленных тканей. В основе анализа — изучение особенностей строения клеток с помощью микроскопа. Цитология незаменима для выявления начальных стадий рака, поскольку она с высокой точностью позволяет установить диагноз доброкачественной или злокачественной опухоли, а также неопухолевых поражений.

Анализы по цели исследования

Иммунологические исследования дают информацию о состоянии различных звеньев иммунитета. Назначение иммунологического обследования необходимо для диагностики и лечения нарушений иммунной системы, аллергии, хронических инфекций, аутоиммунных заболеваний, при развитии злокачественных новообразований, а также при подготовке к операциям или пересадке донорских органов.

Гормональные исследования используются для диагностики эндокринных заболеваний, бесплодия, импотенции, нарушений менструального цикла, а также при проблемах с кожей, волосами, лишним весом. Гормоны, поступая в кровь из желез внутренней секреции, участвуют во всех биохимических процессах организма. Дисбаланс гормонов может привести к серьезным проблемам, поэтому необходимо своевременно начать заместительную лекарственную терапию.

Исследование генетической предрасположенности необходимо для оценки репродуктивного здоровья, иммуногенетики, определения резус-фактора, системы свертывания крови, а также в случаях, когда имеется риск «передачи по наследству» болезней сердечнососудистой системы, желудочно-кишечного тракта, центральной нервной системы, нарушений обмена веществ, онкологических заболеваний, алкогольной и наркотической зависимости.

Диагностика инфекционных заболеваний — важнейшая категория анализов, которая в последние годы приобретает все большее распространение ввиду участившихся угроз планетарного масштаба. Среди инфекций есть немало смертельно опасных, выявление которых на ранней стадии позволит сохранить здоровье и качество жизни. Современные методы диагностики с максимальной точностью выявляют различные инфекции, включая ВИЧ, все виды гепатитов, герпетические инфекции, цитомегаловирус, краснуху, корь, эпидемический паротит, острые кишечные инфекции, ротавирус, вирус папилломы человека, клещевой энцефалит, туберкулез, инфекции, передаваемые половым путем.

Методы лабораторных обследований

Бактериоскопический метод предполагает исследование под микроскопом мазка на флору. Биоматериал для анализа берется из шейки или полости матки, влагалища, мочеиспускательного канала, прямой кишки. Также с помощью данного метода может исследоваться сперма, секрет предстательной железы, мокрота, суставная и другие жидкости организма. Бактериоскопия мазка — недорогой, быстрый и поэтому распространенный метод, позволяющий обнаружить бактерии, грибки и простейшие.

Бактериологический метод исследования позволяет определить наличие в организме человека болезнетворных бактерий. В ходе анализа специалист лаборатории создает так называемый бактериологический посев, то есть помещает биоматериал в питательную среду, которая способствует активному размножению бактерий. Чаще всего биоматериалом для такого исследования выступает кал, слизь из носоглотки и зева, мокрота из бронхов, моча, кровь, спинномозговая жидкость, содержимое очагов воспаления или кист. Этот метод незаменим при диагностике различных инфекционных заболеваний. А также с помощью бактериологического посева можно выяснить, какой антибактериальный препарат лучше воздействует на найденного возбудителя.

Иммунофлуоресцентный анализ направлен на определение качественного и количественного состава антигенов. Метод позволяет выявить в биоматериале присутствие антигенов, характерных для определенных возбудителей или заболеваний. Анализ помогает диагностировать онкологические заболевания на ранней стадии, а также выявить инфекции и наследственные синдромы.

Полимеразная цепная реакция (ПЦР) — это метод молекулярной диагностики, с помощью которого можно определить возбудителя заболевания даже при самой минимальной концентрации. ПЦР широко используется для диагностики наследственных, инфекционных заболеваний, для установления родства, клонирования генов, выявления мутаций, выделения новых генов. ПЦР-диагностика является одним из самых точных методов диагностики инфекционных заболеваний. Чувствительность и специфичность ПЦР в диагностике большинства вирусных и бактериальных инфекций достигает 100%.

Серологические методы изучают антитела и антигены в ходе реакций антиген-антитело. Возбудителя определяют с помощью сывороток крови гипериммунизированных животных. Собственно, основная задача серологии — разработка диагностических и лечебных сывороток. Серологические тесты используют при переливании крови, для определения групп крови, для определения источника инфекции, механизма ее передачи и эффективности вакцинации. Современная медицина находится на таком уровне, что множество болезней, даже самых серьезных, можно вылечить на ранней стадии. Поэтому так важно проводить лабораторное обследование — результаты имеют решающее значение в постановке диагноза.

 

Программно-аппаратные комплексы для диагностики заболеваний человека.

После появления новых технологий лабораторная медицина, как самостоятельная научная дисциплина, стала важной составной частью «доказательной медицины».
Результаты лабораторных исследований являются основой большинства клинических работ, посвященных вопросам дифференциальной диагностики заболеваний или новым методам лечения. Важная задача любого диагностического процесса – установить количественные взаимосвязи между набором выявленных признаков (симптомов заболевания) и определенной нозологической единицей, т.е выяснить информативность каждого признака и их возможных комбинаций для каждого заболевания или патологического процесса.

Применение в лабораторной медицине автоматизированных систем дает возможность решать различные задачи: от поиска наиболее информативных морфометрических критериев для цитологической и гистологической диагностики, до мультипараметрического анализа изучаемого объекта.

Особое значение для медицинской практики приобретает диагностическая медицинская морфометрия. Регистрация макроскопических и микроскопических признаков позволяет формализовать диагностику некоторых патологических процессов, близких по морфологическим проявлениям, уточнить классификации ряда болезней. Это особенно важно в тех случаях, когда необходимо срочно решить вопрос распознавания патологических процессов.
Применение компьютерной и цифровой техники при микроскопических исследованиях препаратов открывает специалистам новые возможности в изучении ряда проблем, связанных с изменением формы объектами, структуры, оптических и цветовых свойств, количества их составляющих веществ. Компьютерная микроскопия дает возможность перехода от описательной микроскопии к количественному анализу с последующим использованием получаемой математической статистики.

Диагностическая медицинская морфометрия дает объективные данные для принятия решений при проведении дифференциальной диагностики близких по морфометрическим показателям патологических процессов.

Раньше специалисты лабораторной медицины использовали в своем арсенале достаточно простые средства для диагностики (микроскоп); в настоящее время, идущий широкими шагами прогресс, позволяет использовать все более усовершенствованные средства диагностики и наибольшее распространение из таких технологических решений получили компьютерные анализаторы изображений. Они представляют собой аппаратно-программные комплексы, в состав которых входят микроскоп, система ввода изображений, компьютер с периферийными устройствами и программное обеспечение (Рис. 1).

Использование в анализаторе автоматического распознавания, а также требования по воспроизводимости и высокой точности анализа, накладывает на применяемую в составе анализатора технику, так же как и на метод приготовления препарата для анализа, свои требования.

Помимо квалификации врача, эффективность цитологической диагностики в значительной мере определяется качеством приготовления препаратов и используемыми расходными материалами (красители, предметные стекла и т.д.).

Подготовка биологических объектов к микроскопическому исследованию с помощью автоматизированного морфометрического анализа предъявляет ряд новых требований к изготовлению образцов: стандартная толщина среза или мазка, стандартизированный процесс окраски препарата, одинаковые условия освещения. Для создания автоматизированных методик важен унифицированный процесс пробоподготовки и окраски для получения распознаваемых объектов и воспроизводимых результатов обработки изображений.

На основе введенных изображений создается обучающая выборка и разрабатывается классификатор объектов.

Используемые методики представляют собой совокупность последовательных действий получения и обработки изображений; распознавания и классификации объектов; статистической обработки полученных результатов измерений и позволяет провести анализ с минимальным вмешательством исследователя.

Предустановленные (т.е. готовые, отработанные) методики охватывают наиболее распространенные задачи пользователей, такие как:

архивирование – получение изображения и сохранение его в базе данных;

улучшение качества полученного изображения;

ручные и автоматические измерения объектов;

получение изображений с объемных объектов;

распределение по размерам;

процент количества объектов разных классов;

удельное количество объектов одного класса на единицу площади или на заданное число объектов другого класса.

Существуют так же специализированные методики, которые направлены на выполнение определенных узких задач, такие как:

ядерно-цитоплазматическое отношение;

плоидометрия (плоидность ядер по Фельгену) (Рис. 2), данная методика используется в НИИ Онкологии имени профессора Н.Н.Петрова. На ее основе разработаны методические рекомендации для врачей онкологов, цитологов, патологоанатомов по применению анализаторов изображений при проведении дифференциальной цитоморфологической диагностики между предопухолевыми состояниями и злокачественными новообразованиями различных органов («Методика компьютерной денсито-морфометрии ядер опухолевых клеток с использованием анализа микроизображений»).

измерение изменения частоты, гистосчет для ядер (иммунногистохимия для ядер);
оценка изменения объекта во времени подсчет ретикулоцитов;

пойкилоцитоз (наличие в крови эритроцитов разной необычной формы (пойкилоцитов)).

Специализированные и предустановленные методики поставляются со встроенными статистическими и нейронными классификаторами, разработанными технологами фирмы-производителя АПК на основе данных, предоставленных специалистами ведущих лабораторий, работающих на комплексах. В тех случаях, когда нет точных количественных значений параметров по каждому классу, используется «обучение классификатора». Объекты выделяются, измеряются и каждому определяется название. Параметры измерений, полученные с обучающей выборки изучаемых объектов, объединяются, обобщаются и хранятся как весовые коэффициенты классификатора. А далее используются при классификации на рабочих примерах.
Все подобные комплексы можно условно разделить на две большие группы: универсальные (применяемые в исследованиях разных областей медицины) и специализированные (созданные для автоматизации широко используемых методов исследований, таких как хромосомный анализ, FISH, анализ спермы, автоматический анализ формулы крови и т.д.).

Универсальные анализаторы изображений получили широкое распространение в цитологии и гистологии. Например, Аппаратно – Программный Комплекс «ВидеоТесТ-Морфология», включает расширенный набор измеряемых морфометрических и оптических параметров, а так же содержит предустановленные методики и универсальный механизм, позволяющий создавать новые алгоритмы решения рутинных операций или исследований для специалистов-морфологов (Рис. 3).

Качество получаемого для анализа изображения и работа анализатора в целом во много так же зависит от выбранной системы ввода. В наше время специалисты предъявляют достаточно высокие требования к современным системам, применяемым для исследований. Возможно выделить требования, наиболее влияющие на качество работы микроскопа: равномерность освещения по полю, высокие разрешающая способность, контраст изображения. Используемые в них оптические схемы обеспечивают изображение без хроматической разности увеличения (нечеткость краев, появление дополнительных оттенков серого), т.н. оптика, рассчитанная на бесконечность.

Используемые в системе ввода цифровые камеры обеспечивают высокое качество получаемого изображения, отличаются чувствительностью и делают систему простой в эксплуатации. Но, не смотря на простоту использования, система ввода является наиболее важным элементом комплекса, который участвует в получении качественного изображения. Основным фактором при выборе комплектующих для системы, влияющим на ее будущие характеристики, является задача, выполняемая специалистом. Цветовые и оптические характеристики изображения являются, в большинстве случаев, первоочередными показателями при проведении анализа изображения.

Не правильно подобранная система ввода часто является причиной погрешностей вычислений и, как следствие, неверно полученных измерений и выставленного заключения.
Составной частью аппаратно-программных комплексов являются базы данных (Рис. 4), предназначенные для хранения и последующего быстрого поиска изображений и сопутствующей информации (таблиц, графиков, текста, видео или аудио информации и т.д.).
Это наиболее удобный способ хранения большого количества данных в систематизированном и компактном виде.

Программно-аппаратные комплексы встраиваются в сетевую базу, предназначенную для коллективного, многоцелевого использования. При этом обеспечивается однократное попадание в базу информации и многократный совместный доступ к ней всех пользователей.
Современные требования, предъявляемые к качеству и точности цитологических, гистологических и патологоанатомических исследований, продиктованы постоянным совершенствованием форм и методов клинико-диагностической работы в лечебно-диагностических учреждениях, изменением классического представления о патоморфологической характеристике многих заболеваний. Постоянная работа по расширению набора методов исследований позволяет сегодня морфологу проводить дифференциальную диагностику различных патологических процессов, помочь врачу-клиницисту в выборе тактики ведении больного, рационального проведения медицинских мероприятий, раннего выявления осложнений, определить прогноз заболевания.

Для качественного проведения морфологического исследования существенное значение имеет соблюдение правил получения и фиксации материалов, стандартизация исследований и интерпретации результатов, возможность проведения исследования в экстренном порядке для выбора метода и объема дальнейшего лечения. В практике клинического морфолога решению этих задач помогает применение автоматического анализатора изображений, создание общепринятых классификаторов клеток и тканей, использование в работе баз данных и электронных альбомов – справочников.