Комплекс микроскопии МЕКОС-Ц2 для телемедицины

Комплекс микроскопии МЕКОС-Ц2 для телемедицины

В.С.Медовый, А.А.Парпара, Д.С.Николаенко, А.М.Пятницкий, Б.З.Соколинский, В.Л.Демьянов, В.В.Маркеллов,

ЗАО «Медицинские компьютерные системы (МЕКОС)», Москва

1.Введение

Телемедицина (телепатология) в области микроскопических анализов биоматериалов завоевала прочные позиции в практическом здравоохранении развитых стран. В [1] рассмотрены современные технические, организационные, экономические и медицинские аспекты телепатологии, обещающие ее бурный рост в России в ближайшие годы.

В настоящей статье рассмотрены технические возможности прошедшего в 2005 году медицинские испытания «Комплекса автоматизированной микроскопии с функцией телемедицины для гематологических, цитологических, гистологических исследований МЕКОС-Ц2», см. рис.1.

Использование МЕКОС-Ц2 позволяет за счет автоматизации рутинных операций микроскопии существенно увеличить долю полезной информации в потоке данных между удаленной лабораторией, оснащенной МЕКОС-Ц2, и консультирующим экспертом, радикально увеличивая возможности применения обычных существующих линий связи. Невысокая стоимость МЕКОС-Ц2 за счет применения российских средств автоматизации микроскопа и российского программного обеспечения, наличие группы высокоавтоматизированных функций и методик медицинских анализов биоматериалов, позволяет рассчитывать на его будущее на рынке телемедицины России.

В статье также рассмотрены возможности удаленного доступа МЕКОС-Ц2 по организации полноценных медицинских испытаний автоматизированных методик, по сбору представительных выборок электронных аналогов препаратов для решения разного рода диагностических задач, по сопровождению удаленных потребителей, обеспечивающему высокую точность выполнения анализов на комплексе МЕКОС-Ц2, по обучению и аттестации персонала лабораторий.

2. Средства удаленного доступа МЕКОС-Ц2.

Комплекс МЕКОС-Ц2 [2] включает в себя автоматизированный микроскоп тринокуляр (как минимум моторизованный предметный стол, моторизованная тонкая фокусировка, блок управления), видеокамеру, компьютер и программное обеспечение. При его использовании в качестве телемедицинского терминала в комплект входит также второй компьютер с программным обеспечением, который устанавливается в консультационном центре. Оба компьютера подключаются к линии связи любого типа.

Перечень реализованных в МЕКОС-Ц2 средств удаленного доступа включает в себя ряд широко известных функций, реализованных в той или иной степени в импортных аналогах. Некоторые средства, насколько нам известно, реализованы только в МЕКОС-Ц2.

2.1. Телемикроскопия.

Телемикроскопия (функция «МЕКОС-ТЕМ») позволяет управлять перемещением и фокусировкой препарата по командам (через клавиатуру или джойстик) удаленного эксперта, наблюдающего переданное по линиям связи в реальном времени видеоизображение поля зрения микроскопа на своем компьютере в консультационном центре. Комплекс микроскопии МЕКОС-Ц2 предварительно должен быть включен оператором на удаленном терминале, препарат установлен на оговоренных условиях наблюдения. При отсутствии аппаратных средств смены объективов во время сеанса при необходимости по указаниям эксперта, отображаемым на экране комплекса микроскопии, оператор меняет объективы и настраивает конденсор. Все остальные операции микроскопии с помощью МЕКОС-ТЕМ выполняет эксперт. Функция автоматически фиксирует в своей базе данных все просмотренные экспертом поля, формируя электронный образ удаленного препарата – «виртуальный препарат». МЕКОС-ТЕМ отображает на экране определяемый экспертом маршрут  пройденных полей зрения (на макроуровне, в масштабе предметного стекла), что позволяет эксперту контролировать полноту просмотра препарата. Функция предоставляет собственные маршруты полного скрининга области препарата заданных размеров (например, по строчкам или по столбцам). Эксперт в любой точке может поменять текущее разрешение видеокамеры, меняя соотношение разрешение/число кадров в секунду (например, от 8Мb:2 кадра/сек до 0.4Mb: 30 кадров/сек). Эксперт может задать пройденные точки маршрута, к которым может выполняться автоматический возврат препарата с возможностью дальнейшего просмотра на другом объективе. Эксперт может в любой точке воспользоваться функциями автоматической фокусировки тонкого, например, цитологического препарата и мультифокуса толстого препарата (получая единое сфокусированное изображение по всей глубине, например, объемного гистологического препарата). Эксперт имеет возможность зафиксировать текущее изображение в своей базе данных, выполнить измерения интересующих объектов (с помощью функции МЕКОС-ФДММ), см. рис. 2.

Все действия эксперта и запомненные данные могут быть продублированы также в базе данных комплекса микроскопии.

По сравнению с часто применяемым режимом видеомикроскопии on-line (см. [1]), когда изображение поля зрения микроскопа с помощью аналоговой видеокамеры средствами телеконференции передается 25 раз в секунду на монитор эксперта с одним и тем же разрешением 0.4 Мb, использование МЕКОС-ТЕМ позволяет значительно более гибко подстраиваться к пропускной способности линии связи. Автофокусировка значительно уменьшает объем вспомогательной информации, наиболее интересные объекты можно не спеша рассмотреть на высоком разрешении, менее интересные быстро сменить на низком разрешении. Точность и полнота просмотра существенно возрастают благодаря контролируемым маршрутам, функциям возврата и мультифокуса.

2.2. Формирование «виртуального препарата».

Эта функция («МЕКОС-ВИП») в режиме off-line автоматически формирует и записывает в базу данных расширенное поле зрения, состоящее из множества соседних сфокусированных физических полей зрения с точной подгонкой границ между ними (панорамирование). МЕКОС-ВИП вызывается на удаленном терминале без участия эксперта. Размеры расширенного поля зрения («виртуального препарата») определяются возможностями базы данных и линий связи и могут достигать нескольких квадратных сантиметров. Съемка виртуального препарата обычно ведется на максимально необходимом увеличении. При просмотре виртуального препарата после его пересылки стандартными средствами (электронная почта, интернет) на удаленном  компьютере с помощью другой функции («МЕКОС-ВИМ») эксперт имеет возможность перейти к меньшим увеличениям, перемещать поле зрение, перемещать фокус по глубине, то есть имитировать микроскопию препарата без микроскопа, см. рис 3.

МЕКОС-ВИМ, как и МЕКОС-ТЕМ, предоставляет возможность фиксировать фрагменты виртуального препарата в базе данных, измерять в них интересующие объекты, формировать и отображать маршрут просмотра, автоматически возвращаться к заданным точкам маршрута для просмотра на другом увеличении. Объем виртуального препарата сильно зависит от применяемого разрешения при съемке. Например, на объективе 10 при разрешении 2 пиксел/микрон (изображение высокого качества цветной цифровой видеокамеры 1.3 Мpixel) с применением сжатия jpeg объем виртуального препарата площадью 1 кв.см обычно составляет 60-80 Mb. Сама автоматическая съемка такого препарата в МЕКОС-ВИП занимает около 2 минут. На увеличении 40 и 7 пиксел/микрон примерно такой же объем данных занимает 1 кв. мм виртуального препарата. Объем данных в 80 Mb за исключением экстренных случаев можно передавать без дорогостоящего режима on-line по обычным дешевым линиям связи (по телефону). При достаточно большой площади виртуального препарата квалификация оператора на удаленном терминале может быть невысокой. Кроме низкой стоимости сеанса преимущество применения МЕКОС-ВИП/МЕКОС-ВИМ состоит в мобильности, возможности привлекать практически любых экспертов или нескольких экспертов одновременно. В экстренных случаях применение МЕКОС-ВИП/МЕКОС-ВИМ и быстрой линии связи также может иметь свои преимущества над прямым режимом on-line благодаря более высокой автоматизации и, как следствие, уменьшению времени сеанса связи, меньшим требованиям к каналу связи, быстрому просмотру виртуального препарата и меньшей зависимости эксперта от действий удаленного оператора.

2.3. Средства медицинских испытаний автоматизированных методик.

При разработке МЕКОС-Ц2 и его предшественника МЕКОС-Ц1 мы столкнулись с проблемой формирования представительной выборки изображений препаратов, которую можно было бы использовать для настройки (обучения) программ и для их тестирования. Даже в условиях Москвы было сложно получить выборку, представляющую весь спектр патологий, возрастных групп, вариантов пробоподготовки. При проведении медицинских испытаний по стандартной схеме в ограниченный период времени и в небольшом числе медицинских учреждений надежность результатов испытаний также оставляет желать лучшего. Сложно и дорого заново проводить испытания каждой новой версии программ. Поэтому было решено использовать для формирования выборки препаратов испытаний технологические сервисные средства сопровождения поставленных потребителям комплексов МЕКОС-Ц1/Ц2, превратив их фактически в средства телемедицины. Особенностью такого режима удаленного доступа является использование указаний эксперта о препаратах не для медицинских консультаций, а для разработки новых версий программ и оборудования, включая их испытания. Можно считать, что нас консультируют наши удаленные потребители, верифицируя каждый присланный нам виртуальный препарат. В настоящее время мы получаем виртуальные препараты мазков крови и костного мозга в специальном формате для пополнения нашей базы данных разработки и испытаний программы МЕКОС-АМК («Анализ мазка крови», см. [3,4,5]) из следующих медицинских учреждений: РДКБ (Москва); ИФХМ МЗ РФ (Москва); НИИ НДХТ (Москва); поликлиника «Родник» (Череповец); Рязанский филиал НИИ детской гематологии; Ставропольская детская краевая больница. Применяемая нами схема поэтапной аттестации подсистем комплекса МЕКОС-Ц2 позволяет считать применение таких виртуальных препаратов референтной методикой, отвечающей требованиям испытательных стандартов (см. [2]).

Основной объем данных при этом связан с тестированием режима обнаружения подлежащих анализу клеток (лейкоцитов, эритроцитов, ретикулоцитов, тромбоцитов и др.) в мазке. Обнаружение в штатном автоматическом режиме не может постоянно контролироваться оператором и поэтому оно является основным источником ошибок системы в целом. Для тестирования обнаружения клеток в мазках при редких патологиях или при применении нового варианта пробоподготовки наши удаленные потребители по нашей просьбе выполняют автоматический анализ в специальном режиме “support”. Этот режим отличается от обычного только тем, что в базе данных фиксируются все поля зрения, соответствующие маршруту просмотра мазка, то есть дополнительно формируется специальный виртуальный препарат скрининга мазка. Мы поставляем нашим потребителям бесплатную программу МЕКОС-КО (контроль обнаружения), автоматизирующую рутинные операции последующего просмотра экспертом в отдельном сеансе этого виртуального препарата и позволяющую ему быстро давать оценку правильности обнаружения (рис 4). Автоматизация связана с формированием подсказок о наличии и местоположении обнаруженной клетки, подсказки формирует штатная программа обнаружения. В подавляющем большинстве случаев от оператора требуется только подтверждение одним нажатием клавиши. Трудоемкость такого тестирования обнаружения экспертом сравнима с трудоемкостью обычного ручного анализа мазка. Виртуальный препарат вместе с оценками эксперта пересылается нам по электронной почте и попадает в базу данных тестирования обнаружения. Проверка обнаружения с помощью МЕКОС-КО позволяет нашим потребителям также самостоятельно аттестовать свой вариант пробоподготовки и свой вариант использования МЕКОС-Ц2/МЕКОС-АМК. Для этого МЕКОС-КО собирает статистику качества работы обнаружения по базе данных обнаружения, формируя оценки вероятностей пропуска, ложных тревог и неправильных оценок качества препарата. В нашем центре аналогичная статистика формируется по виртуальным препаратам, поступившим из всех лабораторий. Более подробно применение удаленного доступа для разработки и медицинских испытаний МЕКОС-Ц2 рассмотрено в [2].

2.4. Средства сбора архива препаратов для формирования диагностических правил.

Одной из основных проблем, возникающих при попытках сформировать количественные решающие правила диагностики различных патологий, является недостаточный объем выборки имеющихся в данной лаборатории препаратов. Например, в [6] для решения задачи дифференциальной диагностики долькового и протокового рака молочной железы использовался полученный за ряд лет архив из 81 верифицированного цитологического препарата. Надежность формируемых решающих правил на выборках такого объема (как количественных, так и качественных) не может быть высокой. Формирование виртуальных препаратов с помощью МЕКОС-ВИП можно использовать для сбора представительных электронных архивов, на основе которых можно получать количественные решающие правила высокой точности и надежности. При этом необходимо наладить обмен виртуальными препаратами между лабораториями, имеющими сходную проблематику и оснащенных комплексами МЕКОС-Ц1/Ц2. Такую кооперацию могли бы возглавить консультационные центры, оказывающие услуги в области телепатологии. Наличие полноценного архива виртуальных препаратов, представляющего самостоятельную ценность, позволило бы создать новый уровень диагностических решений. В составе программного обеспечения МЕКОС-Ц1/Ц2 представлена программа МЕКОС-ФДММД («флуденситоморфометрия и диагностика»), позволяющая работать с виртуальными препаратами и предоставляющая средства формирования количественных решающих правил дифференциальной диагностики с использованием обучающихся нейронных сетей.

2.5. Сопровождение удаленных потребителей.

Большинство комплексов МЕКОС-Ц1/Ц2 применяется для выполнения автоматизированных методик  анализов (гематология, цитология, гистология, паразитология). Один и тот же комплекс может использоваться как для телемедицины, так и для внутренних анализов, причем результаты этих анализов (например, анализы лейкоцитов, эритроцитов, ретикулоцитов, тромбоцитов) также могут передаваться вместе с галереями изображений, например, костного мозга, удаленному эксперту. Автоматизированные методики обеспечивают необходимое качество и количество анализов при условии достаточно качественной пробоподготовки. МЕКОС-АМК и другие автоматизированные методики имеют встроенные средства контроля качества препарата и условий наблюдения (качества настройки микроскопа). Результаты каждого анализа, включая контроль качества, автоматически фиксируются в базе данных. Комплексы имеют в своем составе также тест оборудования, с помощью которого потребитель должен регулярно проверять исправность оборудования.  При возникновении у потребителя проблем, особенно на начальном этапе эксплуатации, данные контроля качества вместе с виртуальным препаратом режима support и результатами теста могут передаваться по линиям связи службе сервиса МЕКОС для консультаций. Как показывает практика, такие удаленные технические консультации значительно снижают сроки освоения и помогают добиться эффективной работы комплекса. Эти же линии связи используются для пересылки новых версий программ (обычно формируется 1-2 новые версии программ в год). Служба сервиса собирает статистику эксплуатации комплексов, позволяющую систематически совершенствовать программы и оборудование.

2.6. Средства обучения и аттестации.

Записанные на магнитные носители виртуальные препараты, снабженные указаниями высококвалифицированных экспертов, могут являться основой современных учебных пособий. Для их использования нужен обычный персональный компьютер и программы типа МЕКОС-ВИМ и МЕКОС-КО. С помощью МЕКОС-ВИМ можно смотреть виртуальные препараты, в гораздо большей степени приближенные к реальным препаратам, чем имеющиеся электронные атласы. Программа типа МЕКОС-КО может использоваться как экзаменующая программа, например, при обучении подсчету миелограммы. Экзаменуемый при этом должен указать курсором на клетку в поле зрения и выбрать в меню вариант названия. Программа автоматически сравнит вариант ответа с ранее введенным ответом эксперта.

Анализ экспертом виртуальных препаратов может использоваться для дистанционного контроля качества приготовления препаратов и контроля квалификации врачей, то есть может использоваться соответствующими службами при аттестации удаленных лабораторий. Во время экзамена периферийный врач должен создать виртуальный препарат с помощью МЕКОС-ВИП или с помощью автоматизированной методики (МЕКОС-АМК, см. рис 5), ввести в него свои оценки результатов анализа, используя программы МЕКОС-АМК, МЕКОС-ВИМ или МЕКОС-КО, и затем переслать виртуальный препарат экзаменатору. Отметим, что речь идет об обучении и аттестации по всему спектру микроскопических лабораторных анализов, а не только по автоматизированным методикам комплекса МЕКОС-Ц1/Ц2.

3. Заключение

Одни и те же или сходные технические решения удаленной связи с потребителем позволили реализовать в комплексе МЕКОС-Ц2 группу весьма различных функций. Характерно, что некоторые из этих функций первоначально задумывались как вспомогательные технологические, но в дальнейшем создавали новые потребительские свойства изделия. Новым шагом является возможность создания интегрированных баз данных виртуальных препаратов, переводящих разработку, испытания и эксплуатацию медицинских изделий и медицинской диагностики на новый уровень полноты и точности. Обмен виртуальными препаратами может способствовать повышению качества и стандартизации приготовления препаратов в различных, особенно периферийных, лабораториях, использоваться для обучения и повышения квалификации.

Литература

1.         Ю.П.Грибунов, Ю.Л.Перов, Л.С.Ходасевич, О.И.Орлов. Морфологические и организационные аспекты использования телепатологии. Фонд «Телемедицина», серия «Практическая телемедицина», выпуск 5, Москва 2006.

2.         Медовый В.С., Парпара А.А., Пятницкий А.М., Соколинский Б.З., Демьянов В.Л. Структура системы автоматической микроскопии МЕКОС-Ц2 и ее испытания при анализе мазков крови и костного мозга. Медицинская техника, 2006 г., в печати

3.          А.А.Парпара, А.М.Пятницкий, Б.З.Соколинский, В.С.Медовый,   В.Л.Демьянов. Навигация по     мазку крови при автоматическом подсчёте лейкоцитарной формулы и эритроцитометрии. Здравоохранение и медицинская техника, №9, 2005.

4.         Л.В.Байдун, С.А.Кашпор, А.А.Парпара, С.А.Плясунова, А.М.Пятницкий, Б.З.Соколинский. Автоматическая эритроцитометрия в роботизированном микроскопе МЕКОС-Ц1. Клиническая лабораторная диагностика №6, 2003 г, стр.39-42.

5.         Соколинский Б.З., Демьянов В.Л., Медовый В.С., Пятницкий А.М., Парпара А.А. «Классификация лейкоцитов с использованием методов обучающихся нейронных сетей и Watershed». Здравоохранение и медицинская техника» №4, 2005.

6.         Волченко Н.Н., Медовый Вл.С., Славнова Е.Н., Савостикова М.В., Медовый Вит.С., Соколинский Б.З., Климова Н.В. Сравнительный морфометрический анализ цитограмм инвазивного протокового и инвазивного долькового рака молочной железы. Архив патологии, №6, 2002 г.