平面流式成像分析技术的临床应用现状与发展方向

作者:李颜静 栗婷 倪永亮 张时民 2022-07-18
作者单位:迪瑞医疗科技股份有限公司市场部(李颜静 栗婷 倪永亮); 中国医学科学院北京协和医院检验科(张时民)

倪永亮,毕业于吉林大学临床医学专业/本科。现任迪瑞医疗科技股份有限公司国内营销中心市场部学术经理。曾任北京利德曼生化股份有限公司市场部临床学术经理;北京博睿精实国际信息咨询有限公司医学总监;好医生网医学主管;北京通州区新华医院临床医生等职。


李颜静,毕业于重庆医科大学医学检验/本科,对外经济贸易大学工商企业管理/硕士;现任迪瑞医疗科技股份有限公司市场总监。曾任北京利德曼生化股份有限公司产品专员/商务部经理;中生北控生物科技股份有限公司产品经理/西部办事处主任;北京利德曼生化股份有限公司大客户总监。


栗婷,毕业于西北农林科技大学生物技术专业/本科,中国林业科学研究院生物化学与分子生物学/ 硕士;现任迪瑞医疗科技股份有限公司学术经理。曾任金唯智生物科技(北京)有限公司技术支持;北京维康拓科技有限公司市场专员;中生北控科技股份有限公司产品部经理;北京想象无限科技有限公司医学产品经理;北京利德曼生化股份有限公司业务拓展部总监。


【摘要】体液有形成分分析是检验科常规检测项目。目前全自动有形成分分析方法主要包括平面流式和静止拍照式有形成分检测。其中,平面流式成像技术因具有检测速度快、节省人力、拍摄图像可存储、识别率高、识别项目多等特点,被临床广泛应用。本文对平面流式成像技术的发展历程、原理、流程及在尿液有形成分检测、妇科分泌物有形成分检测等领域临床应用进行介绍。同时,对于平面流式成像技术未来发展和在更多检验领域临床应用进行了展望。


【关键词】平面流式成像技术;有形成分;尿液;妇科分泌物


显微镜检查是医学检验领域用于体液中细胞、生物颗粒等有形成分检测的常用技术,也是众多基于形态学检验领域的金标准。但人工显微镜检查受操作者技术水平和主观因素影响较大,难以标准化。随着显微成像技术、图像处理技术、人工智能等技术的发展,出现了基于自动显微成像技术的分析仪器,但因体液中有形成分会出现重叠或聚集的现象,导致拍摄过程中会拍摄到无法识别的团状物体,测试结果出现偏差。而流式细胞术基于层流规律的流体动力学,可促使单细胞或颗粒能够独立单一地通过检测点,能有效地避免重叠或聚集问题,1990年美国国际遥控影像系统有限公司与日本生产出影像流式细胞技术类型的UA-1000 型尿液有形成分分析系统,结合了平面流式细胞技术及显微成像技术,开启了平面流式成像技术在尿液分析领域的应用[1]。目前已有众多基于此原理的尿液分析仪应用于临床,具有代表性的有目前归属于贝克曼的IQ200系列和迪瑞医疗的FUS系列、MUS系列全自动尿液有形成分分析系统,除被应用于尿液分析领域外,该技术也逐渐被拓展应用于其他临床检测领域。本文就平面流式成像技术的原理、流程、特点及临床应用现状进行简要介绍,并对未来发展方向进行展望。


一、平面流式图像技术检测原理及流程


平面流式图像技术主要由以下几部分组成,从左至右依次为:频闪光源、照明镜组、流动池、物镜、成像镜组和CMOS相机(或CCD相机)及计算机系统(图1)。


其简单的测试原理为利用流式细胞平面生成系统,可使样本在鞘液的包裹下单层独立的经过流动池并进入拍摄区域。光源发出的光经科勒照明整形后均匀的照明在流动池中,流动池后端的物镜和成像镜组将细胞成像CMOS/CCD相机上,最终由相机匹配光源的频闪进行高速拍照。拍摄的照片经由计算机进行数字图像处理和分类识别及形成检测报告,从而完成整个检测流程[2, 3, 4]。


图1. 平面流式成像技术原理图


该技术综合运用了平面流式细胞技术、高速摄像技术、数字图像处理及识别技术,各细分技术简单原理如下:


1. 平面流式细胞技术:为保证每个颗粒或者细胞可流动通过显微镜镜头并被高速摄像机捕捉到其图像信息,平面流式成像技术采用了流式细胞术的液流控制方式,即利用层流和流体力学聚焦的原理,采用等渗的、无颗粒的外层缓冲液体,称之为鞘液,包裹及引导样本液体,使样本液体形成一个极薄扁平的平面流,以单层独立的方式在显微镜镜头的焦点范围内从显微镜镜头和高速相机前流过,然后被高速拍摄成像[5, 6]。对于相关装置流动池,鞘液的流动状态需稳定,保证样本中粒子通过成像区时姿态稳定,不随液体流动而翻滚,不同厂家不同产品流动池装置会有所不同,如有对称式结构的,也有非对称式结构的[6]。图2展示了一种对称式流动池,其流动池结构分为整流腔、加速腔和识别腔,通过对称结构的鞘流池流道,使两侧鞘液对样本的作用力一致,使得样本流的粒子处于通道的中心位置,粒子在运动过程中不产生翻滚,从而保证了样本流的稳定性。


图2. 一种流动池结构


2. 高速摄像技术:样本在鞘液包裹下进入流动池内,以平坦的层流形式流经显微镜物镜镜头的前面,其厚度和位置正好在显微镜焦距的范围内。根据鞘流原理,任何粒子通过时,都会以最大的横截面积直接对准镜头,便于相机捕捉粒子的最大平面图像,由于层流中的粒子是高速运动的,因此摄像成像装置为动态成像系统,须考虑物像速度是否匹配,以保证粒子的清晰度,而配置高速摄像机进行高速摄像即可得到运动粒子的清晰图像,现在某些检测仪相机拍摄最高速度可达200帧/s,每个被检样本拍摄超2000余幅图片,可有效避免漏检。


在配置高速摄像机的基础上,为提高对待检物的分辨率,可提高显微镜物镜的光学放大倍率,之前常采用20倍物镜,现有些检测仪采用40倍的物镜,如迪瑞医疗科技股份有限公司的FUS-3000Plus、MUS-3600及MUS-9600全自动尿液分析系统,从而提高了检测系统的分辨率,可获取样本更多的粒子信息,易于图像的识别和辨别[7]。


3. 数字图像处理及识别技术:平面流式成像技术在临床检验领域的广泛应用离不开数字图像处理及识别技术的不断发展和完善。高速摄像机经一定的器件与计算机相连,摄像机拍摄的图像经模数转换得到数字图像信息,采用图像处理技术对图像进行分割提取,转换成识别软件可使用的特征信息,再采用预先训练好的模型识别软件对特征信息进行分类预测,全部图像的预测结果组成样本的检测结果[2, 8]。经识别后的样本单一成分分类以及整个样本的检测结果均可在计算机显示器上显示,操作者可浏览所拍摄的图片,依据需求进行人工鉴别、分类和确认(图3)。数字图像处理及识别技术使得计算机对图像进行标准化的检验识别成为可能,大大减轻了临床工作者的劳动强度,减少了主观因素的影响,提高了工作效率。其次能克服样本重复多次检测及细胞粒子等遗漏统计问题。最后,所获得的样本检测图片可以存储在计算机或数据库中,方便病人数据的回顾以及检测结果的调用和远程共享等。


图3A 正常红细胞


图3B 白细胞

图3. 迪瑞医疗FUS-3000Plus全自动尿液分析系统检测样本部分单一成分图片


随着人工智能(artificial intelligence,AI)技术的发展,主流图像识别分类技术由传统机器学习方法转向深度神经网络即深度学习方向,迪瑞医疗的FUS-3000Plus、MUS-3600、MUS-9600全自动尿液分析系统采用深度学习算法技术(图4),不仅尿液中红细胞、白细胞等主要成分均实现超过90%的准确率、召回率,同时实现了25个类别的细分类,其中红细胞又细分为正常红细胞、小红细胞、影红细胞、棘形红细胞、其他异型红细胞5个子类,真正为尿液有形成分形态学分析助力。


图4. AI技术在迪瑞尿液分析系统中的应用


二、平面流式成像技术的临床应用


目前,平面流式成像技术的临床应用主要包括:(1)尿液有形成分检查:采用平面流式成像技术的尿液有形成分分析仪具有对尿液成分进行实时成像的功能,目前在各级医疗机构检验科广泛应用,以迪瑞医疗FUS系列、迪瑞MUS系列全自动尿液分析系统为代表;(2)妇科分泌物有形成分检查:采用平面流式技术+高速摄像+AI智能识别分类技术的全自动妇科分泌物分析仪,可解决临床妇科分泌物样本易污染、人工操作不标准造成的结果准确度降低、无法阅片回顾、等报告时间长等困扰,代表仪器为迪瑞GMD-S600全自动妇科分泌物分析系统。


图5. 迪瑞医疗MUS-9600全自动尿液分析系统


1. 尿液有形成分检查:迪瑞MUS系列全自动尿液分析系统(图5),采用平面流式技术+高速摄像技术+人工智能识别技术。平面流式技术确保无需离心的尿液样本被鞘流液包裹,在流动池内形成均匀流动的平面后进入检测系统。鞘流液保障每个有形成分以正面、单层、独立的方式通过流动池,避免样本中粒子重叠。高速相机可将样本进行400倍放大,形成层流后在流动状态下对每个标本拍摄2500幅图像(图6)。


图6. MUS系列采用的平面流式技术+高速摄像技术


通过智能软件将拍摄图像中的有形成分进行单独分割,每个有形成分的特征经软件分析后转换成数字信息,把有形成分自动分为25类,包括:正常红细胞、小红细胞、棘形红细胞、影红细胞、其他异形红细胞、白细胞、白细胞团、鳞状上皮细胞、肾小管上皮细胞、移行上皮细胞、透明管型、颗粒管型、蜡样管型、宽大管型、其他管型、杆菌、疑似球菌、假菌丝酵母、酵母菌、草酸钙结晶、尿酸结晶、磷酸铵镁结晶、其他结晶、精子、粘液丝等(图7)。多于自动显微成像技术和流式细胞-核酸荧光染色技术。有形成分分析,对血尿来源、尿路感染、慢性肾小球肾炎晚期及肾实质性病变等肾脏性疾病提供更全面的诊断依据。


图7A 透明管型


图7B 杆菌


图7C 草酸钙结晶


图7D 鳞状上皮细胞

图7. 迪瑞医疗MUS系列全自动尿液分析系统检测样本部分单一成分图片


宋晓东等[9]使用迪瑞医疗FUS-2000全自动尿液分析工作站和显微镜分别对1000例住院、门诊、体检患者的新鲜晨尿标本进行有形成分分析。结果显示,这与尿沉渣检验的金标准镜检法比较,FUS-2000检测红细胞的假阳性率为3.2%,白细胞的假阳性率为1.7%,透明管型的假阳性率为1.7%,病理管型的假阳性率为0.7%,类酵母菌的假阳性率为1.2%,结晶的漏检率为1.5%,精子的检测不存在漏检和假阳性。研究表明迪瑞医疗FUS-2000尿液有形成分检测自动化高,样本无需离心、染色,结果与人工镜检的符合率高,具有较高的临床应用价值。


弓长丽[10]比较了采用平面流式成像技术的迪瑞医疗FUS-2000和采用流式细胞术结合荧光染色技术的Sysmex公司UF-1000i尿有形成分分析仪与手工显微镜计数法,对尿液中红细胞(RBC)、白细胞(WBC)及管型进行了检测比较,结果显示:FUS-2000的管型项目阳性符合率及假阴性率显著优于UF-1000i;FUS-2000的RBC项目符合率优于UF-1000i;FUS-2000的RBC、WBC、管型,经过人工修正后符合率优于UF-1000i。


由此可见,平面流式技术结合高速摄像技术、AI智能图像处理,在尿液有形分析临床应用中有很高的价值,具有快速、准确、节省人工操作等特点,给人工复核带来便利,大幅降低实验室对尿液标本的检测时间、资金和人力成本,可对肾脏疾病、泌尿系统疾病、循环系统疾病及感染性疾病等,有重要的诊断价值和鉴别诊断价值。


图8. 迪瑞GMD-S600妇科分泌物分析系统


2. 妇科分泌物有形成分检查:目前采用平面流式成像技术应用于妇科分泌物检测的仪器,包括迪瑞医疗GMD-S600全自动妇科分泌物分析系统(图8)。该仪器采用平面流式技术+高速摄像技术+AI智能识别技术,具有自动进样、自动涮洗、自动开盖、自动吸样、自动细胞染色、自动育温、自动识别、自动分类、自动打印报告单等功能,实现了妇科分泌物干化学和有形成分于一体的全自动智能化检测。


图9. GMD-S600采用的平面流式技术+高速摄像


图10. GMD-S600的人工智能图像识别


其中,平面层流技术保障妇科分泌物样本中的有形成分以单层细胞形式通过,有效避免有形成分聚集、重叠现象,保证检测成分的图像清晰度。高速摄像技术可为每个样本在26秒内拍摄2600张图片,避免漏检(图9)。AI智能识别技术利用大数据与人工智能算法,对拍摄到的全部粒子进行全自动识别与分类,可实现8项妇科分泌物有形成分检测,包括:红细胞、白细胞、上皮细胞、线索细胞、杆菌、真菌、滴虫、杂菌等(图10)。


妇科分泌物有形成分与干化学联合检测,对细菌性阴道病、需氧菌性阴道炎、真菌性阴道炎、滴虫性阴道炎、非病原微生物感染、淋球菌以及各种混合性感染等诊断、治疗监测具有重要价值[11]。


王萍等[12]通过对迪瑞GMD-S600全自动妇科分泌物分析仪与半自动分析仪、人工镜检进行比较,评价了GMD-S600性能及AI人工智能技术诊断分泌物有形成分在临床中应用价值。对于线索细胞、真菌、滴虫阳性率比较,全自动分析仪与人工镜检之间均无统计学差异(均P>0.05);Kappa检验显示2种方法一致性强(P<0.05)。不同含量的白细胞、杆菌和上皮细胞,2种方法间均无统计学差异(均P>0.05);2种方法白细胞、杆菌和上皮细胞在I-IV度同等级间一致性分别为良好、中等和一般(P<0.05)。因半自动分析仪需要手工操作步骤多,且需要手工镜检,操作复杂、耗时,且易漏检。与半自动分析仪相比,全自动流式AI技术法的干化学符合率较好,流式图像技术+高速摄像+AI智能图像分析系统检测妇科分泌物与人工镜检诊断的一致性更强,可快速准确筛查出病原体。


郑大勇[13]选取医院就诊的347例阴道分泌物样本,使用迪瑞GMD-S600与人工镜检分别检测有形成分。以显微镜检为金标准,GMD-S600灵敏度为89.94%,特异度为95.87%,漏诊率为10.06%,误诊率为4.13%。由此认为,迪瑞GMD-S600全自动妇科分泌物分析系统性能良好,可用于临床检测妇科分泌物。


三、发展前景


平面流式成像技术相关产品自上市以来,在临床检验工作中起着重要的作用,特别在涉及形态学检验方面,从最初的尿液有形成分检测,到妇科分泌物有形成分检测。未来,该技术有望在血细胞检测、粪便检测等领域应用。同时,流式图像技术的发展,随着智能制造、计算机硬件和软件、高速摄像技术等的不断创新,在检测领域、准确度、精密度等逐步提高,复检规则的建立与完善,其发展具有良好、广阔的空间,极具发展前途。


参考文献


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