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可视化微生物学, 微生物实验室自动化发展的新趋势

2021-12-16 16:2883670评论

在传统的微生物实验室里,检验人员每天的工作内容包括:从不同培养箱收集培养板、检查培养基中的细菌生长、检查菌落形态、分离纯培养物、对分离株进行生化测试、制备用于药敏试验(AST)的培养基、对药敏结果进行解读、以及丢弃或归档培养完成的平皿。另外也包括查阅前一日的解读报告,并决定下一步的测试或出报告。这些工作大部分在开放式实验台上完成。在每个班次开始时,检验人员先从培养箱中取出一叠倒置的平板放置在台面上,之后的一整天检验人员将面对这一叠培养平皿进行工作,最终这些平皿将会放回其培养箱中,并在第二天重复相同的过程。

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随着数字成像的出现,数字技术最近已逐渐应用于临床微生物学实验室,进行平板影像的读取。平板影像系统的方法和流程类似上述手工读板的流程,但是经过高度的改良。通过使用平板影像系统,技术人员可以实现在线“虚拟”读取平皿,而无需接触平皿。目前,微生物实验室中的平板影像系统主要由连接到培养箱的数码相机组成,培养箱可以通过自动化的传送带,将平皿移动到相机的拍照区域内捕获图像。培养箱和平板影像系统的组合,可以实现培养平皿的不间断孵育和实时成像,图像实时传输到工作站,供技术人员审阅。使用平板影像系统,可以减少收集和整理平皿所需的时间,平皿处于非适宜培养温度(即实验台上)的时间可以大幅减少,从而改善技术人员的工作效率;在处理培养物时,分析软件可以调取已存储的图像供技术人员参考。平板影像系统具有将计算机辅助软件和图像分析工具结合起来的功能,进而支持临床微生物实验室技术人员做出决策。

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与传统(手动)读板相比,数字读板具有若干优势。平板影像系统可以提高技术人员的效率、缩短预处理时间,从而缩短周转时间。在日常数字影像系统查阅平皿时,可以保持在培养适宜的温度,从而缩短该平皿培养并检测生长所需的时间。数字影像系统中使用优化后的培养箱,不会改变菌落和培养板的外观,因此平皿上生长出的菌落的外观,与在传统培养箱中获得的菌落是相同的。平板影像系统可以减少技术人员在运输、分类和查找平皿上所花费的时间,可以进一步延长实际分析平皿的时间,这些变化使技术人员能够更有效率。


使用平板影像系统时,平皿的手动操作频率较低,用于执行重复性的低效能工作(如标记培养板)上的时间大幅减少。TLA系统的前端模块自动生成条形码,对平皿进行标记。这种自动化的标记减少了手动贴标签或在平皿上书写标签的操作,可以提高效率并减少读取平皿时人工引入的错误。同时,这些条形码可以方便实验室全流程识别和追踪平皿,在过程中进行反复确认,进一步避免和消除错误。由于平皿需要较少的手工处理,通过配置的工作站,可以最大限度的优化人体工程学并降低重复性运动导致损伤的风险。此外,减少对病原体的物理暴露可以降低实验室工作人员感染的风险。


与平板影像系统配套的软件工具具有独特的优势。这些分析功能包括:识别培养物中没有生长的平皿、菌落计数、测量药敏平板上的区域大小、识别显色培养基上生长的菌落的不同颜色。软件可以解释简单的培养结果,例如识别“无生长”平板,因此这些结果可以快速发报告。此外,平板影像系统的软件允许熟练的技术人员对平皿进行注释,并发送指示给下一步的技术人员,或发送指令到自动化流水线的菌落挑取模块。这些软件工具有助于最大限度地延长员工在其最高技能水平的工作中所花费的时间。所有这些功能都有助于提高平板影像系统的效率(见图3)。

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可以利用已保存的数字图像是平板影像系统的一个优势,因为它可以实现综合性的解释分析、快速咨询、重要教学案例的存档、以及图像的共享。在用户定义的时间间隔存档的平皿图像有助于进行标本的分析。开发可以同时观察平板和革兰氏染色的软件工具将实现对微生物学测试进行更综合的分析。同样的,单个患者不同部位获得的多个样本的同步综合分析(包括以前标本的存档图像)有助于完成以患者为中心,而不是通常采用的以来源为中心的微生物分析。表现异常或难以解读的疑难样本,可以发送至实验室主任进行快速咨询,从而简化和加快对疑难病例的分析。也可以回顾用于教学或培训的典型案例。将微生物学图像整合到医院信息系统(HIS)中,以便临床医生可以查看最终的培养图像和标本染色图像。也可以在平板解读和处理后进行质量审查,用作技术人员的熟练度和能力的考核。

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平板影像系统的优点可总结为:图像捕获设计在培养箱内进行,平皿在进行常规分析的同时保持连续培养;培养平皿需要较少的人工操作,可以节省时间并提高安全性;软件可用于分析和标注数字图像,从而提高客观性和效率;以电子方式存储图像可以提高分析和信息共享的灵活性。


随着技术的成熟,平板影像系统将进一步发展。通过使用平板影像系统和实验室全自动化流水线,临床微生物实验室的自动化菌落挑取和传代培养将成为现实。目前计算机解读平板图像的能力正在进行开发。未来平板影像系统的信息学工具可能会使用人工智能,从而将利用计算机的计算能力来更准确地、标准地、可重复地完成常规定性分析(例如,颜色,大小,生长速度等)。


为平板影像系统增加这种先进的计算机辅助分析将有助于样本处理和简化分析。持续的研发将进一步减少需要手工操作的平皿数量,进一步提高平板影像系统的工作效率。尽管目前平板影像系统在实验室内完成工作,未来可能会实现远程操作,从而实现远程病理学。另外,平板影像系统如何适用于更复杂的常规微生物培养和分析,如霉菌和分枝杆菌培养,尚待探索。


目前尚没有平板影像系统相关的正式研究或评审文献。关于图像捕获质量和数量的最低规格以及数字显示质量的共识建议尚未得到阐述。图像存档需要增加数字存储空间,并且需要有关图像存储的完整性的指南。此外,还需要关于这些图像是否应该作为医疗记录的一部分的实用性建议。


平板影像系统是一种新兴的工具,通过将数字成像技术引入并应用于微生物实验室,临床微生物学实验室将变得更加自动化,数字化,并且更加依赖于信息学工具,实验室工作人员获益于实验室工作流程效率的提高、出报告加快、以及培养物微生物学表征的提升。初步研究表明,平板影像系统可以提高临床微生物学实验室的效率,同时改善周转时间,进而可以使患者更快地获得最佳的抗菌管理。遗憾的是,有关平板影像系统的研究尚未在文献中报道,目前缺乏有关平板影像系统系统实施,管理和监测的指导。


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