Комплекс автоматизированной гистологической экспресс-диагностики опухолей

Решение относится к медицине, а именно - к средствам обеспечения исследований и диагностики, в частности к гистологическим исследованиям, к обеспечению дистанционных консультаций и постановке диагноза с использованием компьютерной обработки и средств удаленной связи. Лаборант на месте проведения операции производит макросъемку патологий, затем микросъемку приготовленных срезов в месте патологии, изображения анализируются удаленным высококвалифицированным консультантом, сравниваются с изображениями эталонных патологий с подтвержденным диагнозом из эксклюзивного банка данных, в результате ставиться наиболее вероятный диагноз и комплектуется банк данных. 20 з.п.ф-лы, 3 илл.,3 табл.

Предлагаемое техническое решение относится к медицине, а именно - к средствам обеспечения исследований и диагностики в патологической анатомии.

Актуальность повышения достоверности принимаемых в онкологической диагностике решений не вызывает сомнений. Гистологическое исследование является определяющим способом диагностики опухолей, так называемым "золотым стандартом". Особое значение оно имеет во время хирургических операций, когда проводится анализ операционного материала (удаленные кусочки органов или тканей, содержащие патологический очаг) на макро и микроскопическом уровне, на основании которого, в случае выявления злокачественности, хирургом может быть принято решение о продолжении операции и об удалении органа в целом. На указанный экспресс-анализ отводится 10-25 минут. В клинической практике в данной области медицины существует ряд проблем:

1. Отсутствие в ряде нозологии четких критериев, позволяющих одинаково успешно во всех случаях проводить дифференциальную диагностику опухолей и опухолеподобных процессов. Связано это в том числе и со сложной пространственно-яркостной организацией и разнообразием форм объектов исследования.

2. Значительная доля субъективизма при постановке диагноза из-за применения традиционной формы атласов патологий (на бумажных носителях с ограниченным количеством примеров опухолей), широко используемого на практике словесного описания врачом информативных признаков опухолей, слабой информативности классических (ручных) способов морфологических измерений на макрообъектах.

3. Недостаточное количество квалифицированных специалистов-морфологов, которых по некоторым формам заболеваний в стране единицы и они сконцентрированы в основном в ведущих медицинских центрах. Специфика работы диагноста-морфолога заключается в том, что для достижения высокого профессионального уровня, как правило, уходят годы (10-15 лет при традиционном подходе к обучению, базирующимся на опыте визуального анализа препаратов, встречающихся в личной практике).

4. Дефицит отечественных специальных руководств по гистологической диагностике, их быстрая устареваемость.

Применение автоматизированных способов исследования с использованием новых информационных технологий, средств дистанционных (телемедицинских) консультаций и систем обработки изображений может вывести решение проблемы гистологической диагностики опухолей на принципиально новый уровень, за счет повышения объективности и точности исследований и, как следствие- достоверности диагнозов. Автоматизированные способы исследования реализованы в информационно-измерительном компьютерном комплексе поддержки принятия решений, в его структурированном, взаимосвязанном и взаимозависимом сочетании конструктивных решений, распределенных в пространстве и обеспечивающем оптимальную работу всех входящих в комплекс систем и устройств.

Известно решение, см. №2001109771, RU, публ. 2003.06.27, дата подачи 2001.04.13, МПК7 G 06 F 17/60, G 06 F 159:00,

«СПОСОБ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ МЕДИЦИНСКОЙ ДИАГНОСТИКИ» -однако данное решение не позволяет осуществлять широкомасштабный поиск и анализ аналогичных диагнозов по стандартизованным признакам и в наглядной форме

изображений гистологических срезов применительно к диагностике тканей новообразований, а также при данной диагностике преобладает субъективное начало, недостаточна точность исследований и как следствие - низка достоверность диагнозов, не применим указанный способ во время хирургических операций, когда проводится срочный анализ операционного материала (удаленные кусочки органов или тканей, содержащие патологический очаг) на макро и микроскопическом уровне, невозможно использование в сравнительном анализе с изображениями оперируемого органа, данные эксклюзивных банков изображений патологий органов, также невозможно принятие обоснованных решений во время операции за ограниченный временной интервал и формирование эксклюзивного банка данных и диагностических решений.

Также известно решение, направленное на обеспечение гистологической диагностики тканей новообразований, См. 2234099, RU, Дата публикации 2004.08.10, Дата подачи заявки 2003.03.18 МПК7 G 01 N 33/48, G 01 N 33/96, «СПОСОБ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ДИАГНОСТИКИ СТАДИЙ КАНЦЕРОГЕНЕЗА» - однако и в указанном решении преобладает при постановке диагноза субъективное начало, недостаточна точность исследований и как следствие - низка достоверность диагнозов, не возможно оперативно, во время хирургических операций, когда проводится срочный анализ операционного материала (удаленные кусочки органов или тканей, содержащие патологический очаг) на макро и микроскопическом уровне, использовать в сравнительном анализе с изображениями оперируемого органа возможности высококвалифицированных консультантов, данные эксклюзивных банков изображений патологий органов, также невозможно принятие обоснованных решений во время операции за ограниченный временной интервал и формирование эксклюзивного банка данных и диагностических решений.

Известно конструктивное решение, см. №2251965, RU, публ. 2004.07.27, дата подачи 2003.01.29,

МПК7 А 61 В 5/0205, G 06 F 19/00,

«ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА В ОБЛАСТИ ТЕЛЕМЕДИЦИНЫ», позволяющее координировать постановку диагноза и принятие решений в отношении больного при удаленном доступе консультанта.

- однако указанное решение, в силу своей специализированной направленности, не позволяет проводить гистологические исследования и объективно обосновывать постановку диагноза при использовании изображений срезов в области макро- и микропатологий.

Также не представляется возможным формирование банка изображений патологий для сравнительного анализа по направлению- исследование тканей новообразований.

Таким образом техническая задача, решаемая настоящим изобретением состоит в следующем:

повышение объективности и точности исследований и как следствие - достоверности диагнозов, расширение функциональных возможностей, повышение достоверности принимаемых в онкологической диагностике решений, исключение субъективизма во время хирургических операций, когда проводится анализ операционного материала (удаленные кусочки органов или тканей, содержащие патологический очаг) на макро и микроскопическом уровне, использование в сравнительном анализе с изображениями оперируемого органа эксклюзивных банков изображений патологий органов, принятие обоснованных решений во время операции за ограниченный временной интервал, расширение и оптимальное совмещение функциональных возможностей при надежности и высокой ремонтопригодности конструктивных единиц и их связей для обеспечения

проведения гистологических исследований, объективного обоснования диагноза при использовании изображений срезов в области макро- и микро- патологий, формирование банка изображений патологий для сравнительного анализа по направлению - исследование тканей новообразований.

Обозначенная техническая задача решается с использованием совокупности существенных признаков: ССП.

Комплекс автоматизированной гистологической экспресс-диагностики опухолей, включающий, рабочие места удаленных пользователей-лаборантов, соединенные каналами связи с блоком управления специалиста-консультанта и мультиплексором, обеспечивающими связь с аппаратурой контроля, отбора и обмена информацией с местами удаленных пользователей и блоком документирования результатов диагноза, блок адаптации для самонастройки и самообучения, блок оперативных консультаций и блок интеллектуального интерфейса, включенную в блок управления специалиста-консультанта, экспертную систему, причем рабочие места удаленных пользователей-лаборантов и специалиста-консультанта содержат размещенные в месте нахождения лаборанта, ЭВМ, связанную с ЭВМ систему получения и видео-ввода изображений макропрепаратов, связанную с ЭВМ систему получения и видео-ввода изображений микропрепаратов, средства связи лаборанта и удаленного консультанта обеспечены подключением через оптический модем к волоконно-оптической сети и удаленнному компьютеру консультанта, средства управления и контроля, при этом система ввода изображений макропрепаратов включает фотобокс с устройством позиционирования и освещения, размещенный в фотобоксе на подвижной каретке, установленной на штативе, цифровой фотоаппарат, снабженный исполнительными механизмами, связанными с блоком дистанционного управления консультанта и с педалями ножного управления съемкой и передачей изображений в компьютер, система ввода изображений микропрепаратов состоит из фотокамеры, микроскопа, согласующего модуля для стыковки фотокамеры и микроскопа, оснащенного моторизованным приводом предметного стола и модуля управления навигацией, обе системы ввода изображений подключены к компьютеру, оснащенному устройством видео-ввода и адаптированным программным обеспечением,

причем

- привод предметного стола микроскопа соединен управляющими связями с ЭВМ и с джойстиком позиционирования;

- комплекс дополнительно содержит замораживающий микротом для приготовления тонких срезов 5-10 мкм.;

- дополнительно содержит набор хим. реактивов для фиксации и окрашивания срезов;

- дополнительно содержит блок автоматического сканирования микропрепаратов;

- дополнительно снабжен блоком документирования результатов диагностики;

- дополнительно содержит измерительную систему;

- дополнительно содержит систему двухсторонней оперативной аудио-связи;

- дополнительно содержит размещенный у консультанта блок дистанционного управления аппаратурой фотосъемки;

- дополнительно содержит базу формализованных (стандартизованных) признаков;

- дополнительно содержит ассоциируемую с базой формализованных (стандартизованных) признаков, базу эталонных изображений;

- дополнительно содержит эксклюзивный архив Российского онкологического научного центра имени Н.Н. Блохина РАМН;

- дополнительно включает информационную экспертную систему поддержки принятия решений и встроенную систему обучения;

- встроенная система обучения включает интерактивный компьютерный фильм;

- содержит процессор не хуже Pentium IV с тактовой частотой 3 ГГц, объемом оперативной памяти не менее 1 ГБайт, объемом долговременной памяти не менее 120 Гбайт;

- содержит монитор TRUE COLOR, 19 дюймов по диагонали, разрешением 1280×1024;

- содержит цифровой фотоаппарат с размером фотокадра не менее 1280×1024;

- содержит камеру (телекамеру) в микросистеме, обеспечивающую работу с изображением в реальном масштабе времени (время смены кадра не более 40 мс, формат изображения не менее 768×576);

- содержит микроскоп биологический с моторизованным приводом предметного стола и набором объективов ×4, ×10, ×20, ×40;

- предметный стол фотобокса снабжен масштабной сеткой с шагом 1 см.

- компьютерная линия связи выполнена с пропускной способностью не менее 2 Мбит/сек.

В предложенном комплексе автоматизированной гистологической экспресс-диагностики опухолей, реализуются возможности срочной, во время оперативного вмешательства, постановки достоверного и высококвалифицированного диагноза и принятия адекватного решения.

Своевременность и точность диагностики злокачественных новообразований во многом определяет лечебную тактику, прогноз заболевания и успех лечения. Поэтому в настоящее время актуальной является практическое решение задачи повышения достоверности принимаемых в онкологической диагностике решений. Гистологическое исследование является определяющим способом диагностики опухолей, так называемым "золотым стандартом". Особое значение оно имеет во время хирургических операций, когда проводится анализ операционного материала (удаленные кусочки органов или тканей, содержащие патологический очаг), на основании которого, в случае выявления злокачественности, хирургом может быть принято решение о продолжении операции и об удалении органа в целом. На указанный экспресс-анализ отводится 10-25 минут. Гистологическая экспресс-диагностика включает следующие этапы: выбор объекта исследования, анализ макропрепарата, приготовление микропрепарата, анализ микропрепарата, постановка гистологического диагноза. Основными этапами являются анализ макропрепарата и анализ микропрепарата с соответствующим конструктивным обеспечением.

Применение автоматизированных методов исследования с использованием новых информационных технологий, средств дистанционных (телемедицинских) консультаций и систем обработки изображений позволяет повысить объективность и точность исследований и как следствие достоверность диагнозов. И хотя в настоящее время уже созданы компьютерные системы для гистологической диагностики, их широкое практическое внедрение тормозится в силу ряда причин. Одна из главных связана с тем, что современные диагностические системы с высоким уровнем информатизации относятся к сложным системам. Они содержат широкий набор функций, на освоение которых необходимо потратить немало времени. Работа с такими системами требует повышенной профессиональной квалификации и творческого мышления.

Решение этих проблем достигается с одной стороны разработкой дружественного интерфейса, позволяющего вести эффективный диалог врача с компьютерной системой на всех уровнях взаимодействия "человек-машина". С другой стороны требуется создание исчерпывающих способов автоматизированной диагностики, которые задают жесткий

регламент обработки информации, высокие требования к исходным данным и предусматривают стандартизованную отчетность.

Технологические возможности комплекса, в обеспечении поддержки принятия решений были установлены в профильных организациях и объединены в единую сеть волоконно-оптическими линиями связи. Дистанционные консультации в сети проводились специалистами отделения патологической анатомии опухолей человека РОНЦ им. Н.Н.Блохина РАМН и апробированы в 2006 г. на 250 случаях различных опухолей.

При выполнении измерений патологических областей макропрепаратов в соответствии с ГОСТ Р 8.563-96 указываются назначение, условия выполнения измерений, способ измерений, требования к погрешности измерений, требования к средствам измерений (в том числе к образцам), операции по подготовке к выполнению измерений и выполнению измерений, операции обработки и вычислений результатов измерений, требования к оформлению результатов измерений, требования к квалификации операторов и безопасности выполняемых измерений. Осуществление операций интерактивного микроскопического анализа отражает последовательность ручных и машинных процедур при работе с информационной системой поддержки принятия решений.

Работа комплекса показана на примере исследований опухолей и опухолеподобных процессов.

Основные этапы, на которых базируется способ автоматизированной дистанционной гистологической экспресс-диагностики, отражают технологию обработки информации в системе (независимо от конкретной программной и технической реализации), обеспечивают целостность процесса диагностики и имеют иерархическую структуру с различными уровнями детализации.

Первый (верхний) уровень детализации отражает основные этапы гистологической экспресс-диагностики без учета степени автоматизации процесса и включает 4 этапа: взятие операционного материала (ОМ), исследование ОМ, исследование микропрепарата и определение объема и тактики хирургической операции.

На втором уровне детализации процесс разбивается на 8 этапов. Этап 1 связан с отбором операционного материала и подготовкой его для автоматизированного исследования. В этап 2 входят операции проверки работоспособности и настройки подсистемы макроскопического анализа, являющейся одной из базовых систем комплекса. Этап 3 включает операции дистанционного видеоуправления вырезкой макропрепарата, что позволяет более высококвалифицированному специалисту-консультанту исследовать макропрепараты дистанционно (с применением каналов связи) в случае, если квалификации медицинского персонала на месте проведения диагностики недостаточно для выбора информативной зоны для вырезки. На 4-ом этапе проводится автоматизированное измерение морфологических свойств патологических участков и формируется формализованное заключение по макропрепарату. Приготовление микропрепарата на этапе 5 состоит из вырезки материала для заморозки в микротоме, фиксации, окраски и заключения в бальзам. Этап 6 заключается в проверке работоспособности и настройке системы микроанализа, также являющейся базовой системой комплекса. Этап 7 - это дистанционное исследование микропрепарата с применением программно-управляемого столика микроскопа. Микроанализ на этапе 8 реализуется с помощью информационной системы, аккумулирующей структурированные знания и опыт ведущих специалистов в области гистологической диагностики и содержащей соответствующую информационную базу.

В обычной практике гистологическая диагностика опухолей основана на визуальном макро и микроскопическом исследовании специально приготовленных гистологических

препаратов (макро и микро препаратов). Диагностическое значение имеет анализ тканевых структур и деталей клеточной морфологии на изображениях препаратов, полученных под микроскопом, при условии правильного выбора информативной зоны операционного материала для их приготовления. Применение данного решения позволяет повысить точность и быстродействие принятия решений о гистологическом диагнозе во время проведения экспресс-диагностики в сложных случаях заболеваний во время хирургических операций.

Средства предложенного комплекса для автоматизированной гистологической диагностики включают два рабочих места (АРМ) врача. Первое рабочее место (условно рабочее место "консультируемого" - лаборанта) оборудовано информационно-измерительным комплексом, вспомогательными устройствами (замораживающий микротом для приготовления тонких срезов 5-10 мкм.), материалами и инструментами для вырезки и заключения препаратов (хирургический нож, пинцет, ножницы, линейка, лоток, доска, перчатки, бюксы, покровные и предметные стекла), а также химическими реактивами для фиксации и окрашивания (формалин, спирт, гематоксилин, эозин водный, карбол-ксилол, ксилол, бальзам). Второе рабочее место (условно "консультанта") оборудовано компьютером. Обе станции соединены системами связи - компьютерной и аудио.

Техническое обеспечение комплекса условно делится на четыре подсистемы: компьютер, система ввода изображений макропрепаратов, система ввода изображений микропрепаратов, системы компьютерной и аудио-связи (фиг.1).

Система ввода изображений макропрепаратов включает: цифровой фотоаппарат с исполнительными механизмами, взаимодействующими со средствами управления консультанта, установленный на подвижной каретке на штативе, размещенном в фотобоксе, снабженном устройствами позиционирования и освещения, педали ножного управления съемкой и передачей изображений в компьютер. Система ввода изображений микропрепаратов состоит из камеры, согласующего модуля для стыковки камеры и микроскопа, микроскопа, оснащенного моторизованным приводом предметного стола и модуля управления навигацией. Управление перемещением предметного столика микроскопа осуществляется как от компьютера, так и от джойстика позиционирования. Обе системы ввода подключаются к компьютеру, оснащенному устройством видео-ввода и специальным программным обеспечением. Система связи включает оптический модем с выходом на волоконно-оптическую линию связи.

Для полноценного функционирования комплекса необходимым условием является подключение к волоконно-оптической сети компьютера консультанта, оснащенного специальным программным обеспечением, а также наличие аудио-связи.

Комплекс включает также информационную экспертную систему поддержки принятия решений по опухолям и систему обучения в виде интерактивного компьютерного фильма. Ключевые характеристики оборудования комплекса:

1. Процессор не хуже Pentium IV с тактовой частотой 3 ГГц, объемом оперативной памяти не менее 1 ГБайт, объемом долговременной памяти не менее 120 Гбайт.

2. Монитор TRUE COLOR, 19 дюймов по диагонали, разрешением 1280×1024.

3. Цифровой фотоаппарат с размером фотокадра не менее 1280×1024

4. Камера (телекамера) в микросистеме: работа с изображением в реальном масштабе времени (время смены кадра не более 40 мс, формат изображения не менее 768×576).

5. Микроскоп биологический со специальным моторизованным приводом и набором объективов ×4, ×10, ×20, ×40.

7. Пропускная способность компьютерной линии связи не менее 2 Мбит/сек.

Использование комплекса осуществляют две стороны: лаборант и консультант.

Такая ситуация возникает в клинике, где проводятся хирургические операции в условиях отсутствия патологоанатома.

Требования к лаборанту:

1. Наличие допуска к работе в патологоанатомической лаборатории, специальной подготовки по охране труда, в том числе на II квалификационную группу по электробезопасности, отсутствие противопоказаний по состоянию здоровья (в соответствии с инструкцией по охране труда для персонала патологоанатомической лаборатории).

2. Умение готовить гистологические препараты и работать с биологическим микроскопом.

3. Элементарные навыки работы с компьютером с операционной системой Windows (включение, выключение питания, запуск приложений на рабочем столе, переход между приложениями).

4. Навыки работы с прикладным программным обеспечением комплекса.

5. Умение работать с установкой для фотосъемки операционного материала (настраивать освещение операционного материала, выбирать экспозицию для фотосъемки, проводить фотосъемку).

Требования к консультанту:

1. Наличие квалификации врача-патологоанатома.

2. Элементарные навыки работы с компьютером с операционной системой Windows (включение, выключение питания, запуск приложений на рабочем столе, переход между приложениями).

3. Навыки работы с прикладным программным обеспечением комплекса.

Требования к препаратам.

Исследуемые макро и микро препараты должны быть приготовлены с качеством, достаточным для гистологического исследования в соответствии с Инструкцией по исследованию биопсийного и цитологического материала, утвержденной Министерством здравоохранения СССР (1972 г.).

Макропрепараты перед размещением на предметном столе фотобокса следует промакивать салфеткой, т.к. растекшаяся жидкость может на изображении интерпретироваться как часть препарата.

На процесс изучения микропрепаратов под микроскопом влияет соблюдение норм вырезки, замораживания и окрашивания срезов ткани. От этого во многом зависит сохранение реальной картины опухоли на препарате, подвергнутом обработке и адекватность оценки наблюдаемых структур. Недопустимо использование препаратов с артефактами, т.е. с дефектами, которые являются помехами при компьютерной диагностике (складки, воздушные пузыри, грязь, посторонние предметы).

Лаборатория, в которой проводиться автоматизированный анализ должна быть оборудована в полном соответствии с требованиями к лабораториям, в которых проводятся исследования биопсийного и операционного материала, должна быть оборудована вентиляцией (таблица 1).

Электрооборудование лаборатории должно соответствовать требованиям ОСТ 9510351, электропитание устройств должно осуществляться через автомат отключения

питающего напряжения по перегрузке и электрические розетки, имеющие заземляющий контакт, металлические корпуса устройств должны быть заземлены. Не допускается включение устройств, входящих в систему при снятых крышках корпусов.

Последовательность действий пользователей при автоматизированной дистанционной гистологической экспресс-диагностики.

Второй уровень детализации автоматизированной гистологической экспресс-диагностики включает 7 автоматизированных этапов (2-8 этапы).

Подготовка операционного материала (этап 1) производится полностью вручную. Первый этап - подготовка системы макроанализа включает 6 процедур. На этом этапе следует включить питание, настроить освещение, установить рекомендуемый режим съемки (расстояние до фотоаппарата, увеличение), загрузить программное обеспечение макроаналаза. Далее разложить операционный материал в соответствии с разметкой, нанесенной на предметном столе фотобокса. Для того, чтобы убедиться в корректности вводимых с фото устройства изображений, произвести контрольную съемку операционного материала с визуальной оценкой изображений на мониторе в сравнении с реальным образцом. Проверить физическое подключение к волоконно-оптической сети и настройки TCP IP протокола. Достаточным условием для проведения консультации является отображение страниц интерфейса "консультанта", при обращении к соответствующей ссылке.

Второй этап - дистанционное управление вырезкой операционного материала. На этом этапе лаборант устанавливает операционный материал на специальное устройство позиционирования и освещения макропрепаратов, заполняет форму запроса на консультацию, производит обзорную фотосъемку операционного материала и отправляет информационный пакет по сети консультанту.

Консультант получает пакет, исследует полученные обзорные снимки, с помощью специальной системы маркирования изображений определяет зоны для дальнейшей детализации участков изображений, выбирает зоны для нанесения разрезов или вырезки информативного участка для микроскопического исследования, посылает соответствующие запросы лаборанту. Лаборант выполняет инструкции консультанта, отсылая ему требуемые изображения.

Третий этап - макроанализ операционного материала.

Здесь консультант производит автоматизированные измерения размеров патологических участков, заполняет форму макроскопического описания.

Лаборант на основании указаний консультанта производит вырезку препарата для заморозки в микротоме.

Диалог между лаборантом и консультантом дублируется с помощью аудио-конференцсвязи.

Четвертый этап - приготовление микропрепарата содержит процедуры по заморозке кусочка опухоли в микротоме, фиксации, окраске в гематоксилин-эозине и заключению в бальзам.

Лаборант в итоге этих процедур получает микропрепарат для изучения под микроскопом.

Пятый этап - подготовка системы микроанализа.

На этом этапе лаборант включает питание микроскопа, моторизованного привода и камеры, загружает программное обеспечение системы микроанализа. Первым необходимым условием работоспособности системы микроскопического анализа служит отсутствие предупреждений о неполадках, когда программное обеспечение загружено.

Лаборант позиционирует микропрепарат на предметный столик микроскопа, устанавливает объектив обзорного просмотра (с кратностью 4x), визуально определяет зону расположения на стекле среза ткани, производит фокусировку и выбор поля обзорного сканирования.

Шестой этап - дистанционный поиск информативных полей на микропрепарате. Здесь лаборант запускает программу автоматического сканирования. В результате сканирования и консультант и лаборант на своих экранах видят матрицу изображений отсканированной зоны препарата. Консультант изучает обзорную картину, определяет зону для детализации, посылает запросы лаборанту на смену объективов. Предметный стол микроскопа автоматически перемещается в указанную область. Лаборант меняет объективы и производит фокусировку и запускает сканирование. Процесс исследования продолжается до тех пор, пока не будут найдены информативные поля микропрепарата.

Седьмой этап включает микроанализ с помощью информационной экспертной системы, постановку диагноза и формирование протокола результатов исследования.

Полностью выполняется консультантом - квалифицированным врачом-патологоанатомом.

На этом этапе в сложных случаях заболеваний консультант может обратиться к встроенной информационной системе поддержки принятия решений, содержащей уникальную базу знаний по опухолям и заболеваниям. База знаний включает цветные изображения препаратов опухолей, снятые на различных увеличениях объективов ×4, ×10, ×20, ×40 (типы объективов), стандартизованные описания к ним с промаркированными на изображениях признаками, а также специально разработанные средства поиска сходных случаев заболеваний, которые дают возможность при принятии решений использовать опыт ведущих специалистов-гистологов. Материалом для создания базы данных опухолей послужили в комплекс 325 случаев опухолей и опухолеподобных процессов (свыше 2500 изображений), относящихся к 15 нозологическим единицам.

На заключительном этапе лаборант распечатывает протокол диагностики и завершает сеанс работы с информационно-измерительным комплексом поддержки принятия решений.

В процессе работы на любом этапе при необходимости лаборант и консультант могут обратиться к встроенной обучающей системе.

Выполнение измерений патологических участков макропрепаратов с помощью автоматизированной системы макроскопического анализа включает следующие основные этапы:

1. Определение исходных данных таких как назначение измерений, требования к точности измерений, условия выполнения измерений.

2. Формулировка измерительной задачи и описание измеряемых величин.

3. Выбор способа и средств измерений, вспомогательных и других средств.

4. Установление последовательности и содержания операций при подготовке и выполнении измерений, а также обработке промежуточных и окончательных результатов.

5. Организацию и проведение эксперимента по оценке показателей точности МВИ.

6. Установление приписанной характеристики погрешности измерений с учетом исходных данных.

7. Разработка процедур и нормативов контроля точности получаемых результатов измерений.

8. Разработка проекта документа на проводимые измерения.

9. Метрологическая экспертиза документа на проводимые измерения.

10. Аттестация проводимых измерений.

Требования к погрешности измерений устанавливаются с учетом всех составляющих (инструментальной, вносимой оператором). Условия измерений задают в виде номинальных значений или границ диапазонов возможных значений влияющих величин.

Исходные данные для обеспечения выполнения измерений.

Процесс обеспечения выполнения измерений на предложенном комплексе предназначен для проведения морфологических исследований макропрепаратов на их цветных изображениях при автоматизированной дистанционной гистологической экспресс-диагностике с использованием информационно-измерительного комплекса поддержки принятия решений.

Объектами измерения являются патологические (опухолевые и неопухолевые) ткани, удаленные во время проведения хирургических операций. Выбор образцов осуществляется оперирующим хирургом. Перед выполнением измерений образцы не требуют специальной обработки.

Область применения - при автоматизированной дистанционной диагностике в лабораториях гистологической экспресс-диагностики клиник.

Измеряемые физические величины а также их диапазоны приведены в Таблице 2.

Набор измеряемых характеристик определяется в соответствии с требованиями описания биопсийного и операционного материала. Измерения проводятся по цветным цифровым изображениям с помощью специальной программы, являющейся частью программного обеспечения автоматизированной дистанционной гистологической диагностики. На первом этапе выбирается наиболее информативное изображение, на котором четко видны патологические участки. Перед проведением измерений вводится масштаб и измеряемая величина. Затем пользователь в интерактивном режиме отмечает границы областей, параметры которых автоматически рассчитываются и заносятся в формализованное макроскопическое заключение.

При получении изображений исследуемый материал располагается на предметном столе фотобокса, на котором нанесена масштабная сетка с шагом 1 см. С помощью масштабной сетки производится проверка работоспособности системы перед началом измерений и визуальный контроль со стороны пользователя во время выполнения измерений.

Как правило, проводятся четыре типа измерений на изображении макропрепарата: линейные размеры объектов по большой и малой осям инерции L, периметр патологической области Р, площадь S, коэффициент формы К.

Перед началом измерений определяется масштабный коэффициент для приведения результатов измерений к метрическим единицам длины и площади. , где L=1 см, -to же расстояние в пикселях изображения. Коэффициент формы рассчитывается по формуле .

Требования к погрешности измерения.

В отсутствии автоматизированных средств измерений морфологических характеристик макропрепаратов в медицинской практике указанные измерения проводят вручную с помощью линейки. Аттестованная погрешность линейки при определении расстояния между двумя точками равна ±1 мм. В реальных условиях проведенные опыты показали, что на глаз врач определяет линейный размер опухоли (который составляет в большинстве случаев 3-4 см) с погрешностью ±3 мм, что составляет ±(7-10)%. При этом площадь определяется путем произведения размеров осей инерции, таким образом, круглая форма аппроксимируется квадратом, что приводит к возрастанию погрешности.

С использованием автоматизированной системы макроскопического анализа можно повысить точность измеряемых параметров. Для тех же типичных размеров опухолей погрешности измерений системы устанавливаются на следующем уровне - см. Таблица 3.

Операции по подготовке к выполнению измерений.

Операции по подготовке к измерениям имеют своей целью получение цифрового, информативного изображения, достаточного качества. Качество изображения считается достаточным для проведения измерений, если:

- на нем четко видны патологические области, размеры которых требуется определить,

- изображение сфокусировано, отсутствует смаз и явные оптические искажения,

- в поле кадра нет подтеков, которые искажают форму препарата.

Подготовка к измерениям связана с реализацией следующих этапов:

1. Лаборант производит отбор операционного материала и подготовку его для автоматизированного дистанционного исследования, раскладывает макропрепарат в фотобоксе, настраивает освещение, воспроизводит рекомендуемые условия съемки, производит контрольную съемку макропрепарата с визуальной оценкой изображений на мониторе.

2. Лаборант настраивает систему измерений. Для этого необходимо пройти авторизацию пользователя, задать язык интерфейса, выбрать исследуемый орган, ввести отобранное информативное изображение.

3. Лаборант проверяет работоспособность измерительных функций программы путем задания контрольного запроса на измерение размера шага масштабной сетки. Результат должен быть 1 см.

4. Убедившись в адекватной воспроизводимости объектов, лаборант заполняет форму запроса на консультацию, производит обзорную фотосъемку операционного материала и отправляет информационный пакет по сети консультанту.

5. Консультант, получив обзорные изображения и сопроводительное письмо, выбирает зоны для детализации изображения и отправляет инструкции лаборанту.

6. После того как информативный участок определен, консультант должен указать лаборанту место нанесения разреза для исследования внутренней структуры опухоли. Запрос отправляется лаборанту, который выполняет соответствующие действия на препарате и отсылает требуемые изображения консультанту.

7. Консультант получает изображение патологического участка на разрезе. Путем маркировки изображения указывает информативный участок для микроскопического исследования, отсылает соответствующую инструкцию лаборанту. Пока лаборант выполняет вырезку препарата для заморозки в микротоме и готовит по специальной методике срезы для исследования под микроскопом, консультант приступает к выполнению измерений и формированию стандартизованного протокола макроскопического исследования.

Диалог между лаборантом и консультантом дублируется с помощью аудио-конференцсвязи.

В течение всей консультации ведется подробный журнал консультации, в котором отражается протокол консультации и все отснятые изображения.

Выполнение измерений

8. Приступить к измерению.

8.1. Задать измеряемый параметр.

8.2. Настроить масштаб.

8.3. Задать границы измеряемой области: для линейного размера -максимально удаленные друг от друга точки, принадлежащие патологической области, для периметра и площади - пограничный контур измеряемого объекта.

8.4. Линейные параметры выводятся пользователю на экран в сантиметрах, площадные - в квадратных сантиметрах с двумя значащими цифрами после запятой. Автоматически они заносятся в соответствующие указываемые пользователем поля.

9. От пользователя не требуется специальной обработки результатов измерений. Все процедуры расчета и масштабирования автоматизированы.

Последовательность интерактивного микроскопического анализа проводится в среде программного обеспечения информационной экспертной системы поддержки принятия решений, которая включает семь основных модулей: пользовательский интерфейс, подсистемы пополнения базы данных, анализа данных, обучения пользователя, редактирования признаков и нозологических форм, базы данных изображений и описаний, признаков и нозологии.

Объектами исследования выступают цветные микроскопические изображения опухолей в формате(.bmp), как вводимые в компьютер напрямую с камеры, сопряженной с микроскопом, так и загружаемые из файла.

В последовательности работы с экспертной системой запрограммировано три основных режима: диагностика, пополнение (редактирование) и обучение.

1. Режим пополнения (редактирования) включает два базовых сценария: динамическое редактирование формализованных списков информативных признаков и нозологических форм и пополнение (своего рода обучение экспертной системы) новыми случаями-эталонами. Этот режим доступен для работы только экспертам.

2. Эталонами называют морфологически подтвержденные случаи заболеваний, описанные экспертами. В соответствии со вторым сценарием эксперт вводит изображения гистологических препаратов из файла или с камеры, данные, образующие описание изображений в заданном признаковом пространстве, а также наносит соответствующую информативным признакам графическую разметку на изображениях. Затем эти случаи сохраняются в базе знаний.

3. Режим обучения. В нем предусмотрено три основных сценария: просмотр (изучение), тренинг и контроль знаний. В режиме обучения допускается просматривать все имеющиеся в базе знаний изображения по выбранным нозологическим единицам, любым формализованным признакам, их комбинациям, изучать отдельные промаркированные признаки, наиболее характерные для выбранных нозологии, а также описания, разработанные ведущими экспертами в области гистологической диагностики опухолей и сопоставлять их со своими. После освоения принципов организации знаний, заложенных в базу, переходят к сценарию тренинга. Этот сценарий включает следующие этапы: описание по признакам случайно выбранного из базы данных случая заболевания, представленного рядом изображений, постановка предположительного диагноза, сравнение своего диагноза и описания с эталонными. Сценарий контроля знаний (условно экзамена) отличается от тренинга функцией автоматического подсчета числа просмотренных случаев и количества правильных ответов. См. Фиг.2.- Структура программного обеспечения экспертной системы.

4. Режим диагностики. Стратегия диагностики с использованием системы поддержки принятия решений может быть выстроена по двум основным сценариям, которые могут использоваться вместе или по отдельности: интерактивный электронный атлас или экспертная система.

Будучи схожим с рутинным способом диагностики, первый режим обладает неоспоримыми преимуществами: возможность быстрого поиска изображений по

признакам или нозологиям, изображения снабжены уточнениями диагноза, комментариями, специальной разметкой, акцентирующей внимание на информативные признаки, возможность вывода на принтер изображений и сопровождающей информации, функция просмотра изображений с заданной комбинацией признаков в рамках определенных нозологических единиц и их сравнение.

Второй сценарий (экспертная система) - интеллектуальное ядро рассматриваемой системы поддержки принятия решений. Задачей экспертной системы является определение класса К (нозологическая форма), к которому с наибольшей вероятностью принадлежит исследуемый объект Х (случай заболевания). Для этого пользователем задается комбинация признаков, в которых он наиболее уверен,, а система осуществляет автоматический поиск всех случаев с аналогичной комбинацией в базе знаний. Далее можно просмотреть в процентном отношении каким образом распределены эти случаи на пространстве всех заложенных в базу нозологических форм. Возможны также пути сужения диагностических рамок путем ужесточения условий поиска за счет добавления новых признаков. Окончательное решение остается за пользователем, а система в данном случае выступает в роли "виртуального консилиума" экспертов и может ориентировать его в рамках диагностического процесса. (См. Фиг.3. Работа с экспертной системой поддержки принятия решений.).

Формирование стандартизованных форм документации по результатам исследований является необходимым условием эффективной автоматизации гистологической диагностики опухолей. В рамках проведения диагностики с использованием комплекса поддержки принятия решений с помощью специально разработанных компьютерных форм формируются следующие стандартизованные заключения:

1. Формализованное макроскопическое заключение, которое содержит общее описание материала с указанием присланной части, размеров присланного материала, числа и видов патологических процессов в нем, описание каждого из патологических процессов. Заключение включает в себя цветные изображения макропрепаратов с маркировкой размеров, выделенными зонами интереса и линиями разреза.

2. Протокол телемедицинской диагностики, содержащий данные о пациенте, клинический диагноз, макроскопическое описание, гистологический диагноз, наиболее характерные изображения микропрепарата для визуального подтверждения заключений консультанта, а также служебную информацию (№ больницы, ФИО лаборанта и консультанта, дату и т.д.).

3. Печатные формы вывода заключений экспертной системы с результатами поиска сходных случаев заболеваний с иллюстрирующими их изображениями и расшифровкой информативных признаков.

1. Комплекс автоматизированной гистологической экспресс-диагностики опухолей, включающий рабочие места удаленных пользователей-лаборантов, соединенные каналами связи с блоком управления специалиста-консультанта и мультиплексором, обеспечивающими связь с аппаратурой контроля, отбора и обмена информацией с местами удаленных пользователей и блоком документирования результатов диагноза, блок адаптации для самонастройки и самообучения, блок оперативных консультаций и блок интеллектуального интерфейса, включенную в блок управления специалиста-консультанта, экспертную систему отличающийся тем, что рабочие места удаленных пользователей-лаборантов и специалиста-консультанта содержат размещенные в месте нахождения лаборанта ЭВМ, связанную с ЭВМ систему получения и видео-ввода изображений макропрепаратов, связанную с ЭВМ систему получения и видео-ввода изображений микропрепаратов, средства связи лаборанта и удаленного консультанта обеспечены подключением через оптический модем к волоконно-оптической сети и удаленному компьютеру консультанта, средства управления и контроля, причем система ввода изображений макропрепаратов включает фотобокс с устройством позиционирования и освещения, размещенный в фотобоксе на подвижной каретке, установленной на штативе, цифровой фотоаппарат, снабженный исполнительными механизмами, связанными с блоком дистанционного управления консультанта и с педалями ножного управления съемкой и передачей изображений в компьютер, система ввода изображений микропрепаратов состоит из фотокамеры, микроскопа, согласующего модуля для стыковки фотокамеры и микроскопа, оснащенного моторизованным приводом предметного стола и модуля управления навигацией, обе системы ввода изображений подключены к компьютеру, оснащенному устройством видео-ввода и адаптированным программным обеспечением.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что привод предметного стола микроскопа соединен управляющими связями с ЭВМ и с джойстиком позиционирования.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что комплекс дополнительно содержит замораживающий микротом для приготовления тонких срезов 5-10 мкм.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит набор хим. реактивов для фиксации и окрашивания срезов.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит блок автоматического сканирования микропрепаратов.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно снабжен блоком документирования результатов диагностики.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит измерительную систему.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит систему двухсторонней оперативной аудио-связи.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит размещенный у консультанта блок дистанционного управления аппаратурой фотосъемки.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит базу формализованных (стандартизованных) признаков.

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит ассоциируемую с базой формализованных (стандартизованных) признаков, базу эталонных изображений.

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит эксклюзивный архив Российского онкологического научного центра имени Н.Н.Блохина РАМН.

13. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно включает информационную экспертную систему поддержки принятия решений и встроенную систему обучения.

14. Устройство по п.1, отличающееся тем, что встроенная система обучения включает интерактивный компьютерный фильм.

15. Устройство по п.1, отличающееся тем, что включает процессор не хуже Pentium IV с тактовой частотой 3 ГТц, объемом оперативной памяти не менее 1 ГБайт, объемом долговременной памяти не менее 120 Гбайт.

16. Устройство по п.1, отличающееся тем, что включает монитор TRUE COLOR, 19 дюймов по диагонали, разрешением 1280×1024.

17. Устройство по п.1, отличающееся тем, что включает цифровой фотоаппарат с размером фотокадра не менее 1280×1024.

18. Устройство по п.1, отличающееся тем, что включает камеру (телекамеру) в микросистеме, обеспечивающую работу с изображением в реальном масштабе времени (время смены кадра не более 40 мс, формат изображения не менее 768×576).

19. Устройство по п.1, отличающееся тем, что включает микроскоп биологический с моторизованным приводом предметного стола и набором объективов ×4, ×10, ×20, ×40.

20. Устройство по п.1, отличающееся тем, что предметный стол фотобокса снабжен масштабной сеткой с шагом 1 см.

21. Устройство по п.1, отличающееся тем, что компьютерная линия связи выполнена с пропускной способностью не менее 2 Мбит/с.