Пространственно-частотный анализ форменных элементов крови Сафонова Лариса Петровна

Содержание к диссертации

Введение 7

Глава 1. Клинический анализ крови, контролируемые пара
метры, методы и аппараты 14

1.1. Параметры, контролируемые в процессе клини
ческого анализа крови. 15

1.2. Изменения параметров крови при патологиях 18

1. 2.1. Патологии красной крови. 18

1. Количественно оцениваемые изменения 19

2. Качественно оцениваемые изменения морфологических параметров эритроцитов 21

1. 2.2. Патологии белой крови 23

3. Количественно оцениваемые изменения концентраций лейкоцитов 24

4. Качественно оцениваемые изменения морфологических параметров лейкоцитов 26

3. Основные визуально контролируемые морфологические параметры клеток крови 27

4. Требования к точности определения параметров клинического анализа крови 30

5. Стандартные методы клинического анализа крови. 34

6. Автоматические гематологические анализаторы... 38

1. Оценка функциональной эффективности гемоанализаторов 39

2. Системы компьютерного анализа гемоизображе-ний 44

1.6.3. Проточные гемоанализаторы 47

Выводы к главе 1 54

Глава 2. Пространственно-частотный анализ гемоизображе-

ний 58

3. Оптические свойства крови 58

4. Феноменологическая модель пробы крови. 61

5. Теоретические исследования модели. 64

2.3.1. Отображение особенностей форм и структуры

гемоизображений в пространственно-
частотном спектре 64

6. Взаимосвязь морфологических параметров клеток крови с параметрами пространственно-частотных спектров гемоизображений 64

7. Оценка линейных размеров клеток крови и ядер. , 74

8. Определение концентраций клеток по пространственно-частотному спектру. 75

Z. 3.2. Комплекс гематологических характеристик 76

Выводы к главе 2 77

Глава 3. Когерентно-оптический метод анализа гемоизображе
ний '.. 79

9. Формирование пространственно-частотного спектра пробы крови 80

10. Лазерный анализатор крови 83

3.2.1. Структурная схема лазерного анализатора

крови 83

11. Формирующая осветительная система 85

12. Фурье-анализатор 86

13. Система регистрации пространственно-частотного спектра 88

3.2.2. Применение лазерного анализатора для оценки
параметров клинического анализа крови 89

14. Оценка морфологических параметров 89

15. Определение общего количества гемоглобина. 91

16. Оценка концентраций форменных элементов... 93

3.3. Особенности практической реализации оптичес
кой системы лазерного анализатора крови 95

17. С вето энергетический расчет. 95

18. Габаритный расчет 96

19. Расчет оптической формирующей системы..... 96

20. Расчет фурье-преобразующего объектива 98

21. Расчет апертурний диафрагмы 101

22. Расчет фильтра в плоскости ПЧС 102

23. Расчет согласующего объектива 104

4. Анализ погрешностей измерения параметров пространственно-частотного спектра в лазерном анализаторе крови .105

5. Основные медико-технические требования к лазерному анализатору крови. 106

6. Методика проектирования оптической системы лазерного анализатора крови 110

3.6.1. Последовательность светоэнергетического

.*'

расчета. ill

3.6.2. Последовательность габаритного расчета...'.. 112

Выводы к главе 3 ИЗ

Глава 4. Экспериментальное исследование взаимосвязи параметров клинического анализа с параметрами

пространственно-частотных спектров проб крови.. 114

4.1. Разработка и исследование экспериментального
макета лазерного анализатора крови 115

4.1.1. Выбор и расчет элементов макета лазерного
анализатора крови 115

4.1.1.1. Светоэнергетический расчет 115

⁴ 4.1.1.2. Габаритный расчет 116

4.2. Количественная оценка формы.. 119

4. 2.1. Методика измерений 119

4.2.2. Результаты измерений 121

4. 3. Определение линейных размеров 125

4.3.1. Методика измерений 126

4. 3. 2. Результаты измерений 126

4. 4. Определение количества гемоглобина 127

4. 4.1. Методика измерений 128

4. 4. 2. Результаты измерений 128

4.5. Определение концентраций эритроцитов и лей
коцитов 129

4. 5.1. Методика измерений 130

*

4. 5.2. Результаты измерений 131

it-
Выводы к главе 4 132

Общие выводы 134

Литература 137

Приложения 151

Введение к работе

Параметры клинического анализа крови являются одними из немногих количественных характеристик, отражающих функциональное состояние человека, динамику физиологических процессов, протекающих в организме под действием различных факторов [31, 42, 46, 92, 101, 1303.

В норме в периферической крови взрослого человека находятся только зрелые клетки: эритроциты, тромбоциты, лейкоциты, - и небольшое количество клеток-предшественниц (палочко-ядерных, нейтрофйлов (<6%), ретикулоцитов (1%)). Появление более юных форм, увеличение их количества, а также любые изменения нормального клеточного состава по концентрации и морфологии свидетельствуют о патологии [31, 42, 46, 92, 101, 130]. Важное диагностическое значение имеют также общее количество гемоглобина и эритроцитарные индексы.

Изменение клеточного состава крови при патологиях (не менее, чем в 10-15% случаев) характеризуется появлением незрелых форм (метамиелоцитов, миелоцитов, промиелоцитов, и др.), и клеток с атипичной морфологией (микроцитов, макроцитов, пойкилоцитов и др.) [42, 46, 77, 92, 101, 130].

Классификация и подсчет нормальных и патологических кле^ ток основываются на качественной оценке морфологических параметров: размер клетки (Кй), форма клетки (К), размер ядра (Ла), форма ядра (Лр), размер гранул (Z

Нормальные клетки периферической крови характеризуются следующими морфологическими параметрами: диаметр клетки Ка = 2-20 мкм; форма клетки кр - округлая; размер ядра Лес = 4,5-15 мкм; форма ядра Л - сегментированная с треугольными, каплевидными, веретенообразмыми сегментами, округлая, бобовидная, U-, S-, 1-образная; размер гранул Ы = 0,05-1,2 мкм [1, 31, 42, 46, 77]. Патологические клетки имеют отличные от нормальных морфологические параметры [1, 31, 42, 46, 77].

Для обеспечения требований современной клинической практики к анализу крови необходимо определять концентрации лейкоцитов с относительными погрешностями, не превышающими следующих значений: для лимфоцитов - 4%, сегментоядерных нейт-рофилов - 2%, палочкоядерных нейтрофилов - 8%, моноцитов -7%, эозинофилов - 10%, общего количества лейкоцитов - 6%.

Указанным требованиям не отвечают стандартные визуальные методы анализа окрашенных мазков и жидких проб крови под микроскопом. Максимальные относительные погрешности определения концентраций лейкоцитов и эритроцитов составляют соответственно 30% и 14%, относительная 'погрешность дифференциального анализа лейкоцитов и патологических клеток - более 30%, что определяется малым количеством анализируемых клеток (1-500), преобладанием влияния субъективного фактора на результаты исследований [42, 46, .69, 77, 130].

Применяемые в настоящее время в гематологии инструментальные методы: проточные гемоанализаторы (Cobas Argos 5 Diff, Technlcon H-i, Coulter MAXM, Cell-Dyn 3500, System 9100+ и др.) и системы компьютерного анализа гемоизображений (Hematrak 590, Autocyte и др.) не позволяют количественно оценивать требуемые морфологические параметры клеток крови, не обеспечивают необходимой точности дифференциального анализа лейкоцитов, незрелых клеток и атипичной морфологии ввиду отсутствия взаимосвязи между измеряемыми параметрами и морфологией клеток [42, 111, 113, 115, 116, 118, 110].

Для повышения точности дифференциального анализа клеток крови, в том числе патологических, целесообразно количественно оценивать морфологические параметры, в первую очередь размер клетки (Кос), форму клетки (Кр). размер ядра (ЛоО, форму ядра (Л0), внутреннюю структуру клетки (Л).

Количественно оценивать особенности формы и структуры ге-моизображений позволяет анализ пространственно-частотных спектров (ПЧС) последних [47. 62, 68, 71, 73, 102]. С точки зрения статистических и оптических свойств исследуемых проб крови, корректно осуществить формирование и провести анализ ПЧС гемоизображений позволяют когерентно-оптические процессоры (КОП), теоретические основы расчета и проектирования которых известны [10, 19, 23, 24, 25, 33, 48, 63, 73].

Целью диссертационной работы является разработка метода и устройства для количественной оценки морфологических параметров крови: размеров, форм клеток и ядер, внутренней структуры клеток, - а также определения концентраций форменных элементов и количества гемоглобина.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

Исследовать возможность количественной оценки морфологических параметров крови по ПЧС гемоизображений.

Разработать комплекс гематологических характеристик (КГХ), измеряемых по ПЧС гемоизображений и адекватных пара- метрам клинического анализа крови.

Разработать когерентно-оптический метод анализа гемои-зображений (КОМАГ).

Разработать методику проектирования лазерного анализатора крови (ЛАК).

Создать макет ЛАК и экспериментально подтвердить разработанный метод (КОМАГ).

Разработать методики определения морфологических параметров (Ка, Ла, кр. Л, Л), количества гемоглобина (НЬ), концентраций эритроцитов (N₃) и лейкоцитов Ш_л) на макете ЛАК.

Практическая значимость работы заключается в разработке метода количественной оценки морфологических параметров клеток крови (Ка, Кр, Лр, Ла, Л), что позволит обеспечить требуемые точности дифференциального анализа клеток, определения концентраций, количественный анализ патологических форменных элементов, повысить эффективность диагностики на основе данных клинического анализа крови.

Получены статистически обработанные данные анализа морфологии более 2000 клеток крови разных типов (промиелоцитов, миелоцитов, палочко- и сегментоядерных нейтрофилов, лимфоцитов, моноцитов, эозинофилов, базофилов, эритроцитов), подтверждающие эффективность применения пространственно-частотного анализа (ПЧА) форменных элементов, разработанных КОМАГ и ЛАК для классификации морфологически распознаваемых клеток крови, нормальных и патологических.

Результаты работы позволяют рекомендовать применение когерентно-оптического метода анализа гемоизображений для рас- ширения функциональных возможностей проточных гемоанализато-ров, применение ЛАК для гематологических лабораторий различных уровней и специализаций.

Результаты работы внедрены в учебный процесс кафедр БМТ1 и БМТ2 МГТУ им. Н. Э. Баумана.

Апробация работы проведена на базе Городской поликлиники N 160 (МГТУ им. Н.Э. Баумана). Основные положения работы докладывались на научных семинарах кафедры "Биомедицинские технические системы и устройства'¹ и отдела НИИ РЛ 01 МГТУ им. Н. Э. Баумана (г. Москва 1996, 1997 гг.), на 2-ой Международной научно-технической конференции по Оптической обработке информации (г. Санкт-Петербург, июнь 1996), на научно-технических конференциях "Студенческая весна'94" (г. Москва, МГТУ им. Н. Э.Баумана, май 1994 г.), "165 лет МГТУ им. Н. Э. Баумана" (г. Москва, ноябрь 1995 г), на VI МНТК "Лазеры в науке, технике, медицине" (г. Суздаль, 1995 г.), на VII МНТК "Лазеры в науке, технике, медицине" (г. Сергиев Посад, сентябрь 1996 г.), на VIII МНТК "Лазеры в науке, технике, медицине" (г. Псков, Пушкинские горы, октябрь 1997 г.), на IV МНТК "Новые информационные технологии в медицине и экологии" (Ялта-Гурзуф, Крым, Украина, июнь 1998 г.), на объединенном научном семинаре кафедр РЛ7 "Биомедицинские технические системы и устройства", РЛ8 "Медико-технические и информационные технологии", отделов НИИ РЛ 01, 06 МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, июнь 1998).

Положения, выносимые на зашиту.

1. Комплекс гематологических характеристик (Q, q₁₀, p_lt Ф, 1_пр), адекватных параметрам крови (Kct, KfJ, AfS, Лес, Л, Hb,

Щ, И_л).

Когерентно-оптический метод анализа гемоизображений для измерения комплекса гематологических характеристик по пространственно-частотным спектрам проб крови.

Методика проектирования лазерного анализатора крови.

Методики количественной оценки размеров, форм клеток крови и ядер, (Ка, К(ї, AfS, Ла), внутренней структуры клеток (Л), количества гемоглобина (НЬ), концентраций эритроцитов (К_э) и лейкоцитов (Njj) с помощью макета лазерного анализатора крови.

По материалам диссертации опубликованы 4 научных статьи и 4 тезисов докладов на научных конференциях.

Диссертационная работа состоит из четырех глав и приложений. Основной текст диссертации изложен на 150 страницах. В приложения вошли сведения справочно-сопроводительного характера. Список литературы включает 130 библиографических источника. Диссертация проиллюстрирована рисунками, таблицами, графиками.

Первая глава посвящена обобщению литературных данных по клиническому анализу крови. Определены диапазоны изменений параметров клинического анализа в норме и при патологиях, требования к точности определения концентрации и дифференциального анализа лейкоцитов. Установлены морфологические параметры, имеющие наибольшее значение для дифференциального анализа клеток крови. Проведена количественная оценка и сравнение эффективности применяемых методов анализа крови, существующих гематологических анализаторов (проточных и систем компьютерного анализа гемоизображений). Доказана необхо- димость количественной оценки морфологических параметров клеток крови (Кос, Лес, КЗ, ЛЗ, Л) для повышения точности дифференциального анализа лейкоцитов, классификации патологических клеток.

Во второй главе теоретически показана возможность применения пространственно-частотного анализа для исследования проб крови. На основании анализа оптических свойств крови предложена феноменологическая модель пробы крови, позволяющая установить аналитические взаимосвязи особенностей форм и структуры гемоизображений с параметрами ПЧС последних. Предложен комплекс гематологических характеристик, определяемых по ПЧС гемоизображений и адекватных параметрам крови.

Третья глава посвящена разработке когерентно-оптического метода анализа гемоизображений для оценки параметров клинического анализа крови (Ка, КЗ, ЛЗ, Ла, Л, Hb, N₃, її_л) с помощью введенных гематологических характеристик (Q, q_i0, p_t> Ф, 1_пр). Определены основные медико-технические требования к лазерному анализатору. Разработана методика проектирования ЛАК, состоящая из энергетического, габаритного расчетов и анализа погрешностей определения параметров ПЧС.

В четвертой главе приведены результаты работ по технической реализации предложенного КОМАГ, результаты расчетов основных элементов макета ЛАК в соответствии с разработанной методикой проектирования. Создан макет лазерного анализатора крови, с помощью которого экспериментально подтверждены установленные взаимосвязи КГХ с параметрами крови, разработаны методики количественной оценки параметров Ка, Ла, КЗ, ЛЗ, Л, Hb, N₃, Ы_л.

Похожие диссертации на Пространственно-частотный анализ форменных элементов крови

Количественный анализ видеоизображений элементов бронхолегочной системыЯдыкин Алексей Анатольевич

Математические и методические принципы анализа и подсчета форменных элементов крови (тромбоцитов) в условиях реального космического полета и экстремальных ситуацияхКоргун Сергей Васильевич

Разработка способа сублимационной сушки в поле СВЧ продукта на основе форменных элементов крови убойных животных Белозерцев Александр Сергеевич

Разработка системы технического зрения для автоматизации цитоморфологических анализов кровиНовиков Константин Владимирович

Программно-аппаратный комплекс для анализа технических характеристик и повышения эффективности функционирования систем диализного очищения кровиБазаев, Николай Александрович

Системный анализ элементов радиоэлектронной аппаратуры на основе применения автоматизированной системы температурной диагностикиМихайлов Александр Николаевич

Повышение долговечности буровых долот на основе компьютерного анализа элементов конструкций и их сборки Морозов Леонид Владимирович

Поляризационные приборы : Методы расчета, свойства элементов, анализ схемКоротаев, Валерий Викторович

Разработка методов и моделей численного физико-топологического анализа элементов интегральных схемРоманюк, Андрей Богданович

Методы и алгоритмы анализа элементов устройств вычислительной техники и систем управления на предсказуемость поведенияПетров Андрей Борисович