“机器视觉”技术及其在尿沉渣镜检中的应用
一、前言尿沉渣检验是尿液的重要组成部分，对临床诊断、治疗、监测及群体普查具有重要意义。目前国内临床尿沉渣检验的方法主要是显微镜为基础的形态学检查法和以流动式细胞为原理的流式细胞计数法。前者是经典的形态检查方法，为尿沉渣检验的金标准；后者因为原理上的缺陷不是直接的形态学检查，而是利用标记和散射等检测技术对尿沉渣进行分类计数，因此，应用具有其局限性，只能作为尿沉渣检验过筛检查，阳性标本必须用显微镜形态学检查来确认，但是其自动化程度高和检测速度快的特点仍然受到临床检验的欢迎。
尿沉渣显微镜检查法是一项工作量大、操作繁杂的临床检验日常工作，长期以来镜检是由人工完成，尽管近年来许多利用显微镜检原理开发出尿沉渣分析仪器，但都是简单的应用计算机和数码摄像技术实现将显微镜下图像传输到显示屏上的过程，对尿中的有形成份检查还是通过人工视觉来进行分类计数。工作效率低、速度慢、操作者主观因素和技术水平影响大是其最大的缺点，因此实现尿沉渣镜检自动化是广大医学检验工作者追求的梦想。
二、“机器视觉”技术介绍
何谓“机器视觉”，其原理是什么？
“视觉”，顾名思义，由对所“视”的事物产生“觉”，简言之即认识所看到的事物。要了解“机器视觉”，必须从“人工视觉”谈起。
2•1 “人工视觉”或“人工识别”
一个人，在进行检验学习与培养训练之前，并不认识白细胞、红细胞、上皮细胞等，他只能描述其所看到细胞的形态特征，如圆形、无颗粒、有折光性等。要教会他认识这些细胞，就必须告诉他具有这些特征的各是什么细胞。如尿液中大小约为7微米、圆形、细胞内无颗粒、有折光性……等特征的是红细胞，这样有受训练人员的脑子中即形成了这样一个印象：7微米左右、圆形、细胞内无颗粒、有折光性……= 尿液中红细胞。当再次在尿液中见到具有这些特征的细胞时，即可认识为尿液中红细胞。
这些认识过程的主体是人工，认识的过程是由人工来实现，这就是“人工视觉”或“人工识别”。
2•2 “机器视觉”或“机器识别”
前面说明了人工视觉的特点，其认识过程的主体是人工，认识的过程是由人工来实现，而“机器视觉”认识的主体是机器，认识的过程是由机器来实现。
要让机器认识或识别尿液中这些细胞，同样要训练它；其训练过程是由机器的摄像头摄取某一细胞的图像，然后对所摄取的图像进行处理，将其几百种特征参数数据化，然后再经人工确定具有些特征的是什么细胞。如摄像头采集了一个细胞图像，然后将此图像进行分析处理，其大小为Aμm、细胞边缘圆形弧度B、透光度C、灰度D、颜色E…….，经人工确定这是红细胞，也形成了一组特征数据：大小Aμm、细胞边缘圆形弧度B、透光度C、灰度D、颜色E…….= 尿液中红细胞。仪器再次摄取到具有此特征的图像时，即自动识别为红细胞。这即是“机器视觉”的识别过程，机器内可存贮千千万万这种的识别特征数据组，也就可识别千千万万个图像所代表的是什么实物。
这种千千万万图像识别公式的建立过程称为建模。
2•3“机器视觉”原理
由数字摄像机（CCD）将作为参照标准的实物图像（如红细胞、白细胞、管型等），采集后传至计算机，应用先进图像处理方法，如遗传算法、小波算法等对其进行分割定位然后对其各种特征参数（如大小、形状、颜色、纹理等等）进行计算、统计、训练、建立各种成份的仿生识别模型；应用时被检实物图像由数字摄像机（CCD）摄取传入计算机，运用神经网络模糊聚类算法对其各种特征数据进行处理、分析、理解、拟合，参照已建立的模型数据识别该图像所代表的实物，可以替代人工视觉来识别实物目标并计数。如果将液体中微小目标实物通过显微镜放大后再用“机器视觉”来进行自动识别分类计数，这样就为实现显微镜镜检的自动化提供了技术基础。
三、“机器视觉”特点及应用意义
“机器视觉”的特点是：速度快、定位准、可跟踪，结果客观稳定，存贮方便、可以重现，可以训练学习记忆，应用于识别的各种特征参数可以提取。这些特点在实现应用中有很大的意义。
1、高速度：在数字摄像机采集图像数据同时，计算机以每妙3-5帧速度对其进行处理，这样可以实现短时间内镜检大量样品，提高检出率。
2、定位准可跟踪：视野中实物目标特征参数被采集后，计算机进行准确定位，以便进行局部放大处理分析，更准确地识别目标的局部特征，提高分辨率和准确性。
3、自学习训练记忆：“机器视觉”是计算机通过对其所接收的目标各种特征数据建立仿生模型并记忆，应用对符合同类特征参数的目标实现表达。它只对已建模型的目标识别，与所建模的特征参数越接近识别率就越高，偏离得越远就识别越低，通过专家的训练对同类目标进行细化分类建模，使其“见识”越多，分辨率就越高，应用时不能识别的目标，经专家对其训练以后自动建模即可准确识别。
4、结果客观可存贮重现：人工视觉具有很大的主观性，特别是在显微镜下更是一人世界，所看到的目标很难客观地表达。“机器视觉”因为是将摄取目标图像数字化，可以方便地传输存贮，并可还原为图像显示出来，可多人共享，为会诊提供手段，可作大量临床资料收集以便分析研究。
5、目标各种特征数据可以提取，为作更深入的研究提供手段，如形态特征参数等。
“机器视觉”的上述特点，应用在临床显微镜检验特别是尿沉渣检验中，解决了长期以来存在的速度、劳动强度、检出率和标准化等等这些阻碍临床常规显微镜检验标准化普及的问题。按照经典镜检方法流程设计的具有“机器视觉”功能的全自动显微镜检仪器，已经开始在临床常规检验中应用，为实现尿沉渣检验的自动化、标准化、规范化操作提供了的有效手段。
“机器视觉”的局限性在于：机器，毕竟具有机械性，要识别某一目标，数据库中必须具备此目标的模型，否则不能识别。并且，形态学是复杂的问题，影响因素众多，虽然这种“机器视觉”技术的应用能减轻大量的人力，但目前还不能完全替代人工识别，有时还需与“人工识别”相结合，以保证结果的准确无误。当然，“机器视觉”技术也在发展与完善之中，将会在更多领域、更大程度替代人工。
四、“机器视觉”技术在尿沉渣镜检中的应用
4.1尿沉渣分析的标准化
尿液分析素有“体外肾活检”之称，临床应用价值不言而喻。其检测指标由理学、化学与尿沉渣三部分组成。理学检验简单易行，尿液化学检验随着尿液干化学分析仪的出现与完善，基本达到了自动、高速、高效的程度，而作为尿液分析尤为重要的“尿沉渣分析”，如何实现自动化、标准化，目前仍是研究的重点与难点。
过去的很长一段时期，尿沉渣以XX细胞/HPF、XX管型/LPF的报告方式，可比性与重复性差。我国于近年推出了尿液分析标准化草案，要求采用定量报告方式：XX细胞（管型）/ul。
4.2尿沉渣定量分析的发展
尿沉渣定量分析是尿液分析标准化的要求，为满足标准化的要求及结合临床实际，先后出现了尿沉渣定量分析手工操作、全自动尿沉渣流式分析仪及影像式尿沉渣分析仪等。
4.2.1尿沉渣定量分析手工操作
使用专用离心管，专用计数板，规定的离心时间与速度，以一定的方式倾弃上清后留取一定量混匀后进行计数，必要时进行稀释这一系列操作后，发出尿沉渣定量报告。虽然此方法在一定程度上使结果精确，准确，有实验结果动态分析的可比性，但：（1）手工操作，有形成份镜下人工判别计数，检验人员劳动强度大，且长时间镜下观察对检验人员眼睛伤害大；（2）实验室之间检查方法不统一；（3）各检验机构、检验人员之间报告结果差异较大；（4）实验步骤繁琐，干扰实验的各个环节较多，易受主观因素影响。
4.2.2 全自动尿沉渣流式分析仪（UF系列）
全自动尿沉渣流式分析仪的问世，大大减轻了检验人员的劳动强度。此系列仪器所检测尿液标本无需离心，自动计数，快速、劳动强度小。但其需要特殊专用试剂，运行成本高，并且对环境要求较为严格，报告结果只能提供有形成份相关参数组成的散点图，阳性标本仍主张人工镜检，基本上只能起到过筛作用。
4.2.3影像式尿沉渣分析仪
4.2.3.1 人工视觉影像式尿沉渣分析仪（DiaSys工作站等）
此类仪器的工作流程主要是将尿液离心后，混匀、充池，将所采集图像展示在计算机屏幕后，人工识别、计数，再发出报告。此类仪器人工识别、计数，保证了准确性；CCD摄取的图像信息展示在计算机屏幕，沉渣成份形态清晰，贮存的图像便于核查、会诊，也可用于教学。此仪器不仅能做尿沉渣，还可进行胸腹水、脑脊液等体液检验，扩展性大，无需特殊试剂，运行成本低。但此类仪器的绝大部分操作仍为手工，如离心、留取规定尿量、人工调节显微镜、识别、计数等，劳动强度大，未最大程度解放人力。
4.2.3.2“机器视觉”影像式尿沉渣分析仪（AVE-76系列）
上述人工视觉影像式尿沉渣分析是由摄像图摄取图像展示在计算机屏幕上由人工识别，能否由计算机控制，对所采集的图像进行自动识别？“机器视觉”技术的应用从很大程度上解决了这个问题。
此类仪器是将“机器视觉”技术应用于尿沉渣分析，自动识别、计数，这种识别的基于形态学检查“金标准”——显微镜检查，计算机将所采集的图像进行自动识别、分类，故其不但具有上述人工视觉影像式尿沉渣分析仪的优点，而且大大减轻了劳动强度，其应用前景巨大。
五、应用实例
5.1检验人员期望中的尿沉渣自动化分析仪所具备的性能
随着医院业务量的增高，检验科工作量大大增加，不但要求咱们检验人员出具准确的检验报告，还需快速及时，就尿液分析来说，一个普通二甲医院每天的检查量也在百份标本以上，新鲜尿能否在2小时内检查完毕，是尿常规检查质量的关键，尤其住院病人尿液收集、运送、检查要在2小时内做到，客观困难很多。检验科不仅要做好住院病人及护士的宣传工作，让其按时按质送来标本，关键还在于检验科本身能否按时、按质、按质、按量检测完毕。若为纯手工操作，要在短时间内完成离心、充池、计数等如此大量的工作，需多名工作人员一起操作；流式尿沉渣分析仪无需离心，自动识别与计数，可在短时间内完成大量标本的检测，对尿沉渣分析的质量保证迈出了重要的一大步，但阳性标本仍需人工复查；影像式尿沉渣分析是以经典的显微镜检查为基础，结果准确可靠，但劳动强度太大。综合此尿沉渣自动分析的技术发展情况，检验人员希望集各家之所长，既快速、劳动强度小，又准确性高、运行成本低、操作简单。
5.2应用实例
中国爱威公司首例将“机器视觉”技术应用于临床显微镜镜检，并已开发生产出AVE-76系列尿沉渣分析仪，实现了显微镜过程全自动化：即自动进样，进样自动混匀样本。全自动显微镜检如计数池前后左右移动、调焦距、高低倍物镜转换、调聚光镜等。它完全按照经典的显微镜镜检方法的流程来设计，工作时通过低倍镜以多于人工镜检上百倍的检查量对样品进行扫描过筛，保证了镜检无漏检；尿液可以不需离心检验也能达到临床要求的检出率。低倍镜抓取目标定位后转高倍镜采集目标的特征参数，计算机对其进行处理、分析、描述、理解、拟合、完成识别过程，实现分类计数，同时采集图像，用于存贮、会诊，无需染色也能保证其较高的识别准确性。应用已发展起来的自动控制技术和自主动开发上独特的计算机显微镜识别软件，发挥计算机的高速度和高精确性优势，实现了镜检过程全自动化，沉渣镜检结果和尿干化学仪测定结果综合发出图文并茂的报告。
六、发展方向
“机器视觉”应用于显微镜检对于临床检验工作者而言是一个最大的福音，这也是科技进步、社会进步的必然趋势。随着“机器视觉”技术的进步和发展，过去由人工视觉来完成的许多的工作都可以由“机器视觉”来完成。
在临床检验学科的应用主要有以下几个方面：
1、全自动血细胞计数分类仪：按照以经典人工镜检方法设计的血细胞计数分类仪，可以准确地用形态学方法来对血液中红细胞、淋巴细胞、嗜酸性粒细胞、嗜碱性粒细胞、单核细胞、血小板及其他类型的细胞进行分类计数，并显示打印出图像。可以准确地测定其大小进行形态学分析，还可提取多项特征参数来进行研究。同时参考血红蛋白和其他检验项目的结果可以进行换算出多项对临床有意义的参数，为临床提供更直观而有价值的报告，其推广应用将使血液常规检验上一新的台阶，具有划时代的意义。
2、穿刺液检验分析仪：可用于胸腹水、脑脊液及其他穿刺液、白带等形态学检查，结果客观，并可细胞分类，为临床诊断提供更多参数。
3、病理形态学分析仪：病理形态学检验是一项专业技术要较高的学科，主观因素与经验对结果影响大，因此用“机器视觉”替代人工视觉来进行镜检阅片，具有仍大应用价值。
“机器视觉”作为一门新型的高技术学科，越来越接近于我们的生活，我们相信，随着科技技术的进步和发展，在不久的将来“机器视觉”将替代人工视觉的工作，给人们的生活和工作带来更多的方便。
应用“机器视觉”技术开发的AVE-76系列尿沉渣分析仪，已经应用到医学检验的日常工作中，在临床使用中已经体现了前所未有的优越性。其推广大大提高工作效率，保证检验质量，为尿沉渣检验标准化提供了基本条件，能最大程度将医学检验工作者从繁杂的镜检工作中解放出来。
页:
[1]