ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ МИКРОСКОПЫ

Микроскопы для патологической анатомии

Микроскопы серии ECLIPSE Ci предназначены для клинических и лабораторных исследований и отвечают требованиям эргономичности и простоты использования для обеспечения удобного положения при работе и легкой настройки параметров.

E200 — компактный микроскоп для клинических, лабораторных, фундаментальных и образовательных исследований. Эргономичная и предотвращающая образование плесени конструкция обеспечивает многолетнюю комфортную и стабильную эксплуатацию даже в условиях повышенной температуры и влажности

Микроскопы серии ECLIPSE Ni отличаются широкими возможностями визуализации. Микроскоп Ni является надежной основой биологических исследований, предлагая гибкость системы при выборе конфигурации и возможностей автоматизации.

Эргономичная конструкция позволяет сосредоточиться на наблюдении, а не на управлении микроскопом.
Благодаря использованию дополнительных объективов, являющихся разработкой Nikon, микроскоп SMZ 660 обладает коэффициентом трансфокации 6,3х, что позволяет устанавливать оптимальное увеличение для каждого вида исследуемых образцов

Целью компании Nikon при разработке модели SMZ800 было создание стереомикроскопа, который удовлетворял бы требованиям длительной комфортной работы и при этом обеспечивал отличное качество изображения. Модель SMZ800 имеет гибкую конфигурацию и допускают легкую модернизацию путем установки различных дополнительных принадлежностей и демонстрируют высочайшие оптические характеристики. Кроме того, их эргономичный дизайн обеспечивает удобство работы и минимизирует усталость оператора после долгой работы

Целью компании Nikon при разработке модели SMZ1000 было создание стереомикроскопа, который удовлетворял бы требованиям длительной комфортной работы и при этом обеспечивал отличное качество изображения. Модель SMZ1000 имеет гибкую конфигурацию и допускают легкую модернизацию путем установки различных дополнительных принадлежностей и демонстрируют высочайшие оптические характеристики. Кроме того, их эргономичный дизайн обеспечивает удобство работы и минимизирует усталость оператора после долгой работы

Оптическая конструкция и критерии качества всей серии стереоскопических микроскопов Nikon позволяют получить высококачественные изображения с отличной плоскостностью изображения. Многослойные покрытия на поверхности объектива обеспечивают четкость, яркость и высокую контрастность изображений

Универсальные стереомикроскопы Nikon SMZ800N обладают превосходными оптическими характеристиками, такими как большое увеличение, высокий коэффициент трансфокации и высокое разрешение, а также широкими эксплуатационными качествами. Возможность использования параллельной оптики делает эти модели подходящими для широкого спектра работ.
SMZ800N имеет диапазон трансфокации 1-8x и позволяет осуществить наблюдение с высоким разрешением 640 пар линий/мм (с использованием объектива ED Plan Apo 2x/WF при максимальном увеличении)

В дополнение к высокой кратности масштабирования и увеличения, стереомикроскоп Nikon SMZ745T имеет большое рабочее расстояние, составляющее 115 мм. Конструкция модели SMZ745 с защитой от образования плесени и накопления электростатического напряжения обеспечивает возможность использования микроскопа в разных условиях

Универсальные стереомикроскопы Nikon SMZ1270 обладают превосходными оптическими характеристиками, такими как большое увеличение, высокий коэффициент трансфокации и высокое разрешение, а также широкими эксплуатационными качествами. Возможность использования параллельной оптики делает эти модели подходящими для широкого спектра работ

Области, в том числе молекулярная биология, клеточная биология, нейробиология, эмбриология, биология развития и системная биология, испытывают все большие потребности в системах визуализации, которые охватывают пространственные масштабы от одной клетки до целого организма. Понимая эти требования, компания Nikon разработала новый стереомикроскоп, который имеет более высокий коэффициент трансфокации 18:1, высокое разрешение и исключительную способность передачи флуоресценции

Традиционные границы между научными областями, такими как молекулярная биология и биология развития, быстро исчезают, когда исследователи начинают использовать результаты, полученные на молекулярном уровне в ходе клеточных, тканевых исследований и исследований организмов. Области, в том числе молекулярная биология, клеточная биология, нейробиология, эмбриология, биология развития и системная биология, испытывают все большие потребности в системах визуализации, которые охватывают пространственные масштабы от одной клетки до целого организма. Понимая эти требования, компания Nikon разработала новый стереомикроскоп, который имеет более высокий коэффициент трансфокации 25:1, высокое разрешение и исключительную способность передачи флуоресценции

Ультраструктурная визуализация срезов ткани больших площадей становится возможной благодаря новой, более быстрой методике с использованием сканирующей электронной микроскопии.

Электронная микроскопия — незаменимый инструмент патологоанатома. Она обеспечивает визуализацию тканевых структур, клеток, органелл и микробов в высоком разрешении. Однако ультраструктурный анализ больших участков ткани может оказаться сложным и трудоёмким.

Мы побеседовали с доктором Майком Райхельтом, главным научным сотрудником американской корпорации
«Генентек» (Genentech, Inc.). Доктор Райхельт отвечает за рутинную работу лаборатории электронной микроскопии в отделении патологической анатомии. Помимо этого, доктор Райхельт разрабатывает и внедряет инновационные стратегии для научно-исследовательской организации корпорации «Генентек».

Недавно доктор Райхельт совместно с коллегами
опубликовал статью (англ.), в которой описал эффективную технологию визуализации срезов ткани больших площадей с помощью обратно-рассеянных электронов (BSE-SEM) для визуализации ультраструктур в патологической анатомии.

Доктор Майк Райхельт, главный научный сотрудник корпорации «Генентек» (США)

Что побудило вас разработать новую технологию визуализации срезов ткани больших площадей?

У нас в отделении патологической анатомии возникла острая потребность в анализе здоровых и поражённых тканей как на гистологическом, так и на ультраструктурном уровне. Мне удалось
разработать стратегию (англ.), ориентированную на подготовку больших, площадью в несколько квадратных миллиметров, срезов ткани с акцентом на получение широкоформатных изображений. Это позволяет легко сопоставлять гистологические исследования с малым увеличением с ультраструктурными особенностями с высоким разрешением в пределах одного среза ткани.

Клубочек почки мыши в центре, окружённый различными почечными канальцами.

Вы используете обратно-рассеянные электроны в сканирующем электронном микроскопе. Не могли бы вы рассказать, что побудило выбрать такой нестандартный метод?

Традиционно анализ тканей на ультраструктурном уровне чаще всего проводится с помощью трансмиссионного электронного микроскопа (ТЭМ). Несмотря на то, что подобный метод используется уже несколько десятилетий и пользуется большим успехом, он отнимает много времени и создаёт немало помех:

Эти ограничения можно устранить при визуализации тканей с помощью современных автоэмиссионных сканирующих электронных микроскопов (автоэмисионных СЭМ) в сочетании со стратегиями обработки образцов, позволяющими подготавливать большие срезы ткани (площадью в несколько квадратных миллиметров). Наша новая технология в полной мере использует преимущества очень больших полей сканирования, возможных с помощью современных автоэмисионных СЭМ. Они позволяют получать большие обзорные изображения и исследовать их на ультраструктурном уровне путём цифрового масштабирования.

Цифровое масштабирование: от обзора ткани почки до обзора клубочка (кл). Правая сторона: подоцит (пц) с цветоножками (цн), базальной мембраной (бм) и капиллярным пространством (кп) с эритроцитами (эц).

С тех пор как эта мультимасштабная технология визуализации на основе BSE-SEM была внедрена в работу нашей лаборатории, она существенно упростила и ускорила проводимый нами ультраструктурный анализ тканей.

Практически 100% всех проектов по ультраструктурной визуализации тканей (не менее 20 проектов в год) в настоящее время выполняются с применением электронного микроскопа ZEISS GeminiSEM 300. С тех пор как в 2018 году этот метод был внедрен в нашу работу, он уже внес свой вклад в четыре опубликованные научные статьи, рецензируемые нашими коллегами. Также в настоящее время готовится немало других работ наших научных сотрудников.

Что касается новых методов и технологий, каким вы видите развитие этой области в ближайшие пять лет?

Хотелось бы выделить три наиболее значимые разработки в области ультраструктурной визуализации на ближайшие пять лет, имеющие отношение к исследовательской патологической анатомии в биотехнологической промышленности:

1. Первая разработка
Внедрение эффективных корреляционных технологий, сочетающих в себе преимущества методов иммунофлуоресцентной микроскопии для молекулярной характеристики типов клеток, органелл и для решения задачи доставки лекарственных средств или локализации терапевтических молекул с преимуществами метода электронной микроскопии для обеспечения ультраструктурного разрешения.

Несмотря на то, что в литературе встречаются описания нескольких стратегий корреляционной микроскопии, основные проблемы по-прежнему остаются нерешёнными. К ним можно отнести разработку оптимизированных методов пробоподготовки тканей, которые сохраняли бы как антигены, так и флуоресцентную метку белка в сочетании с превосходной ультраструктурой и контрастом мембран, а также внедрение простых технологий для получения и корреляции изображений оптической и электронной микроскопии.

ZEISS ZEN Connect, ZEISS Shuttle & Find и ZEISS Atlas — то, что нужно для достижения этих целей.

Пример корреляционной иммунофлуоресцентной и электронной микроскопической визуализации с помощью программного обеспечения  ZEISS Shuttle & Find. Наложение двух изображений очень хорошо показывает синее окрашивание ядер и зелёную флуоресценцию подокаликсина над подоцитами, которые полностью отображаются с помощью СЭМ. Оптическомикроскопические изображения получены с ZEISS Axio Imager 2, а электронномикроскопические — с ZEISS GeminiSEM 300.

2. Вторая разработка
Интерпретация, количественная оценка и анализ данных ультраструктурной визуализации будут значительно ускорены с помощью машинного обучения и искусственного интеллекта. Благодаря им станет возможна автоматическая сегментация ультраструктурных элементов (например, органелл).

3. Третья разработка
Исследователи будут всё чаще запрашивать 3D-массивы данных для более исчерпывающих оценок и анализов. Я полагаю, что упорядоченная томография серийных срезов, совместимая с корреляционной иммунофлуоресцентной и ультраструктурной визуализацией, а также серийная визуализация больших объёмов тканей ( ZEISS 3View, RMC Boeckeler ATUMtome) будут наиболее актуальны для нашей лаборатории электронной микроскопии.

Ранее основной проблемой методов объёмной электронной микроскопии была чрезвычайно трудоёмкая сегментация больших наборов данных изображений, из-за чего эти методы были не очень актуальны в биотехнологической промышленности, где инновации должны сочетаться с эффективностью и высокой автоматизацией.

Однако учитывая прогресс, достигнутый за последние годы в области разработки автоматизированных методов сегментации, эта задача, по-видимому, быстро решится, вследствие чего электронная микроскопия больших объемов также станет приобретать всё большее значение.

Дополнительная информация

Полный текст статьи с описанием метода доктора Райхельта.

Статьи, в которых описано, как доктор Райхельт реализовал этот метод:

Прямой микроскоп является распространенным видом оптических устройств. Принцип действия его ничем не отличается от обычных приборов. По отношению к объекту исследования объектив и осветительные элементы расположены по прямой схеме. Это означает, что объективы расположены в верхней части, а осветители – в нижней.

В прямом микроскопе исследуемый образец, находясь под объективом, в случае проходящего освещения освещается снизу конденсатором, а при отраженном освещении – сверху встроенным источником. Конденсатор представляет собой систему линз. Они образуют равномерный световой поток, позволяющий детально рассмотреть объект.

Свойства

1. Возможность проводить наблюдения такими методами: светлого и темного поля, фазового, а также интерференционного контраста, метод флуоресценции.
2. Проведение морфологических исследований.
3. Получение качественного изображения в зависимости от вида оптической системы:

4. Удобный механизм управления, представленный различными способами настройки фокуса, механизированной системой смены фильтров (диски со светофильтрами), позволяет автоматизировать процесс наблюдения живых клеток.
5. Кроме наблюдения микропрепарата можно проводить его фото- и видеосъемку, а также передавать и хранить результаты данных исследования.

Роль прямого микроскопа в лабораториях

Работу лабораторий невозможно представить без микроскопов. Модели прямого типа отлично подходят для выявления и исследования материалов и тканей. Полученные результаты исследований помогают поставить пациенту точный диагноз, контролировать лечение, и его эффективность.

Медицинский прямой микроскоп представлен моделями таких популярных представителей мирового рынка, как:

Современные оптические приборы для решения серьезных задач микроскопии оснащены комплектующими для подключения дополнительных функций: объективы, окуляры, конденсаторы темного поля, фазово-контрастные устройства. К прямому медицинскому микроскопу можно подключать камеру с программным обеспечением. Это дает возможность повысить эффективность исследования с целью качественной диагностики многих заболеваний. Также полученное электронное изображение можно не только наблюдать на экране ПК, но и продолжать с ним работать на компьютере.

Назначение прямых микроскопов

Имея под рукой современный микроскоп прямого типа, практически любой вид деятельности и окружающий мир становится понятным в мельчайших деталях.

Olympus LCF

Сравнительный микроскоп для металлографических исследований следов обработки и огнестрельного оружия. Соотношение увеличения равно 16:1. Оптический мост передает изображение в исходном виде с 22 мм полем зрения.

Olympus LCT

Сравнительный микроскоп для исследования биологических образцов. Конструкция разработана с учетом принципа модульности. Совместим с дискуссионной насадкой и наклонными смотровыми трубками.

Olympus CIX100

Система для контроля чистоты производства, металлографического анализа и ремонта электроники. Для вывода изображения с цифрового микроскопа применяется жидкокристаллический дисплей. Микроскоп имеет 6-позиционную револьверную головку и 3 объектива UIS2 в комплекте. Фокусировка моторизованная, настраивается с помощью 3-х осевого джойстика.

Olympus IX 73

Полумоторизованый инвертированный микроскоп проходящего света. Может быть модернизирован под нужды различных исследовательских задач благодаря модульной конструкции. Оснащен держателями для стекол, чашек Петри и многолуночных планшетов.

Olympus GX 53

Инвертированный микроскоп для применения в промышленной сфере. Модель подходит для светлопольной и темнопольной микроскопии, дифференциально-интерференционного контраста, простой поляризации и смешанного типа наблюдений. Для отраженного и проходящего света используются LED-лампы белого свечения высокой интенсивности.

Olympus IX 83

Полностью моторизованный инвертированный микроскоп с 6-ти позиционным револьвером для объективов. Предназначен для решения биологических и медицинских задач.

Olympus SZX 16

Стереоскопический микроскоп для задач биологической и медицинской направленности. Максимальный диапазон увеличений 2,1-690x. Стандартные планапохроматические объективы SDF отличаются высокими значениями числовых апертур.

IXplore Standard

Инвертированный световой микроскоп. Имеет моторизованный конденсор с большим рабочим расстоянием, 6-позиционный носик и 8-позиционную турель. Особенно эффективен для решения рутинных задач и флуоресцентной микроскопии.

IXplore Pro

Автоматизированный инвертированный микроскоп для многомерного наблюдения. Позволяет получать флуоресцентные изображения в высоком разрешении для создания оптических секций с деконволюцией. Поставляемое программное обеспечение позволяет проводить фазово-контрастный анализ и подсчет клеток.

IXplore Live

Исследовательский биологический микроскоп для визуализации живых клеток. Во время покадровых экспериментов рекомендуется использовать иммерсионный объектив с силиконовым маслом Olympus для получения более четких изображений образцов. Может быть оснащен инкубационным корпусом.

IXplore TIRF

Специализированный микроскоп инвертированного типа. Позволяет получать стабильную многоцветную визуализацию TIRF (флуоресценция полного внутреннего отражения). Флуоресцентный источник света — ртутная лампа 130 Вт.

Olympus BX 51WI

Исследовательский прямой микроскоп для физиологии. Позволяет применять светлопольный и темнопольный методы, а также простую поляризацию, дифференциально-интерференционный контраст и наблюдать флуоресценцию. Оснащен фиксированным предметным столиком с диапазоном перемещения 50мм x 43мм (в направлении X и Y).

IXplore Spin

Оснащен вращающимся диском для биологических наблюдений. Обладает большим полем зрения, высокой скоростью получения 3D изображений. Система обеспечивает длительную жизнеспособность клеток в экспериментах с замедленной съемкой. Совместимость с иммерсионными объективами.

Olympus BX 53

Полумоторизованный тринокулярный микроскоп. Доступны методы светлого и темного поля, фазового контраста, поляризация, дифференциально-интерференционный контраст и флуоресцентный метод. Может быть оснащен 4-х, 5-ти, 6-ти и 7-ми позиционным револьвером. Можно использовать иммерсионный объектив.

IXplore SpinSR

Конфокальный биологический микроскоп с супер-разрешением. Предназначен для быстрой трехмерной визуализации. Обеспечивает разрешение XY до 120 нм. Для большей четкости изображений может использоваться с иммерсионными объективами.

Olympus BX 53M

Может применяться в сфере промышленности или для ремонта электроники. Разработан по принципу модульности. Конструкция может быть дополнена промежуточными тубусами, фильтрами, поверхностями для предметного столика, держателями образцов, рукоятками и пр.

Как выбрать исследовательский микроскоп

Отдельную группу микроскопов, используемых для разных видов исследования, составляют исследовательские микроскопы. С помощью них удается проводить не только исследования гистологические и цитологические, но и гематологические и микробиологические. При этом каждое исследование требует свой микроскоп: так, например, для изучения тканей организма требуется микроскоп для гистологических исследований, а для изучения клеточного состава той или иной биологической жидкости, нужен профессиональный лабораторный биологический микроскоп. Биохимические микроскопы являются незаменимы в медицине, в сфере лабораторной диагностики и науке.

Независимо от того, какой это микроскоп, работа каждого из них построена на увеличении объекта, подлежащего исследованию и изучение его основных свойств и изменений.

Все эти микроскопы имеют отменную оптику, дополнительный источник света, состоят из набора объективов, а благодаря применению в них разного контраста и методик исследования они являются незаменимыми.

При выборе исследовательского микроскопа очень важно обращать внимание на наличие в нем освещения по Келлеру, должно быть изображение высокого качества, наличие иммерсионного объектива, фазового контраста, а также присутствие в нем оптики планахроматический и возможности использования цифровой камеры.

Медико-биологические микроскопы

Eclipse Ti2 обеспечивает уникальное поле зрения 25 мм. При таком большом поле зрения в Ti2 максимально увеличена площадь матрицы крупноформатных CMOS камер без какого-либо ухудшения качества, а также существенно повышена производительность

Инвертированный микроскоп Nikon Eclipse Ts2 для рутинных работ – это преемник модели Nikon Eclipse TS100 с улучшенной функциональностью и эффективностью при сохранении высокой надежности и качества исполнения оптики Eclipse TS100. Новый метод рельефного контрастирования (Emboss Contrast), разработанный компанией Nikon, легок в использовании и позволяет наблюдать клетки более эффективно, расширяя возможности для проведения фундаментальных исследований в области медицины и биологии

Инвертированный микроскоп Nikon Eclipse Ts2R – это новая модель в линейке Nikon. Микроскоп удобен в использовании и имеет большой выбор аксессуаров, что делает его незаменимым для решения задач в области медицины и биологии

Конфокальный микроскоп Nikon C2+ является на данный момент незаменимым инструментом для лабораторной микроскопии. Система C2+ имеет невысокую стоимость, она стабильна и проста в использовании и позволяет достичь скорости получения изображения 100 кадров в секунду, а также имеется возможность спектрального анализа.

Инновационная серия конфокальных сканирующих микроскопов А1+ компании Nikon позволяет получать высококачественные изображения клеток и молекулярных процессов с непревзойденной скоростью до 420 кадров в секунду. А1 удовлетворит самые изысканные требования в области визуализации. Возможен спектральный анализ и комплектация гибридным детектором на GaAsP

Мультифотонный конфокальный лазерный микроскоп А1MP+ компании Nikon позволяет визуализировать сверхглубокую динамику в живых организмах со скоростью до 420 кадров в секунду. Возможно использование инфракрасного лазера 1300 нм и нового детектора NDD, не требующего десканирования, на базе GaAsP с возможностью получения изображений на глубине свыше 1,4 мм

Система N-STORM поступается временным разрешением ради пространственного разрешения, обеспечивая невероятное пространственное разрешение изображения, приблизительно 20 нм, что в 10 или более раз превышает значение обычного оптического микроскопа. Микроскопия стохастической оптической реконструкции (STORM) теперь делает возможным наблюдение за межбелковыми взаимодействиями на молекулярном уровне

С помощью высокочастотного структурированного освещения модель N-SIM достигает разрешения в 115 нм, что ранее считалось недостижимым результатом для оптического микроскопа. Кроме того, обеспечивая временное разрешение 0,6 сек/кадр, микроскоп N-SIM делает возможным съемку с временным разрешением молекулярных взаимодействий живых
клеток с высоким пространственным разрешением. Живые образцы можно держать в оптимальных условиях окружающей среды с помощью инкубатора установленного на предметный столик и специально разработанного для N-SIM

Микроскопы серии ECLIPSE Ti являются инструментами, имеющими решающее значение для передовых исследований в биологии, медицине и фармацевтике. Продуманная автоматика и применение модульной концепции Nikon делают Ti идеальным для таких задач, как конфокальная микроскопия, FRET и фотообесцвечивание/фотоактивация для изучения взаимодействия флуоресцентных молекул белка в живых клетках и тканях. Микроскоп Ti поддерживает различные виды регистрации изображений и методы его анализа, такие как многомерная регистрация изображений через заданные интервалы времени для получения временной, пространственной и спектральной информации о быстрых, динамичных процессах в живых клетках

Компактная и эргономичная модель TS100 обеспечивает возможность проведения наблюдений в различных областях: культивирование клеток, проведение контрольных тестов и научных исследований. Микроскоп идеально подходит для наблюдения тканевых культур, измерений тромбоцитов и определения группы крови. Компактный корпус прочен и устойчив к вибрациям, что обеспечивает безопасность проведения исследований.

Медико-биологические микроскопы применяются в клеточной и молекулярной биологии, нейрофизиологии, фармацевтике, генетике, иммунологии, гистологии, цитологии, гематологии, патологии, ЭКО и ИКСИ.

Медицинские микроскопы используют для проведения клинических лабораторных анализов, фундаментальных научных исследований, образовательных сессий и экспериментов patch clamp.

На биологических микроскопах могут быть реализованы методики фотоактивации белков, восстановления после обесцвечивания (FRAP), FLIP, Ферстеровский резонансный перенос энергии (FRET), конфокальная и сверхразрешающая микроскопия, анализ FISH и кариотипирование.

Для цитирования:

Лебедев Г. С., Шадеркин И. А., Тертычный А. С., Шадеркина А. И. Цифровая патоморфология: создание системы автоматизированной микроскопии. Российский журнал телемедицины и электронного здравоохранения 2021;7

;27-47; https://doi.org/10.29188/2712-9217-2021-7-4-27-47

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Поиск статей производился в базе данных
Pubmed. Поиск по запросам «microscopes pathology», «digital pathology», «whole-slide imaging», «digital
scanning», «whole-slide scanning», «digital histology»,
«WSI deep learning», «virtual microscopy». Поиск информации о сканирующих микроскопах проводился
на сайтах разработчиков, в том числе из открытых
источников на данных сайтах, таких как брошюры, а
также сайте FDA. В ходе работы были найдены и
включены в обзор данные о 23 системах сканирования микроскопических препаратов.

ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОЦИФРОВАННЫХ ПРЕПАРАТОВ

Важно отметить, что в литературе существуют
два способа обозначения увеличения микроскопа,
связанные с особенностями его устройства. Некоторые авторы для обозначения увеличения перемножают увеличения
объектива и окуляра. Окуляр, как правило, на световом микроскопе имеет увеличение
x10, и при просмотре микропрепаратов увеличение
регулируется с помощью смены объективов. Данное
устоявшееся обозначение увеличения имеет свои
корни из сложившейся практики «ручной» оценки
микропрепаратов специалистами. Однако сканерах
полного сканирования используют обозначение увеличения в 10 раз меньше, что порождает недопонимание в литературе.
таким образом, увеличение x40
сканера будет эквивалентно увеличению x400 светового микроскопа, при условии использования
стандартного окуляра x10 и объектива x40.

Таблица 1. Возможности стандартной микроскопии и WSI микроскопии
Table 1. Capabilities of standard microscopy and WSI microscopy

МИКРОСКОПЫ И УСТРОЙСТВА, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СКАНИРОВАНИЯ

Поскольку во всех перечисленных выше исследованиях и статьях важной частью являлись сканирование и оцифровка
изображений, обязательным
звеном между предметным стеклом и изображением
на экране компьютера становятся микроскопы и сканеры. В настоящее время имеются конкретные решения, используемые
для оцифровки изображения.
Большая часть перечисленных ниже в обзоре микроскопов применяются в частных лабораториях,
имеют высокую стоимость и не во всех странах
имеют разрешение на применение в клинической
практике.

МИКРОСКОПЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ СКАНИРОВАНИЯ ПАТОЛОГОАНАТОМИЧЕСКИХ ПРЕПАРАТОВ

Помимо микроскопов-сканеров, используемых в специализированных патологоанатомических лабораториях, в настоящее
время создаются более доступные по стоимости и процессу
создания аналоги для оцифровки микроскопических препаратов.

Рис. 19. Sharkey J. P. и соавт. A one-piece 3D printed flexure translation stage for open-source
microscopy // Review of Scientific Instruments. 2016. № 2 (87). C. 025104
Fig. 19. Sharkey J. P. et al. A one-piece 3D printed flexure translation stage for open-source microscopy //
Review of Scientific Instruments. 2016. № 2 (87). C. 025104

Таблица 2. Сравнение характеристик микроскопов для WSI
Table 2. Comparison of characteristics of microscopes for WSI

ОБСУЖДЕНИЕ

Применение WSI позволяет собирать массивы
данных в научных исследованиях, на основе которых возможно глубокое машинное обучение для
распознавания паттернов различных заболеваний,
что также значительно облегчает работу врача-патологоанатома. Более подробный, чем при стандартной световой
микроскопии, анализ возможен
благодаря функционалу программных обеспечений – измерению расстояния между тканевыми
структурами на препарате, выделению участков интереса, комментированию структур.

Кроме того, применение WSI показало свою
эффективность в обучении будущих специалистов
благодаря наглядности материала и возможности
более продуктивного взаимодействия студентов и
преподавателей.

Другим ограничением является выявленная в
ходе мультицентровых исследований разница во
времени, которое врач-патологоанатом тратит на
анализ препарата на световом микроскопе и с помощью технологии WSI. В случае с оценкой оцифрованного препарата
время, затраченное на его
просмотр, незначительно больше. Однако данная
разница может быть связана с отсутствием опыта
в работе с новым способом анализа. Более того,
результаты исследований показали сопоставимость точности диагнозов, поставленных с помощью просмотра оцифрованных
препаратов и
стандартным методом. Важно отметить, что высокая скорость сканирования с помощью автоматизированных микроскопов, а
также потенциальное
применение искусственного интеллекта для помощи в определении гистологических структур и
постановке диагноза в совокупности снизят общую
нагрузку на врача-патологоанатома, что нивелирует разницу во времени анализа изображения.
Кроме того, программы для микроскопов позволяют хранить в цифровом виде не только изображения
патологоанатомических препаратов, но и
документацию пациента, что также облегчает работу с большими объемами данных.

На основе проведенного обзора возможно
создание классификации имеющихся в настоящее
время микроскопов, предназначенных для автоматизированного сканирования стекол с патологоанатомическими,
гистологическими и другими
препаратами.

КЛАССИФИКАЦИЯ МИКРОСКОПОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ПОЛНОГО СКАНИРОВАНИЯ СТЕКОЛ (WSI)

Данные микроскопы получили значительное
распространение в патологоанатомических лабораториях и в настоящее время применяются в том
числе и в России. Сканеры представляют собой
закрытые системы микроскопии, в которых камеры и объективы находятся внутри устройства,
а загрузку патологоанатомических препаратов
можно сравнить с работой дисковода. В сканеры,
используемые в лабораториях, возможно загрузка в среднем до 400 стекол. В совокупности
с высокой скоростью сканирования, работа такого микроскопа значительно оптимизирует работу с патологоанатомическим
материалом.
Стандартное увеличение, используемое в сканерах, это x20 и x40, а скорость сканирования достигает около минуты и
менее на одно стекло. На
микроскопах чаще всего возможно осуществление светлопольной микроскопии и иммуногистохимии. Функция «экстренного
сканирования»
позволяет производить сканирование препаратов
вне очереди, что является преимуществом в ситуациях, где нет возможности ожидать снимок.
Однако значительным ограничением является необходимость использования устройств для
окраски препаратов и специальной их подготовки, что необходимо для полноценной работы
данных микроскопов, поскольку сканеры могут
работать только с проприетарным видом стекол, и размеры стекол, толщина среза и его покрытие
значительно влияют на качество и в целом возможность оцифровки. По этой причине, а также
высокой стоимости данных устройств, их применение в удаленных лабораториях ограничено.
Размеры и масса микроскопов так же связаны с
целью их применения только в крупных центральных лабораториях и больницах. Другим ограничением является закрытость
самой системы микроскопии, что определяет небольшой выбор увеличений и видов микроскопии, а сканеры для
специализированных методов микроскопии, таких
как иммунофлюоресцентный, являются отдельными устройствами. Таким образом, характеристики микроскопов-сканеров
позволяют их применять только в крупных лабораториях с высоко
стандартизированными методами проведения патологоанатомических исследований, в которых
многие шаги автоматизированы. С одной стороны, это повышает качество данного вида исследования, с другой стороны,
высокая стоимость оборудования препятствует применению
систем микроскопии для замены врачей-патологоанатомов и лаборантов в районных больницах
и лабораториях.

Микроскопы, внешне сходные со световыми

Такие аппараты имеют размеры, аналогичные или незначительно меньше размеров стандартных световых микроскопов.
Внешнее сходство определяется открытостью сканирующих частей и наличием платформы, осуществляющей
автоматическое передвижение и имеющей место
для 1-8 стандартных предметных стекол, сменных
объективов, с помощью которых возможно сканирование препаратов на разных увеличениях.
Осветитель также чаще всего расположен под
предметным стеклом, а камера, фиксирующая передвижения препарата – над объективом, иногда –
вместо окуляра. Открытость данной системы позволяет проводить множество видов микроскопии,
поскольку смена объектива и свободный доступ
лаборанта к предметным стеклам обеспечивают
проведение масляной иммерсионной микроскопии, а добавление флюоресцентных источников
света делает возможным иммунофлюоресцентный и другие виды микроскопии. Такие микроскопы так же часто поддерживают
темнопольную
микроскопию. Проблема небольшого количества
стекол, для которых возможно запустить в последовательное сканирование, обычно решается добавлением специального
кейса, емкость
которого равна до 200 слайдов. Время, затрачиваемое на сканирование, обычно не отличается,
либо незначительно больше, чем у микроскоповсканеров. Значительным преимуществом большинства подобных сканеров
является использование любых видов предметных стекол, без
специальной подготовки материала. Такое преимущество делает возможным применение данных микроскопов в небольших
лабораториях или
удаленных больницах, где выбор лабораторных
диагностических устройств значительно зависит
от их стоимости. Возможность сканирования не
только стандартных препаратов с окраской гематоксилин-эозин, но и замороженных срезов, иммуногистохимических и
иммунофлюоресцентных
стекол значительно расширяют области применения таких устройств.

Компактные микроскопы, по размерам сопоставимые или меньше смартфона

Такие устройства разнообразны по исполнению и форме. Возможно выделить микроскопы, использующие собственную камеру
для создания
снимков, и устройства, требующие наличие смартфона с камерой. Преимуществом данных микроскопов являются небольшие
размеры, а также
возможность печати некоторых вариантов на 3D
принтере, что делает такую методику микроскопии
широко доступной благодаря низкой стоимости и
открытому доступу к 3D моделям. Однако такие
микроскопы используются для визуализации
структур, требующих небольшое увеличение, что
ограничивает применение данных устройств в патологической анатомии. Использование камеры
смартфона также влияет на качество получаемого
изображение, и потому оно напрямую зависит от
разрешения камеры. Кроме того, не все микроскопы работают по технологии WSI и возможность
сканирования патологоанатомического материала
полностью не всегда осуществима. Помимо неудобств, связанных с частичной оцифровкой изображения, не все устройства
могут сканировать
предметные стекла и требуют применения собственных способов фиксации препаратов. Поэтому
в настоящее время «карманные» микроскопы
могут быть применены скорее для обучения в биологии, энтомологии и ботанике, чем для клинической диагностики в
патологической анатомии.

Световые микроскопы с «навесным»
оборудованием для сканирования

Таблица 3. Преимущества и недостатки различных видов микроскопов для сканирования стекол
Table 3. Advantages and disadvantages of different types of microscopes for scanning glass

ВЫВОДЫ

Проведенный обзор литературы показал широкие возможности применения полного сканирования
морфологических материалов. Очевидна актуальность и потребность использования оцифровки гистологических и
цитологических препаратов во всех
сферах медицины, научной и учебной деятельности.
Широкое применение в научных исследованиях – поисках маркеров патологий, разработке анализа патологоанатомических
изображений на базе искусственного интеллекта, а также удобство в сравнении
эффективности лечения в проспективных исследованиях, обеспечивается возможностью длительного
хранение отсканированных изображений. Оцифровка не только препаратов с окраской гематоксилин-эозин, но и
иммуногистохимии, применение
флюоресцентных методов микроскопии, отвечает
современным методам исследования и диагностики
заболеваний. Доступ к данным с помощью интернета
из любой точки дает возможность создания консилиумов врачей, в том числе междисциплинарных, что
значительно влияет на качество анализа. Развивающаяся сфера телемедицины – телепатология – создает потребность в
разработке новых технологий, в
том числе микроскопов для сканирования и программ для анализа и хранения полученных изображений.

ЛИТЕРАТУРА

Ключевые слова:
телепатология; WSI (Whole slide imaging); световая микроскопия; цифровая патология

В настоящее время медицина уже не представляет своего существования без высокотехнологичного оборудования, которое применяется для постановки диагноза и проведения разнообразных, как консервативных, так и оперативных манипуляций. Одним видом оборудования, без которого просто невозможна современная диагностика в сфере охраны здравоохранения является микроскоп для медицинских исследований.

Все сферы и направления медицинской деятельности так либо иначе связаны с микроскопированием и медицина стала буквально зависима от этого оборудования как в диагностике, так и в лечении.

Первым использовал микроскоп для исследования

История микроскопа берет свое начало с 156 года, когда Захарий и Ханс Янсен, специалисты, занимающиеся производством очков, впервые собрали первый вариант микроскопа. Первым использовал микроскоп для исследования биологических объектов Роберт Гук, ученый, который издал труд под названием «Микрография», где микроскоп стал применяться в качестве инструмента для исследования клеток, где и был впервые упомянут этот термин. А в 1674 году Левенгук создает микроскоп, который дал возможность исследовать живых одноклеточных организмов.

Какой микроскоп выбрать для исследования клеток?

Выбор микроскопа напрямую зависит от области, где это оборудование будет эксплуатироваться, например, лабораторная диагностика биологических жидкостей, цитологическое, гистологическое исследование требует применения различных видов микроскопов.

Микроскоп для биохимических исследований

Какими микроскопами пользуются лаборанты, для которых рутинным является ежедневное выполнения анализов крови, в частности биохимических анализов? зачастую в медицинских лабораториях, а также медицинских учебных заведениях используются бинокулярные микроскопы, увеличение которых составляет от 40 до 2000 крат. Это весьма простые и комфортные микроскопы, на окулярную головку которых с легкостью можно поместить как монокулярную, так и тринокулярную насадку, при помощи последней можно соединять медицинский микроскоп с камерой, которая способна выводить полученное изображение на экран монитора. Окуляры, как правило, имеют широкое поле зрения. Головка у такого оборудования построена по револьверному принципу, что обеспечивает легкое и четкое вращение и смешу объективов.

В современных микроскопах установлена светодиодная осветительная система, которая не только подает более качественный и интенсивный световой потом, но и не повреждает нативные образцы.

Микроскоп исследование мазка

Микроскопия мазков также происходит с применением микроскопов с различными характеристиками и техникой проведения.

Микроскопирование мазков из урогенитального тракта зачастую проводят при помощи светового микроскопа. Может проводиться исследование как живых, так и убитых микроорганизмов, также мазки могут изучаться как без окрашивания, так и могут окрашиваться различными видами красителей, например, окрашивание метиленовым-синим, по методу Грама.

Микроскоп для микробиологических исследований

Достоинствами такого вида исследования являются:

Есть и некоторые недостатки:

При помощи микроскопии мазков из урогенитального тракта проводиться диагностика таких патологий, как кандидоз, гонорея, хламидиоз, трихомониаз и другие.

Для исследований такого рода может применяться темнопольная микроскопия, фазово-контрастная микроскопия. Кроме определения микроорганизмов в мазке определяется наличие и количественный состав лейкоцитов, эритроцитов.

Может применяться такой микроскоп для исследования клеток в мазке крови.

Микроскоп для гистологических исследований

Микроскоп для гистологических исследований предназначен для изучения микроструктуры биологических тканей. Применение оптического оборудования в соответствующей сфере строго регламентируется приказами. Во всех законодательных актах звучат такие формулировки, как «микроскоп лабораторный стандартный», «световой микроскоп», «фотомикроскоп».

Какие требования предъявляются для такого оборудования, как микроскоп для морфологических исследований?

Выбор микроскопа для гистологических исследований должен пасть на оборудование, обладающее следующими характеристиками:

Наиболее часто используемыми объективами в гистологических исследованиях является оптика с четыре-, десяти-, двадцати-, сорокакратным увеличением. Реже может использовать стократное увеличение.

Современные микроскопы обладают такой возможностью, как быстрая смена объективов, что позволяет выбрать наиболее комфортные условия для работы и получения качественного результата.

Часто ведется исследовательская работа с использованием микроскопа поляризационного. В чем отличия от светового микроскопа?

Можно сказать, что это модифицированный световой микроскоп, в котором установлены дополнительные поляризационные фильтры:

В гистологических исследованиях с применением микроскопии набирает обороты такое исследование, как иммуногистохимия, идентифицирующая онкоморфологические изменения тканей.

Макроскопическое исследование

Макроскопический метод исследования – это способ определения строения предмета или материала с помощью визуальной оценки или при небольших увеличениях (с применением лупы).

С помощью макроскопического изучения можно выявить следующие характеристики предмета:

Макроскопическое исследование – это важная часть микроскопического метода анализа. Оценив большой объект, и определив наиболее важные его участки, можно приступать к детальному их микроскопированию.

Чтобы провести макроанализ, необходимо взять часть образца, положить его на ровную поверхность, и осмотреть визуально внешние признаки. В результате такого анализа описываются диагностические признаки объекта.

Ознакомится с разнообразием моделей и купить микроскоп для исследований можно с помощью нашего каталога.

3DHISTECH PANNORAMIC DESK — это сканирующий микроскоп для небольшой патологоанатомической лаборатории. Функции светлопольного сканирования доступны в таком же качестве, как и у PANNORAMIC SCAN или PANNORAMIC MIDI.

Сканирующий микроскоп, рассчитанный на одно предметное стекло, подойдет для доступных телеконсультаций и сканирования в режиме светлого поля, а также для интраоперационной диагностики.