尿液有形成分分析儀及其在尿常規自動化分析中的應用進展

殷賢斌，朱曉麗，黃小玲，朱 翔，謝 萍，方中濤，許大海，趙 偲

（馬鞍山市臨床檢驗中心，安徽馬鞍山 243000）

0 引言

腎臟病是臨床常見的一類危害人體健康的重大疾病。近年來，我國學者做了許多相關調查研究，進一步揭示了我國人群中慢性腎臟病的發生率逐年升高的諸多原因，包括代謝異常、感染、腎血管病變、急性腎損傷[1]、乙肝相關性腎病[2]等。據估計，我國慢性腎臟病患者不低于歐美發達國家，可能達上億之多，給國家、社會、患者和家庭帶來巨大的醫療經濟負擔，是重要的公共衛生問題[3]。腎臟病的實驗室檢查已成為腎臟病學科的一個不可分割的部分，而尿沉渣中有形成分的檢測在部分腎臟病篩查和早期診斷[4]中發揮著愈來愈重要的作用[5]，已成為尿液常規檢查中必不可缺的重要手段，其對腎臟病預防、診斷、治療的價值[6]毋庸置疑。1983年以前尿液有形成分檢查一直停留在顯微鏡檢查法這一水平上，其技術延續了數百年。雖有許多改進的方法，如定量計數法、染色法，但仍以人工顯微鏡觀察技術為基礎。尿液有形成分檢查的自動化進程一般認為始于1983年美國國際遙控影像集團公司推出的尿沉渣檢查工作站——YellowIris。1990年，日本東亞公司與美國國際遙控影像集團公司合作，生產出影像流式細胞技術類型的UA-1000型尿液有形成分分析系統，但此分析系統的數據處理能力低、重復性差、生產成本高等因素導致其沒有普遍進入應用領域而夭折。1995年，日本Sysmex公司推出的UF-100型全自動尿液有形成分分析儀則將流式細胞技術和顆粒計數分析這一獨特技術應用于尿液有形成分自動化分析中，目前此類儀器使用較為普遍，已經有新型號的UF-1000i、UF-4000等產品問世。而在2000年前出現的戴西斯尿液有形成分數字影像拍攝系統則為數字圖像尿液有形成分分析儀的先例。2002年之后國內重慶天海醫療設備有限公司和長沙愛威科技有限公司開始研制具有自動識別能力的智能化數字圖像尿液有形成分分析系統[7]124-125。2010年后長春迪瑞開發出了流動技術的尿液有形成分分析儀并投入市場[8]。在臨床實驗室應用上，目前市面上無論何種原理和型號的尿液有形成分分析儀，對形態復雜或罕見的有形成分是無法正確識別的，再智能的儀器也不可能對尿液中幾十種有形成分均準確識別，仍然只能作為篩選手段。以下分析國內外尿液有形成分分析儀主流產品的工作原理和性能特點、臨床應用價值，以指導其更好地應用于臨床。

1 臨床常見的自動化尿液有形成分分析儀的分類及其工作原理、性能特點

1.1 自動化尿液有形成分分析儀的分類

目前，尿液有形成分分析儀大致分為以下兩類：

一類尿液有形成分分析儀集計算機技術、激光技術、流體力學、細胞化學于一體，以物理和化學方法對尿液中的有形成分進行測定。日本Sysmex公司生產的UF系列尿液有形成分分析儀是世界上唯一采用流式細胞技術、核酸染色對尿液有形成分進行檢測、分析的全自動化儀器。（1）主要優勢：標本用量少，無需離心；儀器在對標本稀釋染色過程中可消除尿液中尿酸鹽或磷酸鹽所形成的假管型干擾；可依據直方圖中紅細胞體積信息確定血尿來源；可提供電導率信息輔助臨床判斷腎臟對尿液的濃縮與稀釋功能。（2）美中不足：對于結晶和管型不能明確分類；對影紅細胞容易漏檢；無法提供尿液粒子的真實圖像，應依據規則復檢，導致人工顯微鏡復檢率高。

另一類為影像式尿液有形成分分析儀，其以數字圖像方法為基本原理，尿液在鞘流液中流經數字攝影裝置，在運動過程中拍攝數字圖像，或尿液流經進入各種規格的計數板，利用物理方法將其沉淀或使其保持一定的靜止狀態后拍攝數字圖像，最終依據儀器的圖像識別軟件完成尿液有形成分的分類和定量計數。（1）主要優勢：儀器定量準確，檢出率高，重復性好；直接提供拍攝的有形成分圖像，并可對圖片進行回顧性分析，大大減少了人工復檢率。（2）美中不足：測定過程中可能出現圖像不清晰、重疊等無法識別現象，應重新測定或使用顯微鏡復檢；要求操作者具有良好的尿液有形成分檢查基礎，否則圖像審核時易發生漏判、誤判。目前，市面上這類自動化尿液有形成分分析儀包括IQ200全自動尿液有形成分分析儀、科寶XS全自動尿液有形成分分析儀和UriSed全自動尿液有形成分分析儀。其中近年來新上市的尿液有形成分分析儀均為干化學和尿沉渣一體化儀器，如迪瑞系列的FUS-2000全自動尿液有形成分分析儀、LX-8000R全自動尿液有形成分分析系統、AVE772全自動尿液有形成分分析系統以及iRICELL全自動尿液分析流水線[9]和cobas 6500全自動模塊式尿液分析檢測系統[10]。

1.2 自動化尿液有形成分分析儀的工作原理

尿液有形成分自動化分析設備檢測原理主要分為3種，詳見表1。

表1 不同檢測原理尿液有形成分分析儀比較

1.2.1 核酸熒光染色技術（流式尿液有形成分分析系統）

其代表性儀器為UF-1000i全自動尿液有形成分分析儀，集半導體激光技術、鞘流技術和核酸熒光染色技術為一體[11]。為了更好地快速檢測尿液中出現的細菌和其他有形成分，該儀器特別設置了沉渣檢測通道和細菌檢測通道[12]。

1.2.2 數字化流式形態學（流式影像單個沉渣形態顯示技術）

其代表儀器為進口的IQ200全自動尿液有形成分分析儀和國產的長春迪瑞FUS系列尿液有形成分分析儀。

IQ200全自動尿液有形成分分析儀采用平面流式細胞技術配合高速攝影成像，并利用電荷耦合元件（charge-coupled device，CCD）攝像頭對得到的連續靜止的多幅尿沉渣粒子光學圖像進行光電轉換，有形成分的電子圖像信息可用于進一步計數和辨別分類。

長春迪瑞FUS系列全自動尿液有形成分分析儀采用流式細胞分析技術和數字成像分析技術相結合的影像式分析系統，通過提取有形成分灰度、幾何形狀、紋理、頻域信息等多種特征，進而對尿液中的管型、細胞、結晶、細菌等進行分類。

1.2.3 靜止式數字影像拍攝技術（全視野實景沉渣形態顯示技術）

其代表儀器為科寶XS全自動尿液有形成分分析儀、LX-8000R全自動尿液有形成分分析儀和cobas 6500全自動模塊式尿液分析檢測系統。

科寶XS全自動尿液有形成分分析儀通過對尿液自動沉淀，使尿液濃縮，儀器的顯微鏡系統對計數板條中的尿液有形成分進行分類和計數，并采用全視野實景成像系統獲得清晰的、類似于顯微鏡下的尿液有形成分圖像，整個分析過程自動完成。工作人員可直接在計算機屏幕上觀看圖像，從而更好地辨認尿液中的各類有形成分[13]，準確發出報告。

LX-8000R全自動尿液有形成分分析儀是集全自動尿液有形成分相差顯微鏡分析儀器和全自動尿液12項干化學分析儀器組成的多通道尿液分析系統。其采用醫學圖像信息掃描技術與智能分析技術，通過高科技的軟件系統對所控制的設備發出指令，在其運行過程中自動收集并拍取具有臨床意義的數字化圖像，圖像處理終端結合自身已經建立的強大數據庫對所接收的圖像進行處理，進而得出具有臨床價值的數據結論并將其整理成報告。

Cobas6500全自動模塊式尿液分析檢測系統[14]由cobasu701全自動尿液有形成分分析儀和cobasu601全自動尿液干化學分析儀組成。Cobasu701全自動尿液有形成分分析儀基于鏡檢的金標準方法，采用沉渣計數板離心尿液樣本，利用獨有的射頻識別技術，通過激光掃描獲得真實的顯微鏡圖像，并可回看全視野鏡檢圖，對顆粒進行自動運算識別和計數，減少了手工操作，可幫助臨床醫生獲得與傳統鏡檢高度一致的檢測結果，需要時還可進行人工修正或復查。Cobas u 601全自動尿液干化學分析儀檢測尿隱血、尿白細胞等原理與其他尿液干化學分析儀基本相同，但其檢測速度更快，每小時最快可達到240份標本。且cobas u 601全自動尿液干化學分析儀檢測試條配備獨立碘酸鹽夾層，能夠有效消除抗壞血酸（維生素C）的影響。其防潮設計的試紙盒穩定性大大提升，不僅提高了檢測準確性，還減少了耗材的消耗。

1.3 自動化尿液有形成分分析儀的性能特點

根據《尿液有形成分分析儀行業標準》的要求和ISO 15189體液學檢驗領域的應用說明：自動化尿沉渣分析儀性能驗證[15]的內容應包括重復性（批間精密度和批內精密度）、攜帶污染率和可報告范圍（線性）。根據各類文獻報道，UF-1000i[16]、IQ200[17]、FUS系列[18]、科寶XS[19]全自動尿液有形成分分析儀的精密度（批間和批內）、攜帶污染率和可報告范圍均符合要求，性能優良。

1.3.1 核酸熒光染色技術類尿液有形成分分析儀的性能特點

代表儀器UF-1000i全自動尿液有形成分分析儀可取新鮮尿液直接上機，無需離心；能對樣本進行熒光染色；分析速度達到100份標本/h；有多種進樣方式（手工0.8 ml，自動1.2 ml）；最小標本量達4 ml即可上機檢測。由于尿液中不同有形成分的顆粒大小、內部結構復雜性、核酸熒光強度的差異，產生的光學信號有明顯的特征，可根據紅、白細胞直方圖和散點圖得出最終結果。其主要特點是細菌計數[20]的測定采用獨立的細菌通道配合專用細菌特異性染液，有報道稱其可對菌落數濃度為102～103cfu/ml的樣本準確測定[21]。該儀器另一特點為可以通過前向散射光（forward scatter，FSC）獲得紅細胞的FSC直方圖得到其相關信息，用于判斷紅細胞來源，顯示非均一型、均一型或混合型。

1.3.2 數字化流式形態學類尿液有形成分分析儀的性能特點

代表儀器FUS系列和IQ200系列全自動尿液有形成分分析儀以顯微鏡數碼成像技術為基礎，無需離心，樣本不需要染色，依據型號不同測試速度為100～120份標本/h，最小標本量為2.0～3.0 ml。其主要特點是采用流式細胞技術和圖像分析技術，可對尿液中有形成分的形狀、大小、質地、對比度特征進行比對、判斷，可定量報告十二大類尿液有形成分（細胞、細菌[22]、管型[23]、非鱗狀上皮細胞等），每種成分均可在熒光屏上顯示其形態（單個細胞顯示）。

1.3.3 靜止式數字影像拍攝技術類尿液有形成分分析儀的性能特點

代表儀器科寶XS全自動尿液有形成分分析儀以顯微鏡數碼成像技術為基礎，自動離心沉淀，樣本不需要染色，測試速度為100份標本/h，最小標本量為2.0 ml。其主要特點是采用顯微鏡進行全視野高速攝像掃描，使用自動粒子識別分析技術進行檢測，并采用獨有的加速沉淀設計，從根本上保留了手工鏡檢中離心與非離心方法的優勢項目，最大程度接近人工鏡檢。

LX-8000R全自動尿液有形成分分析儀以顯微鏡數碼成像技術為基礎，無需離心，樣本不需要染色，測試速度為120份標本/h，最小標本量為2.5 ml。其主要特點是顯微鏡采用全自動相差顯微系統，通過全自動相差切換，有形成分在高倍鏡下呈現出相差效果，使尿液中有形成分更加清晰直觀。

Cobas 6500全自動模塊式尿液分析檢測系統中cobas u 701全自動尿液有形成分分析儀以顯微鏡數碼成像技術為基礎，自動離心沉淀，樣本不需要染色，測試速度為116份標本/h，最小標本量為2.3 ml。其主要特點為全部步驟標準化，真實圖片呈現，可得到客觀結果；無需使用任何液體試劑，自動確認結果和反向檢測，操作簡便，減少污染，節約時間，提升效率。另外所有圖片均可存在系統計算機中，可以根據需要隨時由檢驗師和醫師提取瀏覽。

2 自動化尿液有形成分分析儀的臨床應用

由于尿液中有形成分種類眾多（包括細胞、管型、結晶、寄生蟲等），形態各異，且易于變化、破損，可能會導致鑒別困難或不能識別，需要多年的工作經驗，因此傳統鏡檢一直為主要的檢查方式。但由于其方法的局限性，已無法滿足大批量標本的及時檢測。所以目前檢驗科超強度和超負荷的工作狀態就需要高質量的自動化儀器完成常規工作[24]。

2.1 核酸熒光染色技術類尿液有形成分分析儀的臨床應用

流式細胞術是20世紀70年代才發展起來的高科技分析技術，1995年日本Sysmex公司便以這一技術為基礎，推出了UF-100型全自動尿液有形成分分析儀，采用FSC和熒光測量技術[7]124。而2008年進入中國市場的UF-1000i全自動尿液有形成分分析儀采用激光散射檢測原理、流式細胞技術和熒光染色的方法對尿液有形成分進行檢測，除包括UF-100型全自動尿液有形成分分析儀的檢測技術外，還將側向散射光、熒光強度級別、電子基團作為多個檢測參數，有效提高了儀器的有形成分檢測能力[25]。有研究報道稱，UF-1000i全自動尿液有形成分分析儀白細胞檢測的誤診率明顯低于UF-100型全自動尿液有形成分分析儀[26]。此外，UF-1000i全自動尿液有形成分分析儀不僅可依據熒光染色和光散射強度報告紅、白細胞及管型計數結果，還能根據儀器的紅細胞位相圖上顯示的紅細胞體積、分布寬度信息，報告出尿紅細胞形態學指標（正?；虍惓＜t細胞及其所占比例），為臨床診斷腎性血尿和非腎性血尿提供參考依據[27]。尿滲透壓是反映腎臟濃縮功能是否受到早期損傷的有效、靈敏的重要指標，尿電導率可間接反映尿滲透壓的水平，故可作為評價尿液濃縮功能的重要參考項目。在UF系列尿液有形成分分析儀檢測臨床標本時，可得到尿電導率結果，其對判斷腎小管濃縮功能是否異常有著重要的臨床價值。另外，還可以將測定的尿電導率結果和紅細胞形態結果相聯系，判斷小紅細胞是高滲原因造成，還是其本身就是體積小，從而正確判斷紅細胞形態。細菌通道能夠高精度地檢測微小細菌并計數，并且可大致鑒別出以球菌為主還是桿菌為主。不足之處是不顯示各類有形成分形態，無法進一步通過圖像分辨細胞、結晶等有形成分。當結果有疑問時，必須通過人工顯微鏡復檢以確認結果，人工復檢率高，費時費力。

2.2 數字化流式形態學類尿液有形成分分析儀的臨床應用

世界上首款用于尿液有形成分分析的設備Yellow Iris于1983年用于臨床實驗室，其以電視攝像模式獲取尿液中有形成分圖像并進行分析，雖然該設備每小時僅能完成30個樣本的檢測，且必須由人在屏幕上確認各種有形成分，沒有自動化識別的功能，但畢竟開啟了自動化尿液有形成分分析的時代[7]124。該產品在2003—2008年轉變推出體積較為小巧的系列產品，稱為IQ200系列尿液有形成分分析儀[7]144。IQ200全自動尿液有形成分分析儀采用流式細胞技術高頻閃光源和電視攝像的光學系統及顆粒自動識別（auto particle recognize，APR）圖像分析軟件對處在鞘流液中心的檢測樣本進行自動分類計數。其可為操作員提供清晰的圖像，經過訓練的操作員識別粒子圖像很容易，這也大大提高了驗證過程的效率。此儀器是單個細胞顯示，一方面固定焦距的攝像鏡頭無法使這樣一個形態、大小各異的有形成分群體均在焦點上通過，另一方面由于細胞重疊、聚集等原因，對一些形態相似的尿液有形成分難以辨別，易發生漏判、錯判，應及時根據復檢規則行鏡檢。

2011年投入市場的國產FUS系列全自動尿液有形成分分析儀采用平面流式細胞技術與顯微高速成像技術，無需離心，能真實反映尿液中各有形成分的真實形態，最終準確定量尿液中有形成分數量[28]。但由于是單個細胞照片，對于其折光性、體積大小無法和別的細胞比對，特別當尿液中有與紅細胞相似的單水草酸鈣結晶時，常常被誤認為是紅細胞，而如果標本干化學隱血陽性，沒有觸犯復檢規則時，就可能發出紅細胞異常增高的報告，產生假陽性，導致臨床過度檢查和治療，也會給患者帶來不必要的經濟和精神負擔。但因其測試速度較快，對患者多、標本多的醫院檢驗科用于腎臟疾病的篩查[29]較為適合。

2.3 靜止式數字影像拍攝技術類尿液有形成分分析儀的臨床應用

2008年進入中國市場的科寶XS全自動尿液有形成分分析儀是具有全視野實景形態顯示的分析儀[30]，可以展示給工作人員高清晰度的實景尿沉渣全視野圖片，各類有形成分匯聚在同一視野，可以依據其大小、形態、有無顆粒，綜合整個視野背景正確判斷細胞（包括腫瘤細胞[31]）、管型。另采用獨有的加速沉淀設計，即采用加樣品到計數板中水平離心（2 000 r/min，10 s）的方法，保證了操作的檢出率、標準化[32]和規范化，同時由于低轉速短時間行水平離心，沉渣平鋪在計數板壁上，避免了細胞破壞、丟失及細胞下降不完全等現象。該設備還針對各類儀器容易和紅細胞混淆的草酸鈣結晶進一步分類，報告出單水草酸鈣結晶和雙水草酸鈣結晶，有助于草酸鈣結晶和紅細胞的區分，提高紅細胞識別的特異性，這也是不同于UF-1000i、IQ200和FUS系列全自動尿液有形成分分析儀的地方。同時，儀器帶有離心沉淀功能，使得尿液標本濃縮、聚集，有報道稱其抓拍病理成分的技術能力要高于單個沉渣形態顯示技術為原理的尿液有形成分分析儀[33]。但由于帶自動離心沉淀功能，細菌數往往超出正常范圍[34]，黏液絲陽性率也普遍增高，影響了透明管型判斷的正確性。且當標本含有大量的黏液絲時，紅細胞可能被其包裹、覆蓋，產生假陰性，特別是血尿、膿尿時，儀器提示無法計數，這也是遺憾之處。毋庸置疑，人工鏡檢依然是尿液有形成分識別的金標準。

2010年杭州隆鑫科技有限公司推出的LX-8000R全自動尿液有形成分分析儀實現了圖像自動聚焦，對有形成分沉淀層面進行多方位、多層次的掃描，確保儀器采集的圖像即人工鏡檢觀測到的圖像[35]，充分符合鏡檢金標準的要求，并有足夠的溯源性。其特有的相差裝置使顯微鏡視野中明暗反差大，有報道稱LX系列全自動尿液有形成分分析儀對腎小球性血尿有較高的臨床診斷價值（敏感度92.0%，特異度100%，診斷符合率96.3%）[36]。可認為使用該儀器進行紅細胞形態分析具有兩點創新：一是用一臺儀器實現紅細胞計數和形態分析2種功能；二是直接通過計算機屏幕分析紅細胞形態而不需使用顯微鏡，方便直觀，易于觀察分析。

2016年進入中國市場的cobas 6500全自動模塊式尿液分析檢測系統采用顯微鏡分析技術[10]對鏡下的有形成分進行數字化拍攝，可自動判讀識別12種常見有形成分并進行標注。余紅俊等[37]使用cobas 6500全自動模塊式尿液分析檢測系統前后的門診樣本和住院樣本數據表明，使用該系統大大地縮短了樣本周轉時間，從而更快助力臨床決策，更好地滿足臨床需求。其中cobas u 701全自動尿液有形成分分析儀作為一種獲取顯微鏡下有形成分實景圖像的設備，可以對類似于顯微鏡下的全視野實景圖像再次觀察和審核，且每一幅圖像上都會顯示每種微粒的數量，部分圖像可通過數碼技術進行放大顯示，提高了報告結果的可信性。

3 展望

自1983年第一臺尿液有形成分分析儀問世以來，尿液有形成分的自動化進程時間并非很長，經歷了20多年的初級階段進入中級階段，該設備的性能正逐漸提高[38]。隨著當今科技的飛速發展，人工智能正越來越多地被應用于尿液有形成分分析，使尿液有形成分檢測從純手工鏡檢到半自動尿液有形成分分析儀檢測及現在的全自動尿液有形成分分析系統檢測，大大減輕了檢驗工作者的勞動強度，滿足了其對儀器最直接、最基本的要求：準確、快速、方便。展望未來，尿液有形成分分析儀的發展趨勢如下：

（1）從尿液有形成分分析儀檢測原理分析，基于顯微鏡金標準方法的靜止式數字影像拍攝技術類尿液有形成分分析儀（全視野圖像法）正越來越受到廣泛關注，其操作標準可以達到規范化和一致性，分析結果也更具有客觀性，可幫助臨床醫生獲得與傳統鏡檢高度一致的結果，需要時還可進行人工修正或復查，是尿液檢驗領域必然的發展趨勢。

（2）近年來，多項研究顯示，當只依據尿液有形成分分析儀報告結果時（未結合尿液干化學分析結果），假陰性率、假陽性率不盡如人意[39]。但如果盲目增加顯微鏡復檢去提升靈敏度和特異度，自動化儀器將不能得到合理使用?！?016年尿液和糞便有形成分自動化分析研討會專家共識》中也指出：需結合尿液干化學和沉渣結果對尿液有形成分分析儀檢測結果進行復檢和審核。因此使用尿液有形成分分析儀結合尿液干化學分析儀組成的高度自動化、標準化、智能化的全自動尿液分析檢測系統進行尿常規分析，可降低假陰性率，提高檢測效率，是尿液檢驗領域發展的必然方向。

（3）大量研究表明，尿紅細胞形態學分析對腎性血尿和非腎性血尿的鑒別有著重要的參考價值[40]。以往由人工通過普通光學顯微鏡或相差顯微鏡（金標準）對尿紅細胞形態進行鑒別，數字圖像分析技術的成熟可為不同類型腎臟疾病的鑒別診斷提供更豐富、更客觀、更精確的指標。配有相差顯微鏡鏡頭的全自動尿液有形成分分析儀今后在臨床也會得到更大的推廣和應用。

綜合以上分析，集全自動尿液有形成分分析儀（以全視野實景沉渣形態顯示技術為原理，采用一次性計數板）和尿液干化學分析儀一體化的全自動尿液分析檢測系統是今后尿液有形成分分析儀發展的必然方向。

4 結語

每類尿液有形成分分析儀均有其獨到的一面[41]，但其最終都是為臨床服務，為患者的早日診斷[42]、康復提供準確、快速的檢驗結果，為醫生的診斷和治療提供幫助。在對各類尿液有形成分分析儀進行性能驗證時，以人工鏡檢為標準，儀器結果與鏡檢結果符合率并不盡如人意，特別是管型、異常細胞的ROC曲線[43]下面積大多在80%以下，即其敏感度和特異度較低。但如果以全視野實景顯示技術為基礎，輔以流式細胞術和細胞染色技術與干化學分析技術配合使用，組建成一個尿常規分析系統，增加報告尿電導率[44]、尿紅細胞形態等不被檢驗人員、臨床醫務人員（腎內科除外）重視但有重要臨床意義的項目，將會大大提高尿液有形成分分析的質量。發揮各類儀器的優勢，使得尿液分析做到科學化、標準化、規范化、自動化[45]，從而提高檢驗速度、降低工作人員勞動強度、逐步提高篩檢的正確性，更好地服務臨床，使尿液有形成分分析儀真正得到合理應用，這也是現在及將來應一直努力的方向。