尿液有形成分分析仪及其在尿常规自动化分析中的应用进展

殷贤斌，朱晓丽，黄小玲，朱 翔，谢 萍，方中涛，许大海，赵 偲

（马鞍山市临床检验中心，安徽马鞍山 243000）

0 引言

肾脏病是临床常见的一类危害人体健康的重大疾病。近年来，我国学者做了许多相关调查研究，进一步揭示了我国人群中慢性肾脏病的发生率逐年升高的诸多原因，包括代谢异常、感染、肾血管病变、急性肾损伤[1]、乙肝相关性肾病[2]等。据估计，我国慢性肾脏病患者不低于欧美发达国家，可能达上亿之多，给国家、社会、患者和家庭带来巨大的医疗经济负担，是重要的公共卫生问题[3]。肾脏病的实验室检查已成为肾脏病学科的一个不可分割的部分，而尿沉渣中有形成分的检测在部分肾脏病筛查和早期诊断[4]中发挥着愈来愈重要的作用[5]，已成为尿液常规检查中必不可缺的重要手段，其对肾脏病预防、诊断、治疗的价值[6]毋庸置疑。1983年以前尿液有形成分检查一直停留在显微镜检查法这一水平上，其技术延续了数百年。虽有许多改进的方法，如定量计数法、染色法，但仍以人工显微镜观察技术为基础。尿液有形成分检查的自动化进程一般认为始于1983年美国国际遥控影像集团公司推出的尿沉渣检查工作站——YellowIris。1990年，日本东亚公司与美国国际遥控影像集团公司合作，生产出影像流式细胞技术类型的UA-1000型尿液有形成分分析系统，但此分析系统的数据处理能力低、重复性差、生产成本高等因素导致其没有普遍进入应用领域而夭折。1995年，日本Sysmex公司推出的UF-100型全自动尿液有形成分分析仪则将流式细胞技术和颗粒计数分析这一独特技术应用于尿液有形成分自动化分析中，目前此类仪器使用较为普遍，已经有新型号的UF-1000i、UF-4000等产品问世。而在2000年前出现的戴西斯尿液有形成分数字影像拍摄系统则为数字图像尿液有形成分分析仪的先例。2002年之后国内重庆天海医疗设备有限公司和长沙爱威科技有限公司开始研制具有自动识别能力的智能化数字图像尿液有形成分分析系统[7]124-125。2010年后长春迪瑞开发出了流动技术的尿液有形成分分析仪并投入市场[8]。在临床实验室应用上，目前市面上无论何种原理和型号的尿液有形成分分析仪，对形态复杂或罕见的有形成分是无法正确识别的，再智能的仪器也不可能对尿液中几十种有形成分均准确识别，仍然只能作为筛选手段。以下分析国内外尿液有形成分分析仪主流产品的工作原理和性能特点、临床应用价值，以指导其更好地应用于临床。

1 临床常见的自动化尿液有形成分分析仪的分类及其工作原理、性能特点

1.1 自动化尿液有形成分分析仪的分类

目前，尿液有形成分分析仪大致分为以下两类：

一类尿液有形成分分析仪集计算机技术、激光技术、流体力学、细胞化学于一体，以物理和化学方法对尿液中的有形成分进行测定。日本Sysmex公司生产的UF系列尿液有形成分分析仪是世界上唯一采用流式细胞技术、核酸染色对尿液有形成分进行检测、分析的全自动化仪器。（1）主要优势：标本用量少，无需离心；仪器在对标本稀释染色过程中可消除尿液中尿酸盐或磷酸盐所形成的假管型干扰；可依据直方图中红细胞体积信息确定血尿来源；可提供电导率信息辅助临床判断肾脏对尿液的浓缩与稀释功能。（2）美中不足：对于结晶和管型不能明确分类；对影红细胞容易漏检；无法提供尿液粒子的真实图像，应依据规则复检，导致人工显微镜复检率高。

另一类为影像式尿液有形成分分析仪，其以数字图像方法为基本原理，尿液在鞘流液中流经数字摄影装置，在运动过程中拍摄数字图像，或尿液流经进入各种规格的计数板，利用物理方法将其沉淀或使其保持一定的静止状态后拍摄数字图像，最终依据仪器的图像识别软件完成尿液有形成分的分类和定量计数。（1）主要优势：仪器定量准确，检出率高，重复性好；直接提供拍摄的有形成分图像，并可对图片进行回顾性分析，大大减少了人工复检率。（2）美中不足：测定过程中可能出现图像不清晰、重叠等无法识别现象，应重新测定或使用显微镜复检；要求操作者具有良好的尿液有形成分检查基础，否则图像审核时易发生漏判、误判。目前，市面上这类自动化尿液有形成分分析仪包括IQ200全自动尿液有形成分分析仪、科宝XS全自动尿液有形成分分析仪和UriSed全自动尿液有形成分分析仪。其中近年来新上市的尿液有形成分分析仪均为干化学和尿沉渣一体化仪器，如迪瑞系列的FUS-2000全自动尿液有形成分分析仪、LX-8000R全自动尿液有形成分分析系统、AVE772全自动尿液有形成分分析系统以及iRICELL全自动尿液分析流水线[9]和cobas 6500全自动模块式尿液分析检测系统[10]。

1.2 自动化尿液有形成分分析仪的工作原理

尿液有形成分自动化分析设备检测原理主要分为3种，详见表1。

表1 不同检测原理尿液有形成分分析仪比较

1.2.1 核酸荧光染色技术（流式尿液有形成分分析系统）

其代表性仪器为UF-1000i全自动尿液有形成分分析仪，集半导体激光技术、鞘流技术和核酸荧光染色技术为一体[11]。为了更好地快速检测尿液中出现的细菌和其他有形成分，该仪器特别设置了沉渣检测通道和细菌检测通道[12]。

1.2.2 数字化流式形态学（流式影像单个沉渣形态显示技术）

其代表仪器为进口的IQ200全自动尿液有形成分分析仪和国产的长春迪瑞FUS系列尿液有形成分分析仪。

IQ200全自动尿液有形成分分析仪采用平面流式细胞技术配合高速摄影成像，并利用电荷耦合元件（charge-coupled device，CCD）摄像头对得到的连续静止的多幅尿沉渣粒子光学图像进行光电转换，有形成分的电子图像信息可用于进一步计数和辨别分类。

长春迪瑞FUS系列全自动尿液有形成分分析仪采用流式细胞分析技术和数字成像分析技术相结合的影像式分析系统，通过提取有形成分灰度、几何形状、纹理、频域信息等多种特征，进而对尿液中的管型、细胞、结晶、细菌等进行分类。

1.2.3 静止式数字影像拍摄技术（全视野实景沉渣形态显示技术）

其代表仪器为科宝XS全自动尿液有形成分分析仪、LX-8000R全自动尿液有形成分分析仪和cobas 6500全自动模块式尿液分析检测系统。

科宝XS全自动尿液有形成分分析仪通过对尿液自动沉淀，使尿液浓缩，仪器的显微镜系统对计数板条中的尿液有形成分进行分类和计数，并采用全视野实景成像系统获得清晰的、类似于显微镜下的尿液有形成分图像，整个分析过程自动完成。工作人员可直接在计算机屏幕上观看图像，从而更好地辨认尿液中的各类有形成分[13]，准确发出报告。

LX-8000R全自动尿液有形成分分析仪是集全自动尿液有形成分相差显微镜分析仪器和全自动尿液12项干化学分析仪器组成的多通道尿液分析系统。其采用医学图像信息扫描技术与智能分析技术，通过高科技的软件系统对所控制的设备发出指令，在其运行过程中自动收集并拍取具有临床意义的数字化图像，图像处理终端结合自身已经建立的强大数据库对所接收的图像进行处理，进而得出具有临床价值的数据结论并将其整理成报告。

Cobas6500全自动模块式尿液分析检测系统[14]由cobasu701全自动尿液有形成分分析仪和cobasu601全自动尿液干化学分析仪组成。Cobasu701全自动尿液有形成分分析仪基于镜检的金标准方法，采用沉渣计数板离心尿液样本，利用独有的射频识别技术，通过激光扫描获得真实的显微镜图像，并可回看全视野镜检图，对颗粒进行自动运算识别和计数，减少了手工操作，可帮助临床医生获得与传统镜检高度一致的检测结果，需要时还可进行人工修正或复查。Cobas u 601全自动尿液干化学分析仪检测尿隐血、尿白细胞等原理与其他尿液干化学分析仪基本相同，但其检测速度更快，每小时最快可达到240份标本。且cobas u 601全自动尿液干化学分析仪检测试条配备独立碘酸盐夹层，能够有效消除抗坏血酸（维生素C）的影响。其防潮设计的试纸盒稳定性大大提升，不仅提高了检测准确性，还减少了耗材的消耗。

1.3 自动化尿液有形成分分析仪的性能特点

根据《尿液有形成分分析仪行业标准》的要求和ISO 15189体液学检验领域的应用说明：自动化尿沉渣分析仪性能验证[15]的内容应包括重复性（批间精密度和批内精密度）、携带污染率和可报告范围（线性）。根据各类文献报道，UF-1000i[16]、IQ200[17]、FUS系列[18]、科宝XS[19]全自动尿液有形成分分析仪的精密度（批间和批内）、携带污染率和可报告范围均符合要求，性能优良。

1.3.1 核酸荧光染色技术类尿液有形成分分析仪的性能特点

代表仪器UF-1000i全自动尿液有形成分分析仪可取新鲜尿液直接上机，无需离心；能对样本进行荧光染色；分析速度达到100份标本/h；有多种进样方式（手工0.8 ml，自动1.2 ml）；最小标本量达4 ml即可上机检测。由于尿液中不同有形成分的颗粒大小、内部结构复杂性、核酸荧光强度的差异，产生的光学信号有明显的特征，可根据红、白细胞直方图和散点图得出最终结果。其主要特点是细菌计数[20]的测定采用独立的细菌通道配合专用细菌特异性染液，有报道称其可对菌落数浓度为102～103cfu/ml的样本准确测定[21]。该仪器另一特点为可以通过前向散射光（forward scatter，FSC）获得红细胞的FSC直方图得到其相关信息，用于判断红细胞来源，显示非均一型、均一型或混合型。

1.3.2 数字化流式形态学类尿液有形成分分析仪的性能特点

代表仪器FUS系列和IQ200系列全自动尿液有形成分分析仪以显微镜数码成像技术为基础，无需离心，样本不需要染色，依据型号不同测试速度为100～120份标本/h，最小标本量为2.0～3.0 ml。其主要特点是采用流式细胞技术和图像分析技术，可对尿液中有形成分的形状、大小、质地、对比度特征进行比对、判断，可定量报告十二大类尿液有形成分（细胞、细菌[22]、管型[23]、非鳞状上皮细胞等），每种成分均可在荧光屏上显示其形态（单个细胞显示）。

1.3.3 静止式数字影像拍摄技术类尿液有形成分分析仪的性能特点

代表仪器科宝XS全自动尿液有形成分分析仪以显微镜数码成像技术为基础，自动离心沉淀，样本不需要染色，测试速度为100份标本/h，最小标本量为2.0 ml。其主要特点是采用显微镜进行全视野高速摄像扫描，使用自动粒子识别分析技术进行检测，并采用独有的加速沉淀设计，从根本上保留了手工镜检中离心与非离心方法的优势项目，最大程度接近人工镜检。

LX-8000R全自动尿液有形成分分析仪以显微镜数码成像技术为基础，无需离心，样本不需要染色，测试速度为120份标本/h，最小标本量为2.5 ml。其主要特点是显微镜采用全自动相差显微系统，通过全自动相差切换，有形成分在高倍镜下呈现出相差效果，使尿液中有形成分更加清晰直观。

Cobas 6500全自动模块式尿液分析检测系统中cobas u 701全自动尿液有形成分分析仪以显微镜数码成像技术为基础，自动离心沉淀，样本不需要染色，测试速度为116份标本/h，最小标本量为2.3 ml。其主要特点为全部步骤标准化，真实图片呈现，可得到客观结果；无需使用任何液体试剂，自动确认结果和反向检测，操作简便，减少污染，节约时间，提升效率。另外所有图片均可存在系统计算机中，可以根据需要随时由检验师和医师提取浏览。

2 自动化尿液有形成分分析仪的临床应用

由于尿液中有形成分种类众多（包括细胞、管型、结晶、寄生虫等），形态各异，且易于变化、破损，可能会导致鉴别困难或不能识别，需要多年的工作经验，因此传统镜检一直为主要的检查方式。但由于其方法的局限性，已无法满足大批量标本的及时检测。所以目前检验科超强度和超负荷的工作状态就需要高质量的自动化仪器完成常规工作[24]。

2.1 核酸荧光染色技术类尿液有形成分分析仪的临床应用

流式细胞术是20世纪70年代才发展起来的高科技分析技术，1995年日本Sysmex公司便以这一技术为基础，推出了UF-100型全自动尿液有形成分分析仪，采用FSC和荧光测量技术[7]124。而2008年进入中国市场的UF-1000i全自动尿液有形成分分析仪采用激光散射检测原理、流式细胞技术和荧光染色的方法对尿液有形成分进行检测，除包括UF-100型全自动尿液有形成分分析仪的检测技术外，还将侧向散射光、荧光强度级别、电子基团作为多个检测参数，有效提高了仪器的有形成分检测能力[25]。有研究报道称，UF-1000i全自动尿液有形成分分析仪白细胞检测的误诊率明显低于UF-100型全自动尿液有形成分分析仪[26]。此外，UF-1000i全自动尿液有形成分分析仪不仅可依据荧光染色和光散射强度报告红、白细胞及管型计数结果，还能根据仪器的红细胞位相图上显示的红细胞体积、分布宽度信息，报告出尿红细胞形态学指标（正常或异常红细胞及其所占比例），为临床诊断肾性血尿和非肾性血尿提供参考依据[27]。尿渗透压是反映肾脏浓缩功能是否受到早期损伤的有效、灵敏的重要指标，尿电导率可间接反映尿渗透压的水平，故可作为评价尿液浓缩功能的重要参考项目。在UF系列尿液有形成分分析仪检测临床标本时，可得到尿电导率结果，其对判断肾小管浓缩功能是否异常有着重要的临床价值。另外，还可以将测定的尿电导率结果和红细胞形态结果相联系，判断小红细胞是高渗原因造成，还是其本身就是体积小，从而正确判断红细胞形态。细菌通道能够高精度地检测微小细菌并计数，并且可大致鉴别出以球菌为主还是杆菌为主。不足之处是不显示各类有形成分形态，无法进一步通过图像分辨细胞、结晶等有形成分。当结果有疑问时，必须通过人工显微镜复检以确认结果，人工复检率高，费时费力。

2.2 数字化流式形态学类尿液有形成分分析仪的临床应用

世界上首款用于尿液有形成分分析的设备Yellow Iris于1983年用于临床实验室，其以电视摄像模式获取尿液中有形成分图像并进行分析，虽然该设备每小时仅能完成30个样本的检测，且必须由人在屏幕上确认各种有形成分，没有自动化识别的功能，但毕竟开启了自动化尿液有形成分分析的时代[7]124。该产品在2003—2008年转变推出体积较为小巧的系列产品，称为IQ200系列尿液有形成分分析仪[7]144。IQ200全自动尿液有形成分分析仪采用流式细胞技术高频闪光源和电视摄像的光学系统及颗粒自动识别（auto particle recognize，APR）图像分析软件对处在鞘流液中心的检测样本进行自动分类计数。其可为操作员提供清晰的图像，经过训练的操作员识别粒子图像很容易，这也大大提高了验证过程的效率。此仪器是单个细胞显示，一方面固定焦距的摄像镜头无法使这样一个形态、大小各异的有形成分群体均在焦点上通过，另一方面由于细胞重叠、聚集等原因，对一些形态相似的尿液有形成分难以辨别，易发生漏判、错判，应及时根据复检规则行镜检。

2011年投入市场的国产FUS系列全自动尿液有形成分分析仪采用平面流式细胞技术与显微高速成像技术，无需离心，能真实反映尿液中各有形成分的真实形态，最终准确定量尿液中有形成分数量[28]。但由于是单个细胞照片，对于其折光性、体积大小无法和别的细胞比对，特别当尿液中有与红细胞相似的单水草酸钙结晶时，常常被误认为是红细胞，而如果标本干化学隐血阳性，没有触犯复检规则时，就可能发出红细胞异常增高的报告，产生假阳性，导致临床过度检查和治疗，也会给患者带来不必要的经济和精神负担。但因其测试速度较快，对患者多、标本多的医院检验科用于肾脏疾病的筛查[29]较为适合。

2.3 静止式数字影像拍摄技术类尿液有形成分分析仪的临床应用

2008年进入中国市场的科宝XS全自动尿液有形成分分析仪是具有全视野实景形态显示的分析仪[30]，可以展示给工作人员高清晰度的实景尿沉渣全视野图片，各类有形成分汇聚在同一视野，可以依据其大小、形态、有无颗粒，综合整个视野背景正确判断细胞（包括肿瘤细胞[31]）、管型。另采用独有的加速沉淀设计，即采用加样品到计数板中水平离心（2 000 r/min，10 s）的方法，保证了操作的检出率、标准化[32]和规范化，同时由于低转速短时间行水平离心，沉渣平铺在计数板壁上，避免了细胞破坏、丢失及细胞下降不完全等现象。该设备还针对各类仪器容易和红细胞混淆的草酸钙结晶进一步分类，报告出单水草酸钙结晶和双水草酸钙结晶，有助于草酸钙结晶和红细胞的区分，提高红细胞识别的特异性，这也是不同于UF-1000i、IQ200和FUS系列全自动尿液有形成分分析仪的地方。同时，仪器带有离心沉淀功能，使得尿液标本浓缩、聚集，有报道称其抓拍病理成分的技术能力要高于单个沉渣形态显示技术为原理的尿液有形成分分析仪[33]。但由于带自动离心沉淀功能，细菌数往往超出正常范围[34]，黏液丝阳性率也普遍增高，影响了透明管型判断的正确性。且当标本含有大量的黏液丝时，红细胞可能被其包裹、覆盖，产生假阴性，特别是血尿、脓尿时，仪器提示无法计数，这也是遗憾之处。毋庸置疑，人工镜检依然是尿液有形成分识别的金标准。

2010年杭州隆鑫科技有限公司推出的LX-8000R全自动尿液有形成分分析仪实现了图像自动聚焦，对有形成分沉淀层面进行多方位、多层次的扫描，确保仪器采集的图像即人工镜检观测到的图像[35]，充分符合镜检金标准的要求，并有足够的溯源性。其特有的相差装置使显微镜视野中明暗反差大，有报道称LX系列全自动尿液有形成分分析仪对肾小球性血尿有较高的临床诊断价值（敏感度92.0%，特异度100%，诊断符合率96.3%）[36]。可认为使用该仪器进行红细胞形态分析具有两点创新：一是用一台仪器实现红细胞计数和形态分析2种功能；二是直接通过计算机屏幕分析红细胞形态而不需使用显微镜，方便直观，易于观察分析。

2016年进入中国市场的cobas 6500全自动模块式尿液分析检测系统采用显微镜分析技术[10]对镜下的有形成分进行数字化拍摄，可自动判读识别12种常见有形成分并进行标注。余红俊等[37]使用cobas 6500全自动模块式尿液分析检测系统前后的门诊样本和住院样本数据表明，使用该系统大大地缩短了样本周转时间，从而更快助力临床决策，更好地满足临床需求。其中cobas u 701全自动尿液有形成分分析仪作为一种获取显微镜下有形成分实景图像的设备，可以对类似于显微镜下的全视野实景图像再次观察和审核，且每一幅图像上都会显示每种微粒的数量，部分图像可通过数码技术进行放大显示，提高了报告结果的可信性。

3 展望

自1983年第一台尿液有形成分分析仪问世以来，尿液有形成分的自动化进程时间并非很长，经历了20多年的初级阶段进入中级阶段，该设备的性能正逐渐提高[38]。随着当今科技的飞速发展，人工智能正越来越多地被应用于尿液有形成分分析，使尿液有形成分检测从纯手工镜检到半自动尿液有形成分分析仪检测及现在的全自动尿液有形成分分析系统检测，大大减轻了检验工作者的劳动强度，满足了其对仪器最直接、最基本的要求：准确、快速、方便。展望未来，尿液有形成分分析仪的发展趋势如下：

（1）从尿液有形成分分析仪检测原理分析，基于显微镜金标准方法的静止式数字影像拍摄技术类尿液有形成分分析仪（全视野图像法）正越来越受到广泛关注，其操作标准可以达到规范化和一致性，分析结果也更具有客观性，可帮助临床医生获得与传统镜检高度一致的结果，需要时还可进行人工修正或复查，是尿液检验领域必然的发展趋势。

（2）近年来，多项研究显示，当只依据尿液有形成分分析仪报告结果时（未结合尿液干化学分析结果），假阴性率、假阳性率不尽如人意[39]。但如果盲目增加显微镜复检去提升灵敏度和特异度，自动化仪器将不能得到合理使用。《2016年尿液和粪便有形成分自动化分析研讨会专家共识》中也指出：需结合尿液干化学和沉渣结果对尿液有形成分分析仪检测结果进行复检和审核。因此使用尿液有形成分分析仪结合尿液干化学分析仪组成的高度自动化、标准化、智能化的全自动尿液分析检测系统进行尿常规分析，可降低假阴性率，提高检测效率，是尿液检验领域发展的必然方向。

（3）大量研究表明，尿红细胞形态学分析对肾性血尿和非肾性血尿的鉴别有着重要的参考价值[40]。以往由人工通过普通光学显微镜或相差显微镜（金标准）对尿红细胞形态进行鉴别，数字图像分析技术的成熟可为不同类型肾脏疾病的鉴别诊断提供更丰富、更客观、更精确的指标。配有相差显微镜镜头的全自动尿液有形成分分析仪今后在临床也会得到更大的推广和应用。

综合以上分析，集全自动尿液有形成分分析仪（以全视野实景沉渣形态显示技术为原理，采用一次性计数板）和尿液干化学分析仪一体化的全自动尿液分析检测系统是今后尿液有形成分分析仪发展的必然方向。

4 结语

每类尿液有形成分分析仪均有其独到的一面[41]，但其最终都是为临床服务，为患者的早日诊断[42]、康复提供准确、快速的检验结果，为医生的诊断和治疗提供帮助。在对各类尿液有形成分分析仪进行性能验证时，以人工镜检为标准，仪器结果与镜检结果符合率并不尽如人意，特别是管型、异常细胞的ROC曲线[43]下面积大多在80%以下，即其敏感度和特异度较低。但如果以全视野实景显示技术为基础，辅以流式细胞术和细胞染色技术与干化学分析技术配合使用，组建成一个尿常规分析系统，增加报告尿电导率[44]、尿红细胞形态等不被检验人员、临床医务人员（肾内科除外）重视但有重要临床意义的项目，将会大大提高尿液有形成分分析的质量。发挥各类仪器的优势，使得尿液分析做到科学化、标准化、规范化、自动化[45]，从而提高检验速度、降低工作人员劳动强度、逐步提高筛检的正确性，更好地服务临床，使尿液有形成分分析仪真正得到合理应用，这也是现在及将来应一直努力的方向。