用于犬睾丸肿瘤组织病理学分类的深度学习框架

《The Veterinary Journal》:A deep learning framework for histopathological classification of canine testicular tumours

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年09月15日 来源:The Veterinary Journal 3.1

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   摘要睾丸肿瘤在犬中常见,其组织病理学分类在某些情况下可能具有挑战性,特别是当形态学模式重叠时,这可能会影响诊断一致性和病例管理。在本研究中,我们提出了一种基于人工智能(AI)的计算病理学方法,用于从数字化苏木精 - 伊红染色的全切片图像(WSIs)中自动分类三种主要的犬睾丸肿

  

摘要

睾丸肿瘤在犬中常见,其组织病理学分类在某些情况下可能具有挑战性,特别是当形态学模式重叠时,这可能会影响诊断一致性和病例管理。在本研究中,我们提出了一种基于人工智能(AI)的计算病理学方法,用于从数字化苏木精 - 伊红染色的全切片图像(WSIs)中自动分类三种主要的犬睾丸肿瘤(精原细胞瘤、莱迪希细胞瘤和支持细胞瘤)。为此,我们从那不勒斯费德里科二世大学 DIPSA 实验室的档案中收集了 200 份组织学 WSI,来自 200 只经组织学诊断患有睾丸肿瘤的雄性犬。我们微调了来自 WSI 的图块上的 EfficientNet-B4 卷积神经网络(CNN),并使用 WSI 级别分区的 5 折交叉验证评估了性能。此外,我们实施了一个基于注意力的多示例学习(ABMIL)框架,作为 WSI 级别分类的互补弱监督方法。微调后的 EfficientNet-B4 模型提供了最强的图块级别区分能力,而在评估的 WSI 级别方法中,采用平均概率聚合的逻辑回归实现了最高的 WSI 级别性能(准确率 0.84 ± 0.07)。此外,ABMIL 框架显示出有竞争力的 WSI 级别性能,准确率达到 0.80 ± 0.04。最后,Grad-CAM 热图显示微调后的 CNN 集中在组织学相关的肿瘤区域。总体而言,我们的发现支持基于 AI 的犬睾丸肿瘤 WSI 级别组织病理学分类的可行性,并为兽医病理学家决策支持工具的开发提供了概念验证。

引言

在犬生殖系统肿瘤中,睾丸肿瘤是一个常见的诊断发现,特别是在老年犬中(Grieco et al., 2008, Mosier, 1989, Riccio et al., 2026)。最常见的组织学睾丸肿瘤类型包括精原细胞瘤、莱迪希细胞瘤和支持细胞瘤(Orlandi et al., 2022)。从常规显微镜到数字化 WSIs 的转变加速了数字病理学的发展,为计算图像分析、算法决策支持和数据共享创造了新的机会(Aeffner et al., 2019, Ancheta et al., 2024, Prasad et al., 2025)。在这种背景下,AI 系统代表了兽医师理学的一项潜在创新,为特定形态学模式的可重复分析提供了工具(Fotouh, 2025, Rogers et al., 2024, Xiao et al., 2025)。这些系统可以通过识别与分类相关的图像区域和支持数字化组织切片片的解读来协助病理学家和研究人员(Ahmed et al., 2022, Campanella et al., 2019)。在特征学习方法中,深度学习算法,特别是卷积神经网络(CNNs),已被广泛应用于数字切片,因为它们可以学习层次表示并检测可能逃过人工评估的形态变化(Amaral et al., 2024, Gertych et al., 2019, Ponzio et al., 2019, Sarvamangala and Kulkarni, 2022)。在不同的物种和组织背景下,基于 AI 的计算病理学已被应用于从人类乳腺和肺癌分类到犬皮肤肥大细胞瘤中诊断信息区域定位的任务(Aubreville et al., 2020, Coudray et al., 2018, Sajiv and Ramkumar, 2023a, Sajiv and Ramkumar, 2023b, Sajiv and Ramkumar, 2023c)。除了组织病理学分类外,基于 AI 的方法也已应用于肿瘤学的不同领域,包括图像增强、肿瘤检测和早期诊断,以及个性化治疗计划(Balakrishna et al., 2025, Kumar et al., 2026, Sajiv and Meenakshisundaram, 2025, Sivakumar et al., 2023)。尽管取得了这些进展,基于 AI 的工具在兽医师理学中的实施仍然有限,主要是由于缺乏标注图像数据集和标准化验证协议(Abels et al., 2019, Battazza et al., 2024, Prasad et al., 2025, Zuraw and Aeffner, 2022)。鉴于这些因素,在我们的研究中,我们将这些方法具体应用于犬睾丸病理学,在同一验证框架内整合了互补的图块级别和 WSI 级别分类策略。这种设计允许在更具诊断意义的切片级别分类的同时评估局部形态区分,而 Grad-CAM 分析则提供了对贡献于 CNN 预测的组织学区域的评估。因此,本研究的目标是:(1) 开发并评估一个可重复的人工智能框架,用于从全切片图像中自动分类三种主要的犬睾丸肿瘤;(2) 比较互补的图块级别和切片级别建模策略;(3) 通过 Grad-CAM 评估 CNN 的可解释性。

章节片段

伦理批准与样本收集

所有程序均按照欧盟指令 2010/63/EU 进行,并得到那不勒斯费德里科二世大学动物伦理护理和使用委员会的批准(协议号:PG/2023/0029409;批准日期:2023 年 3 月 10 日)。样本仅在常规绝育手术过程中收集;未进行额外程序用于研究目的,且未出于本研究目的安乐死任何动物。

组织病理学处理与 WSI 获取

来自病例的苏木精 - 伊红(H&E)染色玻片

组织病理学特征

组织病理学检查揭示了三种肿瘤类型之间不同的形态特征。精原细胞瘤由相对均匀的生殖细胞组成,排列成由纤维间隔分隔的叶(黑箭头)。莱迪希细胞瘤由具有嗜酸性细胞质的多边形间质细胞组成(星号)。支持细胞瘤的特征是细长的柱状细胞排列成管状结构(黑箭头)。每种肿瘤类型的代表性 H&E 染色区域是

讨论

人工智能系统越来越多地被整合到计算病理学工作流程中,越来越多的证据表明其对组织病理学图像分析和分类的价值(Campanella et al., 2019, Sarvamangala and Kulkarni, 2022, Wulcan et al., 2025)。最近的研究进一步将基于 AI 的图像分析扩展到兽医组织病理学中的疾病特定应用,突显了其在诊断支持中的新兴作用(Zuraw and Aeffner, 2022)。在这项

结论

本研究支持基于 AI 的犬睾丸肿瘤 WSI 组织病理学分类的可行性。微调后的 EfficientNet-B4 实现了最强的图块级别性能,而采用切片级别概率聚合的逻辑回归在评估的 WSI 级别方法中产生了最高的 WSI 级别准确率。虽然本研究展示了 WSI 级别分类的技术可行性,但依赖单一中心数据集和缺乏

伦理声明

本研究按照以下动物福利和/或报告指南进行:欧盟指令 2010/63/EU。本研究得到那不勒斯费德里科二世大学动物伦理护理和使用委员会的批准。(批准号 PG/2023/0029409)

伦理陈述

伦理批准由那不勒斯费德里科二世大学动物伦理护理和使用委员会授予(协议号:PG/2023/0029409;批准日期:2023 年 3 月 10 日)。所有样本均在常规绝育手术过程中获得,未出于本研究目的进行额外程序或安乐死。

资金

作者未收到特定资助。

CRediT 作者贡献声明

Orlando Paciello: 写作 – 审阅与编辑,监督,资源,概念化。Evaristo Di Napoli: 资源。Maria De Falco: 写作 – 审阅与编辑。Elia Formisano: 写作 – 审阅与编辑,验证,监督,资源,项目管理,概念化。Pietro Formisano: 写作 – 审阅与编辑。Luigi Rosati: 写作 – 审阅与编辑,监督。Lorenzo Riccio: 写作 – 初稿,可视化,软件,方法学,调查,正式分析,

写作过程中生成式 AI 和 AI 辅助技术的声明

在准备本手稿期间,作者使用生成式 AI 工具进行语言润色和清晰度改进。作者根据需要审查和编辑了内容。

利益冲突声明

作者声明,他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢 Aleksey Costagliola 在切片扫描和图像数字化方面提供的关键技术支持。
Lorenzo Riccio|Luigi Rosati|Maria De Falco|Evaristo Di Napoli|Pietro Formisano|Elia Formisano|Orlando Paciello
意大利那不勒斯 NA 80137 Via Federico Delpino 1 号那不勒斯费德里科二世大学兽医学与动物生产系
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