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Universidade Federal da Bahia |
Repositório Institucional da UFBA
Use este identificador para citar ou linkar para este item: https://repositorio.ufba.br/handle/ri/40970
Tipo: Tese
Título: Um estudo abrangente sobre segmentação de glomérulos com dados de treinamento limitados em imagens histopatológicas de alta resolução
Título(s) alternativo(s): A comprehensive study on glomerulus segmentation with limited training data in high-resolution histopathological images
Autor(es): Souza Júnior, Luiz Otávio de Oliveira
Primeiro Orientador: Oliveira, Luciano Rebouças de
metadata.dc.contributor.advisor-co1: Santos, Washington Luis Conrado dos
metadata.dc.contributor.advisor-co2: Silva, Jefferson Fontinele da
metadata.dc.contributor.referee1: Oliveira, Luciano Rebouças de
metadata.dc.contributor.referee2: Simas Filho, Eduardo Furtado de
metadata.dc.contributor.referee3: Moreira, Gladston Juliano Prates
metadata.dc.contributor.referee4: Aldeman, Nayze Lucena Sangreman
metadata.dc.contributor.referee5: Lima, Isadora dos Santos
Resumo: A crescente disponibilidade de imagens de lâminas inteiras escaneadas (WSIs) tem expandido a patologia digital, permitindo tanto a tomada de decisão médica quanto a análise computacional diretamente a partir de imagens de alta resolução. O diagnóstico de doenças renais por meio de WSIs depende da análise de estruturas específicas do tecido, e a análise automática dessas estruturas requer a segmentação precisa de componentes essenciais, como glomérulos, túbulos, interstício e vasos. Esta tese foca nos glomérulos, que são fundamentais na avaliação de WSIs após biópsias renais. Essas estruturas são impactadas por lesões associadas a diversas doenças. Na análise de WSIs com técnicas de aprendizado de máquina, os glomérulos costumam ser as primeiras regiões segmentadas para orientar tarefas subsequentes. A cápsula de Bowman (CB) é essencial, pois marca a fronteira entre os componentes glomerulares e o tecido intersticial ao redor. Este trabalho propõe dois estudos para abordar a segmentação semântica de glomérulos em imagens histopatológicas de alta resolução dos rins. No primeiro estudo, investigamos a viabilidade de segmentar glomérulos em WSIs humanas utilizando modelos de aprendizado profundo treinados exclusivamente com dados de camundongos. Camundongos e humanos compartilham diversas semelhanças biológicas, incluindo características genéticas, fisiológicas e estruturais, o que faz com que os camundongos sejam amplamente utilizados como modelos para estudar doenças humanas. Embora essa transferência de conhecimento entre espécies seja consolidada na medicina, ela permanece pouco explorada na patologia computacional, onde as WSIs são objetos primários de pesquisa. Para preencher essa lacuna, avaliamos cinco modelos de segmentação semântica: U-Net, U-Net 3+, Res-U-Net, DeepLabV3+ e MA-Net em conjuntos de dados compostos por 18 WSIs de camundongos e 42 WSIs humanas. O U-Net 3+ apresentou o melhor desempenho na avaliação intra-conjunto, alcançando um DICE médio de 0,930 em imagens de camundongos coradas com HE. Nos dados humanos, o U-Net 3+ também obteve excelente desempenho, com DICEs de 0,772, 0,824 e 0,791 nas colorações HE, PAS e PAMS, respectivamente. Além disso, o U-Net 3+ mostrou boa generalização ao ser treinado exclusivamente com dados de camundongos e testado em todo o conjunto de dados humanos, alcançando um DICE de 0,798 para imagens HE. No entanto, o desempenho desses modelos diminuiu ao serem aplicados em colorações diferentes, destacando uma limitação na generalização entre colorações. O segundo estudo aborda os desafios da segmentação de glomérulos sem bordas, afetados por esclerose global. Para isso, desenvolvemos um framework automatizado para recorte e recomposição de patches, eliminando a intervenção manual e simplificando o processo de segmentação. Nossos experimentos mostraram que, embora os modelos convencionais possam alcançar resultados de ponta para glomérulos normais e parcialmente escleróticos, o desempenho deteriora significativamente para glomérulos com esclerose global. A precisão da segmentação nesses casos mostrou alta dependência da coloração utilizada, com resultados geralmente insatisfatórios. Comparando modelos não-fundamentais (U-Net, U-Net 3+ e SwinTransformer + U-Net), com e sem fine-tuning, com o modelo SegGPT, observamos que os modelos não-fundamentais, treinados apenas em glomérulos normais nas colorações HE, PAS e PAMS, apresentaram bom desempenho para glomérulos normais (mDice > 0,92) e moderado para glomérulos parcialmente escleróticos (mDice > 0,72). No entanto, o desempenho caiu drasticamente para glomérulos com esclerose global (mDice > 0,02), com melhorias mínimas mesmo após o fine-tuning. Por outro lado, o SegGPT obteve melhoria substancial, atingindo um mDice superior a 0,37 para glomérulos com esclerose global, utilizando apenas poucas amostras de consulta. Esse resultado destaca o potencial dos modelos fundamentais para enfrentar desafios de segmentação em glomérulos severamente lesionados. Em resumo, os estudos apresentados nesta tese representam um avanço significativo na segmentação de glomérulos em WSIs, oferecendo alternativas eficazes e eficientes para tarefas com dados de treinamento limitados. Nossos achados demonstram o potencial do transfer learning entre camundongos e humanos e o uso de modelos fundamentais para melhorar a segmentação de glomérulos com esclerose.
Abstract: The growing availability of scanned whole slide images (WSIs) has expanded digital pathology, enabling medical decision-making and computational analysis directly from high-resolution images. Kidney disease diagnoses using WSIs rely on the analysis of specific tissue structures, and automatic analysis depends on accurately segmenting key components such as glomeruli, tubules, interstitium, and vessels. This thesis focuses on glomeruli, which are essential in assessing WSIs after kidney biopsies. These structures are impacted by lesions related to various diseases. In machine learning-based WSI analysis, glomeruli are often the first regions segmented to guide subsequent tasks. The Bowman’s capsule (BC) is crucial, marking the boundary between glomerular components and surrounding interstitial tissue. This work proposes two studies aimed at addressing the segmentation of glomeruli in high-resolution kidney histopathological images. In the first study, we investigate the feasibility of segmenting glomeruli in human WSIs using deep-learning models trained exclusively on mouse data. Mice and humans share several biological similarities, including genetic, physiological, and structural characteristics, making mice a common model for studying human diseases. While this cross-species knowledge transfer is well-established in medicine, it remains underexplored in computational pathology, where WSIs serve as primary research objects. To address this gap, we evaluated five semantic segmentation models: U-Net, U-Net 3+, Res-U-Net, DeepLabV3+, and MA-Net, using datasets consisting of 18 mouse WSIs and 42 human WSIs. Among these, U-Net 3+ delivered the best performance in intra-dataset evaluation, achieving an average DICE score of 0.930 on HE-stained mouse images. On human data, U-Net 3+ also excelled, attaining DICE scores of 0.772, 0.824, and 0.791 on HE, PAS, and PAMS stains, respectively. Moreover, U-Net 3+ proved promising generalization when trained solely on mouse data and tested across the entire human dataset, achieving a DICE score of 0.798 on HE-stained images. However, while these models performed well on images within the same staining technique, their performance declined when applied across different stains, highlighting a limitation in cross-stain generalization. The second study focuses on the segmentation challenges posed by borderless glomeruli affected by global sclerosis. We developed an automated framework for patch cropping and stitching, eliminating manual intervention to streamline the segmentation process. Our experiments show that while standard segmentation models can achieve state-of-the-art results for normal and partially sclerotic glomeruli, their performance deteriorates significantly for globally sclerotic glomeruli. Notably, segmentation accuracy for these cases was highly dependent on the staining type and generally remained poor across models. We compared non-foundation models (U-Net, U-Net 3+, and SwinTransformer + U-Net) with and without fine-tuning against the SegGPT foundation model. Non-foundation models, trained exclusively on normal glomeruli with HE, PAS, and PAMS stains, achieved high performance on normal glomeruli (mDice > 0.92) and moderate performance on partially sclerotic glomeruli (mDice > 0.72). However, their performance dropped sharply to mDice > 0.02 for globally sclerotic glomeruli, with minimal improvements even after fine-tuning. In contrast, SegGPT demonstrated substantial improvement, achieving a significantly higher mDice score (> 0.37) for globally sclerotic glomeruli by leveraging only a few query samples. This result highlights the potential of foundation models in addressing segmentation challenges for glomeruli affected by severe lesions. In summary, the studies presented in this thesis represent a significant step forward in the segmentation of glomeruli in WSIs. Our findings offer a comprehensive analysis of glomerulus segmentation with limited training data, demonstrating the potential of mouse-to-human transfer learning, as well as the use of foundation models to improve segmentation accuracy for glomeruli affected by sclerosis.
Palavras-chave: Glomérulos renais
Histopatologia
Biópsia
Aprendizado profundo
Diagnóstico de laboratório
Imagem de lâmina inteira (WSI)
Aprendizado do computador
Patologia clínica
Camundongos
Humano
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO::METODOLOGIA E TECNICAS DA COMPUTACAO::PROCESSAMENTO GRAFICO (GRAPHICS)
CNPQ::CIENCIAS DA SAUDE::MEDICINA
Idioma: eng
País: Brasil
Editora / Evento / Instituição: Universidade Federal da Bahia
Sigla da Instituição: UFBA
metadata.dc.publisher.department: Escola Politécnica
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Mecatrônica da UFBA (PPGM) 
Citação: SOUZA JÚNIOR, Luiz Otávio de Oliveira. A comprehensive study on glomerulus segmentation with limited training data in high-resolution histopathological images. 2024. Tese (doutorado em Mecatrônica) - Escola Politécnica / Instituto de Computação. Universidade Federal da Bahia, Salvador, 2024.
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.ufba.br/handle/ri/40970
Data do documento: 6-Dez-2024
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