Interpretable tumor differentiation grade and microsatellite instability recognition in gastric cancer using deep learning

微卫星不稳定性 可解释性 队列 人工智能 癌症 H&E染色 深度学习 注释 医学 计算机科学 病理 内科学 免疫组织化学 生物 微卫星 基因 遗传学 等位基因
作者
Feng Su,Jianmin Li,Xinya Zhao,Beining Wang,Yajie Hu,Yu Sun,Jiafu Ji
出处
期刊:Laboratory Investigation [Elsevier BV]
卷期号:102 (6): 641-649 被引量:26
标识
DOI:10.1038/s41374-022-00742-6
摘要

Gastric cancer possesses great histological and molecular diversity, which creates obstacles for rapid and efficient diagnoses. Classic diagnoses either depend on the pathologist's judgment, which relies heavily on subjective experience, or time-consuming molecular assays for subtype diagnosis. Here, we present a deep learning (DL) system to achieve interpretable tumor differentiation grade and microsatellite instability (MSI) recognition in gastric cancer directly using hematoxylin-eosin (HE) staining whole-slide images (WSIs). WSIs from 467 patients were divided into three cohorts: the training cohort with 348 annotated WSIs, the testing cohort with 88 annotated WSIs, and the integration testing cohort with 31 original WSIs without tumor contour annotation. First, the DL models comprehensibly achieved tumor differentiation recognition with an F1 values of 0.8615 and 0.8977 for poorly differentiated adenocarcinoma (PDA) and well-differentiated adenocarcinoma (WDA) classes. Its ability to extract pathological features about the glandular structure formation, which is the key to distinguishing between PDA and WDA, increased the interpretability of the DL models. Second, the DL models achieved MSI status recognition with a patient-level accuracy of 86.36% directly from HE-stained WSIs in the testing cohort. Finally, the integrated end-to-end system achieved patient-level MSI recognition from original HE staining WSIs with an accuracy of 83.87% in the integration testing cohort with no tumor contour annotation. The proposed system, therefore, demonstrated high accuracy and interpretability, which can potentially promote the implementation of artificial intelligence healthcare.
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