人工智能在肾活检组织结构识别及病理诊断中的应用2024
摘 要
肾活检是肾脏疾病诊断和管理中必不可少的部分。近年来，基于卷积神经网络的人工智能（artificial intelligence，AI）技术的迅速发展，极大地推进了其在肾脏病学领域的应用。本文聚焦AI在肾活检组织结构识别及病理诊断中的研究，从光镜、免疫荧光、电镜三个维度对AI在肾组织结构及病理特征的识别与分割、辅助疾病诊断等的应用展开阐述，为AI应用于肾脏病理研究及精准医学领域提供参考与借鉴。
关键词
人工智能；深度学习；病理学；活组织检查；病理特征；辅助诊断
人工智能（artificial intelligence，AI）是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人类智能理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学［1］。近年来，以深度学习为代表的各类算法在液基细胞学及肿瘤病理诊断、免疫组化结果判读中展现出很大优势，包括对图像的分析、疾病的诊断、疗效的评估及预后的预测［2］。
慢性肾脏病是导致终末期肾病的原因之一，早期明确病理类型是临床医师治疗的关键所在。肾活检病理作为肾脏疾病尤其是肾小球疾病诊断的金标准，对明确病因、指导治疗及评估预后具有重要意义。目前，肾活检病理学的诊断主要取决于有经验的肾脏病理诊断医师的评估，对于一些难以识别的病例，不仅费时费力，而且具有一定的主观性和相对较低的重复性［3］。尽管具有标准化指南共识，但由于病理学家视觉感知、数据处理习惯和判断偏好的不同，仍然存在诊断差异［4］。基于AI的先进识别技术为规范化病理诊断提供了可能的解决方案，并有助于发现一些肉眼不易察觉的潜在改变。本文将围绕现阶段AI在肾活检组织结构识别及病理诊断中的研究现状，结合本课题组相关工作，概述AI在光镜、免疫荧光、电镜三个维度的图像分析应用进展，为肾脏病学科数字化建设的研究及推广提供参考与借鉴。
一、 AI图像处理的原理及基本流程
AI是利用计算机模拟人类思维方式的方法进行自动学习计算的。机器学习是实现AI的主要途径，也是AI的核心，它包括多种算法模型，通过算法可以让机器对未知事件进行预判［5］。而深度学习是一种实现机器学习的技术，它使用了一些更加通用和智能的模型，但需要更多的数据和算法作为支撑，否则难以发挥其优势。卷积神经网络（convolutional neural network，CNN）是深度学习的代表算法之一，常用来分析视觉图像。AI图像处理常规工作流程如下：（1）数据选择、采集和标注：近几年，高质量的全玻片数字扫描技术（whole slide
小鼠肾脏病理切片的解读需要考虑肾脏的结构和功能，以及可能出现的各种病理变化。
肾脏的基本功能是生成尿液，借以清除体内代谢产物及某些废物、毒物，同时经重吸收功能保留水分及其他有用物质，以调节水、电解质平衡及维护酸碱平衡。肾脏的内部结构，可分为肾实质和肾盂两部分。肾实质分内外两层:外层为皮质，内层为髓质。肾皮质位于肾实质表层，富含血管，新鲜时呈红褐色，由一百多万个肾单位组成。每个肾单位由肾小体和肾小管所构成，肾单位是肾脏结构和功能的基本单位。
在解读肾脏病理切片时，我们需要关注肾小体、肾小管和肾间质等不同结构的病理形态。例如，肾小球纤维素样坏死的病理形态相较于正常样品，肾小球毛细血管壁坏死，成细丝状或颗粒状红染物，似纤维素。弥漫增生性肾小球肾炎的病理形态相较于正常样品，由于内皮细胞和系膜增生，所以毛细血管球增大，细胞数目增多，肾小球囊腔狭窄，炎细胞浸润。
肾小管疾病的类型及其病理形态包括肾小管坏死和肾小管上皮细胞水肿变性²。肾小管坏死的病理形态表现为肾小管上皮崩解，细胞碎片阻塞管腔²。肾小管上皮细胞水肿变性的病理形态表现为肾小管上皮细胞肿胀，凸向管腔²。
肾间质疾病的类型及其病理形态包括急性过敏性间质性肾炎和肾盂肾炎。急性过敏性间质性肾炎的病理形态表现为肾间质水肿，伴少量炎症细胞浸润。肾盂肾炎的病理形态表现为肾盂中大量炎细胞聚集浸润。
这些都是一些基本的病理形态，具体的切片解读可能需要根据实际的病理切片和临床情况进行。如果你需要更具体的帮助，建议你提供更多的信息，或者直接咨询相关的病理专家。
肾单位知识点总结
一、肾单位的结构
1. 近曲小管
近曲小管是肾单位的起始部分，它起源于肾小体的球囊部，经过弯曲并伸长后，进入髓质区。其细胞主要由一个旁壁细胞与一个主细胞组成。旁壁细胞的功能主要是吸收中性物质和水，而主细胞主要负责排泄代谢废物和离子调节。
2. 远曲小管
远曲小管是近曲小管的连续部分，分为远曲近段和远曲远段。远曲近段主要负责对钠、钾、氢离子和水的重吸收，而远曲远段则主要负责对氢离子和尿素的分泌。
3. 集合管
集合管是肾单位的最后部分，其主要功能是对尿液进行进一步浓缩。在集合管和集合管导管的细胞中，负责水的再吸收和浓缩的是主细胞和旁壁细胞。
4. 血管
肾单位内的血管包括肾小球毛细血管、肾小球球壁及球体后极的血管网、近曲小管周围的毛细血管和集合管周围的血管等。这些血管的存在为肾单位的功能提供了营养和代谢产物的排泄。
二、肾单位的生理功能
1. 尿液的形成
肾单位是尿液形成的重要场所。在肾单位的功能细胞中，通过对各种离子、水和其他代谢产物的再吸收和分泌，使得体内废物得以排泄，同时维持体内水盐平衡和酸碱平衡。
2. 调节血压
肾单位通过对钠和水的调节来维持血容量和血压的稳定。钠离子在体内扮演着对血容量和血压的重要调节作用，而肾单位中的细胞则通过对钠离子的重吸收和排泄来维持体内的水盐平衡，从而对血压产生调节作用。
3. 酸碱平衡
肾单位可以通过对酸碱离子的重吸收和排泄来维持体内的酸碱平衡。当体内PH值偏高时，肾单位会减少氢离子的排泄，从而降低PH值；当体内PH值偏低时，肾单位会增加氢离子的排泄，从而提高PH值。
4. 分泌激素 肾单位还可以分泌一些激素，如肾素和促红细胞生成素。肾素是一种重要的激素，它参与了体内血压调节机制的调节，促红细胞生成素则参与了造血系统的调节。
三、肾单位的临床意义
1. 慢性肾脏疾病
慢性肾脏疾病是一种较为常见的肾脏疾病，它可以导致肾单位的结构和功能发生持续性的损害。在慢性肾脏疾病的早期，肾单位的膜通透性和细胞代谢功能会发生改变，导致肾单位对水、电解质和废物的再吸收和排泄能力下降。当慢性肾脏疾病进展至晚期时，肾单位的结构和功能将发生不可逆的破坏，导致肾脏功能的衰竭。
肾病病理学知识点
一、肾病病理学的基本概念与分类
在医学领域中，肾病病理学是研究肾脏疾病的病理变化、发病机制以及病理类型和分类的学科。通过对肾脏组织的显微镜观察和组织学染色技术的应用，可以对肾脏疾病进行准确的诊断和分类，为患者的治疗和管理提供依据。
1. 肾小球性疾病
肾小球性疾病是指主要累及肾小球的一类疾病，包括肾小球肾炎、肾小球病变性疾病等多种类型。根据病理学特征和临床表现，可以将肾小球性疾病分为IgA肾病、膜性肾病、系膜增生性肾炎等不同类型。
- IgA肾病：病理上主要表现为肾小球系膜区IgA沉积，炎症反应导致肾小球病变，临床上常见血尿和蛋白尿症状。
- 膜性肾病：病理上主要表现为肾小球基底膜增厚和免疫复合物沉积于基底膜上，临床上表现为进行性蛋白尿、低蛋白血症和水肿等。
- 系膜增生性肾炎：病理上主要表现为肾小球系膜区细胞增生和基质增生，临床上表现为肾功能进行性恶化和高血压等。
2. 肾小管间质性疾病
肾小管间质性疾病是指主要累及肾小管和间质的疾病，包括急性肾小管坏死、慢性肾小管间质性肾炎等。病理学的观察主要针对肾小管的损伤和间质的炎症及纤维化变化。 - 急性肾小管坏死：病理上主要表现为肾小管上皮细胞的坏死和脱落，临床上常见急性肾功能损害。
- 慢性肾小管间质性肾炎：病理上主要表现为肾小管和间质的慢性炎症反应和纤维化，临床上常见慢性肾功能损害和尿液异常。
3. 肾血管性疾病
肾血管性疾病是指主要累及肾血管的疾病，包括肾动脉狭窄、肾动脉栓塞等。病理学上的观察主要针对肾血管结构和血流灌注情况。
- 肾动脉狭窄：病理上主要表现为肾动脉管腔狭窄，临床上常见高血压和肾功能损害。
- 肾动脉栓塞：病理上主要表现为肾动脉血栓形成，临床上常见突发性严重的肾功能损害。
二、肾病病理学的价值与应用
肾病病理学在临床诊断和治疗中具有重要的价值与应用。通过对肾脏组织的病理学分析，可以获得以下信息：
1. 病因诊断：肾病病理学可以帮助确定肾脏疾病的具体病因，如感染、免疫性疾病、遗传性疾病等。
