Identifying cell types and subtypes from routine histopathology images is essential for improving the computational understanding of human disease. Existing tile-based models can capture detailed nuclear morphology but often fail to incorporate the broader tissue context that influences a cell's function and identity. In addition, available human annotations are typically coarse-grained and unevenly distributed across studies, making fine-grained subtype-level supervision difficult to obtain. To address these limitations, we introduce NuClass, a pathologist workflow inspired framework for cell-wise multi-scale integration of nuclear morphology and microenvironmental context. NuClass includes two main components: Path local, which focuses on nuclear morphology from 224-by-224 pixel crops, and Path global, which models the surrounding 1024-by-1024 pixel neighborhood. A learnable gating module adaptively balances local detail and contextual cues. To encourage complementary learning, we incorporate an uncertainty-guided objective that directs the global path to prioritize regions where the local path is uncertain. We also provide calibrated confidence estimates and Grad-CAM visualizations to enhance interpretability. To overcome the lack of high-quality annotations, we construct a marker-guided dataset from Xenium spatial transcriptomics assays, yielding single-cell resolution labels for more than two million cells across eight organs and 16 classes. Evaluated on three fully held-out cohorts, NuClass achieves up to 96 percent F1 for its best-performing class, outperforming strong baselines. Our results show that multi-scale, uncertainty-aware fusion can bridge the gap between slide-level pathological foundation models and reliable, cell-level phenotype prediction.


翻译:从常规组织病理学图像中识别细胞类型和亚型对于提升人类疾病的计算机理解至关重要。现有的基于图块(tile-based)的模型能够捕捉详细的核形态特征,但往往未能整合影响细胞功能和身份的更广泛组织背景。此外,现有的人工注释通常是粗粒度的,且在不同研究间分布不均,导致难以获得细粒度的亚型级监督。为解决这些局限性,我们提出了NuClass,一个受病理学家工作流程启发的框架,用于在细胞级别整合核形态与微环境背景的多尺度信息。NuClass包含两个主要组件:Path local(聚焦于224×224像素裁剪区域的核形态)和Path global(建模周围1024×1024像素邻域)。一个可学习的门控模块自适应地平衡局部细节与上下文线索。为促进互补学习,我们引入了一种不确定性引导的目标函数,引导全局路径优先关注局部路径不确定的区域。我们还提供了校准的置信度估计和Grad-CAM可视化以增强可解释性。为克服高质量注释的缺乏,我们基于Xenium空间转录组学检测构建了一个标记引导的数据集,为超过两百万个细胞(涵盖八个器官和16个类别)提供了单细胞分辨率标签。在三个完全保留的队列上评估,NuClass在其表现最佳的类别中实现了高达96%的F1分数,优于强基线方法。我们的结果表明,多尺度、不确定性感知的融合能够弥合玻片级病理学基础模型与可靠细胞级表型预测之间的差距。

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