Automated identification of spotted-fever tick vectors using convolutional neural networks.

Journal: Medical and veterinary entomology
Published Date:

Abstract

Ticks are key ectoparasites for the One Health approach, as they are vectors of pathogens that infect humans, domestic and wild animals. The bacteria Rickettsia rickettsii and R. parkeri are the aetiological agents of tick-borne spotted fever (SF) in South America, where Amblyomma sculptum, A. aureolatum, A. ovale and A. triste are the main vectors. Studies in the medical and biological fields show that artificial intelligence, through machine learning, has great potential to assist researchers and health professionals in image identification practices. The aim of this study was to evaluate the performance of the Convolutional Neural Networks (CNN) AlexNet, ResNet-50 and MobileNetV2 for identifying tick species transmitting SF bioagents. We organised an image database with the following groups: females (368), males (458), dorsal (423), ventral (403), low resolution (328), high resolution (498) and all together (sex+position+resolution = 826), to identify the three main vectors of SF bioagents (Amblyomma aureolatum, A. ovale and A. sculptum), two other possible vectors (A. triste and A. dubitatum) and the species A. cajennense sensu stricto (s.s.), which has similar morphology to A. sculptum but no known vectorial capacity. To evaluate the network's performance, we measured accuracy, sensitivity and specificity. We used Grad-CAM to highlight the regions of the images most relevant to the predictions. CNNs achieved accuracy rates of ~90% in identifying ticks and showed sensitivities of 59%-100% according to species, sex, position or image resolution. When considering all images, both AlexNet and MobileNetV2 recorded the best sensitivity and specificity values in identifying SF vectors. The most relevant areas for classifying species varied according to algorithms. Our results support the idea of using CNNs for the automated identification of tick species transmitting SF bioagents in South America. Our database could support the development of tick identification apps to aid public health surveillance and contribute to citizen science.

Authors

  • Isadora R C Gomes
    Programa de Pós-graduação em Medicina Tropical, Núcleo de Medicina Tropical, Faculdade de Medicina, Universidade de Brasília, Brasília, Brazil.
  • Vinícius L Miranda
    Laboratório de Parasitologia Médica e Biologia de Vetores, Faculdade de Medicina, Universidade de Brasília, Brasília, Brazil.
  • José Fabrício C Leal
    Programa de Pós-graduação em Medicina Tropical, Núcleo de Medicina Tropical, Faculdade de Medicina, Universidade de Brasília, Brasília, Brazil.
  • Igor P Oliveira
    Laboratório de Parasitologia Médica e Biologia de Vetores, Faculdade de Medicina, Universidade de Brasília, Brasília, Brazil.
  • Paula J Silva
    Laboratório de Carrapatos e outros Artrópodes Ápteros e Coleção de Artrópodes Vetores Ápteros de Importância em Saúde das Comunidades, Instituto Oswaldo Cruz, Fiocruz, Rio de Janeiro, Brazil.
  • Karla Bitencourth
    Laboratório de Carrapatos e outros Artrópodes Ápteros e Coleção de Artrópodes Vetores Ápteros de Importância em Saúde das Comunidades, Instituto Oswaldo Cruz, Fiocruz, Rio de Janeiro, Brazil.
  • Claudio M Rodrigues
    Centro de Desenvolvimento Tecnológico em Saúde, Instituto Oswaldo Cruz, Fiocruz, Rio de Janeiro, Brazil.
  • Liege R Siqueira
    Laboratório de Carrapatos e outros Artrópodes Ápteros e Coleção de Artrópodes Vetores Ápteros de Importância em Saúde das Comunidades, Instituto Oswaldo Cruz, Fiocruz, Rio de Janeiro, Brazil.
  • Marcelo B Labruna
    Departamento de Medicina Veterinária Preventiva e Saúde Animal, Faculdade de Medicina Veterinária e Zootecnia, Universidade de São Paulo, São Paulo, Brazil.
  • Gilberto S Gazeta
    Laboratório de Carrapatos e outros Artrópodes Ápteros e Coleção de Artrópodes Vetores Ápteros de Importância em Saúde das Comunidades, Instituto Oswaldo Cruz, Fiocruz, Rio de Janeiro, Brazil.
  • Marinete Amorim
    Laboratório de Carrapatos e outros Artrópodes Ápteros e Coleção de Artrópodes Vetores Ápteros de Importância em Saúde das Comunidades, Instituto Oswaldo Cruz, Fiocruz, Rio de Janeiro, Brazil.
  • Rodrigo Gurgel-Gonçalves
    Graduate Program in Tropical Medicine, Center for Tropical Medicine, Faculty of Medicine, University of Brasília-UnB, Brasília 70904-970, Brazil.

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