Hiện tại, sinh thiết tinh hoàn vẫn là cơ sở giúp phân biệt giữa hai nhóm vô tinh: VTBT và vô tinh không bế tắc. Có hai kỹ thuật sinh thiết tinh hoàn thường được áp dụng: rạch da một đường nhỏ đủ để lấy một ít mô tinh hoàn và chọc hút qua da [152].
Sinh thiết tinh hoàn bằng kim nhỏ chọc hút kiểu bản đồ (FNA, Fine- Needle Aspiration “Mapping”) giúp tăng khả năng tìm thấy tinh trùng (60% trường hợp vô tinh không bế tắc [151]) (hình 1.8). Tuy nhiên, chọc kim mù có thể gây tụ máu bìu. Hơn nữa, kỹ thuật này đòi hỏi người phân tích phải có chuyên môn cao do các tế bào mầm được tách riêng rẽ và bệnh phẩm không cho biết kích thước ống sinh tinh [53].
Hình 1.8: Sinh thiết tinh hoàn bằng kim chọc hút kiểu bản đồ. “Nguồn: Turek, 2004”[152].
Với sự tiến bộ của kỹ thuật tiêm tinh trùng vào bào tương trứng (ICSI), sinh thiết tinh hoàn hiện nay còn được dùng để trích tinh trùng cho TTON [35]. Trong trường hợp vô tinh không bế tắc với tinh hoàn teo nhỏ, nồng độ FSH cao, sinh thiết tinh hoàn có thể tìm thấy tinh trùng sống trong 30% trường hợp để TTON [152].
Kết quả mô học của sinh thiết tinh hoàn có tính chủ quan và chưa có tiêu chuẩn chung. Chỉ số Johnsen về mô học sinh tinh của tinh hoàn (bảng 1.3) ít có ý nghĩa trong xử trí lâm sàng [77], thường chỉ dùng trong nghiên cứu cơ bản [134]. Đa số trường hợp, phân tích mô tinh hoàn dựa trên khả năng sinh tinh, từ hội chứng toàn tế bào Sertoli, tới ngừng sinh tinh nửa chừng, giảm sinh tinh và sinh tinh bình thường. Cần ghi nhận số lượng, kích thước và độ dày các ống sinh tinh, số lượng và hình dạng tế bào mầm trong các ống sinh tinh, mức độ xơ hoá mô kẽ và sự hiện diện của tế bào Leydig. Do hay gặp nhiều kiểu sinh tinh khác nhau trên cùng một bệnh phẩm, nên rất khó có một hệ thống đánh giá thống nhất. Kết quả phân tích bệnh phẩm còn tùy thuộc vào nhiều yếu tố như kỹ thuật sinh thiết, cách cố định mô [103]. Bệnh phẩm phải đủ lớn, nhưng không cần lớn hơn hạt gạo (chỉ chiếm 0,12% thể tích tinh hoàn). Một bệnh phẩm cho một tinh hoàn là đủ. Bệnh phẩm cần được cố định bằng dung dịch Bouin hay Zenker [87]. Formalin không được dùng cố định mô tinh hoàn vì gây co rút tế bào [87].
Trong VTBT, khả năng sinh tinh bình thường nhưng các ống sinh tinh có thể giãn và thành dày do bị tắc lâu ngày [73].