乳腺癌是全球最常見的癌癥之一，且是女性癌癥死亡的第一大原因。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年全球約有230萬女性被診斷為乳腺癌，導(dǎo)致約68.5萬人死亡，其中中國(guó)女性的乳腺癌發(fā)病率遠(yuǎn)高于世界平均水平。因此，開發(fā)基于疾病嚴(yán)重程度的乳腺癌風(fēng)險(xiǎn)分層策略（如短期隨訪、長(zhǎng)期隨訪、活檢確認(rèn)或及時(shí)手術(shù)）對(duì)于提高生活質(zhì)量、減少死亡率至關(guān)重要。
在亞洲女性群體中，乳腺組織致密度較高且乳腺癌呈現(xiàn)低齡化趨勢(shì)。超聲檢查因其便捷、無輻射、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等優(yōu)勢(shì)，成為我國(guó)乳腺癌篩查和診斷的首選手段。然而，超聲檢查在早期篩查中存在局限性，特別是對(duì)微小鈣化灶的檢出率不夠理想。為此，臨床實(shí)踐中逐漸形成了"鉬靶+超聲"的黃金檢查組合：常規(guī)體檢時(shí)可選擇其一，而在門診就醫(yī)時(shí)則根據(jù)具體情況靈活選用，對(duì)于病灶不明確的病例則需兩種方法聯(lián)合檢查。除影像學(xué)檢查外，臨床醫(yī)生還需綜合評(píng)估患者主訴、既往病史、觸診等多項(xiàng)臨床指標(biāo)。這種診斷模式不僅流程繁瑣、信息龐雜，且診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性也難以保證。因此，運(yùn)用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)分層診斷，已成為當(dāng)前亟待解決的關(guān)鍵問題。
2024年12月4日，上?？萍即髮W(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院錢學(xué)駿團(tuán)隊(duì)在 Nature Biomedical Engineering 期刊發(fā)表了題為：A multimodal machine learning model for the stratification of breast cancer risk 的研究論文。
研究團(tuán)隊(duì)基于臨床乳腺癌篩查與診斷的黃金標(biāo)準(zhǔn)（即多數(shù)情況下選擇超聲或鉬靶檢查，少數(shù)情況兩者兼用）并融入了患者主訴、病史等重要臨床指標(biāo)，構(gòu)建了結(jié)合傳統(tǒng)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與Transformer的混合深度學(xué)習(xí)框架，并創(chuàng)新的引入不同癌變風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的乳腺疾病樹，實(shí)現(xiàn)了多層級(jí)乳腺癌風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)。結(jié)果顯示模型的預(yù)測(cè)能力超越了資深放射科醫(yī)生，初步達(dá)到了資深病理科醫(yī)生的水準(zhǔn)，為更廣泛的乳腺癌篩查和診斷提供了新的技術(shù)途徑。
該研究是錢學(xué)駿教授團(tuán)隊(duì)與安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院裴靜主任團(tuán)隊(duì)繼2021年在 Nature Biomedical Engineering 上發(fā)表的多模態(tài)超聲乳腺工作后的又一重要進(jìn)展。
再喝祥最新研究中，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一款專門面向乳腺癌風(fēng)險(xiǎn)分層的多模態(tài)人工智能系統(tǒng)——BMU-Net模型（圖1）。該模型巧妙融合了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在特征提取方面的高效性，以及Transformer在高層特征融合與跨模態(tài)整合方面的卓越性能。通過在大規(guī)模鉬靶和超聲數(shù)據(jù)集上進(jìn)行遷移學(xué)習(xí)預(yù)訓(xùn)練，再結(jié)合多模態(tài)匹配數(shù)據(jù)集進(jìn)行精細(xì)化調(diào)優(yōu)，顯著提升了模型的通用性和復(fù)用價(jià)值。創(chuàng)新性地采用隨機(jī)掩碼訓(xùn)練策略（圖2），使BMU-Net能夠靈活處理不同模態(tài)的輸入數(shù)據(jù)，有效應(yīng)對(duì)臨床實(shí)踐中因患者隱私保護(hù)等原因?qū)е碌臄?shù)據(jù)缺失問題。
圖1：基于乳腺疾病樹構(gòu)建的BMU-Net模型及多層級(jí)乳腺癌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估策略
研究團(tuán)隊(duì)利用5025名患者的19360張乳腺影像開展模型開發(fā)和測(cè)試工作。通過與資深放射科醫(yī)生在158例鉬靶檢查和146例超聲檢查中的診斷結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)BMU-Net在腫瘤良惡性分類方面與專家水平相當(dāng)，在組織病理學(xué)分級(jí)診斷方面（根據(jù)癌變風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)的breast disease tree）超越了人類專家的表現(xiàn)。
該研究還證實(shí)，臨床數(shù)據(jù)（尤其是年齡和體重指數(shù)）對(duì)乳腺癌風(fēng)險(xiǎn)精準(zhǔn)分級(jí)具有重要意義，這與現(xiàn)有的乳腺癌風(fēng)險(xiǎn)因素研究相互印證。在包含187名患者的前瞻性多模態(tài)數(shù)據(jù)驗(yàn)證中，BMU-Net取得了90.1%的準(zhǔn)確率，已接近病理學(xué)家通過活檢切片分析獲得的92.7%的準(zhǔn)確率。
BMU-Net的突出優(yōu)勢(shì)還體現(xiàn)在其開發(fā)過程中特別關(guān)注了具有挑戰(zhàn)性的BI-RADS 4類病例（癌癥可能性介于2%-95%之間）。尤其在處理BI-RADS 4a類病例（癌癥可能性為2%-10%）這一診斷難度較大的不確定區(qū)間時(shí)，模型提供了極具價(jià)值的判斷依據(jù)。例如，通過將BI-RADS 4a降級(jí)為BI-RADS 3，可以幫助患者避免不必要的侵入性活檢。
圖2：在不同臨床測(cè)試環(huán)境下的BMU-Net的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性
總的來說，結(jié)合臨床指標(biāo)、鉬靶與超聲檢查的黃金組合，是公認(rèn)最經(jīng)濟(jì)有效和可行的乳腺癌篩查與診斷選擇。研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的BMU-Net模型，為臨床醫(yī)生提供了多層級(jí)的乳腺癌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工具，旨在改善患者生存質(zhì)量，具有重要的臨床和社會(huì)意義。
鑒于該研究取得的重要突破，Nature Biomedical Engineering 期刊同期發(fā)表了Research Briefing評(píng)述文章——Advancing breast cancer risk stratification using multimodal AI，總結(jié)和點(diǎn)評(píng)了該研究的發(fā)現(xiàn)和意義。
上海科技大學(xué)錢學(xué)駿教授為論文通訊作者，安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院裴靜主任、韓春光醫(yī)師為該論文共同第一作者。上?？萍即髮W(xué)沈定剛教授、安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院鄭慧主任等為該研究提供了指導(dǎo)，上?？萍即髮W(xué)高性能計(jì)算共享服務(wù)平臺(tái)提供了平臺(tái)支持。該研究獲得了國(guó)家級(jí)高層次人才計(jì)劃青年項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目等的支持。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41551-024-01302-7
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