Nat Cancer | 海军军医大学任善成教授团队开发磁共振-病理AI大模型，实现前列腺癌无创精准诊断与分级

摘要：前列腺癌是全世界男性第二大癌症，随着中国人口老龄化和生活方式的西化，近年来我国前列腺癌发病率以每年 13% 的增速狂飙，现已位居我国男性恶性肿瘤第六位，且发病率增速还在持续攀升。 2024 年我国前列腺癌新发病例数达到 14.4 万人，预计 2030 年达到

前列腺癌是全世界男性第二大癌症，随着中国人口老龄化和生活方式的西化，近年来我国前列腺癌发病率以每年 13% 的增速狂飙，现已位居我国男性恶性肿瘤第六位，且发病率增速还在持续攀升。 2024 年我国前列腺癌新发病例数达到 14.4 万人，预计 2030 年达到 19.9 万人， 2035 年将达到 25 万人。前列腺癌的诊断主要依赖于血液前列腺特异性抗原（ PSA ）、 B 超和医生的直肠指诊。然而临床实践发现： 50 岁以上健康男性体检中， 1/3 的男性 B 超发现有前列腺结节，近 10% 出现 PSA 异常升高，这些大量的“可疑患者”给临床诊断带来极大的困难，也给“患者”带来了巨大的心理压力。目前，全球各大临床指南推荐磁共振检查（ PI-RADS 评分）进一步确诊，并据此进行前列腺穿刺活检来最终确定患者的诊断结果。然而，磁共振 PI-RADS 评分存在两大缺陷（ 1 ）主观性缺陷 —— 该评分本质上依赖放射科医生经验判断。以往研究显示不同医生间判读差异高达 30% 。这种主观偏差使精准诊断如同 “ 轮盘赌局 ”—— 患者可能因假阴性延误治疗，或因假阳性承受过度穿刺。（ 2 ）准确性缺陷。 PI-RADS 评分分为 1-5 级，对应不同癌变可能性。例如： 1 分 ‌ ：极低风险（癌变可能性＜ 1% ）， 2 分 ‌ ：低风险（ 1%-5% ）， 3 分 ‌ ：中等风险（ 5%-15% ）， 4 分 ‌ ：高风险（ 15%-80% ）， 5 分 ‌ ：极高风险（＞ 80% ）。因此，即使是最高水平最有经验的医生给出了“准确”的 PI-RADS 评分，也无法“准确”判断有无肿瘤，可能导致过度穿刺或者漏诊。因此，亟需一种高效、准确且无创的预测工具，用于辅助 “临床可疑” 患者的诊断和恶性程度分级。人工智能（ AI ）等新兴技术的出现，为影像学数据与病理学结果之间的关联提供了新的工具，从而为实现无创精准诊断与分级开辟了新的可能。

9 月 2 日，海军军医大学第二附属医院（上海长征医院）任善成教授联合北京大学第三医院张树栋教授、南京医科大学第一附属医院李杰教授、北京友谊医院王良教授、青岛大学附属医院聂佩教授、安徽大学邵立智教授等多学科医工交叉团队，在《 Nature Cancer 》上发表了题为《 An MRI-Pathology Foundation Model for Non-Invasive Diagnosis and Grading of Prostate Cancer 》的论文。

该研究开发并验证了一个基于多中心真实临床数据的用于前列腺癌高效、准确且无创诊断和分级的影像 - 病理基础模型，展示了人工智能（ AI ）结合 MRI 如何定量反映前列腺肿瘤的病理特征，进一步增强了 AI 基础模型在临床实践中用于癌症高效、准确且无创诊断和分级的潜力，有望显著减少不必要的前列腺穿刺活检，有效降低患者痛苦和并发症风险，最终为前列腺癌患者带来更舒适、安全的诊疗体验与福祉。

主要研究成果

研究团队招募了来自多个中心的回顾性和前瞻性患者队列（ n = 5747 ），并收集了放射学、病理学和临床检查数据。 AI 模型的评估涵盖了时间外部测试、空间外部测试、人口外部测试及前瞻性测试。为减少图像序列遗漏、过拟合和仪器差异带来的负面影响，研究使用了 1,296,950 对影像数据进行基础模型的构建，集成了自监督学习、任务多重学习、 Transformer 及基础模型迁移学习技术，显著提升了预测性能。

研究团队设计的 AI 模型（ MRI-based Predicted Transformer for Prostate Cancer ， MRI- PTPCa ），通过三个磁共振影像序列（ T2WI 、 DWI 、 ADC ）预测只有在病理评估中才能获得的肿瘤侵袭性信息，从而辅助临床医生诊断前列腺癌、临床显著前列腺癌及病理分级。回顾性研究中， 7 个机构、 4 个医疗中心和一个国际数据集参与了多中心测试。前瞻性研究则通过将 AI 模型作为独立系统、平行系统和预警系统进行测试。

在实际测试中， MRI- PTPCa 的预测结果与病理学评估结果具有显著一致性（ P ），并且优于临床评估和其他预测模型（前列腺癌 AUC = 0.983 ， 95% 置信区间（ CI ） 0.98-0.986 ；临床显著前列腺癌 AUC = 0.978 ， 95% CI 0.975-0.98 ；分级准确率 = 89.1% ， 95% CI 88.2%-89.9% ）。值得注意的是，基于 MRI- PTPCa 与多参数 MRI 联合使用，在非侵入性诊断和分级方面，其表现与病理评估不相上下。 MRI- PTPCa 有望成为一种新型的非侵入性前列腺癌诊断和分级工具。

在可解释性方面，研究团队将影像、前列腺根治术大切片、人工智能可视化热图与量化特征进行了对照分析，以从放射学、病理学和血液学的角度解释 MRI- PTPCa 模型的优越性能。结果表明， MRI- PTPCa 得分与真实的格里森分级之间存在显著正相关。基于类别激活映射（ Class Activation Mapping ， CAM ）的注意力热图突出了对预测结果做出贡献的关键区域和范围。此外， T2WI 、 DWI 和 ADC 在前列腺癌的诊断和分级中的贡献性也通过量化分析，证明了它们与 PI-RADS 专家共识的高度一致性。 MRI- PTPCa 的融合特征与前列腺肿瘤中的细胞强度、形态和纹理信息显著相关（ p ），进一步验证了影像学与病理学关联的可行性。 MRI- PTPCa 中的多参数 MRI 特征在前列腺癌的病理表型中具有显著性，包括非前列腺癌、前列腺癌和临床显著前列腺癌。基础模型的编码特征还与 tPSA 、 fPSA 和 f/t PSA 呈现显著相关性，为前列腺癌的分子层面信息提供了有力支持。

综上所述，研究团队开发并验证了一个基于多中心真实临床数据的用于前列腺癌高效、准确且无创诊断和分级的影像 - 病理基础模型。研究展示了 AI 结合 MRI 如何定量反映前列腺肿瘤的病理特征，进一步增强了 AI 基础模型在临床实践中用于癌症高效、准确且无创诊断和分级的能力。

任善成教授团队长期从事机器人手术和前列腺癌基础和临床研究，近期研究成果发表于《自然 . 遗传》（ 2025 ），揭示了中国人群前列腺癌发病的独特机制，获批国家重大科技专项（ 2025 ，首席科学家），荣获上海市自然科学奖一等奖（ 2024 ，第一完成人）。

任善成，教授、主任医师，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，教育部青年长江学者，国家重大科技专项首席科学家，享受国务院政府特殊津贴。现任海军军医大学第二附属医院泌尿外科主任、机器人手术中心主任、党支部书记，国家重点学科带头人，上海市重点学科带头人，全军泌尿外科中心主任，全军临床重点专科主任，上海市一带一路泌尿系统肿瘤国际联合重点实验室主任。

临床主攻方向为泌尿系统肿瘤特别是前列腺癌的微创手术和综合治疗，主刀完成泌尿系统微创手术逾 5000 例，其中机器人手术 4000 余例，完成亚洲首例单孔机器人前列腺癌根治术和经会阴机器人前列腺癌根治术，荣获达芬奇机器人手术中国十万例杰出贡献奖。作为首席科学家，主持研发成功舰载手术机器人系统“海图”，完成首例跨洲际超远程舰载机器人手术（上海 - 非洲贝宁，单程 1.2 万公里）。科研方向是前列腺癌的早期诊断和进展机制研究，首次绘制了中国人群前列腺癌的分子图谱，提出中国人群前列腺癌的分子分型，发现特异性分子标志物和治疗靶点。

主持国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划、军队后勤科研重点项目等国家和省部级课题计划 30 余项，获批国家发明专利 17 项。以通讯 / 第一作者在 Nat Med 、 Nat Genet （ 2 篇）、 Nature Cancer 、 Cell Res 、 Nat Cell Biol 、 Mol Cell 、 J Clin Invest 、 Nat Commun 、 Eur Urol 等国际权威期刊发表 SCI 论文 80 余篇，总影响因子 800 余分，其中 IF>20 分 1 1 篇， IF>10 分 10 篇， 3 篇论文被评为 ESI 高被引论文。主编 / 副主编中英文专著 3 部。

担任国家自然科学基金委医学科学部咨询委员会委员，《中华泌尿外科杂志》编委、《 Asian Journal of Urology 》（ IF=2.6 ）执行主编、《 Cancer Biology & Medicine 》（ IF=4.24 ）和《 Military Medical Research 》（ IF=16.7 ）编委、亚洲泌尿外科机器人学会学术委员会主席、中华医学会泌尿外科分会青年委员会秘书长、中国医师协会泌尿外科医师分会委员、上海市医师协会泌尿外科医师分会副会长。

以第一完成人荣获教育部科技进步一等奖（ 2022 年）及上海市自然科学奖一等奖（ 2024 ），入选教育部“长江学者奖励计划”青年学者、树兰医学青年奖、上海市卫生系统青年人才最高奖“银蛇奖”一等奖、“国之名医·青年新锐”、张江国家自主创新示范区杰出创新创业人才等 10 余项人才计划。

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