引用本文：张志远,贾琳娇,孔舒欣,等. 元宇宙及人工智能在乳腺癌精准防治中的研究进展[J]. 中国医学前沿杂志(电子版), 2025,17(04):30-36.
摘要：乳腺癌的精准防治是一种根据每个人的遗传背景、生活习惯、外部环境和特定的生物标志来量身打造预防、诊断和治疗方案的方法。目前，远程医疗的需求和重要性越来越凸显。元宇宙这一新兴概念及技术的快速发展，为远程医疗，特别是乳腺癌的精准治疗带来了新的机会和视角，但同时也伴随着一系列新的问题。本文旨在全面概述当前元宇宙及人工智能在乳腺癌精准防治方面的应用，并深入分析我们所面临的新挑战。
关键词：元宇宙；乳腺癌；精准防治
元宇宙是一种通过虚拟现实技术创造的3D虚拟环境，人们可以利用虚拟替身在其中进行沉浸式互动。它的概念最初出现在1992年的小说 Snow Crash中[1]，人们通过头戴设备进入这个虚拟世界实现社交和协作活动[2]。近几年，元宇宙作为一种全新的交互式数字应用系统，将虚拟现实、增强现实、混合现实、云计算、5G、区块链、3D重建、数字孪生、人工智能（artificial intelligence，AI）等技术高效融合[3]，在医学领域有了许多革命性尝试，为医学工作者和患者带来了新的治疗理念和治疗体验[4]。乳腺癌的精准防治是指基于个体遗传信息、生活方式、环境因素和生物标志物的分析，来制定针对个体的预防、诊断和治疗的策略和方法[5]。目前，远程医疗服务的重要性大大提高，而元宇宙的出现大大加快了其发展步伐，为乳腺癌的精准防治赋予了新的维度，开辟了新的视野，但随之而来也带来了新的挑战。本文将对元宇宙及AI在乳腺癌精准防治中的应用现状进行系统梳理，并深入探讨面临的挑战。
1 元宇宙在乳腺癌精准防治中应用的现状
1.1 远程医疗咨询和诊断
目前，远程医疗咨询大大改善了区域医疗资源不均衡的问题，不仅促进了省会优质医疗资源的下沉，有力地补充了传统的就医模式[6]，而且远程医疗可以充分缓解患者焦虑情绪，为患者提供咨询帮助[7]。元宇宙的出现更是为乳腺癌患者的远程医疗服务提供了新的解决方案。元宇宙创造的沉浸式和互动式体验将会使偏远地区人群在虚拟空间中讨论疾病预测、进展和随访[8,9]。在元宇宙中，数字孪生技术可为乳腺癌的无创预测精确赋能。数字孪生是患者在元宇宙中的虚拟替身，患者在治疗过程中实时将测量指标同步传输到数字孪生模型中，并整合孪生子所有数据对该患者进行精准预测[10]。Moztarzadeh等[11]研究通过使用4种机器学习方法构建了乳腺癌患者的数字孪生模型，这些模型处理的医疗数据包含了大量非线性和不确定性内容，可以在元宇宙中对患者做出个性化精准决策。其中，在化疗和靶向治疗方面，元宇宙可以将乳腺癌患者的肿瘤基因组学与化疗及靶向药物的组合、剂量和持续时间相结合，建立针对乳腺癌患者的精准预测模型，从而为患者选择合适的个体化用药方案[12]。在放疗方面，5G联合虚拟现实技术使患者靶区精准勾画与定位调整，极大地提升了效率和安全性，同时也减轻了患者的焦虑情绪[13,14,15]。而在元宇宙中将AI病理组学赋予孪生模型，利用强大的自适应和神经网络模型对乳腺癌患者的预后进行预测，也将是乳腺病理组学在元宇宙时代新的发展方向[16,17]。随着基因组学、影像组学、转录组学、表观遗传学、代谢组学、微生物组学和病理组学等多模态数据不断完善，构建全生命周期的元宇宙数字孪生模型将会为乳腺癌的精准诊断与预测带来革命性变化[18,19,20,21,22]。
1.2 乳腺手术中的应用
元宇宙的兴起带动了乳腺穿刺、保乳手术、肿瘤整形重建手术、机器人手术和手术辅助决策方面的蓬勃发展。在穿刺活检方面，Costa等[23]提出了一个嵌入式AI可视化系统，该系统基于CNN模型对超声图像进行病变分割，同时结合AR技术来实现活检针的实时跟踪定位和全息可视化。穿刺过程中，该系统呈现出良好的性能，探针对齐精度达到了(92.67±2.32)°。在保乳手术方面，Gouveia等[24]将MRI与3D扫描融合，利用AR设备Hololens左乳内肿瘤位置，完成了术中的精准定位与引导，为保乳术中非侵入性数字化肿瘤定位的发展奠定了基础。此外，一个意大利团队设计了一种结合AR和3D超声的集成系统，该系统通过实时反馈手术刀的位置精准引导切割任务，结果显示理想与实际切割平面之间的平均角度误差仅为2.07°[25]，对不可触及的保乳手术的切缘处理有着重要的应用价值。在乳房重建手术方面，元宇宙的增强现实技术在DIEP手术中初显成效。Seth等[26]利用HoloLens在DIEP术前识别穿支血管并绘制其肌内和肌外路径，再用彩超进行验证，结果表明增强现实技术明显改善了血管穿支的识别准确性和手术精度，在对穿支轨迹的理解方面显示出良好前景。这在Masterton团队的研究中也得到了体现[27]。近日，北京协和医院团队利用"光子计数CT＋元宇宙全息仿真成像技术"实施了首例缩乳术中可视化内侧蒂的超薄皮瓣分离，为乳房肿瘤整形重建的精细血供评估提供了依据。在机器人手术方面，元宇宙技术展示出良好前景[28]。Ansari团队联合世界各地多位专家在元宇宙中远程讨论并为患者实施了机器人肝脏切除术[29]，取得了不错的效果，为乳房重建机器人手术提供了应用的可能性[30,31]。在手术方案决策方面，辅助决策已被证明能够改善决策满意度[32]，提高患者依从性[33,34,35]。已有研究表明术前通过3D模拟进行准备的患者对即将到来的手术持有更加乐观的态度[36]，有利于调整对术后美观度的期望值[37]。尤其是对于乳房植入物重建的患者，假体尺寸的选择是非常重要的，Amini等[38]利用HoloLens开发了一种AR程序，将假体模型精确投影到患者身上，起到了非常好的匹配效果。然而HoloLens烦琐的交互步骤限制了它成为该程序的最佳平台，但该研究在乳房重建领域仍然是一场富有想象力的尝试。最近，Najafi等[39]的研究介绍了一个新的程序Breamy，该程序在前者基础上进行了新的突破，能够利用元宇宙AR技术为不同乳腺肿瘤整形手术提供3D模拟可视化，大大降低了患者的焦虑水平，提高了患者的满意度，帮助医生和患者更好地进行手术方式的决策。此外，国内CSCOAI系统也发展得如火如荼，在已形成智能决策的基础上增加了患者毒性管理、临床研究入组提示、骨转移诊疗提示等功能，大大推动了中国乳腺癌智能医疗领域的进步[40]。值得一提的是，随着ChatGPT 4.0等众多生成式大模型的迭代更新，对话式手术方案辅助决策系统将是辅助决策系统的发展方向[41,42]，因其能够为乳腺癌患者手术方式的选择提供全流程的一站式服务[10]。与此同时，国内一项多中心试验开发了一种基于手机红外热成像乳腺癌筛查模型[43]，而AI读片技术最近也得到了非劣效性的证明[44]。未来，伴随着对话式辅助决策系统的蓬勃发展，AI读片技术、手机红外热成像技术与对话式辅助决策系统相结合将会大大减轻临床一线医生工作量，为乳腺外科高效运行提供技术支持。此外，苹果AR设备在外科领域也初显成效[45]，近日，吉林大学白求恩第三医院团队使用AppleVisionPro完成了首例腹腔镜乙状结肠癌根治术，是腹腔镜手术进入"去"显示器时代的初次尝试。北京大学人民医院团队将AppleVisionPro成功使用至胸腔镜肺癌根治术中，实现了术中非接触式调取患者信息，三维重建多角度详细观察肺内解剖，并术中再次识别解剖变异血管，大大提高了手术的安全性和精准性，这给我们也带来了很大的启发。如何将增强现实产品进行国产化替代，同时应用于乳腺腔镜手术中并将各区域医疗中心实况联动，也将是元宇宙时代乳腺癌领域的又一新命题。
1.3 乳腺癌护理和康复领域
乳腺癌术后淋巴水肿是影响乳腺癌患者术后生活质量的一个长期因素，其早期诊断与改善预后相关[46,47]。手臂周长测量对于术后淋巴水肿的患者来说是基础且重要的，因此必须选用可靠准确的工具进行测量[48]。Invernizzi等[49]通过评估3DLS这一增强现实技术与传统的环周法对比，结果表明3DLS在上肢体积实时测量方面效率更高，平均采集时间仅为30 s。而针对淋巴水肿严重的患者，Suzuki等[50]通过AR眼镜（MOVERIOSmartGlassBT-30E）将光声成像投射到患者肢体上，在淋巴静脉吻合术中对淋巴管和小静脉进行标记可视化，获得了与手术野高度匹配的AR解剖形态。在元宇宙时代，这些技术将对乳腺癌淋巴水肿精准防治具有重要意义。在围手术期方面，术前沉浸式虚拟体验能使患者减少对麻醉方面焦虑，减少镇静药和镇痛药的使用[51,52]，同时围手术期数字孪生技术的应用也可以为手术提供围手术期风险分层，为术中监护管理提供指导，同时可以改善术后护理[53]。在乳腺癌术后康复领域，一个韩国团队对元宇宙在青年乳腺癌患者术后同伴支持小组中的需求进行了研究。该研究通过对15例年轻乳腺癌女性进行焦点小组访谈，发现元宇宙能够为同伴支持小组提供心理慰藉和分享同情心的平台，缓解青年乳腺癌患者的痛苦和被孤立的情绪[54]。此外，Kim等[55]开发了一个名为Dr.Meta的元宇宙癌症护理平台，并在70例参与者中取得了良好的反馈，其子平台"元宇宙露营"能够有效地帮助患者达到心理安慰并获得社会支持，从而实现自我激励促进心理健康。该平台虽仍处于测试初期，但已展现了巨大的潜力和价值，随着更多的样本数据的完善，该平台的应用市场将会更加广阔，这也为国产元宇宙癌症护理平台的开发提供了参考。
1.4 乳腺外科医学教育
随着数字化教育平台的迭代升级，医学虚拟研讨、云会议等新型教育方式不断涌现[56]。但传统的在线教育存在着交互性不足、技能培养环境缺乏、学习资源不足等问题[57]，而元宇宙的出现，有力地弥补了这些缺失。尤其是在腋窝淋巴结清扫时神经血管解剖位置较深，腔镜手术内侧视野不佳，DIEP术中血管穿支解剖走形复杂，对医学生来讲是门挑战，而在元宇宙中，医学生可以更加深刻直观地认识这些解剖结构和"华西1号孔"等操作技巧[58]，从而培养高阶思维能力和解决问题能力[59]。例如在显微外科领域中，Falola等[60]利用增强现实技术对动物模型进行了4次动脉吻合术，为DIEP术野的可视化提供了启发。另外，在元宇宙中医学生可以360°度沉浸式观摩手术，将解剖学内容可视化[61]，获得身临其境的体验，大大增加对手术流程的熟悉度[62]，同时可以将学习过程录制保存下来分享给其他同学，而后者又可以根据前者的片段进行复现并通过3D模型进行数字导航，从而达到更高质量的学习效果[9]。但需注意的是，韩国的一项研究表明良好的佩戴体验是青年医学生在元宇宙中持续学习并提升满意度的前提[63]，这一结果应引起我们注意。作为未来医学发展的新形态，元宇宙在医疗教育中迅速发展，促进着医学教育的变革，弥补了传统教育的不足，使乳腺外科临床教学具有良好的发展前景。
1.5 基础转化医学领域
作为元宇宙领域的一项关键技术，AI在病理诊断方面的应用也在不断发展。在深度学习方面，Song等[64]研发的Tripath平台通过3D成像技术[如开放顶部光片显微镜（OTLS）和微型计算机断层扫描（microCT）]捕捉了更多的组织细节，为大规模高分辨率3D病理学数据集的弱监督学习提供了基础，为乳腺癌患者的3D生物标志物的检测和开发提供了新的视角。在复旦分型的背景下[21]，将RNA测序与影像组学相结合是一大趋势，通过构建放射基因组学高保真模型，从而更好地探索乳腺肿瘤随时间的异质性和动态演变[65]。在细胞分子领域，Stefani等[66]研发的ConfocalVR程序通过打造沉浸式虚拟环境，显著优化了图像堆栈的可视化效果，用户仅需移动手柄就能清楚地看到感兴趣的目标分子，并能与整个细胞结构直接进行交互。这一创新技术必将为新药物和新材料的研发带来革命性的变革。纳米药物载体递送系统能提高药物的抗癌效率，降低毒性和耐药性[67]。Wu等[68]的研究通过多分辨率3D成像技术，从器官、组织、细胞层面三维可视化肺部免疫细胞浸润程度，这为三维可视化评估乳腺癌术后血管淋巴侵犯状态提供了技术基础。通过可视化纳米新材料的微观结构，有利于实现乳腺癌精准靶向治疗。此外，运用3D虚拟成像探索外泌体circRNA在乳腺癌的发生发展也是一个新的探索领域[69]。而Amiri等[70]的研究提供了另一个思路——可穿戴式药物递送系统。通过声波增强技术破坏皮肤的脂质屏障，经过压电换能器的处理，将药物均匀地递送至皮下，这也为无创递送化疗靶向药物提供了依据。
2 元宇宙在乳腺癌精准防治中面临的挑战
元宇宙在乳腺外科中具有巨大的应用潜力，不久的将来定会彻底改变患者护理、疼痛管理、手术方式、医学教育和基础研究的现状。然而，元宇宙技术在我国处于起步阶段，仍面临诸多挑战。
2.1 数据隐私安全
元宇宙虚拟世界充斥着大量误导性内容和不实信息，用户面临信息过载。尤其是生成式AI作为"知识生产者"，有批量制造假信息和泄露隐私信息的风险，从而引发信任危机。因此，元宇宙平台研发者需要持续优化改进算法，完善技术手段，对数据进行加密传输和分析，保证信息输出的准确性和可靠性，提升产品可信度。相关部门应建立健全元宇宙医疗安全体制，防止医疗诈骗和数据泄露的发生，同时应对元宇宙中的医疗纠纷制定相应规则制度。在针对数据隐私安全方面，不可替代的令牌（Non-FungibleToken，NFT）是个不错的选择[71]，它的实质是区块链里具有唯一性特点的可信数字权益凭证。它不仅是数字资产的证明，也可以由于区块链技术的特性从而作为保护患者隐私的一种有效工具[72,73,74]。NFT在健康数据管理方面可以实现对医疗记录的防篡改跟踪，同时加密储存患者敏感信息；在基因组学方面，NFT可以通过创建基因组信息的防篡改记录，实现对遗传数据的安全有效管理，并安全共享和储存用于研究目的的遗传数据；在数字孪生方面，NFT可以实现更加准确和个性化的数字孪生模型，并允许安全和透明地将孪生数据用于研究，同时保护患者隐私[75,76]。
2.2 底层支撑技术挑战
现阶段元宇宙底层支撑技术仍面临许多问题。元宇宙AR、VR技术在建模方法、大数据处理、情感感知能力方面有待进一步增强，数字孪生技术垂直领域的软件专业化水平参差不齐，数字化设计水平尚且薄弱[77]。而且元宇宙平台训练相关数据集不够庞大，从数据采集、图像重建到诊断预测的工作流程当需要多样化、高质量数据集来优化[78]。与此同时，AR、VR等可穿戴设备通过触觉反馈和视觉感知来传递生物信号至云计算中心进行分析，从而打造沉浸式体验[79]。未来还需优化算法以实现最小化触觉反馈延迟和精准定位，或者通过神经形态电路执行个性化信号处理来缩短延迟[80,81]。此外，随着6G网络的来临，大量多模态数据涌入，高算力服务器是搭建元宇宙平台的关键。因此，加强医工合作，加快底层创新与技术优化必不可少，唯有如此才能满足在大数据、大算力要求的时代背景下不同医疗场景的个性化需求与体验，从而构建以"元宇宙"理念引领的医疗环境标准化体系。
总之，在元宇宙及AI快速发展的当下，我们应该抓住机遇，将元宇宙赋能于乳腺癌精准治疗的建设与发展，促进医工交叉融合发展，创造更多高效精准的预测手段，培养大量优秀的新时代乳腺外科医生，推动中国乳腺外科在国际领域的发声。
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来源：肿瘤界
