基于大數(shù)據(jù)研究的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)可視化*

許 茜 黃子杰 蔡 晶 劉志臻 俞向梅 陳桂芬 陳 林 葛 亮 張钘銘

·綜述·

基于大數(shù)據(jù)研究的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)可視化*

許 茜1,2黃子杰2△蔡 晶1,2劉志臻1,2俞向梅1,2陳桂芬2,3陳 林2,3葛 亮2,4張钘銘2,5

數(shù)據(jù)可視化是指利用數(shù)據(jù)分析和開發(fā)工具發(fā)現(xiàn)大數(shù)據(jù)中的隱藏信息與內(nèi)在規(guī)律，并將研究結(jié)果采用圖形圖像形式進(jìn)行表達(dá)的處理過程[1]。數(shù)據(jù)可視化的目的主要是借助于直觀易懂的圖形化手段，清晰有效地傳達(dá)與溝通信息，從而實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜數(shù)據(jù)集的深入洞察。隨著電子計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用、跨區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)連接，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)呈爆發(fā)式增長，而且數(shù)據(jù)格式多種多樣，已然超出了傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)圖表的表現(xiàn)能力，需要借助數(shù)據(jù)可視化來展示,是大數(shù)據(jù)挖掘的必然發(fā)展趨勢。

數(shù)據(jù)可視化的發(fā)展歷史

數(shù)據(jù)可視化領(lǐng)域的起源，可以追溯到20世紀(jì)50年代計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的早期?；厮輸?shù)據(jù)可視化的發(fā)展過程，大體可以分為以下三個階段[2-3]：

1.第一階段：科學(xué)可視化。1987年，由布魯斯·麥考梅克、托馬斯·德房蒂和瑪克辛·布朗共同編寫的美國國家科學(xué)基金會報(bào)告《Visualization in Scientific Computing》(科學(xué)計(jì)算的可視化)，強(qiáng)調(diào)了新的基于計(jì)算機(jī)的可視化技術(shù)方法的必要性，引發(fā)并促進(jìn)了可視化這一新的研究領(lǐng)域的發(fā)展。

2.第二階段：信息可視化。隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的迅速提升，人們建立了規(guī)模越來越大、復(fù)雜程度越來越高的數(shù)值模型，并將保存的文本、數(shù)值以及多媒體資料進(jìn)行整合，從而造就了形形色色體積龐大的各種類型的信息集。20世紀(jì)90年代初期，一個新的被稱為“信息可視化”的研究領(lǐng)域誕生了。在許多應(yīng)用領(lǐng)域，信息可視化可以對異質(zhì)性數(shù)據(jù)集(既有數(shù)據(jù)形式，也有文本、圖形、圖像等其他形式)的抽象分析結(jié)果提供形象化的閱讀與理解支持。1995年，IEEE Information Visualization(國際信息可視化組織)正式創(chuàng)立，標(biāo)志著信息可視化作為獨(dú)立的學(xué)科被正式確立。

3.第三階段：數(shù)據(jù)可視化。21世紀(jì)，面對愈來愈龐大復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫，人們發(fā)現(xiàn)僅僅依靠數(shù)據(jù)分析技術(shù)并不能讓公眾充分理解數(shù)據(jù)處理結(jié)果的正確含義，因此借助于信息可視化的概念，提出了數(shù)據(jù)可視化。數(shù)據(jù)可視化指的是利用圖形、圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺以及用戶界面，通過表達(dá)、建模以及對立體、表面、屬性以及動畫的顯示，對數(shù)據(jù)分析結(jié)果加以可視化解釋。與科學(xué)可視化、信息可視化方法相比，純粹建立在大數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果之上的數(shù)據(jù)可視化，其所涵蓋的技術(shù)方法不僅廣泛而且復(fù)雜。

2001年，愛德華·塔夫特的經(jīng)典著作《The Visual Display of Quantitative Information》(定量信息的可視化展示)首次提出了數(shù)據(jù)可視化的目的是讓讀者能快速獲取真實(shí)而豐富的信息；優(yōu)秀的圖表形式，是對有用數(shù)據(jù)的完美表達(dá)。目前，數(shù)據(jù)可視化已經(jīng)提出了許多技術(shù)方法，可以根據(jù)可視化原理的不同劃分為基于幾何的技術(shù)、面向像素的技術(shù)、基于圖標(biāo)的技術(shù)、基于層次的技術(shù)、基于圖像的技術(shù)和分布式技術(shù)等等[4]。

數(shù)據(jù)可視化在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

可視化的理論與實(shí)踐自20世紀(jì)70年代傳入中國，到2000年開始了蓬勃發(fā)展。近10年來，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域引入了數(shù)據(jù)可視化研究。

1.數(shù)據(jù)可視化在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用情況

隨著數(shù)據(jù)可視化在各學(xué)科領(lǐng)域的良好發(fā)展，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)ζ溲芯亢吞接懸踩找嬖龆?。首先表現(xiàn)在臨床醫(yī)學(xué)研究方面。面對臨床數(shù)據(jù)量的增長，許多有用的臨床信息以零散的無序的方式存在于異構(gòu)臨床信息系統(tǒng)中。臨床醫(yī)療數(shù)據(jù)的可視化，向臨床醫(yī)生和健康提供者展現(xiàn)以患者為中心的數(shù)據(jù)組織模式、方法以及可視化分析技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)臨床信息數(shù)據(jù)的直觀展現(xiàn)；以醫(yī)療事件時(shí)間軸為次序，將臨床事件及相關(guān)數(shù)據(jù)、報(bào)告進(jìn)行可視化，有利于醫(yī)療機(jī)構(gòu)進(jìn)行醫(yī)療質(zhì)量控制，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)環(huán)境下的醫(yī)療質(zhì)量精細(xì)化管理[4]。醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)可視化的具體應(yīng)用，目前主要涉及醫(yī)院管理系統(tǒng)、醫(yī)療保險(xiǎn)管理平臺、醫(yī)療過程中海量數(shù)據(jù)挖掘與展示、醫(yī)學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)實(shí)時(shí)監(jiān)控等等[5]。其次在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究中，大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)也一次次震撼了人們的想象。如科學(xué)家通過功能性核磁共振和聽讀實(shí)驗(yàn)，對許多常用詞匯在大腦中的反應(yīng)區(qū)進(jìn)行了定位，發(fā)現(xiàn)了很多詞匯之間有趣的關(guān)聯(lián)，通過可視化建模手段，將其繪制成了動態(tài)地圖：semantic maps(語義地圖)[6]。實(shí)際上，醫(yī)學(xué)科學(xué)的方方面面，從日常醫(yī)療行為到宏觀衛(wèi)生管理，從調(diào)查與實(shí)驗(yàn)中收集的研究數(shù)據(jù)到匯集多機(jī)構(gòu)多源頭的超大數(shù)據(jù)倉庫，均可利用數(shù)據(jù)可視化的技術(shù)手段，獲得富有價(jià)值的直觀知識[7-9]。

2.醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)可視化研究的不足

目前，醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)可視化研究的不足主要體現(xiàn)在三個方面：①應(yīng)用范圍有待拓展。盡管近10年來相關(guān)研究有上升趨勢，但相對于其他領(lǐng)域的熱烈響應(yīng)，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)可視化的反應(yīng)稍顯平淡，在中文科技期刊數(shù)據(jù)庫(維普)中按檢索條件：“任意字段=醫(yī)學(xué)可視化”(1989-2015年)共檢索到不足4000條記錄。②行業(yè)特征不夠鮮明。數(shù)據(jù)可視化涉及多學(xué)科知識，是典型的交叉學(xué)科。目前醫(yī)學(xué)領(lǐng)域數(shù)據(jù)可視化的研究主要來自計(jì)算機(jī)專業(yè)的軟件應(yīng)用，尚缺乏醫(yī)學(xué)行業(yè)本身對數(shù)據(jù)可視化在本學(xué)科的應(yīng)用研究和深入?yún)⑴c[10]，未能充分突顯醫(yī)學(xué)的專業(yè)特征。③理論體系急需完善?？梢暬芯勘旧淼陌l(fā)展不過半個多世紀(jì)，尤其是數(shù)據(jù)可視化，發(fā)展時(shí)間更短，尚未形成完整的理論體系[11]。圖形、動畫、色彩、結(jié)構(gòu)、路徑等元素對數(shù)據(jù)可視化結(jié)果的閱讀與理解至關(guān)重要，但是目前尚未有學(xué)者從人群心理特點(diǎn)出發(fā)，深入研究人類圖形認(rèn)知特征，更缺乏對數(shù)據(jù)可視化所必須依從的原則、方法、評價(jià)手段的研究。因此，醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)可視化也缺乏完善的理論指導(dǎo)。

3.數(shù)據(jù)可視化的錯誤使用

數(shù)據(jù)可視化目前尚缺乏完善的理論指導(dǎo)，難免出現(xiàn)一些錯誤使用的現(xiàn)象。常見的誤用如：①比例失當(dāng)。如坐標(biāo)軸的錯誤裁剪，可造成差異的放大或縮小，引起視覺誤差，誤導(dǎo)人們對數(shù)據(jù)的理解；在展示數(shù)據(jù)的相對數(shù)如率、百分比等數(shù)值時(shí)，人們往往注意率、百分比本身的大小，卻忽略了不同的率所來源的基數(shù)大小是否一致。②文圖不配。數(shù)據(jù)可視化包含的數(shù)據(jù)信息容量大，缺乏必要的解釋文句而單純依靠標(biāo)題常常容易造成對數(shù)據(jù)內(nèi)容的描述不足，或過度概括，引出不必要的誤讀。③繁復(fù)難懂。片面追求外形、色彩和構(gòu)圖的美感，簡單問題復(fù)雜化或復(fù)雜問題過于藝術(shù)化，導(dǎo)致過多非核心信息的展示，引起閱讀者的疑惑。因此，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)可視化還需要和醫(yī)學(xué)知識相結(jié)合，從專業(yè)知識角度進(jìn)一步審視數(shù)據(jù)可視化正確與否，避免數(shù)據(jù)可視化的錯誤使用[12]。

醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)可視化研究是必然發(fā)展趨勢

1.數(shù)據(jù)可視化突破了傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)圖的局限性

近半個世紀(jì)以來，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域采用傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)圖形式表達(dá)相關(guān)數(shù)據(jù)，如直方圖、折線圖、餅圖等。這些傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)圖簡單直觀，在展示數(shù)據(jù)時(shí)取得了較好的效果。但是隨著數(shù)據(jù)量的增大，這些傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)圖的局限性越來越突出了。傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)圖的局限性主要表現(xiàn)在：①表現(xiàn)力不足，不能表達(dá)數(shù)值-文字-圖形交錯的非常規(guī)數(shù)據(jù)集，多種異質(zhì)性數(shù)據(jù)沒有對應(yīng)的統(tǒng)計(jì)圖來表現(xiàn)。②信息量有限。傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)圖構(gòu)建的一般都是平面二維的圖形，無法承載同時(shí)帶有時(shí)間-空間的多維的數(shù)據(jù)信息。③新穎性欠缺，偏離與人們視聽閱讀的喜好。研究表明，彩色圖形、聲音、空間方位、觸覺識別等綜合的感知，更容易吸引人們的注意力，并且有利于人們對該事物的記憶和理解[13-14]。

數(shù)據(jù)可視化是傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)圖的升級，它的優(yōu)勢體現(xiàn)在：①花樣繁多，沒有固定模式，可以一事一圖、多事一圖、一事多圖等。②信息密集，可視化不僅展示了復(fù)雜分析的直觀性結(jié)果，而且能夠傳遞豐富的相關(guān)知識，幫助讀者深入了解問題的來龍去脈。③多元交互。擺脫了傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)圖的二維限制后，數(shù)據(jù)可視化能夠在多維空間立體層面展示數(shù)據(jù)，不僅具有更好的表現(xiàn)力，而且能夠展示多個變量之間的交互作用，提高讀者的理解程度。如王微等[15]利用可視化地圖形式，展現(xiàn)了新疆地區(qū)結(jié)核病空間分布特征及其影響因素；郝世超[16]等構(gòu)建了中國東中西部老年人的健康期望壽命的年齡序列左右對稱條形圖，在傳統(tǒng)圖表的基礎(chǔ)上進(jìn)行了美化改造，使得有限的版面內(nèi)展現(xiàn)出更為豐富的數(shù)據(jù)信息。

2.數(shù)據(jù)可視化適應(yīng)了醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)的時(shí)代要求

醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)涵蓋醫(yī)療工作的各個方面，包括了結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的各種數(shù)據(jù)類型。大致來說，可以分為臨床數(shù)據(jù)(有數(shù)值型資料、定性或半定量資料、文本資料等)、衛(wèi)生經(jīng)濟(jì)學(xué)數(shù)據(jù)(人均/次均診療費(fèi)用、醫(yī)療糾紛費(fèi)用等)、生理病理藥理研究科研數(shù)據(jù)、醫(yī)患關(guān)系中雙方的個人行為和情感數(shù)據(jù)等[17-18]。如此復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型、龐大的數(shù)據(jù)記錄，其內(nèi)在規(guī)律已經(jīng)不能用單純的統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)加以解決，必須在數(shù)據(jù)挖掘的基礎(chǔ)上應(yīng)用數(shù)據(jù)可視化的理念和技術(shù)輔助進(jìn)行深入的解讀。如有研究者對大量、變化、即時(shí)、多維的移動醫(yī)療數(shù)據(jù)(運(yùn)動健身軟件中的數(shù)據(jù)、用戶身體健康指標(biāo)數(shù)據(jù))進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)分析，在精準(zhǔn)表達(dá)信息的基礎(chǔ)上使得用戶體驗(yàn)不斷提升[19]。

3.計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)步提升了醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)可視化的實(shí)現(xiàn)程度

數(shù)據(jù)可視化將一大堆密密麻麻的數(shù)字或非數(shù)字的信息轉(zhuǎn)成直觀形式，其實(shí)是對知識的一種壓縮[20]。與立體建模之類的特殊技術(shù)方法相比，數(shù)據(jù)可視化所涵蓋的技術(shù)方法要廣泛得多[21-22]。數(shù)據(jù)可視化的核心價(jià)值不在于獲得海量的數(shù)據(jù)，也不僅僅是對海量數(shù)據(jù)的簡單描述而是通過數(shù)據(jù)挖掘等方式對其展開專業(yè)的、系統(tǒng)的分析來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的“增值”。數(shù)據(jù)可視化將整合數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)展示多學(xué)科知識，實(shí)現(xiàn)對大數(shù)據(jù)的整合、存儲、挖掘、檢索、決策生成，發(fā)現(xiàn)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)在的規(guī)律性，從而跨越傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理，達(dá)到精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)、精準(zhǔn)管理的目的。

綜上所述，醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)的分析、挖掘、有效管理和利用是使其體現(xiàn)出巨大科學(xué)與產(chǎn)業(yè)價(jià)值的關(guān)鍵，現(xiàn)擁有的大數(shù)據(jù)處理技術(shù)是否能夠充分分析、挖掘數(shù)據(jù)蘊(yùn)藏的價(jià)值，應(yīng)對共享醫(yī)療數(shù)據(jù)后數(shù)據(jù)集中爆發(fā)局面是現(xiàn)今面臨的挑戰(zhàn)[23]。基于大數(shù)據(jù)挖掘的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)可視化研究和探索，就是將大數(shù)據(jù)管理的理念和思路引入醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域數(shù)據(jù)管理的新發(fā)展。

[1]陸少珍,張貴,張瑞秋,等.從用戶研究到產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)可視化研究.新技術(shù)新工藝,2015,(2):102-105.

[2]張浩,郭燦.數(shù)據(jù)可視化技術(shù)應(yīng)用趨勢與分類研究.軟件導(dǎo)刊,2012,11(5):169-172.

[3]高玥.大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下的數(shù)據(jù)可視化概念研究.電子技術(shù)與軟件工程,2014,(19):216-216.

[4]鄭西川.實(shí)踐臨床數(shù)據(jù)可視化.中國醫(yī)院院長,2014,19:72-73.

[5]Santos M,Eriksson H.Making quality registers supporting improvements:a systematic review of the data visualization in 5 quality registries.QualManag Health Care,2014,23(2):119-28.

[6]Alexander GH,Wendy AH,Thomas LG,et al.Natural speech reveals the semantic maps that tile human cerebral cortex.Nature,2016,532(7600):453-458.

[7]齊晨虹,高生鵬.醫(yī)院信息數(shù)據(jù)挖掘及數(shù)據(jù)可視化.中國科技信息,2014(22):115-116.

[8]房強(qiáng).基于數(shù)據(jù)可視化的農(nóng)民工異地醫(yī)療分析系統(tǒng).信息技術(shù),2014(7):136-139.

[9]Chaim TM,Schaufelberger MS,Ferreira LK,et al.Volume reduction of the corpus callosum and its relationship with deficits in interhemispheric transfer of information in recent-onset psychosis.Psychiatry Research:Neuroimaging,2010，(184):1-9.

[10]鄒北驥.大數(shù)據(jù)分析及其在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用.計(jì)算機(jī)教育,2014,7:24-29.

[11]蔡佳慧,張濤,宗文紅.醫(yī)療大數(shù)據(jù)面臨的挑戰(zhàn)及思考.中國衛(wèi)生信息管理雜志,2013,4:292-295.

[12]張振,周毅,杜守洪,等.醫(yī)療大數(shù)據(jù)及其面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn).醫(yī)學(xué)信息學(xué)雜志,2014,6:2-8.

[13]王光榮.發(fā)展心理學(xué)研究的兩種范式--皮亞杰與維果茨基認(rèn)知發(fā)展理論比較研究.華中師范大學(xué)學(xué)報(bào)(人文社會科學(xué)版)，2014,53(5):164-169.

[14]姚強(qiáng),張耀光,徐玲,等.國家衛(wèi)生服務(wù)調(diào)查學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)和影響力定量研究.中國衛(wèi)生信息管理雜志,2014,3:199-205.

[15]王微,靳圓圓,王澤,等.新疆地區(qū)結(jié)核病空間分布特征及其影響因素研究.中國衛(wèi)生統(tǒng)計(jì)，2016,8(33):672-674.

[16]郝世超,符健,周鼒,等.中國老年人健康期望壽命及其影響因素研究.中國衛(wèi)生統(tǒng)計(jì)，2016,6(33):408-411.

[17]李靜麗,馬霞,甄天民,等.基本公共衛(wèi)生服務(wù)文獻(xiàn)計(jì)量分析.醫(yī)學(xué)信息學(xué)雜志,2014,35(5):47-50.

[18]Lee S,Kim E,Monsen KA.Public health nurse perceptions of Omaha System data visualization.Int J Med Inform,2015，S1386-5056(15)：30017-30024.

[19]胡安妮,許懋琦.移動醫(yī)療數(shù)據(jù)可視化研究.設(shè)計(jì),2016(5):138-139.

[20]李田丁,王莉.淺談大數(shù)據(jù)時(shí)代的數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)可視化.圖書情報(bào)導(dǎo)刊,2016,1(1):100-104.

[21]羅旭,劉友江.醫(yī)療大數(shù)據(jù)研究現(xiàn)狀及其臨床應(yīng)用.醫(yī)學(xué)信息學(xué)雜志,2015,5:10-14.

[22]孫品一,周峰.探討大數(shù)據(jù)時(shí)代下的數(shù)據(jù)可視化.設(shè)計(jì),2016(7):136-137.

[23]Fan J,Han F,Liu H.Challenges of Big Data analysis.NatlSci Rev,2014,1(2):293-314.

(責(zé)任編輯：劉 壯)

福建省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(2016J01665)

1.福建中醫(yī)藥大學(xué)中西醫(yī)結(jié)合學(xué)院統(tǒng)計(jì)生物醫(yī)學(xué)教研室(350122)

2.福建中醫(yī)藥大學(xué)醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)研究室

3.福建中醫(yī)藥大學(xué)人文與管理學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息管理教研室

4.福建中醫(yī)藥大學(xué)人文與管理學(xué)院管理學(xué)教研室

5.福建中醫(yī)藥大學(xué)人文與管理學(xué)院心理學(xué)教研室

△通信作者：黃子杰，E-mail：2015003@fjtcm.edu.cn