醫(yī)學(xué)知識(shí)可視化的研究現(xiàn)狀及在健康評(píng)估中的應(yīng)用展望

安 輝，王大輝，潘志庚，陳美玲，王歆婷

(1.杭州師范大學(xué) 醫(yī)學(xué)院，浙江 杭州，310036；2.溫州市人民醫(yī)院 健康體檢管理部，浙江 溫州 325000)

視覺是獲取信息最重要的通道，超過50%的人腦功能用于視覺的感知[1]。利用人眼的感知能力對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行交互的可視表達(dá)以增強(qiáng)認(rèn)知的技術(shù)，稱為可視化[2]。知識(shí)可視化指可以用來構(gòu)建、傳達(dá)和表示復(fù)雜知識(shí)的圖形圖像手段，除了傳達(dá)事實(shí)信息之外，知識(shí)可視化的目標(biāo)還在于傳輸人類的知識(shí)，并幫助他人正確地重構(gòu)、記憶和應(yīng)用知識(shí)。在信息技術(shù)條件下，知識(shí)可視化有了新的突破，制作工具越來越多，制作方法更為簡易，表現(xiàn)形式更為多樣[3]。醫(yī)學(xué)是知識(shí)可視化的重要應(yīng)用領(lǐng)域。

1 文獻(xiàn)的來源分布

以“知識(shí)可視化”、“Medical Knowledge Visualization”為關(guān)鍵詞分別在萬方醫(yī)學(xué)網(wǎng)和PubMed中檢索2010至2016年間的文獻(xiàn)，經(jīng)篩選，得到相關(guān)中文文獻(xiàn)282篇，英文文獻(xiàn)214篇，年度分布如圖1，中文文獻(xiàn)仍呈增長趨勢，有可視化工具的簡單應(yīng)用，也有虛擬手術(shù)、系統(tǒng)仿真和三維交互的開創(chuàng)工作，其中在傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用頗具特點(diǎn)；英文文獻(xiàn)數(shù)量穩(wěn)中有降，整體質(zhì)量更佳，對(duì)基礎(chǔ)算法、可視化工具和方法等方面更為關(guān)注。

圖1 醫(yī)學(xué)可視化論文發(fā)表年年度分布

2 應(yīng)用領(lǐng)域

從應(yīng)用領(lǐng)域來看，醫(yī)學(xué)影像、基因與基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、醫(yī)學(xué)教育、各類臨床疾病分析以及中文文獻(xiàn)中的中醫(yī)中藥等是醫(yī)學(xué)知識(shí)可視化的熱點(diǎn)領(lǐng)域。可視化是醫(yī)學(xué)影像的基本特征和核心要求，影像專家根據(jù)影像的不同特點(diǎn)區(qū)分不同的組織器官，發(fā)現(xiàn)病理改變，知識(shí)可視化能夠幫助甚至部分替代專家的工作。圖像分割幫助自動(dòng)劃分組織器官，區(qū)分異常病灶[4]；三維重構(gòu)以更直觀的視角展示圖像的信息[5]。圖像配準(zhǔn)、偽影較正和優(yōu)化圖像繪制方法能夠提升醫(yī)學(xué)影像的質(zhì)量。

基因數(shù)據(jù)量極大，分析困難，可視化使研究者能夠快速從宏觀出發(fā)，在海量基因組變異中，發(fā)現(xiàn)微觀的家系基因組異同點(diǎn)[6]，或直觀地顯示疾病表型和基因網(wǎng)絡(luò)中的重要節(jié)點(diǎn)及連邊，發(fā)現(xiàn)重要影響的關(guān)鍵基因和生物學(xué)通路[7]?；A(chǔ)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，江辰[8]構(gòu)建了一個(gè)高精細(xì)的生理學(xué)舌頭模型，能夠?qū)崿F(xiàn)高真實(shí)感的舌動(dòng)畫合成。羅洪艷等[9]以中國數(shù)字化可視人體為基礎(chǔ)，開發(fā)了基于三維幾何模型的人腦解剖知識(shí)可視表示平臺(tái)。

知識(shí)可視化用于醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域，能夠幫助醫(yī)學(xué)生更好更快地掌握醫(yī)學(xué)知識(shí)。原始圖片、視頻簡單有效；概念圖和思維導(dǎo)圖能夠梳理所學(xué)知識(shí)，培養(yǎng)思維能力；虛擬仿真能夠?yàn)榕R床教學(xué)提供一個(gè)“真實(shí)”的環(huán)境，使醫(yī)學(xué)生獲得足夠的寶貴的實(shí)習(xí)機(jī)會(huì)?？梢暬瑯幽軒椭颊吆痛蟊娎斫忉t(yī)學(xué)知識(shí)，從而幫助其提高健康素養(yǎng)、治療依從性和改善醫(yī)患關(guān)系[10]。

可視化技術(shù)也被廣泛用于臨床，與地理信息系統(tǒng)結(jié)合實(shí)現(xiàn)傳染病信息實(shí)時(shí)采集與應(yīng)急處置系統(tǒng)[11]，運(yùn)用文獻(xiàn)分析工具對(duì)新型和重點(diǎn)傳染病進(jìn)行可視化分析，可快速了解其研究領(lǐng)域、現(xiàn)狀、前沿、態(tài)勢和發(fā)展趨勢?？谇粓D像的三維重建、虛擬全景圖，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)口腔牙齒種植的手術(shù)仿真[12]，對(duì)于口腔醫(yī)學(xué)的教學(xué)、輔助診斷、輔助治療都能發(fā)揮重要作用。此外，可視化也被廣泛用于兒科病、慢性病和腫瘤等多個(gè)領(lǐng)域。

在中國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，構(gòu)建中醫(yī)藥知識(shí)圖譜[13]，能以一種通用的方式表達(dá)、展現(xiàn)、發(fā)現(xiàn)和利用領(lǐng)域知識(shí)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的共享和重用，利用可視化工具分析中醫(yī)古籍[14]和名老中醫(yī)醫(yī)案，能夠重新認(rèn)識(shí)經(jīng)典，總結(jié)臨床經(jīng)驗(yàn)，在中醫(yī)經(jīng)典研究和名醫(yī)傳承工作中發(fā)揮了重要作用。經(jīng)絡(luò)走向既與人體解剖密切相關(guān)，又反映氣血津液運(yùn)行輸布功能，在數(shù)字人體的基礎(chǔ)上，通過經(jīng)絡(luò)穴位的三維重建、可視化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)虛擬針刺仿真[15]，對(duì)于針灸學(xué)的科研和教學(xué)都能發(fā)揮重要作用。

3 可視化工具

可視化離不開信息工具的支持，面向需求選擇適當(dāng)?shù)墓ぞ呤鞘滓蝿?wù)?；贑KD電子病歷信息，使用桑基圖能洞察大樣本長時(shí)程CKD患者數(shù)據(jù)中的規(guī)律[16]，但應(yīng)用恰當(dāng)，最簡單的圖片、手冊(cè)、視頻，也能很好地表達(dá)知識(shí)，傳播信息，在醫(yī)學(xué)教學(xué)和醫(yī)患宣教中發(fā)揮重要作用[17]。

文獻(xiàn)分析類工具如CiteSpace、Ucinet、Pajek等，簡單易用，可以快速分析、可視化展示目標(biāo)文獻(xiàn)的主題、作者、機(jī)構(gòu)關(guān)系，揭示學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展概況和趨勢[18]，可用于情報(bào)檢索、醫(yī)學(xué)文獻(xiàn)分析，乃至期刊雜志的發(fā)展研究。知識(shí)圖譜能把復(fù)雜的領(lǐng)域知識(shí)和邏輯以可視化的方式展示出來，如上述文獻(xiàn)分析類工具，很多都是以知識(shí)圖譜的方式展示分析的結(jié)果。知識(shí)圖譜不僅能在人與人之間表達(dá)和傳播知識(shí)，還能在人與計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)不同程序系統(tǒng)間實(shí)現(xiàn)知識(shí)的共享和利用[13]。一些專業(yè)工具針對(duì)特定的應(yīng)用需求，提供了強(qiáng)大的可視化展示和操作功能，如運(yùn)用Matlab的SOMToolBox工具箱實(shí)現(xiàn)臨床檢驗(yàn)推薦方案選擇[19]，運(yùn)用Mimics軟件輔助診斷齒狀突骨折[20]，利用Amira4.1三維可視化軟件構(gòu)建虛擬肝臟模型[21]。基于強(qiáng)大的動(dòng)畫和虛擬現(xiàn)實(shí)工具，可以開發(fā)出更豐富的可視化應(yīng)用，如利用OpenGL、3DMAX、Maya、Unity3D實(shí)現(xiàn)三維重建與手術(shù)仿真[22]，使用VC開發(fā)平臺(tái)利用VIK實(shí)現(xiàn)神經(jīng)外科手術(shù)導(dǎo)航[23]。開發(fā)通用和專用的可視化工具為知識(shí)可視化的發(fā)展提供了新的可能。王廷波[24]提出的ArcBall三維交互模型，實(shí)現(xiàn)了可視化基礎(chǔ)上的人機(jī)交互；Skupin[25]提出一種自組織映射方法，用于可視化醫(yī)學(xué)科學(xué)的局部結(jié)構(gòu)；Pawel[26]提出了一種拓?fù)浔Ｗo(hù)的細(xì)化算法，以減少可視化處理中需要處理的信息量；Markus[27]提出了一種新的軟件模塊SIScaR，使用GPU使速度快三倍；Tien[28]以可視化語義處理為基礎(chǔ)，構(gòu)建了一款搜索引擎，與傳統(tǒng)的搜索引擎比較顯示，以知識(shí)為基礎(chǔ)的個(gè)性化搜索引擎更具獨(dú)創(chuàng)性和魯棒性，實(shí)現(xiàn)開發(fā)了一個(gè)基于人體骨骼肌肉內(nèi)容的數(shù)據(jù)庫。

4 數(shù)據(jù)對(duì)象和技術(shù)基礎(chǔ)

醫(yī)學(xué)可視化的數(shù)據(jù)對(duì)象多種多樣，如文獻(xiàn)和專利數(shù)據(jù)，醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)，HIS、Lis及其它醫(yī)療數(shù)據(jù)和報(bào)表，醫(yī)學(xué)典籍、教材、指南等已有醫(yī)學(xué)知識(shí)，包括基因在內(nèi)的各種生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)庫等。

為達(dá)到不同的可視化目的，選擇不同的可視化工具，所使用的技術(shù)基礎(chǔ)也不同，包括：圖形圖像的繪制、錄像視頻、概念圖、思維導(dǎo)圖、Office制表制圖、統(tǒng)計(jì)圖表、互動(dòng)圖表、MatLab開發(fā)、知識(shí)圖譜、三維建模、3D打印、虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、程序開發(fā)、人機(jī)交互等。實(shí)際應(yīng)用，尤其是系統(tǒng)仿真中，需要很多的技術(shù)集成，但功能強(qiáng)大，從病理生理研究到臨床實(shí)踐技術(shù)，從疾病診斷到手術(shù)規(guī)劃，應(yīng)用前景非常廣闊。劉麗娜完成了下呼吸道呼吸生物力學(xué)動(dòng)力模型構(gòu)建[29]。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于腹腔微創(chuàng)手術(shù)中為醫(yī)生導(dǎo)航，在外科手術(shù)的真實(shí)場景中疊加顯示手術(shù)規(guī)劃信息，進(jìn)行對(duì)比和引導(dǎo)，能夠更好地發(fā)揮手術(shù)規(guī)劃的作用[30]。

5 知識(shí)可視化在知識(shí)展示和運(yùn)用中的作用

知識(shí)可視化的作用是展示、傳播、發(fā)現(xiàn)和運(yùn)用知識(shí)，目的是更好地輔助認(rèn)知。數(shù)據(jù)和信息是認(rèn)知的基礎(chǔ)，但過大的圖形和過多的數(shù)據(jù)反而會(huì)挑戰(zhàn)人的認(rèn)知能力，Jing描述了一種過濾方法，限制圖形的大小，同時(shí)保留了重要的信息[31]。時(shí)序數(shù)據(jù)同樣會(huì)造成認(rèn)知負(fù)荷，Denis提出了智能化的，面向多患者的，以時(shí)間為導(dǎo)向的，數(shù)據(jù)可視化與瀏覽技術(shù)[32]。將不可見變?yōu)榭梢?，可以更好地利用人的視覺認(rèn)知能力。周凡棚構(gòu)建了基于MATLAB和DSP的數(shù)字化中醫(yī)聲診系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)病癥高效診斷[33]。Olga將可視化研究用于藥物形態(tài)和功能機(jī)制的研究[34]。Simon開發(fā)出了一款基于近紅外光譜的可移動(dòng)設(shè)備，用于實(shí)時(shí)顯示體表的外周血管，以提高外周靜脈穿刺的成功率[35]。利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力可能幫助我們發(fā)現(xiàn)和運(yùn)用知識(shí)。Adam利用歷史數(shù)據(jù)來提取電子病歷的醫(yī)療事件，以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式發(fā)現(xiàn)臨床知識(shí)和護(hù)理路徑[36]。Ashis探討了工作流驅(qū)動(dòng)的臨床認(rèn)知決策支持系統(tǒng)，提高任務(wù)性能并預(yù)防錯(cuò)誤的發(fā)生[37]。Beatriz提出了一個(gè)基于病例的醫(yī)學(xué)診斷框架eXiT*CBR用于輔助診斷[38]。領(lǐng)域用戶不具備專業(yè)的信息技術(shù)能力，可視化能彌合其人機(jī)交互的鴻溝。Maulik針對(duì)非技術(shù)用戶在語義網(wǎng)絡(luò)操作上的困難，開發(fā)了以用戶為中心的可視化分析平臺(tái)ReVeaLD，使用的DSL操作語言能夠被領(lǐng)域用戶快速掌握，并使用游戲的方式評(píng)價(jià)用戶對(duì)DSL掌握情況[39]。

可視化能將知識(shí)以人和計(jì)算機(jī)都可以理解的方式表達(dá)，在人與機(jī)器之間搭建起便利的橋梁。Arturo介紹了一種自動(dòng)生成患者個(gè)性化的電子診治路徑，其方法是將計(jì)算機(jī)可理解的指南自動(dòng)翻譯成結(jié)構(gòu)化的任務(wù)網(wǎng)絡(luò)，其創(chuàng)新點(diǎn)是知識(shí)的可視化和便利的人機(jī)接口[40]。機(jī)器學(xué)習(xí)方法的引入[41]使信息系統(tǒng)更加聰明，在使用過程中不斷學(xué)習(xí)專家的知識(shí)和技巧，提升準(zhǔn)確率。新技術(shù)的應(yīng)用能夠拓展人的視野，使人們能夠掌握以前難以獲取的信息。Santosh報(bào)道MD2K匯集多學(xué)科的高級(jí)專家，使用移動(dòng)和可穿戴設(shè)備中的傳感器，在日常生活環(huán)境中收集關(guān)鍵健康信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)科學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)疾病內(nèi)在知識(shí)，以達(dá)到降低醫(yī)療保健費(fèi)用，增進(jìn)個(gè)體和群體健康的目的[42]。Demiris開發(fā)的智能家居環(huán)境輔助生活系統(tǒng)利用傳感器和可穿戴設(shè)備，捕捉數(shù)據(jù)，并用于信息和知識(shí)發(fā)現(xiàn)，解決老年人的看護(hù)需求，最終提高其生活質(zhì)量以及醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量[43]。

6 醫(yī)學(xué)知識(shí)可視化在健康管理領(lǐng)域的應(yīng)用展望

醫(yī)學(xué)知識(shí)可視化已經(jīng)廣泛應(yīng)用于眾多醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，借助于人腦的視覺認(rèn)知優(yōu)勢，知識(shí)可視化能夠更好地實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)知識(shí)的展示、傳播、發(fā)現(xiàn)和運(yùn)用，在人機(jī)交互、知識(shí)復(fù)用和智慧醫(yī)療中發(fā)揮了重要作用。治未病與健康管理是一門新興的醫(yī)學(xué)學(xué)科，它博采祖國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)之長，踐行預(yù)防為主的理念，實(shí)現(xiàn)以促進(jìn)健康為目標(biāo)的全人全程全方位的醫(yī)學(xué)服務(wù)過程，在信息收集、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、健康干預(yù)三部曲中，健康評(píng)估發(fā)揮著承上啟下的關(guān)鍵作用，是健康管理的核心技術(shù)，健康知識(shí)應(yīng)用密集。

在我國，包括人口老齡化、慢性病在內(nèi)的健康挑戰(zhàn)異常嚴(yán)峻，健康需求不斷膨脹；醫(yī)療行業(yè)兼具知識(shí)密集和勞動(dòng)密集的雙重特點(diǎn)，專業(yè)人員注定稀缺。只有借助飛速發(fā)展的信息技術(shù)，提高健康管理的效率和效益，才能滿足人們?nèi)找嬖鲩L的健康需求。當(dāng)運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行健康評(píng)估時(shí)，我們提供健康信息，獲得評(píng)估結(jié)果，評(píng)估的過程是不可見的，這恰是醫(yī)學(xué)知識(shí)發(fā)揮作用的關(guān)鍵時(shí)刻，運(yùn)用可視化的技術(shù)，打破計(jì)算機(jī)的黑盒狀態(tài)，將這一過程展示出來，能夠?yàn)榻】倒芾韺＜姨峁┯押玫娜藱C(jī)交互接口，使他們能夠以自然、友好的方式進(jìn)行人機(jī)交互，查看以至編輯其中的醫(yī)學(xué)知識(shí)，與程序員之間實(shí)現(xiàn)良好的分工合作，降低不必要的高昴的溝通成本，使健康專家在健康信息化過程中發(fā)揮應(yīng)有的重要作用。

在健康評(píng)估中運(yùn)用可視化，應(yīng)當(dāng)注意以下問題：(1)健康評(píng)估中的可視化屬于分析可視化，而健康信息和健康評(píng)估結(jié)果的展示屬于數(shù)據(jù)可視化，既緊密聯(lián)系，又有一定的區(qū)別，需要同時(shí)采用，相互配合，才能達(dá)到可視化的目的和效果。(2)知識(shí)具有動(dòng)靜兩方面的屬性，健康評(píng)估中的可視化不僅包括靜態(tài)的評(píng)估知識(shí)的可視化，也包括運(yùn)用知識(shí)進(jìn)行評(píng)估過程的可視化，需要?jiǎng)屿o結(jié)合。(3)健康評(píng)估中知識(shí)可視化的服務(wù)對(duì)象包括健康專家、信息專家，也包括智能系統(tǒng)。要實(shí)現(xiàn)健康專家之間、健康專家與信息專家之間評(píng)估知識(shí)的展示與傳播，也要實(shí)現(xiàn)人與信息系統(tǒng)之間的知識(shí)交流，還要構(gòu)建統(tǒng)一的健康知識(shí)表達(dá)的模型，實(shí)現(xiàn)不同軟件間知識(shí)的共享與復(fù)用。(4)不僅要利用知識(shí)可視化在知識(shí)展現(xiàn)中的作用，還要利用其發(fā)現(xiàn)新知識(shí)。利用可視化提高人的洞察力，可以輔助人工發(fā)現(xiàn)新知識(shí)，也可以運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法總結(jié)專家操作信息系統(tǒng)過程，自動(dòng)發(fā)現(xiàn)其中的健康知識(shí)和規(guī)律，健康大數(shù)據(jù)可視化分析也是獲得新醫(yī)學(xué)知識(shí)的途徑。(5)注意先驗(yàn)知識(shí)、概率推論知識(shí)、機(jī)器學(xué)習(xí)知識(shí)之間的異同，聯(lián)合使用的方法和機(jī)制。(6)信息專家和健康專家之間分工協(xié)作，不僅重視可視化工具平臺(tái)的研制開發(fā)，同樣注重具體評(píng)估內(nèi)容的實(shí)踐應(yīng)用。