疫情防控視角下視覺傳達在醫(yī)學圖像可視化設(shè)計中的應(yīng)用

李京

摘 要：2020年新冠疫情迅速在世界范圍內(nèi)擴散流行，短時間內(nèi)對全人類產(chǎn)生了極大的影響。因此，科學、迅速地測定病毒的內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)并將其視覺可視化迫在眉睫。在原子尺度上重構(gòu)病毒的視覺圖像，有助于理解這類病毒的繁殖和致病機理，并迅速應(yīng)對疫情。在此次疫情危機中。醫(yī)學圖像可視化設(shè)計以其精確性的優(yōu)勢，在新冠疫情的防治中起到至關(guān)重要的作用。該文從視覺傳播的視角出發(fā)，對醫(yī)學圖像可視化設(shè)計這一特殊形式給人們帶來的影響以及價值進行理論上的原因分析。

關(guān)鍵詞：視覺文化;醫(yī)學圖像;可視化設(shè)計

1 概述

現(xiàn)代社會是一個視覺化的世界，圖像在我們的生活中無處不及。視覺文化的每一個外在表征形式即雕塑、繪畫、攝影、建筑設(shè)計、醫(yī)學圖像等都在構(gòu)建物質(zhì)世界的過程中起著同樣重要能動的作用。在以“眼球經(jīng)濟”為核心的視覺浪潮中，醫(yī)學圖像作為視覺化信息傳遞的一個獨特形式，鮮少能夠引起人們的駐足和研究。但在突發(fā)性疫情背景下，醫(yī)學圖像卻擁有其它視覺圖像難以企及的魅力。

醫(yī)學圖像可視化設(shè)計是生物醫(yī)學、計算機圖形學和數(shù)字圖像處理等諸多學科的交叉領(lǐng)域。廣義上，醫(yī)學圖像可視化指通過利用技術(shù)手段將原本不可視或非視覺性的生物現(xiàn)象予以視覺藝術(shù)化的呈現(xiàn)，從而突破人類肉眼的視覺局限，并實現(xiàn)其醫(yī)學價值。具體來說就是通過采集對象的三維信息，并將其呈現(xiàn)為視覺圖像。醫(yī)學圖像可視化設(shè)計結(jié)合醫(yī)學成像技術(shù)與數(shù)字化繪圖技術(shù)，不僅能夠提供極具醫(yī)學價值的精準數(shù)據(jù)，同時還兼具著獨特的審美價值。

2 視覺化的信息傳遞：醫(yī)學圖像的緣起與發(fā)展

醫(yī)學圖像在人類社會發(fā)展的進程中一直扮演著舉足輕重的角色，原始社會中先民用巖畫、洞穴壁畫等圖像符號來傳遞信息。同樣，作為一種視覺傳播的外在形式，醫(yī)學圖像的誕生極大地彌補了文字在空間說明和視覺理解上的不足。在中國，藝術(shù)化的醫(yī)學圖像創(chuàng)作最早可追溯至湖南馬王堆三號漢墓中的《導引圖》，其中共繪有44幅彩色人形圖，是迄今為止最早的醫(yī)學圖像作品。西方社會則自古希臘時期起已非常重視人體各部比例的研究。文藝復興時期的達·芬奇更是繪制了近千幅解剖學素描圖譜。隨著現(xiàn)代醫(yī)學的發(fā)展，醫(yī)學圖像的可視化設(shè)計愈加多樣。

現(xiàn)代社會中，醫(yī)學視覺信息的傳播不僅僅指利用顏色、線條，還包括運用光線或透視等技術(shù)手段來傳遞信息，從而獲得最優(yōu)的傳播效果。如醫(yī)學界的醫(yī)學成像技術(shù)?，F(xiàn)代醫(yī)學成像技術(shù)的產(chǎn)生最早源自于1895年倫琴發(fā)現(xiàn)的X射線。X射線作為一種高速電子流射擊到固體上產(chǎn)生的一種短波長的電磁輻射，其在數(shù)字化繪圖算法的支持下，可以繪制出人體內(nèi)部肌肉、器官及骨骼等的三維立體圖像，如胎兒在母體內(nèi)的五官表情、肢體動作等，在此之后的一百多年間，醫(yī)學圖像可視化技術(shù)發(fā)展相當迅速。大量技術(shù)被用以醫(yī)學成像，如計算機斷層成像技術(shù)（CT）、核磁共振成像技術(shù)（（MRI）等成像技術(shù)。至20世紀末，哈佛大學首次提出利用醫(yī)學成像技術(shù)對人體內(nèi)的細胞和分子進行成像的概念。從此，醫(yī)學圖像可視化開啟了最大化地擴大人類可視化范圍的征途。從我們熟知的心電圖、B超等傳統(tǒng)診斷影像到核磁共振、三維立體圖像、分子影像等新型高科技數(shù)字化圖像，醫(yī)學圖像可視化設(shè)計已將其單一的醫(yī)學價值發(fā)展擴展成為集醫(yī)學價值、審美價值等為一體的綜合體系?，F(xiàn)代醫(yī)學圖像基于各種成像技術(shù)的成像原理和方法不同可分為以下兩類。

2.1以X-射線分析與核磁共振波譜法為主要手段的醫(yī)學圖像可視化

自人類對疾病的認識進入后基因組時代以來，科學家一直試圖對病毒的三維結(jié)構(gòu)進行測定與繪制，并致力于借此理解病毒的繁殖和致病機理。在過去半個世紀里，使用X射線法與核磁共振波譜法采集二維數(shù)據(jù)，并繪制出三維醫(yī)學圖像的方法一直是醫(yī)學研究中主要手段。

自1981年，艾滋病病毒在中美洲首次發(fā)現(xiàn)以來，人類就開始了同它的斗爭。艾滋病病毒在世界范圍內(nèi)的肆虐導致了近1200萬人的死亡，超過3000萬人受到感染。因此，將其病毒結(jié)構(gòu)進行三維圖像重構(gòu)有助于人們采取有效的治療措施，且對抑制艾滋病的大范圍流行有著很重要的作用。2010年，一支由伊凡·康斯坦丁諾夫領(lǐng)導的俄羅斯研究小組以X-射線分析和核磁共振波譜等手段為基礎(chǔ)，并利用數(shù)字繪畫技術(shù)盡可能的真實的呈現(xiàn)了艾滋病病毒。（如圖1所示）

這張基于二維數(shù)據(jù)合成的三維醫(yī)學視覺圖像選擇采用橙色與灰色兩種顏色來分別代表艾滋病病毒和一個免疫細胞。繪制者用藝術(shù)化的手法呈現(xiàn)了病毒正對免疫細胞展開無情攻擊的恐怖景象。三角形剖面區(qū)則展示了病毒如何“劫持”免疫細胞，并將這些受害者變成病毒復制工廠。作為呈現(xiàn)無處不在的病毒數(shù)據(jù)的一種新方式，這張藝術(shù)化的醫(yī)學圖像獲得了2010年國際科學工程可視化挑戰(zhàn)賽圖解類一等獎。

在現(xiàn)代醫(yī)學中，通過X-射線和核磁共振波譜法采集的二維數(shù)字圖像，大大增強了醫(yī)學界的研究能力。但借助CT、MRI等成像設(shè)備采集到的單一化二維數(shù)據(jù)，也導致了醫(yī)學數(shù)據(jù)的不精確性。因此，更加前沿的醫(yī)學圖像三維重建技術(shù)在醫(yī)學研究方面有著更加重要的實用價值，

2.2基于冷凍成像與圖像處理算法的醫(yī)學圖像可視化

近年來，利用X射線晶體學、核磁共振波譜法等技術(shù)，科學家們已經(jīng)解析了大量病毒衣殼的原子分辨率三維結(jié)構(gòu)，對衣殼蛋白的分子結(jié)構(gòu)已有較為系統(tǒng)的認識。但人們依然對于病毒內(nèi)部的基因組及相關(guān)蛋白的三維結(jié)構(gòu)所知之甚少。隨著冷凍電鏡與圖像處理算法的發(fā)展，基于冷凍成像與圖像處理算法的醫(yī)學圖像可視化設(shè)計可以更加快速、高效地重建高度復雜的生物分子三維結(jié)構(gòu)，在很大程度上取代并且超越了上文中傳統(tǒng)的X射線晶體學方法與核磁共振波譜法。

2015年，湖南師范大學物理與信息科學學院、量子效應(yīng)及其應(yīng)用協(xié)同創(chuàng)新中心教授劉紅榮與清華大學生命科學學院副研究員程凌鵬合作，便使用了這種冷凍電鏡對稱失配三維醫(yī)學圖像處理算法對病毒進行“拍照”，有效的將具有不同對稱性的信息很好地從信噪比極低的電子顯微圖像中分離出來，并精確地測定其三維關(guān)系。這種冷凍電鏡對稱失配三維圖像處理算法讓人類第一次在視覺上真正深入了解了病的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。該研究不僅首次為生物學家提供了病毒內(nèi)部基因組及其聚合的可視化三維結(jié)構(gòu)信息，并借此否定了過去對該類型病毒的內(nèi)部基因組結(jié)構(gòu)應(yīng)呈線軸狀視覺排列的錯誤觀點。并且，在此基礎(chǔ)上他們成功解析出了草魚出血病毒雙層衣殼和內(nèi)部RNA聚合酶復合物及其核酸的可視化三維結(jié)構(gòu)模型。（如圖2所示）這一研究對結(jié)構(gòu)生物學前沿研究產(chǎn)生重要而深遠的影響。

如上所示的這些醫(yī)學圖像的可視化研究對人類健康、疾病防控、藥物設(shè)計等意義重大。

3醫(yī)學圖像可視化設(shè)計在新冠疫情中的應(yīng)用

在這次的新冠疫情中，醫(yī)學圖像可視化設(shè)計的前沿技術(shù)在疫情的研究與防治中也發(fā)揮重大的作用。

美國德克薩斯大學奧斯汀分校和國立衛(wèi)生研究院研究人員，利用冷凍電鏡繪制了第一張新型冠狀病毒（COVID-19）附著并感染人類細胞部分的三維原子尺度圖像（如圖3所示），并借此三維圖像信息與世界各地的科學家共同制造疫苗抗體。該團隊還計劃利用該醫(yī)學圖像中所呈現(xiàn)的病毒信息來尋找COVID-19的攻擊路線，并利用其作為“探針”，從感染了COVID-19并成功康復的患者中分離出天然產(chǎn)生的抗體，以幫助防控暴露后不久的感染者?？捎糜谥笇ч_發(fā)疫苗和抗病毒藥物。研究負責人在接受福克斯新聞（Foxnews）專訪時指出，疫苗可以在18至24個月內(nèi)生產(chǎn)出來。雖然這段生產(chǎn)周期聽上去很長，但如果沒有先進的醫(yī)學圖像可視化技術(shù)重構(gòu)出新冠病毒模型，新冠疫苗可能需要像之前的多數(shù)疫苗一樣花費一二十年的開發(fā)周期。

同樣，中國科學家團隊也利用醫(yī)學圖像可視化設(shè)計為抑制疫情做出了重大貢獻。2020年2月21日，北京科技大學計算機與通信工程學院與解放軍總醫(yī)院第五醫(yī)學中心合作，實現(xiàn)了從新型冠狀病毒肺炎患者的CT影像中，重建了新型冠狀病毒感染肺的數(shù)字化圖像（如圖4所示），為新型冠狀病毒診斷和治療提供了精確的數(shù)據(jù)，為奮戰(zhàn)一線的醫(yī)療人員和后勤的科研團隊提供強有力的理論指導。

2020年3月17日，由饒子和、婁智勇教授、王權(quán)教授等組成上海科技大學—清華大學抗新冠病毒聯(lián)合攻關(guān)團隊將成功解析出新型冠狀病毒三維結(jié)構(gòu)（如圖5所示）相關(guān)論文成果的預印本在線發(fā)表于BioRxiv（一個生物科學的開放式預印本存儲庫），揭示了重要的抗病毒藥靶之一新冠病毒RNA聚合酶結(jié)構(gòu)作為這臺復制機器的核心部件。破壞其核心設(shè)備的功能，就能阻止病毒的復制，最終達到治療的目的。新型冠狀病毒RNA聚合酶的三維結(jié)構(gòu)信息，為新型冠狀病毒的靶向藥——瑞德西韋如何精確靶向抑制病毒RNA聚合酶的機制提供了明確的數(shù)據(jù)與合理解釋。這為深入研究新型冠狀病毒復制的分子機理奠定了重要的理論基礎(chǔ)，并為開發(fā)抗新冠肺炎的特效藥開辟了新途徑。

來源：中國科學報

如上所示，醫(yī)學圖像可視化的設(shè)計在新冠疫情中的應(yīng)用迅速提高了疫苗與相關(guān)藥物的研發(fā)速度，并通過色彩化的重建病毒三維圖像有效的將相關(guān)疫情數(shù)據(jù)傳播向社會。

4醫(yī)學圖像可視化設(shè)計的視覺價值

在科學技術(shù)的支持下，醫(yī)學圖像可視化成為現(xiàn)代醫(yī)學研究的重要手段，其獨特的視覺優(yōu)勢顛覆了人類傳統(tǒng)的視覺體驗，視覺化在醫(yī)學上的結(jié)果使得從心臟到單個細胞的活動都借助復雜的技術(shù)轉(zhuǎn)換為一種可視的圖像。這種可視化的圖像不僅具備與自身利益息息相關(guān)的醫(yī)學價值。并同時兼具了視覺上的審美價值。

4.1視覺上的醫(yī)學價值

醫(yī)學圖像視覺文化的一種特殊形式，這種形式不同于以往視覺傳播如造型、攝影、封面設(shè)計等對形式的要求大于對內(nèi)容的要求這種傳統(tǒng)做法。相對而言，醫(yī)學圖像的視覺價值更傾向于面向醫(yī)學專家的醫(yī)學研究價值與面向社會大眾的醫(yī)學科普價值。醫(yī)學圖像通過視覺可視化的傳播的方式來實現(xiàn)其醫(yī)學價值。這一價值也是醫(yī)學圖像可視化設(shè)計最為寶貴的意義所在。

從醫(yī)學研究的角度來看，醫(yī)學圖像的誕生突破了人類肉眼的視覺局限，實現(xiàn)了不可視的身體內(nèi)部的器官、組織乃至細胞、分子、微觀世界的直觀可視化。將人類的視線范圍由觀察1cm、1dm外的事物擴大至觀察-1cm、-1dm外的事物。醫(yī)學圖像極大地豐富了人的視覺體驗，這些更加精確、微觀的圖像信息被直觀地提供給醫(yī)學研究者。能夠使其做出更迅速、準確的醫(yī)療判斷。

從醫(yī)學科普的角度來看，醫(yī)學圖像作為一種視覺化的信息載體承加深了個人對醫(yī)學信息的認知和了解，承擔著醫(yī)患之間的互動交流溝通。這對醫(yī)學信息面向社會科普與公開有著極大的積極作用。這種可視化的圖像本身所具有的說服效果更加方便大眾了解病情或疫情的相關(guān)科普，進而接受病情和治療。

4.2視覺上的審美價值

盡管醫(yī)學圖像作為視覺傳播的一種科學形式，相對于影視、廣告、封面設(shè)計等視覺形象而言，它在真實性、科學性方面無疑極具優(yōu)勢。但并不代表醫(yī)學圖像無法人為地創(chuàng)造更大的審美價值。

現(xiàn)從技術(shù)角度來看，X線、CT或冷凍電鏡等醫(yī)學設(shè)備產(chǎn)出的醫(yī)學影像本身是通過從黑到白不同灰度尺度成現(xiàn)圖像。并且目前已知的、常見的天然病毒，一般不具有色素類物質(zhì)——無色透明的。因此，由醫(yī)學設(shè)備直接”拍照“生成醫(yī)學影像本身無法實現(xiàn)線條、色彩、光線、透視等美學上的技術(shù)要求。如電子顯微鏡的光源并不是我們能直接感知的可見光，因此就要借助熒光屏顯示或者感光膠片來作記錄。然而如此一來，記錄下的就只是電子的密度，也就是一張灰度圖，是黑白的、原始的、初級的照片，

因此，這些原始的醫(yī)學影像照片或三維重建模型需要進行后期的可視化藝術(shù)設(shè)計，從軟件上將這些原始的醫(yī)學影像照片或模型推至一個全新的審美高度，才能最終合成一張普羅大眾眼中的醫(yī)學圖像完成品。（如圖6所示）

1、電子顯微鏡拍攝的黑白圖案 2、電子顯微鏡拍攝后，后期上色的照片

花粉顆粒 侵染細胞的HIV病毒

圖片來源：Wikipedia 圖片來源：Wikipedia

醫(yī)學圖像作品中色彩元素的引入，使得冰冷而陌生的數(shù)字轉(zhuǎn)變成變成了一件數(shù)據(jù)藝術(shù)品。這些醫(yī)學圖像作品在極具美感的同時還可以更好地幫助專家進行醫(yī)學研究。并在科普的過程中達到更好的傳播效果。

5 結(jié)語

醫(yī)學圖像可視化設(shè)計不僅作為醫(yī)生診斷病情的輔助手段，能夠極大地提高醫(yī)療診斷的準確性、科學性和時效性，同時還以一種公眾能夠理解和喜歡的方式講述科學現(xiàn)象。他們能夠在視覺上吸引眾多人的目光，帶領(lǐng)人們走進科學世界，了解科學研究的復雜以及美麗的一面。醫(yī)學圖像可視化設(shè)計為醫(yī)學知識的宣傳與科普做出的重大的貢獻，是前沿科學和社會需求的高度結(jié)合。

從視覺傳播理論的角度進行分析，醫(yī)學影像不僅更新了人類的視覺體驗，而且還利用高科技成像技術(shù)與數(shù)字繪圖技術(shù)，實現(xiàn)了圖像的審美價值。醫(yī)學圖像可視化設(shè)計不是醫(yī)學科學的點綴品或裝飾品，而是使的枯燥、抽象、難懂的醫(yī)學理論變成生動活潑有藝術(shù)魅力的審美形象。

隨著醫(yī)學圖像可視化技術(shù)的不斷的進步。將來的某一天，它可能將人體內(nèi)部器官或細胞的形態(tài)、顏色、空間、狀態(tài)等視覺信息以更加真實，更加美麗的方式呈現(xiàn)在我們的面前。并發(fā)揮更大說服力和感染力。

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