医学知识可视化的研究现状及在健康评估中的应用展望

安 辉，王大辉，潘志庚，陈美玲，王歆婷

(1.杭州师范大学 医学院，浙江 杭州，310036；2.温州市人民医院 健康体检管理部，浙江 温州 325000)

视觉是获取信息最重要的通道，超过50%的人脑功能用于视觉的感知[1]。利用人眼的感知能力对数据进行交互的可视表达以增强认知的技术，称为可视化[2]。知识可视化指可以用来构建、传达和表示复杂知识的图形图像手段，除了传达事实信息之外，知识可视化的目标还在于传输人类的知识，并帮助他人正确地重构、记忆和应用知识。在信息技术条件下，知识可视化有了新的突破，制作工具越来越多，制作方法更为简易，表现形式更为多样[3]。医学是知识可视化的重要应用领域。

1 文献的来源分布

以“知识可视化”、“Medical Knowledge Visualization”为关键词分别在万方医学网和PubMed中检索2010至2016年间的文献，经筛选，得到相关中文文献282篇，英文文献214篇，年度分布如图1，中文文献仍呈增长趋势，有可视化工具的简单应用，也有虚拟手术、系统仿真和三维交互的开创工作，其中在传统医学中的应用颇具特点；英文文献数量稳中有降，整体质量更佳，对基础算法、可视化工具和方法等方面更为关注。

图1 医学可视化论文发表年年度分布

2 应用领域

从应用领域来看，医学影像、基因与基础医学、医学教育、各类临床疾病分析以及中文文献中的中医中药等是医学知识可视化的热点领域。可视化是医学影像的基本特征和核心要求，影像专家根据影像的不同特点区分不同的组织器官，发现病理改变，知识可视化能够帮助甚至部分替代专家的工作。图像分割帮助自动划分组织器官，区分异常病灶[4]；三维重构以更直观的视角展示图像的信息[5]。图像配准、伪影较正和优化图像绘制方法能够提升医学影像的质量。

基因数据量极大，分析困难，可视化使研究者能够快速从宏观出发，在海量基因组变异中，发现微观的家系基因组异同点[6]，或直观地显示疾病表型和基因网络中的重要节点及连边，发现重要影响的关键基因和生物学通路[7]。基础医学领域，江辰[8]构建了一个高精细的生理学舌头模型，能够实现高真实感的舌动画合成。罗洪艳等[9]以中国数字化可视人体为基础，开发了基于三维几何模型的人脑解剖知识可视表示平台。

知识可视化用于医学教育领域，能够帮助医学生更好更快地掌握医学知识。原始图片、视频简单有效；概念图和思维导图能够梳理所学知识，培养思维能力；虚拟仿真能够为临床教学提供一个“真实”的环境，使医学生获得足够的宝贵的实习机会。可视化同样能帮助患者和大众理解医学知识，从而帮助其提高健康素养、治疗依从性和改善医患关系[10]。

可视化技术也被广泛用于临床，与地理信息系统结合实现传染病信息实时采集与应急处置系统[11]，运用文献分析工具对新型和重点传染病进行可视化分析，可快速了解其研究领域、现状、前沿、态势和发展趋势。口腔图像的三维重建、虚拟全景图，进而实现口腔牙齿种植的手术仿真[12]，对于口腔医学的教学、辅助诊断、辅助治疗都能发挥重要作用。此外，可视化也被广泛用于儿科病、慢性病和肿瘤等多个领域。

在中国传统医学领域，构建中医药知识图谱[13]，能以一种通用的方式表达、展现、发现和利用领域知识，实现知识的共享和重用，利用可视化工具分析中医古籍[14]和名老中医医案，能够重新认识经典，总结临床经验，在中医经典研究和名医传承工作中发挥了重要作用。经络走向既与人体解剖密切相关，又反映气血津液运行输布功能，在数字人体的基础上，通过经络穴位的三维重建、可视化，进而实现虚拟针刺仿真[15]，对于针灸学的科研和教学都能发挥重要作用。

3 可视化工具

可视化离不开信息工具的支持，面向需求选择适当的工具是首要任务。基于CKD电子病历信息，使用桑基图能洞察大样本长时程CKD患者数据中的规律[16]，但应用恰当，最简单的图片、手册、视频，也能很好地表达知识，传播信息，在医学教学和医患宣教中发挥重要作用[17]。

文献分析类工具如CiteSpace、Ucinet、Pajek等，简单易用，可以快速分析、可视化展示目标文献的主题、作者、机构关系，揭示学科领域发展概况和趋势[18]，可用于情报检索、医学文献分析，乃至期刊杂志的发展研究。知识图谱能把复杂的领域知识和逻辑以可视化的方式展示出来，如上述文献分析类工具，很多都是以知识图谱的方式展示分析的结果。知识图谱不仅能在人与人之间表达和传播知识，还能在人与计算机、计算机不同程序系统间实现知识的共享和利用[13]。一些专业工具针对特定的应用需求，提供了强大的可视化展示和操作功能，如运用Matlab的SOMToolBox工具箱实现临床检验推荐方案选择[19]，运用Mimics软件辅助诊断齿状突骨折[20]，利用Amira4.1三维可视化软件构建虚拟肝脏模型[21]。基于强大的动画和虚拟现实工具，可以开发出更丰富的可视化应用，如利用OpenGL、3DMAX、Maya、Unity3D实现三维重建与手术仿真[22]，使用VC开发平台利用VIK实现神经外科手术导航[23]。开发通用和专用的可视化工具为知识可视化的发展提供了新的可能。王廷波[24]提出的ArcBall三维交互模型，实现了可视化基础上的人机交互；Skupin[25]提出一种自组织映射方法，用于可视化医学科学的局部结构；Pawel[26]提出了一种拓扑保护的细化算法，以减少可视化处理中需要处理的信息量；Markus[27]提出了一种新的软件模块SIScaR，使用GPU使速度快三倍；Tien[28]以可视化语义处理为基础，构建了一款搜索引擎，与传统的搜索引擎比较显示，以知识为基础的个性化搜索引擎更具独创性和鲁棒性，实现开发了一个基于人体骨骼肌肉内容的数据库。

4 数据对象和技术基础

医学可视化的数据对象多种多样，如文献和专利数据，医学影像数据，HIS、Lis及其它医疗数据和报表，医学典籍、教材、指南等已有医学知识，包括基因在内的各种生物医学数据库等。

为达到不同的可视化目的，选择不同的可视化工具，所使用的技术基础也不同，包括：图形图像的绘制、录像视频、概念图、思维导图、Office制表制图、统计图表、互动图表、MatLab开发、知识图谱、三维建模、3D打印、虚拟/增强现实、程序开发、人机交互等。实际应用，尤其是系统仿真中，需要很多的技术集成，但功能强大，从病理生理研究到临床实践技术，从疾病诊断到手术规划，应用前景非常广阔。刘丽娜完成了下呼吸道呼吸生物力学动力模型构建[29]。增强现实技术用于腹腔微创手术中为医生导航，在外科手术的真实场景中叠加显示手术规划信息，进行对比和引导，能够更好地发挥手术规划的作用[30]。

5 知识可视化在知识展示和运用中的作用

知识可视化的作用是展示、传播、发现和运用知识，目的是更好地辅助认知。数据和信息是认知的基础，但过大的图形和过多的数据反而会挑战人的认知能力，Jing描述了一种过滤方法，限制图形的大小，同时保留了重要的信息[31]。时序数据同样会造成认知负荷，Denis提出了智能化的，面向多患者的，以时间为导向的，数据可视化与浏览技术[32]。将不可见变为可见，可以更好地利用人的视觉认知能力。周凡棚构建了基于MATLAB和DSP的数字化中医声诊系统，实现虚实病症高效诊断[33]。Olga将可视化研究用于药物形态和功能机制的研究[34]。Simon开发出了一款基于近红外光谱的可移动设备，用于实时显示体表的外周血管，以提高外周静脉穿刺的成功率[35]。利用计算机强大的数据处理能力可能帮助我们发现和运用知识。Adam利用历史数据来提取电子病历的医疗事件，以数据驱动的方式发现临床知识和护理路径[36]。Ashis探讨了工作流驱动的临床认知决策支持系统，提高任务性能并预防错误的发生[37]。Beatriz提出了一个基于病例的医学诊断框架eXiT*CBR用于辅助诊断[38]。领域用户不具备专业的信息技术能力，可视化能弥合其人机交互的鸿沟。Maulik针对非技术用户在语义网络操作上的困难，开发了以用户为中心的可视化分析平台ReVeaLD，使用的DSL操作语言能够被领域用户快速掌握，并使用游戏的方式评价用户对DSL掌握情况[39]。

可视化能将知识以人和计算机都可以理解的方式表达，在人与机器之间搭建起便利的桥梁。Arturo介绍了一种自动生成患者个性化的电子诊治路径，其方法是将计算机可理解的指南自动翻译成结构化的任务网络，其创新点是知识的可视化和便利的人机接口[40]。机器学习方法的引入[41]使信息系统更加聪明，在使用过程中不断学习专家的知识和技巧，提升准确率。新技术的应用能够拓展人的视野，使人们能够掌握以前难以获取的信息。Santosh报道MD2K汇集多学科的高级专家，使用移动和可穿戴设备中的传感器，在日常生活环境中收集关键健康信息，进行数据科学研究，发现疾病内在知识，以达到降低医疗保健费用，增进个体和群体健康的目的[42]。Demiris开发的智能家居环境辅助生活系统利用传感器和可穿戴设备，捕捉数据，并用于信息和知识发现，解决老年人的看护需求，最终提高其生活质量以及医疗服务质量[43]。

6 医学知识可视化在健康管理领域的应用展望

医学知识可视化已经广泛应用于众多医学领域，借助于人脑的视觉认知优势，知识可视化能够更好地实现医学知识的展示、传播、发现和运用，在人机交互、知识复用和智慧医疗中发挥了重要作用。治未病与健康管理是一门新兴的医学学科，它博采祖国传统医学与现代医学之长，践行预防为主的理念，实现以促进健康为目标的全人全程全方位的医学服务过程，在信息收集、风险评估、健康干预三部曲中，健康评估发挥着承上启下的关键作用，是健康管理的核心技术，健康知识应用密集。

在我国，包括人口老龄化、慢性病在内的健康挑战异常严峻，健康需求不断膨胀；医疗行业兼具知识密集和劳动密集的双重特点，专业人员注定稀缺。只有借助飞速发展的信息技术，提高健康管理的效率和效益，才能满足人们日益增长的健康需求。当运用计算机进行健康评估时，我们提供健康信息，获得评估结果，评估的过程是不可见的，这恰是医学知识发挥作用的关键时刻，运用可视化的技术，打破计算机的黑盒状态，将这一过程展示出来，能够为健康管理专家提供友好的人机交互接口，使他们能够以自然、友好的方式进行人机交互，查看以至编辑其中的医学知识，与程序员之间实现良好的分工合作，降低不必要的高昴的沟通成本，使健康专家在健康信息化过程中发挥应有的重要作用。

在健康评估中运用可视化，应当注意以下问题：(1)健康评估中的可视化属于分析可视化，而健康信息和健康评估结果的展示属于数据可视化，既紧密联系，又有一定的区别，需要同时采用，相互配合，才能达到可视化的目的和效果。(2)知识具有动静两方面的属性，健康评估中的可视化不仅包括静态的评估知识的可视化，也包括运用知识进行评估过程的可视化，需要动静结合。(3)健康评估中知识可视化的服务对象包括健康专家、信息专家，也包括智能系统。要实现健康专家之间、健康专家与信息专家之间评估知识的展示与传播，也要实现人与信息系统之间的知识交流，还要构建统一的健康知识表达的模型，实现不同软件间知识的共享与复用。(4)不仅要利用知识可视化在知识展现中的作用，还要利用其发现新知识。利用可视化提高人的洞察力，可以辅助人工发现新知识，也可以运用机器学习的方法总结专家操作信息系统过程，自动发现其中的健康知识和规律，健康大数据可视化分析也是获得新医学知识的途径。(5)注意先验知识、概率推论知识、机器学习知识之间的异同，联合使用的方法和机制。(6)信息专家和健康专家之间分工协作，不仅重视可视化工具平台的研制开发，同样注重具体评估内容的实践应用。