基于知识图谱的国内生物医学工程研究可视化分析

沈同平，阚红星，董 尹，俞 磊

（1.安徽中医药大学医药信息工程学院，安徽合肥230011；2.合肥学院管理系，安徽合肥230009）

生物医学工程是从工程学的角度来研究生物医学方面的问题，涉及生物学、医学、物理学和工程学等多门学科，致力于探索、开发创新性的生物学制品、医疗器械等生物工程产品，用于疾病预防、诊断和治疗、辅助病人康复等方面。从20世纪50年代开始，生物医学工程成为各国竞争的主要研究领域之一，学科发展十分迅速。生物医学工程研究在国内起步稍晚，1980年，中国生物工程学会成立，在学会的指导下，国内生物医学工程研究得到迅速发展。

为了把握国内生物医学工程领域的进展，本文对以国内生物医学工程领域唯一核心期刊、中国科学引文数据库来源期刊（CSCD）《中国生物医学工程学报》进行数据挖掘与分析。文章采用文献计量和知识图谱相结合的分析方法，以CNKI数据库为检索来源，检索期刊论文的时间范围限定在1982年1月至2017年12月，检索时间为2018年2月2日；检索表达式：JN=('中国生物医学工程学报'-'Chinese Journal of Biomedical Engineering')-'Chinese Journal of Biomedical Engineering(English Edition)'；共检索到期刊中文文献为3 295篇，剔除新闻、期刊目录、通知、会议等与研究主题无关的文献60篇。将3 235篇检索文献数据按照Refworks格式进行保存，每条数据包含作者、机构、题目、期刊、关键词、摘要等信息[1]。研究采用基于Java语言和引文分析理论的可视化软件CiteSpace，软件版本是官网上2017年12月10日发布的5.1.R8.SE版本。CiteSpace软件[2]通过绘制共词聚类图谱、时区图谱等可视化方式，帮助读者和生物医学工程领域研究学者及时了解生物医学工程研究领域的发展规律、学科研究热点及前沿动态[3]。

1 文献年代分布

论文载文量的变化，在一定程度上反映了该学科的理论水平和发展速度以及未来发展趋势[4-5]。对CNKI数据库检索的3235篇文献进行统计，并利用Excel软件绘制出期刊载文量年代分布折线图，如图1所示。

图1 期刊发文量趋势图

研究结果表明，期刊从1982—2017年期刊载文量整体上呈上升趋势。期刊载文量的发展基本上分为3个阶段：第1阶段（1982—2000年）为稳定增长期，这一阶段，生物工程研究在国内刚刚起步，研究成果较少，期刊载文量也相应较少；第2阶段（2001—2012年）为迅速发展期，随着生物医学工程学科的迅速发展以及国内各大高校生物医学工程专业的开设，生物医学工程研究领域取得丰硕成果，期刊的载文量达到创刊以来的高峰期，年平均载文量达144篇，其中2007年和2008年，论文载文量达176篇；第3个阶段（2012—2017年）为平稳期，生物医学工程领域经过几十年的发展，出现了瓶颈期。现在生物医学工程研究侧重于生物信号、神经网络等分子层面的研究，研究难度加大，杂志载文量有所降低。但随着生物医学工程领域技术的不断发展和突破，期刊的发文量必然也会呈上升趋势。

2 基金分析

统计分析各基金项目尤其是国家级基金项目对某一学术主题的支持情况，可以掌握该领域的学术地位以及受重视程度[6-7]。表1列出1982—2017年期刊刊登文献的资金资助情况。

表1 文献基金分布表

通过对文献基金数据分析，发现涉及的基金项目共有30类，其中国家级9类，省部级21类。3 235篇文献共有2 349项各类基金资助，资助比例为72.61%；其中，国家级基金项目，如国家自然科学基金和国家高技术研究发展计划（863计划）等，共有1 971项，资助比例为60.93%。一般来说，受到各类国家和省部级基金资助的论文，研究成果和质量较高；通过期刊刊登文献的基金资助比例，表明本刊作为生物医学工程领域的重要期刊之一，对刊源质量有着较高的要求。

3 作者分析

期刊核心作者的确定可以依据普赖斯定律，即期刊最高产作者的发文量来确定核心作者范围[8]。根据核心作者计算公式，其中Mp是指核心作者发文数量，Npmax表示发表文献数量最多的作者的发文数量，这里Npmax取47。我们将发表5篇或5篇以上论文的作者确定为期刊的核心作者。发文量大于14的高产作者和发文数量如表2所示。

表2 发文量前16的高产作者

借助CiteSpace可视化软件，以可视化的方式展示作者合作网络知识图谱。设置相应的软件参数：时间跨度选择“1982—2017”；时间分区设定为1年；节点类型选择“作者”。运行软件后对作者共现网络图进行相应的调整，如图2所示。

图2 高产作者网络图

研究的文献数据从1982到2017年，时间跨度35年，期刊学者可能会出现研究方向转移现象。为了更加准确地把握期刊的研究学者，通过Citespace软件对作者进行突现算法检测，突现检测结果如表3所示。

通过对高产作者合作网络知识图谱进行可视化分析，可以发掘研究领域的核心作者、合作团队以及研究方向。我们发现在高产作者中，学者吕维雪、文宗曜、杨福生等的研究成果主要集中在早期，为期刊及生物医学工程领域的发展奠定了基础。中期主要以曾衍钧、马洪顺、邱天爽等为代表的学者发文量较多，并且形成了比较稳定的研究方向和科研团队，进一步推动了期刊和生物医学工程领域的发展。近期主要以徐桂芝、尧德中、陈思平和明东等学者为主，为《中国生物医学工程学报》创作并发表了多篇高水平的研究论文，为生物医学工程领域的发展注入了活力、提供了思路。同时，作者间的合作关系日益紧密，形成了相对稳定的科研团队和科研方向。以学者吕维雪为主的研究团队致力于对心外膜电位以及希氏束电位等进行仿真研究，取得了一系列的研究成果；以学者邱天爽为主的研究团队在基于分数低阶统计量的非高斯信号处理和脑电信号分析处理方面取得了重要成果。近期的科研团队以学者徐桂芝为主，研究方向为生物电磁技术、脑认知与神经工程方面的研究。这种新老科研团队不断交替、相互融合，形成了一个联系紧密、层次多样的作者合作网络，促进了期刊和生物医学工程领域的持续发展。

表3 作者突现强度表

4 机构分析

为了方便对机构发文数量进行统计，对机构名称进行了整合，将高等学校的各院系及其附属研究机构统一按照学校的名称进行统计。如将天津大学精密仪器与光电子工程学院、天津大学、天津大学精密仪器与光电子工程学院生物医学工程系、天津大学机械工程学院等统一归为天津大学；上海理工大学医疗器械与食品学院、上海理工大学教育部微创医疗器械工程研究中心、上海理工大学教育部微创医疗器械工程研究中心等统一归为上海理工大学[9]。

借助CiteSpace可视化软件，以可视化的方式展示机构合作网络知识图谱，共得到76个节点，87条连线，如图3所示。图中节点圆的半径越大，表明该研究机构的发文数量越多。由图3可知，研究机构主要以各大高校为主，其中天津大学精密仪器与光电子工程学院和南方医科大学生物医学工程学院和中国医学科学院基础医学研究所发文量最多。

由于研究的文献数据时间跨度大，期刊研究机构有可能会出现研究方向转移现象，因此通过Citespace软件对机构进行突现算法检测，突现检测结果如表4所示。

表4 机构发文表

结合图3和表4可以了解各研究机构对杂志的贡献度及机构之间的相互合作关系[10]。研究结果发现，各大高校是期刊主要研究发文机构，对学报和生物医学工程领域研究作出了巨大贡献。多数高校的研究具有很长的延续性，活跃度高。通过表4发现，在杂志发展前期，上海交通大学、西安交通大学和复旦大学是学报主要的研究机构，为期刊和生物医学工程领域的发展奠定了基础；中期的主要研究机构是天津大学、中国科学技术大学和吉林大学等高校；近期主要是浙江大学、大连理工大学和上海理工大学等高校作为主要的研究机构，为《中国生物医学工程学报》创作并发表了多篇高水平的研究论文，为生物医学工程领域的发展注入了活力、提供了思路。同时，根据机构知识图谱，我们发现各个研究机构之间存在一定的合作，辐射范围广泛，但紧密度较低，需要从深层次、多角度进行科研合作，进一步提升科研水平和协作效果。

图3 机构合作知识图谱

5 研究热点和趋势分析

关键词是对文章主题的高度概括和凝练，是文章的核心和精髓，体现文章的研究价值和方向，其中，高频关键词常用来确定研究领域的热点方向[11]。因此，对期刊上相关文献的关键词进行分析，利用CiteSpace软件绘制高频关键词共现图谱，探寻生物医学工程研究领域热点方向，如图4所示。

图4 高频关键词共现网络图谱

在图4中，每一个圆形节点代表一个关键词，节点越大表示关键词出现的频次越高；不同颜色的节点代表不同的年份；节点之间的连线，表示关键词之间共现系数，连线越多，表明关键词之间相互联系越紧密[12]。我们选取出现频次在47次以上的关键词，得到研究热点关键词频次统计表，如表5所示。

表5 高频关键词频次统计表

为了更好地展现生物医学工程研究的时间分布及相互间关系，按照时区分析方法构建高频关键词时区图谱，如图5所示。

图5 高频关键词共现时区图谱

高频关键词出现的频次在一定程度上反映了生物医学工程学科领域的研究热点问题[13]。结合高频关键词知识图谱和高频关键词频次表，生物医学工程学科研究的热点主要包括生物材料（关键词：生物材料、生物相容性、组织工程、羟基磷灰石等）、生物力学（关键词：生物力学、有限元分析、血液相容性等）、医学图像（关键词：图像分割、特征提取等）和生物信号（关键词：小波变换、神经网络和支持向量机等）4个方面。生物材料是制作各种人工器官的物质基础，其主要研究生物相容性和生物活性等问题，其中高分子材料是重点研究领域。组织工程与生物材料研究紧密联系，生物相容性好、能够被器官组织吸收的生物材料的研究是热点。目前生物材料在骨科、心血管系统等领域取得了重大突破，实现临床应用。生物力学研究组织和器官的力学特性，为生物材料和人工器官设计提供理论依据。目前生物力学重点研究细胞-分子力学、骨骼-肌肉-关节力学和血液动力学等。医学图像研究主要包括医学图像分割和医学图像特征提取等方面。良好的医学图像分割和图像特征提取效果，可以有效辅助医生对病变组织或器官的诊断和治疗。生物信号研究主要包括脑电和心脏电信号、眼震、语言等信号，重点研究生物信号的采集、检测、识别和诊断技术。其中脑机接口和脑电信号的研究成为生物信号方面未来的研究课题。目前脑机接口相关技术已经实现临床应用，给病人带来了福音，但同时也带来伦理问题和困境。

6 结束语

本文基文献计量学的视角，采用社会网络可视化分析软件Citespace，以《中国生物医学工程学报》为研究对象，从多元化、时间轴式、动态变化的视角出发，帮助读者和生物医学工程领域研究学者及时了解生物医学工程研究领域的发展规律、学科研究热点及前沿动态。通过本文的可视化分析结果，发现国内生物工程领域的研究从20世纪80年代以来，取得了丰硕的研究成果。研究机构以各大高校为主；吕维雪、曾衍钧、邱天爽和冯焕清等作者是领域的核心作者，形成相对固定的科研团队和科研方向；研究热点和未来发展趋势主要集中在生物材料、生物力学、医学图像和生物信号等4个方面。但本文也存在一定的局限性，国内生物工程期刊有多种，本文只选取领域内的核心期刊来进行研究，研究结果可能会产生一定的偏差。期望本文能为读者更加全面了解学报和学科研究热点和前沿方向，促进交流和合作，推动期刊和生物医学工程学科领域的进一步发展提供帮助。