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(duì)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(zhǎng)，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(shì)。

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(gè)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(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)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(gè)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(duì)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(guó)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(duì)愈來愈龐大復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫(kù)，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(duì)立體、表面、屬性以及動(dòng)畫的顯示，對(duì)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(duì)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(guó)，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唷Ｊ紫缺憩F(xiàn)在臨床醫(yī)學(xué)研究方面。面對(duì)臨床數(shù)據(jù)量的增長(zhǎng)，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(tái)、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(duì)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(dòng)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(cāng)庫(kù)，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(shí)[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(gè)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(shì)，但相對(duì)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(kù)(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(shí)，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(duì)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。可視化研究本身的發(fā)展不過半個(gè)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(dòng)畫、色彩、結(jié)構(gòu)、路徑等元素對(duì)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(duì)數(shù)據(jù)可視化所必須依從的原則、方法、評(píng)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(cuò)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(cuò)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(cuò)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(duì)數(shù)據(jù)的理解；在展示數(shù)據(jù)的相對(duì)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(duì)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(jiǎn)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(shí)相結(jié)合，從專業(yè)知識(shí)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(cuò)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(shì)

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(gè)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(jiǎn)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(cuò)的非常規(guī)數(shù)據(jù)集，多種異質(zhì)性數(shù)據(jù)沒有對(duì)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(shí)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(duì)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(jí)，它的優(yōu)勢(shì)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(shí)，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(gè)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(guó)東中西部老年人的健康期望壽命的年齡序列左右對(duì)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(gè)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(gè)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(duì)大量、變化、即時(shí)、多維的移動(dòng)醫(yī)療數(shù)據(jù)(運(yùn)動(dòng)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(duì)知識(shí)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(duì)海量數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單描述而是通過數(shù)據(jù)挖掘等方式對(duì)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(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大數(shù)據(jù)的整合、存儲(chǔ)、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(duì)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]?；诖髷?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。

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(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