李京

摘 要：2020年新冠疫情迅速在世界范圍內(nèi)擴(kuò)散流行，短時(shí)間內(nèi)對(duì)全人類(lèi)產(chǎn)生了極大的影響。因此，科學(xué)、迅速地測(cè)定病毒的內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)并將其視覺(jué)可視化迫在眉睫。在原子尺度上重構(gòu)病毒的視覺(jué)圖像，有助于理解這類(lèi)病毒的繁殖和致病機(jī)理，并迅速應(yīng)對(duì)疫情。在此次疫情危機(jī)中。醫(yī)學(xué)圖像可視化設(shè)計(jì)以其精確性的優(yōu)勢(shì)，在新冠疫情的防治中起到至關(guān)重要的作用。該文從視覺(jué)傳播的視角出發(fā)，對(duì)醫(yī)學(xué)圖像可視化設(shè)計(jì)這一特殊形式給人們帶來(lái)的影響以及價(jià)值進(jìn)行理論上的原因分析。

關(guān)鍵詞：視覺(jué)文化;醫(yī)學(xué)圖像;可視化設(shè)計(jì)

1 概述

現(xiàn)代社會(huì)是一個(gè)視覺(jué)化的世界，圖像在我們的生活中無(wú)處不及。視覺(jué)文化的每一個(gè)外在表征形式即雕塑、繪畫(huà)、攝影、建筑設(shè)計(jì)、醫(yī)學(xué)圖像等都在構(gòu)建物質(zhì)世界的過(guò)程中起著同樣重要能動(dòng)的作用。在以“眼球經(jīng)濟(jì)”為核心的視覺(jué)浪潮中，醫(yī)學(xué)圖像作為視覺(jué)化信息傳遞的一個(gè)獨(dú)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(xué)圖像卻擁有其它視覺(jué)圖像難以企及的魅力。

醫(yī)學(xué)圖像可視化設(shè)計(jì)是生物醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和數(shù)字圖像處理等諸多學(xué)科的交叉領(lǐng)域。廣義上，醫(yī)學(xué)圖像可視化指通過(guò)利用技術(shù)手段將原本不可視或非視覺(jué)性的生物現(xiàn)象予以視覺(jué)藝術(shù)化的呈現(xiàn)，從而突破人類(lèi)肉眼的視覺(jué)局限，并實(shí)現(xiàn)其醫(yī)學(xué)價(jià)值。具體來(lái)說(shuō)就是通過(guò)采集對(duì)象的三維信息，并將其呈現(xiàn)為視覺(jué)圖像。醫(yī)學(xué)圖像可視化設(shè)計(jì)結(jié)合醫(yī)學(xué)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(xué)價(jià)值的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，同時(shí)還兼具著獨(dú)特的審美價(jià)值。

2 視覺(jué)化的信息傳遞：醫(yī)學(xué)圖像的緣起與發(fā)展

醫(yī)學(xué)圖像在人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的進(jìn)程中一直扮演著舉足輕重的角色，原始社會(huì)中先民用巖畫(huà)、洞穴壁畫(huà)等圖像符號(hào)來(lái)傳遞信息。同樣，作為一種視覺(jué)傳播的外在形式，醫(yī)學(xué)圖像的誕生極大地彌補(bǔ)了文字在空間說(shuō)明和視覺(jué)理解上的不足。在中國(guó)，藝術(shù)化的醫(yī)學(xué)圖像創(chuàng)作最早可追溯至湖南馬王堆三號(hào)漢墓中的《導(dǎo)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(xué)圖像作品。西方社會(huì)則自古希臘時(shí)期起已非常重視人體各部比例的研究。文藝復(fù)興時(shí)期的達(dá)·芬奇更是繪制了近千幅解剖學(xué)素描圖譜。隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展，醫(yī)學(xué)圖像的可視化設(shè)計(jì)愈加多樣。

現(xiàn)代社會(huì)中，醫(yī)學(xué)視覺(jué)信息的傳播不僅僅指利用顏色、線條，還包括運(yùn)用光線或透視等技術(shù)手段來(lái)傳遞信息，從而獲得最優(yōu)的傳播效果。如醫(yī)學(xué)界的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)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(zhǎng)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(dòng)作等，在此之后的一百多年間，醫(yī)學(xué)圖像可視化技術(shù)發(fā)展相當(dāng)迅速。大量技術(shù)被用以醫(yī)學(xué)成像，如計(jì)算機(jī)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(jì)末，哈佛大學(xué)首次提出利用醫(yī)學(xué)成像技術(shù)對(duì)人體內(nèi)的細(xì)胞和分子進(jìn)行成像的概念。從此，醫(yī)學(xué)圖像可視化開(kāi)啟了最大化地?cái)U(kuò)大人類(lèi)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(xué)圖像可視化設(shè)計(jì)已將其單一的醫(yī)學(xué)價(jià)值發(fā)展擴(kuò)展成為集醫(yī)學(xué)價(jià)值、審美價(jià)值等為一體的綜合體系?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)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(lèi)。

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(xué)圖像可視化

自人類(lèi)對(duì)疾病的認(rèn)識(shí)進(jìn)入后基因組時(shí)代以來(lái)，科學(xué)家一直試圖對(duì)病毒的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)定與繪制，并致力于借此理解病毒的繁殖和致病機(jī)理。在過(guò)去半個(gè)世紀(jì)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(xué)圖像的方法一直是醫(yī)學(xué)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(lái)，人類(lèi)就開(kāi)始了同它的斗爭(zhēng)。艾滋病病毒在世界范圍內(nèi)的肆虐導(dǎo)致了近1200萬(wàn)人的死亡，超過(guò)3000萬(wàn)人受到感染。因此，將其病毒結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維圖像重構(gòu)有助于人們采取有效的治療措施，且對(duì)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(dǎo)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(huà)技術(shù)盡可能的真實(shí)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(xué)視覺(jué)圖像選擇采用橙色與灰色兩種顏色來(lái)分別代表艾滋病病毒和一個(gè)免疫細(xì)胞。繪制者用藝術(shù)化的手法呈現(xiàn)了病毒正對(duì)免疫細(xì)胞展開(kāi)無(wú)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(xì)胞，并將這些受害者變成病毒復(fù)制工廠。作為呈現(xiàn)無(wú)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(xué)圖像獲得了2010年國(guó)際科學(xué)工程可視化挑戰(zhàn)賽圖解類(lèi)一等獎(jiǎng)。

在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中，通過(guò)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(qiáng)了醫(yī)學(xué)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(dǎo)致了醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的不精確性。因此，更加前沿的醫(yī)學(xué)圖像三維重建技術(shù)在醫(yī)學(xué)研究方面有著更加重要的實(shí)用價(jià)值，

2.2基于冷凍成像與圖像處理算法的醫(yī)學(xué)圖像可視化

近年來(lái)，利用X射線晶體學(xué)、核磁共振波譜法等技術(shù)，科學(xué)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(duì)衣殼蛋白的分子結(jié)構(gòu)已有較為系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。但人們依然對(duì)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(xué)圖像可視化設(shè)計(jì)可以更加快速、高效地重建高度復(fù)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(xué)方法與核磁共振波譜法。

2015年，湖南師范大學(xué)物理與信息科學(xué)學(xué)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(xué)生命科學(xué)學(xué)院副研究員程凌鵬合作，便使用了這種冷凍電鏡對(duì)稱(chēng)失配三維醫(yī)學(xué)圖像處理算法對(duì)病毒進(jìn)行“拍照”，有效的將具有不同對(duì)稱(chēng)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(lái)，并精確地測(cè)定其三維關(guān)系。這種冷凍電鏡對(duì)稱(chēng)失配三維圖像處理算法讓人類(lèi)第一次在視覺(jué)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(xué)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(guò)去對(duì)該類(lèi)型病毒的內(nèi)部基因組結(jié)構(gòu)應(yīng)呈線軸狀視覺(jué)排列的錯(cuò)誤觀點(diǎn)。并且，在此基礎(chǔ)上他們成功解析出了草魚(yú)出血病毒雙層衣殼和內(nèi)部RNA聚合酶復(fù)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(duì)結(jié)構(gòu)生物學(xué)前沿研究產(chǎn)生重要而深遠(yuǎn)的影響。

如上所示的這些醫(yī)學(xué)圖像的可視化研究對(duì)人類(lèi)健康、疾病防控、藥物設(shè)計(jì)等意義重大。

3醫(yī)學(xué)圖像可視化設(shè)計(jì)在新冠疫情中的應(yīng)用

在這次的新冠疫情中，醫(yī)學(xué)圖像可視化設(shè)計(jì)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(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校和國(guó)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(lèi)細(xì)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(xué)家共同制造疫苗抗體。該團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃利用該醫(yī)學(xué)圖像中所呈現(xiàn)的病毒信息來(lái)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(fù)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?dǎo)開(kāi)發(fā)疫苗和抗病毒藥物。研究負(fù)責(zé)人在接受?？怂剐侣劊‵oxnews）專(zhuān)訪時(shí)指出，疫苗可以在18至24個(gè)月內(nèi)生產(chǎn)出來(lái)。雖然這段生產(chǎn)周期聽(tīng)上去很長(zhǎng)，但如果沒(méi)有先進(jìn)的醫(yī)學(xué)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(fèi)一二十年的開(kāi)發(fā)周期。

同樣，中國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)也利用醫(yī)學(xué)圖像可視化設(shè)計(jì)為抑制疫情做出了重大貢獻(xiàn)。2020年2月21日，北京科技大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院與解放軍總醫(yī)院第五醫(yī)學(xué)中心合作，實(shí)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(tuán)隊(duì)提供強(qiáng)有力的理論指導(dǎo)。

2020年3月17日，由饒子和、婁智勇教授、王權(quán)教授等組成上?？萍即髮W(xué)—清華大學(xué)抗新冠病毒聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì)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(yù)印本在線發(fā)表于BioRxiv（一個(gè)生物科學(xué)的開(kāi)放式預(yù)印本存儲(chǔ)庫(kù)），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(tái)復(fù)制機(jī)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(fù)制，最終達(dá)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(jī)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(fù)制的分子機(jī)理奠定了重要的理論基礎(chǔ)，并為開(kāi)發(fā)抗新冠肺炎的特效藥開(kāi)辟了新途徑。

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào)

如上所示，醫(yī)學(xué)圖像可視化的設(shè)計(jì)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(guò)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(huì)。

4醫(yī)學(xué)圖像可視化設(shè)計(jì)的視覺(jué)價(jià)值

在科學(xué)技術(shù)的支持下，醫(yī)學(xué)圖像可視化成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究的重要手段，其獨(dú)特的視覺(jué)優(yōu)勢(shì)顛覆了人類(lèi)傳統(tǒng)的視覺(jué)體驗(yàn)，視覺(jué)化在醫(yī)學(xué)上的結(jié)果使得從心臟到單個(gè)細(xì)胞的活動(dòng)都借助復(fù)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(xué)價(jià)值。并同時(shí)兼具了視覺(jué)上的審美價(jià)值。

4.1視覺(jué)上的醫(yī)學(xué)價(jià)值

醫(yī)學(xué)圖像視覺(jué)文化的一種特殊形式，這種形式不同于以往視覺(jué)傳播如造型、攝影、封面設(shè)計(jì)等對(duì)形式的要求大于對(duì)內(nèi)容的要求這種傳統(tǒng)做法。相對(duì)而言，醫(yī)學(xué)圖像的視覺(jué)價(jià)值更傾向于面向醫(yī)學(xué)專(zhuān)家的醫(yī)學(xué)研究?jī)r(jià)值與面向社會(huì)大眾的醫(yī)學(xué)科普價(jià)值。醫(yī)學(xué)圖像通過(guò)視覺(jué)可視化的傳播的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)其醫(yī)學(xué)價(jià)值。這一價(jià)值也是醫(yī)學(xué)圖像可視化設(shè)計(jì)最為寶貴的意義所在。

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

從醫(yī)學(xué)科普的角度來(lái)看，醫(yī)學(xué)圖像作為一種視覺(jué)化的信息載體承加深了個(gè)人對(duì)醫(yī)學(xué)信息的認(rèn)知和了解，承擔(dān)著醫(yī)患之間的互動(dòng)交流溝通。這對(duì)醫(yī)學(xué)信息面向社會(huì)科普與公開(kāi)有著極大的積極作用。這種可視化的圖像本身所具有的說(shuō)服效果更加方便大眾了解病情或疫情的相關(guān)科普，進(jìn)而接受病情和治療。

4.2視覺(jué)上的審美價(jià)值

盡管醫(yī)學(xué)圖像作為視覺(jué)傳播的一種科學(xué)形式，相對(duì)于影視、廣告、封面設(shè)計(jì)等視覺(jué)形象而言，它在真實(shí)性、科學(xué)性方面無(wú)疑極具優(yōu)勢(shì)。但并不代表醫(yī)學(xué)圖像無(wú)法人為地創(chuàng)造更大的審美價(jià)值。

現(xiàn)從技術(shù)角度來(lái)看，X線、CT或冷凍電鏡等醫(yī)學(xué)設(shè)備產(chǎn)出的醫(yī)學(xué)影像本身是通過(guò)從黑到白不同灰度尺度成現(xiàn)圖像。并且目前已知的、常見(jiàn)的天然病毒，一般不具有色素類(lèi)物質(zhì)——無(wú)色透明的。因此，由醫(yī)學(xué)設(shè)備直接”拍照“生成醫(yī)學(xué)影像本身無(wú)法實(shí)現(xiàn)線條、色彩、光線、透視等美學(xué)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(jiàn)光，因此就要借助熒光屏顯示或者感光膠片來(lái)作記錄。然而如此一來(lái)，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(jí)的照片，

因此，這些原始的醫(yī)學(xué)影像照片或三維重建模型需要進(jìn)行后期的可視化藝術(shù)設(shè)計(jì)，從軟件上將這些原始的醫(yī)學(xué)影像照片或模型推至一個(gè)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(xué)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(xì)胞的HIV病毒

圖片來(lái)源：Wikipedia 圖片來(lái)源：Wikipedia

醫(yī)學(xué)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(xué)圖像作品在極具美感的同時(shí)還可以更好地幫助專(zhuān)家進(jìn)行醫(yī)學(xué)研究。并在科普的過(guò)程中達(dá)到更好的傳播效果。

5 結(jié)語(yǔ)

醫(yī)學(xué)圖像可視化設(shè)計(jì)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(zhǔn)確性、科學(xué)性和時(shí)效性，同時(shí)還以一種公眾能夠理解和喜歡的方式講述科學(xué)現(xiàn)象。他們能夠在視覺(jué)上吸引眾多人的目光，帶領(lǐng)人們走進(jìn)科學(xué)世界，了解科學(xué)研究的復(fù)雜以及美麗的一面。醫(yī)學(xué)圖像可視化設(shè)計(jì)為醫(yī)學(xué)知識(shí)的宣傳與科普做出的重大的貢獻(xiàn)，是前沿科學(xué)和社會(huì)需求的高度結(jié)合。

從視覺(jué)傳播理論的角度進(jìn)行分析，醫(yī)學(xué)影像不僅更新了人類(lèi)的視覺(jué)體驗(yàn)，而且還利用高科技成像技術(shù)與數(shù)字繪圖技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了圖像的審美價(jià)值。醫(yī)學(xué)圖像可視化設(shè)計(jì)不是醫(yī)學(xué)科學(xué)的點(diǎn)綴品或裝飾品，而是使的枯燥、抽象、難懂的醫(yī)學(xué)理論變成生動(dòng)活潑有藝術(shù)魅力的審美形象。

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

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