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(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(gè)外在表征形式即雕塑、繪畫、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)”為核心的視覺浪潮中，醫(yī)學(xué)圖像作為視覺化信息傳遞的一個(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(shí)現(xiàn)其醫(yī)學(xué)價(jià)值。具體來說就是通過采集對(duì)象的三維信息，并將其呈現(xiàn)為視覺圖像。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、洞穴壁畫等圖像符號(hào)來傳遞信息。同樣，作為一種視覺傳播的外在形式，醫(yī)學(xué)圖像的誕生極大地彌補(bǔ)了文字在空間說明和視覺理解上的不足。在中國，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)圖像可視化開啟了最大化地?cái)U(kuò)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(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。

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

自人類對(duì)疾病的認(rèn)識(shí)進(jìn)入后基因組時(shí)代以來，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，人類就開始了同它的斗爭(zhēng)。艾滋病病毒在世界范圍內(nèi)的肆虐導(dǎo)致了近1200萬人的死亡，超過3000萬人受到感染。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(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(xì)胞，并將這些受害者變成病毒復(fù)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(xué)圖像獲得了2010年國際科學(xué)工程可視化挑戰(zhàn)賽圖解類一等獎(jiǎng)。

在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)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(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，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(cè)定其三維關(guān)系。這種冷凍電鏡對(duì)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(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，并借此否定了過去對(duì)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(cuò)誤觀點(diǎn)。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(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。

美國德克薩斯大學(xué)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(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）專訪時(shí)指出，疫苗可以在18至24個(gè)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(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)一二十年的開發(fā)周期。

同樣，中國科學(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)的開放式預(yù)印本存儲(chǔ)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(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)，并為開發(fā)抗新冠肺炎的特效藥開辟了新途徑。

來源：中國科學(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)特的視覺優(yōu)勢(shì)顛覆了人類傳統(tǒng)的視覺體驗(yàn)，視覺化在醫(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)兼具了視覺上的審美價(jià)值。

4.1視覺上的醫(yī)學(xué)價(jià)值

醫(yī)學(xué)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(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)圖像的視覺價(jià)值更傾向于面向醫(yī)學(xué)專家的醫(yī)學(xué)研究價(jià)值與面向社會(huì)大眾的醫(yī)學(xué)科普價(jià)值。醫(yī)學(xué)圖像通過視覺可視化的傳播的方式來實(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)研究的角度來看，醫(yī)學(xué)圖像的誕生突破了人類肉眼的視覺局限，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)科普的角度來看，醫(yī)學(xué)圖像作為一種視覺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(jìn)而接受病情和治療。

4.2視覺上的審美價(jià)值

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

現(xiàn)從技術(shù)角度來看，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(xué)設(shè)備直接”拍照“生成醫(yī)學(xué)影像本身無法實(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(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

圖片來源：Wikipedia 圖片來源：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家進(jìn)行醫(yī)學(xué)研究。并在科普的過程中達(dá)到更好的傳播效果。

5 結(jié)語

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的視覺體驗(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)揮更大說服力和感染力。

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