疫情防控视角下视觉传达在医学图像可视化设计中的应用

2020-11-18 11:01:09 时代人物 2020年22期

李京

摘 要:2020年新冠疫情迅速在世界范围内扩散流行,短时间内对全人类产生了极大的影响。因此,科学、迅速地测定病毒的内部三维结构并将其视觉可视化迫在眉睫。在原子尺度上重构病毒的视觉图像,有助于理解这类病毒的繁殖和致病机理,并迅速应对疫情。在此次疫情危机中。医学图像可视化设计以其精确性的优势,在新冠疫情的防治中起到至关重要的作用。该文从视觉传播的视角出发,对医学图像可视化设计这一特殊形式给人们带来的影响以及价值进行理论上的原因分析。

关键词:视觉文化;医学图像;可视化设计

1 概述

现代社会是一个视觉化的世界,图像在我们的生活中无处不及。视觉文化的每一个外在表征形式即雕塑、绘画、摄影、建筑设计、医学图像等都在构建物质世界的过程中起着同样重要能动的作用。在以“眼球经济”为核心的视觉浪潮中,医学图像作为视觉化信息传递的一个独特形式,鲜少能够引起人们的驻足和研究。但在突发性疫情背景下,医学图像却拥有其它视觉图像难以企及的魅力。

医学图像可视化设计是生物医学、计算机图形学和数字图像处理等诸多学科的交叉领域。广义上,医学图像可视化指通过利用技术手段将原本不可视或非视觉性的生物现象予以视觉艺术化的呈现,从而突破人类肉眼的视觉局限,并实现其医学价值。具体来说就是通过采集对象的三维信息,并将其呈现为视觉图像。医学图像可视化设计结合医学成像技术与数字化绘图技术,不仅能够提供极具医学价值的精准数据,同时还兼具着独特的审美价值。

2 视觉化的信息传递:医学图像的缘起与发展

医学图像在人类社会发展的进程中一直扮演着举足轻重的角色,原始社会中先民用岩画、洞穴壁画等图像符号来传递信息。同样,作为一种视觉传播的外在形式,医学图像的诞生极大地弥补了文字在空间说明和视觉理解上的不足。在中国,艺术化的医学图像创作最早可追溯至湖南马王堆三号汉墓中的《导引图》,其中共绘有44幅彩色人形图,是迄今为止最早的医学图像作品。西方社会则自古希腊时期起已非常重视人体各部比例的研究。文艺复兴时期的达·芬奇更是绘制了近千幅解剖学素描图谱。随着现代医学的发展,医学图像的可视化设计愈加多样。

现代社会中,医学视觉信息的传播不仅仅指利用颜色、线条,还包括运用光线或透视等技术手段来传递信息,从而获得最优的传播效果。如医学界的医学成像技术。现代医学成像技术的产生最早源自于1895年伦琴发现的X射线。X射线作为一种高速电子流射击到固体上产生的一种短波长的电磁辐射,其在数字化绘图算法的支持下,可以绘制出人体内部肌肉、器官及骨骼等的三维立体图像,如胎儿在母体内的五官表情、肢体动作等,在此之后的一百多年间,医学图像可视化技术发展相当迅速。大量技术被用以医学成像,如计算机断层成像技术(CT)、核磁共振成像技术((MRI)等成像技术。至20世纪末,哈佛大学首次提出利用医学成像技术对人体内的细胞和分子进行成像的概念。从此,医学图像可视化开启了最大化地扩大人类可视化范围的征途。从我们熟知的心电图、B超等传统诊断影像到核磁共振、三维立体图像、分子影像等新型高科技数字化图像,医学图像可视化设计已将其单一的医学价值发展扩展成为集医学价值、审美价值等为一体的综合体系。现代医学图像基于各种成像技术的成像原理和方法不同可分为以下两类。

2.1以X-射线分析与核磁共振波谱法为主要手段的医学图像可视化

自人类对疾病的认识进入后基因组时代以来,科学家一直试图对病毒的三维结构进行测定与绘制,并致力于借此理解病毒的繁殖和致病机理。在过去半个世纪里,使用X射线法与核磁共振波谱法采集二維数据,并绘制出三维医学图像的方法一直是医学研究中主要手段。

自1981年,艾滋病病毒在中美洲首次发现以来,人类就开始了同它的斗争。艾滋病病毒在世界范围内的肆虐导致了近1200万人的死亡,超过3000万人受到感染。因此,将其病毒结构进行三维图像重构有助于人们采取有效的治疗措施,且对抑制艾滋病的大范围流行有着很重要的作用。2010年,一支由伊凡·康斯坦丁诺夫领导的俄罗斯研究小组以X-射线分析和核磁共振波谱等手段为基础,并利用数字绘画技术尽可能的真实的呈现了艾滋病病毒。(如图1所示)

这张基于二维数据合成的三维医学视觉图像选择采用橙色与灰色两种颜色来分别代表艾滋病病毒和一个免疫细胞。绘制者用艺术化的手法呈现了病毒正对免疫细胞展开无情攻击的恐怖景象。三角形剖面区则展示了病毒如何“劫持”免疫细胞,并将这些受害者变成病毒复制工厂。作为呈现无处不在的病毒数据的一种新方式,这张艺术化的医学图像获得了2010年国际科学工程可视化挑战赛图解类一等奖。

在现代医学中,通过X-射线和核磁共振波谱法采集的二维数字图像,大大增强了医学界的研究能力。但借助CT、MRI等成像设备采集到的单一化二维数据,也导致了医学数据的不精确性。因此,更加前沿的医学图像三维重建技术在医学研究方面有着更加重要的实用价值,

2.2基于冷冻成像与图像处理算法的医学图像可视化

近年来,利用X射线晶体学、核磁共振波谱法等技术,科学家们已经解析了大量病毒衣壳的原子分辨率三维结构,对衣壳蛋白的分子结构已有较为系统的认识。但人们依然对于病毒内部的基因组及相关蛋白的三维结构所知之甚少。随着冷冻电镜与图像处理算法的发展,基于冷冻成像与图像处理算法的医学图像可视化设计可以更加快速、高效地重建高度复杂的生物分子三维结构,在很大程度上取代并且超越了上文中传统的X射线晶体学方法与核磁共振波谱法。

2015年,湖南师范大学物理与信息科学学院、量子效应及其应用协同创新中心教授刘红荣与清华大学生命科学学院副研究员程凌鹏合作,便使用了这种冷冻电镜对称失配三维医学图像处理算法对病毒进行“拍照”,有效的将具有不同对称性的信息很好地从信噪比极低的电子显微图像中分离出来,并精确地测定其三维关系。这种冷冻电镜对称失配三维图像处理算法让人类第一次在视觉上真正深入了解了病的内部结构。该研究不仅首次为生物学家提供了病毒内部基因组及其聚合的可视化三维结构信息,并借此否定了过去对该类型病毒的内部基因组结构应呈线轴状视觉排列的错误观点。并且,在此基础上他们成功解析出了草鱼出血病毒双层衣壳和内部RNA聚合酶复合物及其核酸的可视化三维结构模型。(如图2所示)这一研究对结构生物学前沿研究产生重要而深远的影响。

如上所示的这些医学图像的可视化研究对人类健康、疾病防控、药物设计等意义重大。

3医学图像可视化设计在新冠疫情中的应用

在这次的新冠疫情中,医学图像可视化设计的前沿技术在疫情的研究与防治中也发挥重大的作用。

美国德克萨斯大学奥斯汀分校和国立卫生研究院研究人员,利用冷冻电镜绘制了第一张新型冠状病毒(COVID-19)附着并感染人类细胞部分的三维原子尺度图像(如图3所示),并借此三维图像信息与世界各地的科学家共同制造疫苗抗体。该团队还计划利用该医学图像中所呈现的病毒信息来寻找COVID-19的攻击路线,并利用其作为“探针”,从感染了COVID-19并成功康复的患者中分离出天然产生的抗体,以帮助防控暴露后不久的感染者。可用于指导开发疫苗和抗病毒药物。研究负责人在接受福克斯新闻(Foxnews)专访时指出,疫苗可以在18至24个月内生产出来。虽然这段生产周期听上去很长,但如果没有先进的医学图像可视化技术重构出新冠病毒模型,新冠疫苗可能需要像之前的多数疫苗一样花费一二十年的开发周期。

同样,中国科学家团队也利用医学图像可视化设计为抑制疫情做出了重大贡献。2020年2月21日,北京科技大学计算机与通信工程学院与解放军总医院第五医学中心合作,实现了从新型冠状病毒肺炎患者的CT影像中,重建了新型冠状病毒感染肺的数字化图像(如图4所示),为新型冠状病毒诊断和治疗提供了精确的数据,为奋战一线的医疗人员和后勤的科研团队提供强有力的理论指导。

2020年3月17日,由饶子和、娄智勇教授、王权教授等组成上海科技大学—清华大学抗新冠病毒联合攻关团队将成功解析出新型冠状病毒三维结构(如图5所示)相关论文成果的预印本在线发表于BioRxiv(一个生物科学的开放式预印本存储库),揭示了重要的抗病毒药靶之一新冠病毒RNA聚合酶结构作为这台复制机器的核心部件。破坏其核心设备的功能,就能阻止病毒的复制,最终达到治疗的目的。新型冠状病毒RNA聚合酶的三维结构信息,为新型冠状病毒的靶向药——瑞德西韦如何精确靶向抑制病毒RNA聚合酶的机制提供了明确的数据与合理解释。这为深入研究新型冠状病毒复制的分子机理奠定了重要的理论基础,并为开发抗新冠肺炎的特效药开辟了新途径。

来源:中国科学报

如上所示,医学图像可视化的设计在新冠疫情中的应用迅速提高了疫苗与相关药物的研发速度,并通过色彩化的重建病毒三维图像有效的将相关疫情数据传播向社会。

4医学图像可视化设计的视觉价值

在科学技术的支持下,医学图像可视化成为现代医学研究的重要手段,其独特的视觉优势颠覆了人类传统的视觉体验,视觉化在医学上的结果使得从心脏到单个细胞的活动都借助复杂的技术转换为一种可视的图像。这种可视化的图像不仅具备与自身利益息息相关的医学价值。并同时兼具了视觉上的审美价值。

4.1视觉上的医学价值

医学图像视觉文化的一种特殊形式,这种形式不同于以往视觉传播如造型、摄影、封面设计等对形式的要求大于对内容的要求这种传统做法。相对而言,医学图像的视觉价值更倾向于面向医学专家的医学研究价值与面向社会大众的医学科普价值。医学图像通过视觉可视化的传播的方式来实现其医学价值。这一价值也是医学图像可视化设计最为宝贵的意义所在。

从医学研究的角度来看,医学图像的诞生突破了人类肉眼的视觉局限,实现了不可视的身体内部的器官、组织乃至细胞、分子、微观世界的直观可视化。将人类的视线范围由观察1cm、1dm外的事物扩大至观察-1cm、-1dm外的事物。医学图像极大地丰富了人的视觉体验,这些更加精确、微观的图像信息被直观地提供给医学研究者。能够使其做出更迅速、准确的医疗判断。

从医学科普的角度来看,医学图像作为一种视觉化的信息载体承加深了个人对医学信息的认知和了解,承担着医患之间的互动交流沟通。这对医学信息面向社会科普与公开有着极大的积极作用。这种可视化的图像本身所具有的说服效果更加方便大众了解病情或疫情的相关科普,进而接受病情和治疗。

4.2视觉上的审美价值

尽管医学图像作为视觉传播的一种科学形式,相对于影视、广告、封面设计等视觉形象而言,它在真实性、科学性方面无疑极具优势。但并不代表医学图像无法人为地创造更大的审美价值。

现从技术角度来看,X线、CT或冷冻电镜等医学设备产出的医学影像本身是通过从黑到白不同灰度尺度成现图像。并且目前已知的、常见的天然病毒,一般不具有色素类物质——无色透明的。因此,由医学设备直接”拍照“生成医学影像本身无法实现线条、色彩、光线、透视等美学上的技术要求。如电子显微镜的光源并不是我们能直接感知的可见光,因此就要借助荧光屏显示或者感光胶片来作记录。然而如此一来,记录下的就只是电子的密度,也就是一张灰度图,是黑白的、原始的、初级的照片,

因此,这些原始的医学影像照片或三维重建模型需要进行后期的可视化艺术设计,从软件上将这些原始的医学影像照片或模型推至一个全新的审美高度,才能最终合成一张普罗大众眼中的医学图像完成品。(如图6所示)

1、电子显微镜拍摄的黑白图案 2、电子显微镜拍摄后,后期上色的照片

花粉颗粒 侵染细胞的HIV病毒

图片来源:Wikipedia 图片来源:Wikipedia

医学图像作品中色彩元素的引入,使得冰冷而陌生的数字转变成变成了一件数据艺术品。这些医学图像作品在极具美感的同时还可以更好地帮助专家进行医学研究。并在科普的过程中达到更好的传播效果。

5 结语

医学图像可视化设计不仅作为医生诊断病情的辅助手段,能够极大地提高医疗诊断的准确性、科学性和时效性,同时还以一种公众能够理解和喜欢的方式讲述科学现象。他们能够在视觉上吸引众多人的目光,带领人们走进科学世界,了解科学研究的复杂以及美丽的一面。医学图像可视化设计为医学知识的宣传与科普做出的重大的贡献,是前沿科学和社会需求的高度结合。

从视觉传播理论的角度进行分析,医学影像不仅更新了人类的视觉体验,而且还利用高科技成像技术与数字绘图技术,实现了图像的审美价值。医学图像可视化设计不是医学科学的点缀品或装饰品,而是使的枯燥、抽象、难懂的医学理论变成生动活泼有艺术魅力的审美形象。

随着医学图像可视化技术的不断的进步。将来的某一天,它可能将人体内部器官或细胞的形态、颜色、空间、状态等视觉信息以更加真实,更加美丽的方式呈现在我们的面前。并发挥更大说服力和感染力。

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