基于知識圖譜的國內(nèi)生物醫(yī)學(xué)工程研究可視化分析

沈同平，闞紅星，董 尹，俞 磊

（1.安徽中醫(yī)藥大學(xué)醫(yī)藥信息工程學(xué)院，安徽合肥230011；2.合肥學(xué)院管理系，安徽合肥230009）

生物醫(yī)學(xué)工程是從工程學(xué)的角度來研究生物醫(yī)學(xué)方面的問題，涉及生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、物理學(xué)和工程學(xué)等多門學(xué)科，致力于探索、開發(fā)創(chuàng)新性的生物學(xué)制品、醫(yī)療器械等生物工程產(chǎn)品，用于疾病預(yù)防、診斷和治療、輔助病人康復(fù)等方面。從20世紀(jì)50年代開始，生物醫(yī)學(xué)工程成為各國競爭的主要研究領(lǐng)域之一，學(xué)科發(fā)展十分迅速。生物醫(yī)學(xué)工程研究在國內(nèi)起步稍晚，1980年，中國生物工程學(xué)會成立，在學(xué)會的指導(dǎo)下，國內(nèi)生物醫(yī)學(xué)工程研究得到迅速發(fā)展。

為了把握國內(nèi)生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的進(jìn)展，本文對以國內(nèi)生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域唯一核心期刊、中國科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫來源期刊（CSCD）《中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)》進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘與分析。文章采用文獻(xiàn)計(jì)量和知識圖譜相結(jié)合的分析方法，以CNKI數(shù)據(jù)庫為檢索來源，檢索期刊論文的時間范圍限定在1982年1月至2017年12月，檢索時間為2018年2月2日；檢索表達(dá)式：JN=('中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)'-'Chinese Journal of Biomedical Engineering')-'Chinese Journal of Biomedical Engineering(English Edition)'；共檢索到期刊中文文獻(xiàn)為3 295篇，剔除新聞、期刊目錄、通知、會議等與研究主題無關(guān)的文獻(xiàn)60篇。將3 235篇檢索文獻(xiàn)數(shù)據(jù)按照Refworks格式進(jìn)行保存，每條數(shù)據(jù)包含作者、機(jī)構(gòu)、題目、期刊、關(guān)鍵詞、摘要等信息[1]。研究采用基于Java語言和引文分析理論的可視化軟件CiteSpace，軟件版本是官網(wǎng)上2017年12月10日發(fā)布的5.1.R8.SE版本。CiteSpace軟件[2]通過繪制共詞聚類圖譜、時區(qū)圖譜等可視化方式，幫助讀者和生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域研究學(xué)者及時了解生物醫(yī)學(xué)工程研究領(lǐng)域的發(fā)展規(guī)律、學(xué)科研究熱點(diǎn)及前沿動態(tài)[3]。

1 文獻(xiàn)年代分布

論文載文量的變化，在一定程度上反映了該學(xué)科的理論水平和發(fā)展速度以及未來發(fā)展趨勢[4-5]。對CNKI數(shù)據(jù)庫檢索的3235篇文獻(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并利用Excel軟件繪制出期刊載文量年代分布折線圖，如圖1所示。

圖1 期刊發(fā)文量趨勢圖

研究結(jié)果表明，期刊從1982—2017年期刊載文量整體上呈上升趨勢。期刊載文量的發(fā)展基本上分為3個階段：第1階段（1982—2000年）為穩(wěn)定增長期，這一階段，生物工程研究在國內(nèi)剛剛起步，研究成果較少，期刊載文量也相應(yīng)較少；第2階段（2001—2012年）為迅速發(fā)展期，隨著生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的迅速發(fā)展以及國內(nèi)各大高校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的開設(shè)，生物醫(yī)學(xué)工程研究領(lǐng)域取得豐碩成果，期刊的載文量達(dá)到創(chuàng)刊以來的高峰期，年平均載文量達(dá)144篇，其中2007年和2008年，論文載文量達(dá)176篇；第3個階段（2012—2017年）為平穩(wěn)期，生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域經(jīng)過幾十年的發(fā)展，出現(xiàn)了瓶頸期。現(xiàn)在生物醫(yī)學(xué)工程研究側(cè)重于生物信號、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等分子層面的研究，研究難度加大，雜志載文量有所降低。但隨著生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域技術(shù)的不斷發(fā)展和突破，期刊的發(fā)文量必然也會呈上升趨勢。

2 基金分析

統(tǒng)計(jì)分析各基金項(xiàng)目尤其是國家級基金項(xiàng)目對某一學(xué)術(shù)主題的支持情況，可以掌握該領(lǐng)域的學(xué)術(shù)地位以及受重視程度[6-7]。表1列出1982—2017年期刊刊登文獻(xiàn)的資金資助情況。

表1 文獻(xiàn)基金分布表

通過對文獻(xiàn)基金數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)涉及的基金項(xiàng)目共有30類，其中國家級9類，省部級21類。3 235篇文獻(xiàn)共有2 349項(xiàng)各類基金資助，資助比例為72.61%；其中，國家級基金項(xiàng)目，如國家自然科學(xué)基金和國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）等，共有1 971項(xiàng)，資助比例為60.93%。一般來說，受到各類國家和省部級基金資助的論文，研究成果和質(zhì)量較高；通過期刊刊登文獻(xiàn)的基金資助比例，表明本刊作為生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的重要期刊之一，對刊源質(zhì)量有著較高的要求。

3 作者分析

期刊核心作者的確定可以依據(jù)普賴斯定律，即期刊最高產(chǎn)作者的發(fā)文量來確定核心作者范圍[8]。根據(jù)核心作者計(jì)算公式，其中Mp是指核心作者發(fā)文數(shù)量，Npmax表示發(fā)表文獻(xiàn)數(shù)量最多的作者的發(fā)文數(shù)量，這里Npmax取47。我們將發(fā)表5篇或5篇以上論文的作者確定為期刊的核心作者。發(fā)文量大于14的高產(chǎn)作者和發(fā)文數(shù)量如表2所示。

表2 發(fā)文量前16的高產(chǎn)作者

借助CiteSpace可視化軟件，以可視化的方式展示作者合作網(wǎng)絡(luò)知識圖譜。設(shè)置相應(yīng)的軟件參數(shù)：時間跨度選擇“1982—2017”；時間分區(qū)設(shè)定為1年；節(jié)點(diǎn)類型選擇“作者”。運(yùn)行軟件后對作者共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，如圖2所示。

圖2 高產(chǎn)作者網(wǎng)絡(luò)圖

研究的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)從1982到2017年，時間跨度35年，期刊學(xué)者可能會出現(xiàn)研究方向轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。為了更加準(zhǔn)確地把握期刊的研究學(xué)者，通過Citespace軟件對作者進(jìn)行突現(xiàn)算法檢測，突現(xiàn)檢測結(jié)果如表3所示。

通過對高產(chǎn)作者合作網(wǎng)絡(luò)知識圖譜進(jìn)行可視化分析，可以發(fā)掘研究領(lǐng)域的核心作者、合作團(tuán)隊(duì)以及研究方向。我們發(fā)現(xiàn)在高產(chǎn)作者中，學(xué)者呂維雪、文宗曜、楊福生等的研究成果主要集中在早期，為期刊及生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。中期主要以曾衍鈞、馬洪順、邱天爽等為代表的學(xué)者發(fā)文量較多，并且形成了比較穩(wěn)定的研究方向和科研團(tuán)隊(duì)，進(jìn)一步推動了期刊和生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的發(fā)展。近期主要以徐桂芝、堯德中、陳思平和明東等學(xué)者為主，為《中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)》創(chuàng)作并發(fā)表了多篇高水平的研究論文，為生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的發(fā)展注入了活力、提供了思路。同時，作者間的合作關(guān)系日益緊密，形成了相對穩(wěn)定的科研團(tuán)隊(duì)和科研方向。以學(xué)者呂維雪為主的研究團(tuán)隊(duì)致力于對心外膜電位以及希氏束電位等進(jìn)行仿真研究，取得了一系列的研究成果；以學(xué)者邱天爽為主的研究團(tuán)隊(duì)在基于分?jǐn)?shù)低階統(tǒng)計(jì)量的非高斯信號處理和腦電信號分析處理方面取得了重要成果。近期的科研團(tuán)隊(duì)以學(xué)者徐桂芝為主，研究方向?yàn)樯镫姶偶夹g(shù)、腦認(rèn)知與神經(jīng)工程方面的研究。這種新老科研團(tuán)隊(duì)不斷交替、相互融合，形成了一個聯(lián)系緊密、層次多樣的作者合作網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)了期刊和生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展。

表3 作者突現(xiàn)強(qiáng)度表

4 機(jī)構(gòu)分析

為了方便對機(jī)構(gòu)發(fā)文數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對機(jī)構(gòu)名稱進(jìn)行了整合，將高等學(xué)校的各院系及其附屬研究機(jī)構(gòu)統(tǒng)一按照學(xué)校的名稱進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。如將天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院、天津大學(xué)、天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系、天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院等統(tǒng)一歸為天津大學(xué)；上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院、上海理工大學(xué)教育部微創(chuàng)醫(yī)療器械工程研究中心、上海理工大學(xué)教育部微創(chuàng)醫(yī)療器械工程研究中心等統(tǒng)一歸為上海理工大學(xué)[9]。

借助CiteSpace可視化軟件，以可視化的方式展示機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)知識圖譜，共得到76個節(jié)點(diǎn)，87條連線，如圖3所示。圖中節(jié)點(diǎn)圓的半徑越大，表明該研究機(jī)構(gòu)的發(fā)文數(shù)量越多。由圖3可知，研究機(jī)構(gòu)主要以各大高校為主，其中天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院和南方醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院和中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所發(fā)文量最多。

由于研究的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)時間跨度大，期刊研究機(jī)構(gòu)有可能會出現(xiàn)研究方向轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，因此通過Citespace軟件對機(jī)構(gòu)進(jìn)行突現(xiàn)算法檢測，突現(xiàn)檢測結(jié)果如表4所示。

表4 機(jī)構(gòu)發(fā)文表

結(jié)合圖3和表4可以了解各研究機(jī)構(gòu)對雜志的貢獻(xiàn)度及機(jī)構(gòu)之間的相互合作關(guān)系[10]。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，各大高校是期刊主要研究發(fā)文機(jī)構(gòu)，對學(xué)報(bào)和生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域研究作出了巨大貢獻(xiàn)。多數(shù)高校的研究具有很長的延續(xù)性，活躍度高。通過表4發(fā)現(xiàn)，在雜志發(fā)展前期，上海交通大學(xué)、西安交通大學(xué)和復(fù)旦大學(xué)是學(xué)報(bào)主要的研究機(jī)構(gòu)，為期刊和生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)；中期的主要研究機(jī)構(gòu)是天津大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和吉林大學(xué)等高校；近期主要是浙江大學(xué)、大連理工大學(xué)和上海理工大學(xué)等高校作為主要的研究機(jī)構(gòu)，為《中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)》創(chuàng)作并發(fā)表了多篇高水平的研究論文，為生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的發(fā)展注入了活力、提供了思路。同時，根據(jù)機(jī)構(gòu)知識圖譜，我們發(fā)現(xiàn)各個研究機(jī)構(gòu)之間存在一定的合作，輻射范圍廣泛，但緊密度較低，需要從深層次、多角度進(jìn)行科研合作，進(jìn)一步提升科研水平和協(xié)作效果。

圖3 機(jī)構(gòu)合作知識圖譜

5 研究熱點(diǎn)和趨勢分析

關(guān)鍵詞是對文章主題的高度概括和凝練，是文章的核心和精髓，體現(xiàn)文章的研究價(jià)值和方向，其中，高頻關(guān)鍵詞常用來確定研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)方向[11]。因此，對期刊上相關(guān)文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞進(jìn)行分析，利用CiteSpace軟件繪制高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜，探尋生物醫(yī)學(xué)工程研究領(lǐng)域熱點(diǎn)方向，如圖4所示。

圖4 高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖譜

在圖4中，每一個圓形節(jié)點(diǎn)代表一個關(guān)鍵詞，節(jié)點(diǎn)越大表示關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻次越高；不同顏色的節(jié)點(diǎn)代表不同的年份；節(jié)點(diǎn)之間的連線，表示關(guān)鍵詞之間共現(xiàn)系數(shù)，連線越多，表明關(guān)鍵詞之間相互聯(lián)系越緊密[12]。我們選取出現(xiàn)頻次在47次以上的關(guān)鍵詞，得到研究熱點(diǎn)關(guān)鍵詞頻次統(tǒng)計(jì)表，如表5所示。

表5 高頻關(guān)鍵詞頻次統(tǒng)計(jì)表

為了更好地展現(xiàn)生物醫(yī)學(xué)工程研究的時間分布及相互間關(guān)系，按照時區(qū)分析方法構(gòu)建高頻關(guān)鍵詞時區(qū)圖譜，如圖5所示。

圖5 高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)時區(qū)圖譜

高頻關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻次在一定程度上反映了生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)問題[13]。結(jié)合高頻關(guān)鍵詞知識圖譜和高頻關(guān)鍵詞頻次表，生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科研究的熱點(diǎn)主要包括生物材料（關(guān)鍵詞：生物材料、生物相容性、組織工程、羥基磷灰石等）、生物力學(xué)（關(guān)鍵詞：生物力學(xué)、有限元分析、血液相容性等）、醫(yī)學(xué)圖像（關(guān)鍵詞：圖像分割、特征提取等）和生物信號（關(guān)鍵詞：小波變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)等）4個方面。生物材料是制作各種人工器官的物質(zhì)基礎(chǔ)，其主要研究生物相容性和生物活性等問題，其中高分子材料是重點(diǎn)研究領(lǐng)域。組織工程與生物材料研究緊密聯(lián)系，生物相容性好、能夠被器官組織吸收的生物材料的研究是熱點(diǎn)。目前生物材料在骨科、心血管系統(tǒng)等領(lǐng)域取得了重大突破，實(shí)現(xiàn)臨床應(yīng)用。生物力學(xué)研究組織和器官的力學(xué)特性，為生物材料和人工器官設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。目前生物力學(xué)重點(diǎn)研究細(xì)胞-分子力學(xué)、骨骼-肌肉-關(guān)節(jié)力學(xué)和血液動力學(xué)等。醫(yī)學(xué)圖像研究主要包括醫(yī)學(xué)圖像分割和醫(yī)學(xué)圖像特征提取等方面。良好的醫(yī)學(xué)圖像分割和圖像特征提取效果，可以有效輔助醫(yī)生對病變組織或器官的診斷和治療。生物信號研究主要包括腦電和心臟電信號、眼震、語言等信號，重點(diǎn)研究生物信號的采集、檢測、識別和診斷技術(shù)。其中腦機(jī)接口和腦電信號的研究成為生物信號方面未來的研究課題。目前腦機(jī)接口相關(guān)技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)臨床應(yīng)用，給病人帶來了福音，但同時也帶來倫理問題和困境。

6 結(jié)束語

本文基文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)的視角，采用社會網(wǎng)絡(luò)可視化分析軟件Citespace，以《中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)》為研究對象，從多元化、時間軸式、動態(tài)變化的視角出發(fā)，幫助讀者和生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域研究學(xué)者及時了解生物醫(yī)學(xué)工程研究領(lǐng)域的發(fā)展規(guī)律、學(xué)科研究熱點(diǎn)及前沿動態(tài)。通過本文的可視化分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)生物工程領(lǐng)域的研究從20世紀(jì)80年代以來，取得了豐碩的研究成果。研究機(jī)構(gòu)以各大高校為主；呂維雪、曾衍鈞、邱天爽和馮煥清等作者是領(lǐng)域的核心作者，形成相對固定的科研團(tuán)隊(duì)和科研方向；研究熱點(diǎn)和未來發(fā)展趨勢主要集中在生物材料、生物力學(xué)、醫(yī)學(xué)圖像和生物信號等4個方面。但本文也存在一定的局限性，國內(nèi)生物工程期刊有多種，本文只選取領(lǐng)域內(nèi)的核心期刊來進(jìn)行研究，研究結(jié)果可能會產(chǎn)生一定的偏差。期望本文能為讀者更加全面了解學(xué)報(bào)和學(xué)科研究熱點(diǎn)和前沿方向，促進(jìn)交流和合作，推動期刊和生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展提供幫助。