医学研究中统计图形的构成要素和设计要点
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引用格式：张隆垚,林云志,黄丽红,等.医学研究中统计图形的构成要素和设计要点[J].中华流行病学杂志,2023,44(11):1815-1819.DOI:10.3760/cma.j.cn112338-20230410-00224
作者：张隆垚，林云志，黄丽红，陈峰，魏永越
摘 要
统计图形作为医学研究结果可视化的重要方法，可清晰地展示研究结果和重点。然而，如何设计一幅好的统计图形，目前国内外尚无权威且统一的原则，且对于统计图形设计原则缺乏认识，可能会掩盖成果亮点甚至曲解研究结果。鉴于此，本文结合实例，阐述统计图形的构成要素和设计原则，供国内医学研究者参考。
【关键词】医学研究；统计图形；基本要素；设计要点；复合图形
背 景
1.
统计图形的基本要素：
一幅完整的统计图形，包括6个部分（图 1）：
（1）图题：
即统计图的标题，用简明扼要的文字说明统计图所要传达的主要内容[2]。
（2）坐标：
在二维平面图形中，坐标系默认采用笛卡尔坐标系，并以数据的原始尺度绘制图形[3]。坐标轴范围通常在值域基础上适当放大（如5%~10%），不可比实际数据的值域小，导致部分数据无法显示，亦不可过大，导致绘图区域利用率过低。坐标刻度的疏密可根据画幅大小适度调整，数据点较密时可采用加有标签说明的主次刻度。根据实际需要可对坐标尺度施以对数、开方等函数变换。
（3）标目：
即坐标轴标题，通常用简洁准确的文字说明横轴和纵轴所代表的数据含义，常用变量名称及其计量单位表示[4]。
（4）图体：
是统计图形中最核心的部分，通常由点、线、矩形等几何图形构成。根据变量特点（实际数值或者变量的统计量），将其映射至几何图形的大小、长度、形状、颜色、透明度等元素特征中[5]。
（5）图例：
即对图中各种点、线、块、颜色等做简要注释，让读者理解图中各几何图形含义，从而更快地接受图形传达的信息。根据整体构图，可置于图形上方、侧面或图体空白处。
（6）图注：
统计图形应有一定的自明性。图注通常指对图形的研究背景、数据特征、分析方法、主要结果、缩写的简要注释，以便于读者在不参考其他资料的前提下，能够读懂图形，抓住重点[6]。
2.
绘图的一般原则：
制作一幅恰当的统计图形需要遵循的一般性原则：
（1）数据准确：
统计图形基于统计资料，数据的严谨性和正确性是一幅统计图形的灵魂。
（2）内容简要：
一幅图形阐明一个结果（或规律）即可，少则聚，多则散，内容过多将会分散图形的焦点[7-8]。
（3）主次分明：
突出图形的中心思想，可通过调整图体中几何图形的大小（点的大小或线的粗细和样式），或设置具有强对比度的颜色，辅以指导线或注释文字，弱化其他区域的非主导元素，构造视觉焦点，吸引读者注意力[9-10]。
3.
统计图形的设计原则：
格式塔原则（Gestalt Principles）是视觉心理学中的经典原则[11-12]，其观点为人们能够通过视觉活动，将观察到的对象加以简化、组合、抽象以及分离，如人们观察到各种颜色时，往往会联想到具体的与之有关的事物。基于这种原则，将其应用于图形设计过程中可赋予图形艺术性和视觉效果。
格式塔原则包括7项：
（1）简单性：
人的知觉对图形具有简化的功能，如同Cleveland[13]的观点：点相对于线、条形等元素更简单，更易吸引注意（图 2A）。
（2）相似性：
对于同类或相关性很强的资料，可在几何图形元素空间位置上设置相近或设置相同的形状或颜色。如图 2B，以不同形状、不同颜色的散点区分不同属性的数据，展示更富逻辑。
（3）对称性：
人们观察事物过程中，更倾向于简单且对称的图形（图 2C）。
（4）连续性：
在展示趋势性特征时，考虑到视觉惯性，常选择连续形式的图体元素，如图 2D，两组散点在平面上的排列，以直线相连展示其连续性趋势，更加直观。
（5）邻近性：
在二维平面或三维空间内，位置邻近的物体更易被视为一体，见图 2E，人们通常第一印象会认为是3组球，而不是6个独立的球。
（6）闭合性：
又称为“完形”原则，人们在观察熟悉的视觉形象时，倾向于将不完整的局部形象自行补充为一个整体的形象。如不完整的两个环形排列，观察时会自补齐为圆形，见图 2F。卡尼萨三角形作为格式塔原则的著名代表图形[14]，几个“豆状”图形排列，形成中间的空白域，实际图形中并未绘制三角形边线，但人眼观察时，会将不完整的局部形象补全，自动捕捉到中间的三角形。
（7）图片与背景的对比：
利用主从关系，强调对比，设置不同的图体与背景颜色，如对比色（黑白、红蓝等），以留白等方式突出主体形象。如以黑色为背景色，白色的主题字样更加清晰，见图 2G。
格式塔7项原则相辅相成、密不可分，在其基础上设计出符合人群视觉特点的图形，使人们产生对图形的共鸣，才是统计图形的艺术性的体现。
4.
统计图形的形式变换：
艺术性是图形的生命[15]。通过对图形进行变换，可提升其视觉冲击力，更准确地表达数据蕴含的规律和想要传递给读者的关键信息。图形变换具有多种方式，例如：
（1）条形图的极坐标变换：
条形图经极坐标变换后，将条形不同高度转化为饼图不同扇形角度，以各角度的大小体现数值大小；以此为基础，结合条形图、饼图特点，设置相同的扇形角度，用扇形的半径长度代替数值的大小，衍生为著名的玫瑰图。以2016年中国癌症死亡人数数据为例，展示条形图-饼图的极坐标变化（图 3A），图形变换后，可清楚观察到死亡人数排名靠前的癌症（肺癌、肝癌和胃癌），对视觉产生更大的吸引力[16]。
（2）线图的极坐标变换：
将线图的横轴进行极坐标变换，形似雷达屏显，即为雷达图。如图 3B，以5个模型在不同验证数据集下的曲线下面积（AUC）为例，分别绘制线图和雷达图，线图中以线条围成的面积比较AUC大小，转化为雷达图后，以不同顶点所处位置来判断模型AUC大小，由图可见模型4表现最佳，模型1表现最差。
（3）直方图的阿基米德螺旋坐标变换：
螺旋直方图基于阿基米德螺旋坐标系，常用于绘制时间序列数据，用来展示数据的周期性或变化趋势，以2017-2020年某城市每日平均PM2.5浓度变化为例，图形变化后，螺旋直方图由内至外，顺时针旋转一周即为一年，可对比不同年份同一时期的数据差异，数据变化趋势更加直观，艺术性和可读性大大提升。见图 3C。
5.
图形的美化：
图形的美化基于视觉语言的完美传达，其中色彩、质感、空间均是可考虑的元素，可从几个方面来美化：
（1）图形比例：
艺术设计领域默认宽高比为4∶3，符合“黄金分割”比例，视觉效果较好。科学出版物中，应根据图形类别而定，如：饼图建议用1∶1的画幅，横和纵轴尺度范围相同的散点图和线图推荐1∶1的画幅；若横轴范围较大，则可用6∶4、10∶7甚至64∶27（43∶33）的宽幅[17]。
（2）图形色彩：
在平面设计中，色彩起着强化主题的作用。简要的数据，可以用单色呈现；同一类别而程度有别的数据，可以用同一色系的渐变色来呈现；若含有不同类别的数据，则建议用彩色呈现。色彩有主次之分，画面基调采用次要色彩，焦点几何图形元素或结果采用主体色彩。一幅图形中尽量不超过3种色系[18]。
（3）图形主题：
统一的图形背景，协调的标签字体字号，统一的坐标轴、参考线粗细，重点突出的几何图形，主次分明的色彩搭配，构成了一幅图的设计主题。形和色的完美搭配，方能呈现图形之美。
6.
复合统计图形：
一项医学研究，可产生各类丰富的分析结果。往往单一图形展示效果有限，以图层叠加多种统计图形是常用的方法。例如：通过设置左右双纵坐标轴，将两个图形融合，在共同横轴数据上相互比较不同类别纵轴指标（图 4A）；多个图共用纵坐标轴，以便于横轴所示指标的相互比较（图 4B）；将画布网格化，每一区域可分配不同的比例，放置不同的图形，多图拼接，以全面展示数据特征（图 4C）；多个子图的拼装形成集成统计图形，子图内容应具有一定联系，以更为全面地展示分析结果（图 4D）。
不同复合统计图形，在设计上需注意：
（1）风格一致：
不同子图图体的类别、色系、背景特点、标签字体和字号等设计风格需保持一致；多个子图的排列要考虑图形在报告中的排版形式，轮廓对齐，宽高比尽量符合设计美学要求。在各子图同一个相对位置上（正上方或左上角）用Ⓐ、Ⓑ、Ⓒ等序号标识，以便于文中引用。
（2）去冗求精：
若有共同的几何图形的图例、文字标注或注释，切勿重复，可抽提置于整个复合图形的上方、右侧或图体的空白区域[19]。
（3）排列有序：
多幅子图排列时，顺序应有一定逻辑，可按结果的重要程度进行排序。
（4）直观和精确兼顾：
图形可结合表格共同展示，图形的优势在于直观，表格的优势在于精确。有些图形下方放置表格（如Kaplan Meier生存曲线图形下用表格展示各时点的人数）两者互补，可更直观、精确地展示研究结果。
7.
讨 论：
关于统计图形，国内外学者均有总结相关的绘图原则[6, 20]，但仅针对简单的线图、点图等图形，涉及图种较少且绘制要求较为简略。绘制一张图，不仅是为了画图，而是引导读者更好地理解图形的内容。针对图形中的每个元素和细节，反复打磨，最大程度地达到“一图胜千言”的效果[21]。本文以医学统计图形的构成要素和设计要求为主题，整理了统计图形中的基本要素，总结了绘图需遵守的设计原则，最后从图形设计角度出发，提出图形变化、美化的常用方法以及复合统计图形的一般形式，为广大医学研究者提供了较实用的建议。
本研究结合统计学角度和图形美学角度，总结了图形的基本要素和一般性绘图原则，难以做到面面俱到。但本文提供的思路及设计要点，具有一定的科学性和通用性，所总结的绘图的经验原则值得医学研究者参考和应用。数据可视化手段已在当今时代大放异彩，如何以精准、简约、优美的统计图形去匹配丰富多样的科学研究结果，值得深入研究与思考。
参考文献
利益冲突 所有作者声明无利益冲突
作者贡献声明 略
微信制作 斗智
来源：中华流行病学微平台、中华流行病学杂志
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