连载：统计图形艺术——条形图

中国近代启蒙思想家、翻译家严复(1854-1921)提出，翻译力求信、达、雅。统计图形，亦须如此。信(faithfulness)，指意义不悖原文，要准确传达数据原有之义，不偏离，不遗漏，也不要随意增减意思；达(expressiveness)，指不拘泥于固有形式，译力求通顺、易懂、明白；雅(elegance)，指选用的图形、样式要得体，力求简明、优雅。

生物医学研究产生的数据纷繁复杂，运用合适的统计图形能够准确、简明、优雅的勾勒出数据背后之意，消除医学-数据-内涵之间的障碍,准确传递生物医学研究结果，这就是统计图形的魅力。

历经半年准备，我们图形小组将按照数据可视化、统计可视化、集成可视化三个模块，连载推送医学研究中常用统计图形之背景、场景、拓展、要点。文稿有多处不足，请广大读者斧正。尚有多处待优化，欢迎提供素材。

01 条形图Bar Plot

图形溯源 

现代条形图，由苏格兰著名工程师William Playfair发明(1)。Playfair于1787年出版的《The Commercial and Political Atlas (Edition 2)》专著中，首次采用条形图来描述1780年圣诞节到1781年圣诞节这一年期间，苏格兰对不同国家和地区的进出口贸易情况。Playfair作为统计图形方法(graphical method for statistics)的创始人，其一生创造了多种统计图形。

1780-1781年间苏格兰进出口贸易情况

事实上，条形图之雏形可再往前溯300余年。法国数学家Nicole Oresme于1350年用条形图来描述某一加速物体随时间推移之速度变化(2)。横轴代表时间，纵轴代表速度。原图中没有任何刻度，也没有给出速度数值，表达不够清晰。尽管如此，图中各条形宽度相同这一点特点仍沿用至今。

加速物体随时间推移的速度变化情况

应用场景

用于多组间的频数、均数、率的描述，便于组间比较；

用于具有等级关系的多组的指标趋势展示。

应用示例

基础条形图

以脐带血清中所测元素组学和儿童发育的关联研究(association study)为例，对464名新生儿脐带血进行元素组学检测，获得56种元素的暴露水平。

本例中的结局指标为儿童36个月Bayley量表评分中的粗大运动(gross motor)是否发育迟缓。将和结局相关联的元素进行线性组合而得到元素风险得分(ERS)，将其分为5等份(x轴)，用条形图(左图)展示各组内的发育迟缓比例(y轴)。

右图加以背景衬托，在顶端显示频数，更为美观。

元素暴露风险得分和儿童神经发育迟缓

堆积条形图

堆积条形图是条形图的扩展，用于显示各组多指标堆叠(相加)效果，以便于组内各指标间的比较和多组间总和的比较。

以某高校教职人员不同级别[助理教授(Assistant Professor)，副教授(Associate Professor)，教授(Professor)]的男(Male)女(Female)构成数据为例；通过堆积条形图，一可清晰反映出各级别教授的数量差异，二可清晰体现各层级教授的男女人数差异。

若变量为频数，则亦可通过改变position = 'fill'参数，将y轴尺度改为构成比(右图)。

不同级别教授中性别构成情况

分组条形图

分组条形图可以用于比较不同组间的差异。

以BNT162b2信使RNA疫苗的接种为例，在136例确诊或疑似心肌炎患者中，接种第1剂疫苗后19例出现症状，在接种第2剂疫苗后117例出现症状。

下图反映了第2次给药后按年龄和性别的病例分布。

第2次给药后按年龄和性别的病例分布

误差线条形图

常规条形图用柱子高度来描述平均水平，而缺少变异程度信息。因此，通常在条形图各柱子顶端添加(+/-)误差线，误差线长即为变异度。

误差线代表的是个体变异(如标准差)还是抽样误差(如标准误)，须在图例中明确说明。以新英格兰杂志中的临床研究论文为例，基线特征描述时，用标准差，疗效指标描述时，用标准误。

以R中自带的鸢尾花(iris)特征数据为例，用条形图展示3种鸢尾花形态数据的均值及变异(标准差)。

鸢尾花形态数据的均值及变异

瀑布图

瀑布图采用绝对值与相对值结合的方式，展示数个特定数值之间的变化关系(或差异)。

以101例某实体瘤患者靶病灶最长直径总和较之基线(治疗前)变化幅度(百分比)这一疗效指标为例；评估白蛋白-紫杉醇联合吉西他滨治疗以前未经治疗的局部晚期胰腺癌的有效性。

下图中，0水平线代表病情稳定，0水平线上代表病情恶化(蓝色)，之下(红色)代表病情较之基线有所好转。直观可见，大多数患者经白蛋白-紫杉醇联合吉西他滨诱导期治疗而获益。

紫杉醇联合吉西他滨治疗

未经治疗局部晚期胰腺癌的疗效

极坐标条形图

极坐标条形图，即条形图按照极坐标展示，呈围绕原点的放射状，每栏顶部放射状显示其标签。

以柳叶刀(Lancet)上最新发表的接种3针疫苗人群中新冠Delta和Omicron毒株感染者临床症状差异数据为例(3)，极坐标图清晰可见不同临床症状发病率之差异，和不同毒株所致临床症状之差异。

新冠Delta和Omicron毒株感染者

临床症状差异对比

螺旋条形图

螺旋条形图，是沿着阿基米德螺旋线绘制图的条形图，从螺旋的中心向外螺旋展延伸。适用于周期性数据展示。

以2015-2016年的比特币价格为例绘制螺旋条形图，通过颜色的变化以反映比特币价格涨跌。

比特币价格涨跌螺旋条形图

针板图

针板图，即用形如细针的线来代替条，形似一根根细针插在砧板的两面。上下两侧，描述不同变化方向的数据(如效应的方向)。

本例选取纽约航空数据中各类航班平均延误时间来展示二维针板图。延误时间若为负数(下方蓝“针”)，则航班为提前到达。

纽约纽瓦克机场各航空公司航班延误情况

动态排序柱状图

与静态柱状图相比，动态柱状图可使读者更直接的感受到数据变化过程，有助于深入理解数据的趋势。

以多个国家新冠疫苗累计接种人数为例，通过动态柱状图反映各国疫苗接种人数随时间的变化情况，以及增长速度之变化。

全球疫苗接种累计人数变化

以上为条形图在医学研究中的常用场景示例，尚有更多扩展。
参考文献：

1. Murdin P. Encyclopedia of astronomy & astrophysics. CRC Press; 2001.

2. Spence I, Wainer H. William playfair. In: Heyde CC, Seneta E, Crépel P, Fienberg SE, Gani J, editors. Statisticians of the centuries [Internet]. New York, NY: Springer New York; 2001. p. 105–10. Available from: 

   https://doi.org/10.1007/978-1-4613-0179-0_21

3. Menni C, Valdes AM, Polidori L, Antonelli M, Penamakuri S, Nogal A, et al. Symptom prevalence, duration, and risk of hospital admission in individuals infected with SARS-CoV-2 during periods of omicron and delta variant dominance: A prospective observational study from the ZOE COVID study. The Lancet [Internet]. 2022; Available from:

   https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0140673622003270
   

写作：张隆垚，朱晨旭，魏永越*

排版：李   颖

指导：陈   峰

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