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编号:10261416
基于Iwao -m生态模型的疾病空间分布动态模型—疾病的空间分布动态模型研究(二)
http://www.100md.com 《数理医药学杂志》 2000年第1期
     作者:薛付忠 王洁贞

    单位:薛付忠(山东医科大学公共卫生学院 济南250072); 王洁贞(山东医科大学公共卫生学院 济南250072)

    关键词:

    数理医药学杂志000102

    中图分类号:Q 141

    文章编号:1004-4337(2000)01-0003-03▲

    在生态学研究中,Iwao在1968、1969年所描述的生物种群空间分布图式为[1~3,5]=α+βm,其中m~为种群平均拥挤度,m为平均密度,并且对α,β的生物学含义作出了明确的解放。本文根据这些生态学研究的基本思想,提出适合描述疾病空间动态的基本流行病学假设,并据此假设建立相应的数学模型,定量地刻划其空间分布动态。
, 百拇医药
    我们的流行病学假设是:在某一特定生境内的某病病例,其空间分布格局指标可以由病例平均密度mc(case density)平均拥挤度及c(case cowding)来描述。定义如下:

    当样本含量较大时有近似形式c的第一种形式反映对于每个个体,在同一样方(即样本单位)中有多少其它个体的平均数,即每个个体在它样方中“邻居”的平均数;或者说是平均每个个体有多少在同单位内的其它个体,可以认为这些个体是与第一个个体共占一个单位。c的第二种形式则直观地反映了c与病例空间格局的关系,因为在随机格局中s2=1,故有c=。于是有:c=1,为随机格局;c<1,为均匀格局;c>1,为聚集格局。c刻划了病例空间格局的内在性质,反映了其在一定条件下的聚集状态的变化。如果在时间维上,建立时间t与c间的函数关系,则能定量反映疾病聚集动态的变化规律。
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    这里我们的假设是病例的平均拥挤度c与其平均密度mc间存在着某种线性或非线性关系,而这种线性或非线性关系则体现了病例的空间分布动态机制,进而反映其流行病学机制。

    1 建模方法及其模型参数的流行病学含义

    在以上假设的基础上,根据c和mc的含义以及疾病的流行病学特点,我们提出以下模型:c=α+β1mc2m2c3m3c+…+βkmkc
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    一般情况下,取c的3次模型便可以达到拟合精度:c=α+βmc+γm2c+δm3c

    模型中参数的流行病学含义为:

    ① α是每个基本成分中个体数分布的平均拥挤度,称为基本聚集度指标:

    α=0,分布的基本成分是单个个体,病例间没有相互内在联系,既不相互排斥也不相互吸引;

    α>0,分布的基本成分是个群体,病例间存在着某种内在联系,病例间相互吸引;
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    α<0,病例间存在相互排斥的内在联系特点。

    ② β表示基本成分的空间格局,体现了基本成分的相对聚集度,称为密度-聚集度指标:

    β=0,病例的空间格局为随机分布;

    β<1,病例的空间格局为均匀分布,β越小分布越均匀;

    β>0,病例的空间格局为聚集分布,β越大分布越聚集。

    ③ γ+2δm是基本成分的相对聚集度随病例平均密度而变化的速率;

    ④ 2δ是基本成分的相对聚集度随病例平均密度变化的加速率。

    这是因为我们假定β随mc变化的速率不只是一个常数,而是与mc有关的,因为病例平均密度变大时,相对聚集度β变化的速率也随之变大,因此设:
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    β=f(mc)=β′+γmc+δm2c,f′(x)=γ+2δmc,f″(x)=2δ

    用同样的方法可以定义更高阶的模型参数的流行病学含义。

    ⑤ 当病例密度足够低时,模型中右端第四项m3c为高阶无穷小,可以忽略,即相当于不考虑加速度,δ=0,这时模型为:c=α+βmc+γm2c

    ⑥ 当右端的m2c也看成是无穷小时,则m2c也可以忽略,即相当于不考虑速率,γ=0,这时模型为:c=α+βmc,也就是Iwao的原模型。
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    ⑦ 若c与mc的k次方间仍不呈线性,则可以对它实施变量变换,使其达到线性化的要求。例如对c实施对数变换,则模型变为:

    Ln(c)=α+β1mc2m2c3m3c+…+βkmkc

    同样根据以上方法确定模型参数的流行病学含义。
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    ⑧ 评价模型拟合优度的指标我们定义为偏离度(B,Bias):

    其中,c为模型计算所得的平均拥挤度的估计值。

    ⑨ 病例空间结构特点的表达:

    以聚块性指标c/mc为因变量,以密度mc为自变量,建立回归模型,它们的回归关系一般不是线性的,可试用指数曲线、对数曲线、幂曲线、多项式曲线等拟合,以观察密度mc随聚块性指标c/mc动态变化的趋势。
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    ⑩病例个体群范围的量化:

    对于特定的微小生境(由一个自然村或几个自然村组成),用不同大小的样方单位面积,多次对其划定网络,按样方单位面积梯度以聚块性指标c/mc为因变量,以样方面积为自变量做曲线图,c/mc曲线下降最陡时所对应的样方面积大小,或c/mc-样方单位面积曲线模型的一阶导数取得最大值时,所对应的样方面积大小,就相当于病例个体群(即基本成分)的面积;还可以在时间维上分别作c/mc-样方单位面积曲线图或拟合模型,找出不同时间病例个体群的面积。对传染病来说,个体群面积反映了传染源的活动面积范围,这对划定疫点范围具有重要的指导意义。
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    2 模型解法

    根据最小二乘法原理,采用一般多项式曲线拟合的SAS程序建立模型和优选模型,或用逐步回归方法进行模型优选[7]

    将模型通过变量变换转化为多元线性回归问题,即设z1=mc,z2=m2c,z3=m3c,…,zk=mkc,就把模型转化为多元线性回归方程:

    z=α+β1z12z2+…+βkzk

    调用SAS软件中的REG过程便可完成建模和模型优选。
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    3 实例分析

    现以山东省平邑县1997年肾综合征出血热(HRFS)空间分布资料为例说明建模过程:该县处于山东临沂市,为全国HRFS重点发病县,1997年发病率高达106.24/10万。县内地理生态环境复杂,山区、丘岭、平原、库区、涝洼交错布局,且各地植被、鼠类种群分布各异。为此,根据地理生态环境特点,打破乡(镇)间的行政界限将全县划为14个生境区进行分析。

    3.1 网格的划定和自然村的标化

    由于HRFS的空间分布与自然村的分布有关,因而在划定网格(即样本单位)时必须设法消除自然村的影响。我们巧妙地采取了一种特殊的技术措施使自然村成为均匀分布:即①、设定正方形网格的大小与最大自然村的面积相等;②、抽取生境区时,尽量使自然村的网格内的分布均匀;③、经①、②处理后仍有部分自然村具有极强的聚集性,这时,如果一个网格内的自然村数在5个以上时,则将它们看作为一个自然村。通过这三步处理就使自然村达到了均匀分布(见表1)。
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    表1 平邑县自然村和1997年肾综合征出血热空间分布基本参数 生境区域

    自然村空间分布参数

    肾综合征出血热空间分布参数

    mccc/mc

    s2

    mccc/mc
, 百拇医药
    s2

    1

    1.0261

    1.0885

    1.0608

    1.0625

    0.5479

    1.3503

    2.4641

    1.8022

    2
, 百拇医药
    1.1343

    1.1359

    1.0014

    1.1816

    0.6377

    5.3632

    8.4102

    5.7255

    3

    1.2911

    0.8627

    0.6682

    0.5716
, 百拇医药
    1.5488

    4.2992

    2.7758

    3.7504

    4

    1.0857

    0.6053

    0.5575

    0.5196

    2.6806

    6.3936

    2.3851

    4.7130
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    5

    1.1563

    0.6217

    0.5377

    0.4653

    2.1176

    5.1529

    2.4334

    4.0353

    6

    1.3012

    0.9630

    0.7401
, 百拇医药
    0.6618

    0.9762

    2.9754

    3.0480

    2.9992

    7

    1.3448

    0.7692

    0.5720

    0.4244

    0.7627

    4.4047

    5.7751
, 百拇医药
    4.6820

    8

    1.6667

    1.0858

    0.6515

    0.9191

    1.3881

    4.3869

    3.1604

    3.9988

    9

    1.9545

    1.7441
, 百拇医药
    0.8924

    0.7896

    0.5238

    2.4545

    4.6860

    2.9307

    10

    1.3281

    1.2235

    0.9214

    0.8954

    0.3333

, 百拇医药     1.5654

    4.6967

    2.2321

    11

    2.3261

    1.8609

    0.8000

    0.5348

    1.3571

    4.2456

    3.1284

    3.8885

    12
, 百拇医药
    2.4000

    2.0417

    0.8507

    0.6417

    0.7000

    1.7429

    2.3470

    1.9429

    13

    2.3721

    2.0784

    0.8762

, 百拇医药     0.7063

    0.6364

    1.9286

    3.0305

    2.2922

    14

    1.8684

    1.5493

    0.8292

    0.6809

    0.3256

    0.5414

    1.7549
, 百拇医药
    1.2458

    自然村空间分布的数学模型:根据以上设定网格的方法,抽取了14个生境区,计算各区内自然村的mccc/mc、s2见表1。

    由表1可见自然村的c/mc、s,1、2区接近于1,其它区都小于1,基本达到了均匀分布。其空间分布动态模型为:c=-0.2130+0.9267mc γ=0.9178,P=0.0001
, 百拇医药
    其F=64.155,P=0.0001;tα=-1.112,P=0.2878;tβ=8.010,P=0.0001。

    在0.05水平上回归方程及回归系数均有极显著性;B=0.0378,说明模型拟合极佳。因α=-0.2130,而P=0.2827>0.05,所以总体α为0,自然村分布的基本成分是单个个体;又β<0,所以自然村的空间格局是均匀分布。在此水平上研究HRFS的空间格局就消除了自然村的影响。

    2.2 不同生境内的HRFS病例空间分布格局分析结果

    由表1可见,HRFS的c/mc、s2均大于1,说明其有明显的聚集性。进一步根据不同的生境特点做回归分析,其结果如下:
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    ① 将全县看作一个特定生境(共14个生境区):

    空间格局模型:c=1.2476+2.0135mc,γ=0.7915,P=0.0007;

    模型检验:F=20.132,P=0.0007;tα=2.245,p=0.0444;tβ=4.487,p=0.0007;

    模型精度:B=1.1000。

    ② 平原地带

    生境特点:该区由3、4、5、6、7、11区组成,为平原,主要作物为小麦、玉米,境内的自然村一般较大。

, 百拇医药     空间格局模型:c=2.4466+1.3546mc,γ=0.8597,P=0.0281;

    模型检验:F=11.333,P=0.0281;tα=3.566,p=0.0235;tβ=3.366,p=0.0281;

    模型精度:B=0.6467。

    ③ 山区干旱地带

    生境特点:该区由1、8、9、10、12、13、14区组成,为山区干旱地带,主要作物地瓜、花生、以秋季作物为主。

    空间格局模型:c=0.0605+3.0249mc,γ=0.9053,P=0.005;
, 百拇医药
    模型检验:F=22.705,P=0.005;tα=0.133,p=0.9886;tβ=4.765,p=0.005;

    模型精度:B=0.2240。

    ④ 涝洼、库区

    生境特点:该区由2、3、4、5、7、8、11组成,其中2、3、4、5、7为平原区中涝洼较多的地带,8、11虽为山区、丘陵,但内有唐村、昌里两大水库位于其中。

    空间格局模型:c=6.6753+3.3743mc+1.2273m2c,R2=0.9120;
, 百拇医药
    模型检验:F=20.736,P=0.0077;tα=11.151,p=0.0004;tβ=4.160,p=0.0141;tγ=5.047,p=0.0072;

    模型精度:B=0.0366。

    由此可见,以全县为一大的生境时,α>0,HRFS病例的基本成分是群体,病例间存在某种流行病学联系;β>0,HRFS病例呈聚集分布。而按不同生境分别分析时,却各有特点:平原和涝洼、库区α值都较大,分别为2.4466、6.6753,病例间有较强的联系;它们的β的绝对值都大于1,分别为1.3546、3.3743,病例分布具有较高聚集性,且涝洼、库区的联系性和聚集性均大于平原。对于山区干旱地带,α为0.0605,P>0.05,所以病例的基本成分是个体,没有流行病学联系;而β为3.0249,表明病例的聚集性也较强。充分体现了HRFS在不同生境内的空间分布特点。关于c/mc和mc关系分布和疫点范围量化,限于篇幅将另文讨论。模型还可用于研究时间维上的某一特定生境内HRFS病例的空间分布动态规律,即对于某一特定生境,计算其内不同的时间HRFS病例分布的c与mc,建立模型,以反映该特定生境内HRFS病例的空间分布随时间的变化规律。模型揭示对于平原和涝洼、库区在重点抓好病例聚集区内的灭鼠防病时,应注重发病“灶点”的处理;而对于平原干旱地带则不易采取“灶点”处理,而应当对整个病例聚集区采取措施。同时,提示我们对于HRFS的防治不能一刀切地搞“大面积灭鼠”,而必须因地制宜地根据其所处的生境特点采取相应的措施。■
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    参考文献:

    [1] Iwao,S and Kuno, E.Use of the regression of mean crowding on mean density for estimating sample size and the transformation of data for the analysis of variance. Res. Popul Ecol. 1984,210~214.

    [2] Iwao, S. and Kuno, E:An approach to the analysis of aggregation patterns in biological populations. Statistical Ecology.1, 461~513,Penn State Univ. Press. 1971.

    [3] Iwao,S: Application of the -m method to the analysis of spatial pattern by changing the quadrat sine. Res. Popul. Ecol. 1972,14(1):79~128.
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    [4] 蔡晓明等.大白菜上七星瓢虫空间格局及抽样技术研究生态学杂志,1991,10(5):6~11.

    [5] Iwao S. A new regression method for analysis the aggregation pattern of animal populations Res. Popul.Ecol. 1968,10(1):1~20.

    [6] 徐汝梅等.改正的Iwao -m模型.生态学报,1984,4(2):111~118.

    [7] 胡良平.现代统计学与SAS应用.军事医学科学出版社,1996,215~265.

    收稿日期:1999-03-09, 百拇医药