新疆喀什地區疏附縣肺結核與氣象因素和大氣污染物關聯研究

美合日班·買買提 買吾拉江·依馬木 盧冬梅 鄭彥玲 張學良 彭曉旺

結核病(tuberculosis TB)是一種由結核分枝桿菌引起有傳染性的慢性呼吸系統疾病,是危害人群健康的重大傳染病之一[1],也是全球范圍內的重大公共衛生事件,以肺結核多見。肺結核的發生和發展與多種因素有關,除了飲酒、吸煙、AIDS、免疫力低下等還與氣象因素和大氣污染物等有關[2],有專家研究發現肺結核發病與氣象因素和大氣污染物有關[3]。在已有的傳染性疾病影響因素研究中,目前使用較多的方法有Logistics回歸、多元線性回歸、主成分回歸和分位數回歸等。而本研究中用主成分和分位數回歸方法分析研究氣象因素和大氣污染物對當地肺結核發病的影響并量化其風險。分位數回歸模型是估計一組回歸變量X與被解釋變量Y的分位數之間線性關系的建模方法,最早是由Koenker和Basset于1978年提出的[4],提供了回歸變量X和因變量Y的分位數之間線性關系的估計方法,強調條件分位數的變化。與線性回歸相比,分位數回歸得到的是一簇曲線而不是一條曲線,更能反映變量間的關系[5,6]。

資料與方法

一、數據來源

2019年1月1日至2021年12月31日喀什地區疏附縣肺結核發病數據來源于新疆喀什地區疾病預防控制中心,空氣污染指標(細顆粒物PM2.5,粗顆粒物PM10,一氧化碳CO,二氧化硫SO2,臭氧O3,二氧化氮NO2,空氣質量指數AQI)和氣象數據(平均氣溫 Temp,平均相對濕度RH,平均風速WS)來源于中國氣象數據網。

二、分析方法

1. 主成分分析

在影響肺結核發病的幾個相關性較高的線性相關因素中提取幾個主成分,提取的主成分里包含原始數據的絕大部分信息。具體過程如下:首先將原始變量數據標準化,計算相關系數矩陣;之后求出相關系數矩陣的特征根,特征向量和方差貢獻率,取累計貢獻率大于90%以上的特征根的主成分并根據分析問題確定主成分個數,本研究提取4個主成分記作C1、C2、C3和C4。

2. 分位數回歸

分位數回歸是一種基于因變量的條件分布來擬合自變量的線性函數的回歸方法,可以選任意一分位數點進行參數估計,能提供更全面的條件分布信息,估計結果更加穩健。一般形式為:

其中yit表示第t時期第i個個體被解釋變量的觀測值,Xit則是解釋變量的觀測值。Xit表示不同分位數τ下的模型截距。

3. 主成分分位數回歸

主成分分位數回歸是將主成分分析與分位數回歸結合起來,利用最后用提取的4個主成分代替原始自變量建立分位數回歸模型并做分析。

三、統計學方法

用SPSS軟件主成分分析方法提取原始自變量的幾個不相關的主成分,將提取的主成分作為自變量,肺結核每周發病例數作為因變量進行分位數回歸分析。用R軟件建立分位數回歸模型分析自變量在不同分位點自變量對因變量的回歸,并計算各分位點參數估計的系數和檢驗的P值,P<0.05表示具有統計意義。

結 果

一、描述性統計及相關性分析

2019年1月1日-2021年12月31日期間,喀什地區疏附縣肺結核發病總人數2090人,重點研究分析的影響因素包括氣象因素(Temp,RH,AQI,WS)和大氣污染物(CO,NO2,O3,PM10,PM2.5,SO2)等,為了驗證各影響因素之間是否有相關關系進行Spearman相關性分析,結果顯示除了變量AQI、PM2.5與RH和CO、WS、NO2與PM10之間沒有相關關系外,其余變量之間均有相關關系,且有統計學意義(見表1)。

表1 各變量間的相關性分析

二、主成分分析及表達式

1. 主成分分析

經主成分分析相關矩陣結果顯示,變量AQI、PM2.5與RH和CO、WS、NO2與PM10相互之間沒有相關關系外,其余自變量之間均有相關關系,考慮到自變量之間的相關性可能導致分位數回歸建模時會出現偽回歸現象,因此本研究考慮先利用主成分分析對自變量提取主成分,提取的主成分包含大部分原始自變量的信息;由(表2)可知前四個主成分C1=-0.379ZTemp+0.237ZRH-0.344ZWS+0.256ZAQI+0.374ZCO+0.355ZNO2+0.183ZPM10+0.288ZPM2.5+0.292ZSO2+0.385ZO3;C2=0.176ZTemp-0.367ZRH+0.176ZWS+0.483ZAQI-0.179ZCO-0.138ZNO2+0.568ZPM10+0.442ZPM2.5-0.027ZSO2+0.043ZO3;C3=0.028ZTemp-0.535ZRH+0.358ZWS-0.062ZAQI+0.262ZCO+0.242ZNO2-0.147ZPM10-0.130ZPM2.5+0.640ZSO2+0.080ZO3;C4=-0.190ZTemp+0.387ZRH+0.009ZWS+0.156ZAQI-0.004ZCO-0.609ZNO2+0.038ZPM10-0.020ZPM2.5+0.533ZSO2+0.363ZO3對應的特征根的累積貢獻率達到92.867%,為此本研究抽取了四個主成分分別記作C1、C2、C3和C4。

表2 提取主成分的特征根分析

2. 主成分表達式

(表2)中特征根累計貢獻率可以看出,第一主成分和第二主成分包含了Temp、WS、CO、NO2、O3、RH、AQI、PM2.5和PM10等原始變量79.885%的信息,四個主成分共包含了原始變量92.867%的信息,結合特征根及四個主成分矩陣系數,得出這四個主成分的表達式,其中Z代表標準化,例如:ZTemp表示標準化的溫度變量。

三、主成分分位數回歸分析

用四個主成分和每周肺結核發病數據分別作為自變量和因變量建立分位數回歸模型,結果顯示(見表3)截距隨著分位點的增大也逐漸變大并且在不同分位點P值均小于0.01,有顯著統計學意義;主成分C1包含Temp、WS、CO、NO2和O3等原始自變量的信息,分析發現C1在0.3和0.6分位點以外的其他分位點P值均<0.05,有顯著統計學意義;主成分C2包含RH、AQI、PM2.5和PM10等自變量的信息在0.1至0.6分位點P值<0.05,有統計學意義,主成分C3包含風速的信息在0.1至0.6分位點P<0.05,有統計學意義;主成分C4在任何分位點均沒有統計學意義。

表3 基于主成分的分位數回歸分析結果

(圖1)是不同分位點模型擬合曲線的比較,橫坐標表示自變量,縱坐標表示肺結核發病例數?？梢钥闯鲭S著分位點增加,模型擬合曲線逐漸呈上升趨勢,肺結核發病數也隨之增加。0.9分位點處較明顯,肺結核發病例數較高。而(圖2)是四個主成分參數估計系數隨著不同分位點的變化情況及置信區間,圖中顯示,主成分C1的系數隨著分位點的增大呈現下降趨勢,而(表3)C1主要體現的Temp、WS、CO、NO2和O3的信息,系數都為負,說明當Temp、WS、CO、NO2和O3含量越低時肺結核發病數增加;主成分C2系數隨著分位點的增大而增大,C2主要體現的RH、AQI、PM10和PM2.5的信息,在(表3)中C2系數都為正,說明當RH、AQI、PM10和PM2.5的含量越高肺結核發病數越多;主成分C3的系數隨著分位點的增大而增大,C3主要包含SO2的信息,說明當空氣中SO2含量越高肺結核發病數呈上升趨勢;主成分C4的系數隨著分位點的增大呈逐漸下降再上升的趨勢,而C4包含NO2的信息,說明當空氣中NO2含量變化時肺結核發病數也相應增加。

圖1 不同分位點擬合曲線的比較

圖2 四個主成分C1,C2,C3及C4的系數隨著分位點的變化情況和置信區間

討 論

喀什地區疏附縣位于中亞腹部,因地理環境的約束,屬暖溫帶大陸性干旱氣候帶。疏附縣常年四季分明、光照時日長、溫差較大,降水量稀少,蒸發較為旺盛。夏季氣候炎熱,但持續時期短;冬季無嚴寒,但低溫期長;春夏多見大風、沙塵暴天氣。因地形復雜,氣候差異較大,而肺結核也是喀什地區疏附縣多發病之一[7,8]。2019-2021年期間由于新型冠狀病毒的大流行對全球結核病的疫情防控產生重大影響。從短期來看,對新冠肺炎疫情地區患者就診、良好醫療服務的可及性等方面產生了顯著的負面影響,結核病患者發現和治療管理需要較長時間才能恢復至日常水平[9]。從長期來看,雖然新冠肺炎與結核病之間在臨床、流行病學和疾病防控等方面尚需深入研究,且必然會相互關聯和影響[10],但同樣作為呼吸道傳染病,兩種疾病在服務體系、政策保障和科學研究等方面可以相互學習借鑒和相互支持。近年來在結核病相關部門大力的防控措施下,肺結核發病有下降的趨勢,但要終止結核病的目標,相關防控措施還是需要不斷加強。

本研究結合主成分分析與分位數回歸模型等方法,分析了Temp、RH和WS三種氣象因素和AQI、CO、O3,NO2、PM10、PM2.5、SO2等空氣污染物對肺結核發病的影響,相關性分析表明除了變量AQI、MP2.5與RH和CO、WS、NO2與PM10之間不相關以外,其余自變量均有相關關系,且氣象因素和大氣污染物與肺結核發病也密切相關;分位數回歸模型分析發現,溫度、風速、CO、NO2和O3對肺結核發病呈負相關關系,表明在溫度和風速較低,CO、NO2和O3濃度也較低時肺結核發病數會增加肺結核發病風險,肺結核發病數增加;可能原因是當環境溫度較低、CO、NO2和O3濃度較低時,在外環境中不易發現,人群很容易暴露于污染物環境下,從而引起疾病傳播。在曹賦[2]等人研究發現當溫度、風速和CO、NO2和SO2等因素低于或高于某個閾值時會對肺結核發病產生影響,其中也包括滯后效應;而AQI、PM10和PM2.5等因素則是濃度越高對肺結核發病風險越大,這與大多數研究結果相似。

本研究以氣象因素和空氣污染物數據建立分位數回歸模型分析其對肺結核發病的影響,根據研究結果為新疆相關結核病防控工作提供可參考的依據。根據研究結果,當溫度和風速較低,污染物CO、NO2和O3含量較低會增加肺結核發病風險,為有效保護自己免于暴露于污染物,可在外出時戴上防菌口罩,進入室內勤洗手;當空氣中PM2.5,PM10,RH和AQI含量較高時,空氣質量較差,盡量避免接觸外環境中的污染物。還需要了解肺結核發病相關衛生知識,保護自己以及他人的健康尤為重要。