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论医学地理信息科学与技术的发展
2016年1月27日    评论:    分享:

    来源:第三维度
    作者:龚建华,周洁萍,胡碧松,方立群,曹务春
    单位:中科院遥感应用研究所国家重点实验室
      军事医学科学院微生物流行病学研究所

    摘要: 基于医学地理学与地理信息科学的学科交叉,本文提出了医学地理信息科学的概念、研究目标、以及包括理论、技术与应用的研究框架。从信息获取、信息集成管理、空间分析、模拟分析、可视化制图、信息系统与服务等角度,论述了包括遥感、地理信息系统、空间定位服务、基于位置的移动信息服务等地理信息技术在医学地理学中的研究与应用现状。从微观生态地理环境监测、面向“人”的数据采集与获取、基于社会关系网络的疾病模拟、基于个体的疾病模拟、复杂性方法与公共卫生事件应急研讨厅体系、数字地球与数字人体方面,讨论了医学地理信息科学发展与面临的挑战。

    1.引言

    现代快速发展的空间信息技术、计算机技术与网络技术等,为医学地理学、(景观、空间)流行病学研究等,提供了新的模式与手段。尤其是 2003 年 SARS 发生与流行事件以后,空间信息技术在公共卫生领域中的应用广度与深度等,得到明显的提高。例如,在中国科学院遥感应用研究所(下简称遥感所),于 2003 年与军事医学科学院合作,同时联合北京师范大学遥感与 GIS 研究中心及协和医科大学,成立了“中国科学院/军事医学科学院公共卫生领域空间信息技术应用研究中心”(中国科学院,军事医学科学院, 2003);目前据不完全统计,遥感所至少有6位研究员及其研究团队在开展相关公共卫生领域空间信息技术应用的研究,并从 2003 年来已承担包括“基于现代信息技术研究传染病时空传播与流行规律”等共 15项以上的国家自然科学基金、国家 863、国家科技重大专项等项目。本文拟基于医学地理学与地理信息科学的发展,较为系统地阐述地理空间信息技术应用于医学地理学与公共卫生领域的研究现状,同时基于公共卫生领域的应用专业需求与特征讨论地理信息科学与技术面临的挑战。

    2. 医学地理信息科学概念与研究框架

    研究地理生态环境与医学相关的学科概念有医学地理学(Medical Geography)、公共卫生地理学(Health Geography)、景观流行病学(Landscape Epidemiology)、空间流行病学(Spatial Epidemiology)等,上面这几个学科概念虽然具有不同的研究角度,研究内容也有较大的交叉与重叠,但是本文采用医学地理学的视角以及学科理论与方法,开展空间信息技术的公共卫生领域应用研究。


图 1 医学地理信息科学形成

    医学地理学是研究人群疾病和健康状况的地理分布与地理环境的关系,以及医疗保健机构和设施地域合理配置的学科,它是地理学的一个分支学科,又是医学学科的研究领域,研究内容主要包括疾病地理、健康地理、环境医学与医学地理制图(方如康,戴嘉卿,1993)。医学地理学的研究对象是地理环境与人,这里的地理环境,是指与人的疾病与健康相关的自然地理生态环境与社会地理环境。随着遥感、地理信息系统、全球空间定位系统、数字地球以及虚拟地理环境等空间信息技术与应用的发展,地理信息科学逐渐形成(Goodchild,1992),并成为地理科学的重要学科以及为地理科学提供方法论与技术平台。医学地理学作为地理科学的分支学科,也自然成为地理信息科学与技术的重要应用领域。

    考虑到医学地理学与地理信息科学/技术的相互关系与相互促进,本文提出医学地理信息科学概念(Medical GIScience)。医学地理信息科学,主要发展面向医学地理学以及公共卫生问题与事务的地理信息科学,而不是仅是考虑如何应用目前已有的地理信息技术来处理与解决在公共卫生中的应用问题,而是要发展专门服务于关于“地理环境”与“人”相关的疾病地理、健康地理、环境医学以及医学地理制图等的地理信息理论与相关方法、技术和应用实践。

    继承于医学地理学的研究对象地理环境与人,结合地理信息科学以及医学信息化的发展,医学地理信息科学研究目标通过人的疾病、健康,与人体环境、地理环境与人-地关系的数字化、信息化、以及相关模型建立与计算分析等,探索与研究疾病成因、疾病流行、疫情控制、疾病治疗、健康防疫的特征与规律。其中,人体环境,是指与人体生理与疾病、活动相关的围绕身体的微观空间环境;地理环境则是指宏观的、与人的疾病与健康相关的物理化学性地理环境、生物性地理环境、社会性地理环境。

    医学地理信息科学研究内容包括理论、技术与应用三个层次。在理论上,可以从人体环境、地理环境以及人地关系三个层面开展研究,具体包括:人体微观空间环境数字化与信息化方法,与疾病发生与传播相关的地理环境要素分析法,不同尺度下的传染病时空传播动力学机理,基于个体行为与群体社会关系网络的疾病传播机理,疾病传播的预测、预警与控制模拟原理与方法,医疗资源与防疫措施的时空布局与优化方法等。在技术上,包括遥感监测与空间定位服务技术,地统计学与空间分析,多智能体模拟技术,社会网络分析技术,可视化与制图技术,疾病综合数据库与共享服务技术等;在应用上,包括疾病地理、健康地理、环境医学等。

    应该指出,同样地,关于地理(空间)信息技术在公共卫生领域的应用相关研究领域,也存在有健康 GIS(Health GIS),公共卫生GIS(Health GIS),以及遥感技术在公共卫生中应用,“3S,即遥感(RS)、地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)”技术在流行病学应用等概念与研究方向,但是,上述概念都是侧重于某一/某几方面的空间信息技术(如或遥感、或 GIS 等)以及疾病、健康、卫生资源分配、污染环境等的某一方面,都不能全部概括广泛的研究内容与应用现状。KamelBoulos et al.(2001)则从包括测绘、“3S”等综合空间信息技术应用于公共卫生的角度,阐述了公共卫生地学信息学(Health Geomatics)。与上述相关概念基本理念不同,本文提出的医学地理信息科学概念,主要研究面向疾病与健康问题的地理信息科学,是希望建立一个包括理论、方法、与应用的一个完整医学地理信息科学学科,如此,该学科不仅仅是关于地理信息技术(包括遥感、GIS、基于位置的空间信息服务、数字地球与虚拟地理环境等)在公共卫生领域中的应用,而更高的目标是推动医学与地理信息科学、地理科学的多学科双向互动、交叉与共同发展。

    3. 地理信息技术在医学地理学中的应用现状

    基于现代信息技术的医学地理学,离不开数据获取、数据整理与组织、数据分析、因素关联分析、建模与模型计算、措施模拟与评估、信息表达与发布等,图 2 表示了医学地理学的信息以及信息流研究与分析视角。随着地理(空间)信息技术的发展,综合运用遥感信息提取、地理信息系统的时空制图与空间分析、多维信息可视化、计算机模拟等数据分析与表达方法,能够快速、全面地探索、发现、监测与人类健康、疾病相关的环境因素。


图 2 医学地理学的信息与信息流研究视角

    其中“3S”技术在疾病预防控制研究领域得到了广泛的应用,并主要集中在对自然疫源性疾病、地球化学性疾病和环境污染所致疾病等的本底调查、监测与控制、流行机理分析、预测预警等(Wilkinson and Tanser, 1999 )( Beck et al., 1995 )(Dister et al., 1997)(张健钦,2006)(钟少波,2006)。此外,在医疗、卫生保健等方面,地理信息系统和位置服务信息技术为医疗资源配置、医院信息化以及医疗护理等提供了新的管理技术和解决方案。下面从信获取技术、信息集成组织管理与数据库技术、空间分析、可视化制图、信息系统与服务等的信息论角度阐述地理信息技术在医学地理学中的研究、应用状况。

    3.1 信息获取技术

    组织大量人力进行野外考察,是传染病、流行病学科的重要数据来源,这种依靠人工的方法耗资耗时巨大,但是经过周密组织和计划,可以确保资料的准确可靠。通过GPS 和移动 GIS 技术在野外考察的应用,可以大大提高野外考察数据采集的精度和效率。此外,遥感遥测技术由于能够对地表环境进行大面积同步连续监测,突破了以往从局部地表研究生态环境的局限性,也已成为传染病监测信息获取的有效手段。另一方面,建立医疗定点观察站和疾病数据上报是确保疾病数据及时更新的重要途径,采用GIS分析方法可对医疗定点观察站的分布做更好的布设,而网络技术包括无线网络技术的应用,则为疾病数据的即时上报提供了传输支持。

    3.1.1 GPS 技术和移动 GIS 技术

    信息与遥感信息结合,有助于遥感信息提取在实时传染病数据采集方面,流行病学个案调查、宿主与媒介调查,受到广泛的重视。在传统的传染病数据野外采集基础上,全球定位技术、移动 GIS 技术、无线网络技术使数据采集更加快捷准确。宾夕法尼亚西尼罗河病毒监控项目就利用基于 PDA 的移动 GIS 技术实现对野生鸟类血样的数据采集、编辑和远程传输(ESRI 中国(北京)有限公司,2006)。David Wilkinson et al.(1999)利用 GIS/GPS 等技术,在非洲地区调查增加的肺结核社区治疗工作者和志愿者的分布情况,同时对其覆盖效果进行了评估。中国科学院遥感所宫鹏研究员,从 1994年开始与四川省寄生虫病研究所进行合作,在四川西昌安宁河流域及长丘山区,利用先进全球定位系统等空间数据采集设备对钉螺孳生范围进行数据采集,对人群疫水接触点进行定位(杨长虹 等,2003)。中国科学院遥感所龚建华研究员与军事医学科学院曹务春研究员团队合作,联合研制了基于PDA 和手机的传染病数据野外调查及地理信息服务系统,在出血热的鼠类调查和汶川地震灾后公共卫生保障起到了重要作用(Zhang Lihui et al.,2008)(Zhou Jieping etal.,2009)。

    3.1.2 遥感技术

    传染病发生与流行时段的区域地理生态环境遥感动态监测以及与传染病相关环境要素的遥感信息实时提取,可为传染病传播的相关环境因素分析建立基础。同时,传染病地理生态环境多要素的遥感动态分析,可用于传染病景观类型分类,并以此评估疫源区传染病发生的危险概率,并提前进行预报预警。1971 年,NASA 与 NOMCD(New Orleans Mosquito Control District)合作,研究彩色与彩红外航空摄影用于与蚊子栖息地有关的植被研究(Washino and Wood,1994)其对新奥尔良的实验区进行研究的结果显示了很高的识别率,这拉开了遥感在流行病研究的序幕。1998 年 ,NASA 的CHAART ( National Aeronautics and Space Administration’s Center for Health Applications of Aerospace Related Technologies ) 总结并规划了用于卫生研究数据获取的星载传感器系统和各种基于遥感的疾病传播风险模型(Beck,2000)。在我国遥感和 GIS 技术也广泛用于在疟疾、血吸虫、鼠疫等的监测与防治研究,取得了一些有益的结果。杨国静、周晓农等(2002)应用 NOAA-AVHRR 卫星资料获取 NDVI值,将其与全国气象站和江苏省疟疾监测点的气象资料以及疟疾发病率资料对比,进行相关分析和疟疾流行区域预测分析。徐冰、宫鹏等(Xu et al.,2004)利用高分辨率卫星数据(IKONOS)对血吸虫中间宿主钉螺的孳生地环境进行了定量划分,对钉螺密度进行了遥感预测并取得较高的吻合率。杨红,方立群等(2003)利用 TM 遥感影像与北京市海淀区肾综合征出血热病例进行对比分析,发现病例高发区位于北京水稻种植区之一的京密引水渠西山段及沙河水库上游的庄稼种植区,探讨疾病流行与地理环境的特殊关联性。

    3.2 信息集成、组织管理与数据库技术

    地理信息技术区别于一般信息技术的关键在于其处理空间相关数据的能力,而大量医疗卫生信息,如传染病的发生与流行、地方病的分布及病因、医疗卫生机构的分布等都与空间信息密切相关,这种空间相关特点成为在医学领域应用的前提。由于 GIS 可以通过空间关系(地理坐标)将疾病、媒介宿主的分布与地理环境要素连接起来,进行交互显示和分析,并为进一步的统计分析提供基础,因而为研究地理、环境与疾病之间的关系提供了分析平台。在卫生部和国家CDC 的组织协调下,我国重要传染病(如鼠疫、血吸虫病、HFRS 等)都建立了监测点,为卫生决策部门监控了解各地的流行状况提供了基础数据,相应的空间数据库也逐渐建立和完善(周晓农,2003)(柄国静等,2002)(王伟明等,2005)(吴海霞等,2007)。另一方面,在临床医学、医院信息化建设和医疗机构选址方面,地理信息系统在空间空间数据组织管理的优越性,已逐渐成为一个医疗信息数据集成、组织管理的新手段。美国南加利福尼亚的 Loma Linda 大学医疗中心利用 ArcGIS 对医院楼层布局、实时病人数据进行了数据库建设和可视化表达,开发了医院病人安置和治疗监测系统,帮助医护人员监测和管理病房、床位以及病人的信息(ESRI 中国(北京)有限公司,2006)。冯丹等(2007)基于地理信息系统建立了北京市某三甲医院病人来源地,包括在北京分布以及在全国分布情况的数据库,帮助医院了解病源空间格局以更好开展医院市场运营。

    3.3 空间分析

    人类疾病的发生与其所处的生活环境是密切相关的,由于 GIS 可以通过空间关系(地理坐标)将原本分散、孤立的疾病、媒介宿主的分布与地理环境要素连接起来进行交互显示与集成处理,而且其独特的空间叠加分析、位置分析、缓冲区分析以及空间关系处理等功能有利于相关因素联合分析,因而为研究地理、环境与疾病之间的关系提供了分析平台。空间数据探索分析方法在医学领域的应用,最早起源于 1853 年伦敦霍乱疾病的爆发与控制,这已成为地理环境与疾病联合进行空间数据分析的经典案例。随着信息技术的发展,综合运用遥感信息提取技术、基于地理信息系统的时空制图与空间分析、多维信息可视化等数据分析与表达方法,来探索传染病的发生与流行、地方病的分布及病因、医疗卫生机构的分布与空间信息的相互关系,正逐渐成为医学领域的研究热点。美国医学地理学家 May(1977)将医学地理研究的环境计划分为物理性、生物性和社会性三大类别,从这个角度医学地理学中空间分析方法可分为:物理化学性地理环境与健康的关系、生物性地理环境与传染病的关系、社会性地理环境与疾病及医疗的关系。

    3.3.1 物理化学性地理环境与健康的关系

    医学地理学最早是由于对某些具有地区性特征的疾病进行调查研究而开展起来的,这些疾病往往与当地的物理化学性地理环境相关,采用地理信息技术对这些疾病和地理环境要素进行联合,寻找病因从而就有可能控制病源以达到防治疾病的目的。1984年 Sheppard et al.(1999)通过大量实地调查,应用 GIS 分析以确定少数民族和低收人群是否受到空气污染的威胁,分析结果提供了有毒化学物质产生的环境污染对少数民族、穷人和儿童的威胁的初步估计,发展并使用了一种地理随机方法用于这些结果意义的评价。Cech et al. (2000)在美国德克萨斯州用 GIS 研究该地区居民出现的神经一关节障碍和认知缺陷为主要症状的疾病与铝中毒的相互关系。 Njemanze etal.(1999)使用 GIS 技术和风险分析评价水源对健康的影响,分析贫穷的发展中国家婴儿腹泻问题与当地水源的地理、水质、人口及环境污染的相关情况。Valjus etal.(1995)应用 GIS 测量芬兰国内住宅与周围高压电线之间的距离,从而估计居民在 110~400kV的电线所产生磁场中的暴露情况与罹患癌症的关系。

    3.3.2 生物性地理环境与传染病的关系

    自从上世纪 90 年代,RS 和 GIS 被广泛应用于血吸虫病、莱姆病、疟疾、丝虫病、登革热、锥虫病等多种与地理环境相关的自然疫源性疾病及媒介传染病流行病学的研究。在美国 Munch etal.(2003)利用 GIS对 Cape Town 的几个郊区结核病流行的各种因素和传播区进行调查研究,结合基于点结构和空间统计的数据关联性分析方法,得出结核病与失业、贫穷具有高相关性。Bavia etal.(1999)在巴西的巴依尔省的 30 个区建立了血吸虫病 GIS 系统,并分析了血吸虫感染空间动力学和影响血吸虫病分布的环境因素,发现人口密度和旱季时间与血吸虫病的分布有关。我国也很早就注意到了遥感和GIS 在公共卫生研究领域的巨大潜力,许多研究者在这方面都多了大量的工作,取得了突破性的成就。周晓农等(1998,1999)应用 GIS 数据空间分折和地图叠加分折,显示血吸虫传播指数(指数值大于 900)的分布基本上与中国南部地区的血吸虫病流行区相吻合,并得出结论,血吸虫病的流行范围与温度、高程、雨量等因素密切相关,利用气象资料和卫星遥感资料对预测血吸虫病的潜在流行区具有可能。同时选用地理信息系统和遥感技术建立气象一水文平衡数学模型对中国南京和江苏省周围地区血吸虫病流行进行了预测,并在洪水后利用 TM 遥感影像监测江滩变化以了解钉螺草生地的变化。

    杨美霞等(2002)从感染血吸虫病的暴露方式进行洪涝灾害期间血吸虫病流行区居民接触疫水的定量研究。方立群、曹春香等(2005)利用地理信息系统对中国大陆高致病性禽流感的空间分布和相关环境要素进行了分析。

    3.3.2 社会性地理环境与疾病及医疗的关系

    由于传染病是人与人接触或人与动物接触形成传播链,造成疾病在人群中的传播与流行,而当地的医疗水平也会对疾病的流行造成一定的影响。因此疾病与社会性地理环境,包括人口密度、人群居住情况、人与动物关系、人群收入水平、人群医疗情况等有很大关系。赵清秀等(2003)通过对吉林大学患者和健康对照组从家庭状况,生活水平,生活习惯,周边环境等结核病的防治常识水平进行对比,分析影响结核病的相关因素,为高校预防结核病提供参考。王劲峰等(2005)采用探索性空间分析方法,对 2003年北京市SARS病例数据进行了空间聚类分析,发现 SARS 疾病病例与北京城市布局与人口分布以及流动有很大的相关性。对于人群疾病发生的规律认识或者疾病成因的分析,其最终目的是人群疾病的预防与干预。

    一般情况下,人群中发生疾病的监测与干预存在长期性等特点,而医疗设施等医疗资源不能够满足充分干预和治疗的目的,由此也就产生了针对人群疾病空间分布和风险人群分布进行医疗资源空间优化配置等问题。

    如 Vincent etal.(2001)对于健康服务空间分布的均衡性进行了讨论,指出疾病发病区之间均衡配置医疗资源具有重要意义;国内王远飞(2006)等利用 GIS 技术,研究医疗服务设施的地理可达性分析。这些研究均提出了医疗资源优化配置的问题。

    3.4 医学地理模拟分析

    由于传染病具有时空传播流行特征,利用空间信息技术对传染病传播机理进行研究已被大多数流行病学领域的专家所认同。

    目前的基于空间信息技术的传染病传播时空模型研究,大部分在一个比较宏观尺度上对整个传染病数据进行的统计分析或者统计模拟实验。如李仲来等(2003)利用非线性增长模型 SI 和分段 SI 模型对北京 SARS累计病例进行了预测。在动力学模型分析方面,杨华等(2003)应用 GIS 与空间分析技术,得出 SARS 在空间上表现出明显的沿铁路交通线的“飞点”跳跃式传播特点。宫鹏等(2006)利用采用遥感和地理信息技术建立了血吸虫病时空动态概念模型,并在西昌郊区血吸虫病流行区进行了模拟实验。龚建华等(2004)(2006)结合多智能体与虚拟地理环境技术,以虚拟地理环境对一个社区的模拟,以及多智能体对人类行为活动的仿真,从 SARS 本身的传播机制入手,初步研究了 SARS 在微观地理环境如社区、医院等中的传播机理模拟(Zhou et al., 2008)。医学地理模拟分析不仅包括对传染病传播过程的模拟分析、医疗措施对疾病预防和治疗的模拟分析、也包括对医疗设施配置对疾病治疗影响的模拟与分析。例如,美国南卡罗来纳州 Kaiser Permanente 的规划人员,利用GIS 分析方法,对新医疗中心以及特殊医疗设施的规划进行模拟,分析其位置、数量是否合理以便市民获得更好的社区医疗服务(ESRI 中国(北京)有限公司,2006)。

    3.5 可视化制图

    一幅好的医学地理图具有直观性、综合性、整体性、精确性的特点,许多宝贵的信息资料可以一目了然地反映在地图上,尤其可反映出疾病的空间分布规律,从而有助于对疾病进行时空变化的逻辑思考和动态研究,它既能为病因研究和保健规划提供开拓性的整体化的知识系列,也能为区划,疗养,医学地理教育等服务。国外医疗地理健康制图开展较早。NASA 开发了泰国登革热的预警系统,调查模块通过新的病例数据和长期的平均病例数据比较,确定和历史条件相比的当前爆发可能性,生成泰国全国的疾病风险图(Derek et al., 2004)。 Etien et al.(2004)采用地理制图和自组织神经网络方法,对人口统计和健康监测数据进行数据挖掘与知识发现。我国在 20 世纪七十年代开始医学地理制图,包括 1979 年编制的《中华人民共和国恶性肿瘤图集》(ChinaCancerAtlas,1979)、1985 年出版的《中华人民共和国血吸虫病地图集》(钱信忠,1987)、1989 年出版的《中华人民共和国地方病与环境图集》(CLDiseaseAtlas,1989)、2000 年出版的《中华人民共和国鼠疫与环境图集》(刘云鹏等,2000)等,比较全面地表述了中国传染病、地方病的地理分布特点和流行规律,引起了国内外学者的普遍关注和重视。近年来,地理信息技术的发展以及医学对疾病的认识进展,已使得医学地理制图的内容不断扩大效率大大提高。方立群等(2003)应用地理信息系统对中国肾综合征出血热与遥感因子 NDVI 的相关性进行了分析,并根据各监测点NDVI的差异对中国肾综合征出血热的危险区域分布情况进行了可视化制图。杨崇俊(2003)、龚建华等(2003a,2003b)等在 2003 年 SARS 疫情爆发期间,利用网络地理信息系统对SARS疫情分布情况进行了可视化制图,并在网络上进行发布,帮助公众快速准确得了解疫情分布及发展情况,起到了很好的社会效益。

    3.5 信息系统与信息服务

    国外发达国家以及世界卫生组织等支持的一些发展中国家,已开始利用计算机技术集成传染病、环境与卫生资源信息,通过联合分析,研究一些典型传染病与环境、社会因素的关系,并应用到传染病的监测、预测和控制。目前比较有代表性的传染病信息系统有:①世界卫生组织和联合国儿童基金会支持下建立的一些单病种的传染病信息系统,包括疟疾、盘尾丝虫病、几内亚蠕虫病、非洲锥虫病、艾滋病、肺结核、小儿麻痹症等;②美国 CDC 联合环境系统研究所(ESRI)建 立 的 公 共 卫 生 监 测 系 统 (Community Health Surveillance System ,CHSS );③2004年世界卫生组织正在欧洲建立“环境与健康信息系统”。近年来,我国也开始针对不同传染病建立传染病信息系统以及医疗卫生信息服务系统(韩光红等,2001,1999)(刘永孝,2007)(胡玉宁,2008),“国家突发公共卫生事件应急指挥中心与决策系统”也已经投入建设(JXCDC,2006)。从目前的传染病与健康信息系统可以看出,上述信息系统,虽然具体的实现方法有所不同,并且也在不断的完善之中,但在医学地理研究中利用 GIS 技术建立共同的空间基底,实现多种传染病、医疗、地理等数据的空间集成、联合分析以及信息服务,已经成为一种趋势。

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标签:医学地理
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