地理信息系統(tǒng)在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域應(yīng)用研究進展*

高 倩 王 勇 徐燎宇

(上海中醫(yī)藥大學(xué) 上海 201203) (上海市中醫(yī)文獻(xiàn)館 上海 200020)

1 引言

醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的許多數(shù)據(jù)大多與地理位置相關(guān)，如醫(yī)療機構(gòu)位置、疾病空間分布、環(huán)境污染來源等。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，與醫(yī)學(xué)相關(guān)的地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)應(yīng)運而生，對醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)空間分析大有裨益。近年來GIS越來越多地應(yīng)用于公共衛(wèi)生和健康領(lǐng)域，如中國重要自然疫源地地理信息系統(tǒng)[1]、中國重大傳染病疫情預(yù)警系統(tǒng)等。

2 地理信息系統(tǒng)概述

2.1 起源

一直以來紙質(zhì)地圖是描述、儲存和傳送空間信息的主要工具。20世紀(jì)50年代計算機的應(yīng)用極大提高人們工作效率，20世紀(jì)60年代為處理大量土地和環(huán)境數(shù)據(jù)，加拿大測量學(xué)家Tomlinson RF首次提出將常規(guī)地圖變成數(shù)字化地圖并存入計算機的想法，隨后世界第1個實用的地理信息系統(tǒng)即加拿大地理信息系統(tǒng)誕生[2]。之后GIS技術(shù)在多個領(lǐng)域得到發(fā)展和應(yīng)用，如交通衛(wèi)生、水利電力、醫(yī)療衛(wèi)生、資源管理等。

2.2 概念

GIS根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域不同其概念也不同?？偟膩碚f，GIS是以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，在計算機軟硬件支持下對空間相關(guān)數(shù)據(jù)進行采集、管理、操作、分析、模擬和顯示，采用地理模型分析方法，提供多種空間和動態(tài)的地理信息，為地理研究和決策服務(wù)的計算機技術(shù)系統(tǒng)。近幾年GIS在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛并得到重視。2003年美國國家醫(yī)學(xué)圖書館將地理信息系統(tǒng)加入到醫(yī)學(xué)主題詞(MeSH)表中，反映出在衛(wèi)生與衛(wèi)生保健研究和實踐中GIS重要性及其應(yīng)用廣泛性[3]。

2.3 組成

包括3個部分：數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)單元轉(zhuǎn)換(包括數(shù)據(jù)查詢和分析)以及數(shù)據(jù)輸出[4]。GIS數(shù)據(jù)可分為空間和屬性數(shù)據(jù)兩大類。空間數(shù)據(jù)又稱地圖數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)、空間信息，描述的是地理空間實體位置、大小、形狀、方向等幾何特征，以及與相鄰物體的拓?fù)潢P(guān)系，由點、線、面組成，如地圖、工程圖、規(guī)劃圖、航空與遙感影像等。屬性數(shù)據(jù)也稱屬性信息，是定義空間數(shù)據(jù)或特征所表示的內(nèi)容，描述該空間現(xiàn)象的其他特征，如地形地貌、溫濕度、降雨量、土地利用、居住人口、動植物種類及其密度等。

3 地理信息系統(tǒng)功能

3.1 數(shù)據(jù)采集

對空間和屬性數(shù)據(jù)進行采集?？臻g數(shù)據(jù)指圖形實體數(shù)據(jù)，最初的來源是紙質(zhì)資料的數(shù)字化和大地資料的實地測量，后來遙感和航空攝影設(shè)備發(fā)展提供新的獲取數(shù)據(jù)方法[5]。屬性數(shù)據(jù)指圖形實體特征數(shù)據(jù)，一般采用鍵盤或者終端輸入。

3.2 處理和存儲

核對、糾正和編輯數(shù)據(jù)，去掉轉(zhuǎn)換中的錯誤數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)以恰當(dāng)形式存儲于數(shù)據(jù)庫中，方便查詢和分析。

3.3 制圖顯示

GIS地理環(huán)境仿真制作系統(tǒng)允許用戶從數(shù)據(jù)庫中摘選必要的素材，如空間特征和屬性，在屏幕或其他設(shè)備上快速生成仿真圖。

3.4 空間查詢與分析

GIS核心功能，也是與其他計算機系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別。GIS既可以進行空間圖形與屬性的雙向查詢，即根據(jù)空間圖形查詢其有關(guān)屬性，又可根據(jù)屬性特征查詢到空間圖形。流行病學(xué)專家在分析位置、環(huán)境和疾病之間的關(guān)系時一般以地圖為工具，而GIS的空間分析和顯示功能十分適宜。用戶能夠根據(jù)需要建立應(yīng)用分析模式，通過動態(tài)分析為評價、管理和決策服務(wù)。這種分析功能可以在系統(tǒng)運算功能支持下建立專門分析軟件實現(xiàn)，如統(tǒng)計、緩沖、疊加、網(wǎng)格、決策分析等[6]。

4 地理信息系統(tǒng)在公共衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用

4.1 概述

將地圖應(yīng)用于疾病研究中早有歷史記載，1854年倫敦霍亂暴發(fā)時John Snow利用地圖演示霍亂與污染水源在空間分布上的密切關(guān)系，了解霍亂源頭和感染分布情況，以此為基礎(chǔ)采取措施，有效防止霍亂大范圍傳播[7]。公共衛(wèi)生領(lǐng)域大量數(shù)據(jù)具有空間分布特點。GIS正是利用空間數(shù)據(jù)，有效反映疾病空間分布特征，可用于疾病地理空間信息的研究。目前GIS已被廣泛應(yīng)用于各種與地理因素高度相關(guān)的傳染病、非傳染性疾病、環(huán)境衛(wèi)生和突發(fā)公共衛(wèi)生事件等研究中，取得顯著成效。

4.2 傳染性疾病

4.2.1 概述 隨著經(jīng)濟快速增長，科技不斷進步，GIS應(yīng)用已成為傳染病控制的主要手段之一。應(yīng)用GIS的傳染病包括：蟲媒傳播傳染病(鼠疫、血吸蟲病、腎綜合征出血熱等)；性傳播性疾病(艾滋病、淋病等)；水傳播性疾病(甲型病毒性肝炎、細(xì)菌性痢疾等)；經(jīng)空氣飛沫傳播疾病(流行性感冒等)。

4.2.2 鼠疫 一種自然疫源性疾病,具有明顯的區(qū)域性、季節(jié)性和年際流行強度變化等特點,與地理環(huán)境有著極為密切的關(guān)系。吳海霞等[8]利用GIS建立鼠疫宿主動物密度和感染率的監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，對鼠疫起到防控作用。鄭秋云等[9]通過收集廣西鼠疫疫情、鼠疫監(jiān)測、地理、氣象和人口等資料，建立廣西鼠疫流行病學(xué)GIS數(shù)據(jù)庫并制作鼠疫專題地圖，對可能發(fā)生鼠疫流行的地區(qū)進行初步風(fēng)險評估，達(dá)到對鼠疫疫情預(yù)測、預(yù)報的目的。唐新元等[10]利用青海省鼠疫防治 GIS 軟件，探討青海省人間鼠疫的空間分布特征及流行趨勢，為衛(wèi)生等相關(guān)部門的防治、監(jiān)測提供有效科學(xué)依據(jù)。

4.2.3 瘧疾 一種嚴(yán)重危害人體健康的傳染性疾病。瘧疾的自然傳播媒介是按蚊，蚊媒是瘧疾流行的必要條件，蚊媒的存在、孳生繁殖及其消長均與自然地理、生態(tài)環(huán)境、氣象條件等存在密切關(guān)系[11]。田文強[12]應(yīng)用GIS，根據(jù)氣候因素與瘧疾傳播相關(guān)分析，建立氣候因素多元回歸方程模型預(yù)測瘧疾發(fā)病率。在其研究的各項氣候因子中濕度是影響瘧疾傳播的主要因素，引入的綜合性氣候-環(huán)境因子-土壤濕度比單純降雨量分析更有優(yōu)勢，該模型可在地理條件相似的較大范圍內(nèi)應(yīng)用，能定量預(yù)測全球氣候變暖對當(dāng)?shù)丿懠矀鞑サ挠绊?。劉永孝[13]收集1950-2005年瘧疾發(fā)病資料，建立瘧疾發(fā)病GIS模型，揭示安徽省瘧疾發(fā)病地理分布特征，提示此后幾年可能持續(xù)出現(xiàn)的高發(fā)地區(qū)，為瘧疾防治工作提供依據(jù)。印度開發(fā)控制城市瘧疾的GIS，證實以GIS為基礎(chǔ)的地理信息管理系統(tǒng)可以在瘧疾暴發(fā)的情況下迅速做出暴發(fā)原因、特殊帶菌者、最可能的人類傳染源等相關(guān)判斷，為有關(guān)部門預(yù)防及控制疾病蔓延提供輔助決策[14]。

4.2.4 艾滋病 傳播速度快、病死率極高，目前尚無特效預(yù)防、治愈藥物，其防控已成為衛(wèi)生工作者的重要工作之一。錢莎莎等[15]收集我國截至2011年底艾滋病病毒感染者或患者病例分布情況，利用GIS空間分析技術(shù)，從時空角度分析我國歷年艾滋病發(fā)生和聚集情況，對疾病流行區(qū)劃分和合理配置資源有重要意義。李亞超等[16]通過GIS技術(shù)對重慶市艾滋病空間分布和流行情況進行分析，結(jié)果表明該市艾滋病新發(fā)感染率存在聚集性，主要聚集在市區(qū)和以市區(qū)為中心的江北縣、銅梁縣、璧山縣等，為評估疾病風(fēng)險、確定重點防治區(qū)域、合理配置衛(wèi)生資源、制定正確衛(wèi)生政策提供參考依據(jù)。Tanser等[17]按照非洲某城市地區(qū)診所覆蓋范圍劃分，對懷孕婦女進行艾滋病病毒檢測、調(diào)查，用GIS分析發(fā)現(xiàn)此地區(qū)HIV感染與離1、2類主干道的遠(yuǎn)近密切相關(guān)。

4.2.5 血吸蟲病 一種與生物、環(huán)境和社會經(jīng)濟因素密切相關(guān)的疾病。及時了解和掌握血吸蟲病流行因素和疫情變化是有效預(yù)防和控制血吸蟲病的基礎(chǔ)和前提。周曉農(nóng)等[18]應(yīng)用GIS模型來預(yù)測不同地區(qū)血吸蟲病流行程度的可能性和正確性，對18個氣象觀察點資料進行分析，結(jié)果顯示所有血吸蟲病流行區(qū)觀察點傳播指數(shù)值均在900以上?？臻g分析所得的血吸蟲傳播區(qū)域分布圖與江蘇省血吸蟲病流行區(qū)相吻合，可劃分出不同區(qū)域的流行強度，AVHHR衛(wèi)星圖片疊加分析后得出不同區(qū)域和季節(jié)的流行強度預(yù)測圖，預(yù)測總正確率為88.89%。汪天平等[19]將GIS技術(shù)應(yīng)用于江蘇、安徽和江西省血吸蟲病流行預(yù)測，發(fā)現(xiàn)GIS技術(shù)可以作為血吸蟲病分布、流行強度的監(jiān)測和預(yù)測工具。

4.3 慢性非傳染性疾病

4.3.1 概述 慢性非傳染病性疾病(如心、腦血管疾病、癌癥等)受遺傳、年齡、不良生活方式、氣候、環(huán)境污染等多方面因素影響。慢性病及其影響因素在不同地區(qū)的分布存在差異。近年來GIS技術(shù)的應(yīng)用逐步由傳染性疾病拓展到慢性病研究中。

4.3.2 腫瘤 發(fā)病原因與諸多因素有關(guān)，如遺傳、不良生活方式、生活環(huán)境和氣候等。開展腫瘤流行病學(xué)調(diào)查研究的方法很多，GIS處理復(fù)雜地形圖和強大的空間數(shù)據(jù)分析功能可以用來確定流行疾病發(fā)生地點，分析流行疾病與周圍環(huán)境的內(nèi)在聯(lián)系，確切描述腫瘤流行的地理分布特征，探尋疾病與環(huán)境危險因素之間的關(guān)系[20]。吳庫生等[21]基于GIS技術(shù)探討廣東省食管癌(Esophageal Cancer，EC)死亡率地理分布特征及與氣候等地理環(huán)境因素之間的關(guān)系。結(jié)果顯示廣東省EC有明顯的地區(qū)聚集性，EC死亡率與多項氣候因素、植被指數(shù)及海拔高度具有相關(guān)性。陸應(yīng)昶等[22]探討肺癌死亡和大氣污染程度之間的關(guān)系，收集江蘇省1996-1998年間肺癌死亡資料和同期空氣質(zhì)量資料，利用GIS空間預(yù)測功能分別繪制江蘇省肺癌死亡和大氣污染情況空間地理分布圖，發(fā)現(xiàn)在大氣污染嚴(yán)重地區(qū)肺癌死亡率較高，表明控制大氣污染是減少肺癌死亡的一項重要干預(yù)措施。

4.3.3 糖尿病 當(dāng)前威脅人類健康最嚴(yán)重的慢性病之一，嚴(yán)重影響人們生活質(zhì)量。研究其患病空間分布特征和影響因素對防控糖尿病有重要意義。程文煒等[23]利用GIS技術(shù)研究我國45歲及以上中老年人糖尿病患病空間分布狀況及主要影響因素。結(jié)果顯示我國糖尿病患病率主要集中在北部(天津市和河北省)，高學(xué)歷人群比重、超重率、高C反應(yīng)蛋白率為糖尿病患病主要影響因素。熱伊拉·吾斯曼等[24]基于GIS技術(shù)采用新疆某三甲醫(yī)院糖尿病病例分析其空間分布并繪制可視化地理分布圖。得出烏魯木齊地區(qū)糖尿病患者最多，和田、喀什、塔城地區(qū)也有較高的患病人數(shù)，為新疆地區(qū)糖尿病防治工作提供直觀、可靠的依據(jù)。

4.4 中藥資源

涉及的空間數(shù)據(jù)巨大，包括地形、地勢、地貌、氣候、水文、土壤、植被覆蓋、社會經(jīng)濟條件等，數(shù)據(jù)處理和分析困難較大，運用GIS技術(shù)對中藥資源研究有重要意義。用傳統(tǒng)調(diào)查方法調(diào)研中藥資源分布和蘊藏量費時費力，應(yīng)用GIS技術(shù)可提高效率和精確度，如江源等[25]基于GIS與群落調(diào)查統(tǒng)計方法實現(xiàn)對北京市野生北柴胡資源蘊藏量測算。中藥材適宜區(qū)的劃分對于藥材引種和擴種，開發(fā)和保護瀕危藥材物種，促進中藥材資源可持續(xù)利用有非常重要的意義，如孫成忠等[26]基于GIS開發(fā)出中藥材產(chǎn)地適宜性分析地理信息系統(tǒng)，根據(jù)相似程度等級來確定藥材適宜產(chǎn)地，從而確定中藥材品種的適宜性數(shù)值區(qū)劃。

4.5 突發(fā)公共衛(wèi)生事件

GIS可以預(yù)存地區(qū)人口構(gòu)成、氣候環(huán)境、水文地形地貌等信息，在突發(fā)公共衛(wèi)生事件發(fā)生后，GIS地圖顯示功能使研究者迅速掌握事件發(fā)展情況，從而及時做出有效決策。馬衛(wèi)東等[27]提出發(fā)揮GIS特點，為核事故提供醫(yī)學(xué)應(yīng)急服務(wù)，有助于合理分配應(yīng)急資源，使應(yīng)急響應(yīng)決策更科學(xué)、快速、有效。王海波[28]分析居家老人突發(fā)疾病監(jiān)測與突發(fā)事故應(yīng)急輔助決策問題，提出基于 GIS 與遺傳算法的老年人突發(fā)疾病應(yīng)急快速送醫(yī)模型，提高老年人突發(fā)疾病診斷效率和預(yù)警時效。

4.6 衛(wèi)生資源配置

公共衛(wèi)生資源各地供需不同，具有一定空間分布特征。GIS不僅可用于醫(yī)療資源空間分布評價，還可以結(jié)合相應(yīng)模型進行醫(yī)療資源分布空間優(yōu)化[29]?？椎卵蟮萚30]運用技術(shù)定量分析長春市醫(yī)療設(shè)施布局，基于空間緩沖區(qū)分析方法研究綜合性醫(yī)院的服務(wù)半徑及服務(wù)面積率，提出醫(yī)療設(shè)施布局優(yōu)化建議。研究發(fā)現(xiàn)長春市中心城區(qū)內(nèi)的綜合性醫(yī)院布置較集中且空間分布不合理。建議將城區(qū)中心醫(yī)院向周邊遷移一部分，減少醫(yī)療設(shè)施過度集中造成的浪費；在周邊區(qū)域建設(shè)綜合性醫(yī)院，解決醫(yī)療資源不足的問題。

5 結(jié)語

地理信息系統(tǒng)在公共衛(wèi)生領(lǐng)域應(yīng)用取得一定成效，具有良好的發(fā)展態(tài)勢和應(yīng)用前景。目前GIS已經(jīng)用于流行病預(yù)防控制、疾病監(jiān)測、中藥資源研究、突發(fā)公共衛(wèi)生事件、衛(wèi)生資源配置等方面，為科學(xué)決策提供有力依據(jù)，有助于促進地區(qū)衛(wèi)生事業(yè)進步和可持續(xù)發(fā)展。但我國GIS應(yīng)用尚處于起步階段，有待加強。建立GIS需要大量數(shù)字或電子地圖及其屬性信息庫，此類數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范尚不統(tǒng)一，且衛(wèi)生部門之間的衛(wèi)生管理資料共享不足。隨著信息技術(shù)發(fā)展及其與衛(wèi)生專業(yè)知識的深度結(jié)合，相信GIS技術(shù)在公共衛(wèi)生和健康領(lǐng)域的應(yīng)用會越來越完善。