基于R語言應用矩陣計算半定量食物頻率問卷的營養素攝入量*

西安交通大學醫學部公共衛生學院流行病與衛生統計教研室（710061）

米白冰 屈鵬飛 程 悅 黨少農△ 裴磊磊 顏 虹△

基于R語言應用矩陣計算半定量食物頻率問卷的營養素攝入量*

西安交通大學醫學部公共衛生學院流行病與衛生統計教研室（710061）

米白冰 屈鵬飛 程 悅 黨少農△裴磊磊 顏 虹△

目前常用的膳食調查方法可以分為前瞻性和回顧性調查方法兩大類，實際營養流行病學調查中多以回顧性調查方法評估人群膳食攝入，其中尤以半定量食物頻率問卷法在實際工作中應用較為廣泛［1-4］。實踐中，研究者多使用營養計算器、excel、SPSS、stata等軟件計算膳食營養成分，但上述軟件應用到大規模人群調查的膳食營養素數據處理時仍有頗多掣肘之處，使用不便［3，5-6］。本文將基于矩陣運算思想，利用 R語言的矩陣運算功能編制營養素計算程序，展示其在膳食營養素成分計算的應用，突出體現其便捷、高效、精確的特點，供相關研究人員在今后使用半定量食物頻率問卷時權作參考。

對象與方法

1.研究對象

（1）調查人群膳食數據庫

數據來源于2013年7月至11月在陜西省30個縣進行的出生缺陷現況及其危險因素橫斷面調查。采用橫斷面調查設計，分層多階段隨機抽樣方法進行抽樣，根據城鄉比例，并考慮人口密集度和生育水平，隨機抽取10個城區和20個縣。在抽樣縣中隨機抽取6個鄉（城區為3個街道），從每個鄉隨機抽取6個村（城區為6個社區），每個村隨機調查30名（社區為60名）在2010-2013年間曾經懷孕的婦女，在這些婦女中隨機抽取個體完成半定量膳食頻率問卷，該膳食問卷收集了102種食物的食用頻率及分量的數據。膳食問卷審核無誤后，經Epidata3.1建立數據庫，采用雙盲錄入法進行數據錄入和整理。選取其中2000份半定量膳食頻率問卷作為訓練集進行方法演示。

（2）食物成分表數據庫

以《中國食物成分表（2004版）》，《中國食物成分表（2002版）》為準，經Epidata3.1建立數據庫，采取雙盲錄入法進行數據錄入，制作中國食物成分表數據庫。選取本次膳食問卷詢問到的有關食物單獨提取建立食物成分表數據庫，包含102種食物的25項膳食成分，數據庫結構如表2。

表1 調查人群膳食數據庫樣例

表2 食物成分表數據庫樣例

2.研究方法

若A為m×n矩陣，B為n×p矩陣，則他們的一般矩陣乘積A×B會是一個m×p的矩陣C。其中元素的計算公式如下：

另有，給定兩個的矩陣，其阿達馬乘積標記為A·B。則有

運用矩陣運算的思想觀察上述兩個數據庫的結構特點，可以發現具有明顯的規律性，膳食數據庫中fr1至fr102代表被調查者各類食物的食用頻率，wt1至wt102代表被調查者各類食物的單次食用分量。食物成分數據庫中，25個變量則為該食物的對應的25種營養素成分。則可以將膳食數據庫構建為兩個矩陣，分別為7424行102列的食用頻率矩陣FR和單次食用分量矩陣WT；同時將食物成分數據庫構建為102行25列的食物成分矩陣FC。對每一例被調查者，其營養素攝入量的計算公式如下：

某一營養素攝入總量

＝fr1×wt1×食物1中該營養素含量+fr2×wt2

×食物2中該營養素含量+…+fr102×wt102

×食物102中該營養素含量

則計算整個調查人群的營養素攝入量，可以抽象為計算一個7424行25列的矩陣PF，具體計算過程如下

如上式，可以看到，靈活運用矩陣思想將繁瑣的計算過程抽象為簡單的矩陣計算式。而R語言強大的矩陣運算過程讓上述計算實現起來較為簡單［7］。下面我們就具體討論計算過程的R語言實現。

程序及結果

1.生成擬計算的矩陣FR、WT、FC

#導入膳食FFQ問卷數據#

#建立主要膳食矩陣#

#拆分為膳食頻率和每日膳食量矩陣#

#導入營養成分數據#

#建立矩陣#

2.計算每日營養素攝入矩陣PF，并輸出數據集

#矩陣的點乘計算相關人群膳食攝入量#

#計算每日營養成分#

#數據導出#

3.計算結果

輸入上述命令后運行，生成的調查人群營養素攝入量數據集如表3所示。可以看到，所有被調查者的營養素攝入量已自動按成分列出，便于后續處理和分析。

表3 調查人群的營養素攝入量數據樣例

討 論

半定量食物頻率問卷已廣泛應用在營養流行病學調查中，用于了解人群的膳食營養素攝入情況，有助于探索營養素與健康的相互關系。然而在實際應用工作中，由于傳統營養計算器設計目標用戶多為醫院臨床營養科室，多用于個體的膳食指導等方面，計算營養素成分時需單個手工輸入調查者的數據并計算，雖具有操作簡單，使用方便的優點，但不能滿足用戶個性化需求，且難以修改數據庫。其面對數十份半定量食物頻率問卷時效率尚可，但在數千份問卷的數據分析時，會給數據錄入者造成極大的體力和腦力負擔，此時，其計算的準確性也不能保證。而有部分研究報道，使用SPSS、STATA等統計軟件編制宏程序計算膳食營養素，雖然免于手工單個數據的輸入和計算，但實際應用中發現，上述軟件的程序編制工作浩繁，動輒輸入數百行程序，醫學工作者的學習難度較大，不能廣泛推廣。

本文主要介紹了矩陣運算的思想，將傳統的線性計算過程轉換為矩陣的乘法運算過程，計算過程大為簡化，思路清晰，極易編程實現。在具體應用過程中，利用R語言的矩陣預算過程能簡潔快速地編制程序（全部計算程序不超過20行），計算過程全程自動化，避免了人為錄入數據時的差錯，且能夠選擇性提取特定食物、特定營養素成分分別進行計算，對膳食數據的計算具有高度的靈活性，具有極高的應用價值，值得在實際研究中推廣應用。

［1］鄒凌燕.大學生膳食營養及人體成分的研究.山東大學，2005.

［2］王小琴，顏虹，颯日娜.西安市50歲以上居民食物頻率問卷準確性及重現性研究.衛生研究，2009，38（3）：299-301.

［3］黨少農，顏虹，邢遠，等.育齡婦女血清葉酸及血紅蛋白水平調查.中國公共衛生，2009，（2）：134-136.

［4］束莉.孕期增重、新生兒出生體重的影響因素分析及與膳食關系的研究.安徽醫科大學，2010.

［5］胡慶慶.農村中老年人群食物營養素攝入情況及生活習慣調查分析.青島大學，2010.

［6］鄭艷澤，翟成凱，劉亞琪，等.Excel 2003在營養計算器中應用.中國公共衛生，2010，（4）：471.

［7］R Library：Matrices and matrix computations.http：／／www.ats.ucla.edu／stat／r／library／matrix_alg.htm.

國家自然科學基金（編號：81230016）

△通信作者：黨少農，E-mail：tjdshn＠mail.xjtu.edu.cn；顏虹，E-mail：xjtu_yh.paper＠aliyun.com

郭海強）