地理信息系統在醫療衛生領域應用研究進展*

高 倩 王 勇 徐燎宇

(上海中醫藥大學 上海 201203) (上海市中醫文獻館 上海 200020)

1 引言

醫學領域中的許多數據大多與地理位置相關，如醫療機構位置、疾病空間分布、環境污染來源等。隨著信息技術的發展，與醫學相關的地理信息系統(Geographic Information System，GIS)應運而生，對醫學數據空間分析大有裨益。近年來GIS越來越多地應用于公共衛生和健康領域，如中國重要自然疫源地地理信息系統[1]、中國重大傳染病疫情預警系統等。

2 地理信息系統概述

2.1 起源

一直以來紙質地圖是描述、儲存和傳送空間信息的主要工具。20世紀50年代計算機的應用極大提高人們工作效率，20世紀60年代為處理大量土地和環境數據，加拿大測量學家Tomlinson RF首次提出將常規地圖變成數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即加拿大地理信息系統誕生[2]。之后GIS技術在多個領域得到發展和應用，如交通衛生、水利電力、醫療衛生、資源管理等。

2.2 概念

GIS根據應用領域不同其概念也不同。總的來說，GIS是以地理空間數據庫為基礎，在計算機軟硬件支持下對空間相關數據進行采集、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的地理信息，為地理研究和決策服務的計算機技術系統。近幾年GIS在醫療衛生領域應用日益廣泛并得到重視。2003年美國國家醫學圖書館將地理信息系統加入到醫學主題詞(MeSH)表中，反映出在衛生與衛生保健研究和實踐中GIS重要性及其應用廣泛性[3]。

2.3 組成

包括3個部分：數據輸入、數據單元轉換(包括數據查詢和分析)以及數據輸出[4]。GIS數據可分為空間和屬性數據兩大類。空間數據又稱地圖數據、圖形數據、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撲關系，由點、線、面組成，如地圖、工程圖、規劃圖、航空與遙感影像等。屬性數據也稱屬性信息，是定義空間數據或特征所表示的內容，描述該空間現象的其他特征，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 地理信息系統功能

3.1 數據采集

對空間和屬性數據進行采集。空間數據指圖形實體數據，最初的來源是紙質資料的數字化和大地資料的實地測量，后來遙感和航空攝影設備發展提供新的獲取數據方法[5]。屬性數據指圖形實體特征數據，一般采用鍵盤或者終端輸入。

3.2 處理和存儲

核對、糾正和編輯數據，去掉轉換中的錯誤數據，將數據以恰當形式存儲于數據庫中，方便查詢和分析。

3.3 制圖顯示

GIS地理環境仿真制作系統允許用戶從數據庫中摘選必要的素材，如空間特征和屬性，在屏幕或其他設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的本質區別。GIS既可以進行空間圖形與屬性的雙向查詢，即根據空間圖形查詢其有關屬性，又可根據屬性特征查詢到空間圖形。流行病學專家在分析位置、環境和疾病之間的關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。用戶能夠根據需要建立應用分析模式，通過動態分析為評價、管理和決策服務。這種分析功能可以在系統運算功能支持下建立專門分析軟件實現，如統計、緩沖、疊加、網格、決策分析等[6]。

4 地理信息系統在公共衛生領域的應用

4.1 概述

將地圖應用于疾病研究中早有歷史記載，1854年倫敦霍亂暴發時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系，了解霍亂源頭和感染分布情況，以此為基礎采取措施，有效防止霍亂大范圍傳播[7]。公共衛生領域大量數據具有空間分布特點。GIS正是利用空間數據，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已被廣泛應用于各種與地理因素高度相關的傳染病、非傳染性疾病、環境衛生和突發公共衛生事件等研究中，取得顯著成效。

4.2 傳染性疾病

4.2.1 概述 隨著經濟快速增長，科技不斷進步，GIS應用已成為傳染病控制的主要手段之一。應用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、細菌性痢疾等)；經空氣飛沫傳播疾病(流行性感冒等)。

4.2.2 鼠疫 一種自然疫源性疾病,具有明顯的區域性、季節性和年際流行強度變化等特點,與地理環境有著極為密切的關系。吳海霞等[8]利用GIS建立鼠疫宿主動物密度和感染率的監測數據庫，對鼠疫起到防控作用。鄭秋云等[9]通過收集廣西鼠疫疫情、鼠疫監測、地理、氣象和人口等資料，建立廣西鼠疫流行病學GIS數據庫并制作鼠疫專題地圖，對可能發生鼠疫流行的地區進行初步風險評估，達到對鼠疫疫情預測、預報的目的。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，為衛生等相關部門的防治、監測提供有效科學依據。

4.2.3 瘧疾 一種嚴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、生態環境、氣象條件等存在密切關系[11]。田文強[12]應用GIS，根據氣候因素與瘧疾傳播相關分析，建立氣候因素多元回歸方程模型預測瘧疾發病率。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-環境因子-土壤濕度比單純降雨量分析更有優勢，該模型可在地理條件相似的較大范圍內應用，能定量預測全球氣候變暖對當地瘧疾傳播的影響。劉永孝[13]收集1950-2005年瘧疾發病資料，建立瘧疾發病GIS模型，揭示安徽省瘧疾發病地理分布特征，提示此后幾年可能持續出現的高發地區，為瘧疾防治工作提供依據。印度開發控制城市瘧疾的GIS，證實以GIS為基礎的地理信息管理系統可以在瘧疾暴發的情況下迅速做出暴發原因、特殊帶菌者、最可能的人類傳染源等相關判斷，為有關部門預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，目前尚無特效預防、治愈藥物，其防控已成為衛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，從時空角度分析我國歷年艾滋病發生和聚集情況，對疾病流行區劃分和合理配置資源有重要意義。李亞超等[16]通過GIS技術對重慶市艾滋病空間分布和流行情況進行分析，結果表明該市艾滋病新發感染率存在聚集性，主要聚集在市區和以市區為中心的江北縣、銅梁縣、璧山縣等，為評估疾病風險、確定重點防治區域、合理配置衛生資源、制定正確衛生政策提供參考依據。Tanser等[17]按照非洲某城市地區診所覆蓋范圍劃分，對懷孕婦女進行艾滋病病毒檢測、調查，用GIS分析發現此地區HIV感染與離1、2類主干道的遠近密切相關。

4.2.5 血吸蟲病 一種與生物、環境和社會經濟因素密切相關的疾病。及時了解和掌握血吸蟲病流行因素和疫情變化是有效預防和控制血吸蟲病的基礎和前提。周曉農等[18]應用GIS模型來預測不同地區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，結果顯示所有血吸蟲病流行區觀察點傳播指數值均在900以上。空間分析所得的血吸蟲傳播區域分布圖與江蘇省血吸蟲病流行區相吻合，可劃分出不同區域的流行強度，AVHHR衛星圖片疊加分析后得出不同區域和季節的流行強度預測圖，預測總正確率為88.89%。汪天平等[19]將GIS技術應用于江蘇、安徽和江西省血吸蟲病流行預測，發現GIS技術可以作為血吸蟲病分布、流行強度的監測和預測工具。

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的分布存在差異。近年來GIS技術的應用逐步由傳染性疾病拓展到慢性病研究中。

4.3.2 腫瘤 發病原因與諸多因素有關，如遺傳、不良生活方式、生活環境和氣候等。開展腫瘤流行病學調查研究的方法很多，GIS處理復雜地形圖和強大的空間數據分析功能可以用來確定流行疾病發生地點，分析流行疾病與周圍環境的內在聯系，確切描述腫瘤流行的地理分布特征，探尋疾病與環境危險因素之間的關系[20]。吳庫生等[21]基于GIS技術探討廣東省食管癌(Esophageal Cancer，EC)死亡率地理分布特征及與氣候等地理環境因素之間的關系。結果顯示廣東省EC有明顯的地區聚集性，EC死亡率與多項氣候因素、植被指數及海拔高度具有相關性。陸應昶等[22]探討肺癌死亡和大氣污染程度之間的關系，收集江蘇省1996-1998年間肺癌死亡資料和同期空氣質量資料，利用GIS空間預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，發現在大氣污染嚴重地區肺癌死亡率較高，表明控制大氣污染是減少肺癌死亡的一項重要干預措施。

4.3.3 糖尿病 當前威脅人類健康最嚴重的慢性病之一，嚴重影響人們生活質量。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)，高學歷人群比重、超重率、高C反應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技術采用新疆某三甲醫院糖尿病病例分析其空間分布并繪制可視化地理分布圖。得出烏魯木齊地區糖尿病患者最多，和田、喀什、塔城地區也有較高的患病人數，為新疆地區糖尿病防治工作提供直觀、可靠的依據。

4.4 中藥資源

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

4.5 突發公共衛生事件

GIS可以預存地區人口構成、氣候環境、水文地形地貌等信息，在突發公共衛生事件發生后，GIS地圖顯示功能使研究者迅速掌握事件發展情況，從而及時做出有效決策。馬衛東等[27]提出發揮GIS特點，為核事故提供醫學應急服務，有助于合理分配應急資源，使應急響應決策更科學、快速、有效。王海波[28]分析居家老人突發疾病監測與突發事故應急輔助決策問題，提出基于 GIS 與遺傳算法的老年人突發疾病應急快速送醫模型，提高老年人突發疾病診斷效率和預警時效。

4.6 衛生資源配置

公共衛生資源各地供需不同，具有一定空間分布特征。GIS不僅可用于醫療資源空間分布評價，還可以結合相應模型進行醫療資源分布空間優化[29]。孔德洋等[30]運用技術定量分析長春市醫療設施布局，基于空間緩沖區分析方法研究綜合性醫院的服務半徑及服務面積率，提出醫療設施布局優化建議。研究發現長春市中心城區內的綜合性醫院布置較集中且空間分布不合理。建議將城區中心醫院向周邊遷移一部分，減少醫療設施過度集中造成的浪費；在周邊區域建設綜合性醫院，解決醫療資源不足的問題。

5 結語

地理信息系統在公共衛生領域應用取得一定成效，具有良好的發展態勢和應用前景。目前GIS已經用于流行病預防控制、疾病監測、中藥資源研究、突發公共衛生事件、衛生資源配置等方面，為科學決策提供有力依據，有助于促進地區衛生事業進步和可持續發展。但我國GIS應用尚處于起步階段，有待加強。建立GIS需要大量數字或電子地圖及其屬性信息庫，此類數據標準和規范尚不統一，且衛生部門之間的衛生管理資料共享不足。隨著信息技術發展及其與衛生專業知識的深度結合，相信GIS技術在公共衛生和健康領域的應用會越來越完善。