Информационная система пространственного мониторинга состояния здоровья населения региона - Диссертация

В распространенных сегодня системах экологического, санитарно-гигиенического, медико-экологического мониторинга существуют проблемы с совершенствованием методов сбора, обработки и анализа различных данных для устойчивого выявления статистически достоверных закономерностей распространения заболеваний населения в регионе. Проблема заключается в том, что традиционные способы статистического пространственного прогноза основываются на нормальном гауссовском распределении, но этот подход может приводить к совершенно неверным результатам изза появления данных подчиняющихся ненормальным распределениям. В данной работе разрабатываются алгоритмические и программные решения позволяющие выделять статистически надежные зоны пространственного распределения показателей здоровья населения (в т.ч. во времени), так же находить статистически устойчивые причинно-следственные связи между медико-демографическими показателями отдельных групп населения и факторами окружающей среды в условиях негауссовских процессов. Исходя из поставленной цели необходимо решить следующие задачи: - разработка кортежа устойчивых оценок вероятностей для системы показателей и алгоритмов статистически устойчивых оценок действия факторов окружающей среды региона на здоровье населения, проживающего на этой локации; создание информационной системы пространственного мониторинга состояния здоровья населения города (ПМСЗН) с «дружественными интерфейсами» для специалистов, работающих с медицинской статистикой и экологической информацией и лиц, принимающих управленческие решения (ЛПР) в здравоохранении, санитарно-эпидемиологических службах.Разработаны алгоритмы оценки условных вероятностей для многомерных таблиц сопряженности, которые позволяют вычислять коэффициенты здоровья детей, коэффициенты отклонения и тяжести последствий, коэффициенты зависимости в различных городских ареалах проживания и ареалов загрязнения. Эти алгоритмы в составе модели ПАЗФ оценивают коэффициенты «силы эффекта», объединяющие характеристики здоровья, отклонения и тяжести и его зависимости от индекса загрязнения атмосферы по простейшим ареалам - административным районам Санкт-Петербурга. Предложены алгоритмы пространственной вероятностной интерполяции (робастного кригинга и кокригинга) на основе рангового и квантильного нормирования данных, которые обеспечили моделирование для некоторых типов заболеваемостей (МКБ-10, ПРР), и показателей распределения индекса загрязнения атмосферы (ИЗА) химическими веществами, а также - способствовали изучению взаимосвязей между этими двумя типами показателей. Разработана система пространственного мониторинга состояния здоровья населения (ПМСЗН) Санкт-Петербурга на базе программного обеспечения ГИС и модернизированных методов анализа, визуализации и прогноза показателей состояния здоровья и окружающей среды в городском пространстве. Положения, выносимые на защиту: Построение устойчивых к неоднородности данных (робастных) систем пространственного мониторинга состояния здоровья населения региона достигается тем что: - разработанные непараметрические композиции оценок условных вероятностей обеспечивали при мониторинге медицинских фактов статистически устойчивое выявление пространственно временных зависимостей характеристик здоровья, отклонения, тяжести последствий и экологических факторов (ПАЗФ) от действия экологических факторов на население, проживающего на определенной территории города или региона;Здравоохранение играет важную стратегическую роль в любом государстве, так как направленно, прежде всего, на сохранение и увеличение потенциала его главного ресурса - населения. Это касается информатизации лечебно-профилактических учреждений (ЛПУ), рабочих мест отдельных врачей, регистратуры, более автоматизированный сбор, обработку и анализ информации о статистики в региональных Медицинских информационно-аналитических центрах (МИАЦ), в т.ч. о статистики на территориях. Другие задачи, связанные с применением ГИС-технологий в отрасли здравоохранения, освещены в Сборнике трудов 1-ой и 2-ой Всероссийских конференциях с международным участием «ГИС в здравоохранении РФ: данные, аналитика, решения» [1]. Сравнение этих отклонений по территориям дает медицинским статистикам и руководителям здравоохранения качественно новые возможности для анализа причин этих отклонений на территориях, так и вообще - работу ресурсов здравоохранения на этих территориях. В последние годы с развитием современных компьютерных технологий, в том числе и ГИС, специалист, занимающийся аналитической работой, имеет возможность создать непосредственно на своем рабочем месте интерактивный медико-экологический атлас, содержащий одновременно как сведения о здоровье групп населения, так и влияющих на него факторов, и на основе имеющейся у него информации генерировать неограниченное число карт в соответствии с формируемыми запросами [4,5, 1-3].Технология объединяет традиционные операции работы с базами данных, такими как запрос и статистический анализ, с преимуществами полноценной визуализации и гео

Оглавление

Список условных обозначений

Введение

Глава 1. Проблемы синтеза систем пространственного мониторинга состояния здоровья населения города

1.1 Актуальные проблемы мониторинга за показателями здоровья населения мегаполиса

1.2 Геоинформационные системы, как инструментальное ядро системы пространственного мониторинга состояния здоровья населения

1.3 Информационная модель «Человек - окружающая среда - город»

1.4 Постановка целей и задач диссертационного исследования

Глава 2. Разработка и модернизация методического обеспечения системы пространственного мониторинга состояния здоровья населения города

2.1 Создание концептуальной схемы пространственного анализа показателей здоровья, отклонений и тяжести действия факторов окружающей городской среды

2.2 Робастный подход пространственного анализа факторов показателей здоровья

2.2.1 Цифровые модели, полученные по детерминированным методам интерполяции

2.2.2 Интерполяция данных методом обратно взвешенных расстояний (ОВР)

2.2.3 Калькулятор растров

2.3 Модернизация геостатистических методов и разработка схемы исследования распространения показателей состояния здоровья населения и изучения причинно-следственных связей в определенных городских локациях

2.3.1 Цифровые модели, полученные по геостатистическим методам интерполяции

2.3.2 Общая методика геостатистического исследования для медико-экологических данных: выбор математических методов, моделей, получение цифровых пространственных моделей (поверхностей) и моделей ошибок интерполяционных значений

Глава 3. Создание системы пространственного мониторинга состояния здоровья населения города

3.1 Цели, задачи и структура системы

3.2 Блоки, отвечающие за информационное обеспечение системы

3.3 Программное обеспечение системы (Геоинформационная подсистема, подсистема анализа, моделирования и визуализации)

3.4 Практическая реализация геоинформационной системы здравоохранения, как пример геоинформационной подсистемы Пространственного мониторинга состояния здоровья населения для лиц, принимающих решения в отрасли здравоохранения на примере Санкт-Петербурга

Глава 4. Экспериментальная разработка и апробация методического обеспечения системы пространственного мониторинга состояния здоровья населения

4.1 Информационное обеспечение Системы пространственного мониторинга состояния здоровья Санкт-Петербурга

4.2 Результаты применения концептуальной схемы анализа, учитывающего взаимосвязи характеристик здоровья населения города, отклонений от него и тяжести последствий этих отклонений у населения, проживающего на территории города и факторов окружающей среды в определенных локациях на примере 3 районов Санкт-Петербурга

4.3 Результаты пространственного анализа факторов, влияющих на состояние здоровье населения пределах Санкт-Петербурга с использованием робастного подхода

4.4 Результаты экспериментов с применением геостатистических методов анализа показателей и их взаимозависимости на определенных территориях

4.4.1 Цифровая модель поверхности распределения мутагенов в атмосфере

4.4.2 Цифровая модель поверхности распределения врожденной аномалии, деформаций и хромосомных нарушений (ВАДХН) у детей до года

4.4.4 Цифровая модель поверхности распределения отдельных отклонений, возникающих у женщин в перинатальный период развития плода и мутагенных факторов в атмосфере

4.4.5 Пространственный анализ распределения канцерогенных факторов в атмосфере

4.4.6 Пространственный анализ заболеваемости лейкозами

4.4.7 Выводы по результатам исследования с применением геостатистистических методов анализа в здравоохранении

Заключение

Список литературы

Приложения

Актуальность работы. В распространенных сегодня системах экологического, санитарно-гигиенического, медико-экологического мониторинга существуют проблемы с совершенствованием методов сбора, обработки и анализа различных данных для устойчивого выявления статистически достоверных закономерностей распространения заболеваний населения в регионе.

Проблема заключается в том, что традиционные способы статистического пространственного прогноза основываются на нормальном гауссовском распределении, но этот подход может приводить к совершенно неверным результатам изза появления данных подчиняющихся ненормальным распределениям. В данной работе разрабатываются алгоритмические и программные решения позволяющие выделять статистически надежные зоны пространственного распределения показателей здоровья населения (в т.ч. во времени), так же находить статистически устойчивые причинно-следственные связи между медико-демографическими показателями отдельных групп населения и факторами окружающей среды в условиях негауссовских процессов. Существенной особенностью развиваемых систем мониторинга является усиление устойчивости (робастности) средств выявления зон пространственной связи заболеваемости и загрязненности и средств визуализации результатов мониторинга для ЛПР в различных сферах городского управления: здравоохранении, санитарно-эпидемиологической службе, охраны окружающей среды (ОС) и других.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности работы геоинформационных систем медицинского назначения за счет применения устойчивых алгоритмов выявления статистической зависимости между пространственно-временным распределением болезней и факторами. Исходя из поставленной цели необходимо решить следующие задачи: - разработка кортежа устойчивых оценок вероятностей для системы показателей и алгоритмов статистически устойчивых оценок действия факторов окружающей среды региона на здоровье населения, проживающего на этой локации;

- разработка ранговых алгоритмов нормализации данных для повышения статистической надежности геостатистической интерполяции для получения пространственно-временного распределения болезней и влияния на них факторов окружающей среды.

- выявление статистически устойчивых зон загрязнения окружающей среды в пределах Санкт-Петербурга;

- получение экспериментальных результатов по выявлению географических локаций с наличием причинно-следственных связей между показателями здоровья населения и окружающей среды при помощи разработанных методов и алгоритмов;

- создание информационной системы пространственного мониторинга состояния здоровья населения города (ПМСЗН) с «дружественными интерфейсами» для специалистов, работающих с медицинской статистикой и экологической информацией и лиц, принимающих управленческие решения (ЛПР) в здравоохранении, санитарно-эпидемиологических службах.

Объектом исследования является информационная система пространственного мониторинга состояния здоровья населения региона.

Предметом исследования является информационное, методическое, программно-алгоритмическое обеспечение системы

Методы исследования.

Для решения поставленных задач использовались методы математического моделирования, геоинформационного анализа, математической статистики, геостатистики. Для анализа использовалась стандартная эпидемиологическая модель «Человек - окружающая городская среда», выбор показателей осуществлялся на основе баз данных медицинской статистики, социально-гигиенического и экологического мониторинга.

1. Разработана структура процесса мониторинга здоровья населения «Алгоритм ПАЗФ», учитывающая специфику медицинских данных диспансеризации детей, данных мониторинга атмосферного воздуха, а также - географическую привязку этих данных к территории города.

2. Разработаны алгоритмы оценки условных вероятностей для многомерных таблиц сопряженности, которые позволяют вычислять коэффициенты здоровья детей, коэффициенты отклонения и тяжести последствий, коэффициенты зависимости в различных городских ареалах проживания и ареалов загрязнения. Эти алгоритмы в составе модели ПАЗФ оценивают коэффициенты «силы эффекта», объединяющие характеристики здоровья, отклонения и тяжести и его зависимости от индекса загрязнения атмосферы по простейшим ареалам - административным районам Санкт-Петербурга.

3. Предложены алгоритмы пространственной вероятностной интерполяции (робастного кригинга и кокригинга) на основе рангового и квантильного нормирования данных, которые обеспечили моделирование для некоторых типов заболеваемостей (МКБ-10, ПРР), и показателей распределения индекса загрязнения атмосферы (ИЗА) химическими веществами, а также - способствовали изучению взаимосвязей между этими двумя типами показателей.

3. Получены статистические устойчивые пространственные ГИС модели, привязанные к географической модели города: - распределение устойчивых (робастных) зон загрязнения окружающей среды в пределах Санкт-Петербурга;

- распределения групп заболеваний у населения, зависимых от мутагенных факторов загрязнения окружающей среды, присутствующих в атмосфере мегаполиса;

- распределения групп заболеваний у населения, зависимых от канцерогенных веществ, присутствовавших в атмосферном воздухе мегаполиса, - распределения групп заболеваний у населения, не зависимых от канцерогенных веществ, присутствовавших в атмосферном воздухе мегаполиса.

4. Разработана система пространственного мониторинга состояния здоровья населения (ПМСЗН) Санкт-Петербурга на базе программного обеспечения ГИС и модернизированных методов анализа, визуализации и прогноза показателей состояния здоровья и окружающей среды в городском пространстве. Разработанная система обеспечивает оперативную передачу наглядных данных и количественно подтвержденных гипотез через механизмы веб-приложений для оперативного принятия решений в сфере организации здравоохранения и защиты окружающей среды. Данная система имеет подсистему интерактивного картографического веб-приложения, как современного информационно-телекоммуникационного средства отображения результатов медико-экологических геоданных для городских медицинских информационных служб.

Положения, выносимые на защиту: Построение устойчивых к неоднородности данных (робастных) систем пространственного мониторинга состояния здоровья населения региона достигается тем что: - разработанные непараметрические композиции оценок условных вероятностей обеспечивали при мониторинге медицинских фактов статистически устойчивое выявление пространственно временных зависимостей характеристик здоровья, отклонения, тяжести последствий и экологических факторов (ПАЗФ) от действия экологических факторов на население, проживающего на определенной территории города или региона;

- разработанные алгоритмы пространственной вероятностной интерполяции на основе рангового и квантильного нормирования обусловили возможность развития геостатистического метода пространственно-временного анализа ряда характеристик заболеваемости и показателей загрязнений окружающей среды для объективного выявления статистических зависимостей между этими характеристиками. Таким образом, удается обеспечить: 1) построение пространственных прогнозов (цифровые пространственные модели распределения); 2) экспериментально проверить точность пространственных моделей, 3) объективно выявить зоны устойчивого действия факторов, 4) объективно выявить пространственные зависимости между показателями отклика у населения (например определенными видами заболеваемости чувствительных групп) и химическими факторами в окружающей городской среде (в определенной ее компоненте). Разработанные методические подходы позволили в системе пространственного мониторинга выявлять и отображать определенные локации (ареалы), где есть исследуемые зависимости, причем, удалость это сделать с количественно определенной точностью пространственного прогноза.

- разработанная с использованием описанных новаций архитектура системы пространственного мониторинга (ПМСЗН) и разработанная методическая поддержка представления статистически устойчивых аналитических геоданных в виде веб-интерфейсов для ЛПР, работающих в сферах организации здравоохранения и управления охраной окружающей среды.

Внедрение результатов работы

1. Методы отображения, анализа и прогноза при помощи ГИС внедрены в деятельности СПБМИАЦ: отдела геоинформационных технологий, информационно-аналитического отдела при решении научно-исследовательских и задач управления здравоохранением города Санкт-Петербурга, а именно: в разработке Классификаторов «Учреждения здравоохранения г. Санкт-Петербурга, разработанного в СПБМИАЦ в 2007 году; в формировании Концепции информатизации Здравоохранения г. Санкт-Петербурга в 2005 - 2015 гг., разработанной в СПБМИАЦ для Комитета по здравоохранению (КЗ); подготовке ежегодного доклада для Председателя Комитета по здравоохранению Правительства г. Санкт-Петербурга, а также - подготовка аналитических материалов для КЗ; при реализации ГИС здравоохранения на базе программного обеспечения ARCGIS (ESRI), при создании структуры баз данных и баз геоданных в СПБМИАЦ

2. Методы и элементы «Системы пространственного мониторинга состояния здоровья населения» были использованы в деятельности отдела социально-гигиенического мониторинга окружающей среды ТУ Роспотребнадзора города Санкт-Петербурга при разработке баз данных (БД) санитарно-эпидемиологического и экологического назначения и методов пространственного анализа для задач социально-гигиенического мониторинга Санкт-Петербурга и защиты окружающей среды.

3. Результаты экспериментов, методы, алгоритмы, инструменты программного обеспечения, а также отдельные подходы диссертационной работы внедрены в учебном процессе СПБ ГЭТУ («ЛЭТИ»), в СПБ ГУПС, ВЭШ, СПБ ГЭУ.

Публикации: по теме диссертации опубликовано 57 научных работ из них главы в 3х монографиях, 13 статей в журналах (из них 6 статей, опубликованные в рецензируемом журнале, определенном ВАК Минобрнаука РФ), работ в материалах Российских и международных конференций (тезисов к 42 докладам), а также автор Геоинформационной системы «Геоинтеллект» (Свидетельство о государственной регистрации ПО ЭВМ№ 2015614104 от 06.04.2015 г.) геоинформационный статистический болезнь