BIC与MCMC基准剂量估计模型的比较研究.pdf

基金项目:生态环境部重点地区环境与健康调查、监测和风险评估 山西煤化工污染区环境与健康哨点综合监测()重新参数化基准剂量估计在多环芳烃接触人群健康损害中的应用研究 环境与健康风险评估新技术研究.山西医科大学公共卫生学院卫生统计教研室().太原市卫生健康综合行政执法队.中国辐射防护研究院.重大疾病风险评估山西省重点实验室通信作者:周小林:.余红梅:.与 基准剂量估计模型的比较研究彭雯洁 崔 靖 张 婷 王青青 张 超 袁 苗 周小林 余红梅 【提 要】目的 比较 估计法与 近似法两种后验概率法在贝叶斯基准剂量估计中的稳健性并为山西省洪洞县儿童羟基代谢物可接受剂量的制定提供参考建议 方法 首先介绍基于 估计法和 近似法计算后验权重的原理模拟研究选用 数据库中不同剂量反应数据集共 个分析比较两种方法的优劣并在实例研究中采用权重法进行数据整合 结果 模拟研究结果显示在所研究的 个数据集中 估计法在 为.时有 个数据集出现 预测失败的情况在 为.时有 个数据集出现 预测失败的情况以及 个数据集出现 预测失败的情况 近似法计算的/在每一种模型都有 以上的数据集高于 估计法得到的/实例分析表明符合洪洞县儿童体内羟基代谢物剂量反应关系的模型有(.)、(.)、(.)、(.)、(.)在 为.的情况下洪洞县儿童体内八种羟基代谢物(、)的可接受剂量(/)依次为./、./、./、./、./、./、./、./结论 近似法在 估计中具有较好的稳定性和鲁棒性【关键词】基准计量 贝叶斯信息准则 马尔可夫链蒙特卡洛 贝叶斯模型平均法【中图分类号】【文献标识码】./.()【】./.(.)(.)(.)(.)(.)././././././././.【】基准剂量()是计算在有害物质背景值的基础上引起基准反应()不良健康效应的剂量是危害表征的指标之一 同时 是有毒有害化学物质在某一特定环境中可接受的最高界值若环境中有毒有害化学物质超过这一界值就会造成人群健康寿命年的降低()是在规定了置信区间之后 的下限它为环境工作者在制定界值范围时起到了规范作用是经济卫生领域提高效益收益的指标之一 年美国环境保护署()提出了最优模型法即在提出的所有模型中选择赤池信息量()最小的模型计算 随着计算机的发展和贝叶斯算法的出现 年 提出了贝叶斯基准剂量()是利用贝叶斯框架提供了一种通过模型参数的先验分布来整合先验信息的方法 这对于提高低质量数据的剂量反应建模的可靠性具有很大的潜力 同时 也克服了传统方法对试验时间、试验样本和试验剂量的高要求性从而计算出在中国卫生统计 年 月第 卷第 期特定要求下的 但有时在处理低暴露弱相关数据时单一模型并不能完全阐明数据剂量反应特征若要选取最优模型就会不可避免地放弃其他模型提供信息的可能从而导致估计模型的不确定性为充分考虑模型的不确定性 年 将模型平均法应用在贝叶斯基准剂量中提出了贝叶斯模型平均法()的 思 想 是一种在 方法的基础上以模型的后验概率为权重将备选模型的不确定性考虑在内的统计学方法 它能够综合考虑不同的备选模型的权重使分析更具有科学性和完整性 得以应用的关键在于计算每个模型所占的权重目前的研究方法有基于贝叶斯信息准则()和马尔可夫链蒙特卡洛()两种 本文主要目的在于比较这两种方法的优劣并计算山西省临汾市洪洞县儿童羟基内暴露的可接受范围为环境管理部门制定相关标准提供理论依据原理与方法.贝叶斯基准剂量估计模型基准剂量估计首先要确定所研究的剂量反应数据类型和基准反应对于不同的数据类型 介绍了不同种类的模型本次着重于二分类数据的研究主要涉及的模型包括以下八种:模型:()()()模型:()()模型:()()模型:()()()模型:()()()模 型:()()模型:()()()模型:()()其中:为剂量()为单个模型的斜率和截距参数:为背景参数对定性数据基准反应的确定一般选取额外风险或附加风险反应类型 由于额外风险在应用中不容易受到背景值的影响表现更加稳定所以在毒理学研究中一般选取.的额外风险计算但应用于人群数据时 则取值更低一般为.()()()()()其中:为二分类剂量反应模型()为当前值()为背景值.贝叶斯模型平均法 就是使用 和 计算后验分布得到模型后验预测 值和后验权重 利用模型后验预测 值筛选出可能的多个模型以后验权重对单一模型加权整合最后得出所求的 ()()(.)()(.)()()()()()()()其中:表示第 个模型的参数个数表示第 个模型的极大似然值 为样本数()表示确定模型的后验分布()表示模型的后验概率()表示模型的先验概率 表示有 个有效模型表示在单一模型中的 值表示模型的似然函数.权重法多环芳烃羟基代谢物属于低暴露弱相关数据虽能够造成人体血液系统的损害但目前没有单一代谢物与血液指标一一对应的关系所以本次采用权重法进行数据整合统计分析均采用 .基准剂量估计采用 和 软件进行计算.模型的验证与评价研究分为模拟研究和实例研究两个部分模拟研究分别计算出两种方法的 以及 值设置 为.和.本次研究借鉴 等人的评价指标观察两种方法中/来评价基准剂量估计方法的可靠性比值越低表明模型的参考区间越精确说明其方法的精确性和可靠性越高 同时观察两种方法中数据集预测失败的例数失败例数越低则鲁棒性越高模拟研究.数据来源选用 数据库(:/./)中不同剂量反应数据集共 个分别采用基于 估计法与 近似法计算 并做单一模型的比较 .两种模型评价使用 估计法与 近似法分别计算 个数据集中的 和 由表 可知 个数据集中 在 为.时出现 个数据集 预测失败的情况分别为、和 模型 在 为.时出现 个数据集 预测失败的情况以及 个数据集 预测失败的情况 近似法在两种 的情况下均未出现预测失败的情况 剔除预测失败的数据集之后计算每个模型在两种方法中得到的/表 显示每一种模型都有 以上的 估计法得到 的/高 于 近 似 法 得 到 的/(原始结果见:/./)表 与 法对 个数据集计算 与 的成功个数统计方法 计算值.()()().()()()():括号内数据表示对应方法预测失败的数据集个数表 法对预测成功的数据集计算/的合格率模型总数据集个数合格数据集个数及百分比().(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)实例分析.数据来源选取 年山西省临汾市洪洞县焦化厂周围居住范围在 以内的 岁的全部儿童 最终收集到 名合格儿童的血常规和尿中羟基代谢物(、).分析结果对所测得的八种羟基代谢物浓度进行正态性检验得出八种羟基代谢产物浓度均不符合正态分布(.)以中位数所占百分比代表每种代谢物浓度对血液系统影响其权重依次为:.、.、.、.、.、.、.、.(表)按权重计算 名儿童的综合羟基代谢物浓度得出泛化的剂量反应关系并按总人数等分为 组(表)选取 所提供的所有二分类模型设置 中迭代次数为 选取一条马尔可夫链条以的样本量作为预热 计算模型符合的后验预测值()随机种子数设置为 以.表示适当匹配 经计算纳入(.)、(.)、(.)、(.)、(.)五种模型进行分析(图)采用 法以模型参数和模型后验预测值得到单一模型的权重分别为(.)、(.)、(.)、(.)、(.)(表)表 洪洞县儿童尿中不同羟基代谢物在综合剂量中的权重羟基代谢物(/).表 洪洞县儿童在不同剂量组下血常规异常人数剂量(/)总人数阳性人数.表 不同模型的后验预测值和对应权重模型().中国卫生统计 年 月第 卷第 期图 五种入选模型的剂量反应关系 为了得到更加安全的 设置.计算单一模型和平均法模型的 与(表)按权重分别计算各个羟基代谢物的内暴露可接受剂量(表)表 单一模型和 计算综合内暴露可接受剂量(/).表 八种羟基代谢物内暴露可接受剂量(/).讨 论 估计目前有参数法、非参数法、半参数法和模型平均法四种类型 其中参数法分为频率论参数法和贝叶斯参数法频率论参数法最为简单而且效率高但在多个模型的比较中若 都比较接近时就会出现选择最佳模型而忽略其他模型可能性问题即模型的不确定性的问题 非参数法和半参数法虽然不拘泥于模型的选择而且可以更精准地拟合剂量反应关系但非参数建模相关的狄利克雷先验法以及半参数建模相关的概率核和三次 样条其计算方式复杂检验效率低而且有较高的过拟合风险所以非参数法和半参数法一直作为参数法的补充方法最关键的是目前没有一种成型非参数或者半参数算法可以广泛地为环境工作者所用 是贝叶斯参数法的衍生方法其采用后验概率计算参数模型的权重既解决了单个参数模型不确定性的问题同时也保留了效率高的优点 更重要的一点是 在理解和计算上要优于非参数和半参数模型对于环境专业的工作者具有很强的实用性利用 估计法对 个数据集进行计算时在 为.时出现 个数据集的 估计失败的情况 在 为.时出现 个数据集的 估计失败的情况以及 个数据集的 估计失败的情况即随着 的降低 估计法会出现更多无法估计的情况同时也会降低 估计法在低暴露弱相关数据中的应用范围 目前 提出 的最小取值为.本次研究表明在不同剂量反应关系下 近似法并没有出现 或 值估计失败的情况这与 的研究一致/比值经常用于基准剂量模型估计效果的评价通常/越低表示模型的稳定性和可靠性越好 模拟结果显示 得到的/在总体上要低于 得到的/所以 .在实际应用中具有较高的参考价值洪洞县隶属于山西省临汾市地处山西省南部临汾盆地北端 其特点是工业产业聚集特别是焦化业 年央视新闻报道洪洞县有以三维集团为首的焦化厂常年违规排放污水、废气造成严重的环境污染也对工厂周围的村民造成了一定程度的危害 相关研究表明儿童可能对这些暴露更为敏感 在空气污染浓度相同的情况下儿童较弱的新陈代谢能力会导致其体内羟基代谢物水平更高 多环芳烃不仅对儿童智力发育、行为和免疫功能有影响而且可能与儿童情绪烦躁、易怒、记忆力降低以及注意力缺乏有关 因此了解污染区儿童羟基的内暴露风险十分重要 本次研究采用基于五种函数建立 贝叶斯平均法模型估算羟基代谢物内暴露对应的 得出在 为.时八种羟基代谢物以期为当地环境部门制定相关安全剂量提供参考参 考 文 献 .:.():.顾刘金陈琼姜吴立仁等.基准剂量统计软件 简介.中国卫生统计():.:.():.():.():.():.代鲁燕沈其君张波等.相对权重法在线性模型自变量相对重要性中的估计及其应用.中国卫生统计():.何杰宇.基准剂量模型不确定性研究及其应用东南大学.顾彩娇.基准剂量估计的非参数贝叶斯方法研究与应用.中国卫生统计():.():.丁新伟.洪洞污染曝光毁的不只是绿水青山.中国产经新闻.张婷周小林孟倩倩等.多环芳烃暴露与儿童生长和免疫功能:基于中国北部某焦化污染区的研究.环境与职业医学():.:.:.(责任编辑:张 悦)(上接第 页)刘涛韦长传仝德.人力资本、社会支持与流动人口社会融入:以北京市为例.人口与发展():.何怡萱刘昕.青年流动人口的城市融入研究:基于 年北京流动人口动态监测数据.湖北社会科学():.沈凯琪.社会融合测量维度研究综述.学理论():.():.丰志强尹文强赵兹旋等.自测健康评定量表应用于高血压患者的信效度研究.中国卫生统计():.孙忆萱贾忠伟.年我国流动人口的社会融合分析.中国药物依赖性杂志():.汪明峰程红宁越敏.上海城中村外来人口的社会融合及其影响因素.地理学报():.郭静薛莉萍范慧.流动老年人口自评健康状况及影响因素有序 回归分析.中国公共卫生():.():.余运江孙斌栋孙旭.基于 的城市外来人口社会融合水平空间差异研究:以上海为例.人文地理():.邓远平蒋柯王晶.老年慢性病患者的健康水平与幸福感:夫妻关系与亲子关系的中介作用.中国卫生统计():.夏章姜莹莹董文兰等.年中国老年居民慢性非传染性疾病死亡水平与变化趋势.中华流行病学杂志():.刘彩萍张嫣平胡皓等.宁夏银川市某城区流动人口慢性病及影响因素调查研究.中国卫生统计():.吴群红单凌寒王佳慧等.多维视角下慢性病患者直接经济负担与家庭经济风险分析框架构建.中国公共卫生():.宋月萍张光赢.中国流动人口慢性病患者公共卫生服务利用现状及其影响因素.中国公共卫生():.中国政府网.国家卫生计生委关于印发“十三五”全国流动人口卫生计生服务管理规划的通知.():/./.霍添琪闫晓郭峻等.我国老年流动人口常见病症患病及就诊情况的影响因素研究.中国全科医学():.(责任编辑:张 悦)中国卫生统计 年 月第 卷第 期