Panel Study在空气污染流行病学研究的应用0929
panel study在空气污染流行病学研究的应用
谭强1，刘移民1,2
摘要专门小组研究（panel study）的方法在空气污染流行病学研究中所具有的方法论意义主要体现在两方面：一方面，panel study具有与实验研究相似的内在逻辑，因此panel study能够较好地用来分析空气污染物的暴露水平与健康效应之间的因果关系；另一方面，由于panel study需要跨越一段相当的调查期，因此还具有明显的解释空气污染物暴露与健康效应变化过程的特点。本文结合国内外利用panel study开展的众多空气污染流行病学研究，详细探讨了实施panel study 的具体方法和其中的关键环节，希望能给予从事空气污染流行病学研究的研究人员提供一定的参考。
关键词：专门小组研究空气污染应用
panel study: Application in research of air pollution epidemiology TAN Qiang, LIU Yimin. The Hospital of Prevention and Treatment for Occupational Disease in Guangzhou, Guangdong, 510620, China
Abstract:The methodological significance of the panel study in the air pollution epidemiology research mainly manifests in two aspects. On the one hand, as it has the intrinsic logic similar to the experimental study, panel study can be used to analyze the causality between the air pollutant exposure and the health effect. On the other hand, panel study can explain the changing process of health effect due to air pollutant exposure as it needs quite an interval of inquiry period. This article reviews multitudinous air pollution epidemiology researches from both domestic and abroad using the panel study, discussing in detail the concrete method and key link of implementing panel study. We hope it could provide certain reference to the researchers who are engaged in the air pollution epidemiology research.
Key words: Panel study, air pollution, application
作者单位：1.广州市职业病防治院职业卫生管理科（广东广州 510620）；2.中山大学公共卫生学院（广东广州 510080）；
作者简介：谭强（1982- ），男，医师，硕士，主要从事职业与健康研究。
通讯作者：刘移民，E-mail: 131********@https://www.wendangku.net/doc/c74754975.html,。
一、专门小组研究（panel study）的方法论意义
调查研究(survey research)是环境流行病学研究中较为常见的一种方式。这种研究方式的一个重要特征，是其在时间维度上的一次性，或者称为单点性。因而，调查研究也通常被称为横断面(cross section)研究。正是由于调查研究的这种横剖的特征，使得其在具有大量优点的同时，也存在着一些内在的不足和局限性。这种局限性的一个集中体现，就是其对现象之间因果关系的推断相对软弱无力，即比较容易发现不同现象相互之间的“共变”特征，而比较难发现它们之间的“因果”特征[1]。环境流行病学研究的一个重要目标，就是要探索和解释不同环境暴露现象与健康效应现象之间的因果关系，而因果关系的基本条件就是存在关系的两种现象之间具有时间上的先后顺序。作为原因的现象要发生在前，作为结果的现象要发生在后。也正是在这一点上，由在社会学和心理学研究中被称为专门小组研究（panel study）[2]的研究设计提供了较好的解决途径，弥补了一般调查研究所存在的上述不足和局限性。因为panel study的设计中，正是通过对同一研究对象在前后两个（或多个）不同的时间点上进行调查，收集同一研究对象在不同时点的资料，来达到因果关系分析中“因在前、果在后”的逻辑要求的。
横断面研究所具有的单点性特征的另一个局限性，在于它对事物发展变化的动态过程的把握同样十分软弱。很多实地研究都是纵向的，通常要求研究对象在
实地经历一段相当的时间，这就使得实地研究常常可以观察到现象发展变化的过程。而调查研究只是在一个时间点上收集资料，或者说只是截取研究现象的一个横截面，因此，它通常很难回答现象发展变化过程的问题。但以若干次横断面调查构成的panel study却是研究现象随时间而变迁的最好方式[3]。
总之，panel study能够较好地用来分析现象之间的因果联系，具有比一般横断面调查研究强大得多的因果推断能力。同时，由于panel study需要跨越相当的一段时间，因此它还具有明显的解释现象变化过程的特点，能够较好地用它来探讨和分析某一特定的环境暴露现象对健康效应现象的影响。因此，探索现象之间的因果关系、研究现象的变迁过程，是panel study所具有的最为重要的方法论意义。此外，panel study的资料往往具有比一般横切研究所得资料更加广泛和更加长期的应用价值。比如著名的“美国南加州儿童肺功能发育与空气污染关系的研究”[4,5]（Association between air pollution and lung function growth in southern California children）和欧洲哮喘儿童暴露空气污染物健康效应的研究[6,7,8]（Pollution effects on asthmatic children in Europe, PEACE）的资料就是如此。前者为1993年至2003年建立的10年队列，应用panel study探讨了南加州12个社区儿童暴露空气污染物后的肺功能发育情况。后者探讨哮喘儿童肺功能、呼吸道症状、药物使用与空气污染物短期变化的关系，该项目在1993-1994年冬季进行了14个中心的研究，每个参与项目研究中心至少包括75个6-12岁的城市和农村有症状的儿童，应用panel study探讨可吸入颗粒物、黑烟，二氧化硫、二氧化氮与呼吸健康的变化的关系。此外，Ward和Ayres[9]还发表了一篇关于空气颗粒物污染对健康不利影响的22项panel study的综述，都显示有非常重要的应用价值。
二、panel study在空气污染流行病学研究中的设计
panel study是对同一组对象在多个不同的时间点上进行调查、收集资料，然后通过对前后几次调查所得资料的统计分析来探索社会现象随时间发展而发生的变化及其不同现象之间因果关系的一种研究方式。它可以分为首次调查(或称为前期调查)和追踪调查(或称为后续调查)两个部分。狭义上看，追踪研究仅指的是对前期调查过的研究对象在经过一段时间后进行的第二次(或第N次)调查，即仅指后续调查。追踪研究的设计中，要特别注意以下三个关键环节：
1．暴露与效应的因果假设
总的来看，panel study的内在逻辑与实验研究十分相似。实验研究中，研究者首先对实验组和对照组分别进行测量，经过一段时间后，再对实验组和对照组分别进行测量，并在前后两次测量之间对实验组实施干预措施。最后，通过分析和比较两组对象前后测量所得到的数据评价干预措施的作用及其大小。panel study中，首次调查相当于实验研究中的“干预前测量”，追踪调查则相当于实验研究中的“干预后测量”，而处于两次调查之间发生的某种空气污染物的变化则往往成为研究者实施的“干预措施”，即导致机体健康发生变化的原因。panel study通常用于探讨空气污染物浓度变化对研究人群所带来的健康影响。比如1999-2002年美国西雅图研究项目（The Seattle panel study）[10]就是采用panel study 探讨易感性个体暴露空气颗粒物（PM）以及相关空气污染物与其健康影响之间的关系，并评估其关系强度。研究者将暴露空气污染物作为原因变量（自变量），用它来解释长期或短期暴露空气污染物后研究对象机体生理生化指标（包括器官、细胞、蛋白、DNA水平）的变化。正是由于panel study特别适用于探讨暴露空气污染物与机体生理生化指标之间随着时间的变化而形成的因果关系，所以，
在设计panel study时，研究者应该首先明确建立起暴露因素（即空气污染物）与效应因素（即机体生理生化指标）之间相互关联及发展变化的因果假设。
2．研究对象的选取
panel study中研究对象的选取方式因研究目的、研究对象的特点、研究条件等不同而不同。最好能参考实验设计，即通过随机化方法，将对象分成处理组和对照组，这样panel study所具有的意义和价值将会更大。理想的选取方式当然是完全随机地抽取，但当研究者将样本的追踪因素考虑进来时，现实各种条件的限制往往会给这种随机抽取带来或大或小的困难和障碍，迫使研究者在选取方式上做出各种改变和退让。完全随机地选取研究对象，虽然可以在第一次调查时获得代表性最高的样本，但在后续追踪调查时其样本能够被完全追踪到的困难也最大。因此，第一次抽样时要综合考虑这两方面的因素。在许多情况下，研究者更重视追踪的成功率，因而在选取研究对象时所依据的主要不是随机原则，而是能够保证追踪成功率的因素。比如，有的研究者选取研究对象时，最重视的条件是研究对象的知情同意和自愿参与，这种自愿参与的态度有利于研究对象主动提供可靠的联系方式和联系人，利于后续的追踪调查。埃尔德在介绍奥克兰样本时就指出：“样本的选择基于两个条件：自愿参与研究和预计长期居住于研究地区”。
[11]在空气污染流行病学研究的研究对象选取过程中，研究人员通常在有较为典型污染区域的地方选择容易追踪的易感人群或患慢性心肺系统疾患的人群作为研究对象[12]。
3．研究对象的保持
panel study的一个重要的因素是研究对象的保持。即确保后续调查时研究对象能够被追踪、并继续参与调查研究。如果后续追踪调查时研究对象缺失较多，就会对整个研究带来严重影响。通常，前后两次或多次调查之间会有一段时间，短的几个月，长的则达几年，为了确保后续追踪调查时研究对象不消耗，就必须做好保持工作。通常做法是在两次调查之间通过电话、书信、电子邮件等方式与被调查对象进行联系，目的是不断加强和巩固前期调查在被调查对象脑中的印象。有研究[13]进行的追踪方法就是先打电活与研究对象进行联系，到正式调查时，研究对象就能记起电话联系的事情，免去了调查员对调查研究过多的介绍和说明，同时也减少了调查的拒访率。还可以每次调查结束后，把调查结果以简短的报告寄给研究对象，不仅可以让研究对象了解调查的进展情况，还可使其感觉参与调查的意义和价值。
三、panel study在空气污染流行病学研究中的统计分析方法
panel study是空气污染流行病学普遍采用的一种方法[14,15]，为了解空气污染物对易感人群健康影响的发生、发展和变化提供了有效地途径。近年来国内外学者经常采用panel study来研究环境污染物暴露与健康效应之间的关系，并大多采用混合效应模型（mixed-effect model）[16,17]、线性混合模型（linear mixed model）[18,19,20]或广义估计方程（generalized estimating equations ,GEE）[21,22]来分析研究对象暴露的空气污染物浓度与健康效应的量化关系，暴露与效应之间的强度关系通常被描述成随着暴露某种污染物的浓度增加一个标准单位，其健康效应所增加的单位数为β值（β为回归系数）。
四、panel study在空气污染流行病学研究中的应用案例
panel study通过重复调查所建立队列的个人或小组某健康指标的变化，最适合研究人群特别是易感人群短期暴露空气污染物对健康效应的影响。
Gauderman[23]等学者在美国南加州开展的儿童健康研究，就是空气污染对儿童健康影响的纵向研究的例子。根据历史空气污染程度上的差异选定洛杉矶附近社区，并对在选定的12个社区居住的四、七、十年级的儿童每年随访一次，利用线性混合模型（linear mixed models）分析显示，儿童纵向肺功能发育的降低与其暴露于大气颗粒物、NO2、无机酸蒸气有关。
国内有学者[24]研究机动车尾气污染对中老年人心血管系统的影响、探讨可用于评价尾气污染效应的敏感指标，就是通过对居住在广州市荔湾区靠近交通干道的某社区32位中老年人进行panel study，测定与心血管系统有关的健康指标（包括动态心电图，肺功能，血细胞指标和炎症因子）。同时监测体检前5天的社区区域监测点和社区内三个有代表性的老年人活动点的空气污染物日平均浓度，计算个体室外污染物时间加权暴露浓度，估计机动车尾气主要污染物对中老年人健康指标的影响。线性混合模型分析结果显示：在单污染物模型中，PM10（可吸入颗粒物）、SO2（二氧化硫）、NO2（二氧化氮）与TNF-α（肿瘤坏死因子-α）成正相关关系，而与用力肺活量（FVC）、IL-6（白介素-6）则成负相关关系；心率变异性指标（HRV）中的SDNN(24h内每5min R-R间期均值的标准差）、SDNN index（每5min窦性R-R间期标准差的均值）和PM10相关性较强（-0.57，SE：0.18）、（β：-0.74，SE：0.20），与NO2相关较大的指标是SDNN index（β：-0.66，SE：0.17）。在多污染物模型中，调整了其他污染物的影响后，IL-6和PM10成正相关，和NO2、SO2成负相关；TNF-α和NO2、SO2成正相关；而FVC则和PM10成正负相关。研究结论：研究对象的TNF-α、IL-6、FVC、SDNN、SDNN index 指标与机动车尾气暴露密切相关，一定程度上反映了暴露效应，可作为机动车尾气污染对中老年人心肺血管系统影响研究的参考指标。
五、panel study在空气污染流行病学研究中的特点
panel study通过重复测量暴露与效应变量，更适合用于探讨研究对象短时间内暴露空气污染物后的健康效应变化及污染物暴露与健康效应的关系[25]，特别能较灵敏的发现易感人群的暴露与效应的变化关系；传统上，其设计是在整个研究时期内，采集所有研究对象健康效应的重复测量数据，即使这样会使分析过程中数据的聚集性降低；研究对象某个最能反映暴露效应的个体健康指标会在整个观察期变化，污染物暴露水平的测量采集可以来自固定地点的环境空气监测所得，也可以来自利用个体采样所采集的暴露数据。此外，Panel study倾向于依靠小样本[26]，往往是研究使用时方便、易于开展的样本；难以确定控制季节和趋势的适宜性；分析结果滞后选择的敏感性；高质量的数据收集的重要性。
六、panel study在空气污染流行病学研究实施中应注意的问题
panel study不仅需参考一般调查研究方式进行，还有以下环节需特别关注：1．panel study的追踪方式
panel study得以完成的根本，是确保在研究的整个调查期内，能有效追踪到第一次凋查中尽可能多的研究对象。因此研究设计初，就要考虑到将来的第二次(或多次)调查，即将每次的调查视为完整研究项目的一个阶段，特别是在进行第一次调查时，要高度重视研究对象联系方式的设计。根据调查对象的特点、调查的方式、调查间隔的长短等因素，制定切实可行的追踪方法。目前在空气污染流行病学研究中大多采用的是选择在一个人群居住较为稳定的区域内开展panel study [13,24]，比如人群聚集性较高社区或者学校，进行后续追踪调查时可以节约研究成本，提高追踪效率。
2．panel study的追踪损耗
追踪损耗（panel attrition）指的是在进行第二次(或第N次)调查时，第一次调查时的研究对象中有一部分因搬迁、拒绝再次调查等各种原因而无法进行追踪调查。追踪损耗是panel study在空气污染流行病学研究面临的现实问题之一，如果追踪损耗过大，就会对panel study的结果带来严重的影响。通常这种追踪损耗与追踪时间间隔的长短、追踪对象的性质等因素有关。常见的损耗原因有：研究对象原有的各种联系方式失效、搬迁且去向不明、拒绝再次参与研究等。一般而言，追踪研究都会有不同比例的追踪损耗，追踪损耗的比例最好不高于三分之一[2]。如果追踪损耗超过了三分之一，就很有可能出现这样一种情况：没有被追踪到的研究对象或许具有某种共同的特征，换句话说，很可能具有某种特征的一部分人都没有被我们追踪到。因此，被追踪到的研究对象可能在暴露空气污染物后某些变量上是有偏的，其结果就不能很好地反映原始总体暴露污染物后的健康效应变化情况，从而影响到对暴露与健康效应之间因果关系及其强度的推断。其与问卷调查中的有效回答率所具有的影响一致。当损耗的比例较大时，应了解损耗掉的研究对象的特征，并在统计分析时进行补救或者调整。
3. panel study的暴露测量
有研究[27]指出利用环境空气监测数据评价研究对象的暴露水平，进行流行病学或危险度评估，从而研究暴露后的效应，简便且非常有价值。但有资料[13]显示由于研究对象的暴露情况受室内污染源和活动模式的影响，且由于城市内空气质量状况不均衡，容易受局部污染源和城市特征影响，应该对研究个体进行大量的重复测量。目前研究个体空气污染物暴露情况有多种方法，比较常用的方法有：佩戴个体采样器[21]、问卷调查和活动日记[28]以及由此发展而来的个体时间-活动模式[29]等。当然，用时间-活动模式收集个体暴露的信息也存在不足之处，并没有给每个研究对象佩戴个体采样器，所采集到的暴露信息一定程度上不够全面。而国外有研究[9]给研究对象佩戴个体采样器，因此在采集研究对象的个体暴露信息方面应提高重视。
七、panel study在空气污染流行病学研究面临的挑战
许多文献[30]都指出空气污染的暴露与人群短期健康效应（住院或死亡）有关系，尽管这样的关联度或许较低，但因暴露空气污染物的广泛性和普遍性，其对公众的健康影响有非常的意义。当然，该研究在评价暴露低水平空气污染物后的健康效应方面也存在一些挑战，如暴露反应曲线的形状、空气污染和气象条件的交互效应、统计模型的不确定性和潜在偏移等，这些都是未来的研究工作应该致力于解决的重要问题。
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