基于主成分分析的老年男性肺总量参考值的地理分布

　　作者：曹利霞,葛淼,何进伟,薛秀梅　　作者单位：陕西师范大学旅游与环境学院， 陕西 西安

　　【摘要】目的 为制定中国健康老年男性肺总量(TLC)参考值的标准提供科学依据。方法 收集了中国60个市县级医院及有关研究单位的4 079例健康老年男性TLC参考值，运用相关分析法分析了老年男性TLC实测值与五个地理指标{海拔高度(X1),年日照时数(X2)，年平均气温(X3)，年平均相对湿度(X4)，年降水量(X5)}的相关性，用多重共线性的诊断法诊断5个地理指标之间的共线性，然后用主成分分析的方法分析老年男性TLC参考值与地理指标的关系。结果 健康老年男性TLC参考值与地理指标之间有相关关系，用主成分分析的方法推导出一个线性回归方程：=5.665+0.000 131 4X10.000 003 306X20.004 642X30.002 473X40.000 067 70X5±0.493即为主成分回归分析法求得的线性回归模型。结论 如果知道了中国某地的地理指标，就可以用回归方程计算出这个地区健康老年男性TLC的参考值。

　　【关键词】 主成分分析, 肺总量,参考值; 地理指标

　　【Abstract】 Objective To provide scientific evidence for establishing the reference value standard of total lung capacity (TLC) of Chinese healthy old men. Methods 4 079 healthy elderly male′s reference value of TLC from 60 city and county hospitals and relative research institutions in China were gathered. Related analysis were used to analyze the relativity between old men′s measured value of TLC and five geographical factors 〔altitude (X1); annual sunshine duration (X2); annual mean air temperature (X3); annual mean relative humidity (X4); annual precipitation amount (X5)〕. Multicolinearity diagnosis was used to evaluate these five factors′ colinearity, and then principal component analysis was used to test the relation between old men′s reference value of TLC and geographical factors. Results There was correlated relation between reference value of TLC of Chinese healthy old men and geographical factors. The principal component analysis linear regression model was =5.665+0.000 131 4X1-0.000 003 306X2-0.004 642X3-0.002 473X4-0.000 067 70X5±0.493. Conclusions The reference value of TLC of healthy old men from somewhere China can be computed by using its geographical factors.

　　【Key words】 Principal component analysis; Total lung capacity; Reference value; Geographical factors

　　肺总量(Total Lung Capacity，TLC)的测定是肺功能检测的一个重要指标，且具有解剖学意义。TLC与呼吸生理及病理生理具有密切关系,其参考值是临床诊断和疾病防治的重要依据。目前，国内外缺乏TLC参考值的统一标准，严重影响了临床诊断的准确性。很多人测定了本地区的老年男性TLC参考值，但是，对老年男性TLC参考值与地理因素的关系，国内外未见报道。本文用主成分分析法研究了中国各地老年男性TLC参考值与地理因素的关系，发现有一定的规律性。

　　1 资料与方法

　　1.1 肺总量参考值 检索中国期刊网数据库、万方数据资源系统、维普中文科技期刊数据库等，在哈尔滨、长春、太原、西安、福州、南京、西宁、兰州、银川等地的图书馆检索和购买有关资料。收集中国60个市县级医院及有关研究单位的4 079例健康老年男性TLC参考值〔1～26〕;年龄在≥60岁的健康老年男性;这些单位分布在中国31个省、市、自治区，缺乏台湾省、香港特别行政区、澳门特别行政区的资料，东部平原地区的资料多于西部高原地区的资料。

　　TLC是指最大限度吸气后肺内所含的总气量，由肺活量(VC)和残气(RV)组成。肺总量属于间接测定肺活量，即其中含有无法用肺量计直接测定的残气部分。需要通过用人体容积描记法(简称体描法)测定出VC，即首先以体温、大气压、饱和水蒸气压校正肺量计，肺量计校正后嘱受检者取坐位，上鼻夹，含口器与肺量计相连，平静呼吸5次后测定VC。再用密封式氦稀释法即首先在空气冲洗后的肺量筒内充入定量氦与空气混合气(10%)。嘱受试者在坐位情况下平静呼吸，至残气位时重复呼吸7～10 min，使肺内与肺量计内气体充分混合，达到氦浓度平衡后再持续1 min，至平均呼吸末达到测定终点。休息20 min后再重复一次，要求2次容积差<5%，然后根据初始氦浓度、平均后的氦浓度与已知的肺量计容积计算出残气量(RV)间接换算出来〔24〕。

　　1.2 地理资料 主要选取的指标是海拔高度(X1),年日照时数(X2)，年平均气温(X3)，年平均相对湿度(X4)，年降水量(X5)等5项指标。这5项指标来源于国家测绘局数据中心提供的共享资料，国家气象局数据中心提供的共享资料，及有关地理著作和词典〔27〕。

　　海拔高度(X1)：长时期观测海水水位而确定的海水面平均位置，叫做平均海水面，通常作为高程的基准面。某一地点高出平均海水面的垂直距离，叫做海拔高度，以米(m)为单位。

　　年日照时数(X2)：一地太阳的中心从东面地平线出现到进入西面地平线为止的时间，称为可照时间。因云雾遮蔽或地面障碍物的影响，太阳在一地的实际照射时间，称为实照时间。在一年时期内，太阳实际照射时数的总和，称为年日照时数，以小时(h)为单位。

　　年平均气温(X3)：气温是指离地面1.5 m高的百叶箱内测得的空气温度。在一天24 h内定时观测的气象台站，将某日24次所观测的记录值相加，再除以24，就得出该日的日平均温度。将某月各日平均温度总和，除以该月日数即得该月月平均温度。将各月平均温度的总和除以12，则得年平均温度，以摄氏度(℃)为单位。

　　年平均相对湿度(X4)：空气中的实际水汽压与当时气温下的饱和水汽压之比称为相对湿度。在一天24 h内定时观测的气象台站，将某日24次所观测的记录值相加，再除以24，就得出该日的日平均相对湿度。月平均相对湿度是某月各日平均相对湿度的算术平均值。年平均相对湿度是指12个月的月平均相对湿度的算术平均值，以百分数(%)为单位。

　　年降水量(X5)：降水量指从天空降落到地面的液态或固态(经融化后)水，未经蒸发、渗透、流失而在地面上积聚的深度。年降水量是将全年各日的降水量累加而得，以毫米(mm)为单位。

　　1.3 统计学处理 应用SPSS15.0统计软件建立数据库并进行老年男性肺总量正常参考值与地理因素之间的相关关系，确立肺总量正常参考值与各个地理指标之间是否有相关性;然后对地理因素进行共线性诊断，确定地理指标之间有严重的共线性，故可以用主成分分析的方法分析老年男性肺总量正常参考值与地理因素之间的关系，并得出回归方程，计算任何一个地区的老年男性肺总量参考值(预测值);应用成对样本t检验对预测值和实测值之间进行检验。

　　2 相关分析、多重共线性诊断和主成分分析

　　2.1 相关分析法 运用相关分析法分析出健康老年男性TLC参考值与X1,X2，X3，X4，X5的单相关系数分别是：r1=0.251(P1=0.039)、r2=0.118(P2=0.339)、r3=-0.214(P3=0.080)、r4=-0.173(P4=0.157)、r5=-0.290(P5=0.017)。

　　2.2 多重共线性诊断 运用多重共线性诊断X1,X2，X3，X4，X5等5个地理指标之间的共线性，方差膨胀因子(VIF)分别为：VIF1=2.905，VIF2=26.089，VIF3=4.906，VIF4=38.202，VIF5=5.586。从这些VIF值可以看出，这些地理指标之间具有共线性，所以采用主成分分析的方法进行回归分析。

　　2.3 主成分分析法 主成分分析的思想是通过降维过程，将多个相互关联的数值指标转化为少数几个互不相关的综合指标的统计方法，即用较少的指标来代替和反映原来较多的信息，这些综合后的指标就是原来多指标的主要成分〔28〕。

　　2.3.1 提取主成分 对选取的原始的变量X1,X2，X3，X4，X5 5项地理指标采用主成分分析法提取主成分，见表1和图1。

　　表1是主成分的统计信息，包括特征根由大到小的次序排列，各主成分的贡献率及累积贡献率：由于前两个主成分累积贡献率达90.684%，说明它们包含了各原有数据的90.684%的信息。由图1可知，碎石图呈下降的趋势，前2个特征值变化较快，后面的3个趋于平稳，因此提取前2个主成分来代替原有变量来进行主成分分析。表1 主成分的统计信息

　　2.3.2 主成分的表达式 通过表2的得分系数矩阵可将所有主成分表示为各个变量的线性组合。两个主成分的表达如下(公式一)：

　　Z1=-0.101stdx1-0.251stdx2+0.257stdx3+0.272stdx4+0.260stdx5

　　Z2=0.948stdx1-0.332stdx2-0.094stdx3+0.069stdx4+0.072stdx5

　　这里，stdxi(i=1,2,3,4,5)表示标准指标变量。

　　stdx1=(x1-372.025)/775.996 stdx2=(x2-2327.790)/581.351

　　stdx3=(x3-13.043)/3.995 stdx4=(x4-66.735)/10.330

　　stdx5=(x5-789.304)/352.143

　　2.3.3 回归方程 运用主成分分析法得出应变量与主成分之间的线性回归方程为：

　　=5.427-0.118Z1+0.095Z2±0.493

　　将公式一及标准指标变量代入上述回归方程中得出TLC参考值与地理指标之间的线性回归方程为：

　　=5.665+0.000 131 4X1-0.000 003 306X2-0.004 642X3-0.002 473X4-0.000 067 70X5±0.493

　　该公式即为用主成分分析方法求得的线性回归模型。在该回归方程中，是健康老年男性TLC参考值(L),X1是海拔高度(m),X2是年日照时数(h)，X3是年平均气温(℃)，X4是年平均相对湿度(%)，X5是年降水量(mm)。0.493为标准差的值。表2 因子得分系数矩阵

　　3 讨 论

　　在《素问• 异法方宜论篇》里指出“天不足西北，左寒而右凉;地不满东南，右热而左温。……是以地有高下，气有温凉，高者气寒，下者气热。……西北之气散而寒之，东南之气收而温之，所谓同病异治也”。这就是说由于人所处的地理环境高低、方位的不同，其气候的寒热温凉也各不相同，人的生理状况也随着各异，不同地理环境下，TLC参考值也不相同;人的病理状况也随之各异，其治疗也就各不相同。

　　地理环境是由大气、水、土壤、生物和矿物等各种地理要素组成的有机整体，它是人类赖以生存的物质基础。人的机体和地理环境处在一个矛盾统一的过程中，生命有机体一方面不断地从环境中摄取生命活动需要的物质，同时，生命活动的代谢产物及人类的生活行为、方式也在不断地影响地理环境，在进行物质交换过程中，也伴随着能量的交换，形成了人与地理环境相互作用而处于一种动态平衡。因此，相同地理环境下的TLC参考值应该是相同的，不同地理环境下TLC参考值应该是不同的，TLC参考值与地理因素之间应该是有依赖关系的。

　　从单相关系数可以看出，随着X1的逐渐增大，健康老年男性TLC参考值也在逐渐增大，相关性显著;随着X2的逐渐增大，健康老年男性TLC参考值在逐渐增大，但相关性不显著;随着X3、X4的逐渐增大，健康老年男性TLC参考值在逐渐降低，相关性不显著;随着X5的逐渐增大，健康老年男性TLC参考值逐渐降低，而相关性显著。

　　中国领土辽阔广大，气候类型复杂多样。从以上分析的结果可以看出，海拔高度和年降水量是影响人体TLC的主要地理指标。我国地势西高东低，大致呈阶梯状分布，西南部是号称“世界屋脊”的青藏高原，海拔多在4 000 m以上，是中国地势的最高一级，从青藏高原往北往东，至大兴安岭太行山巫山云贵高原东坡，地势显著下降，大部分为1 000～2 000 m之间的高原和盆地，属地势的第二级，再往东，主要是丘陵和平原交错的地区，海拔多在500 m以下，属地势的第三级。

　　依据老年男性TLC参考值与地理指标之间关系的依赖性，如果我们知道了中国某地的X1、X2、X3、X4、X5 5项指标，就可以用模型方程：

　　=5.665+0.000 131 4X1-0.000 003 306X2-0.004 642X3-0.002 473X4-0.000 067 70X5±0.493

　　来估算出该地的健康老年男性TLC的参考值。例如北京的X1为31.3 m，X2为2 763.7 h，X3为12.3℃，X4为60.0%，X5为571.9 mm，经计算：

　　=5.665+0.000 131 4×31.3-0.000 003 306×2 763.7-0.004 642×12.3-0.002 473×60.0-0.0000 677 0×571.9±0.493=5.416±0.493 L

　　因此可估算出北京老年男性TLC参考值为(5.416±0.493)L。应用SPSS统计软件，运用成对样本t检验 ，比较了老年男性TLC参考值的预测值与实测值〔1～26〕，配对t检验的统计量t为0.003，所对应的双侧P值为0.998>0.05，故可以认为老年男性TLC参考值的预测值与实测值之间的差别无统计学意义。

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