基于R語言應用矩陣計算半定量食物頻率問卷的營養(yǎng)素攝入量*

西安交通大學醫(yī)學部公共衛(wèi)生學院流行病與衛(wèi)生統(tǒng)計教研室（710061）

米白冰 屈鵬飛 程 悅 黨少農(nóng)△ 裴磊磊 顏 虹△

基于R語言應用矩陣計算半定量食物頻率問卷的營養(yǎng)素攝入量*

西安交通大學醫(yī)學部公共衛(wèi)生學院流行病與衛(wèi)生統(tǒng)計教研室（710061）

米白冰 屈鵬飛 程 悅 黨少農(nóng)△裴磊磊 顏 虹△

目前常用的膳食調(diào)查方法可以分為前瞻性和回顧性調(diào)查方法兩大類，實際營養(yǎng)流行病學調(diào)查中多以回顧性調(diào)查方法評估人群膳食攝入，其中尤以半定量食物頻率問卷法在實際工作中應用較為廣泛［1-4］。實踐中，研究者多使用營養(yǎng)計算器、excel、SPSS、stata等軟件計算膳食營養(yǎng)成分，但上述軟件應用到大規(guī)模人群調(diào)查的膳食營養(yǎng)素數(shù)據(jù)處理時仍有頗多掣肘之處，使用不便［3，5-6］。本文將基于矩陣運算思想，利用 R語言的矩陣運算功能編制營養(yǎng)素計算程序，展示其在膳食營養(yǎng)素成分計算的應用，突出體現(xiàn)其便捷、高效、精確的特點，供相關研究人員在今后使用半定量食物頻率問卷時權(quán)作參考。

對象與方法

1.研究對象

（1）調(diào)查人群膳食數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)來源于2013年7月至11月在陜西省30個縣進行的出生缺陷現(xiàn)況及其危險因素橫斷面調(diào)查。采用橫斷面調(diào)查設計，分層多階段隨機抽樣方法進行抽樣，根據(jù)城鄉(xiāng)比例，并考慮人口密集度和生育水平，隨機抽取10個城區(qū)和20個縣。在抽樣縣中隨機抽取6個鄉(xiāng)（城區(qū)為3個街道），從每個鄉(xiāng)隨機抽取6個村（城區(qū)為6個社區(qū)），每個村隨機調(diào)查30名（社區(qū)為60名）在2010-2013年間曾經(jīng)懷孕的婦女，在這些婦女中隨機抽取個體完成半定量膳食頻率問卷，該膳食問卷收集了102種食物的食用頻率及分量的數(shù)據(jù)。膳食問卷審核無誤后，經(jīng)Epidata3.1建立數(shù)據(jù)庫，采用雙盲錄入法進行數(shù)據(jù)錄入和整理。選取其中2000份半定量膳食頻率問卷作為訓練集進行方法演示。

（2）食物成分表數(shù)據(jù)庫

以《中國食物成分表（2004版）》，《中國食物成分表（2002版）》為準，經(jīng)Epidata3.1建立數(shù)據(jù)庫，采取雙盲錄入法進行數(shù)據(jù)錄入，制作中國食物成分表數(shù)據(jù)庫。選取本次膳食問卷詢問到的有關食物單獨提取建立食物成分表數(shù)據(jù)庫，包含102種食物的25項膳食成分，數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)如表2。

表1 調(diào)查人群膳食數(shù)據(jù)庫樣例

表2 食物成分表數(shù)據(jù)庫樣例

2.研究方法

若A為m×n矩陣，B為n×p矩陣，則他們的一般矩陣乘積A×B會是一個m×p的矩陣C。其中元素的計算公式如下：

另有，給定兩個的矩陣，其阿達馬乘積標記為A·B。則有

運用矩陣運算的思想觀察上述兩個數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)特點，可以發(fā)現(xiàn)具有明顯的規(guī)律性，膳食數(shù)據(jù)庫中fr1至fr102代表被調(diào)查者各類食物的食用頻率，wt1至wt102代表被調(diào)查者各類食物的單次食用分量。食物成分數(shù)據(jù)庫中，25個變量則為該食物的對應的25種營養(yǎng)素成分。則可以將膳食數(shù)據(jù)庫構(gòu)建為兩個矩陣，分別為7424行102列的食用頻率矩陣FR和單次食用分量矩陣WT；同時將食物成分數(shù)據(jù)庫構(gòu)建為102行25列的食物成分矩陣FC。對每一例被調(diào)查者，其營養(yǎng)素攝入量的計算公式如下：

某一營養(yǎng)素攝入總量

＝fr1×wt1×食物1中該營養(yǎng)素含量+fr2×wt2

×食物2中該營養(yǎng)素含量+…+fr102×wt102

×食物102中該營養(yǎng)素含量

則計算整個調(diào)查人群的營養(yǎng)素攝入量，可以抽象為計算一個7424行25列的矩陣PF，具體計算過程如下

如上式，可以看到，靈活運用矩陣思想將繁瑣的計算過程抽象為簡單的矩陣計算式。而R語言強大的矩陣運算過程讓上述計算實現(xiàn)起來較為簡單［7］。下面我們就具體討論計算過程的R語言實現(xiàn)。

程序及結(jié)果

1.生成擬計算的矩陣FR、WT、FC

#導入膳食FFQ問卷數(shù)據(jù)#

#建立主要膳食矩陣#

#拆分為膳食頻率和每日膳食量矩陣#

#導入營養(yǎng)成分數(shù)據(jù)#

#建立矩陣#

2.計算每日營養(yǎng)素攝入矩陣PF，并輸出數(shù)據(jù)集

#矩陣的點乘計算相關人群膳食攝入量#

#計算每日營養(yǎng)成分#

#數(shù)據(jù)導出#

3.計算結(jié)果

輸入上述命令后運行，生成的調(diào)查人群營養(yǎng)素攝入量數(shù)據(jù)集如表3所示。可以看到，所有被調(diào)查者的營養(yǎng)素攝入量已自動按成分列出，便于后續(xù)處理和分析。

表3 調(diào)查人群的營養(yǎng)素攝入量數(shù)據(jù)樣例

討 論

半定量食物頻率問卷已廣泛應用在營養(yǎng)流行病學調(diào)查中，用于了解人群的膳食營養(yǎng)素攝入情況，有助于探索營養(yǎng)素與健康的相互關系。然而在實際應用工作中，由于傳統(tǒng)營養(yǎng)計算器設計目標用戶多為醫(yī)院臨床營養(yǎng)科室，多用于個體的膳食指導等方面，計算營養(yǎng)素成分時需單個手工輸入調(diào)查者的數(shù)據(jù)并計算，雖具有操作簡單，使用方便的優(yōu)點，但不能滿足用戶個性化需求，且難以修改數(shù)據(jù)庫。其面對數(shù)十份半定量食物頻率問卷時效率尚可，但在數(shù)千份問卷的數(shù)據(jù)分析時，會給數(shù)據(jù)錄入者造成極大的體力和腦力負擔，此時，其計算的準確性也不能保證。而有部分研究報道，使用SPSS、STATA等統(tǒng)計軟件編制宏程序計算膳食營養(yǎng)素，雖然免于手工單個數(shù)據(jù)的輸入和計算，但實際應用中發(fā)現(xiàn)，上述軟件的程序編制工作浩繁，動輒輸入數(shù)百行程序，醫(yī)學工作者的學習難度較大，不能廣泛推廣。

本文主要介紹了矩陣運算的思想，將傳統(tǒng)的線性計算過程轉(zhuǎn)換為矩陣的乘法運算過程，計算過程大為簡化，思路清晰，極易編程實現(xiàn)。在具體應用過程中，利用R語言的矩陣預算過程能簡潔快速地編制程序（全部計算程序不超過20行），計算過程全程自動化，避免了人為錄入數(shù)據(jù)時的差錯，且能夠選擇性提取特定食物、特定營養(yǎng)素成分分別進行計算，對膳食數(shù)據(jù)的計算具有高度的靈活性，具有極高的應用價值，值得在實際研究中推廣應用。

［1］鄒凌燕.大學生膳食營養(yǎng)及人體成分的研究.山東大學，2005.

［2］王小琴，顏虹，颯日娜.西安市50歲以上居民食物頻率問卷準確性及重現(xiàn)性研究.衛(wèi)生研究，2009，38（3）：299-301.

［3］黨少農(nóng)，顏虹，邢遠，等.育齡婦女血清葉酸及血紅蛋白水平調(diào)查.中國公共衛(wèi)生，2009，（2）：134-136.

［4］束莉.孕期增重、新生兒出生體重的影響因素分析及與膳食關系的研究.安徽醫(yī)科大學，2010.

［5］胡慶慶.農(nóng)村中老年人群食物營養(yǎng)素攝入情況及生活習慣調(diào)查分析.青島大學，2010.

［6］鄭艷澤，翟成凱，劉亞琪，等.Excel 2003在營養(yǎng)計算器中應用.中國公共衛(wèi)生，2010，（4）：471.

［7］R Library：Matrices and matrix computations.http：／／www.ats.ucla.edu／stat／r／library／matrix_alg.htm.

國家自然科學基金（編號：81230016）

△通信作者：黨少農(nóng)，E-mail：tjdshn＠m(xù)ail.xjtu.edu.cn；顏虹，E-mail：xjtu_yh.paper＠aliyun.com

郭海強）