研究进展|等时替代模型在流行病学研究中的应用

王予童¹ 刘卉萌¹ 曹岁霞¹ 徐坤¹ 张彬艳¹ 霍亚婷¹ 刘静春¹ 曾令霞¹ 党少农¹ 颜虹¹ 米白冰^1* 代表西北区域自然人群队列项目协作组

1.西安交通大学医学部公共卫生学院 流行病与卫生统计学系

^* 通讯作者

王予童,刘卉萌,曹岁霞,徐坤,张彬艳,霍亚婷,刘静春,曾令霞,党少农,颜虹,米白冰,代表西北区域自然人群队列项目协作组.等时替代模型在流行病学研究中的应用[J].中华流行病学杂志,2022,43(11):1842-1847. DOI: 10.3760/cma.j.cn112338-20220210-00108.

摘要

等时替代模型（ISM）是探索身体行为与健康结局之间真实关联的有力工具，在大型自然人群队列研究中具有突出的应用潜力。本文系统介绍ISM的原理和具体分析中的实现方法，以期为国内身体行为相关的流行病学研究提供分析思路。通过西北区域自然人群队列研究陕西省人群基线调查数据，分别采用单一活动模型、分割模型以及ISM分析身体活动与心血管疾病的关联，比较不同模型优缺点，展示ISM在量化身体活动健康风险研究中的优势。【关键词】 等时替代模型 心血管疾病 身体活动

研究背景

在以往的身体行为研究中，研究者通常将一天（24 h）中不同类型的体力活动、静坐行为和睡眠分别视为相互独立的影响人体健康的因素展开分析。但是一天中可被分配给工作、饮食、睡眠以及可以自由支配的时间是有限的，不同身体活动时间之间存在相互依赖及影响的关系，从单一维度探讨身体行为对健康的影响，忽视了体力活动、静坐行为、睡眠等行为变量之间的相互关联以及对健康结局的综合影响，可能导致研究结果与实际情况之间出现偏差。为了更好地探讨不同类型的体力活动时间与健康效应的关系，2009年美国哈佛大学公共卫生学院Mekary等学者将营养流行病学中的等能量替代模型理论引入身体行为研究中，首次提出了等时替代模型（isotemporal substitution model，ISM）。本文系统阐述ISM的基本原理与研究分析步骤，并以实例展示ISM在量化身体活动健康风险研究中的应用，以期为国内身体行为相关的流行病学研究提供参考。

方法  

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实例研究人群

✦使用2018年9月至2019年5月西北区域自然人群队列研究陕西省城市农村居民队列基线调查数据。体力活动包括工作、交通、休闲以及家务。根据对应的代谢当量（MET）对体力活动进行分类：轻度体力活动（LPA，1.5~2.9 MET），中高强度体力活动（MVPA，≥3.0 MET）。静坐行为指以坐姿或斜躺姿势时能量消耗≤1.5 MET为特征的任何清醒行为。研究主要结局为基线调查中研究对象自报的主要心血管不良事件（MACE），在研究中被定义为非致死性卒中以及非致死性心肌梗死。

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等时替代模型介绍

✦本文拟通过单一活动模型、分割模型以及ISM介绍ISM在模型假设与分析结果的解释中的特点与优势，三种模型含义见图1。

• 单一活动模型

模型中暂未控制其他混杂因素，其中模型中SB表示静坐行为时长（单位：h/d）。f(y)为结局变量，β₀为截距项，β₁为行为变量的系数，表示行为变量时长每变化一个单位对健康结局影响的效应量。理论假设简单，实际操作便捷。但该模型仅考虑某种身体行为与健康结局的关系，分析过程中不对其他身体行为类型及时间进行控制，所得结果不一定是某种行为变量的独立效果，结果解释存在局限性。

• 分割模型

模型中暂未控制其他混杂因素，其中模型中SB表示静坐行为时长（单位：h/d），LPA表示轻度体力活动时长（单位：h/d），MVPA表示中、高强度体力活动时长（单位：h/d）。f(y)为结局变量，β₀为截距项，β₁~β₃是各行为变量的系数，表示在保持其他类型活动不变的情况下，增加该种类型的活动时间对健康结局影响的效应量。模型将身体行为总时间进行拆分，将各部分身体行为时长同时作为自变量纳入多元回归模型，但即使研究关注的在某种身体行为上花费的时间与健康结局有关联，仍然无法确认这种关联是否特异地来自于研究所关注的身体行为，还需要对花费在不同身体行为时间的效应进行比较。

• 等时替代模型

模型中暂未控制其他混杂因素，其中模型中LPA表示轻度体力活动时长（单位：h/d），MVPA表示中、高强度体力活动时长（单位：h/d），TA表示总活动时间，为花费在LPA、MVPA以及静坐行为上的时长总和（单位：h/d）。f(y)为结局变量，β₀为截距项，β₄表示的是从模型中剔除的身体行为（本研究中为静坐行为）的系数，β₂和β₃表示在保持总活动时间不变的情况下，用一种类型的活动去替换另一种类型的活动对健康结局影响的效应量。采用多元回归线性模型建立虚拟分析框架，尝试在相同的时间内，用一种体力活动类型去替代另一种体力活动类型，从而观察一种类型的活动时间去替换另一种类型的活动时间对健康结局的影响效应量。

  结果  

在单一活动模型中，校正了社会人口学因素以及生活行为因素后，MVPA与降低3%患MACE的风险相关，静坐行为与升高5%患MACE的风险相关，LPA未观察到有统计学意义的关联（P＞0.05）。在分割模型中，保持其他变量不变，校正了社会人口学因素以及生活行为因素后，每增加1 h的MVPA与降低3%患MACE的风险相关，LPA与静坐行为均未观察到有统计学意义的关联（P＞0.05）。

在ISM中，校正了社会人口学因素以及生活行为因素后，用1 h的MVPA替代相同时间的静坐行为与降低6%患MACE的风险相关（OR=0.94，95%CI：0.89~0.99，P=0.024）。用1 h/d的静坐行为替代相同时间的MVPA与增加5%患MACE的风险有关（OR=1.05，95%CI：1.01~1.10，P=0.018）（表1）。

结论  

ISM的思想最初来源于营养流行病学中的等能量替代模型，主要有以下优点：①能够具体量化不同身体行为相互替换后与健康结局之间的关系；②与单一活动模型和分割模型相比，ISM可以提供更为直观的不同身体行为时间的分配模式以及与健康结局之间的关系，为制定更有积极影响的身体行为计划提供建议；③ISM只是改变了纳入模型的变量，适用于多种回归分析，同时对统计学分析软件没有特殊要求，通用性较高。

但是在实际应用中，存在以下不足：①研究者需要注意对模型中不同变量前系数的合理解释；②仅适用于暴露因素为连续性变量的情况，当暴露因素为分类变量时无法应用ISM；③利用ISM得到行为变量与健康结局的关联，仅反映了从统计模型得出的行为变量时间的重新分配，而不是行为变量实际变化的关联；④可能会存在多重共线性，造成回归系数变动，影响结果的解释。后提出的成分等时替代模型可能相对解决多重共线性的问题。

随着身体行为相关流行病学的发展，ISM提供了一种新的研究方法，在控制总活动时间的情况下，通过模拟用相同时间的一种类型的活动替代另一种活动来评估其对健康结局的影响，为研究者提供新的研究思路与研究范式，能够为公共卫生政策的制定和身体行为指南的完善提供多角度的证据支撑。

供稿作者

王予童

硕士研究生

西安交通大学公共卫生学院流行病与卫生统计学专业

供稿 | 王予童

审核 | 米白冰