способ оценки риска развития йоддефицитного состояния у населения административной территории в условиях антропотехногенного химического загрязнения окружающей среды

Формула изобретения

Способ прогнозирования риска развития йоддефицитного состояния у населения административной территории в условиях антропотехногенного химического загрязнения окружающей среды, отличающийся тем, что

определяют показатель загрязнения окружающей среды для каждого химического элемента, представляющего опасность для каждой из возрастной группы здоровья (Р_х),

определяют для каждого района исследуемой территории заболеваемость щитовидной железы (ЩЖ), ассоциируемой с йоддефицитным состоянием (ЙДС), причем заболеваемость определяют для различных возрастных групп, и на основании выявленной заболеваемости определяют вероятность развития ЙДС (D_x),

на основании полученной заболеваемости ЩЖ, ассоциируемой с ЙДС, определяют нозологические формы заболеваний,

определяют риск развития различных нозологических форм заболеваний ЩЖ, ассоциируемых с ЙДС, по формуле

R _x=P_xD_x,

где х - какой-либо химический экотоксикант;

наносят полученные риски на карту района, отражающую заболеваемость в районе,

на основании чего осуществляют прогноз риска развития йоддефицитного состояния.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицине и экологии и может быть использовано для системной эколого-гигиенической оценки степени напряженности медико-экологической ситуации с целью последующего планирования и проведения комплекса профилактических и лечебных мероприятий.

Актуальность изобретения обусловлена необходимостью разработки новых гигиенических технологий для комплексной оценки потенциального и реального риска здоровью на популяционном уровне.

В качестве прототипа выбран известный способ гигиенической диагностики и оценки напряженности йоддефицитных состояний (ЙДС) на территории с сочетанным воздействием экологических факторов (патент №2206272, приоритет 2001.12.05). Указанный способ-прототип является наиболее близким к заявляемому изобретению. Он основан на диагностике состояния йодного дефицита у населения в условиях химического загрязнения территории по клиническим и биохимическим параметрам. На основании выделения приоритетных химических загрязнителей в известном способе проводится картографирование напряженности ЙДС на данной территории, выделение приоритетных показателей ЙДС. На основании полученных данных формируется территориальная программа мониторинга, профилактики и коррекции ЙДС на исследуемой территории. Анализ приведенных примеров показывает влияние химических экотоксикантов окружающей среды (ОС) на возникновение и распространение ЙДС у населения исследуемой территории (Пермской области). Однако используемые в способе-прототипе подходы к санитарно-гигиенической оценке опасности химического загрязнения объектов ОС, определению реальной и допустимой нагрузки на человека химических веществ и разработке критериев оценки экологической обстановки в основном предусматривают качественную оценку опасности нагрузки неблагоприятных факторов на возникновение у населения ЙДС. Это обстоятельство ограничивает возможности для прикладного использования известного способа и системы такой оценки для управления здоровьем населения исследуемой территории, разработки и внедрения конкретных систем интегральной оценки множественных сочетаний различных неблагоприятных факторов внешней среды на развитие у населения ЙДС с учетом совокупности факторов интегрального воздействия в системе «среда обитания-здоровье населения» на административной территории. В качестве основы территориальной программы мониторинга, коррекции и профилактики ЙДС на исследуемой территории в способе-прототипе предлагается схема оценки вредной нагрузки на среду обитания и прогноза развития ЙДС у населения, а также реальной нагрузки неблагоприятных факторов ОС на здоровье населения с учетом суммарных клинических и биохимических показателей. Однако предложенные методические подходы не предусматривают установление зависимости между выявленной реальной химической нагрузкой и изменениями здоровья населения, в частности функциональным состоянием тиреоидной системы.

Вместе с тем современный уровень санитарно-экологической экспертизы предусматривает использование комплексного подхода по оценке напряженности медико-экологической ситуации и реального риска здоровью людей с учетом анализа причинно-следственных связей вредной нагрузки на среду обитания и конкретных изменений здоровья популяции. В данном случае необходим способ интегральной оценки потенциального и реального риска развития ЙДС у населения и опасности нарушения баланса химических веществ (загрязнения экотоксикантами ОС) на среду обитания населения исследуемой территории.

Известен также способ ранней диагностики дисфункции щитовидной железы (ЩЖ) у детей путем математического анализа ряда факторов риска (рег. заявка №2002120646/14, приоритет от 2002.07.29), отличающийся тем, что интегральную оценку риска развития дисфункции ЩЖ (Q) производят по формуле

где Ni - отсутствие информативного признака;

Oi - наличие информативного признака;

Ri - экспертная оценка доверия i-му информативному признаку,

и при значении Q больше 26,5 диагностируют дисфункцию ЩЖ. Известный способ основан на использовании интегральной оценки. Анализ приведенных авторами примеров не выявил механизмов, обеспечивающих прикладного использования способа при проведении оценки медико-экологического неблагополучия территории. Кроме того, в предложенной формуле интегральной оценки авторами не учитываются морфологические изменения ЩЖ (увеличение объема, изменение структуры, эхогенности), которые часто предшествуют функциональным нарушениям и являются компенсаторными.

Известен также способ оценки риска сердечно-сосудистых заболеваний и других расстройств, в том числе заболеваний ЩЖ (рег. заявка №99101946/14, приоритет от 1996.07.03). В известном способе оценка риска заболеваний ЩЖ проводится на основании сравнения соотношения в крови содержания фитостерина и общего холестерина у здорового контрольного и исследуемого индивидуумов. Однако в известном способе не исследована связь риска заболеваний ЩЖ с неблагоприятными факторами ОС, что исключает возможность управления риском, т.е. возможность его снижения путем устранения или снижения факторного влияния среды обитания. Предложенный способ можно рассматривать, скорее, как маркер преморбидной диагностики сердечно-сосудистых заболеваний и других расстройств, в том числе заболеваний ЩЖ, а не как способ оценки интегрального воздействия в системе «среда обитания - здоровье населения» в населенных пунктах и регионах.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи оценки реального и потенциального риска развития йоддефицитного состояния у населения административной территории в условиях антропотехногенного химического загрязнения окружающей среды с учетом анализа причинно-следственных связей. Использование в практических целях предлагаемого способа позволяет достичь нескольких технических результатов:

- предложена методика интегральной оценки реального и потенциального риска влияния именно вредного химического фактора (токсиканты в СО) с учетом его многокомпонентности и вариабельности как наиболее часто реализуемого риска здоровью людей, в частности развития ЙДС;

- использование интегральной оценки множественных сочетаний разнообразных химических факторов для анализа причинно-следственных связей в системе «здоровье человека - среда обитания»;

- разработка концептуальной модели изучения ЙДС на административной территории;

- характеристика влияния медико-экологической ситуации территории с антропотехногенным химическим загрязнением на функционально-морфологические показатели тиреоидной системы.

Указанные технические результаты при осуществлении заявляемого изобретения достигаются за счет того, что также как и в способе-прототипе эколого-гигиеническая оценка ОС исследуемой территории проводится через изучение распространения и степени тяжести ЙДС как экологически обусловленной патологии, т.е. состояния, которое этиологически и патогенетически связано с экологическим состоянием территории (региона) и сформировано под влиянием природных или антропотехногенных вредных факторов. Особенность заявляемого способа состоит в том, что определение напряженности медико-экологической ситуации в регионе осуществляется посредством анализа причинно-следственных связей между количественными и качественными характеристиками вредных факторов и реакцией организма людей (развитием ЙДС). Сущностью предлагаемого изобретения является эколого-гигиеническая оценка качества среды обитания в связи с воздействием на организм человека химических факторов объектов внешней среды, ранговой оценкой факторов по степени их потенциальной опасности, реальным и потенциальным риском развития ЙДС.

Сущность изобретения.

Основные положения системного экологического анализа, сформулированные в 80-х годах прошлого столетия, послужили основой для многочисленных исследований по комплексной оценке влияния неблагоприятных экологических факторов на здоровье населения. Неблагоприятные факторы ОС в крупных индустриальных центрах и регионах страны формируют определенную структуру заболеваемости, специфическую для данной административной территории.

Механизм реакции организма на различные изменения внешней среды имеет универсальный характер, что вызывает определенные трудности при попытке установить причины возникновения экологически обусловленной патологии в каждом конкретном случае. Однако сравнительный анализ заболеваемости населения региона позволяет определить перечень болезней, характерный для исследуемой территории.

Качество жизни и адаптация организма к параметрам окружающей среды обитания в значительной степени зависят от функционального состояния нейроэндокринной системы, важнейшим звеном которого является ЩЖ.

Напряженная экологическая обстановка, сложившаяся в ряде регионов страны, стала причиной роста показателей заболеваемости в популяции. В большинстве регионов отмечено увеличение патологий щитовидной железы, связанных с дефицитом йода [2, 7, 12, 13].

Исследования, проведенные в последние годы, доказывают, что на большей части территории России отмечено низкое содержание йода. Однако результаты проведенных исследований показали, что ЙДС развиваются и на территориях относительно благополучных по природному содержанию йода в объектах ОС. Примером тому могут служить Дальневосточные регионы, северные районы Сибири и Урала. Появился термин «относительный йоддефицит», обусловленный влиянием на тиреоидную систему неблагоприятных факторов внешней среды (как правило, химической природы), создающих условия для нарушения нормального обмена йода в организме.

Результаты многочисленных исследований по изучению причинно-следственных связей распространения заболеваний ЩЖ, ассоциированных с йоддефицитом, и неблагоприятных факторов среды обитания, проведенных в ряде регионов РФ, позволили отнести ЙДС к индикаторной экологически обусловленной патологии.

Отсюда основная особенность заявляемого изобретения состоит в оценке риска развития ЙДС как маркера экологического неблагополучия административной территории.

Способ осуществляют следующим способом.

Адаптируя многочисленные определения понятия «риск» к заявляемому изобретению, риск развития йоддефицитного состояния организма следует рассматривать как вероятность развития ЙДС у населения данной территории в определенный период времени. Любой риск можно рассматривать как производное вероятности нежелательного воздействия и вреда здоровья. В общем смысле для конкретного химического экотоксиканта риск развития ЙДС можно представить в виде формулы:

где х - какой-либо химический экотоксикант; Р _х - вероятность загрязнения ОС и влияние на организм человека; D_x - вероятность развития ЙДС.

В качестве модели и примера для расчета рисков развития ЙДС взяты административные территории Приморского края и данные медицинской статистики по заболеваемости ЩЖ, ассоциированной с йодддефицитом среди населения края.

Моделирование риска заболевания по первичной заболеваемости щитовидной железы, ассоциированной с йоддефицитом

Для моделирования статистической связи между заболеваемостью ЩЖ и содержанием МЭ в почвах Приморского края использовалась стандартная схема моделирования для класса моделей бинарного выбора.

Применяя логит-модель как один из методов моделирования дихотомических признаков

получаем уравнение наблюдения:

где r( 'H_k) представляет собой вероятность заболевания ЩЖ в данных геохимических условиях Н, величина _k обозначает экспериментальную погрешность предположительно с нулевым математическим ожиданием и конечной дисперсией, а r_k - величина заболеваемости ЩЖ на данной территории в данной возрастной группе.

Реально (3) представляет собой относительную частоту обращений жителей определенного возраста данного региона (административной территории) по поводу заболеваний ЩЖ, ассоциированных с ЙДС.

Пусть j-й житель k-й административной территории в течение года получил заболевание ЩЖ, тогда значение y^(k) _j равно единице и равно нулю, если данный житель этой территории не заболел данной нозологией. Тогда

В рассматриваемых предположениях величина r _k является биномиальной случайной величиной. Для согласования формул (3) и (4) необходимо, чтобы

где R_k=P{y ^(k) _j=1|H_k}.

Из (5) следует, что с наблюдениями (4) связаны экспериментальные погрешности, у которых дисперсии зависят от k, т.е. от величины, объясняющей переменной.

Оптимальные значения параметров модели из требования минимума критерия обобщенного метода наименьших квадратов определяются по следующей формуле:

При введении новых переменных для упрощения оценивания

уравнение наблюдения (6) принимает вид:

где

Уравнение наблюдения (8) соответствует линейной модели. Минимизируемый критерий (7) следует заменить функцией

Решение оптимизируемой задачи (9) позволяет определить модель (5), оценить значение риска r в точках с неизвестными значениями параметров (ОС Н) и перейти собственно к картированию территории Приморского края.

Моделирование риска заболеваний ЩЖ, ассоциированных с ЙДС по общей заболеваемости населения региона

Для проведения моделирования риска заболеваемости ЩЖ для конкретной возрастной группы применялся следующий метод.

В качестве объясняющих факторов выступают векторы укрупненных геохимических показателей (концентрация ХЭ в почвах районов края), а в качестве объясняемой переменной - риски заболевания ЩЖ для населения региона разных возрастных групп. Используя статистику общей заболеваемости ЩЖ, мы использовали пуассоновскую математическую модель.

Основным условием, определяющим регрессионную пуассоновскую модель, является предположение о виде распределения случайной величины Y:

где Y - число обращений одного случайно выбранного жителя какого-либо административного образования региона по поводу конкретного заболевания ЩЖ. Переменная Y является случайной величиной, распределение которой зависит от состояния окружающей среды Н.

Общепринятым предположением, обеспечивающим неотрицательность параметра распределения, является экспотенциальная зависимость

Пусть у^s _j - значение величины Y для j-го жителя s-го района края. В силу (10) и (11):

В действительности значения переменных у ^(s) _j неизвестны и носят вспомогательный характер. Реально наблюдается среднее

Таким образом, уравнение наблюдения можно представить в виде

где _k - значение центрированной случайной величины и в силу (11):

Риск развития ЙДС у населения данного района r _s как вероятность того, что житель данного района обратится по поводу данной нозологии хотя бы однажды в течение года. Тогда

Значения параметров модели определяются согласно критерию обобщенного метода наименьших квадратов

Алгоритмическое моделирование сводится к решению задачи на экстремум (17). Вычисление в силу данного требования оценки параметров позволяет затем оценить и значения риска.

Для расчета показателя относительного риска ЙДС у населения исследуемой территории используется формула

где R_о - относительный риск развития ЙДС у населения; R_в - риск развития у населения, подвергшегося воздействию химического фактора; R _k - риск развития у населения, не подвергшегося воздействию химического фактора.

Построение карты рисков развития ЙДС у населения региона

На основании изложенных математических моделей проводят картирование административной территории. На первом этапе усредняют геохимические данные по содержанию химических элементов в объектах ОС, нормируют их на фоновые концентрации и укрупняют до административных районов. Медицинские данные по заболеваниям ЩЖ, ассоциированным с йоддефицитом, для разных возрастных групп представляются как частоты, выраженные в долях единицы, и интерпретируются как оценки рисков заболевания.

Переход к укрупненным данным происходит согласно следующей формуле:

где с^(k) _s - оценка степени воздействия внешних условий ОС на здоровье населения данного административного образования. Величина оказывается наибольшей в плотно заселенных загрязненных районах и наоборот, - суммарная численность населения в i-х ячейках, относящихся к данной к j-й административной территории, a s - индекс, указывающий на рассматриваемый признак.

На предварительном этапе обработки данных входит нормировка исходных признаков. При нормировке данных геохимической информации наиболее корректным представляется отношение значений концентраций химических элементов к средним значениям. Показатели заболеваемости уместно нормировать на средние по краю соответствующие значения.

На втором этапе риски моделируются. В качестве объясняющих факторов выступают векторы укрупненных геохимических признаков, в качестве объясняемой переменной поочередно выбирается риск того или иного заболевания ЩЖ, ассоциированного с йоддефицитом: синдром врожденной йодной недостаточности (для детей и подростков), диффузный (эндемический) зоб, многоузловой (эндемический) зоб, субклинический гипотиреоз.

В данном случае принимается во внимание плотность населения изучаемой административной территории: чем выше плотность, тем более массовый характер будут иметь последствия воздействия неблагоприятных условий ОС.

Для последующего проведения кластеризации возможны следующие варианты компоновки векторов признаков:

1. Геохимический состав почв: элементы первого и второго классов опасности.

2. Статистика заболеваемости по различным возрастным группам: детская, подростковая, взрослая.

Данные значения концентрации химических элементов в почвах ПК использовались для проведения классификации почв по химическому составу. Каждая проба характеризовалась координатами и значениями концентраций химических элементов в этой точке. Для последующей математической обработки пробы усреднялись в пределах ячеек со стороной х по долготе и y по широте. Исходным измерениям присваивались три индекса, указывающих на номер ячейки, пробы в пределах ячейки и измеряемый химический элемент:

где S - общее число учитываемых химических элементов, N^(m) - число проб в m ячейке, М - число ячеек опробования.

Каждой ячейке с номером m ставится в соответствие вектор усредненных концентраций химических элементов в почве:

Для исключения потери вычислительной точности при компьютерной обработке данных концентраций МЭ, различающихся друг от друга в тысячи раз, их подвергали нормирующему преобразованию, выравнивающему порядки и приводящие их значения к единому диапазону

При обработке данных концентраций МЭ в почвах ПК применялись следующие нормирующие преобразования:

1. Нормировка по среднеквадратичному отклонению (СКО)

Нормировка на СКО удобна для выявления особенностей, связанных с абсолютным разбросом значений относительно среднего. При этом величина отклонения каждой компоненты вектора признаков от среднего значения нормируется на соответствующее стандартное отклонение.

2. Нормировка на среднее

3. Нормировка на фон, который является вариацией предыдущего

Нормирования на среднее и фон отличаются тем, что значимыми становятся лишь большие относительные отклонения от среднего (фона).

Состав признаков и ранжирование кластеров

В качестве признаков рассматриваются концентрации всех 28 элементов. В качестве наиболее значимых выбраны 20 химических элементов, представляющих наибольшую опасность для здоровья: Sn, Pb, Zn, Cu, Ag, V, Cr, Ni, Mn, Co, Mo, W, As, Bi, Li, Ba, Be, Sr, P, Sb. Взяты элементы только первого, второго и третьего класса опасности с известными ориентировочно-допустимыми концентрациями ОДК и предельно-допустимыми концентрациями (ПДК) химических элементов в почвах с учетом гигиенических нормативов (ГН, 1995), а также санитарных норм допустимых концентраций химических веществ в почвах (САННПиН, 1988).

По значениям концентраций выбранных химических элементов вычисляется показатель загрязнения (СПЗ) для каждой ячейки:

Для ранжирования территорий по степени загрязнения использовалась следующая градация СПЗ:

- до 8 - удовлетворительная ситуация;

- 8-16 - допустимая;

- 16-32 - напряженная;

- выше 32 - критическая.

Для детализации стандартной классификации территории стандартная СПЗ-методика дополнена процедурой кластеризации. Этап классификации делает возможным выявление внутри каждой иерархической категории (множестве ячеек с близкими значениями СПЗ) характерных комплексов химических элементов, определяющих характер и ответственных за уровень суммарного загрязнения той или иной территории. Это дает возможность не только установить территории с той или иной суммарной загрязненностью, но и выявить типы загрязнения по составу доминирующих химических элементов.

По результатам нормировки данных геохимического состава почв не средние концентрации вся территория региона была разбита на 12 кластеров, которые были разнесены по четырем уровням значений СПЗ. Число кластеров определялось оптимальным значением, составляющее минимум критерию Акаике (таблица).

Таблица
Кластеризация территории Приморского края по уровню значений СПЗ
№№ кластеров	Географическая и административная характеристики	Значения СПЗ (степень загрязнения)
I	Восточно- и Центрально-Сихотэ-Алинские провинции (района: Кавалеровский, Дальнегорский, Тернейский, Ольгинский, Чугуевский; г. Владивосток)	>32 (критическая)
II	Западно- и Центрально-Сихотэ-Алинские провинции (районы: Лесозаводский, Дальнереченский и Чугуевский)	16-32(напряженная)
III	Южно-Приморская горно-долинная провинция (районы: Лазовский и Партизанский)	16-32(напряженная)
IV	Уссуро-Ханкайская, Западно-Сихотэ-Алинская провинции (районы: Ханкайский, Пограничный, Хорольский, Черниговский, Спасский, Яковлевский, Чугуевский)	>32 (критическая)
v	Уссуро-Ханкайская и Сихотэ-Алинская провинции (районы: Пограничный, Ханкайский, Черниговский, Кировский, Чугуевский, Лесозаводский, Дальнегорский, Дальнереченский, Тернейский)	>32 (критическая)
VI	Центрально-Сихотэ-Алинская и Южно-Приморская провинции (районы: Партизанский, Анучинский, Чугуевский)	>32 (критическая)
VII	Южно-Приморская, Уссуро-Ханкайская провинции (районы: Михайловский, Анучинский, Спасский, Шкотовский; гг. Владивосток, Партизанск)	16-32(напряженная)
VIII	Хасано-Гродековская и Восточно-Сихотэ-Алинская провинции (районы: Хасанский, Ольгинский, Кавалеровский, Дальнегорский; г. Владивосток)	16-32 (напряженная)
IX	Уссуро-Ханкайская, Западно- и Центрально-Сихотэ-Алинские провинции (районы: Пограничный, Хасанский, Спасский, Яковлевский, Дальнереченский, Чугуевский)	<8 (удовлетворительная)
X	Южно-Приморская провинция (районы: Шкотовский, Партизанский, Анучинский; г. Партизанск)	16-32(напряженная)
XI	Хасано-Гродековская, Восточно-Сихотэ-Алинская провинции (районы: Хасанский, Кавалеровский, Дальнегорский)	>32 (критическая)
XII	Уссуро-Ханскайская, Центрально- и Восточно-Сихотэ-Алинские провинции (районы: Пограничный, Ханкайский, Спасский, Чугуевский, Дальнегорский, Красноармейский, Тернейский)	16-32(напряженная)

На третьем этапе используются модели рисков для получения оценок исследуемого риска во всех точках с известными значениями геохимических признаков. Результатом данного этапа является поле значений картируемой характеристики. Таким образом, данные по заболеваемости ЩЖ получают координатную привязку.

Полученные данные используются для построения карт. На картах выделяют участки, характеризуемые повышенным или пониженным значениями рисков развития ЙДС у населения данной территории (фиг.1-4). Повышенными оценками рисков всех заболеваний ЩЖ во всех возрастных группах характеризуются Спасский, Хорольский, Ханкайский и Черниговский районы, почва которых содержит в повышенных концентрациях кобальт, марганец, хром, вольфрам, никель, мышьяк и свинец. В Южно-Приморской зоне, в районах, непосредственно прилегающих к крупным населенным пунктам (Владивосток, Артем, Находка, Фокино, Большой Камень), прогнозируется высокий риск ЙДС у детей и подростков, связанный с повышенным содержанием в объектах ОС свинца, марганца, цинка, никеля, вольфрама и меди.

Таким образом, изложенные сведения свидетельствует о том, что заявляемый способ оценки риска развития йоддефицитного состояния у населения административной территории в условиях антропотехногенного химического загрязнения окружающей среды отвечает требуемым критериям патентоспособности и обладает значительными преимуществами по сравнению с известными способами диагностики ЙДС. Использование заявляемого способа позволяет с большой степенью вероятности количественно оценить реальный и потенциальный риски развития ЙДС и возникновение заболеваний ЩЖ, ассоциированных с йоддефицитом в условиях антропотехногенного химического загрязнения окружающей среды.

Литература

1. Бураго В.А., Бураго Т.В. Статистические методы медико-экологического картирования. - Владивосток, ДВГУ, 2003. - 240 с.

2. Быстрых В.В., Боев В.М., Борщук Е.Л. и др. Выбор приоритетных показателей популяционного здоровья. // Информ. Бюл. «Здоровье населения и среда обитания» - 2002. - №8. - С. 42-45.

3. Маймулов В.Г., Нагорный С.В., Шабров А.В. Основы системного анализа в эколого-гигиенических исследованиях. - СПб., 2001. - 418 с.

4. Проблемы оценки риска здоровью населения от воздействия факторов окружающей среды. Под ред. Акад. РАМН Ю.А.Рахманина и Г.Г.Онищенко. - Москва, 2004. - 355 с.

5. Румянцев Г.И., Дмитриев Д.А. Методологические основы совершенствования мониторинга влияния антропогенных факторов окружающей среды на здоровье населения // Гигиена и санитария. -2001. - №6. - С.3-6.

6. Ступаков Г.П. Методологические основы диагностики и коррекции донозологических форм экологически обусловленных изменений в организме человека // Гигиена и санитария. - 2001. - №5. - С. 12-16.