基于R语言应用矩阵计算半定量食物频率问卷的营养素摄入量*

西安交通大学医学部公共卫生学院流行病与卫生统计教研室（710061）

米白冰 屈鹏飞 程 悦 党少农△ 裴磊磊 颜 虹△

基于R语言应用矩阵计算半定量食物频率问卷的营养素摄入量*

西安交通大学医学部公共卫生学院流行病与卫生统计教研室（710061）

米白冰 屈鹏飞 程 悦 党少农△裴磊磊 颜 虹△

目前常用的膳食调查方法可以分为前瞻性和回顾性调查方法两大类，实际营养流行病学调查中多以回顾性调查方法评估人群膳食摄入，其中尤以半定量食物频率问卷法在实际工作中应用较为广泛［1-4］。实践中，研究者多使用营养计算器、excel、SPSS、stata等软件计算膳食营养成分，但上述软件应用到大规模人群调查的膳食营养素数据处理时仍有颇多掣肘之处，使用不便［3，5-6］。本文将基于矩阵运算思想，利用 R语言的矩阵运算功能编制营养素计算程序，展示其在膳食营养素成分计算的应用，突出体现其便捷、高效、精确的特点，供相关研究人员在今后使用半定量食物频率问卷时权作参考。

对象与方法

1.研究对象

（1）调查人群膳食数据库

数据来源于2013年7月至11月在陕西省30个县进行的出生缺陷现况及其危险因素横断面调查。采用横断面调查设计，分层多阶段随机抽样方法进行抽样，根据城乡比例，并考虑人口密集度和生育水平，随机抽取10个城区和20个县。在抽样县中随机抽取6个乡（城区为3个街道），从每个乡随机抽取6个村（城区为6个社区），每个村随机调查30名（社区为60名）在2010-2013年间曾经怀孕的妇女，在这些妇女中随机抽取个体完成半定量膳食频率问卷，该膳食问卷收集了102种食物的食用频率及分量的数据。膳食问卷审核无误后，经Epidata3.1建立数据库，采用双盲录入法进行数据录入和整理。选取其中2000份半定量膳食频率问卷作为训练集进行方法演示。

（2）食物成分表数据库

以《中国食物成分表（2004版）》，《中国食物成分表（2002版）》为准，经Epidata3.1建立数据库，采取双盲录入法进行数据录入，制作中国食物成分表数据库。选取本次膳食问卷询问到的有关食物单独提取建立食物成分表数据库，包含102种食物的25项膳食成分，数据库结构如表2。

表1 调查人群膳食数据库样例

表2 食物成分表数据库样例

2.研究方法

若A为m×n矩阵，B为n×p矩阵，则他们的一般矩阵乘积A×B会是一个m×p的矩阵C。其中元素的计算公式如下：

另有，给定两个的矩阵，其阿达马乘积标记为A·B。则有

运用矩阵运算的思想观察上述两个数据库的结构特点，可以发现具有明显的规律性，膳食数据库中fr1至fr102代表被调查者各类食物的食用频率，wt1至wt102代表被调查者各类食物的单次食用分量。食物成分数据库中，25个变量则为该食物的对应的25种营养素成分。则可以将膳食数据库构建为两个矩阵，分别为7424行102列的食用频率矩阵FR和单次食用分量矩阵WT；同时将食物成分数据库构建为102行25列的食物成分矩阵FC。对每一例被调查者，其营养素摄入量的计算公式如下：

某一营养素摄入总量

＝fr1×wt1×食物1中该营养素含量+fr2×wt2

×食物2中该营养素含量+…+fr102×wt102

×食物102中该营养素含量

则计算整个调查人群的营养素摄入量，可以抽象为计算一个7424行25列的矩阵PF，具体计算过程如下

如上式，可以看到，灵活运用矩阵思想将繁琐的计算过程抽象为简单的矩阵计算式。而R语言强大的矩阵运算过程让上述计算实现起来较为简单［7］。下面我们就具体讨论计算过程的R语言实现。

程序及结果

1.生成拟计算的矩阵FR、WT、FC

#导入膳食FFQ问卷数据#

#建立主要膳食矩阵#

#拆分为膳食频率和每日膳食量矩阵#

#导入营养成分数据#

#建立矩阵#

2.计算每日营养素摄入矩阵PF，并输出数据集

#矩阵的点乘计算相关人群膳食摄入量#

#计算每日营养成分#

#数据导出#

3.计算结果

输入上述命令后运行，生成的调查人群营养素摄入量数据集如表3所示。可以看到，所有被调查者的营养素摄入量已自动按成分列出，便于后续处理和分析。

表3 调查人群的营养素摄入量数据样例

讨 论

半定量食物频率问卷已广泛应用在营养流行病学调查中，用于了解人群的膳食营养素摄入情况，有助于探索营养素与健康的相互关系。然而在实际应用工作中，由于传统营养计算器设计目标用户多为医院临床营养科室，多用于个体的膳食指导等方面，计算营养素成分时需单个手工输入调查者的数据并计算，虽具有操作简单，使用方便的优点，但不能满足用户个性化需求，且难以修改数据库。其面对数十份半定量食物频率问卷时效率尚可，但在数千份问卷的数据分析时，会给数据录入者造成极大的体力和脑力负担，此时，其计算的准确性也不能保证。而有部分研究报道，使用SPSS、STATA等统计软件编制宏程序计算膳食营养素，虽然免于手工单个数据的输入和计算，但实际应用中发现，上述软件的程序编制工作浩繁，动辄输入数百行程序，医学工作者的学习难度较大，不能广泛推广。

本文主要介绍了矩阵运算的思想，将传统的线性计算过程转换为矩阵的乘法运算过程，计算过程大为简化，思路清晰，极易编程实现。在具体应用过程中，利用R语言的矩阵预算过程能简洁快速地编制程序（全部计算程序不超过20行），计算过程全程自动化，避免了人为录入数据时的差错，且能够选择性提取特定食物、特定营养素成分分别进行计算，对膳食数据的计算具有高度的灵活性，具有极高的应用价值，值得在实际研究中推广应用。

［1］邹凌燕.大学生膳食营养及人体成分的研究.山东大学，2005.

［2］王小琴，颜虹，飒日娜.西安市50岁以上居民食物频率问卷准确性及重现性研究.卫生研究，2009，38（3）：299-301.

［3］党少农，颜虹，邢远，等.育龄妇女血清叶酸及血红蛋白水平调查.中国公共卫生，2009，（2）：134-136.

［4］束莉.孕期增重、新生儿出生体重的影响因素分析及与膳食关系的研究.安徽医科大学，2010.

［5］胡庆庆.农村中老年人群食物营养素摄入情况及生活习惯调查分析.青岛大学，2010.

［6］郑艳泽，翟成凯，刘亚琪，等.Excel 2003在营养计算器中应用.中国公共卫生，2010，（4）：471.

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

国家自然科学基金（编号：81230016）

△通信作者：党少农，E-mail：tjdshn＠mail.xjtu.edu.cn；颜虹，E-mail：xjtu_yh.paper＠aliyun.com

郭海强）