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监测预警基础33-中断时间序列模型(ITS):评估某种干预效果

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系列简介

这是我们一系列原创技术贴,从易到难,每天学习一点。所有内容均为疾控数据分析、科研论文相关,或者说很多和现在的热门监测预警相关,所以我们这个系列就叫“监测预警基础”。

今天是第33节,我们今天讲一种新的方法或者说实验设计,中断时间序列模型(ITS)。

如有不当之处,欢迎留言讨论。


假设您是某市疾控的监测人员。2019年9月,本市首次对全市小学生免费接种流感疫苗。一年后,您打开传染病报告系统,发现2020年秋冬季的流感报告病例比2019年同期少了40%。

能直接下结论说"疫苗效果惊人"吗?

不能。

因为2020年可能还发生了其他事情:新冠防控期间戴口罩、保持社交距离、学校频繁停课……这些混杂因素让简单的"前后对比"毫无意义。

那该怎么办?

答案就是今天的主角——中断时间序列模型(Interrupted Time Series, ITS)。它不需要随机对照组,只需要利用干预前的时间序列自身作为对照,就能把"干预的真实效果"从自然趋势和季节波动中"抠"出来。


中断时间序列是一种准实验(Quasi-experimental)定量研究方法。

核心思想是在干预发生前,建立结局指标(如发病率、报告数、及时率)随时间变化的数学模型,然后将这条趋势线向前外推(Counterfactual,反事实),作为"如果没有干预,数据应该是什么样"的对照。干预后的实际数据与这条外推线的差距,就是干预的净效果。

所以涉及三个关键词:

中断(Interrupted):干预像一把刀,切断了原来的时间趋势。

时间序列(Time Series):结局指标按固定时间间隔(通常按月/周)记录。

反事实(Counterfactual):用数学外推模拟"没有干预的平行世界"。


ITS本质上是一个扩展的多元线性回归模型(也可扩展为Poisson回归或负二项回归,适用于计数数据)。

公式如下:


我们解释一下每个变量的含义:


其中,最核心的参数就是以下4个:


比如接种疫苗的例子,关键逻辑就是如果疫苗有效,我们预期β2为负且显著说明即时发病减少,或者β3为负且显著,说明长期下降加速。

其实看懂上面的公式,基本也就看懂中断时间序列了!


第一步:数据准备

数据结构要求为:

  • 时间单位:月、周或季度。月是最常见的选择。

  • 长度要求:干预前至少12个时间点(最好24个以上),干预后至少12个时间点。

  • 结局变量:连续型(发病率、报告数)或计数型(病例数)。

  • 协变量(可选):人口数、气温、节假日等。


第二步:绘制原始序列图

在Excel、R或Python中画出时间序列折线图。重点观察:

  • 是否有明显的季节性?(流感肯定有)

  • 干预前趋势是否大致线性?(如果呈指数增长,需取对数转换)

  • 干预点是否有肉眼可见的跳变?


第三步:建立回归模型,跑数据

使用统计软件(SPSS、Stata、R、SAS均可)运行回归即可,这一步我们之前也已经讲过。

但是要注意,如果结局是报告病例数(非负整数),且存在过度分散(方差>均值),普通线性回归不再适用,应改用:

Poisson ITS回归:glm(Y ~ ..., family = poisson)

负二项ITS回归:当Poisson的残差过度分散时采用

ARIMA-ITS:当残差存在严重自相关时,结合时间序列模型

第四步:模型诊断

ITS模型最怕残差自相关(Autocorrelation),即上个月的误差会影响这个月。必须检验:

  1. Durbin-Watson检验:统计量应接近2(1.5-2.5可接受)。若<<1.5,说明存在正自相关,需用Newey-West标准误或ARIMA-ITS模型校正。

  2. 残差图:画出残差随时间分布的散点图,应随机分布在0轴上下,无明显的波浪形模式。


第五步:结果解读与可视化

数值解读,重点看β2(水平变化)和β3(斜率变化)的系数、95%CI和P值。

图形解读可以画图,比如:

  • 图1:原始数据与拟合线:展示干预前后两条拟合直线。

  • 图2:反事实外推线:将干预前的趋势线"延长"到干预后,与实际数据对比,两者之间的阴影区域就是干预的累积效果。

  • 图3:残差图:验证模型假设。

  • 图4:效应分解图:分别标注"即时水平变化"和"斜率变化"的大小。

好了,到此为止,就做完了中断时间序列分析,我们需要注意的ITS的适用条件和不适用的情况:

适用条件

  1. 干预时间点明确:知道具体哪个月/周发生了干预。

  2. 干预前趋势稳定:干预前至少10-12个数据点,且趋势相对平稳(无明显断崖式波动)。

  3. 无其他同时期重大干预:如果干预当月同时发生了另一项政策,模型无法区分两者的效应(多重共线性)。

  4. 结局指标可连续监测:有完整的、无缺失的时间序列数据。


不适用的情况
  1. 干预是渐进的:如"慢慢推广"的干预,没有明确的中断点。

  2. 干预前数据太少:只有3-5个点,无法建立可靠的趋势线。

  3. 结局指标剧烈震荡:如周数据受节假日报告延迟影响极大,基线不稳定。

  4. 群体发生了改变:干预前后监测人群结构发生巨变(如大规模人口迁入),反事实外推失效。



编辑:普通疾控人 | 审核:诗酒趁年华

文章来源 | 原创

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