《The Journal of Rural Health》：Geospatial structural isolation analysis of emergency services in New York State
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本文综述运用地理信息系统(GIS)与网络分析，系统评估了纽约州(NYS)特别是其农村与边境地区急救医疗服务的地理性结构性隔离。研究通过计算医疗机构间距离、60分钟行驶等时线(Drive-time isochrones)与泰森多边形(Voronoi)集水区(Catchment Area)，量化了服务覆盖盲区与设施隔离指数(Isolation Factor)。结果表明，偏远地区存在直径达60-70英里、面积超3000平方英里的巨大服务空白，揭示出尽管人口密度低，但因地形、路网及资源有限导致的急救可及性(Accessibility)严重不平等。文章强调需结合社区需求、区域协作及跨边境设施整合，构建更公平的应急医疗体系。
引言
急救医疗服务可及性是公共卫生的基石，但在农村地区，特别是纽约州(NYS)，不平等的现象持续存在。该州约350万居民生活在超过41,000平方英里的农村地区。距离、交通基础设施和有限的交通选择构成了获得医疗服务的障碍。在医疗保健背景下，隔离(Isolation)包含了到最近医院的距离、人口密度和医疗资源分布等多重因素。可达性(Accessibility)作为一个交通地理学概念，衡量从特定位置到达活动地点或城市服务的便捷程度。更长的就医时间会降低人们寻求并获得所需护理的可能性。地理隔离、资源限制和广阔的覆盖区域相结合，可能导致急救护理延迟，对患者预后产生不利影响。因此，理解医院集水区(Catchment Area)的地理空间动态，对于制定减轻这些差异、改善农村地区医疗可及性的策略至关重要。
本研究旨在通过地理空间分析，评估提供急救服务的医院的结构性隔离(Structural Isolation)，识别那些因覆盖区域过大或设施间旅行时间间隔过长而将农村人口置于更高风险的机构。隔离是一个多维概念，本研采用整体方法，综合考虑多种因素，以更清晰地识别最需要加强医疗服务的地区。与大多数关注患者可及性的现有研究不同，本研究侧重于基于医疗机构间地理空间可达性来评估医院集水区的范围。许多机构，特别是农村地区的医院，面临着资源隔离，需要为广阔的周边地区提供服务。农村医院通常覆盖更大的地理区域，这因运输时间延长和转移需要更高救治级别患者的困难而加剧了护理延迟。本研究旨在通过地理空间分析来应对这些挑战，评估医院覆盖范围，重点关注急救服务，并识别脆弱区域。
方法
数据收集与整合
医院位置和急救服务可用性数据来源于美国和加拿大的医院数据集。纳入加拿大医院是必要的，因为边境设施存在互助协议，紧急情况下任一国家的居民都可以前往最近的合适医疗机构。加拿大数据仅限于与纽约接壤的省份（安大略省、魁北克省和新不伦瑞克省），以反映跨境互助协议和最近合适设施实践。来自美国人口普查局的人口密度数据补充了地理空间分析，用于评估主要是非大都市县的服务需求。2020年的数据因其在所有数据可用性方面的一致性而被选为分析年份，以尽量减少评估的不一致性。
数据清理与准备
医院数据集经过严格的清理过程，统一了美国和加拿大数据字段以确保一致性。通过历史研究来处理急救服务可用性的缺失值，以确定医院在2020年是否提供急救服务。数据集被合并和过滤，以保留纽约州及邻近州的医院，确保研究重点放在可能存在跨境医疗互动的区域。研究中注意到州数据中的一些遗漏，并进行了手动校正以完成分析。这些是数据录入的遗漏，但所有修正都经过完整性和准确性验证。然而，考虑到大量的设施、服务和研究范围，承认所提供的数据集可能包含错误。
地理空间分析
使用地理信息系统(GIS)绘制医院的地理空间坐标。医院被建模为网络中的节点，边代表设施间的大地距离(Geodesic Distances)。使用Python库Folium和Geopy构建此网络，便于分析医院的中心性和连通性。使用Google Maps将医院地址转换为GIS坐标，以便进行时空测量。测量了医院与其最近邻点之间的距离，并使用美国管理和预算办公室(OMB)对大都市和非大都市区域的分类进行比较。通过使用NetworkX进行网络分析来关联位置，确认网络边距离，从而验证隔离。标准术语见表1以确保一致性。
表1. 术语
术语 | 研究中的定义 |
|---|
结构性隔离 | 医院之间的距离和旅行时间间隔，通过设施间大地距离、行驶时间等时线和泰森多边形集水区测量。 |
基于人口的可及性 | 相对于人口分布（农村-城市通勤区(RUCA)分类、人口普查密度）测量的可及性。 |
集水区 | 代表医院作为最近可及设施的地理区域的多边形，源自泰森多边形图并裁剪至陆地边界。 |
隔离指数 | 结合集水区面积（平方英里）和到最近相邻设施距离的综合指数。 |
差异 | 急救护理可及性的不平等，在本研究中具体定义为RUCA≥7、平均旅行时间>60分钟、集水区更大、以及相对于城市人口具有更高农村资源分数(RRS)值的人群。 |
使用真实道路网络路由服务生成了60分钟行驶时间等时线，该服务考虑了道路几何形状、速度、海拔、坡度和研究时可用历史交通数据中的道路等级。因此，地形和地势对行驶速度的影响被隐含地纳入计算出的旅行时间中，从而得出旅行集水区大小。
研究还考虑了位于州边界的医院设施，因为如果不考虑周边地区的设施，这些设施可能会被不公平地赋予更高的隔离权重。计算中包含了相邻的州和省，以准确评估设施的隔离和覆盖区域。加拿大的医疗设施被纳入计算，是因为美国和加拿大在边境地区共享服务的协议。
虽然人口密度和RUCA分类与集水区叠加以背景化可及性，但主要分析焦点是设施的结构性隔离，而非基于人口的可及性指标。这一选择反映了纽约偏远地区人口流动性和季节性旅行的大幅波动，这可能扭曲静态的人口与设施比率。通过强调设施间间隔、集水区大小和旅行时间鲁棒性，该分析独立于临时或可变的人口流动，分离出医疗系统的结构能力。
设施隔离半径
所使用的函数旨在通过确定每家医院到其他所有医院的最小距离，然后根据这些距离对医院进行排序，从而识别最孤立的医院。该过程首先遍历每家医院。对于每家医院，使用其纬度和经度坐标计算到其他每家医院的大地距离。大地公式计算两点间的最短路径。该计算确定每个急救设施与其最近邻点之间的距离，以判断隔离程度。
从数学上，这表示为di= minj≠idist(hi, hj)。
一旦计算了到所有其他医院的距离，算法通过找到这些值中的最小距离来识别医院hi的最近邻。此最小距离表示为NNi。确定每家医院的最小距离后，函数根据其最小距离对所有医院进行降序排序。
最后，返回最小距离最大的前10家医院，代表数据集中最孤立的医院。该方法突出了与邻近设施距离最大的地点，这对于可识别隔离区域或资源受限的模型很有用。
该模型将前10家医院识别为整个纽约州面临最高隔离和最大覆盖区域的设施。
然而，这些信息只得出设施隔离程度，并未表明一个设施需要负责覆盖多大的区域。计算每家设施的集水区面积，以显示实际覆盖的平方英里数，而不仅仅是到下一个最近设施区域的半径距离，从而指示覆盖的实际平方英里面积。
集水区计算
该函数通过构建和分析泰森多边形图，系统地确定提供急救服务的医院的地理覆盖区域。首先，过滤数据集以仅包含提供急救服务的医院，记为Hemerg。然后将这些医院的地理坐标转换为网络墨卡托投影(Web Mercator CRS)以进行精确的面积计算。
- 1.
将所有过滤后医院的坐标投影到网络墨卡托坐标参考系(CRS)，以便进行精确的空间计算。
- 2.
使用Hemerg中每家医院的坐标构建泰森多边形。
- 3.
将每个泰森多边形裁剪至海岸线地理边界，确保只保留有效的陆地区域。
使用投影后的坐标，为Hemerg中的每家医院生成泰森多边形。泰森多边形构造对空间进行划分，使得每个多边形Vi包含所有距离医院hi比距离任何其他医院更近的点。数学上，这种关系定义为Vi= {p ∈ ?2| d(p, hi) ≤ d(p, hj) for all j ≠ i}，其中d代表欧几里得距离。
生成的泰森多边形根据海岸线边界进行裁剪，将每个多边形限制在陆地上。此操作确保生成的多边形代表陆地集水区。分析裁剪后的多边形以计算其面积Ai（单位：平方米）。面积计算利用了投影网络墨卡托坐标参考系中平面几何的特性。然后根据多边形面积对医院进行排序。排名按面积降序确定，面积最大的医院排名最高。
类似的方法用于分配60分钟通勤时间之外的未覆盖集水区，将任何医院等时线未覆盖的区域根据空间邻近性按比例分配给相邻设施。这确保了旅行时间过长的区域被纳入最近的可行医院集水区hj，从而在整个州内提供更完整、更现实的服务责任划分：Auncovered= ∑(Ai× wij)，其中wij是基于空间邻近性的权重。
该方法提供了医院覆盖范围的定量评估，特别有助于理解资源可及性和隔离，从而更准确地评估设施的覆盖区域。该方法旨在评估从提供急救服务的医院出发，所有方向60分钟行驶时间内的覆盖范围，去除重叠覆盖，然后将任何未分配的附近区域添加到最近的设施。这种重新分配显示了设施真正的隔离情况以及那些在偏远地区需要依赖地面交通的人所面临的实际状况。
结果
分析揭示了纽约州各地，特别是农村和边境地区，在急救医疗覆盖方面存在显著缺口。
关键发现包括：
- 1.
识别出距离超过急救可接受阈值的最孤立医院。
- 2.
强调了需要针对性干预的急救服务覆盖不足的区域。
如图1所示，纽约州的医院面临着为其提供医疗保健服务的广大农村地区。半径测量结果显示，前10大最孤立设施与其邻近设施覆盖区边缘之间的半径至少为30英里，这意味着在到达下一个最近可用资源之前，这些设施中的大多数覆盖直径超过60英里。这些结果仅考虑了当前位置，但该州有大量区域处于这些设施的直接覆盖范围之外，留下了更加孤立的地区。该研究仅评估了当前设施到最近邻点的可及性，但承认由于模型在覆盖重叠区域终止覆盖，一些设施的覆盖范围将超出半径覆盖范围。该模型旨在衡量即时医疗保健隔离对周边地区的重要性。
图2说明了前10大最孤立设施的覆盖直径及其相对于全州的比例覆盖面积。虽然这些设施中有一些位于人口密度较低的地区，但也有一些设施位于人口较稠密地区或主要高速公路附近，这表明其获得护理和资源的机会不足。
通过测量所有设施的多边形集水区面积，进一步评估了每家设施实际覆盖的平方英里数，结果如图3所示。覆盖面积最大的设施是Adirondack Medical Center，其独占覆盖面积为3421.66平方英里，详见图4和图5。然而，与半径测量结果类似，排名最高的医院受到的影响尤为严重，按平方英里计算的排名第一的医院覆盖面积超过了平均集水区覆盖面积（平方英里）的八倍以上。
如图4至图6所示，与纽约州的城区相比，农村地区的地理位置存在显著差异。排名最高的医院与下一个覆盖区之间的隔离直径接近70英里，这意味着在这些设施之间获得医疗保健的间隔大约有70英里。此外，集水区多边形追踪揭示了巨大的不平等。图7显示了这些集水区与人口的对比情况。到附近设施距离更远、集水区更广阔的区域更为孤立。这些偏远设施由于其隔离性、资源有限以及长距离运送患者所面临的挑战而处于不利地位。
从到最近设施的半径隔离测量结果来看，虽然测量了平方英里的集水区面积，但仅凭这些信息无法确定哪些设施最孤立。为了确定纽约州最孤立的设施，创建了一个隔离指数(Isolation Factor)，该指数结合了以下因素：Isolation Factor = Catchment Area (mi2) × Distance to Nearest Neighbor (mi)。
根据此因子，我们能够识别出在向农村社区提供护理方面由于隔离而处于明显劣势的前五大医疗机构，详见表2。隔离指数是作为结合多边形集水区面积和到最近邻近设施半径距离的综合指标计算得出的，提供了设施层面隔离程度的定量评估。
表2. 按隔离指数排名的前几大孤立医院
排名 | 医院名称 | 覆盖半径(英里) | 多边形覆盖面积(平方英里) | 隔离指数 |
|---|
1 | Adirondack Medical Center | 28.543114 | 3421.66 | 97.664 |
2 | Clifton Fine Hospital | 24.022622 | 3230.24 | 77.598 |
3 | Alice Hyde Medical Center | 30.802628 | 1944.49 | 59.895 |
4 | Little Falls Hospital | 21.350905 | 1928.45 | 41.174 |
5 | Elizabethtown Community Hospital | 26.008524 | 1541.59 | 40.094 |
6 | Cobleskill Regional Hospital | 22.447384 | 1532.16 | 34.392 |
7 | Champlain Valley Physicians Hospital Medical Center | 20.436001 | 1593.79 | 32.570 |
隔离指数提供了设施分离程度的有用度量，但未直接考虑行驶时间。如图8所示，纽约州有几个地区通过地面交通到最近急救服务点的时间超过60分钟。尽管这些地区通常居民人口较少，但主要高速公路、山区地形和季节性旅游的存在放大了它们的脆弱性。虽然集水区是使用实时旅行数据计算的，但极端天气条件可能会扩大未覆盖区域的范围，进一步限制获得及时护理的机会。图8展示了纽约州依赖地面交通的人们在实际中与急救服务隔离的情况。
讨论
公平护理的差异
所发现的差异凸显了在纽约州确保公平急救医疗可及性所面临的挑战。差异具体指纽约州北部RUCA≥7、平均旅行时间>45分钟、集水区更大、以及相对于城市人口具有更高RRS值的人群。农村和边境地区由于地理隔离和资源有限而面临重大障碍。
应对这些挑战需要多管齐下的方法：
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基础设施发展：在高风险地区，特别是在具有孤立医院和高人口密度的地区，优先建立新的医疗设施。
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交通改善：改善交通网络以减少到现有设施的旅行时间。建议为空中支援护理团队提供额外资金。
- •
远程医疗实施：部署远程医疗中心，以弥补偏远地区的可及性差距。
研究局限性
本研究假设所有设施都提供全面的护理服务，这对于提供有限服务的临界准入医院(Critical Access Hospitals, CAH)而言通常不属实。所讨论的资源并未考虑到某些服务是外包的或小型设施不提供的，这将在紧急情况下进一步加重及时护理的负担。然而，这些小型设施很可能正是那些为农村人口提供护理的孤立设施。研究仅评估了每个设施及其邻近设施的空间位置和覆盖区域。该研究评估了空间距离和行驶距离，并纳入了人口普查数据；然而，无法获得医院入院数据。在未来的研究中纳入入院数据将增强集水区验证，并提供更准确的服务需求评估。农村性主要使用OMB分类定义，但研究结果也使用RUCA代码进行了交叉核对。未来的研究应纳入其他分类以进行敏感性测试。
建议
为了有效解决急救医疗覆盖方面的缺口，必须优先资助空中医疗运输系统，并扩大对这些农村地区救护车服务的支持。这些投资对于提高从偏远和服务不足地区快速转运患者到医疗机构的能力至关重要，及时的干预措施可以显著改善预后。空中救护车能够克服地理障碍，在地面运输因距离、基础设施限制或自然障碍而不足的地区尤其有价值。
除了这些措施外，识别和指定有资格获得临界准入医院(CAH)资格的地区至关重要。CAH指定确保有针对性的资源分配给农村和孤立社区，使这些地区能够维持医疗保健运营、改善急救服务，并应对其面临的独特挑战。
通过将空中运输解决方案与战略性医院指定相结合，医疗系统可以创建一个强大的框架，为不同和服务不足的人群提供公平有效的急救护理。实施空中支援可以立即解决受关注区域的问题，同时可以重新审视基础设施规划。
结论
解决纽约州的急救医疗差异需要一个全面的、数据驱动的方法，以弥合在农村和服务不足地区发现的显著差距。本研究强调了地理隔离、资源限制和医院集水区扩大对及时获得急救护理的深远影响。通过地理空间分析，识别出了最孤立的医院，揭示了对支持这些设施及其服务人口的针对性干预的迫切需求。
关键建议包括优先投资空中医疗运输系统，并扩大对救护车服务的支持，以改善偏远地区的患者转运时间。此外，临界准入医院(CAHs)的指定和资助对于确保在最服务不足地区进行资源分配和运营可持续性至关重要。通过实施远程医疗中心、加强交通网络和战略性发展基础设施，医疗系统可以显著减少获得护理的障碍。
研究结果强调了将先进的地理空间工具与公共卫生战略相结合，以有效解决医疗不平等问题的重要性。虽然该研究提供了有价值的见解，但数据准确性方面的局限性以及对设施能力的假设表明，需要进行持续研究以完善和调整这些建议。结合社区需求、区域动态和跨境协作的整体方法，对于实现公平的医疗可及性和改善农村人口的预后至关重要。通过这些努力，纽约州可以采取有意义的措施来减轻急救医疗差异，并培育一个更具韧性的医疗体系。
