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研究生: 張芮萁
Chang, Jhi-Chi
論文名稱: 應用結合貝氏神經場與混合模型於肺癌死亡率之時空分析
Spatio-Temporal Analysis of Lung Cancer Mortality Rates Using Bayesian Neural Fields with Mixture Models
指導教授: 李國榮
Lee, Kuo-Jung
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 管理學院 - 統計學系
Department of Statistics
論文出版年: 2026
畢業學年度: 114
語文別: 中文
論文頁數: 79
中文關鍵詞: 貝氏神經場 、肺癌死亡率 、混合模型
外文關鍵詞: Bayesian Neural Fields, Lung Cancer Mortality, Mixture Model
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  • 根據衛生福利部歷年癌症死因統計,「氣管、支氣管和肺癌」長年位居癌症死因首位。另一方面,台灣鄉鎮層級的肺癌死亡率資料存在著高度複雜的統計特性,本文死亡率資料以比例形式呈現,其數值範圍限制於 [0, 1],且資料在下界 0 處存在大量觀測集中之現象,形成不可忽視的零值膨脹(Zero Inflation)問題。此外傳統時空回歸模型在處理鄉鎮級長期時空資料時,可能面臨較高的運算負擔,若進一步採用以常態誤差為主的觀測假設,則難以同時維持預測準確度並有效描述邊界值大量集中之非典型分布結構。

    本研究以貝氏神經場(BayesNF)建構具膨脹結構之混合模型。首先針對比例型死亡率資料,本研究透過特定轉換方式將其映射至較適合常態建模的連續空間,使模型能以較彈性的函數形式捕捉資料中隱含的非線性時空關係。其次針對點膨脹現象,本文設計了具膨脹結構之觀測概似函數,使模型能有效將膨脹觀測值與非膨脹連續觀測分開描述,避免邊界集中現象干擾整體死亡率趨勢之估計。最後本研究將 BayesNF 所萃取之時空特徵與其他協變量納入線性迴歸架構,藉由迴歸模型評估各協變量與死亡率之間的關聯,並進一步說明時空效應在死亡率變異解釋中所扮演的角色。

    Lung cancer consistently ranks as the leading cause of cancer-related deaths in Taiwan. However, analyzing township-level lung cancer mortality data poses significant statistical challenges, as the data are proportions bounded in [0, 1] with severe zero-inflation. Traditional spatiotemporal models often struggle with heavy computational burdens and fail to accurately fit this atypical distribution.

    To address these issues, this study proposes a zero-inflated mixed model based on Bayesian Neural Fields (BayesNF). First, the proportional data is transformed into a continuous space to capture non-linear spatiotemporal dynamics. Second, a zero-inflated likelihood function is applied to effectively separate excess zeros from continuous observations. Finally, spatiotemporal features extracted by BayesNF are integrated with covariates into a linear regression framework to evaluate their associations with mortality rates and interpret the underlying spatiotemporal effects.

    中文摘要 i Abstract ii 誌謝 v 目錄 vi 表目錄 viii 圖目錄 ix 1 緒論與文獻回顧 1 1.1 資料困境 1 1.2 傳統時空模型缺點 3 1.3 BayesNF 神經網路架構 6 1.3.1 BayesNF模型架構圖 6 1.3.2 BayesNF的潛在時空函數架構 6 1.3.3 先驗分布與參數尺度化設計 7 1.3.4 激活函數之凸組合設計 9 1.3.5 觀測層與觀測分布設定 9 2 統計方法 11 2.1 具膨脹點與局部變異異質性之BayesNF 時空混合模型 11 2.2 混合模型的新架構設計與示意圖 13 2.3 模型訓練流程與參數估計方法 15 2.3.1 最大後驗估計(MAP) 16 2.3.2 變分推論(VI) 18 2.3.3 新時空點預測 19 3 模擬研究 21 3.1 模擬實驗資料生成設計 21 3.1.1 第一類模擬資料 21 3.1.2 第二類模擬資料 29 3.1.3 第一類模擬資料之模型表現 38 3.1.4 第二類模擬資料之模型表現 39 4 實例研究 42 4.1 資料處理與前導性時空分析 42 4.1.1 時空相關性檢定 43 4.1.2 階段性結果呈現 46 4.2 離群值處理、高斯型連續成分之建模診斷以及高風險區標記 47 4.2.1 離群值處理 47 4.2.2 高斯型連續成分之建模診斷 50 4.2.3 高風險區標記 53 4.3 BayesNF 模型配適結果 54 4.4 回歸模型及時空因子表現 56 4.4.1 變數處理與迴歸模型設定 57 4.4.2 一般線性迴歸模型結果 58 4.4.3 膨脹常態混合迴歸模型結果 61 5 結論與未來展望 65 參考文獻 67

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