儿童手足口病的数学建模和计算机模拟
Mathematical Modeling and Computer Simulation on Hand, Foot and Mouth Disease in Children
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收稿日期: 2017-05-24
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Received: 2017-05-24
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手足口病(HFMD)是由肠道病毒引起的传染病,患者主要是少儿,由EV71和CoxA16病毒引起.该文建立了传染病SEIHRS模型,模拟了2012-2016年手足口病患病者的数据,估计了手足口病每年的基本再生数,给出了手足口病少儿疫苗的接种率,预测了2017年手足口病患病者的数目并提出了预防控制策略.该文的结果能为该疾病的预防与控制工作提供理论依据.
关键词:
Hand, foot, and mouth disease (HFMD) is a contagious disease mainly caused by the enterovirus 71 (EV71) and coxsackievirus A 16 (CoxA16). The infectious of HFMD is mainly children. In this paper, we construct an SEIHRS model, simulate the HFMD data of infectious from 2012 to 2016, estimate the basic reproductive number each year from 2012 to 2016, predict the infectious number of HFMD in year 2017, compute the domain of vaccination rate on children and put forward the preventive measures and control strategy. The results of this paper can provide a theory basis for disease control and prevention of HFMD.
Keywords:
本文引用格式
李华, 刘三红, 方奕乐, 张兴安.
Li Hua, Liu Sanhong, Fang Yile, Zhang Xingan.
1 引言
手足口病是由肠道病毒(enterovirus)引起的一种常见儿童传染病,多发于五岁以下婴幼儿, 3岁以下的儿童发病率尤其高[1].手足口病病毒属于肠道病毒,只寄存于人体内,感染了肠道病毒后有的人出现如发热、皮疹等症状,有的人则没有任何症状.无论是否出现症状,感染肠道病毒后的人都具有传染性,病毒存在于感染者的粪便、呼吸道分泌物和疱疹液中,接触到感染者的粪便、呼吸道分泌物和疱疹液均可能引起感染.传播途径主要有:饮用或食用被病毒污染的水或食物;与感染者的近距离接触可以通过他们咳嗽、打喷嚏排出的飞沫而引起感染;儿童接触到被病毒污染的毛巾、手绢、牙具、玩具、餐具等生活用品可引起感染[2].患儿感染肠道病毒后,多以发热起病,手、足、臀等部位出现皮疹,口腔粘膜出现分散状疱疹.少数重症患者病情较重,可出现脑炎、脑膜炎、肺水肿等疾病,病情危重者可导致死亡[3].
1957年,在新西兰首次发现手足口病病例[4], 1958年分离出主要病原体之一柯萨奇病毒A16型(CoxA16)[5], 1959年美国提出以"手足口病"为该病命名, 1969年确认了肠道病毒71型(EV71)为另外一个可引起手足口病的病原体[6].引发手足口病的肠道病毒有20多种(型),其中以柯萨奇病毒A16型(Cox A16)和肠道病毒71型(EV71)最为常见[7-9].从二十世纪七十年代开始,国际和国内因肠道病毒71型(EV71)和柯萨奇病毒A16型(CoxA16)引起的手足口病流行持续发生[10-13]. 2008年5月,我国卫生部把手足口病正式列入《中华人民共和国传染病防治法》规定的丙类传染病范围进行管理[14].截至到2016年5月16日,我国2016年度大约有630, 000例患者[15].
有很多数学模型用来模拟手足口病传染病的传播规律.比如,考虑易感者和染病者的直接传播, Tiing和Labadin[16]应用一个简单的SIR仓室模型预测了马来西亚Sarawak地区感染人数的总和, Liu[17]建立了周期的HFMD模型研究正周期解的存在性, Maetal等[18]建立周期的HFMD模型模拟山东省的隐性感染, Yang等[19]应用HFMD模型模拟中国大陆从2009年3月至2012年2月报道的手足口病数据; 2014年,李勇[20]建立了一个SEIQR模型模拟了中国大陆2009年至2012年的手足口病数据; 2016年,李勇等[21]考虑HFMD阶段结构模型模拟中国大陆从2009年至2014年报道的手足口病数据并给出了优化控制策略.由于易感者和染病者可以非直接接触传播,考虑受污染的环境, Wang等[22]从周期传播率的角度考虑了SEIRW模型,模拟了2010-2014年中国大陆手足口病报道的数据并给出了预防策略; Wang等[23]从非周期传播率的角度考虑了SEIRW模型,分析了受污染的环境对手足口病的影响,并且模拟了2013年中国大陆手足口病报道的数据并提供了预防策略措施.
免疫接种是预防传染病的经济、有效的预防措施之一. 2014年, EV71疫苗[24-25]已经研发成功,并且对由EV71引起的婴幼儿手足口病患者提供大约一年的免疫保护[26]. 2016年经由中国医学科学院医学生物学研究所自主创新研发肠道病毒71型(EV71)灭活疫苗(人二倍体细胞)经国家食药监总局批准正式上市[27],这将对我国乃至世界手足口病的防控产生巨大的影响,但以往的研究成果并没有考虑控制手足口病时需要施行的疫苗注射范围. Zhang等[28]考虑疫苗对美国流感的影响,并且利用数学模型计算了疫苗注射的范围. EV71疫苗对于手足口病的影响类似于流感疫苗对于流感的影响,我们将在传统的SEIR模型的基础上结合文献[28]的思想,将李勇[20]的工作做进一步的推广,模拟中国大陆2012年至2016年手足口病患者的数据,并预测出2017年手足口病的患病人数,同时考虑EV71疫苗对手足口病的影响,给出儿童疫苗的接种率和接种人数的大致范围.
2 方法
2.1 数据来源
表 1 2012-2016年每月HFMD病人数据(来源:CDC & NHFPC)
月份/年份 | 2012 | 2013 | 2014 | 2015 | 2016 |
一月 | 47526 | 56956 | 51003 | 57763 | 79499 |
二月 | 41614 | 33261 | 40646 | 33003 | 32457 |
三月 | 100575 | 88724 | 162486 | 61378 | 72464 |
四月 | 248855 | 172499 | 430024 | 173384 | 226430 |
五月 | 454651 | 255533 | 523743 | 287235 | 442075 |
六月 | 374749 | 303423 | 474419 | 354308 | 452668 |
七月 | 113922 | 154213 | 140151 | 180813 | 171581 |
九月 | 138875 | 182317 | 197059 | 180074 | 134972 |
十月 | 142617 | 127566 | 207550 | 160106 | 177639 |
十一月 | 147403 | 105061 | 149732 | 130829 | 217754 |
十二月 | 122506 | 94435 | 99201 | 116239 | 145558 |
2.2 数学模型
为了模拟表 1中的数据,我们先将人群分为五个部分:易感者(
(1)假定易感者与染病者接触后变成潜伏者,而潜伏者以不同的比例又变为染病未住院治疗者和染病住院治疗者,这两类染病者都以一定的比例进入康复者,而康复者经过一段时间后又以一定的比例变为易感者;
(2)假设易感者与染病者的有效接触率是常数
(3)假设所有人的出生率和自然死亡率均为
(4)假设我们考虑的环境是封闭的,即没有人口的迁入和迁出.
根据我们的假设,我们绘制出如下的手足口病模型流程图(见图 1).
图 1
表 2 儿童HFMD传播常微分方程模型(未注射疫苗)
表 3 儿童HFMD传播常微分方程模型(注射疫苗)
3 结论
3.1 参数估计
为了更好地估计参数,我们设定时间单位为天.查阅中国国家统计局数据可知, 2012-2016年中国人口的平均寿命约为75岁,故而我们在表 4中固定每天的出生率和自然死亡率均为
我们采用MATALB优化工具箱中的fminsearch函数工具来计算下面式子的最小平方和(MSS)
其中,
考虑到当前的医疗水平及社会经济发展水平,我们假定凡是被医院确诊的染病者均住院接受治疗,所以假定在
表 4 2012-2016年HFMD参数估计及基本再生数
参数及其范围 | 来源 | 2012 | 2013 | 2014 | 2015 | 2016 |
β∈[0, 50] | MSS | 1.078 | 1.0502 | 1.0791 | 0.9819 | 0.7256 |
γ1∈[0, 1] | MSS | 1.0000 | 0.9999 | 0.9997 | 0.9454 | 0.6643 |
γ2∈[0, 1] | MSS | 1.0000 | 1.0000 | 0.9998 | 0.9477 | 0.9944 |
α∈[0, 1] | MSS | 1.0000 | 1.0000 | 0.9590 | 1.0000 | 0.9959 |
ρ∈[0, 1] | MSS | 0.0591 | 0.1227 | 0.0879 | 0.1608 | 0.0384 |
γ3∈[0, 1] | MSS | 0.0106 | 0.0042 | 0.0087 | 0.0025 | 0.0109 |
E(0) | MSS | 4000 | 4000 | 3000 | 3279 | 3800 |
I(0) | MSS | 3300 | 2177 | 2994 | 3299 | 3799 |
H(0) | MSS | 4000 | 4000 | 3000 | 3300 | 3796 |
R0 | Calculated | 1.0778 | 1.0448 | 1.0792 | 1.0380 | 1.0919 |
3.2 拟合优度的总体卡方检验(Chi-square test)
为了检验我们的模型(见表 2)的模拟数据与真实数据的拟合程度有多接近,我们做如下的假设检验.
表 5给出了我国2012-2016年手足口病的卡方值和自由度.我们发现2012-2016年手足口病的卡方计算值都远远小于临界值5.991,故而我们接受假设
表 5 2012-2016年总体卡方检验值表
年份 | 2012 | 2013 | 2014 | 2015 | 2016 |
卡方值(χ2) | 0.1163 | 0.1033 | 0.1678 | 0.1393 | 0.3158 |
自由度 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |
临界值 | 5.991 | 5.991 | 5.991 | 5.991 | 5.991 |
临界值是在自由度为2的χ2分布的0.05的上侧分位点 |
图 2
3.3 2017年手足口病患者预测
图 3
3.4 疫苗接种比例及疫苗接种范围
令
研究表明,我国新研制的肠道病毒71型(EV71)灭活疫苗在于EV71相关的手足口病患者长达11个月的免疫保护中,其免疫保护率可达[30],从而疫苗的失效率
4 讨论及建议
我们建立了一个微分方程模型模拟中国疾控中心公共卫生数据库与华人民共和国国家卫生和计划生育委员会提供的2012年至2016年每月手足口病(HFMD)患者的数据.我们根据表 4中的最优参数值和一些固定值估计了每年手足口病的基本再生数,同时预测了2017年手足口病的流行状况及EV71疫苗的接种率和疫苗接种人数的范围.为了控制手足口病传染病,我们需要保证基本再生数小于1.由基本再生数的数学表达式可知基本再生数与有效接触率
(1) 降低人群中疾病的有效接触率系数
(2) 提高手足口病EV71疫苗接种的比例
(3) 增加接受治疗后的治愈率
(4) 增加住院接受治疗的比率
在手足口病(HFMD)流行高峰期要结合上面的建议综合控制基本再生数的的值,使得我们能够更加有效地控制手足口病的传播.
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