考虑部分免疫和环境传播的麻疹传染病模型的全局稳定性
Global Stability of a Measles Epidemic Model with Partial Immunity and Environmental Transmission
通讯作者:
收稿日期: 2018-04-12
基金资助: |
|
Received: 2018-04-12
Fund supported: |
|
该文考虑一个具有部分免疫和环境传播的麻疹传染病模型,得到基本再生数R0,并通过构造Lyapunov函数,研究了该模型的无病平衡点和地方病平衡点的全局稳定性.当R0 < 1时,无病平衡点是全局渐近稳定的,即麻疹不会传播开;当R0 > 1时,模型存在唯一的地方病平衡点,且是全局渐近稳定的,即麻疹的传播保持在一个稳定的状态.最后,通过数值分析说明了这些结果的合理性.该文工作对于预防和控制麻疹病毒的传播具有实际意义.
关键词:
In this paper, a measles epidemic model with partial immunity and environmental transmission is considered, and the basic reproduction number R0 is obtained. By constructing Lyapunov functions, we prove the global asymptotic stability of the infection-free equilibrium and the endemic equilibrium. When R0 < 1, the infection-free equilibrium is globally asymptotically stable, which implies that measles dies out eventually; when R0 > 1, the model has a unique endemic equilibrium, which is globally asymptotically stable, that is the transmission of measles keeps a steady state. Finally, the simulations are carried to verify the rationality of the results. This work has practical significance for guiding us to prevent and control the measles spread.
Keywords:
本文引用格式
靖晓洁, 赵爱民, 刘桂荣.
Jing Xiaojie, Zhao Aimin, Liu Guirong.
1引言
麻疹是儿童最常见的急性传染病,是一种传染性很强的呼吸道疾病,因此通过数学建模来了解它的动力学性态是非常有必要的[1-9].人群普遍为易感者,接种疫苗是预防麻疹的最有效措施.由于麻疹疫苗需接种两次且间隔时间较长,导致漏种的情况及接种疫苗后免疫失败,所以接种疫苗者是部分免疫.此外,麻疹病毒有9-14天的潜伏期,接触过麻疹患者并在潜伏期接受被动免疫者可延至3-4周.未接种过疫苗的人,尤其是幼儿,具有罹患麻疹及其并发症(包括死亡)的最高风险.高传染性的麻疹病毒是通过空气中的飞沫传播(由于咳嗽和打喷嚏),或者是与染病者密切接触,或者是直接接触到他们的鼻腔和口腔分泌物进行传播.病毒在空气中或受染物表体的活力和传染性可维持两个小时.因此环境因素对于麻疹的传播有着重要的影响.
麻疹是已知最具有传染性的疾病之一.已经有许多学者对麻疹进行了研究.文献[1-3]研究了麻疹疫苗的有效性,其中文献[1]考虑了部分免疫对麻疹传播的影响.文献[4]研究了麻疹的潜伏期.文献[5]讨论了部分免疫和潜伏期共同作用下的麻疹传播动力学. Garba[6]等人在Trottier和Philippe[7-8]建立的标准传染率的麻疹传染病模型下,对感染麻疹的人群进行细化,把潜伏者分为接种过疫苗的潜伏者和未接种过疫苗的潜伏者,把染病者也分为接种过疫苗的染病者和未接种过疫苗的染病者,以及加入治疗者,研究了一个更为复杂的模型.文献[7, 9]研究了麻疹的周期性.尽管我国提出2012年消除麻疹的目标,但全国麻疹疫情自2012年年底开始持续回升.文献[9]通过对我国麻疹月数据进行分析,得到麻疹随季节的周期性行为,进而进行数学建头治基于以上的各种研究,均没有考虑环境传播对麻疹的影响.基于此,本文考虑部分免疫和环境传播对麻疹流行性态的影响,构建数学模型,分析了模型的全局稳定性.
本文结构安排如下:第二节建立了具有部分免疫和环境传播的麻疹传染病模型(2.1)并给出了模型(2.2)的正不变集.第三节研究了模型(2.2)的平衡点的存在性和基本再生数.第四节分别证明了模型(2.2)的无病平衡点和地方病平衡点的全局渐近稳定性.第五节对模型(2.2)的结论进行了数值仿真.最后,第六节是本文的结论.
2模型的建立
本文假设新生儿一出生就接种疫苗,忽略因病死亡,并加入了环境因素,用
显然,模型(2.1)中前四个方程与最后一个方程是封闭的,故只分析如下模型
有关参数的意义及取值见表 1.
表表 1 模型中参数的意义及取值(单位:年)
参数 | 取值 | 意义 | 来源 |
新生儿的出生率 | 国家统计局(2017) | ||
0.0131 | 自然死亡率 | 国家统计局(2017) | |
0.8216 | 新生儿接种疫苗的比例 | 文献[9] | |
人与人的感染率 | 估计 | ||
环境对人的感染率 | 估计 | ||
0.15 | 无效的接种率 | 中国疾病预防控制中心(2017) | |
0.95 | 接种疫苗后获得免疫并成为恢复者的转移率 | 中国疾病预防控制中心(2017) | |
26 | 潜伏者变为染病者的比例 | 中国疾病预防控制中心(2017) | |
20 | 染病者的恢复率 | 中国疾病预防控制中心(2017) | |
8 | 染病者排放到环境中的病毒的速率 | 假设 | |
1.6 | 环境中病毒的失效率 | 假设 |
我们假设染病者把病毒排放到环境中的速率为8,麻疹病毒的失效率为1.6,然后使用2004-2016年的麻疹发病人数和模型(2.2)进行数值拟合,得到人与人的感染率
图图 1
事实上,由模型(2.2)的前四个方程有
于是可得
此外,容易证明
是模型(2.2)的正不变集.以下在
3平衡点的存在性与基本再生数
模型(2.2)存在无病平衡点
其中
注 3.1 由文献[5]知,
由文献[10]知,下列结论成立.
定理 3.1 若
下面考虑模型(2.2)的地方病平衡点
考虑代数方程组
由方程组(3.1)的第四个,第五个方程可得
对于
将(3.2)式代入第三个方程可得
定义函数
由于对于
故
当
4平衡点的全局稳定性
下面给出模型(2.2)的平衡点的全局渐近稳定性.
定理 4.1 当
证 根据模型(2.2)的无病平衡点
定义Lyapunov函数
函数
当
定理 4.2 当
证 对模型(2.2)的地方病平衡点
定义Lyapunov函数
容易验证
因为
所以
由均值不等式可知,
显然
从而
5数值仿真
为了验证以上的理论分析,我们进行了数值模拟.
图图 2
图图 3
6结束语
本文建立了一个考虑部分免疫的麻疹传染病模型,并引入了环境传播的影响,得到了模型的基本再生数
当模型(2.2)中不考虑环境传播的影响,我们可得到基本再生数
显然有
参考文献
SV IR epidemic models with vaccination strategies
,DOI:10.1016/j.jtbi.2007.10.014 [本文引用: 3]
Modelling measles re-emergence as a result of waning of immunity in vaccinated populations
,DOI:10.1016/S0264-410X(03)00449-3
Real-time investigation of measles of vaccine efficacy
,DOI:10.7150/ijbs.4329 [本文引用: 1]
On the dynamical analysis of a new model for measles infection
,DOI:10.14445/22315373/IJMTT-V7P519 [本文引用: 1]
考虑部分免疫和潜伏期的麻疹传染病模型的稳定性分析
,
Stability analysis of a measles epidemic model with partial immunity and latency
Mathematical model for assessing the impact of vaccination and treatment on measles transmission dynamics
,DOI:10.1002/mma.4462 [本文引用: 1]
Deterministic modelling of infectious diseases:measles cycles and the role of births and vaccination
,
Deterministic modelling of infectious diseases:applications to measles and other similar infections
,
Seasonal transmission dynamics of measles in China
,DOI:10.1007/s12064-018-0271-8 [本文引用: 5]
Reproduction numbers and sub-threshold endemic equilibria for compartmental models of disease transmission
,DOI:10.1016/S0025-5564(02)00108-6 [本文引用: 2]
/
〈 | 〉 |