百日咳的传染病动力学建模与分析 ——以喀什为例

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百日咳(pertussis,whooping cough)是一种多发于未免疫儿童的严重急性呼吸道传染病,它是由百日咳杆菌引起的。本文基于新疆喀什地区2004-2015年百日咳每年的新发病例数据和新疆喀什地区2015-2018年每月的百日咳患病数与细颗粒物浓度数据,构造出有关百日咳的传染病动力学模型,再以此动力模型为基础加入影响百日咳传播有关的雾霾(pm2.5)因素进而构造出细颗粒物-百日咳传播的非自治动力学模型来分析百日咳的传播规律和雾霾对百日咳传播的影响情况,通过对模型的预测提早认知到新疆喀什地区有关百日咳的全貌和发病趋势,揭示百日咳的发病机理和其流行规律,找到影响百日咳流行的关键因素,这对有关部门日后研究百日咳的工作提供了科学的理论基础,也为喀什地区进一步对百日咳的控制提供了行之有效的参考依据和相应的解决办法。方法:根据百日咳的传播机制,使用传染病动力学建模方法构建百日咳动力学传播模型,再以这个模型为基础,考虑到雾霾因素对百日咳传播的影响,进而构造出与雾霾有关的百日咳非自治动力学模型,其中使用马尔可夫蒙特卡罗算法(MCMC)和拉丁超立方抽样方法(LHS)分别对模型进行参数估计和敏感性分析,然后以本文百日咳的模型中各个参数值为基础用下代矩阵方法来计算出基本再生数,用数值模拟的方法得出空气中细颗粒物含量对百日咳传播的影响情况程度,最后对模型的所有参数做敏感性分析,进而找出影响百日咳传播的关键因素,并提出相应的防控解决措施。结果:(1)分析百日咳动力学模型,得到模型拟合结果[平均绝对百分比误差(MAPE=19.27%),均方根百分比误差(RMSPE=27.35%)],说明建立的模型拟合效果良好。计算出基本再生数R0=11.5192[95%CI:11.46 48-11.5724],这就能代表新疆喀什地区的百日咳传染病有呈现为地方病的可能性。通过模型参数敏感性分析看到,百日咳的传播率β、恢复系数γ和新生儿接种率p对百日咳的传播都有至关重要的影响;(2)以构造的细颗粒物-百日咳传染病的非自治动力学模型的数据为基础做拟合,预测出总人数A=78316,以空气中的细颗粒物(pm2.5)影响下的具有周期传染率的百日咳传染病动力学模型和新疆喀什地区2015-2018年月发病数与细颗粒物浓度数据为基础,计算出基本再生数R0=3.0184,说明该疾病将会一直存在而形成地方病,使用拉丁超立方抽样方法和偏秩相关系数(PRCC)得出百日咳的基线接触率b1、接触频率导致的振幅b2、恢复系数γ、百日咳免疫疫苗覆盖率p、打百日咳免疫疫苗之后的免疫力减弱速度v和空气中细颗粒物浓度都对百日咳的流行情况起着的关键作用。结论:(1)新疆喀什地区百日咳新发感染数有上升趋势,有关部门应加强对高危人群的预防与检测,定期关注新疆喀什百日咳的传播与流行情况,再从增加观察对象的范围方面着手来预防和制止百日咳流行。(2)从数值模拟可以看出:空气中细颗粒物含量(pm2.5)的增加能导致有关百日咳的患病率提高,会使百日咳的流行速度更快,也就是空气中的细颗粒物含量对于百日咳的发展速度成正比关系。因此,在雾霾天气严重的时,尽量做到不出门或减少出门频率和时长、外出戴口罩等都有助于缓解细颗粒物对百日咳传播情况的影响,即降低m1。
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