中国大陆地区新型冠状病毒肺炎疫情的SEIR建模及疫情对其他法定传染病影响的研究

来源 :中国医科大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:winston_he
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目的:为控制新型冠状病毒肺炎疫情的传播,我国在2020年1月23日采取了史无前例的全国性干预措施,这些政策包括武汉“封城”、限制交通、停工停业等。通过构建传染病动力学模型,求解关键的流行病学参数,了解我国新型冠状病毒肺炎疫情的流行病学特点,利用模型模拟来评价预防控制措施对疫情的影响,为疫情防控决策和效果评价提供参考。此外借助时间序列分析研究此次新型冠状病毒肺炎疫情中实施的防控措施对我国其他法定传染病报告发病的影响,为今后常态下全国传染病防控工作提供一定的参考。方法:描述中国大陆地区新型冠状病毒肺炎疫情的时间和空间分布;基于2020年1月20至3月9日的新型冠状病毒肺炎疫情数据,建立改进的易感者-潜伏者-感染者-移出者(Susceptible-Exposed-Infectious-Removed,SEIR)模型,拟合并预测疫情的流行趋势,并模拟不同干预情况下疫情的发展。采用描述流行病学方法分析我国除新型冠状病毒肺炎外其他法定传染病疫情概况,分别比较2020年与2019年和2015-2019五年平均的报告发病数,同时比较2021年与2015-2019五年平均的报告发病数;基于2010年1月-2019年12月的其他法定传染病月报告发病数,对每种法定传染病构建其相应的差分自回归滑动平均模型(Autoregressive Integrated Moving Average,ARIMA),预测2020年1月-2021年12月的发病数,并与每种传染病实际报告的发病数进行比较。结果:1.截至2020年4月30日,中国大陆地区共报告新型冠状病毒肺炎确诊病例82,874例,死亡病例4,633例,境外输入病例1,670例。各省份中湖北省感染最为严重,其次为湖北省周边及东南沿海部分省份。2.湖北省和全国(除湖北省外)的SEIR模型模拟结果显示,疫情高峰期分别为2020年2月14-20日和2月8-13日,如果减轻防控措施的强度或延迟五天实施,我国的疫情规模将进一步扩大,如果加强防控,疫情的高峰期会提前,感染者人数的峰值会降低。3.2020年,除新型冠状病毒肺炎外其他39种法定传染病的报告发病数较2019年同期减少41.17%,其中登革热、风疹、百日咳、猩红热、麻疹和流行性感冒的报告发病数减少比例最高;2020年较2015-2019五年平均报告发病数减少25.52%,其中血吸虫病、麻疹、登革热、风疹、猩红热和流行性乙型脑炎减少比例最高。2021年的报告发病数与2015-2019五年平均报告发病数相比减少19.03%,其中血吸虫病、登革热、麻疹、风疹、流行性乙型脑炎和疟疾减少比例最高。4.利用时间序列分析,经过模型参数测试、白噪声检验后,对呼吸道传染病(包括麻疹、肺结核、猩红热、流行性感冒、流行性腮腺炎、风疹和百日咳)分别构建了ARIMA(2,1,2)(1,0,0)12、(3,0,0)(0,1,1)12、(0,0,3)(2,1,0)12、(0,1,0)(0,0,2)12、(2,1,2)(0,1,1)12、(0,1,4)(0,1,0)12和(1,1,3)(0,1,0)12模型,其中肺结核、猩红热、流行性感冒、流行性腮腺炎和百日咳模型的平均绝对百分比误差(Mean Absolute Percentage Error,MAPE)分别为3.91%、14.81%、39.97%、11.39%和20.26%,很好地拟合了2010-2019年的发病趋势;对肠道传染病(包括细菌性和阿米巴性痢疾、伤寒和副伤寒、急性出血性结膜炎、手足口病和其他感染性腹泻病)分别构建了ARIMA(3,0,2)(0,1,0)12、(0,0,3)(0,1,1)12、(0,0,1)(2,0,0)12、(2,0,0)(1,1,1)12和(2,0,0)(2,1,0)12模型,其中细菌性和阿米巴性痢疾、伤寒和副伤寒、手足口病和其他感染性腹泻病模型的MAPE分别为5.83%、8.04%、18.03%和9.85%,很好地拟合了2010-2019年的发病趋势;对自然疫源性疾病和虫媒传染病(包括流行性出血热、流行性乙型脑炎、登革热、布鲁氏菌病、血吸虫病、疟疾、斑疹伤寒和包虫病)分别构建了ARIMA(3,0,0)(0,1,1)12、(0,0,1)(0,1,1)12、(0,0,1)、(0,1,1)(2,1,0)12、(3,0,0)、(2,1,2)(1,0,0)12、(1,0,0)(0,1,1)12和(0,1,1)(1,0,0)12模型,其中流行性出血热、布鲁氏菌病、疟疾、斑疹伤寒和包虫病模型的MAPE分别为10.19%、9.70%、16.31%、15.65%和20.84%,很好地拟合了2010-2019年的发病趋势;血源性和性传播疾病中,对艾滋病、淋病和梅毒分别构建了ARIMA(1,0,1)(0,1,1)12、(0,1,3)(0,1,1)12和(3,1,0)(0,1,1)12,MAPE分别为9.04%、3.91%和3.43%,均很好地拟合了2010-2019年的发病趋势;此外,对病毒性肝炎构建了ARIMA(2,1,1)(2,1,0)12,MAPE为3.64%,拟合效果较好。5.比较各传染病的实际报告发病数与预期发病数后,本研究发现,在呼吸道传染病中,2020年麻疹、肺结核、猩红热、流行性感冒、流行性腮腺炎、风疹和百日咳的报告发病数较预期分别减少67.08%、10.58%、81.54%、92.29%、57.12%、94.38%和85.72%,2021年的报告发病数较预期分别减少76.06%、12.82%、69.78%、97.30%、62.27%、98.07%和76.76%;在肠道传染病中,2020年伤寒和副伤寒、手足口病和其他感染性腹泻病的报告发病数较预期分别减少27.35%、64.38%和25.78%,2021年伤寒和副伤寒、手足口病的报告发病数较预期分别减少23.06%和35.93%;在自然疫源性疾病和虫媒传染病中,2020年流行性出血热、流行性乙型脑炎、登革热和疟疾的报告发病数较预期分别减少18.92%、66.48%、91.01%和57.11%,但斑疹伤寒较预期增加54.88%,2021年流行性乙型脑炎、登革热和疟疾的报告发病数较预期减少75.85%、99.48%和69.74%,布鲁氏菌病和斑疹伤寒的报告发病数却较预期增加41.28%和121.90%;血源性和性传播疾病中,2020年艾滋病和梅毒的报告发病数分别较预期减少14.03%和17.70%,2021年艾滋病和梅毒的报告发病数较预期减少21.07%和19.09%;此外,2020年病毒性肝炎的报告发病数较预期减少13.02%,2021年的报告发病数较预期减少7.94%,以上差异均有统计学意义(P<0.05)。结论:1.改进的SEIR模型可以用来预测我国新型冠状病毒肺炎的流行高峰和规模,2020年1月23日以来实施的控制措施有效抑制了疫情的扩大。2.利用时间序列分析,对除新型冠状病毒肺炎外的其他法定传染病分别构建了ARIMA模型,其中包括肺结核、猩红热、流行性感冒、流行性腮腺炎、百日咳、细菌性和阿米巴性痢疾、伤寒和副伤寒、手足口病、其他感染性腹泻病、流行性出血热、布鲁氏菌病、疟疾、斑疹伤寒、包虫病、艾滋病、淋病、梅毒和病毒性肝炎在内的大多数模型均很好地拟合了2010-2019年的发病趋势。3.新型冠状病毒肺炎疫情发生后,一些其他法定传染病的报告发病数也明显减少,特别是某些呼吸道传染病,肠道传染病以及自然疫源性疾病和虫媒传染病,如猩红热、流行性感冒、百日咳、手足口病、流行性乙型脑炎和登革热的报告发病数下降明显,针对COVID-19的干预措施不仅抑制了新型冠状病毒肺炎疫情的发展,还可能减少了其他法定传染病的传播,这些证据可为今后常态下的传染病防控工作提供一定的建议。
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