Пространственно-временное моделирование эпидемии COVID-19
Автор: Соколовский В.Л., Фурман Г.Б., Полянская Д.А., Фурман Е.Г.
Журнал: Анализ риска здоровью @journal-fcrisk
Рубрика: Профилактическая медицина: актуальные аспекты анализа риска здоровью
Статья в выпуске: 1 (33), 2021 года.
Бесплатный доступ
В осенне-зимний период 2020-2021 гг. наблюдался рост заболеваемости COVID-19. В отсутствии эффективных лекарств и только в начале массовой вакцинации против COVID-19 карантин (ограничения передвижения и контактов между гражданами), применение индивидуальных защитных средств являются основными средствами приостановления распространения заболевания. Проанализированы развитие эпидемии и влияние карантинных мер на распространение заболевания с использованием различных математических моделей. Показано, что простые модели типа SIR (S - восприимчивые, I - инфицированные, R - выбывшие из группы инфицированных) позволяют оценить параметры модели, такие как коэффициенты заболеваемости и выздоровления, которые могут быть использованы в более сложных моделях. Рассмотрены пространственно-временные эпидемиологические модели, основанные на решении нестационарных двухмерных реакционно-диффузионных уравнений. Такие модели позволяют учитывать неравномерное распределение населения, изменение мобильности населения и частоты контактов типа «восприимчивый - инфицированный» из-за карантинных мер. Используя полученные аналитические и численные решения, анализируются различные стадии эпидемии, а также ее волнообразный характер, вызванный введением и ослаблением карантинных мер. Для учета конечной скорости распространения заболевания и инкубационного периода (когда инфицированный не является источником заражения) предложено использовать уравнения типа Каттанео - Вернотте. Данная модель предсказывает возникновение фронта распространения заболеваемости, то есть подвижной границы, разделяющей области с инфицированными, и те, где таковые отсутствуют. Использование таких моделей позволяет более объективно вводить дифференцированные карантинные меры. В конце 2020 г. в ряде стран началась массовая вакцинация населения. В связи с этим определен необходимый уровень вакцинации населения для предотвращения новых волн эпидемии COVID-19, соответствующий 80 %. Актуальность корректного прогнозирования развития эпидемий возрастает в настоящее время из-за появления новых, более контагиозных штаммов вирусов COVID-19 в Англии, ЮАР и ряде других стран. Результаты исследования могут быть использованы для прогнозирования распространения COVID-19 и других инфекционных заболеваний и способствовать принятию наиболее эффективных мер для успешной борьбы с эпидемиями.
Пространственно-временное моделирование, эпидемия, covid-19, заболеваемость, нестационарные двухмерные реакционно-диффузионная уравнения, карантин, скорость заражения, скорость выздоровления
Короткий адрес: https://sciup.org/142229578
IDR: 142229578 | УДК: 616.24: | DOI: 10.21668/health.risk/2021.1.03
Spatio-temporal modeling of COVID-19 epidemic
In autumn and winter 2020-2021 there was a growth in morbidity with COVID-19. Since there are no efficient medications and mass vaccination has only just begun, quarantine, limitations on travels and contacts between people as well as use of personal protection equipment (masks) still remain priority measures aimed at preventing the disease from spreading. In this work we have analyzed how the epidemic developed and what impacts quarantine measures exerted on the disease spread; to do that we applied various mathematical models. It was shown that simple models belonging to SIR-type (S means susceptible; I, infected; and R, recovered or removed from the infected group) allowed estimating certain model parameters such as morbidity and recovery coefficients that could be used in more complicated models. We examined spatio-temporal epidemiologic models based on finding solutions to non-stationary two-dimensional reaction-diffusion equations. Such models allow taking into account uneven distribution of population, changes in population mobility, and changes in frequency of contacts between susceptible and infected people due to quarantine. We applied obtained analytical and numerical solutions to analyze different stages in the epidemic as well as its wave-like development influenced by imposing and canceling quarantine limitations. To take into account ultimate rate at which the disease spreads and its incubation period (when an infected person is not a source of contagion), we suggest using equations similar to the Cattaneo-Vernotte one. The suggested model allows predicting where the front of morbidity spread is going to occur, that is, a moving frontier between areas where there are infected people and areas where they are absent. Use of such models provides an opportunity to introduce differential quarantine measures basing on more objective grounds. At the end of 2020 mass vaccination started in some countries. We estimated a necessary number of people that had to be vaccinated so that new waves of COVID-19 epidemic would be prevented; in our estimates, not less than 80 % of the country population should be vaccinated. Correct prediction of epidemic development is becoming more and more vital at the moment due to new and more contagious COVID-19 virus strains occurring in England, South Africa, and some other countries. Our research results can be used for predicting spread of COVID-19 and other communicable diseases; they can make for taking the most efficient measures for successful control over epidemics.
Список литературы Пространственно-временное моделирование эпидемии COVID-19
- Mallapaty S. Why COVID outbreaks look set to worsen this winter // Nature. - 2020. - № 586. - P. 653. DOI: 10.1038/d41586-020-02972-4
- Berrai I.E., Bouyaghroumni J., Namir A. Numerical simulation of spatio-temporal model: case of SIR epidemic model // International Journal of Computer Science Issue. - 2014. - Vol. 11, № 2. - P. 105-108.
- Capasso V. Mathematical Structures of Epidemic Systems. - Berlin: Springer, 1993. - P. 283.
- Brauer F., Van den Driessche P., Wu J. Mathematical Epidemiology. - Berlin: Springer, 2008. - P. 408.
- Башабшех М.М., Масленников Б.И. Имитационное моделирование пространственного распространения эпидемий (на примере холеры) с применением метода клеточных автоматов с помощью программы Anylogic // Интернет-журнал «Науковедение». - 2013. - № 6. - С. 1-13.
- Brauer F., Castillo-Chavez C., Feng Z. Mathematical Models in Epidemiology. - Berlin: Springer Science+Business Media, 2019. - P. 619.
- Al-Showaikh F.N.M., Twizell E.H. One-dimensional measles dynamics // Applied Mathematics and Computation. -2004. - Vol. 152, № 1. - P. 169-194. DOI: 10.1016/S0096-3003 (03) 00554-X
- Al-Raeei M. The basic reproduction number of new coronavirus pandemic with mortality for India, the Syrian Arab Republic, the United States, Yemen, China, France, Nigeria and Russia with different rate of cases // Clinical Epidemiology and Global Health. - 2020. - Vol. 9. - P. 147-149. DOI: 10.1016/j.cegh.2020.08.005
- Матвеев А.В. Математическое моделирование оценки эффективности мер против распространения эпидемии COVID-19 // Национальная безопасность и стратегическое планирование. - 2020. - Т. 29, № 1. - С. 23-39.
- Linka K., Peirlinck M., Kuhl E. The reproduction number of COVID-19 and its correlation with public health interventions // Computation Mathematics. - 2020. - Vol. 7. - P. 1035-1050. DOI: 10.1101/2020.05.01.20088047
- Assessing the impact of non-pharmaceutical interventions (NPI) on the dynamics of COVID-19: A mathematical modelling study in the case of Ethiopia / B.A. Ejigu, M.D. Asfaw, L. Cavalerie, T. Abebaw, M. Nanyingi, M. Baylis // medRxiv. -2020. - P. 30. DOI: 10.1101/2020.11.16.20231746
- Spatio-temporal propagation of COVID-19 pandemics / B. Gross, Z. Zheng, S. Liu, X. Chen, A. Sela, J. Li, D. Li, S. Havlin // medRxiv. - 2020. - Vol. 9. - P. 6. DOI: 10.1101/2020.03.23.20041517
- Examining COVID-19 Forecasting using Spatio-Temporal Graph Neural Networks / A. Kapoor, X. Ben, L. Liu, B. Perozzi, M. Barnes, M. Blais, S. O'Banion // arXiv. - 2020. - Vol. 6. - P. 031133.
- Yesilkanat C.M. Spatio-temporal estimation of the daily cases of COVID-19 in worldwide using random forest machine learning algorithm // Chaos, Solitons and Fractals. - 2020. - Vol. 140. - P. 110210. DOI: 10.1016/j.chaos.2020.110210
- Population flow drives spatio-temporal distribution of COVID-19 in China / J.S. Jia, X. Lu, Y. Yuan, G. Xu, J. Jia, N.A. Christakis // Nature. - 2020. - Vol. 582. - P. 389-394.
- Last M. The first wave of COVID-19 in Israel-Initial analysis of publicly available data // PLoS ONE. - 2020. - Vol. 15, № 10. - P. 1-16. DOI: 10.1371/journal.pone.0240393
- Bacaer N. A mathematical model of the beginning of the coronavirus epidemic in France // Mathematical Modelling of Natural Phenomena. - 2020. - Vol. 15. - P. 1-10. DOI: 10.1051/mmnp/2020015
- Coronavirus Cases. Israel [Электронный ресурс] // Worldometers. - URL: https://www.worldometers.info/corona-virus/country/israel/ (дата обращения: 12.12.2020).
- Aschwanden C. The false promise of herd immunity // Nature. - 2020. - Vol. 587, № 7832. - P. 26-28. DOI: 10.1038/d41586-020-02948-4
- A data-informed approach for analysis, validation, and identification of COVID 19 models / S. Yagiz, J. Mori, E. Mieh-ling, T. Basar, R.L. Smith, M. West, P.G. Mehta // medRxiv. - 2020. - Vol. 6. - P. 8. DOI: 10.1101/2020.10.03.20206250
- Paul S.K., Jana S., Bhaumik P. On nonlinear incidence rate of COVID-19 // medRxiv. - 2020. - Vol. 21. - P. 11. DOI: 10.1101/2020.10.19.20215665
- Spatio-temporal numerical modeling of reaction-diffusion measles epidemic system / N. Ahmed, Z. Wei, D. Baleanu, M. Rafid, M.A. Rehman // Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science. - 2019. - Vol. 29, № 10. - P. 103101. DOI: 10.1063/1.5116807
- Intra-county modeling of COVID-19 infection with human mobility: assessing spatial heterogeneity with business traffic, age and race / X. Hou, S. Gao, Q. Li, Y. Kang, N. Chen, K. Chen, J. Rao, J.S. Ellenberg, J.A. Patz // medRxiv. - 2020. -Vol. 6. - P. 17. DOI: 10.1101/2020.10.04.20206/63
- Полянин А.Д., Вязьмин А.В. Уравнения теплопроводности и диффузии с конечным временем релаксации. Постановки задач и некоторые решения // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. - 2013. - Т. 56, № 9. - С. 102-108.
- Sobolev S.L. Transport processes and traveling waves in systems with local nonequilibrium // Soviet Physics Uspekhi. -1991. - Vol. 3, № 34. - P. 217-229.
- Results of the national serological survey for novel coronavirus [Электронный ресурс] // Press Release of the Ministry of Health, Israel. - 2020. - URL: https://www.gov.il/en/departments/news/08102020-01 (дата обращения: 15.11.2020).