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基于临床数据开发的传染病数学模型对遏制新冠肺炎大流行的若干建议
2020-03-31 08:51     Author:yangjuan[at]csrc.ac.cn

自新型冠状病毒肺炎疫情(COVID-19)发生以来,一支由香港浸会大学物理系汤雷翰教授领衔的研究团队一直在紧张而有序的开展基于量化模型对新冠疫情走势的分析和预测研究。该研究团队的主要成员来自香港浸会大学物理系和北京计算科学研究中心,3月12日率先提出了基于患者潜伏期长度分布数据的新冠肺炎传播模型,帮助人们更清晰的理解了患者症状出现前后的病毒传播对疫情爆发的推动效应。近日,该团队进一步完善了该模型,并基于已报道的临床检测数据来量化分析被感染的群体处在潜伏、传染态的比例。最重要的是,改进的模型可以评估政府的干预措施对疫情控制的效果。目前,全球多个国家和地区都处于疫情蔓延的关键时刻1,2,迫切需要可靠的科学依据指导抗疫行动。新模型及时建立,直接结合疫情传播特征的临床研究数据,对国家或地区范围内的疫情发展趋势做出预测,并定量地评估各种抗疫措施的效果,以便各地政府迅速采取更有效的行动。团队的最新研究已发布到https://arxiv.org/abs/2003.07353

这一新模型的核心是被感染的个体新冠肺炎病情的进程以及疾病传播特征(如附图1所示)。公开的研究数据表明,在病毒传播者发病当日前后,其传播病毒的能力会达到顶峰 3-6,感染时间窗口为1-3天 5。这项结果使得研究人员能够根据患者从被感染到发病时间间隔的统计数据建立一个随机传播模型。该模型在整体结构上与流行病学界著名的SEIR(易感S - 暴露E - 感染I - 恢复R)模型有相似之处,其最重要的创新点在于这个模型可以从较容易获得的流行病学数据出发(即潜伏期时间长度分布5,7),给出对于疫情走势的定量刻画和预测,是新冠肺炎预测模型领域一个重要的进展。传统的统计方法往往应用于对特定地区疫情的爆发过程进行后验分析,而作为一种全新的方法,新模型所使用的临床数据驱动的方法打破了传统统计方法的局限。实际上,随着新冠肺炎逐渐升级为一种空前的全球性流行病,疫情的传播受到了社会、文化因素以及政府抗疫措施的变化等多种影响,许多因素正在迅速地演变 8,需要对疫情进行实时的分析,而不是回溯性研究。

 基于该模型,研究小组分析了两种疾病控制策略的疫情的影响:(1)追踪密切接触者并对其进行隔离;(2)大规模进行核酸检测排查。 这两种方法都可以让潜在感染人群脱离传播链。研究发现,以3月下旬欧美国家每日0.3的指数率增长模式,若想要使得每日新增病例数目进入平台或下降模式,在假设100%的密切接触者都可以被追踪到的条件下,需要在患者被感染之后的3天内将其进行有效的隔离。如果追踪到80%的密切接触者,达到同样效果的时间窗口就缩小到只剩1天多一点。相比之下,如果仅进行一次全面核酸检测排查,并将检测结果呈阳性的人进行隔离,即使在假设核酸检测准确率为100%的情况下,这种策略仅可以使得每日新增病例的指数增长率降低约20%,并不能实现对疾病蔓延的有效控制。

尽管该模型是基于给定社区中的单一疫情爆发而建立的,但它也有助于解释不同国家和地区的新冠肺炎流行病发展过程中展现出来的普遍特征。如附图2所示,中国的疫情数据显示(数据来源于约翰·霍普金斯CSSE数据库 2),自2020年1月23日武汉封城以来,全国各省的疫情发展有着惊人的相似之处,图中用红黄绿背景色将整个时间轴分成了三个阶段。在管控后约一周的时间内,几乎所有新确诊病例都可追溯到湖北省内发生的感染,每日新增病例的指数增长率为0.3/每天。与湖北仍在蔓延的疫情脱钩后,全国其他地区进入了大约2周的过渡阶段。在此期间,由于采取了越来越严格的跟踪、隔离和检疫措施,在封闭社区出现的零星疫情也很快被发现并得到控制,每日新增病例基本持平。在第三阶段,疫情得到了全面控制,全国和各省的新增病例快速衰减,以0.32/每天的速度指数下降。与疾病潜伏期的分布规律比较之后,该团队指出,这个衰减速度恰恰与潜伏期长度分布的尾部衰减速率相吻合,这也证明中国各省的隔离方法几乎完全切断了新冠肺炎的传播。我们相信这个结果会给各地还在疫情中努力抗争的人民带来希望。

 研究团队注意到在疫情最早爆发的中国湖北省,由于疫情发展过快,当地公共卫生和疾病控制能力不堪重负,湖北省的过渡阶段比其他省长了大约两周的时间。随着各地医疗团队和资源的支援到位和社区隔离措施的有效开展,湖北省每日新增确诊病例数从2020年3月3日左右开始快速下降并最终达到全国其他地区的水平,表明新感染在湖北地区也已基本停止。

 在国际范围内,许多国家的最新疫情数据中每日新增病例数仍在呈0.3/每天的指数模式增长。虽然这些疫情最初是由输入性病例引起的,但现在当地社区感染是推动疫情发展的主力,这也反应了新冠病毒的高传染力特性。 在政府和社区强有力的干预下,一些国家已经过渡到了第二阶段(类似于中国在2月中旬的情况)。意大利政府3月9日宣布了国家级别的隔离措施之后,新确诊病例数量增长放缓。根据研究团队的模型分析,每日新增病例的指数增长率从0.3/每天下降0.05/每天(平均每位患者的感染人数从3.6左右下降到1.3),但若想有效控制疫情继续传播,控制措施仍需加强。另外,由于韩国采取了非常积极的接触追踪和检测措施,成功将最初肆虐的疫情控制在可控的水平。同时,这些国家现在也面临着应对由输入型病毒携带者引起的新感染的挑战。

 令人担忧的是,尽管发布了严格的边境管制和社会疏远措施,但许多欧美国家的确诊人数仍在不断增长,这很有可能是隔离措施不够严格或者执行不到位。根据钻石公主号游轮以及中国各省市的数据,在实施严格的禁足令后一周内疫情就应该出现逆转。研究团队分析认为,尽管普通公民的生活方式已经发生了重大的变化,但这些国家目前的干预措施并没有对新冠肺炎在最活跃的社会渠道中的传播产生重大影响,因为模型分析指出,症状出现前后的传播事件是疾病快速增长期内最重要的传播途径。模型分析指出,在每日新增病例指数增长率在0.3/每天的模式下,超过70%以上的患者仍未出现症状。因此,在有效和准确的检测能够将感染者与社区隔离之前,需要对易感社区内进行大规模和严格的隔离。只有采取果断的干预政策,并持续监测和分析疫情动态,才有可能将这一流行病快速引导到第二阶段和第三阶段,最终实现对这个全球流行病的控制。

 

香港浸会大学

北京计算科学研究中心

2020328

 

文献:

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附图


图一:

 

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图二:

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