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估计人群日本血吸虫感染状态的数学模型研究

刘云

  血吸虫病是仅次于疟疾、严重危害人类健康的寄生虫病,主要流行于76个国家和地区。我国属日本血吸虫病的流行区,通过60余年的努力,血吸虫病防治工作取得了巨大成就,73.11%的流行县达到了疫情传播控制或阻断标准。但是,根据2006年全国血吸虫病疫情通报,目前仍有血吸虫病人671265人,6000多万人受此病威胁。历史和现实告诫我们:我国血吸虫病的防治依然面临着长期而严峻的挑战。 诊断在血吸虫病防治活动中始终处于中心位置。血吸虫病的诊断包括流行病学(群体水平上的)和临床(个体水平上的)诊断。个体诊断可以确定患者是否感染及其病情严重程度,对治疗方法的适应情况以及治疗效果等;而群体诊断的目的是了解疾病的流行情况及流行程度,从群体水平评估疾病的感染状态,是确定化疗目标人群,评价防治措施,制定防治策略,监测疾病传播变化的主要工具,为防治活动的计划、实施和防治效果评价等各环节提供必要的信息和科学依据。 一般而言,对血吸虫病进行群体水平的诊断,主要手段就是开展以社区为基础的人群流行病学调查研究,以此确定群体流行率、平均感染度等疾病指标,来估计人群血吸虫感染状态。然而,这种方法在实施过程中面临的困难较多,不仅人力、物力和财力的消耗大,受检人群依从性差,而且由于调查现场的人无法动态观察并预测疾病的发展趋势。近年来越来越受到重视的理论流行病学研究,又称流行病学数学模型,以数学模型为基本手段,能够明确和定量地表达病因、宿主和环境之间构成的疾病流行规律,可对复杂的流行过程进行更典型、更精练、更定量的描述,因而被广泛应用于估计疾病流行率或感染度的研究中。这种方法能弥补流行病学现场调查研究中存在的一些缺陷,有助于探索疾病发病机理、传播规律和防治策略,是现场流行病学研究的新趋势。 本研究以数学模型为主要手段,围绕人群日本血吸虫感染状态的估计方法进行了较为深入的探讨,主要研究内容分为三大部分: 研究内容一:学龄儿童感染率用于评估社区人群日本血吸虫感染率的研究 传统的以社区为基础的现场流行病学调查方法需要一定的样本量,费时费力,且人群的依从性差,因人口流动性大而很难得到完整的资料。本研究试图寻找具有指示价值的代表人群,用于估计整个社区人群的感染率。我们选用学龄儿童为研究对象,探讨了学龄儿童的日本血吸虫感染率与社区人群的感染率之间的关系。 通过检索PubMed和CNKI,按照一定的纳入和排除标准,共搜集了25篇相关文献资料,数据来源还包括本课题组未发表的前期调查数据。采用最小二乘法和极大似然法,以线性回归和Logistic回归对学龄儿童与社区总人群感染率之间的关系进行拟合。结果显示,变换后的Logistic回归模型拟合效果最好。为了排除自相关的干扰,进一步将学龄儿童与其它人群分开,分别分析了学龄儿童与婴幼儿,学龄儿童与成人日本血吸虫感染率之间的关系。结果表明,在不同的日本血吸虫病疫区,学龄儿童的感染率与总人群、婴幼儿和成人日本血吸虫感染率之间具有很强的一致性,以变换后的Logistic回归模型的拟合效果最佳。这提示了在我国不同流行率的日本血吸虫病流行区,学龄儿童的感染率可以作为一个指标,用于估计社区人群的感染率。 研究内容二:基于微分方程的数学模型应用于人群日本血吸虫病传播动力学的研究 第一部分研究提示,在我国,可考虑以学龄儿童作为监测人群,估计相应社区人群的日本血吸虫感染率。如此,通过对依从性高的小样本人群抽样调查,可监测该社区的血吸虫病流行情况,为防治决策提供数据。但是,该研究提供的依然是人群日本血吸虫“点”的感染状态,无法动态观测疾病的变化情况。本部分研究采用Barbour的双宿主模型,以江西省鄱阳湖区的历史调查资料为依据,对方程中各参数和变量进行估值,通过计算机模拟,利用调查现场2005年的流行率数据,预测了2006年该地区人群日本血吸虫的感染状态,并分析了各流行因素在疾病传播过程中的作用,评价了不同控制策略的防治效果。研究结果表明,传统的基于微分方程的数学模型(Barbour双宿主模型)可用于模拟日本血吸虫病的传播过程。不同防控策略的模拟结果提示,人畜同步化疗效果要明显优于单纯治人或单纯治牛的效果,而且人化疗合并牛宿主疫苗接种和人群行为干预的综合措施是控制血吸虫病流行的有效方法。 研究内容三:建立日本血吸虫病传播动力学的细胞自动机模型 传统的基于微分方程的数学模型,其研究系统的时间和空间具有连续性,方程处理时较复杂,且模型的研究指标一般是疾病流行率或平均感染度等,忽略了个体之间的差异,这可能是影响模型预测效果的主要原因。随着计算机技术的不断发展,细胞自动机作为一种随机模拟技术,广泛应用于生物系统的研究。本研究基于细胞自动机的思想,构建了一种模拟日本血吸虫病传播动力学的新模型(命名为SjCA模型),以期用于动态观察和分析预测人群的血吸虫感染状态。 本部分研究将2005年江西省上饶市余干县瑞洪镇驾湖村的调查资料作为模型的输入数据,以SjCA模型预测了2006年该地区血吸虫病的流行情况,并分析了相关参数的变化对感染结局的影响。实际观测数据与模型模拟结果的比较提示,SjCA模型的模拟效果良好,有望作为日本血吸虫病群体水平的诊断方法,以及动态监测和预测人群的感染状态和疾病的流行趋势的有力工具。 综上所述,本研究以三种数学模型,分别从不同的角度估计人群日本血吸虫的感染状态,以期研究结果用于指导我国血吸虫病防治工作。第一部分研究中,在国内首次提出,可将学龄儿童作为监测人群,以变换后的Logistic回归模型,估计社区人群的日本血吸虫感染率。第二部分研究,我们采用Barbour双宿主模型,模拟人群日本血吸虫病传播动力学过程,并成功地预测了江西省鄱阳湖区经过一次化疗一年后人群血吸虫的感染状况,同时评价了不同控制策略的效果。在前两部分研究的基础上,我们在国内外首次构建了日本血吸虫病传播动力学的细胞自动机模型(SjCA模型)。模型模拟结果与实际观测数据的比较显示,该模型的短期模拟效果较好,有望推广成为现场估计群体血吸虫感染状态的新方法。三部分研究分别从横断面(即“点”)、疾病流行率的动态模拟(即“线”)、个体感染疾病的动态模拟(即“面”)的角度逐层深入,总结日本血吸虫病的流行特征和流行规律,以期用于评估人群日本血吸虫的感染状态。理论上,3个模型中以SjCA模型为最优,与实际感染情况最贴近,且提供的信息最多,值得进一步完善,并推广应用于其他人体传染性疾病的传播动力学研究。……   
[关键词]:日本血吸虫病;诊断;感染状态;流行率;传播动力学;数学模型;细胞自动机模型;预测;公共卫生决策
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:南京医科大学2010年