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《新京报·新知周刊》

 
 
 

日志

 
 

用数学模型追踪“甲流”  

2009-08-10 16:19:31|  分类: 封面故事 |  标签: |举报 |字号 订阅

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“甲流”踪迹屏幕预现

 

http://www.thebeijingnews.com来源:新京报

 

 
当你坐在家里玩着《模拟人生》、《模拟城市》等游戏时是否知道,世界各地有一批科学家,也坐在他们的实验室里,在计算机上模拟着H1N1甲型流感病毒的传播?

 

他们的模拟是基于数学模型和流行病学的基础。在疾病变化迅速的今天,研究流行病学的人并不一定要穿着白大褂,躲在临床试验背后,也不一定要往返着调查患者,长年地跟踪疾病的变化,今天,坐在计算机前面,也可以对疾病的扩散趋势胸有成竹。

 

依据

根据交通建模型

 

今年三四月份,H1N1甲型流感在墨西哥爆发,随后,病毒在北美爆发,很快,全球各地都出现了病例,中国采取了严格的防控隔离措施,但病例也接二连三地出现。

 

而这一情形,在还没发生之前,就已经出现在美国印第安纳大学信息学院的“全球流行疾病传播模式”项目实验室里了。实验实所用的模型结合了人口统计学和人口移动数据,用空间结构随机模型的方式来模拟全球范围内,流行疾病的扩散趋势。在此前,很少有电脑参与到流行病学的理论推测中。

 

据参加电脑模拟病毒传播项目的中国留学博士胡浩介绍,在SARS之后,这个模式曾经对个别城市进行模拟,此后又对人传人的禽流感进行模拟,从05、06年开始,这个模式中开始铺上全球的地图,并在今年开始进行H1N1病毒传播趋势的预测。

 

患者可以通过坐飞机很快地将病毒带到另一个城市或国家。因此,当已知流感爆发的第一个国家是墨西哥之后,要预测病毒在其他国家的传播,最重要的数据便是交通数据。

 

“我们借助航班和城际交通数据,制作交通网络,看在全世界范围内人们怎么移动,怎么分布,然后再依据其建立模型。”胡浩说。

 

调整

几个参数很重要

 

人口的城际交通移动分为两层,城市与城市之间短程的移动,通常通过飞机或火车实现,两个国家之间的移动则主要是航班,研究人员将全球的航空数据加上大约30个国家的每日的城际交通数据构建出了一个硕大的交通网。

 

“我们将全球划分成很多既小又精确的格子,称为人口网格,每个格子统计有多少人口。这些个格子概括了世界各地人口的移动。”胡浩说。这个网格的依据就是以3300多个机场为中心,按照机场附近的人口分布来设置。最初,研究人员因为没考虑到小城市边上往往有很大的城市,因此产生了误差,经过调整,城市网络的人口分布精确了很多。

 

在确立了交通的数据,人口的分布之后,研究人员还需要将流行病学的模式加入进去。流行病学有着很多模式,最经典的模型是“S-I-R”,三个字母分别代表易感人群、传染人群和已恢复人群即已经从染病者中移出的人群。这是科学家1927年采用动力学方式建立的模型,成为流行病学模型中的一个经典。

 

不过,这个模型中,病人的日接触率是一个常数,有效接触率传染力是不变的,这就导致结果存在一定的误差。对于善变的流感病毒而言,模型要复杂得多,还要考虑潜伏期,人群特征等各种因素。

 

“做流行病学的模型,最关键的是要知道平均会感染多少人。”胡浩说。病毒的传播能力又叫再生数,这个数值在世界卫生组织会对每个传染病毒有个值。再生数越小的,病毒的传播能力就越弱,比如1918年的西班牙流感,再生数大于2.5,而今年的甲型H1N1流感,再生数估计在1.4-2.5之间。

 

应用

预知何时进入中国

 

在经过人口分布模型与流行学模型的融合之后,再经过几个小组无数次的演算,研究人员终于赶在发生之前预测出了一些较为准确的结果。

 

比如,在5月份之前,他们便预测出甲流将在5月份进入中国,这一情况与后来发生的事实吻合。在多数情况下,某个国家出现病例的时间都在预测的范围之内。

 

计算机模拟的结果能对决策起到一定作用。此前曾有个别地方产生恐慌,认为只有关闭机场这样绝对的方式才能阻止病毒,然而经过模拟,研究人员发现,除非在病毒级别还很低的时候就关掉边境,或者将航班减少到十分之一,只有这样才能有效将国家之内的爆发压下来,假设关得稍微晚了一点,或者关得不够多,依旧无法起到效果。

 

“如果关掉一半的航班,那还会有一半的航班会代入病例,除非减少到十分之一,否则将得不偿失,产生很大的经济损失。”胡浩说。也正因为此类的预测,最终,世界卫生组织采取了不建议关闭机场的决定。

 

■ 背景

跟踪美元了解人口移动

 

具体到了一个城市里面,要模拟人群的传播就成了另外一个问题。如果说,计算城际之间传播的模型主要还运用在输入性病例上,那在一个城市中,还存在本土病例的情况。在世界各地模拟单个城市中甲流病毒传播的科研小组中,有的通过城市交通工具为主要依据,有的则将视线放在更小的对象———个体的人身上,比如会将每个人作为模拟的对象,模拟其每天上学、工作、去商店等行为,并尽可能地推断出可能传染的人数。

 

现在除了美国印第安纳大学,美国西北大学也在进行这方面的研究。

 

1998年,一个叫做汉克埃斯金的程序员在每张经过自己之手的美元上都做了注释,提醒接触到这张钞票的人都到一个名叫“乔治去哪儿了?”的网站上登记接受地的邮政编码,这个程序员只是出于好奇的目的,却发现了这张钞票随着形形色色的人经过了各地的饭店、小商贩、赛马场、脱衣舞夜总会……如今,这个网站已经变成一个流行的游戏网站,有超过300万的人注册了1亿多美元的行踪。

 

这个无心插柳的小故事启发了美国西北大学的德布克教授,他在近几年开展了美国国土上美元地理分布的调查,通过对价值464670美元的钞票的行踪的检查,他们得出了相应的人口移动模型,其结果精确,受到了流行病学界的肯定。
 
 
新知专题采写/本报记者 金煜
本专题感谢:
胡浩(美国印第安纳大学博士)
黄建始(北京协和医院公共卫生学院院长)

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