[논문 리뷰] Predication of Inflection Point and Outbreak Size of COVID-19 in New Epicentres

Qing Duan, Jian Wu외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 15.

COVID-19 epidemiological studies참고 문헌 20인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 중국, 이탈리아, 독일 등 더 성숙한 전염병이 진행 중인 국가들에서 유래한 패턴을 빌려와 브라질, 인도, 아프리카 지역과 같은 신규 또는 잠재적 유행 중심지에서의 코로나19 유행의 비틀림점과 최종 유행 규모를 예측한다. 비선형 혼합효과 모델을 사용하여 더 성숙한 유행의 누적 확진자 수치를 변환한 자료에 적합시켰다. 아프리카 지역은 2020년 9월 13일前后에 비틀림점을 맞이하며 약 390만 건의 확진자가 발생할 것으로 예측된다. 반면 브라질과 인도는 각각 6월 23일과 7월 26일에 비틀림점을 맞이하며 약 250만 건의 확진자가 발생할 것으로 예측된다.

ABSTRACT

The coronavirus disease 2019 (COVID-19) had caused more that 8 million infections as of middle June 2020. Recently, Brazil has become a new epicentre of COVID-19, while India and African region are potential epicentres. This study aims to predict the inflection point and outbreak size of these new/potential epicentres at the early phase of the epidemics by borrowing information from more `mature' curves from other countries. We modeled the cumulative cases to the well-known sigmoid growth curves to describe the epidemic trends under the mixed-effect models and using the four-parameter logistic model after power transformations. African region is predicted to have the largest total outbreak size of 3.9 million cases (2.2 to 6 million), and the inflection will come around September 13, 2020. Brazil and India are predicted to have a similar final outbreak size of around 2.5 million cases (1.1 to 4.3 million), with the inflection points arriving June 23 and July 26, respectively. We conclude in Brazil, India, and African the epidemics of COVI19 have not yet passed the inflection points; these regions potentially can take over USA in terms of outbreak size

연구 동기 및 목표

• 신규 또는 잠재적 유행 중심지에서 초기 유행 단계 동안 코로나19의 비틀림점과 최종 유행 규모를 예측하는 것.
• 브라질, 인도, 아프리카 지역과 같은 지역에서 초기 데이터가 제한적인 문제를 해결하기 위해 중국, 이탈리아, 독일 등의 더 성숙한 유행을 겪은 국가들에서 유래한 패턴을 활용하는 것.
• 거시적 성장 곡선을 갖춘 비선형 혼합효과 모델링 프레임워크를 적용하여 초기 단계의 유행 예측을 향상시키는 것.
• 전파 속도가 둔화되기 시작할 시점과 예상되는 최종 확진자 수를 추정함으로써 공중보건 계획에 실질적인 통찰을 제공하는 것.

제안 방법

• 누적 확진자 수치를 거듭제곱 변환한 자료에 4파ram터 로지스틱 모델(FPLM)을 적용하여 시그모이드형 유행 성장 패턴을 모델링한다.
• 비선형 혼합효과 모델을 사용하여 중국, 이탈리아, 독일 등 더 성숙한 유행을 겪은 국가들에서의 데이터를 기반으로 신규 유행 중심지의 예측에 영향을 주는 강력한 정보를 확보한다.
• 모델 적합도와 안정성을 향상시키기 위해 누적 확진자 수에 최적의 거듭제곱 변환(예: 로그, 제곱근)을 선택한다.
• 후기 단계 유행을 겪고 있는 국가들의 데이터를 사용하여 무작위 효과와 집단 수준의 모수를 추정한다.
• 추정된 성장 곡선을 외삽하여 향후 추세를 예측하고 비틀림점과 최종 유행 규모를 추정한다.
• 잔차 분석과 미국, 러시아의 관측 자료와의 비교를 통해 모델 성능을 검증하였으며, 후기 단계에서의 과소 예측 현상을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 더 성숙한 유행을 겪은 국가들에서의 데이터를 활용하여, 초기 유행 단계에서 신규 유행 중심지의 비틀림점과 최종 유행 규모를 정확히 예측할 수 있는가?
• RQ2 누적 확진자 수치의 거듭제곱 변환이 초기 유행 단계에서 시그모이드 성장 모델의 적합도와 예측 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 국가 간 모델링을 기반으로 브라질, 인도, 아프리카 지역의 예상 비틀림점과 최종 확진자 수는 무엇인가?
• RQ4 미국과 러시아에 대한 모델 예측이 최종 유행 규모를 과소 평가하고 있음을 보여주며, 이는 신규 유행 지역에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 검사 커버리지와 보고 정확도의 차이가 현상학적 모델을 사용한 초기 유행 예측의 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 아프리카 지역은 예상되는 최대 유행 규모가 가장 크며, 390만 건(95% 신뢰구간: 220만~600만 건)에 이를 것으로 예측되며, 비틀림점은 2020년 9월 13일前后로 예상된다.
• 브라질과 인도는 각각 약 250만 건(95% 신뢰구간: 110만~430만 건)의 최종 유행 규모를 보일 것으로 예측되며, 비틀림점은 각각 2020년 6월 23일과 7월 26일로 예상된다.
• 브라질의 유행은 현재 급속 성장 단계에 있으며, 확진자 수가 급격히 증가하고 있으나, 인도의 성장은 약 한 달 정도 뒤처질 것으로 예측된다.
• 미국과 러시아에서는 비틀림점 이후 일일 신규 감염자 수가 모델에 의해 과소 예측되었으며, 이는 이들 국가의 최종 확진자 수가 예측치를 초과할 가능성이 있음을 시사한다.
• 미국과 러시아의 유행은 아직 완전히 평평해지지 않았으며, 비틀림점을 넘긴 후에도 전파가 계속되고 있다. 이는 공중보건 조치가 충분하지 않아서일 가능성이 있다.
• 본 연구는 효과적인 억제 조치가 없을 경우, 브라질, 인도, 아프리카 지역이 2020년 말까지 미국의 누적 확진자 수를 초월할 수 있을 것으로 결론내린다.