[论文解读] Public Health Policy: COVID-19 Epidemic and SEIR Model with Asymptomatic Viral Carriers

Weijie Pang|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2020

COVID-19 epidemiological studies参考文献 39被引用 11

一句话总结

本研究构建了一个结合无症状传播的SEIRA流行病模型，以评估COVID-19大流行期间的公共卫生政策。研究发现，仅隔离确诊患者对无症状传播无效，而普遍个人防护与检疫措施在控制感染方面效果相当——尤其当40%的病例为无症状或轻症时，与80%效率的防护或检疫相比，仅隔离会导致感染人数增加75%。

ABSTRACT

We measure the effect of different public health regulations to the spread of COVID-19, based on a SEIRA model -- a SEIR model including asymptomatic transmissions. The cumulative confirmed cases and death show nonlinear positive relationship with the value of asymptomatic rate. Based on this model, we analyze the inhibit effects to COVID-19 of three types of public health policies, i.e. isolation of laboratory confirmed cases, general personal protection and quarantine (lock-down). The simulations conclude that the isolation display limited effects to the asymptomatic viral carriers. The general personal protection and quarantine perform similar effects when the their percentages of participants are same. When the total proportion of asymptomatic, mild symptomatic and neglected patients is 40%, only depends on isolation policy may lead to an additional 75% infections, compared with general personal protection or quarantine with an efficiency 80%. At end, we provide seven recommendations of public health intervention before and during an aerial transmitted epidemic (COVID-19).

研究动机与目标

• 评估公共卫生政策对COVID-19传播的影响，特别是存在无症状病毒携带者的情况下。
• 通过扩展的SEIRA框架，模拟无症状传播在驱动流行病传播中的作用。
• 比较三种关键干预措施的效率：确诊病例隔离、普遍个人防护和检疫（封锁）。
• 为公共卫生机构在面对传播途径未知且无症状率未知的空气传播疫情时，提供基于证据的建议。
• 量化流行病结果对无症状传播率和政策实施时机的敏感性。

提出的方法

• 构建一个确定性SEIRA模型，为有症状者（I）、无症状者（E）、康复者（R）和死亡者（D）设立独立的传播阶段。
• 引入不同的传播率：β^I 代表有症状个体的传播率，β^E 代表无症状携带者的传播率，假设其传染性相等。
• 引入与政策相关的参数：e^Q 代表检疫效率，e^F 代表个人防护依从性。
• 在不同无症状率（r）下模拟流行病动态，识别出 r ≥ 10% 为临界阈值。
• 通过数值模拟比较在不同参与率下，隔离、个人防护与检疫政策的实施效果。
• 分析政策实施延迟以及初始确诊患者在传播链中被遗漏的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在SEIRA模型中，纳入无症状传播后，对累计病例数和死亡数的预测有何影响？
• RQ2 在控制空气传播疫情方面，隔离确诊患者、普遍个人防护与检疫措施的相对有效性如何？
• RQ3 无症状率（r）如何影响仅依赖隔离与更广泛公共卫生策略的效果？
• RQ4 当存在无症状传播时，政策实施延迟对流行病控制有何影响？
• RQ5 在何种条件下，普遍个人防护可与全面封锁措施效果相当？

主要发现

• 累计确诊人数与死亡人数与无症状传播率（r）呈非线性正相关关系。
• 当无症状、轻症及未被检测到的病例占所有感染的40%时，仅依赖病例隔离会导致感染人数比80%效率的个人防护或检疫措施多出75%。
• 当参与者依从性相等时，普遍个人防护与检疫可产生相似的流行病抑制效果。
• 当无症状携带者普遍存在时，仅隔离确诊患者不足以控制传播，尤其是在 r ≥ 10% 时。
• 当 r ≥ 10% 时，公共卫生政策必须优先推广普遍个人防护——尤其是佩戴口罩——并辅以检测与接触者追踪。
• 当病例隔离与个人防护无法有效控制疫情时，检疫仍是必要的最后手段，尽管其带来显著的社会与经济成本。