Компьютерная модель для определения оптимальной схемы вакцинации населения против ветряной оспы
2. Козлов Денис Юрьевич
3. Хворова Любовь Анатольевна
В настоящее время все отрасли экономики подвержены цифровой трансформации. Медицина, и в широком смысле, здоровьесбережение населения, – одна из сфер деятельности человека, ставящая большое число задач по разработке алгоритмов, технологий и программных решений по автоматизации различных бизнес-процессов.
Целью проекта является разработка алгоритма и приложения с возможностью их последующего внедрения в практическую деятельность для улучшения качества оказания услуг и повышения производительности труда персонала лечебно-оздоровительной и курортной сферы.
В рамках реализации проекта разработана компьютерная модель с различными схемами вакцинации против ветряной оспы.
В период пандемии COVID-19 очевидна ценность математических и компьютерных моделей эпидемий и вакцинопрофилактики различных эпидемиологических заболеваний. Задача проекта – разработка компьютерной модели вакцинации против ветряной оспы совместно с АГМУ, прогнозирующей влияние различных схем вакцинации на население Алтайского края в течение длительного периода времени. Развитием проекта станет разработка веб-сервиса, реализующего модель, с последующим внедрением в учебный процесс кафедры эпидемиологии, микробиологии и вирусологии АГМУ. Также будет разработан веб-сервис по оценке вероятности возникновения внутрибольничных инфекций.
Компьютерная модель позволяет разработать систему управления и прогнозирования тенденции распространения заболевания среди населения Алтайского края, определить сроки достижения пика и максимального снижения уровня заболеваемости с выходом на минимальное плато в уровне передачи заболевания для оценки эффективности плановой вакцинопрофилактики на общую эпидемическую ситуацию.
Компьютерная модель разработана на языке программирования Python.
В основу построенной имитационной модели положен метод Монте-Карло симуляции, суть которого заключается в построении математических моделей с использованием генератора случайных чисел. Метод Монте-Карло – общее название группы численных методов, основанных на получении большого числа реализаций стохастического (случайного) процесса, который формируется таким образом, чтобы его вероятностные характеристики совпадали с аналогичными величинами решаемой задачи.
Развитием проекта станет разработка веб-сервиса, реализующего модель, с последующим внедрением в учебный процесс кафедры эпидемиологии, микробиологии и вирусологии АГМУ. Также будет разработан веб-сервис по оценке вероятности возникновения внутрибольничных инфекций.
Кроме того, 90% задач реализовано в рамках выполнения выпускной работы. В рамках магистерской диссертации все поставленные задачи будут реализованы.
Среди медицинских мероприятий, реализуемых в борьбе с инфекционными болезнями, одно из ведущих мест отводится вакцинопрофилактике. Во всем мире она признана как наиболее эффективное, экономичное и доступное средство в борьбе с инфекциями. В нашей стране вакцинопрофилактика поднята до ранга государственной политики, способной обеспечить предупреждение, ограничение распространения и ликвидацию инфекционных болезней.
Ветряная оспа – острая системная, обычно детская инфекция, вызываемая вирусом ветряной оспы – вирусом опоясывающего лишая (varicellazoster). Является чрезвычайно заразным и распространённым по всему миру заболеванием, обладающим рядом специфических характеристик: распространяется воздушно-капельным путем, при котором происходит инокуляция вируса на слизистую, или через прямой контакт с носителем вируса; обладает высокой контагиозностью, восприимчивость к инфекции среди восприимчивых людей достигает 95–100%; характеризуется лихорадкой, умеренно выраженной интоксикацией и распространённой везикулезной сыпью. Подвержены инфекции преимущественно дети дошкольного возраста, посещающие детские образовательные учреждения. На их долю приходится в среднем 94–96% от общего количества заболевших, при этом пик заболевания приходится на возраст 3–4 года. После перенесенного заболевания у 97% переболевших вырабатывается пожизненный иммунитет.
Опираясь на опыт организации вакцинопрофилактик против вируса varicella zoster за рубежом, на территории Российской Федерации, в том числе и на территории Алтайского края, в настоящее время рассматриваются всевозможные стратегии и способы организации вакцинопрофилактик. Ориентировочные расчеты затрат свидетельствуют, что на лечение заболевших и противоэпидемические мероприятия по «управляемым» инфекциям из бюджета страны в 2021 г. было израсходовано не менее 5,1 млрд. рублей. В то же время, известно, что затраты на вакцинацию для любой инфекции, эпидемиологическая эффективность которой доказана, примерно в 10 раз меньше затрат на лечение заболевания. В этих условиях становится очевидной медицинская и экономическая значимость вакцинопрофилактики, организация и проведение которой несет на себе элементы повышенной ответственности за эпидемиологическое благополучие населения страны.Актуальность и практическая значимость проекта связаны с потребностями врачей в системе, способной управлять и планировать сроки и методы иммунопрофилактики, в определении сроков достижения пика распространения вируса ветряной оспы и максимального снижения уровня заболеваемости с выходом на минимальное плато в уровне передачи заболевания.
Масштабируемость, способность к взаимодействию с другими системами, мобильность изначально заложены в требования к компьютерной программе.
Проект относится к междисциплинарной области, объединяющей медицину, компьютерные науки, математику и статистику. Крупномасштабные медицинские проблемы, требующие анализа больших объемов данных, в данном проекте решаются с вычислительной точки зрения и, главным образом, включают в себя разработку алгоритмов и программ, баз данных, компьютерных методов и моделей для обработки и анализа медицинских данных.
Все результаты моделирования согласуются с данными литературных источников, а также были обсуждены и одобрены врачами-специалистами.При разработке компьютерной модели использована модифицированная имитационная SEIR-модель распространения эпидемии, в которой к трём состояниям SIR-модели добавляется еще одно – Exposed (зараженный, находящийся в инкубационном периоде). Кроме того, в модели учитываются
следующие наиболее значимые параметры для каждого индивидуально-особенного человека: возраст, уровень риска в зависимости от возраста пациента, наличие выработанного иммунитета, длительность протекания заболевания, количество социальных связей, вероятность заражения, наличие вакцины в организме и другие.
Анализ распространения и тяжести протекания болезни предполагает необходимость разделения всей исследуемой популяции на возрастные категории: 0–2 года, 3–6 лет, 7–17 лет, 18 и старше.
При моделировании рассматривается три различных типа вакцинопрофилактики:
• вакцинация 1-го типа: осуществляется в два приема – в возрасте 1 год, после чего вероятность заболевания после выработки антител составляет 20%, и в 6 лет – вероятность заболевания после выработки антител составляет всего 5%;
• вакцинация 2-го типа: осуществляется в два приема – в 6 лет – вероятность заболевания после выработки антител составляет 20%, и в 6 лет через 30 дней после первой вакцинации – вероятность заболевания после выработки антител составляет 5%;
• вакцинация 3-го типа: осуществляется в один прием – в 6 лет – вероятность заболевания после выработки антител составляет 20%.
Полезность отражена в социально-экономической целесообразности проекта и глобальном контекстном решении. Удобство и простота использования изначально закладывались в проект.
Компьютерная программа имеет простой и удобный интерфейс, позволяет получать легко читаемые графики по результатам моделирования.