传染病反应扩散的多层次建模与动力学分析

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11661026
  • 项目类别:
    地区科学基金项目
  • 资助金额:
    36.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A0604.生物与生命科学中的数学
  • 结题年份:
    2020
  • 批准年份:
    2016
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2017-01-01 至2020-12-31

项目摘要

The transmission of epidemics through vast regions is a complicated reaction-diffusion phenomenon, which is affected by combined factors such as pathogen, human, environment and climate. But existing studies of epidemic dynamics mainly focus on human mobility and direct infection, where the effects of indirect factors are usually overlooked. Here we take into account various related factors (e.g., climatic environment, social economics, floating population and collective behaviors), and consider the dynamic coupling between these factors and disease propagation. We define the framework of multilevel dynamics by integrating indirect factors, infection data and direct transmission, and develop a new type of epidemic reaction-diffusion models in the form of mathematics, statistics and computation. Further, we employ qualitative theory, functional differential equations and statistical regression as well as Bayes inference and MCMC methods to explore various dynamic behaviors including spreading threshold, diffusion routes, incidence rate, periodic oscillations and Turing patterns, so as to infer the mechanisms of spatio-temporal transmission. Particularly, we apply our model to the transmission of tuberculosis and dengue in China. We investigate the contributions of explicit and hidden factors to the transmission, reveal the propagation rules behind the data of reported cases, and develop effective control strategies. Our studies can provide more reasonable methodology for the studies on epidemic dynamics, and can present scientific guidance for the control and intervention of epidemics.
传染病的大范围传播是一种复杂的反应扩散现象,受病原体、人类、环境和气候等多种因素共同影响。但现有传染病动力学研究主要关注人群移动和直接传播,往往忽略了间接因素的作用。本项目综合多种相关因素,如气候环境、社会经济、流动人口和群体行为等,分析它们与传播的耦合作用,提出由间接因素、病例数据和直接感染构成的多层次耦合动力学,由此建立一类新的传染病反应扩散的数学、统计和计算模型;接着运用定性理论、泛函微分、随机理论和统计回归等知识,并结合贝叶斯推断和马氏链蒙特卡罗方法,探索传播阈值、扩散路径、发病率、周期振荡和图灵斑图等各种动力学行为,获得疾病的时空传播机理。并把新模型应用于肺结核和登革热在全国多个地区的真实传播,讨论各种显性和隐性因素的影响权重,揭示病例数据下隐藏的传播规律,给出恰当的控制策略。研究结果将为传染病动力学提供更合理的建模分析方法,并为疫情的预防和控制提供科学指导。

结项摘要

传染病流行是感染源通过各种途径感染易感人群或动物,是一个时空上反应扩散的多层次过程,与气候、经济、交通、人口和环境等一系列因素密切相关,结合影响因素探究各类传染病的暴发、扩散与消亡问题是当前的研究热点。本项目提出了一类嵌入传播因子的传染病多层次建模方案,并应用于分析多种传染病的反应扩散机理。着重研究了如下三类问题:(1)结合疫情数据、气象信息和社会环境等因素,采用动力学模型、ArcGIS、小波分析、统计模型和机器学习等技术,分析了登革热在广东区县、地级市和珠三角多个尺度下的时空演化图、风险分布图、关键路径和传播网络等动力学性质,给出了气象、人口流动和社会经济对疫情时空扩散的影响作用。(2)建立一类传染病模型,耦合了气候条件、社会网络结构、群体接触模式、年龄结构、人口特征等各类影响因素,由此形成反映传染病传播的多层次模型,据此分析手足口病、禽流感、肺结核、HIV、包虫病等多个传染病的反应扩散机理,量化因素的影响权重。(3)把蚊媒防控、接种和市场干预等措施融入传播动力学模型中,分析各类防控措施对登革热、手足口和禽流感时空扩散的影响机制,进而优化疫情的防控措施。. 依托本项目研究,共发表学术论文23篇,其中SCI收录16篇,中文核心4篇。指导和培养青年教师3名、培养硕士12名。研究成果为传染病分析提供建模思路,有助于从本质认识传染病的传播规律和流行特征,从而制订有效的防控措施。

项目成果

期刊论文数量(23)
专著数量(0)
科研奖励数量(2)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Different intervention strategies toward live poultry markets against avian influenza A (H7N9) virus: Model-based assessment
针对活禽市场针对甲型H7N9禽流感病毒的不同干预策略:基于模型的评估
  • DOI:
    10.1016/j.envres.2020.110465
  • 发表时间:
    2021-05-27
  • 期刊:
    ENVIRONMENTAL RESEARCH
  • 影响因子:
    8.3
  • 作者:
    Zhu,Guanghu;Kang,Min;Ma,Wenjun
  • 通讯作者:
    Ma,Wenjun
Effects of human mobility, temperature and mosquito control on the spatiotemporal transmission of dengue
人体活动、温度和蚊虫控制对登革热时空传播的影响
  • DOI:
    10.1016/j.scitotenv.2018.09.182
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Science of the Total Environment
  • 影响因子:
    9.8
  • 作者:
    Zhu Guanghu;Liu Tao;Xiao Jianpeng;Zhang Bing;Song Tie;Zhang Yonghui;Lin Lifeng;Peng Zhiqiang;Deng Aiping;Ma Wenjun;Hao Yuantao
  • 通讯作者:
    Hao Yuantao
禽流感H7N9传播模型的动力学分析
  • DOI:
    10.21656/1000-0887.390175
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    应用数学和力学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    周飘飘;祝光湖
  • 通讯作者:
    祝光湖
Successive lag cluster consensus on multi-agent systems via delay-dependent impulsive control
通过延迟相关脉冲控制实现多智能体系统的连续滞后集群共识
  • DOI:
    10.1088/1674-1056/28/5/050501
  • 发表时间:
    2019-05
  • 期刊:
    Chinese Physics B
  • 影响因子:
    1.7
  • 作者:
    Qiu Xiao Fen;Zhang Yin Xing;Li Ke Zan
  • 通讯作者:
    Li Ke Zan
一类综合脉冲控制系统的动力学分析
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    信阳师范学院学报(自然科学版)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    唐甜;李晓冬;甘永莹;祝光湖
  • 通讯作者:
    祝光湖

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其他文献

有向网络上流行病阈值比较和免疫分析
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2012
  • 期刊:
    复杂系统与复杂性科学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王琴;祝光湖;傅新楚
  • 通讯作者:
    傅新楚
基于随机森林回归模型的登革热风险评估研究
  • DOI:
    10.13217/j.scjpm.2019.0026
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    华南预防医学
  • 影响因子:
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  • 作者:
    黄宇琳;黄宇琳;赵永谦;赵永谦;曹峥;曹峥;刘涛;刘涛;邓爱萍;邓爱萍;肖建鹏;肖建鹏;张兵;张兵;祝光湖;祝光湖;彭志强;彭志强;马文军;马文军
  • 通讯作者:
    马文军
社交网络上基于信息驱动的行为传播研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    Journal of the University of Electronic Science and Technology of China
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    陈玟宇;贾贞;祝光湖
  • 通讯作者:
    祝光湖

其他文献

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相似国自然基金

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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