一种基于环境复杂作用机制的传染病联合预测模型构架及其建模技术研究

The transmission of environmentally-related infectious disease is a process involving complicated interactions among human, pathogens, vectors and environment. Environment can have impacts on multiple transmission pathways and its impacts can further be nonlinear, accumulated and delayed, which both increased the complexity of modeling the environmental impacts for infectious disease short-term forecasting. To address above issue, we proposed a modeling framework that incorporating the biological mechanism model and statistical model via the parameters of force of infection based on the theories of systematic thinking and time series decomposition. On the basis of above modeling framework, we plan to construct a joint model by combining the multiple transmission pathways dynamic model (MTPDM) and the distributed lag nonlinear model (DLNM), and focus on solving several related key problems, including the model construction, mutual targets design, parameters estimation etc. In addition, we plan to design multiple scenarios to further evaluate the model performances on forecasting based on the real data of hand, foot and mouth disease and meteorological factors. Our proposed study can provide a new perspective to understand the transmission process of environmentally-related infectious disease and a new tool for disease forecasting.

环境相关传染病的传播流行是人-病原-传播媒介-环境间复杂作用的结果。环境因素不但可作用于疾病的多条传播通路，其影响形式还多存在非线性、累积性以及滞后性等特点。为在环境相关传染病短期预测中准确有效地刻画和阐明环境复杂作用机制，本项目基于系统论和时间序列分解思想，提出“生物学机制模型为主，统计模型为辅，传播强度参数为联合作用靶点”的联合建模理论及其框架。以此为基础，通过融合多通路传播动力学模型(MTPDM)和分布滞后非线性模型(DLNM)两种技术来构建联合预测模型并对其中若干关键问题展开深入研究，包括联合模型构架、环境因素作用靶点设计、时变动态传播强度和环境校正作用的参数估计等。进一步，拟以手足口病及气象因素为例展开实证研究，对联合模型的预测效果和适用情形进行评价。本项目为全面认识和反映环境相关传染病的传播流行规律提供了新思路，有望为环境相关传染病的精准短期预测及快速响应提供新的分析技术。

环境相关传染病的传播流行是人-病原-传播媒介-环境间复杂作用的结果。环境因素不但可作用于疾病的多条传播通路，其影响形式还多存在非线性、累积性以及滞后性等特点。为在环境相关传染病短期预测中准确有效地刻画和阐明环境复杂作用机制，本项目提出“生物学机制模型为主，统计模型为辅，传播强度参数为联合作用靶点”的联合建模理论及其框架。以此为基础，通过融合多通路传播动力学模型(MTPDM)和分布滞后非线性模型(DLNM)两种技术来构建联合预测模型并对其中若干关键问题展开深入研究。考虑到手足口病是一种典型地受环境因素影响的传染病，本研究主要以手足口病为研究对象展开，具体研究内容包括：①全面系统地阐明了手足口病的时空分布特征以及影响因素，明确了手足口病存在显著的空间分布差异，以及社会发展水平、学生人口密度、气候条件是影响手足口病发病率以及重症率空间分布的重要驱动因子；②厘清了各种气象环境因子（温度、湿度、降雨量等）对于手足口病发病流行的影响强度、影响时间以及空间异质性，明确了相对湿度的暴露-反应关系曲线呈U型，降雨量的暴露-反应关系曲线表现为明显的阈值效应，气象环境因子存在“收获效应”以及对手足口病发病影响的各个关键时间节点；③探讨了不同气象环境因子对于手足口病发病流行的联合交互作用，明确了温差是多种气象环境因子联合作用的有效替代变量，并提出了一种全新的综合指数用于刻画气象因子的联合作用；④在此基础上，本研究进一步以传播强度参数为共同靶点联合DLNM和MTPDM构建了一种新型联合预测模型，并通过实例数据的比较系统评价了联合模型的预测效果，证实了联合预测模型相对于单一模型具有明显的优势，尤其在流行高峰时期。上述研究成果一方面加深了对于手足口病流行特征的认识，并可以用于指导手足口病的区域特异性防控，另一方面也可为环境相关传染病的建模提供新的技术参考，具有一定的应用推广价值。