User:Michael Hapala
Tato stránka je slouží jako Výzkumná zpráva simulace "Modelování přenosu nákazy klíšťové encefalitidy" k semestrálnímu projektu pro předmět 4IT495 Simulace systémů (LS 2012/2013) na VŠE v Praze.
Zadání
- Název simulace: Modelování přenosu nákazy klíšťové encefalitidy
- Předmět: 4IT495 Simulace systémů (LS 2012/2013)
- Autor: Michael Hapala
- Typ modelu: Multiagentní simulace
- Modelovací nástroj: NetLogo
Původní zadání viz: User talk:Michael Hapala
Definice problému
Model prezentuje přenos viru klíšťové encefalitidy z hlodavců na klíšťata (rod ixodes), přenos v rámci populace klíšťat a přenos z klíšťat na člověka. Prostředí představuje místo s vysokou frekvencí výskytu hlodavců a klíšťat do kterého vstupují lidé, z nichž někteří se proti přisátí chrání repelentem/vhodným oblečením a proti nákaze virem encefalitidy očkováním. Důvodem vytvoření modelu je vytvoření výzkumné zprávy. Předmětem zkoumání je podíl lidí nakažených virem v závislosti na podílu očkovaných lidí, počtu hlodavců a počátečního počtu klíšťat.
Metoda
Vzhledem k tomu, že je potřeba vytvořit model s dvoudimenzionální prostředím a dynamickými vlastnostmi, kde probíhá velké množství interakcí mezi modelovanými prvky, jeví se jako jednoznačně nejvhodnější přístup k řešení použití multiagentní simulace. Za simulační prostředí bylo zvoleno Netlogo.
Model
Popis modelu
V modelu jsou zastoupeny 3 druhy agentů – hlodavci, klíšťata a lidé. Počet hlodavců se během simulace nemění, určité procento z nich je rezerovárem viru encefalitidy. Hlodavci mají tyto vlastnosti:
rodents_pace - rychlost pohybu hlodavce rodent_female? - je hlodavec samice? rodent_with_TBEV? - je hlodavec rezervoárem viru encefalitidy?
Počet klíšťat v modelu je proměnlivý, klíšťata se množí, samice umírá po nakladení vajíček, samec po určitém počtu páření, klíště může umřít na nedostatek potravy nebo kvůli stáří. Klíšťata v modelu procházejí třemi stadii - larvy, nymfy a dospělého jedince. Na začátku vývoje larvy a nymfy je klidové období, kdy nesají, jinak klíště musí sát, po určité době bez potravy zahyne. Klíšťata se páří potkáním samice a samce klíšťěte na hlodavci, z dané samice se pak vylíhne určitý počet larv klíšťat (po vizuální stránce v modelu jako malá klíšťata).
ticks_pace - rychlost pohybu klíštěte tick_ixodes_current_number_of_days_without_food_of_adults - aktuální doba dospělého klíštěte bez přisátí ve dnech tick_ixodes_current_number_of_ticks_without_food_of_adults - aktuální doba dospělého klíštěte bez přisátí v simulačních krocích tick_ixodes_age_in_days - věk klíštěte ve dnech tick_ixodes_age_in_ticks - věk klíštěte v simulačních krocích tick_ixodes_number_of_attaches_to_host - počet přisátí klíštěte na hostitele tick_ixodes_time_to_feed_left_in_ticks - doba, po jakou bude klíště přisáté v simulačních krocích number_of_matings_left_for_tick_ixodes_male_adult - kolikrát se samec klíštěte může před smrtí pářit carried_by - člověk nebo hlodavec, na kterém je klíště přisáté, v dané chvíli nemusí být nikdo tick_active? - je klíště v aktivním období (tedy tick_on_host? - je klíště přisáté na hostiteli? tick_on_rodent_mating? - páří se klíště? tick_mature? - je klíště dospělé tick_female? - je klíště samička? tick_infected? - je klíště infikované virem encefalitidy? tick_female_ready_to_lay_eggs? - je samice klíštěte připravena položit vajíčka?
Do prostředí vstupují lidé na levé straně obrazovky, během průchodu se na ně mohou přisát klíšťata. Na pravé straně obrazu lidé odcházejí - jejich želvy umírají (příkaz die), stejně jako želvy přisátých klíšťat na odcházejících lidech. Lidé, kteří mají v modelu modré kalhoty jsou chráněni repelentem/vhodným oblečením, lidé v zelené barvě jsou očkováni proti encefalitidě, lidé v modré barvě nejsou očkováni, růžová/červená barva člověka/klíštěte/hlodavce značí infikování virem resp. funkci nosiče viru. Černá barva člověka značí, že člověk na encefalitidu zemře. Lidé mají tyto vlastnosti:
people_pace - rychlost pohybu člověka person_protected_by_repelent_or_clothing? - je osoba chráněná repelentem/vhodným oblečením? person_vaccinated? - je osoba očkovaná? person_infected? - je osoba nakažená encefalitidou? person_going_to_die? - zemře osoba na nákazu encefalitidou?
Model má pak tyto globální vlastnosti:
percentage_of_people_deaths_from_encephalitis_infection - procento lidí, kteří umírají na nákazu encefalitidou probability_of_infection_transmission_from_ticks_to_people - pravděpodobnost přenosu nákazy z infikovaného přisátého klíštěte na člověka vaccination_efficiency - účinnost očkování total_number_of_people - celkový počet lidí, kteří prošli simulačním během number_of_infected_people - počet lidí number_of_dead_people - počet mrtvých lidí z nákazy encefalitidou number_of_ticks_per_day - kolik kroků simulace proběhne k odpočítání jednoho simulovaného dne ticks_ixodes_length_of_dormancy_of_larva_in_days - délka klidového období larvy klíštěte ve dnech ticks_ixodes_length_of_dormancy_of_larva_in_ticks - délka klidového období larvy klíštěte v simulačních krocích ticks_ixodes_length_of_maturing_to_nymph_in_days - délka aktivního období larvy klíštěte ve dnech ticks_ixodes_length_of_maturing_to_nymph_in_ticks - délka aktivního období larvy klíštěte v simulačních krocích ticks_ixodes_length_of_dormancy_of_nymph_in_days - délka klidového období nymfy klíštěte ve dnech ticks_ixodes_length_of_dormancy_of_nymph_in_ticks - délka klidového období nymfy klíštěte v simulačních krocích ticks_ixodes_length_of_maturing_to_adult_in_days - délka aktivního období nymfy klíštěte ve dnech ticks_ixodes_length_of_maturing_to_adult_in_ticks - délka aktivního období nymfy klíštěte v simulačních krocích ticks_ixodes_maximum_length_of_life_in_days - maximální délka života klíštěte ve dnech ticks_ixodes_maximum_length_of_life_in_ticks - maximální délka života klíštěte v simulačních krocích ticks_ixodes_maximum_number_of_days_without_food_of_adults - maximální interval, během kterého může dospělé klíště přežít bez přisátí ve dnech ticks_ixodes_maximum_number_of_ticks_without_food_of_adults - maximální interval, během kterého může dospělé klíště přežít bez přisátí v simulačních krocích probability_of_free_male_tick_to_mate_with_a_free_female_tick_on_rodent - pravděpodobnost páření samce a samice klíštěte při setkání na společném hostiteli – hlodavci
Na encefalitidu umírá 1,5% lidí. Pravděpodobnost přenosu viru z infikovaného klíštěte na nechráněného člověka je 35%. Účinnost očkování je 97,5%. Klidové období larvy trvá 220 dnů, do 275 dnů od zrození se musí larva přisát/zmorfovat v nymfu, aby nezemřela. Pokud se larva zmorfuje před 275.dnem, je její věk posunut právě na 275 dní. Klidové období nymfy trvá od 275.dne do 495.dne života. Do 550.dne života se musí nymfa přisát/zmorfovat v dospělého jedince, aby nezemřela. Pokud se larva zmorfuje před 550.dnem, je její věk posunut právě na 550 dní. Dospělý jedinec přežije bez přisátí maximálně 90 dnů. Jeden den byl pro potřeby zkoumání cílových závislosí v modelu nastaven na 20 simulačních kroků. Pravděpodobnost páření samce se samicí při jejich potkání na hlodavci byla přizpůsobena potřebám modelu a stanovena na 5%. Procedura setup nastavuje tyto hodnoty, klíšťata při vzniku mají průměrný věk 365 dnů s normálním rozdělením.
Běh simulace určují procedury volané v následujícím pořadí:
make_ticks_older_and_let_them_die_on_high_age - zajistí zestárnutí klíšťat o jeden krok, podle potřeby nechá přestárlá klíšťata zemřít let_starving_ticks_to_die - přičte klíšťatům simulační krok bez potravy, klíšťata v aktivním období po určité době bez potravy zemřou let_people_appear_on_the_left_edge - na levé straně obrazovky přicházejí lidé let_people_disappear_on_the_right_edge - na pravé straně obrazovky lidé odcházejí, klíšťata přisátá na nich z modelu mizí také try_free_tick_ixodes_to_attach_to_rodents - pokud klíště není přisáté a je aktivní a na jeho dlaždici je hlodavec, s určitou pravděpodobností se přisaje try_to_make_a_mating_of_ticks_ixodes - pokud je dospělý samec a samice na hlodavci, s určitou pravděpodobností se budou pářit try_free_tick_ixodes_to_attach_to_people_and_infect_them - pokud je klíště aktivní a na jeho dlaždici je člověk, podle ochrany člověka a obecné pravděpodobnosti přisátí se přisaje ask_ticks_to_consume_blood_and_release_from_rodent_and_morph_or_hatch - pokud jsou klíšťata přisátá na hlodavci, odečte se jeden simulační krok z celkové doby určené pro sání, pokud je čas, klíště morfuje do vyššího stadia, případně samice klade vajíčka move_people - pohne se všemi lidmi na základě jejich rychlosti, všichni směřují k pravému okraji move_rodents - pohne se všemi hlodavci na základě jejich rychlosti move_ticks - pohne se všemi klíšťaty na základě jejich rychlosti
Larva klíštěte je přisáta 2 až 6 dnů. Nymfa klíštěte je přisáta 3 až 8 dnů. Dospělá samička klíštěte je přisáta 6 až 12 dnů (řešeno přes střed intervalu jako průměr s normálním rozdělením). Dospělý sameček klíštěte je přisátý krátce, byl stanoven průměr půl dne s normálním rozdělením. Dospělý sameček se může pářit i vícekrát, průměrně 2,5x s normálním rozdělením. Počet klíšťat, která se z vajíček nakladených samicí klíštěte vylíhne je 40 s normálním rozdělením.
V rozhraní jsou tlačítka setup pro nastavení a go pro spuštění simulace. Dále tyto posuvníky, pomocí kterých je možno měnit proměnné.
percentage_of_vaccinated_people – procento očkovaných lidí
percentage_of_people_protected_by_repelent_or_clothing - procento lidí chráněných repelentem/vhodným oblečením
general_probability_of_hungry_tick_attaching_to_a_human – obecná pravděpodobnost přisátí klíštěte na člověka
general_probability_of_hungry_tick_attaching_to_a_rodent - pravděpodobnost přisátí klíštěte na hlodavce
percentage_of_rodents_with_encephalitis – procento hlodavců s encefalitidou
initial_percentage_of_ticks_with_encephalitis - počáteční počet infikovaných klíšťat
number_of_rodents – počet hlodavců
initial_number_of_ticks – počáteční počet klíšťat
Pomocí monitorovacích prvků je sledován celkových počet lidí, kteří prošli modelem, počet infikovaných lidí a lidí, kteří zemřou na nákazu encefalitidou. Nakonec i aktuální počet klíšťat v modelu.
Ukázka prostředí modelu
Výsledky
Závislost podílu infikovaných osob na podílu očkovaných lidí
Byla zkoumána závislost podílu infikovaných osob na podílu očkovaných lidí, a to od 15 do 90% s krokem po 15%. Pro každý z těchto podílů proběhla simulace 4x, výsledkem byla lineární klesající závislost.
Závislost podílu infikovaných osob a konečného počtu klíšťat na počtu hlodavců
Dále bylo zjišťováno, jak závisí podíl infikovaných osob na počtu hlodavců, a to od počtu 145 do 235 s nárůstem po 30, pro každý daný počet hlodavců proběhla simulace 4x a po 4000 simulačních krocích. Dalo se očekávat, že větší počet hlodavců přinese větší počet klíšťat v průběhu a na konci běhu simulace a tím pádem větší počet nakažených osob, otázkou bylo jak velký bude tento nárůst. Výsledkem byl mírný růst, nárůst počtu hlodavců o 62% způsobil růst infikovaných lidí o 38% (v úvahu brány jen krajní hodnoty).
Závislost podílu infikovaných osob a konečného počtu klíšťat na počátečním počtu klíšťat
Nakonec bylo zkoumáno, jak závisí podíl infikovaných osob na počátečním počtu klíšťat, a to od počtu 425 do 635 s nárůstem po 70, pro každý daný počáteční počet klíšťat proběhla simulace 4x a po 4000 simulačních krocích. Dalo se i zde očekávat, že větší počáteční počet klíšťat přinese větší počet klíšťat v průběhu, potažmo na konci simulace a tím pádem větší počet nakažených osob. Výsledkem byl nakonec jen malý růst, nárůst počátečního počtu klíšťat o 49,4% způsobil růst infikovaných lidí o 19,6% (u krajních hodnot).
Závěr
Byla prozkoumána závislost podílu osob infikovaných virem encefalitidy na podílu očkovaných osob, počtu (hustotě) hlodavců a počátečním počtu (hustotě) klíšťat (které pozitivně ovlivňují průběžné a konečné počty klíšťat). Zatímco v prvním případě se lineární pokles dal očekávat, ve zbylých dvou případech byl výsledek hůř předvídatelný a změna méně výrazná. Podrobnější zkoumání neumožnil čas a výpočetní výkon hardwaru, na kterém simulace běžela. Oproti původnímu záměru dle zadání nebyl zkoumán vývoj počtu úmrtí na nakažení encefalitidou, jednak proto, že pro zkoumané krátké časové úseky by bylo nemožné získat nenulové nebo takřka nenulové počty úmrtí, pak také proto, že by vývoj podílu úmrtí při dostatečných časových úsecích byl obdobný vývoji podílu infekcí. Změnou proti původnímu zadání bylo také mít neměnný počet hlodavců v rámci jednoho nastavení a simulačního běhu. Jedním důvodem byl fakt, že dynamický vývoj populace hlodavců by měl za následek ovlivnění populace klíšťat potažmo počtu infikovaných lidí virem a ztížil by tak celkovou interpretaci modelu. Souvisejícím důvodem je obtížné udržování stability populace hlodavců tak, aby v dlouhém časovém intervalu nevymřela nebo naopak se rozmnožila nad rozumnou mez. Upřesněním původního zadání by také mělo být, že stadia larvy a nymfy byly modelovány, obě tyto stadia se vizuálně projevila menší (shodnou) velikostí klíštěte.
Kód
Zdrojový kód modelu: File:Xhapm05-prenos nakazy klistove encefalitidy.nlogo
Reference
[1] Bakhvalovaa V.N., Potapovaa O.F. , Panova V.V. , Morozova O.V. Vertical transmission of tick-borne encephalitis virus between generations of adapted reservoir small rodents [online]. Poslední změna 31.10.2012. URL: http://www.nihbrp.com/Citations/completed/HumanHealthEcologyTeam/Andes_Hantavirus/Bakhvalova_TBE_Rodents_2009.pdf
[2] Burri C., Korva M., Bastic V., Knap N., Avsic-Zupanc T., Gern L. Serological evidence of tick-borne encephalitis virus infection in rodents captured at four sites in Switzerland [online]. Poslední změna - březen 2012. URL: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22493864
[3] Kříž, B. Beneš, Č. Situace ve výskytu klíšťové encefalitidy do roku 2012 v České republice [online]. Poslední změna 11.2.2013. URL: http://www.szu.cz/tema/prevence/situace-ve-vyskytu-klistove-encefalitidy-do-roku-2012-v
[4] Natural history musem. Ixodes-ricinus – feeding [online]. Poslední změna - 2013 URL: http://www.nhm.ac.uk/nature-online/species-of-the-day/scientific-advances/disease/ixodes-ricinus/feeding/index.html
[5] North Carolina State University. Ticks and Tick-Borne Diseases in North Carolina [online]. Poslední změna - červen 2009. URL: http://www.ces.ncsu.edu/depts/ent/notes/Urban/ticks.htm
[6] Růžek, D. Molekulární ekologie viru klíšťové encefalitidy [online]. Poslední změna 1.4.2008. URL: http://www.parazitologie.cz/akce/seminar-2008/Sbornik.doc
