background image

POLITECHNIKA WROCŁAWSKA 

WYDZIAŁ PODSTAWOWYCH PROBLEMÓW TECHNIKI 

 

 

 

 

Renata Wywrot 

 

 

 

 

Modelowanie rozprzestrzeniania 

się epidemii SARS 

 

 

 

 

 

                                                          Praca inżynierska  
                                                          napisana pod kierunkiem naukowym 
                                                          dr Rafała Werona 

 

 

 

 

Wrocław, 2004r. 

background image

 

2

 

SPIS TREŚCI 

 

POLITECHNIKA WROCŁAWSKA............................................................................. 1 
WSTĘP....................................................................................................................... 3 
1.  Co to jest SARS? ............................................................................................... 5 

1.1.

 

P

RZYCZYNY

...............................................................................................................5

 

1.2.

 

S

POSOBY ROZPRZESTRZENIANIA SIĘ

...........................................................................5

 

1.3.

 

O

BJAWY

.....................................................................................................................6

 

1.4.

 

Z

APOBIEGANIE I LECZENIE

...........................................................................................7

 

2.  Krótka historia epidemii.................................................................................... 8 

2.1.

 

P

IERWSZE PRZYPADKI ZACHOROWAŃ

..........................................................................8

 

2.2.

 

O

BOWIĄZEK ZGŁASZANIA CHORÓB ZAKAŹNYCH

............................................................8

 

2.3.

 

Z

ANIEDBANIA ZE STRONY CHIŃSKICH WŁADZ 

...............................................................9

 

2.4.

 

K

OLEJNE EPIZODY W ROZWOJU EPIDEMII 

....................................................................9

 

2.5.

 

P

ODSUMOWANIE

......................................................................................................11

 

2.6.

 

W

YNIKI NAJNOWSZYCH BADAŃ

..................................................................................13

 

3.  Epidemiologia - podstawowe pojęcia ............................................................ 15 

3.1.

 

O

KREŚLENIE EPIDEMIOLOGII 

....................................................................................15

 

3.2.

 

M

IERNIKI EPIDEMIOLOGICZNE ROZPOWSZECHNIANIA SIĘ CHORÓB       W POPULACJI 

....16

 

3.2.1.

 

Współczynnik rozpowszechniania....................................................................................... 17

 

3.2.2.

 

Współczynnik zapadalności (skumulowanej) .................................................................... 18

 

3.2.3.

 

Współczynnik zapadalności (gęstość zachorowań) ......................................................... 18

 

3.2.4.

 

Współczynnik chorobowości ................................................................................................ 18

 

3.2.5.

 

Badanie umieralności............................................................................................................ 19

 

3.3.

 

SARS - 

DANE DLA 

H

ONGKONGU

...............................................................................20

 

4.  Wybrane zagadnienia z teorii sieci ............................................................... 27 

4.1.

 

S

IEĆ REGULARNA

.....................................................................................................27

 

4.2.

 

S

IEĆ LOSOWA

...........................................................................................................28

 

4.3.

 

S

IEĆ 

M

AŁEGO 

Ś

WIATA

..............................................................................................29

 

4.3.1.

 

Sześć stopni separacji .......................................................................................................... 29

 

4.3.2.

 

Schemat budowy Małego Świata ........................................................................................ 30

 

4.4.

 

S

IECI BEZSKALOWE

..................................................................................................30

 

4.4.1.

 

Schemat budowy sieci bezskalowej.................................................................................... 31

 

4.4.2.

 

Cechy sieci bezskalowych:................................................................................................... 32

 

4.4.3.

 

Rozprzestrzenianie się wirusów w sieci bezskalowej....................................................... 32

 

4.5.

 

P

ODSUMOWANIE

......................................................................................................34

 

5.  Próba dopasowania modelu........................................................................... 35 

5.1.

 

P

IERWSZY MODEL

.....................................................................................................36

 

5.2.

 

D

RUGI MODEL

..........................................................................................................38

 

5.3.

 

O

PIS DZIAŁANIA APLIKACJI 

„S

YMULATOR EPIDEMII

”.....................................................44

 

BIBLIOGRAFIA........................................................................................................ 46 
 

 

 

 

 

 

 

background image

 

3

 

WSTĘP 

 
 Sytuację, jaka zaistniała począwszy od listopada 2002 roku, w mniejszym lub 

większym stopniu, znamy chyba wszyscy. Chodzi mianowicie o wybuch epidemii 

SARS  (od ang. Severe Acute Respiratory Syndrome – ostry zespół niewydolności 

oddechowej), spowodowanej przez dotychczas nieznanego wirusa, zaliczonego 

przez naukowców do grupy Corona. Jest to stosunkowo nowe zagadnienie i mimo iż 

na ten temat napisano już sporo (głównie artykuły i doniesienia prasowe, dokumenty 

Światowej Organizacji Zdrowia), to jednak brakuje źródła, traktującego ten problem 

całościowo. Nic w tym dziwnego, ponieważ problem rozprzestrzeniania się epidemii 

jest niezwykle złożony, wymaga znajomości bardzo wielu zagadnień z różnych 

dziedzin nauki, począwszy od medycyny, na statystyce i modelowaniu 

stochastycznym skończywszy.  

 

W swojej pracy postaram się omówić przyczyny i przebieg choroby oraz 

przedstawić dostępne dane liczbowe obrazujące rozmiar epidemii, wobec której 

medycyna XXI wieku stała się bezradna. Należy zdawać sobie sprawę z tego, iż nie 

jest to, jak do tej pory, zagadnienie zamknięte. Wciąż w licznych światowych 

laboratoriach trwają badania nad właściwościami wirusa i nadal niestety pojawiają się 

nowe przypadki zachorowań. Z tego właśnie powodu badanie współczynników 

opisujących rozprzestrzenianie się epidemii ograniczyłam do konkretnego miejsca 

i czasu. Skupiłam się  głównie na danych dotyczących zachorowań w Hongkongu 

w okresie trwania epidemii. 

 

Temat ten jest także doskonałą okazją do zaprezentowania najnowszych 

dokonań naukowców w dziedzinie teorii sieci. Odpowiedni dobór sieci obrazującej 

rozkład powiązań społecznych, jest warunkiem koniecznym dla stworzenia 

prawidłowego modelu rozprzestrzeniania się wirusa. Dla porównania przedstawię 

symulacje rozprzestrzeniania się epidemii SARS na różnych typach sieci (sieć 

losowa, sieć bezskalowa, sieć Małego  Świata, sieć regularna). Porównując wyniki 

symulacji z oryginalnymi danymi liczbowymi, możemy podjąć się próby wyboru 

modelu najbardziej odpowiadającego rzeczywistości.  

 

 

background image

 

4

 

 Załącznikiem do mojej pracy jest aplikacja stworzona za pomocą pakietu 

Matlab, umożliwiająca użytkownikowi przeprowadzenie własnej symulacji dla 

zadanych przez siebie parametrów.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

 

5

 

1.  Co to jest SARS? 

 

1.1. Przyczyny 

 

Dzięki nadzwyczajnej współpracy wielu światowych laboratoriów naukowcom 

udało się jednoznacznie zidentyfikować czynnik odpowiedzialny za wywołanie 

zachorowań na nietypowe zapalenie płuc – jest to nowy koronawirus SCV z rodziny 

Coronaviridae, do której należą m.in. wirusy wywołujące ok. 1/3 zachorowań na 

nieżyt nosa. Do publicznej wiadomości, informację tę Światowa Organizacja Zdrowia 

(WHO, World Health Organization) podała 16 kwietnia 2003 roku 

[1]

.

 

Wykluczono, że zachorowania powoduje wirus grypy lub inne wirusy mu pokrewne.  

Co do pochodzenia odkrytego wirusa, wśród naukowców pojawiły się różne 

tezy. Badacze z Wielkiej Brytanii wysnuli przypuszczenie, że wirus może mieć 

pochodzenie kosmiczne 

[2]

. Na podstawie badań stratosfery na wysokości 41 km, 

naukowcy oszacowali, że każdego dnia spada na ziemię z kosmosu prawie tona 

bakterii i innych mikroorganizmów. Nad Himalajami warstwa stratosfery jest 

najcieńsza, co mogłoby tłumaczyć dlaczego wirus w pierwszej kolejności zaatakował 

Chiny.  

Zdecydowanie więcej zwolenników ma jednak teoria o przejściu wirusa SARS 

ze zwierząt na ludzi 

[3]

.  Zdaniem epidemiologów koronawirus powodujący ostry 

zespół niewydolności oddechowej występuje przede wszystkim u cywet, zwierząt 

stanowiących lokalny specjał kulinarny w chińskiej prowincji Guangdong. 

 

1.2.  Sposoby rozprzestrzeniania się 

 

Zachorowania szerzą się głównie drogą powietrzno - kropelkową. Najbardziej 

narażone są osoby mające bezpośrednią styczność z chorym – 90 % przypadków 

zachorowań wystąpiło wśród personelu medycznego opiekującego się chorymi. 

Naukowcy WHO wykryli, że groźny wirus, którym na całym  świecie zaraziło się 

ponad 8000 osób i który spowodował śmierć około 800 z nich, jest bardziej odporny, 

niż  początkowo przypuszczano

 [4]

.

 

Może przetrwać do czterech godzin na 

powierzchni   przedmiotów,  a  do  czterech   dni  w   ludzkich   odchodach.  Odkrycie  

background image

 

6

 

naukowców potwierdza podejrzenie, że przeciekające rury kanalizacyjne przyczyniły 

się do rozprzestrzenienia choroby w jednym z bloków w Hongkongu, gdzie w krótkim 

czasie na SARS zachorowało 300 mieszkańców. Wyniki badań oznaczają także, że 

wirus może przenosić się nie tylko przez kontakt z zarażoną osobą, która kicha 

i kaszle, ale także przez dotykanie tych samych przedmiotów, takich jak klamki czy 

przyciski w windach. Ponadto z badań WHO przeprowadzonych w Chinach, 

Hongkongu, Japonii i Niemczech wynika, że wirusa nie zabija ani temperatura 

poniżej zera, ani środki chemiczne powszechnie używane do sterylizacji. 

 

1.3. Objawy 

 

 

Początkowe objawy są mało charakterystyczne, przypominają grypę: gorączka 

powyżej 38°C z towarzyszącymi często dreszczami i ogólnym poczuciem choroby.  

W ciągu trzech do siedmiu kolejnych dni pojawia się także suchy kaszel i duszność. 

Inne objawy towarzyszące zachorowaniom to:  

• 

osłabienie,  

• 

bóle kostno-mięśniowe,  

• 

bóle głowy,  

• 

brak apetytu,  

• 

zaburzenia świadomości,  

• 

wysypka,  

• 

biegunka,  

• 

obniżenie liczby płytek krwi i leukocytów.  

 Około dziesięciu do dwudziestu procent zachorowań przebiega z ostrą 

niewydolnością oddechową wymagającą wspomaganego oddychania (podłączenie 

chorego do respiratora). Przypadki śmiertelne odnotowano głównie u osób starszych, 

wcześniej przewlekle chorujących lub u tych, u których choroba została wykryta 

dopiero w późnym stadium. Podejrzenie SARS występuje głównie u osób, u których 

stwierdzono kontakt z inną chorą na SARS osobą w ciągu kilku wcześniejszych dni, 

lub też powrót z terenów najbardziej zagrożonych SARS (Chiny, Hongkong, 

Wietnam, Singapur i prowincja Ontario w Kanadzie).  

 

background image

 

7

 

1.4.  Zapobieganie i leczenie 

 
 

Badania wykonywane w celu rozpoznania SARS to przede wszystkim badanie 

RTG (rentgenografia – polega na robieniu zdjęć za pomocą promieniowania X) klatki 

piersiowej, a także badania krwi. Po jednoznacznym zidentyfikowaniu wirusa 

odpowiedzialnego za wywoływanie SARS, naukowcy mogli przystąpić do 

opracowywania testu diagnostycznego, który wykrywałby chorobę już we wczesnym 

stadium 

[1]

.

 

Opracowanie odpowiednio czułego testu w przypadku SARS okazało 

się jednak dosyć skomplikowane, ze względu na nietypowe zachowanie się wirusa. 

W początkowej fazie choroby, wirus rozsiewa się stosunkowo wolno, co utrudnia jego 

wykrycie we krwi pacjenta. Stworzenie testu, który pozwoliłby rozpoznawać wirusa 

zanim jeszcze pacjent zacznie zarażać innych, stało się sprawą priorytetową dla 

naukowców, obecnie stosowane testy nie dają jeszcze niezawodnych wyników. 

Skutecznym sposobem zapobiegania zachorowaniu jest ochrona dróg 

oddechowych przez użycie masek z tzw. filtrami HEPA, zatrzymującymi najmniejsze 

cząstki i aerozole. Również maski z gazy lub bibuły zmniejszają w znacznym stopniu 

ryzyko zakażenia się 

[5]

. Pacjenci, zgodnie z zaleceniami WHO powinni być 

izolowani, najlepiej w pokojach z podciśnieniem, z zachowaniem rygorystycznych 

barier epidemicznych. 

Antybiotyki są nieskuteczne w leczeniu SARS. Jak do tej pory 

najskuteczniejszym lekarstwem jest po prostu profilaktyka. Do chwili obecnej 

śmiertelność w przypadku zachorowania na SARS jest oceniana na około 10%. 

W przypadku osób starszych wskaźnik ten przekracza 50%. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

 

8

 

2.  Krótka historia epidemii 

 

2.1.  Pierwsze przypadki zachorowań 

 
 

W listopadzie 2002 roku, w południowo-wschodnich Chinach (prowincja 

Guangdong) odnotowano pierwsze przypadki nietypowego zapalenia płuc - SARS.  

W lutym 2003 roku zachorowania wystąpiły również w Hongkongu, Wietnamie oraz 

Singapurze. Jako pierwszy chorobę rozpoznał  włoski epidemiolog, stojący na czele 

organizacji „Lekarze Bez Granic”, Carlo Urbani 

[6]

. Obserwował on przypadki 

nietypowego zapalenia płuc wśród pacjentów i załogi Francuskiego Szpitala w Hanoi, 

w Wietnamie. W lutym 2003 diagnozował 48-letniego biznesmena z tym nieznanym 

dotąd schorzeniem, sam zaraził się od niego i zmarł 29 marca 2003 roku w szpitalu 

w Bangkoku. Po pewnym czasie za sprawą podróżnych choroba rozprzestrzeniła się 

na cały świat.  

 

2.2. Obowiązek zgłaszania chorób zakaźnych 

 
 Poszczególne 

państwa mają obowiązek zgłaszania zachorowań na niektóre 

choroby (ospa naturalna, cholera, dżuma,  żółta febra) Światowej Organizacji 

Zdrowia, która z kolei informuje o tym inne państwa członkowskie. System ten 

ułatwia szybkie zastosowanie właściwych  środków profilaktycznych chroniących 

przed rozprzestrzenianiem się chorób zakaźnych. To samo dotyczy nowych, nie 

zarejestrowanych wcześniej zjawisk chorobowych.  

 

Informacje o chorobach zakaźnych służą do bieżącej oceny sytuacji 

epidemiologicznej całego kraju i poszczególnych jego regionów. Śledzenie 

zachorowalności na choroby zakaźne jest częścią ważnego systemu nadzoru 

epidemiologicznego sygnalizującego rozpoczynającą się epidemię choroby zakaźnej. 

Obliczanie współczynników zapadalności w największym stopniu zależy od 

prawidłowej i pełnej zgłaszalności tych chorób. Tego właśnie obowiązku nie dopełniły 

władze chińskie, skutkiem czego rozprzestrzenianie się wirusa SARS nie zostało 

w porę zatrzymane.  

background image

 

9

 

2.3.  Zaniedbania ze strony chińskich władz 

*

 

 
 Mimo, 

iż chorobę zidentyfikowano już jesienią 2002 roku to żadne media 

w Chinach nie poinformowały społeczeństwa o tym problemie. Na skutek owej 

blokady informacyjnej zastosowanej przez chińskie władze, obywatele nie byli 

świadomi epidemii SARS, więc nie stosowali żadnych środków zapobiegawczych. To 

z kolei spowodowało, że choroba po cichu zaczęła rozpowszechniać się w Chinach. 

Rozprzestrzeniła się od prowincji Guangdong do innych prowincji, a z Chin do innych 

krajów. Informacje o tej nowej chorobie pojawiły się dopiero za sprawą mediów 

z Hongkongu, gdy zachorowali tam pierwsi pacjenci. W ciągu kilku tygodni w samym 

Hongkongu liczba chorych wzrosła do ponad 700, z czego 16 osób zmarło. WHO 

została powiadomiona dopiero w lutym 2003 roku – z czteromiesięcznym 

opóźnieniem. 

 

W wyniku międzynarodowej krytyki, władze Chińskiej Republiki Ludowej 

przyznały się do winy i wyraziły ubolewanie z powodu swoich zaniedbań. Bao Tong – 

były osobisty sekretarz Zhao Ziyanga, powiedział,  że celowe wstrzymywanie 

raportów o SARS jest największym skandalem władz chińskich w XXI wieku.  

 

Dopiero 1 kwietnia, prawie pół roku po pierwszym oficjalnym przypadku SARS, 

państwowe media opublikowały pierwszy artykuł  tłumaczący ludziom jak 

zabezpieczyć się przed SARS. Od tego czasu chińskie władze i system ochrony 

zdrowia podjęły szeroko zakrojone wysiłki w celu opanowania epidemii, podjęły także 

bardziej ścisłą współpracę z instytucjami międzynarodowymi, głównie z WHO. 

 

2.4.  Kolejne epizody w rozwoju epidemii 

**

 

 
Luty 2003  

Pod koniec lutego amerykański biznesmen podróżujący z Szanghaju, przez 

Hongkong do Hanoi w Wietnamie zachorował na SARS. Trafił do szpitala, gdzie 

zaraziło się od niego 30 osób. Bez objawów poprawy został przewieziony do 

Hongkongu, gdzie zmarł. 

                                                 

*

 Na podstawie   

[7]

 

**

 Na podstawie 

[8, 9, 10, 11]

 

background image

 

10

 

Marzec 2003 

W osobnym ognisku choroby w szpitalu w Hongkongu pojedynczy pacjent 

zainfekował 68 pracowników szpitala. 

 

27 marca WHO zaleciła wykonywanie badań u podróżujących z zagrożonych 

rejonów. Wprowadzono kwarantannę. W Singapurze i Hongkongu szkoły zostały 

zamknięte na 10 dni, aby przeciwdziałać rozwojowi epidemii.  

 

Kwiecień 2003 

16 kwietnia dzięki globalnej współpracy 13 ośrodków naukowych z 10 krajów ( m. in. 

z Hongkongu, Chin, Kanady, Wielkiej Brytanii, USA) naukowcy potwierdzili, że 

przyczyną choroby SARS jest nowy koronawirus.  

 

21 kwietnia pekiński uniwersytet Jiaotong został zamknięty, a 118 osób pracujących 

albo mieszkających w miasteczku uniwersyteckim trafiło pod obserwację 

z podejrzeniem SARS. W ramach zapobiegania rozwojowi epidemii zajęcia zostały 

odwołane. Podobnie uczyniono na innych pekińskich uczelniach

 

Lipiec 2003 

WHO ogłosiła koniec epidemii wirusa, który (wg danych WHO z 26 września 2003r) 

zabił około 800 osób, a zaraził ponad 8000 na całym  świecie.  

 

Wrzesień 2003 

W Singapurze zaraził się 27–letni student medycyny, pracownik laboratorium 

wirusologii.  

 

Grudzień 2003 

17 grudnia kolejny izolowany przypadek SARS odnotowano na Tajwanie. Zarażony 

został 44-letni pracownik laboratorium, który podróżował później do Singapuru, gdzie 

odbywała się konferencja naukowa poświęcona SARS. Wszyscy uczestnicy 

konferencji zostali poddani kwarantannie. 

 

 

background image

 

11

 

Styczeń 2004 

Kolejny przypadek nietypowego zapalenia płuc pojawił się w Kantonie w Chinach. 

Zarażony został 32-letni mężczyzna. 

 

 

Do lipca 2003 roku, WHO usunęła wszystkie kraje z listy szczególnie 

zagrożonych epidemią . Stan zagrożenia z powodu SARS wobec konkretnych krajów 

był odwoływany, jeśli przez 20 kolejnych dni (podwójny okres inkubacji wirusa) nie 

notowano tam nowych zachorowań. 

 Bezpośrednio po wygaśnięciu epidemii, WHO ostrzegała,  że jesienią 

koronawirus powodujący SARS może ponownie zaatakować i to w zmutowanej 

formie. Niektórzy eksperci obawiają się,  że choroba ta, podobnie jak grypa, będzie 

powracać okresowo. Szef WHO w lipcu 2003 roku, ostrzegł,  że w XXI wieku świat 

może stanąć w obliczu wielu epidemii, podobnych do tej, jaką wywołał wirus SARS. 

 

2.5. Podsumowanie 

 
Na SARS na całym  świecie (wg danych WHO zaktualizowanych dnia 

26 września 2003r., zamieszczonych w poniższej tabeli) zapadło 8098 osób, w tym 

4273 kobiety i 3779 mężczyzn (nie ma danych dotyczących płci 46 zmarłych osób), 

zmarło 774 osoby. Śmiertelność wśród osób chorujących oszacowano na 9.6%143 

przypadki na świecie, to ludzie powracający z terenów objętych epidemią. Wśród 

pracowników służby zdrowia odnotowano 1707  przypadków zachorowań (21% 

wszystkich zachorowań) 

[12]

 

Oznaczenia w tabeli: 

 

a - W 46 przypadkach, niemożliwe jest określenie płci chorych. 

b - Łącznie z pracownikami służby zdrowia, którzy zachorowali w innych regionach.  

c - W USA zanotowano prawdopodobnie przypadki SARS, które wystąpiły po 5 lipca   

     2003.  

d - Łącznie z pracownikami służby zdrowia, którzy zachorowali w innych regionach. 

 

background image

 

12

 

Tabela 1. Podsumowanie epidemii SARS na świecie 

 

Łączna liczba przypadków 

   

   

   

   

   

   

Region Kobiety 

Mężczyźni Suma 

Rozpiętość 
wieku 

Liczba 
zgonów

Zgony 
(%) 

Pracownicy 
służby 
zdrowia 

Data 
pierwszego 
zachorowania 

Data 
ostatniego 
zachorowania

Australia 

15 (1-45) 

1 (16) 

26-02-03 

1-04-03 

Chiny 

2674 2607 

5327 

Nieznana 349  7 

1002 

(19)  16-Nov-02  3-06-03 

Chiny,  
Hong Kong 

977 

778 

1755 

40 (0-100) 

299 

17 

386 (22) 

15-02-03 

31-05-03 

Chiny,  
Makao 

0 1 

28  0 0 0 

(0)  5-05-03  5-05-03 

Chiny,  
Tajwan 

218 

128 

346 

42 (0-93) 

37 

11 

68 (20) 

25-02-03 

15-06-03 

Filipiny 

14 

41 (29-73) 

14 

4 (29) 

25-02-03 

5-05-03 

Francja 

1 6 

49  
(26 - 56) 

14 

2 (29) d 

21-03-03 

3-05-03 

Hiszpania 

0 1 

33  0 0 0 

(0)  26-03-03 26-03-03 

Indie 

25 (25-30) 

0 (0) 

25-04-03 

6-05-03 

Indonezja 

56 (47-65) 

0 (0) 

6-04-03 

17-04-03 

Irlandia 

0 1 

56  0 0 0 

(0)  27-02-03 27-02-03 

Kanada 

151 

100 

251 

49 (1-98) 

43 

17 

109 (43) 

23-02-03 

12-06-03 

Korea 

40 (20-80) 

0 (0) 

25-04-03 

10-05-03 

Kuwejt 

1 0 

50  0 0 0 

(0)  9-04-03  9-04-03 

Malezja 

30 (26-84) 

40 

0 (0) 

14-03-03 

22-04-03 

Mongolia 

32 (17-63) 

0 (0) 

31-03-03 

6-05-03 

Niemcy 

44 (4-73) 

1 (11) 

9-03-03 

6-05-03 

Nowa  
Zelandia 

1 0 

67  0 0 0 

(0)  20-04-03 20-04-03 

Rosja 

0 1 

25  0 0 0 

(0)  5-05-03  5-05-03 

Rumunia 

0 1 

52  0 0 0 

(0)  19-03-03 19-03-03 

Singapur 

161 

77 

238 

35 (1-90) 

33 

14 

97 (41) 

25-02-03 

5-05-03 

background image

 

13

 

Tabela 1. c.d. 

 

Łączna liczba przypadków 

   

   

   

   

   

   

Region Kobiety 

Mężczyźni Suma 

Rozpiętość 
wieku 

Liczba 
zgonów

Zgony 
(%) 

Pracownicy 
służby 
zdrowia 

Data 
pierwszego 
zachorowania 

Data 
ostatniego 
zachorowania

Szwajcaria 

0 1 

35  0 0 0 

(0)  9-03-03  9-03-03 

Szwecja 

43 (33-55) 

0 (0) 

28-03-03 

23-04-03 

Tajlandia 

42 (2-79) 

22 

1 (11) b 

11-03-03 

27-05-03 

USA 

14 

15 

29 

33 (0-83) 

0 (0) 

24-02-03 

13-07-03 c 

Wielka  
Brytania 

59 (28-74) 

0 (0) 

1-03-03 

1-04-03 

Wietnam 

39 

24 

63 

43 (20-76) 

36 (57) 

23-02-03 

14-04-03 

Włochy 

1 3 

30.5  
(25-54) 

0 0 0 

(0)  12-03-03 20-04-03 

Zachodnia 
Afryka 

0 1 

62  1 100 

(0)  3-04-03  3-04-03 

 

 

2.6.  Wyniki najnowszych badań 

 
 

Naukowcom z zespołu Marie Lin z Taipei Mackay Memorial Hospital udało się 

zidentyfikować  wariant genu, który czyni daną osobę szczególnie podatną na  rozwój 

ostrego zespołu niewydolności oddechowej - SARS i sprzyja poważnym powikłaniom 

choroby 

[13]

. Wspomniana wersja genu jest szczególnie rozpowszechniona 

u  mieszkańców  południowych  Chin. Wyniki w/w badań pomogą wyjaśnić, dlaczego 

w czasie epidemii SARS, wiosną 2003 r., najwięcej osób zainfekowanych wirusem 

wywołującym chorobę odnotowano w krajach południowo-wschodniej Azji oraz 

w prowincji Guangdong w południowych Chinach. 

 

Gen koduje białko należące do białek zgodności tkankowej człowieka - tzw. 

białek HLA, które biorą udział w rozwoju reakcji układu odporności. Okazało się, że 

posiadanie wersji HLA-B*4601 było związane z cięższym, zagrażającym  życiu 

przebiegiem infekcji SARS. Ponadto, wśród rodowitych Tajwańczyków, którzy rzadko 

posiadają ten wariant genu, nie zaobserwowano  przypadków SARS. Jak podkreślają  

background image

 

14

 

autorzy, wariant HLA-B*4601 występuje również rzadko w populacji mieszkańców 

Europy. Tym  można  m.in.  tłumaczyć  fakt, że  w  czasie grasującej epidemii wśród 

Europejczyków odnotowano tylko nieliczne przypadki choroby.  

 

Podobne badania pozwolą w przyszłości prowadzić badania przesiewowe, 

identyfikujące osoby najbardziej podatne na infekcje koronawirusem SCV 

wywołującym SARS. Ale nie tylko. Określenie grupy ludzi najbardziej zagrożonych 

zachorowaniem jest także bardzo ważne z punktu widzenia teorii sieci. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

 

15

 

3.  Epidemiologia - podstawowe pojęcia 

 

3.1. Określenie epidemiologii 

*

 

 

Epidemiologia jest to nauka o rozprzestrzenianiu się chorób zakaźnych, 

o przyczynach i prawach szerzenia się chorób w populacji ludzkiej, o ich natężeniu 

i zapobieganiu im. Historia tej dziedziny nauki sięga czasów Hipokratesa, który jako 

pierwszy dopatrzył się związku między przyczyną choroby, a środowiskiem  życia 

człowieka. Obalając pogląd o nadnaturalnym pochodzeniu chorób, stał się 

prekursorem dzisiejszej epidemiologii środowiskowej. Epidemiologia oparta jest na 

szczegółowych naukach medycznych i przyrodniczych. Ogromne zastosowanie ma 

również wiele metod statystycznych oraz informatycznych. 

 

Wprowadźmy kilka pojęć 

Populacja generalna – zbiór osób, których cechy są przedmiotem obserwacji w celu 

określenia ryzyka zachorowania . 

Populacja narażona – obejmuje te osoby, co do których zachodzi realne ryzyko 

zarażenia. W rzeczywistości nie jest możliwe ustalenie dokładnej liczby osób 

narażonych, ponieważ mogą istnieć nie zarejestrowane przypadki choroby, czyli 

takie, których nie bierzemy pod uwagę jako potencjalne źródło zarażenia.  

Liczby bezwzględne – są to bardzo ważne, podstawowe informacje ilościowe, 

wskazujące liczbę przypadków choroby. Mimo iż informują bardzo dobitnie 

o wielkości danego problemu zdrowotnego, w analizach i wnioskowaniu 

epidemiologicznym rzadko się je stosuje.  

Liczby względne – określają stosunek populacji z określoną cechą (chorobą), do 

całej populacji. Liczby względne niosą znacznie wyraźniejsze informacje o danym 

zjawisku oraz mają cechę porównywalności z danymi z innych populacji i lat lub 

z innych regionów geograficznych.  

 

 

 

                                                 

*

 Na podstawie 

[14]

.  

background image

 

16

 

 

 
 
 
 
 
 
 

     

   

Choroba (-) 

    

  

Choroba (+)

 

          

Eksponowani

 

 

                       Populacja generalna 

Rys.3.1.1. Definicja populacji narażonej (eksponowanej) 

 

3.2.  Mierniki epidemiologiczne rozpowszechniania się chorób 

w populacji 

*

 

 
 

Badanie rozpowszechniania chorób polega na określeniu częstości ich 

występowania w całej populacji lub w poszczególnych jej podgrupach (wg wieku, płci, 

zawodu, miejsca zamieszkania). W tym celu, na podstawie zebranych informacji 

ilościowych, dotyczących badanego schorzenia, należy wyznaczyć odpowiednie 

współczynniki, m.in. zapadalności i chorobowości. 

 Badanie 

chorobowości jest o wiele bardziej skomplikowane niż na przykład 

badanie umieralności. Dzieje się tak dlatego, że choroba jest zjawiskiem 

dynamicznym i wielokrotnym, śmierć zaś jest wydarzeniem jednorazowym. Przypadki 

zgonu  łatwo jest policzyć, choroba jest natomiast stanem zmiennym, podlegającym 

dużym wahaniom w czasie. Rejestracja przypadków chorobowych i ich przyczyn nie 

jest łatwa ze względu na to, że chorzy zmieniają miejsce zamieszkania lub leczą się 

na tę samą dolegliwość w niezależnych placówkach, między którymi nie ma 

przepływu informacji. 

                                                 

*

 Na podstawie 

[14]

background image

 

17

 

 

W celu określenia rozpowszechniania chorób zakaźnych, posługujemy się 

liczbami względnymi tj. współczynnikami informującymi  o  częstości występowania 

choroby w populacji. 

 Choroby 

występujące w populacji w jakimś przedziale czasowym można 

sklasyfikować w następujący sposób: 

1) choroby zaczynające się i kończące w tym okresie, 

2) choroby zaczynające się w tym okresie, ale trwające dłużej, 

3)  choroby, które zaczęły się dawniej, ale zakończyły się w tym okresie, 

4)  choroby, które zaczęły się dawniej i trwają nadal. 

 

Przy określaniu współczynników zapadalności i chorobowości należy zawsze 

podać, czy w liczniku są dane dotyczące liczby epizodów choroby, czy liczby osób 

chorych. Zapadalność dotyczy jedynie nowych zachorowań, a chorobowość nowych  

i zadawnionych. Różnice pojawiają się  głównie przy chorobach długotrwałych 

i przewlekłych, natomiast przy chorobach o krótkim przebiegu różnice mogą być 

niewielkie. 

 

3.2.1. Współczynnik rozpowszechniania 
 

 

K

okresie

samym

tym

w

nych

o

naraż

osób

liczba

okresie

pewnym

w

choroby

przypadków

opisanych

liczba

rozp

wsp

×

=

)

(

.

.

 

(1) 

 

K - stała, wskazująca dla jakiej umownej jednostki ludności dla określonego miejsca 

i czasu, obliczany jest dany współczynnik. Standardową jednostką ludności, 

w stosunku do której przelicza się zwykle liczbę zdarzeń, jest 1000, 10 000, 

100 000,1 000 000 osób, przy czym wybór wielkości tej jednostki (K) jest kwestią 

przyjętej konwencji i zależy od częstości występowania określonych zdarzeń. 

 

 

Do najbardziej pożytecznych mierników rozpowszechniania chorób 

w populacji należą współczynnik zapadalności i współczynnik chorobowości

background image

 

18

 

3.2.2. Współczynnik zapadalności (skumulowanej)  

 
 Współczynnik ten określa liczbę nowych zachorowań, które wystąpiły w danym 

czasie (kat. 1+2) w stosunku do średniej liczby ludności narażonej na ryzyko 

zachorowania.  

 

K

nych

o

naraż

osób

liczba

ń

a

w

o

r

o

h

c

a

z

nowych

liczba

ci

ś

no

zapadal

wsp

×

+

=

)

2

1

(

.

 

(2) 

 

3.2.3. Współczynnik zapadalności (gęstość zachorowań) 

 
 Określa rzeczywiste prawdopodobieństwo wystąpienia zachorowań 

w populacji, w przeliczeniu na sumaryczny okres narażenia wszystkich członków 

danej populacji. Jest on najbardziej czułą miarą  średniego tempa pojawiania się 

zachorowań w danej populacji na przestrzeni pewnego okresu. 

 

K

ryzyko

na

enia

ż

nara

osoboczas

sumaryczny

ń

a

w

zachoro

nowych

liczba

ci

ś

o

n

zapadal

wsp

×

=

.

 

(3) 

 

Mianownik zawiera liczbę osób wolnych od choroby, pomnożoną przez okres 

ekspozycji, na którą byli oni narażeni – jest to tzw. osoboczas narażenia. 

 

3.2.4. Współczynnik chorobowości  

 
 Określa proporcję osób w populacji, które były chore w danym czasie bez 

względu na to, kiedy zachorowały (kat. 1+2+3+4), w stosunku do średniej liczby 

ludności narażonej na ryzyko zachorowania.  

 

 

background image

 

19

 

K

nych

o

naraż

osób

liczba

okresie

danym

w

chorych

liczba

i

c

ś

o

w

o

b

o

r

o

h

c

wsp

×

=

.

 

(4) 

 

Jeśli współczynnik chorobowości odnosi się do bardzo krótkiego odcinka czasowego 

(dzień, godzina), to nazywany jest współczynnikiem chorobowości punktowej. 

 

3.2.5. Badanie umieralności  

 

Badanie umieralności jest jedną z najdłużej stosowanych metod oceny stanu 

zdrowia ludności. Określa ono prawdopodobieństwo zgonu w pewnej populacji 

w pewnym okresie. W celu poprawnego obliczenia współczynnika umieralności 

konieczne jest wyszczególnienie jednostek czasu, przyczyn zgonów oraz ustalenie 

rodzaju populacji (populacja generalna lub jej część wg wieku, płci, itp.), do której 

odnosi się dany współczynnik. 

 

Współczynnik umieralności ogólnej 

 

K

czasie

danym

w

zgonu

ryzyko

na

ona

ż

nara

ludnosci

liczba

czasie

danym

w

ogólem

zgonów

liczba

ci

noś

umieral

wsp

×

=

.

 

(5) 

 

Możemy także obliczać cząstkowe współczynniki umieralności wg wieku, płci 

i przyczyn zgonu. 

 

Wskaźnik umieralności proporcjonalnej  

 Przedstawia 

proporcję zgonów z powodu określonej przyczyny w stosunku do 

ogółu zgonów. 

 

K

ogólem

zgonów

liczba

choroby

danej

powodu

z

zgonów

liczba

i

c

ś

o

n

umieral

wsp

×

=

.

 

(6) 

background image

 

20

 

 

Zastosowanie i wybór najbardziej odpowiedniego miernika częstości choroby 

w populacji zależy od przedmiotu i celu badania. Współczynniki chorobowości są 

wartościowymi miernikami zdrowia ludności dla organizatora ochrony zdrowia, 

ponieważ informują o zapotrzebowaniu na usługi medyczne, ale mają niewielkie 

znaczenie, jeżeli chodzi o ustalenie etiologii (przyczyn choroby). W tym przypadku 

najbardziej odpowiednie będą współczynniki zapadalności. Wnioskowanie 

o zapadalności niekiedy opiera się na współczynnikach umieralności, ale mają one 

znaczenie tylko w tych chorobach, w których współczynnik  śmiertelności jest wysoki, 

a okres pomiędzy wystąpieniem choroby a zgonem nie jest zbyt długi. Przykładem 

takiej choroby jest właśnie SARS. 

 

3.3.  SARS - dane dla Hongkongu  

 

Hongkong jest autonomicznym regionem Chin o powierzchni 1074,25 km

2

leżący nad Morzem Południowochińskim. W 2000 roku zamieszkiwany był przez 

7,116  mln  osób,  co  daje  średnią  gęstość  zaludnienia  6624  osoby / km

2

   

[15]

Do wyliczenia potrzebnych współczynników przyjęłam następujące dane: 

•  Populację generalną stanowią wszyscy mieszkańcy Hongkongu (7,116 mln). 
•  Populacja narażona na ryzyko zarażenia SARS to wszyscy wolni od wirusa 

mieszkańcy regionu (ogólna liczba mieszkańców – liczba wszystkich 

przypadków choroby + liczba osób, które wyzdrowiały)  

•  Dla stałej K przyjmuję wartość K = 10000

Dysponując danymi dynamicznymi 

[16]

 dotyczącymi rozwoju epidemii nietypowego 

zapalenia płuc w Hongkongu, dla każdego kolejnego dnia wyliczam współczynniki 

zapadalności  (2) i chorobowości punktowej (4). Wyniki obliczeń zawiera poniższa 

tabela.  

 

Tabela 2. Podsumowanie epidemii SARS w Hongkongu 

 data 

liczba wszystkich 
przypadków 
SARS 

liczba nowych 
zachorowań 

Liczba 
chorych w 
danym dniu 

liczba 
wszystkich 
zgonów 

liczba 
nowych 
zgonów 

liczba 
wyleczonych 

wsp. 
zapadalności 

wsp. 
chorobowości 

1 17.03.03 95 

95 

94 

0,13350375 0,132098447 

2 18.03.03 123 

28 

122 

0,039348628 0,171447595 

3 19.03.03 150 

27 

145 

0,037943464 0,203770456 

4 20.03.03 173 

23 

167 

0,032322315 0,234688111 

background image

 

21

 

Tabela 2. c.d. 

 Data 

liczba wszystkich 
przypadków 
SARS 

liczba nowych 
zachorowań 

Liczba 
chorych w 
danym dniu 

liczba 
wszystkich 
zgonów 

liczba 
nowych 
zgonów 

liczba 
wyleczonych 

wsp. 
zapadalności 

wsp. 
chorobowości 

5 21.03.03 203 

30 

197 

0,042159719 0,27684882 

6 22.03.03 222 

19 

215 

0,026701226 0,302145458 

7 23.03.03 240 

18 

232 

0,025295963 0,326036853 

8 24.03.03 260 

20 

250 

10 

0,028106704 0,351333804 

9 25.03.03 286 

26 

276 

10 

0,036538849 0,387873936 

10 26.03.03  316 

30 

306 

10 

0,042160388 0,43003596 

11 27.03.03  367 

51 

357 

10 

0,071673174 0,501712216 

12 28.03.03  425 

58 

415 

10 

0,081511333 0,583227638 

13 29.03.03  470 

45 

460 

10 

0,063241951 0,646473277 

14 30.03.03  501 

31 

490 

11 

0,043566867 0,688637578 

15 31.03.03  530 

29 

517 

13 

0,040756268 0,726585876 

16 1.04.03  685 

155 

669 

16 

0,217839969 0,940225415 

17 2.04.03  708 

23 

692 

16 

0,032324745 0,9725532 

18 3.04.03  734 

26 

717 

17 

0,03654115  1,007692474 

19 4.04.03  761 

27 

744 

17 

0,037946723 1,045643021 

20 5.04.03  800 

39 

780 

20 

0,054812233 1,096244659 

21 6.04.03  830 

30 

809 

21 

0,042163434 1,137007268 

22 7.04.03  883 

53 

860 

23 

0,074489288 1,208694109 

23 8.04.03  928 

45 

903 

25 

0,063246022 1,269136841 

24 9.04.03  970 

42 

943 

27 

0,059029969 1,325363351 

25 10.04.03  998 

28 

814 

30 

154 

0,039352616 1,144036758 

26 11.04.03  1059 

61 

858 

32 

169 

0,085733039 1,205884378 

27 12.04.03  1108 

49 

858 

35 

215 

0,068867552 1,205884887 

28 13.04.03  1140 

32 

878 

40 

222 

0,044974886 1,233998428 

29 14.04.03  1190 

50 

914 

47 

229 

0,070273684 1,284602938 

30 15.04.03  1232 

42 

933 

56 

243 

0,059030127 1,311312098 

31 16.04.03  1268 

36 

950 

61 

257 

0,050597408 1,335209373 

32 17.04.03  1297 

29 

960 

65 

272 

0,040759103 1,349266863 

33 18.04.03  1358 

61 

914 

81 

16 

363 

0,085734304 1,284609076 

34 19.04.03  1358 

914 

81 

363 

1,284609076 

35 20.04.03  1368 

10 

885 

82 

401 

0,014054749 1,24384525 

36 21.04.03  1402 

34 

872 

94 

12 

436 

0,047786138 1,225573904 

37 22.04.03  1434 

32 

874 

99 

461 

0,044975233 1,228386062 

38 23.04.03  1458 

24 

831 

105 

522 

0,03373125  1,167944519 

39 24.04.03  1479 

21 

789 

109 

581 

0,029514686 1,10890891 

40 25.04.03  1510 

31 

781 

115 

614 

0,043569286 1,097664911 

41 26.04.03  1527 

17 

774 

121 

632 

0,023892831 1,087826532 

42 27.04.03  1540 

13 

719 

129 

692 

0,018270868 1,010519522 

43 28.04.03  1557 

17 

709 

138 

710 

0,02389267  0,996464869 

44 29.04.03  1572 

15 

663 

150 

12 

759 

0,021081667 0,931809663 

45 30.04.03  1589 

17 

641 

157 

791 

0,023892505 0,900887986 

46 1.05.03  1600 

11 

604 

162 

834 

0,015459787 0,848882834 

47 2.05.03  1611 

11 

563 

170 

878 

0,015459715 0,791256322 

48 3.05.03  1621 

10 

544 

179 

898 

0,014054267 0,764552104 

49 4.05.03  1630 

535 

182 

913 

0,012648829 0,75190263 

50 5.05.03  1637 

520 

187 

930 

0,009837965 0,730820221 

51 6.05.03  1646 

495 

193 

958 

0,012648778 0,695682775 

52 7.05.03  1654 

466 

204 

11 

984 

0,01124333  0,654923946 

background image

 

22

 

Tabela 2. c.d. 

 data 

liczba 
wszystkich 
przypadków 
SARS 

liczba nowych 
zachorowań 

liczba 
chorych w 
danym 
dniu 

liczba 
wszystkich 
zgonów 

liczba 
nowych 
zgonów 

liczba 
wyleczonych 

wsp. 
zapadalności 

wsp. 
chorobowości 

53 8.05.03  1661 

445 

208 

1008 

0,00983789  0,625408712 

54 9.05.03  1667 

442 

210 

1015 

0,008432476 0,621192386 

55 10.05.03  1674 

427 

212 

1035 

0,00983787  0,6001101 

56 11.05.03  1678 

416 

213 

1049 

0,005621632 0,584649767 

57 12.05.03  1683 

399 

218 

1066 

0,007027029 0,560756884 

58 13.05.03  1689 

374 

225 

1090 

0,008432413 0,525620411 

59 14.05.03  1698 

343 

227 

1128 

0,012648568 0,482050979 

60 15.05.03  1703 

309 

234 

1160 

0,007026956 0,434265852 

61 16.05.03  1706 

297 

238 

1171 

0,004216169 0,41740069 

62 17.05.03  1710 

276 

243 

1191 

0,005621545 0,387886638 

63 18.05.03  1712 

267 

246 

1199 

0,00281077  0,375237844 

64 19.05.03  1714 

250 

251 

1213 

0,002810766 0,351345703 

65 20.05.03  1718 

236 

253 

1229 

0,005621522 0,331669785 

66 21.05.03  1719 

227 

255 

1237 

0,001405379 0,319021047 

67 22.05.03  1722 

217 

258 

1247 

0,004216133 0,304966956 

68 23.05.03  1724 

209 

260 

1255 

0,002810753 0,293723687 

69 24.05.03  1724 

196 

262 

1266 

0,275453367 

70 25.05.03  1725 

192 

263 

1270 

0,001405374 0,269831756 

71 26.05.03  1726 

183 

267 

1276 

0,001405373 0,257183211 

72 27.05.03  1728 

174 

269 

1285 

0,002810743 0,244534616 

73 28.05.03  1730 

165 

270 

1295 

0,00281074  0,231886013 

74 29.05.03  1732 

157 

273 

1302 

0,002810738 0,2206429 

75 30.05.03  1736 

158 

274 

1304 

0,005621477 0,222048331 

76 31.05.03  1739 

151 

278 

1310 

0,004216106 0,212210657 

77 1.06.03  1741 

149 

280 

1312 

0,002810737 0,20939992 

78 2.06.03  1747 

146 

282 

1319 

0,00843221  0,205183786 

79 3.06.03  1747 

138 

283 

1326 

0,193940648 

80 4.06.03  1748 

126 

283 

1339 

0,001405365 0,177075945 

81 5.06.03  1748 

121 

284 

1343 

0,170049026 

82 6.06.03  1750 

114 

286 

1350 

0,002810726 0,160211367 

83 7.06.03  1750 

113 

286 

1351 

0,158805981 

84 8.06.03  1751 

110 

287 

1354 

0,001405362 0,15458985 

85 9.06.03  1753 

100 

288 

1365 

0,002810721 0,140536049 

86 10.06.03  1754 

96 

290 

1368 

0,00140536  0,13491457 

87 11.06.03  1754 

94 

290 

1370 

0,132103812 

88 12.06.03  1755 

87 

291 

1377 

0,001405359 0,122266191 

89 13.06.03  1755 

82 

293 

1380 

0,11523935 

90 14.06.03  1755 

80 

293 

1382 

0,112428603 

91 15.06.03  1755 

77 

294 

1384 

0,1082125 

92 16.06.03  1755 

74 

295 

1386 

0,103996399 

93 17.06.03  1755 

73 

295 

1387 

0,102591028 

94 18.06.03  1755 

67 

295 

1393 

0,094158809 

95 19.06.03  1755 

63 

296 

1396 

0,08853735 

96 20.06.03  1755 

56 

296 

1403 

0,07869979 

97 21.06.03  1755 

52 

296 

1407 

0,073078335 

98 22.06.03  1755 

48 

296 

1411 

0,067456887 

99 23.06.03  1755 

42 

296 

1417 

0,059024726 

background image

 

23

 

Tabela 2. c.d. 

 data 

liczba 
wszystkich 
przypadków 
SARS 

liczba nowych 
zachorowań 

liczba 
chorych w 
danym 
dniu 

liczba 
wszystkich 
zgonów 

liczba 
nowych 
zgonów 

liczba 
wyleczonych 

wsp. 
zapadalności 

wsp. 
chorobowości 

100 24.06.03  1755 

40 

296 

1419 

0,056214009 

101 25.06.03  1755 

40 

296 

1419 

0,056214009 

102 26.06.03  1755 

37 

296 

1422 

0,051997936 

103 27.06.03  1755 

34 

297 

1424 

0,047781874 

104 28.06.03  1755 

33 

297 

1425 

0,046376518 

105 29.06.03  1755 

29 

297 

1429 

0,040755099 

106 30.06.03  1755 

28 

298 

1429 

0,039349751 

107 1.07.03 

1755 

28 

298 

1429 

0,039349751 

108 2.07.03 

1755 

28 

298 

1429 

0,039349751 

109 3.07.03 

1755 

27 

298 

1430 

0,037944397 

110 4.07.03 

1755 

27 

298 

1430 

0,037944397 

111 5.07.03 

1755 

27 

298 

1430 

0,037944397 

112 6.07.03 

1755 

27 

298 

1430 

0,037944397 

113 7.07.03 

1755 

27 

298 

1430 

0,037944397 

114 8.07.03 

1755 

26 

298 

1431 

0,036539044 

115 9.07.03 

1755 

26 

298 

1431 

0,036539044 

116 10.07.03  1755 

24 

298 

1433 

0,033728339 

117 11.07.03  1755 

24 

298 

1433 

0,033728339 

118 12.07.03  1755 

24 

298 

1433 

0,033728339 

119 13.07.03  1755 

22 

298 

1435 

0,030917635 

120 14.07.03  1755 

299 

1448 

0,011242756 

121 15.07.03  1755 

300 

1448 

0,009837411 

 

 

Poniższe wykresy (3.3.1 i 3.3.2) przedstawiają, jak kształtowały się 

współczynniki zapadalności i chorobowości w ciągu 121 dni trwania epidemii wirusa 

SARS w Hongkongu. Kolejne dwa wykresy ilustrują jak kształtuje się współczynnik 

chorobowości w zależności od zapadalności (3.3.3) oraz w zależności od ilości osób, 

które w danym dniu wyzdrowiały (3.3.4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

 

24

 

 

 

Wykres.3.3.1. Współczynnik zapadalności 

 

  

 

 

Wykres.3.3.2. Współczynnik chorobowości 

Kolejne dni trwania epidemii

Kolejne dni trwania epidemii

Wspó

łczynnik   zapadalno

ści 

Wspó

łczynnik   chorobowo

ści 

background image

 

25

 

 

 

Wykres.3.3.3. Współczynnik chorobowości a zapadalność 

 

 

 

Wykres.3.3.4. Współczynnik chorobowości a wyleczalność 

Kolejne dni trwania epidemii

Kolejne dni trwania epidemii

Wspó

łczynnik  chorobowo

ści  i zapadalno

ści 

Wspó

łczynnik  chorobowo

ści  i  wyzdrowienia 

background image

 

26

 

Współczynnik zapadalności (wykres 3.3.1) obrazuje liczbę osób, które zachorowały  

w danym dniu, natomiast współczynnik chorobowości (wykres 3.3.2)– liczbę osób 

chorych w danym dniu (zarażonych w tym dniu lub wcześniej). Jak widać na wykresie 

3.3.3, zapadalność ma bezpośredni wpływ na chorobowość. Widoczne skoki 

zapadalności (np. w okolicach 17 dnia epidemii) mają swoje odbicie we wzroście 

chorobowości. Dla porównania, na wykresie 3.3.4, na tej samej skali, przedstawiłam 

współczynnik chorobowości w zależności od liczby osób, które w danym dniu 

powróciły do zdrowia. Według danych WHO (przypuszczalnie niepełnych dla 

pierwszych dni epidemii) 

[16]

 pierwsze przypadki wyzdrowienia, po przejściu 

SARS, pojawiły się dopiero 10 kwietnia 2003 roku, a więc w 25 dniu trwania epidemii. 

Na wykresie chorobowości (3.3.4) wyraźnie widoczny jest ten nagły skok (pojawienie 

się 154 wyleczonych osób). Wyraźna tendencja spadkowa dla współczynnika 

chorobowości pojawia się w okolicach 30 dnia, wtedy właśnie wyleczalność zaczyna 

dominować nad pojawianiem się nowych zachorowań.  

Spośród 7,116 mln. mieszkańców Hongkongu, 1755 osób zaraziło się 

wirusem SARS, a więc 0,02466% ogółu ludności. Zmarło 299 osób (około 17% 

zarażonych), co stanowi 0,0042 % wszystkich mieszkańców. Prawie 83% 

zarażonych powróciło do zdrowia w czasie do 15 lipca 2003 roku. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

 

27

 

4.  Wybrane zagadnienia z teorii sieci 

*

 

 

 

Sieci to struktury wszechobecne. Siecią jest Internet, czy systemy komunikacji  

i przesyłania energii, ale sieciami są także społeczeństwa, w których poszczególnych 

obywateli łączą przyjaźnie, związki rodzinne, stosunki zawodowe.  

 Pomimo 

wszechobecności sieci i ich znaczenia naukowcy wciąż nie do końca 

rozumieją ich strukturę i własności. Ciągle jeszcze nie wiemy dlaczego w niektórych 

systemach społecznych i komunikacyjnych tak szybko rozprzestrzeniają się wirusy 

chorobotwórcze lub komputerowe, dlaczego niektóre sieci działają nawet wtedy, gdy 

znakomita większość ich węzłów zostanie uszkodzona. Dzięki najnowszym 

badaniom zaczynamy poznawać odpowiedzi na podobne pytania.  

 

Wybór odpowiedniej sieci opisującej społeczeństwo jest sprawą priorytetową 

dla przeprowadzenia wiarygodnej symulacji rozprzestrzeniania się chorób 

w populacji. Prawidłowy model sieci społecznej powinien posiadać trzy następujące 

cechy: 

 

małą  średnią odległość między węzłami (gwarantuje szybki przepływ 

informacji w sieci), 

 

wysoki współczynnik gronowania (zapewnia spełnienie warunku, że bliskie 

sobie osoby trzymają się zazwyczaj razem – mieszkają blisko siebie), 

 

potęgowy rozkład wiązań (istnieją  węzły o bardzo dużej liczbie połączeń, 

chociaż większość z nich ma zaledwie kilka). 

Przyjrzyjmy się zatem kilku rodzajom sieci.  

 

4.1. Sieć regularna 

 

Sieć regularna jest najprostszym modelem, który jednak nie ma zastosowania 

do opisu sieci społecznej, czy wielu innych złożonych układów. Cechą 

charakterystyczną tego typu sieci jest jednakowa liczba połączeń dla każdego węzła 

(jednostajny rozkład połączeń). W otaczającej nas rzeczywistości z takimi 

modelami mamy do czynienia bardzo rzadko. Sieć ta charakteryzuje się wysokim 

współczynnikiem gronowania,  jednak  średnia odległość  między węzłami jest na tyle  

                                                 

*

 Na podstawie 

[17, 18]

 

background image

 

28

 

długa, że sieć ta nie nadaje się do modelowania zależności społecznych.  

Rysunek 4.1.1 przedstawia jednowymiarową sieć regularną, w której punkty 

(węzły) łączą się z najbliższymi sąsiadami pierwszego i drugiego rzędu.  

 

                                                 

 

Rys.4.1.1. Schemat budowy sieci regularnej 

 

4.2. Sieć losowa  

 
 

Przez ponad 40 lat nauka uznawała wszystkie złożone sieci za struktury 

całkowicie losowe. W roku 1959, próbując opisać sieci informacyjne, a także te 

występujące w przyrodzie, Pal Erdös i Alfred Renyi wskazali, że takie układy można 

skutecznie modelować przy założeniu, ze połączenia węzłów są rozmieszczone 

losowo. Prostota podejścia oraz elegancja niektórych twierdzeń  ożywiły na nowo 

teorię grafów i doprowadziły do powstania nowej gałęzi matematyki zajmującej się 

sieciami losowymi. 

 Budową sieci losowej rządzi mający kształt dzwonu rozkład Poissona i węzły 

z liczbą połączeń znacząco różną od średniej trafiają się rzadko. Sieci losowe 

nazywa się też wykładniczymi, gdyż prawdopodobieństwo,  że węzeł jest połączony 

z  k  innymi, maleje wykładniczo dla dużych  k. Tworząc swój model, Erdos i Renyi 

zakładali, ze dany jest kompletny katalog wszystkich węzłów sieci, a później dopiero 

losowo rozmieszcza się w niej połączenia. Dlatego właśnie, w przeciwieństwie do 

sieci bezskalowych w sieciach losowych centra (węzły o bardzo dużej liczbie 

połączeń, zdecydowanie większej od średniej liczby połączeń dla pozostałych 

węzłów) po prostu nie mogą istnieć. Cechą charakterystyczną tej sieci jest krótka 

średnia  droga  między  węzłami,  ale  współczynnik  gronowania   jest   bardzo  niski.  

background image

 

29

 

Podobnie więc jak sieć regularna, nie będzie w prawidłowy sposób obrazować 

rozkładu połączeń społecznych. Na rysunku 4.2.1 przedstawiony jest przykładowy 

rozkład połączeń dla omawianej sieci. 

 

 

 

Rys.4.2.1. Schemat budowy sieci losowej 

 

4.3. Sieć Małego Świata 

4.3.1. Sześć stopni separacji 
 

W wyniku doświadczenia przeprowadzonego w 1967 roku przez 

amerykańskiego psychologa Stanleya Milgrama, w sieci powiązań społecznych 

stwierdzono sześć stopni separacji. Przeprowadzony eksperyment polegał na 

rozesłaniu do kilkuset losowo wybranych osób przesyłki, która miała dotrzeć do 

konkretnego adresata. Było jednak pewne zastrzeżenie – nie wolno było przesyłać 

bezpośrednio do wybranej osoby. Przesyłka miała być dostarczona do znajomej 

osoby, co do której zachodziło największe prawdopodobieństwo,  że może znać 

adresata. Każda osoba, która dostała paczkę „po drodze”, miała wysłać do Milgrama 

kartkę. W ten sposób naukowiec mógł  śledzić los przesyłek. Okazało się,  że 

większość paczek dotarła do celu, po przejściu przez nie więcej niż sześć par rąk. Na 

podstawie tego typu doświadczeń stwierdzono, że  łańcuch  łączący dowolne dwie 

osoby na świecie ma średnio sześć ogniw, co potwierdza znane powiedzenie, jak 

mały jest nasz Świat. 

 

 

background image

 

30

 

4.3.2.  Schemat budowy Małego Świata 
 

W 1998 roku dwaj matematycy, Watts i Strogatz, zaproponowali nowy model 

sieci zwany dzisiaj siecią Małego  Świata. Postanowili oni połączyć w sobie 

pozytywne cechy sieci regularnej (wysoki współczynnik gronowania) i losowej (krótka 

średnia droga między węzłami.). Algorytm tworzenia sieci Małego Świata jest bardzo 

prosty. Wystarczy wprowadzić drobne zaburzenie w sieci regularnej, tj. zerwać około 

1% połączeń tej sieci, a następnie zerwane połączenia rozmieścić losowo (rysunek 

4.3.1). 

 

        

          

 

               sieć regularna                            zerwane połączenia                     rozlosowanie zerwanych  

                                                                                                                                połączeń 

Rys.4.3.1. Schemat tworzenia sieci Mały Świat 

 

Sieć Małego Świata spełnia zatem już dwa warunki modelu sieci społecznej. Średnia 

odległość między węzłami jest na tyle krótka, że zapewnia stosunkowo szybki 

przepływ informacji w sieci, współczynnik gronowania natomiast, na tyle wysoki, że 

dobrze obrazuje istnienie pewnych grup w społeczeństwie. Niestety model ten nie 

przewiduje istnienia osób, które mają zdecydowanie więcej znajomych od większości 

ludzi (rozkład wiązań nie jest potęgowy).  

 

4.4. Sieci 

bezskalowe 

 

W ciągu kilku ostatnich lat naukowcy pracujący w różnych dziedzinach odkryli, 

że liczne sieci są zdominowane przez stosunkowo niewielką liczbę  węzłów, 

połączonych  z  wieloma  innymi punktami danej sieci. Sieci zawierające takie ważne  

background image

 

31

 

węzły, nazywane centrami, zazwyczaj są „bezskalowe” – tzn. niektóre węzły mają 

niemal nieograniczoną liczbę połączeń. W sieciach bezskalowych, nie można mówić 

o stałej liczbie węzłów, może ich wciąż przybywać, co powoduje rozrastanie się sieci 

(np. Internet). Rozrost ten nie jest jednak przypadkowy. Nowe węzły sieci zwykle 

łączą się z tymi, które dysponują większą liczbą połączeń – to tłumaczy powstawanie 

centrów. Budową sieci bezskalowych rządzi rozkład potęgowy. Rozkłady potęgowe 

są zupełnie inne od rozkładów w kształcie dzwonu, charakteryzujących sieci losowe, 

nie mają pojedynczego maksimum, ale są opisywane przez funkcje malejące. 

 

W ostatnich latach naukowcy wykryli struktury bezskalowe w niektórych 

sieciach społecznych, np. sieć osób połączonych pocztą elektroniczną, sieć prac 

naukowych, w której łączami są cytowania, sieć współpracy między naukowcami 

w kilku dyscyplinach, m.in. w fizyce i informatyce, czy sieć aktorów w Hollywood. 

 

4.4.1.  Schemat budowy sieci bezskalowej 
 

W sieci bezskalowej kolejne węzły z większym prawdopodobieństwem 

przyłączają się do tych węzłów, które aktualnie mają najwięcej połączeń. Proces 

tworzenia sieci bezskalowej przedstawiony jest na rysunku 4.4.1.  

 

 

         

                    

                        

        

 

     

                  

                  

                 

 

 

Rys.4.4.1. Algorytm tworzenia sieci bezskalowej 

 

 

background image

 

32

 

4.4.2.  Cechy sieci bezskalowych:  
 

 

Niektóre węzły mają olbrzymią liczbę połączeń z innymi, podczas gdy 

większość  węzłów jedynie kilka. Te szczególnie popularne węzły, zwane 

centrami, mogą mieć setki, tysiące, a nawet miliony połączeń. 

 

Sieci te dzięki niejednorodnej budowie są dość odporne na przypadkowe 

uszkodzenia(np. w Internecie jednocześnie uszkodzeniu może ulec aż 80% 

losowo wybranych węzłów i nie będzie to miało wpływu na ogólne działanie 

sieci) 

 

Sieci bezskalowe są jednak zupełnie nieodporne na skoordynowane atak 

z powodu ogromnego uzależnienia od centrów. Usunięcie zaledwie kilku 

kluczowych centrów, może spowodować rozszczepienie całej sieci na 

zupełnie izolowane części. 

 

4.4.3. Rozprzestrzenianie się wirusów w sieci bezskalowej 
 
 

Wiedza o sieciach bezskalowych może bardzo ułatwić zrozumienie procesów 

rozprzestrzeniania się chorób zakaźnych. Teoria dyfuzji przez dziesiątki lat 

intensywnie badana zarówno przez epidemiologów, jak i specjalistów od marketingu, 

przewiduje istnienie krytycznego progu rozprzestrzeniania się zakażeń w danej 

populacji. Wszelkie wirusy i choroby, których zaraźliwość nie przekracza owego 

dobrze określonego progu, są skazane na wymarcie, natomiast te, których 

zaraźliwość jest większa od krytycznej, rozprzestrzeniają się w tempie wykładniczym 

i w końcu penetrują cały układ.  

 

Romualdo Pastor–Satorras i Aleksandro Vespigniani doszli niedawno do 

niepokojącego wniosku. Stwierdzili mianowicie, że w sieci bezskalowej ów krytyczny 

poziom zaraźliwości jest równy zero, co oznacza, że nawet mało zaraźliwe wirusy 

będą się rozprzestrzeniać i uporczywie utrzymywać. Ponieważ centra są połączone 

z wieloma innymi węzłami, uszkodzony węzeł sieci będzie zazwyczaj infekować 

przynajmniej jedno centrum. A gdy centrum zostanie już zainfekowane, natychmiast 

przekaże  wirusa  licznym  innym  węzłom, co  w  końcu  doprowadzi do zakażenia 

innych centrów, które rozsieją wirusa w całym układzie. 

 W 

 

świetle  powyższych  faktów  tradycyjna  metoda   losowego   uodparniania  

background image

 

33

 

(poddawania szczepieniom ochronnym losowo wybranej grupy należącej do 

populacji narażonej), stosowana przez publiczne służby zdrowia, może  łatwo 

zawieść, gdyż z bardzo dużym prawdopodobieństwem pominięte zostaną niektóre 

centra. Aby mieć pewność,  że wszystkie centra zostały uodpornione, należałoby 

poddać zabiegom ochronnym praktycznie wszystkich. Szczepienie przeciwko odrze 

jest na przykład skuteczne dopiero, gdy obejmie 90% populacji. 

 Logiczne, 

więc wydaje się, aby w pierwszej kolejności profilaktyce poddać 

centra, czyli osoby o największej liczbie kontaktów. Z własności sieci bezskalowych 

wynika, ze taka taktyka mogłaby być skuteczna nawet wówczas, gdy zostałaby ona 

zastosowana do niewielkiego ułamka populacji, pod warunkiem, że ułamek ten 

zawierałby wszystkie centra. 

 

Takie rozumowanie niesie jednak za sobą rozmaite dylematy natury etycznej. 

Bowiem nawet, jeśli uda się wskazać osoby – centra, to dlaczego miałyby mieć one 

pierwszeństwo w dostępie do leków, czy różnych zabiegów ochronnych? Mimo tych 

wątpliwości, wiedza o centrach może stać się w przyszłości bardzo przydatna 

w rozwiązywaniu problemów z dystrybucją leków np. przeciwko AIDS w krajach, 

gdzie nie ma środków, by objąć ochroną wszystkich. W przypadku gospodarki często 

bywa, że celem wcale nie jest powstrzymanie epidemii, ale jej wywołanie. Wirusowe 

kampanie reklamowe często specjalnie kierowane są do centrów sieci społecznej, 

aby przyspieszyć akceptację jakiegoś produktu. Specjaliści od marketingu już od 

dawna wiedzieli, że niektórzy klienci znacznie bardziej niż inni przyczyniają się do 

powstania promocyjnego zgiełku, jednak dopiero ostatnie badania sieci 

bezskalowych pozwalają na ścisłą analizę tego zjawiska. 

 Określenie czy dana sieć jest bezskalowa, czy nie, jest ważne, gdy chcemy 

zrozumieć zachowanie całego układu. Jednak bezskalowość nie jest jedynym 

czynnikiem warunkującym zachowanie się sieci – zwłaszcza sieci społecznych. 

W obrębie jednego gospodarstwa domowego tworzą się znacznie silniejsze więzi niż 

przypadkowe znajomości, stąd wszelkie choroby i wirusy będą z większym 

prawdopodobieństwem rozprzestrzeniać się wzdłuż takich połączeń. 

W rzeczywistości do zatrzymania jakiejś epidemii mogłoby nie wystarczyć poddanie 

wszystkich centrów profilaktyce. Skuteczniejsze rozwiązania mogą wymagać 

uwzględnienia nie tylko liczby kontaktów, ale także ich częstości, czasu trwania 

i charakteru. 

background image

 

34

 

4.5. Podsumowanie 

 

Należy sobie zdawać sprawę z tego, iż  żadna z sieci opisanych w tym 

rozdziale nie do końca nadaje się do przedstawienia rozprzestrzeniania się chorób 

w populacji ludzkiej. Sieci te w sposób mniej lub bardziej zbliżony do rzeczywistości 

odzwierciedlają kontakty międzyludzkie. Jeżeli uznamy, że połączenie węzłów w sieci 

to relacja znajomości, to musimy liczyć się z faktem, że rozprzestrzenianie się 

wirusów rządzi się innymi prawami; to czy daną osobę znamy czy nie, nie zawsze ma 

wpływ na prawdopodobieństwo jej zarażenia. Fakt ten nie pozostaje jednak bez 

znaczenia. Oczywistą sprawą jest to, że jeżeli zachoruje jeden członek rodziny, to 

pozostała część domowników (najbliżsi sąsiedzi w sieci) jest w stopniu najwyższym 

wystawiona na ryzyko zarażenia. Nie oznacza to jednak, że chory nie może zarażać 

zupełnie przypadkowych osób. Tak więc, nawet w przypadku, gdy zarażona osoba 

jest samotna (punkt izolowany sieci społecznej), w żadnym przypadku nie możemy 

stwierdzić, że nie będzie ona zarażać innych. Cały problem opisania sieci społecznej 

skupia się na stwierdzeniu, czym właściwie są owe połączenia węzłów. W przypadku 

rozprzestrzeniania się chorób, między węzłami zaistnieje połączenie, gdy dojdzie do 

bezpośredniego zetknięcia się co najmniej dwóch osób. Tego typu relacje są bardzo 

trudne, jeżeli nie niemożliwe do opisania. Możemy więc tylko w sposób bardzo 

przybliżony dopatrywać się pewnych zależności. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

 

35

 

5.  Próba dopasowania modelu 

 

 

Tworzenie   modelu   matematycznego  ( deterministycznego,  czy   stochasty- 

cznego) jest próbą opisania jakiegoś „kawałka rzeczywistości” za pomocą pewnych 

reguł, wzorów i symboli. Umiejętność tworzenia takich modeli może być niezwykle 

użyteczna, daje nie tylko możliwość opisywania zjawisk przyrodniczych za pomocą 

pewnych formuł, ale także pozwala w pewnym stopniu przewidywać dalszy rozwój 

danego zjawiska. Jest to bardzo istotna własność w wielu dziedzinach, m.in. 

w medycynie (badanie rozprzestrzeniania się chorób), w finansach (określanie 

kursów walut i papierów wartościowych, analiza ryzyka). Dopasowywanie modelu 

matematycznego składa się z czterech etapów powtarzanych aż do momentu 

otrzymania zadowalającego wyniku. Te cztery etapy to:  

analiza zjawiska, które chcemy modelować,  

sformułowanie modelu,  

zaprojektowanie modelu,  

interpretacja wyników, porównanie z danymi rzeczywistymi. 

 

Analiza zjawiska 

 

 

Interpretacja i analiza                                      Sformułowanie 

    wyników                                                      modelu 

 

 

Skonstruowanie 

modelu 

 

Podstawowym etapem jest stworzenie modelu najprostszego, 

przeanalizowanie wyników symulacji, a następnie wprowadzanie kolejnych założeń. 

Jeżeli otrzymane wyniki nie odzwierciedlają w sposób wystarczający rzeczywistości, 

należy ponownie przeanalizować problem, wprowadzić do modelu nieprzewidziane 

wcześniej warunki, zmienić jego formułę itd. 

 

background image

 

36

 

5.1. Pierwszy 

model 

 

Podstawowym modelem, od którego rozpoczynam badanie procesu 

rozprzestrzeniania się wirusa SARS, jest model przewidujący jedynie zarażanie. 

W każdym kolejnym kroku symulacji wg tego modelu, zarażani są wszyscy „zdrowi” 

sąsiedzi „chorego” węzła. Symulacja kończy się wówczas, gdy wszystkie węzły sieci 

są zarażone. Model ten umożliwia zbadanie właściwości sieci, a mianowicie jej 

przepustowość, szybkość przepływu informacji, nie bardzo jednak nadaje się do 

opisywania rozprzestrzeniania się epidemii w populacji ludzkiej. Nie przewiduje on 

bardzo wielu ważnych okoliczności towarzyszących temu procesowi, m.in. 

zdrowienia, umieralności, izolacji zarażonych itp.  

Poniższe wykresy ilustrują przykładową symulację pierwszego modelu dla 

sieci losowej, bezskalowej i Małego Świata (1000 węzłów). Dla większej czytelności 

wykresu symulacji dla sieci regularnej, przyjęłam sieć składającą się ze 100 węzłów. 

W sieci regularnej niezależnie od ilości węzłów w każdym kroku symulacji  

omawianego modelu (poza pierwszym i ostatnim) zarażają się dokładnie cztery 

węzły. 

 

                    Sieć losowa                                                            Sieć bezskalowa 

      

          

 

       

 

Rys.5.1.1. Liczba węzłów zarażanych w każdym kolejnym kroku symulacji 

pierwszego modelu dla sieci losowej i bezskalowej. 

 

Liczba zar

onych w

ęz

łów 

Liczba zar

onych w

ęz

łów 

Kolejne kroki symulacji 

Kolejne kroki symulacji 

background image

 

37

 

                Sieć Małego Świata                                                    Sieć regularna 

        

         

 

 
 

Rys.5.1.2. Liczba węzłów zarażanych w każdym kolejnym kroku symulacji 

pierwszego modelu dla sieci Mały Świat i sieci regularnej. 

 

 Jak 

widać na powyższych wykresach najszybciej zarażone zostały wszystkie 

węzły sieci bezskalowej (11 kroków). Wynika to z budowy tej sieci, gdy zarażone 

zostanie co najmniej jedno centrum, dalsze rozprzestrzenianie odbywa się bardzo 

szybko. W sieci losowej istnieje prawdopodobieństwo występowania izolowanych 

fragmentów, dlatego nie mamy pewności, czy zaraziły się wszystkie węzły. Nie mniej 

jednak, liczba kroków (16) jest większa niż dla sieci bezskalowej, co świadczy 

o mniejszej przepustowości sieci. Najwolniej „zarażanie węzłów” zachodzi w sieci 

regularnej, w każdym kolejnym zarażane są dokładnie cztery węzły. Na wykresie 

przedstawiającym sieć Małego  Świata możemy zauważyć, jak bardzo 1%-owe 

zaburzenie może wpłynąć na budowę i właściwości sieci. W początkowej fazie 

symulacji zarażanie przebiega podobnie jak na sieci regularnej, ale już w 5 kroku 

tendencja ta zanika. 

 Z 

całą pewnością możemy stwierdzić,  że sieć regularna nie nadaje się do 

modelowania procesów zachodzących w populacji ludzkiej. Jest zbyt idealna i nie 

uwzględnia ani odrobiny losowości. Z symulacji pierwszego modelu nie możemy 

jednak wnioskować o przydatności pozostałych sieci do modelowania tego typu 

procesów. 

 

 

Liczba zar

onych w

ęz

łów 

Liczba zar

onych w

ęz

łów 

Kolejne kroki symulacji 

Kolejne kroki symulacji 

background image

 

38

 

5.2. Drugi 

model 

 

Rozprzestrzenianie się wirusów to wbrew pozorom bardzo skomplikowany 

proces. Nie każdy człowiek jest w jednakowym stopniu narażony na ryzyko 

zachorowania, wynika to m.in. z różnic w odporności organizmów, różnego stopnia 

i czasu ekspozycji na czynnik chorobotwórczy, itp. Jeżeli już dojdzie do zarażenia, 

nie każdy przypadek choroby ma taki sam przebieg, niektórzy zdrowieją szybko lub 

ich zarażenie nigdy się nie ujawnia (są jedynie nosicielami), zaś inne przypadki 

kończą się  śmiercią pacjenta. Wskaźnik rozmiaru epidemii może być ponadto 

zaniżany poprzez izolację zarażonych osób, bądź kwarantannę osób, u których 

podejrzewa się zarażenie. 

Dla stworzenia jak najlepiej dopasowanego, dynamicznego modelu 

rozprzestrzeniania się wirusa konieczna jest znajomość kilku podstawowych danych 

na temat choroby i jej przebiegu (dynamiczne dane dotyczące nowych zakażeń, 

średni czas trwania „utajonej” fazy choroby – pacjent jest nosicielem, ale nie zaraża, 

średni czas trwania infekcji, wskaźnik  śmiertelności). Aby wyliczyć  średni czas 

trwania choroby, konieczne jest dysponowanie danymi zawierającymi daty 

zachorowania konkretnych osób, oraz daty ich wyzdrowienia lub śmierci. Niestety 

uzyskanie tych danych było niemożliwe, dlatego więc skupiłam się na stworzeniu 

prostszej wersji modelu, nie uwzględniającej  średniego czasu trwania choroby,  

a jedynie prawdopodobieństwa zarażenia i wyzdrowienia. 

Symulacja przeprowadzana wg omawianego modelu wymaga wprowadzenia 

minimalnych i maksymalnych wartości dla prawdopodobieństw zarażenia 

i wyzdrowienia. W początkowej fazie symulacji prawdopodobieństwo zarażenia jest 

najwyższe, w każdym kolejnym kroku stopniowo maleje, by w ostatnim kroku 

osiągnąć wartość minimalną. Z prawdopodobieństwem wyzdrowienia jest odwrotnie: 

początkowo niskie wzrasta do wartości maksymalnej osiąganej w ostatnim kroku 

symulacji.  

Takie zachowanie się prawdopodobieństw jest zgodne z intuicjami. Początek 

epidemii SARS pozostał niezauważony, a właściwie zignorowany. Nie podjęto 

wówczas żadnych środków zapobiegawczych, dzięki czemu wirus rozprzestrzenił się 

w   bardzo  szybkim   tempie.  Prawdopodobieństwo  zarażenia  było   w   tym  czasie  

background image

 

39

 

najwyższe. W miarę rozwoju epidemii zaczęto wprowadzać  środki ochronne (maski  

z filtrami, kwarantanna osób z podejrzeniem SARS, izolacja zarażonych), aby 

zahamować jej dalszy rozwój. Ponadto służby medyczne skupiły się na walce 

z epidemią, opracowywaniu nowych metod leczenia, a więc prawdopodobieństwo 

wyzdrowienia zaczęło stopniowo wzrastać.  

W modelu nie uwzględniam izolacji oraz „śmierci” pojedynczych węzłów. 

Chwilowe lub całkowite wyłączenie węzła z sieci zaburzałoby w sposób znaczący jej 

strukturę (zrywanie połączeń). W rzeczywistości  śmierć lub chwilowe odizolowanie 

pacjenta nie oznacza przecież utraty połączeń w sieci społecznej.  

W omawianym modelu w pierwszej kolejności losowane jest „źródło” epidemii 

(jeden lub więcej węzłów). W każdym kolejnym kroku sprawdzam, czy badany 

„chory” punkt wyzdrowieje (prawdopodobieństwo wyzdrowienia). Jeżeli pozostaje 

„chory” staje się potencjalnym źródłem zarażenia sąsiadów w sieci 

(prawdopodobieństwo zarażenia), jeżeli wyzdrowieje, wraca do grupy węzłów 

narażonych na ryzyko zachorowania. 

Poniżej zamieszczone są wykresy (Rys.5.2.1) przykładowej realizacji drugiego 

modelu dla poszczególnych sieci. Symulację przeprowadziłam dla następujących 

parametrów: 

-  ilość węzłów sieci = 1000, 

-  minimalne prawdopodobieństwo zarażenia = 0.2, 

-  maksymalne prawdopodobieństwo zarażenia = 0.9, 

-  minimalne prawdopodobieństwo wyzdrowienia = 0, 

-  maksymalne prawdopodobieństwo wyzdrowienia = 0.8, 

-  liczba „źródeł” epidemii = 1, 

-  maksymalna liczba kroków symulacji = 200, 

-  na wykresie przedstawiona jest całkowita liczba chorych  

     w poszczególnych krokach symulacji. 

 

Dla porównania, na rysunku 5.2.2 przedstawiona jest rzeczywista liczba chorych  

w każdym kolejnym dniu trwania epidemii SARS w Hongkongu. Aby wykres danych 

rzeczywistych miał cechę porównywalności z wynikami symulacji, zamieszczona na 

nim całkowita liczba chorych nie uwzględnia liczby osób zmarłych z powodu SARS.  

 

background image

 

40

 

            Sieć losowa                                                           Sieć bezskalowa 

               

 

 
 

                           Sieć Małego Świata                                                        Sieć regularna 

                  

 

 
 

Rys.5.2.1. Liczba wszystkich chorych węzłów w każdym kolejnym kroku symulacji 

drugiego modelu dla sieci losowej, bezskalowej, Mały Świat i sieci regularnej. 

 

 

 

Rys.5.2.2. Rzeczywista liczba chorych w każdym kolejnym dniu trwania epidemii. 

Kolejne kroki symulacji 

Kolejne kroki symulacji 

Kolejne kroki symulacji 

Kolejne kroki symulacji 

Liczba   chorych  w

ęz

łów 

Liczba   chorych  w

ęz

łów 

Liczba   chorych  w

ęz

łów 

Liczba   chorych  w

ęz

łów 

Kolejne dni trwania epidemii

Liczba   wszystkich chorych 

background image

 

41

 

 Porównując wyniki przeprowadzonej symulacji z wykresem danych 

rzeczywistych widzimy, że żadna z sieci nie odzwierciedla rzeczywistości w stopniu 

zadowalającym. Kształty wykresów symulacji znacznie odbiegają od kształtu wykresu 

danych rzeczywistych. Dla tak dobranych prawdopodobieństw, możemy dopatrywać 

się pewnych zbieżności jedynie dla sieci Małego Świata, dla pierwszych dni epidemii, 

którym odpowiadają pierwsze kroki symulacji. 

 Poniższe wykresy (Rys.5.2.3) ilustrują symulację drugiego modelu, na tej 

samej sieci, ale ze zmienionymi wartościami prawdopodobieństw (dla 

prawdopodobieństwa zarażenia i wyzdrowienia: min = 0.01, max = 0.3)  

 

            Sieć losowa                                                           Sieć bezskalowa 

         

 

 

 

                           Sieć Małego Świata                                                        Sieć regularna 

          

 

 

 

Rys.5.2.3. Liczba wszystkich chorych węzłów oraz liczba zarażonych w każdym 

kolejnym kroku symulacji drugiego modelu dla sieci losowej, bezskalowej, Mały  

Świat i sieci regularnej. 

Liczba   chorych  w

ęz

łów 

Liczba   chorych  w

ęz

łów 

Liczba   chorych  w

ęz

łów 

Kolejne kroki symulacji 

Kolejne kroki symulacji 

Kolejne kroki symulacji 

Kolejne kroki symulacji 

Liczba   chorych  w

ęz

łów 

background image

 

42

 

 

 

 

Rys.5.2.4. Rzeczywista całkowita liczba chorych i zarażonych w każdym kolejnym  

dniu trwania epidemii. 

 

 

Przy tak dobranych prawdopodobieństwach dopasowanie modelu jest 

znacznie dokładniejsze, szczególnie dla sieci bezskalowej. Znacznie większe 

dopasowanie cechuje także sieć losową, natomiast dla sieci Małego  Świata, liczba 

chorych wzrasta zbyt łagodnie.   

 Kształt wykresu symulacji dla sieci bezskalowej jest bardziej regularny  

niż wykres danych rzeczywistych (Rys. 5.2.4), co wynika z sztywnych reguł 

matematycznych, wg których zaprogramowany jest model symulacji, a które  

w rzeczywistości są znacznie bardziej elastyczne. Ponadto model nie uwzględnia 

bardzo ważnego parametru jakim jest średni czas trwania infekcji. Mimo to sieć 

bezskalowa wydaje się być najlepszą do modelowania rozprzestrzeniania się chorób 

w populacji, spośród sieci zaprezentowanych w niniejszej pracy. 

Porównując wyniki symulacji z danymi rzeczywistymi możemy pominąć skalę 

a skupić się jedynie na kształcie wykresów, które dla symulacji przeprowadzonych na 

sieciach 100, 500, czy 1000 – elementowych są bardzo zbliżone. Kształt wykresów 

symulacji w największym stopniu zależy od doboru wartości prawdopodobieństw. 

Wiemy,  że w rzeczywistości prawdopodobieństwo zarażenia się wirusem SARS  

w wyniku bezpośredniego kontaktu z chorą osobą było bliższe prawdopodobieństwu 

przyjętemu w pierwszej symulacji (0.9). Należy jednak pamiętać,  że symulację 

przeprowadzamy dla sieci o 1000 węzłów, a więc 1 węzeł odpowiada około 7116  

 

Liczba   wszystkich chorych 

Kolejne dni trwania epidemii

background image

 

43

 

osobom w rzeczywistej sieci społecznej. Dlatego, aby uzyskane wyniki symulacji jak 

najwierniej odzwierciedlały rzeczywistość, należy te prawdopodobieństwa znacznie 

zaniżyć. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

 

44

 

5.3. Opis 

działania aplikacji „Symulator epidemii” 

 

Symulator epidemii jest aplikacją stworzoną za pomocą pakietu Matlab. 

Program uruchamiany jest poprzez wywołanie w oknie poleceń Matlaba pliku 

index.m, który otwiera interfejs użytkownika. Obsługa aplikacji polega głównie na 

wyborze opcji wskazanych przez program. 

 

Użytkownik może wygenerować lub wczytać z pliku, zapisaną wcześniej, 

dowolną liczbę spośród czterech rodzajów sieci (losowa, bezskalowa, Mały  Świat, 

regularna). Generowane sieci mogą mieć 10, 100, 500, 1000 lub 2000 węzłów. Po 

wygenerowaniu lub wczytaniu żądanych sieci, pojawia się kolejne okno graficzne, 

umożliwiające wybór modelu symulacji.  

Ponadto można także obejrzeć wybrany wykres dotyczący struktury zadanych 

sieci. Może to być wykres połączeń, który ilustruje posortowaną malejąco liczbę 

połączeń dla każdego węzła, co umożliwia odczytanie stopnia spójności sieci 

(występowanie punktów izolowanych, nie posiadających  żadnych połączeń). Drugi 

wykres ilustruje wartości dystrybuanty empirycznej dla liczby połączeń sieci 

(prawdopodobieństwo występowania poszczególnych wartości), dzięki czemu 

możemy odczytać przybliżony rozkład połączeń sieci.  

Wybierając model pierwszy otwiera się okno graficzne umożliwiające 

przeprowadzenie symulacji wg tego modelu, oraz obejrzenie wybranego wykresu 

danych rzeczywistych. Wykres danych rzeczywistych otwierany jest 

w nowym oknie, aby była możliwość porównania ich z wynikami symulacji. Dla 

wykresu danych rzeczywistych dostępne są trzy opcje: 

-  wykres zarażonych (5.2.4) – liczba węzłów, które zarażają się w każdym 

kolejnym kroku symulacji, 

-  wykres chorych (5.2.2) -  całkowita liczba aktualnie chorych w każdym 

kolejnym kroku symulacji, 

-  wykres wyzdrowiałych – liczba węzłów wyzdrowiałych w każdym kolejnym 

kroku symulacji. 

Można wybrać każdą z opcji osobno lub w dowolnym zestawieniu.  

 

Użycie przycisku „POWRÓT” powoduje ponowne otwarcie okna z wyborem modelu. 

background image

 

45

 

 

Wybór modelu drugiego otwiera kolejne okno, umożliwiające wprowadzenie 

żądanych parametrów z klawiatury. Należy podać minimalne i maksymalne 

prawdopodobieństwa zarażenia i wyzdrowienia. W przypadku wprowadzenia 

wartości większej jako minimalną (lub mniejszej jako maksymalną) program 

automatycznie je zamienia. 

 Liczba 

początkowo zarażonych, to inaczej liczba źródeł epidemii. Aby 

symulacja miała sens powinno być co najmniej jedno źródło. Wprowadzenie większej 

liczby  źródeł, przy wysokim prawdopodobieństwie wyzdrowienia, sprawia, że 

symulacja nie jest dławiona w pierwszych krokach. 

 

Maksymalna liczba kroków symulacji, to sztuczne ograniczenie długości 

trwania symulacji. Ograniczenie to jest konieczne w przypadkach gdy liczba węzłów 

zarażanych w danym kroku równoważy liczbę  węzłów, które zdrowieją, skutkiem 

czego liczba chorych utrzymuje się na stałym poziomie.  

 

Wybór typu wykresu (jak wyżej) dotyczy zarówno symulacji, jak i wykresu 

danych rzeczywistych. Przycisk „POWRÓT” ponownie otwiera okno z wyborem 

modelu. 

 W 

każdym kolejnym oknie graficznym dostępna jest pomoc ułatwiająca 

i wyjaśniająca zasady korzystania z aplikacji. Przycisk „RESTART” powoduje 

uruchomienie całego programu od początku, „ZAMKNIJ” zamyka wszystkie okna 

graficzne programu. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

 

46

 

BIBLIOGRAFIA 

 

[1] WHO 

(2003), 

Unprecedented collaboration identifies new pathogen in record 

time, http://www.who.int/csr/sars/archive/2003_04_16/en/. 

[2] 

PAP (2003-05-23), Wirus SARS z kosmosu?, http://info.onet.pl. 

[3]  Telewizyjna Agencja Informacyjna TVP S.A. (2003-05-23), SARS: oskarżona 

cyweta, http://wiadomosci.tvp.pl/wiadomosci/1,2003052336874.strona. 

[4] PAP 

(2003-05-05), 

SARS może przenosić się przez dotyk, http://info.onet.pl. 

[5]  Medical Web Designs (2003-04-08), Nietypowe zapalenie płuc – SARS

www.zdrowie.med.pl. 

[6] 

Joanna Gacka (2003-09-10), SARS powróci??,  

http://newsroom.gery.pl/news/8077.html. 

[7] 

Bao Tonga, (2003-04-08), Ocena wiarygodności propagandy rządu chińskiego 

w obliczu wybuchu epidemii SARS, The Voice of America (08/04/2003), 

http://pl.clearharmony.net/articles/200309/111.html. 

[8] Wikipedia 

(2003), 

SARS, http://pl.wikipedia.org/wiki/SARS. 

[9] 

NetworkPL.com © (2003), SARS z laboratorium 

  

http://www.networkpl.com/modules.php?name=News&file=article&sid=4048. 

[10]  PAP (2003.12.19), SARS ma wielkie oczy, Super Express (19/12/2003). 

[11]  Telewizyjna Agencja Informacyjna TVP S.A. (2004-01-05), Chiny potwierdzają 

SARS, http://ww2.tvp.pl/tvppl/127,2004010575129.strona. 

[12] WHO (2003), Summary of probable SARS cases with onset of illness 

http://www.who.int/csr/sars/country/table2003_09_23/en/. 

[13]  BMC Medical Genetics (2003), Association of HLA class I with SARS coronavirus 

Infection, http://www.biomedcentral.com/1471-2350/4/9/abstract. 

[14] Prof. dr hab. med. Wiesław Jędrychowski (1999), Epidemiologia-  

wprowadzenie i metody badań, Wydawnictwo lekarskie PZWL, Warszawa 1999. 

[15]  Popularna Encyklopedia Powszechna (2000) Fogra Oficyna Wydawnicza. 

[16] WHO (2003), Cumulative Number of Reported Probable Cases of Severe 

Acute Respiratory Syndrome (SARS), http://www.who.int/csr/sars/country/en/. 

[17]  Albert - Laszlo Barabasi, Eric Bonabeau, Sieci bezskalowe, Świat Nauki 

(6/2003). 

[18]  Katarzyna Sznajd – Weron, W sieci małego świata, Wiedza i życie (2/2004).