Skip to main content

2013 | OriginalPaper | Buchkapitel

Modeling the Impact of Behavior Changes on the Spread of Pandemic Influenza

verfasst von : Sara Y. Del Valle, Susan M. Mniszewski, James M. Hyman

Erschienen in: Modeling the Interplay Between Human Behavior and the Spread of Infectious Diseases

Verlag: Springer New York

Aktivieren Sie unsere intelligente Suche, um passende Fachinhalte oder Patente zu finden.

search-config
loading …

Abstract

We use mathematical models to assess the impact of behavioral changes in response to an emerging epidemic. Evaluating the quantitative and qualitative impact of public health interventions on the spread of infectious diseases is a crucial public health objective. The recent avian influenza (H5N1) outbreaks and the 2009 H1N1 pandemic have raised significant global concerns about the emergence of a deadly influenza virus causing a pandemic of catastrophic proportions. Mitigation strategies based on behavior changes are some of the only options available in the early stages of an emerging epidemic when vaccines are unlikely to be available and there are only limited stockpiles of antiviral medications. Mathematical models that capture these behavior changes can quantify the relative impact of different mitigation strategies, such as closing schools, in slowing the spread of an infectious disease. Including behavior changes in mathematical models increases complexity and is often left out of the analysis. We present a simple differential equation model which allows for people changing their behavior to decrease their probability of infection. We also describe a large-scale agent-based model that can be used to analyze the impact of isolation scenarios such as school closures and fear-based home isolation during a pandemic. The agent-based model captures realistic individual-level mixing patterns and coordinated reactive changes in human behavior in order to better predict the transmission dynamics of an epidemic. Both models confirm that changes in behavior can be effective in reducing the spread of disease. For example, our model predicts that if school closures are implemented for the duration of the pandemic, the clinical attack rate could be reduced by more than 50%. We also verify that when interventions are stopped too soon, a second wave of infection can occur.

Sie haben noch keine Lizenz? Dann Informieren Sie sich jetzt über unsere Produkte:

Springer Professional "Wirtschaft+Technik"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Wirtschaft+Technik" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 102.000 Bücher
  • über 537 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Automobil + Motoren
  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Elektrotechnik + Elektronik
  • Energie + Nachhaltigkeit
  • Finance + Banking
  • Management + Führung
  • Marketing + Vertrieb
  • Maschinenbau + Werkstoffe
  • Versicherung + Risiko

Jetzt Wissensvorsprung sichern!

Springer Professional "Technik"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Technik" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 67.000 Bücher
  • über 390 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Automobil + Motoren
  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Elektrotechnik + Elektronik
  • Energie + Nachhaltigkeit
  • Maschinenbau + Werkstoffe




 

Jetzt Wissensvorsprung sichern!

Springer Professional "Wirtschaft"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Wirtschaft" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 67.000 Bücher
  • über 340 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Finance + Banking
  • Management + Führung
  • Marketing + Vertrieb
  • Versicherung + Risiko




Jetzt Wissensvorsprung sichern!

Literatur
1.
Zurück zum Zitat Ackerman, E., Elveback, L.R., Fox, J.P.: Simulation of Infectious Disease Epidemics. CC Thomas, Springfield, Illinois (1988) Ackerman, E., Elveback, L.R., Fox, J.P.: Simulation of Infectious Disease Epidemics. CC Thomas, Springfield, Illinois (1988)
2.
Zurück zum Zitat Anderson, R.M., May, R.M.: Infectious Diseases of Humans. Oxford University Press, Oxford (1991) Anderson, R.M., May, R.M.: Infectious Diseases of Humans. Oxford University Press, Oxford (1991)
3.
Zurück zum Zitat Bansal, S., Pourbohloul, B., Meyers, L.A.: PLoS Med. e387 (2006) Bansal, S., Pourbohloul, B., Meyers, L.A.: PLoS Med. e387 (2006)
4.
Zurück zum Zitat Bansal, S., Grenfell, B.T., Meyers, L.A.: J. R. Soc. Interface 4, 879 (2007)CrossRef Bansal, S., Grenfell, B.T., Meyers, L.A.: J. R. Soc. Interface 4, 879 (2007)CrossRef
5.
Zurück zum Zitat Blower, S.M., Porco, T.C., Darby, G.: Nature Med. 4, 673 (1998). doi: 10.1038/nm0698-673 Blower, S.M., Porco, T.C., Darby, G.: Nature Med. 4, 673 (1998). doi: 10.1038/nm0698-673
6.
Zurück zum Zitat Bootsma, M.C.J., Ferguson, N.M.: Proc. Natl. Acad. Sci. USA 104, 7588 (2007). doi: 10.1073/pnas.0611071104 Bootsma, M.C.J., Ferguson, N.M.: Proc. Natl. Acad. Sci. USA 104, 7588 (2007). doi: 10.1073/pnas.0611071104
7.
Zurück zum Zitat Caley, P., Philp, D.J., McCracken, K.: J. R. Soc. Interface 6, 631 (2008). doi: 10.1098/rsif.2007.1197CrossRef Caley, P., Philp, D.J., McCracken, K.: J. R. Soc. Interface 6, 631 (2008). doi: 10.1098/rsif.2007.1197CrossRef
8.
Zurück zum Zitat Cauchemez, S., Valleron, A.J., Boëelle, P.Y., Flahault, A., Ferguson, N.M.: Nature 452, 750 (2008). doi: 10.1038/nature06732CrossRef Cauchemez, S., Valleron, A.J., Boëelle, P.Y., Flahault, A., Ferguson, N.M.: Nature 452, 750 (2008). doi: 10.1038/nature06732CrossRef
10.
Zurück zum Zitat Chowell, G., Nishiura, H.: Phys. Life Rev. 5, 50 (2008). doi: 10.1016/j.plrev.2007.12.001CrossRef Chowell, G., Nishiura, H.: Phys. Life Rev. 5, 50 (2008). doi: 10.1016/j.plrev.2007.12.001CrossRef
11.
Zurück zum Zitat Chowell, G., Hyman, J.M., Eubank, S., Castillo-Chavez, C.: Phys. Rev. E 68(6 Pt 2), 066102 (2003). doi: 10.1103/PhysRevE.68.066102CrossRef Chowell, G., Hyman, J.M., Eubank, S., Castillo-Chavez, C.: Phys. Rev. E 68(6 Pt 2), 066102 (2003). doi: 10.1103/PhysRevE.68.066102CrossRef
12.
Zurück zum Zitat Chowell, G., Ammon, C.E., Hengartner, N.W., Hyman, J.M.: J. Theor. Biol. 241, 193 (2006). doi: 10.1016/j.jtbi.2005.11.026MathSciNetCrossRef Chowell, G., Ammon, C.E., Hengartner, N.W., Hyman, J.M.: J. Theor. Biol. 241, 193 (2006). doi: 10.1016/j.jtbi.2005.11.026MathSciNetCrossRef
13.
Zurück zum Zitat Colizza, V., Barrat, A., Barthelemy, M., Valleron, A., Vespignani, A.: PLoS Med. 4, e13 (2007). doi: 10.1371/journal.pmed.0040013CrossRef Colizza, V., Barrat, A., Barthelemy, M., Valleron, A., Vespignani, A.: PLoS Med. 4, e13 (2007). doi: 10.1371/journal.pmed.0040013CrossRef
14.
Zurück zum Zitat Cooper, B.S., Pitman, R.J., Edmunds, W.J., Gay, N.J.: PLoS Med. 3, e212 (2006). doi: 10.1371/journal.pmed.0030212 Cooper, B.S., Pitman, R.J., Edmunds, W.J., Gay, N.J.: PLoS Med. 3, e212 (2006). doi: 10.1371/journal.pmed.0030212
15.
Zurück zum Zitat Del Valle, S., Hethcote, H., Hyman, J.M., Castillo-Chavez, C.: Math. Biosc. 195, 228 (2005). doi: 10.1016/j.mbs.2005.03.006MATHCrossRef Del Valle, S., Hethcote, H., Hyman, J.M., Castillo-Chavez, C.: Math. Biosc. 195, 228 (2005). doi: 10.1016/j.mbs.2005.03.006MATHCrossRef
16.
Zurück zum Zitat Del Valle, S.Y., Hyman, J.M., Hethcote, H.W., Eugank, S.G.: Soc. Networks 29, 539 (2007). doi: 10.1016/j.socnet.2007.04.005 Del Valle, S.Y., Hyman, J.M., Hethcote, H.W., Eugank, S.G.: Soc. Networks 29, 539 (2007). doi: 10.1016/j.socnet.2007.04.005
17.
Zurück zum Zitat Edmunds, W.J., O’ Calaghan, C.J., Nokes, D.J.: Proc. R. Soc. B 22, 264 (1997). doi: 10.1098/rspb.1997.0131 Edmunds, W.J., O’ Calaghan, C.J., Nokes, D.J.: Proc. R. Soc. B 22, 264 (1997). doi: 10.1098/rspb.1997.0131
18.
Zurück zum Zitat Eubank, S.G., Guclu, H., Kumar, V.A., Marathe, M.V., Srinivasan, A., Toroczkai, Z., Wang, N.: Nature 429, 180 (2004). doi: 10.1038/nature02541CrossRef Eubank, S.G., Guclu, H., Kumar, V.A., Marathe, M.V., Srinivasan, A., Toroczkai, Z., Wang, N.: Nature 429, 180 (2004). doi: 10.1038/nature02541CrossRef
19.
20.
Zurück zum Zitat Ferguson, N.M., Keeling, M.J., Edmunds, W.J., Gani, R., Grenfell, B.T., Anderson, R.M., Leach, S.: Nature 425, 681 (2003). doi:10.1038/nature02007CrossRef Ferguson, N.M., Keeling, M.J., Edmunds, W.J., Gani, R., Grenfell, B.T., Anderson, R.M., Leach, S.: Nature 425, 681 (2003). doi:10.1038/nature02007CrossRef
21.
Zurück zum Zitat Ferguson, N.M., Cummings, D.A., Cauchemez, S., Fraser, C., Riley, S., Meeyai, A., Iamsirithaworn, S., Burke, D.S.: Nature 437, 209 (2005). doi: 10.1145/1315843.1315857CrossRef Ferguson, N.M., Cummings, D.A., Cauchemez, S., Fraser, C., Riley, S., Meeyai, A., Iamsirithaworn, S., Burke, D.S.: Nature 437, 209 (2005). doi: 10.1145/1315843.1315857CrossRef
22.
Zurück zum Zitat Fukś, H., Lawniczak, A.T., Duchesne, R.: Eur. Phys. J. B 50, 209 (2006). doi: 10.1140/epjb/e2006-00136-7CrossRef Fukś, H., Lawniczak, A.T., Duchesne, R.: Eur. Phys. J. B 50, 209 (2006). doi: 10.1140/epjb/e2006-00136-7CrossRef
23.
Zurück zum Zitat Gani, R., Hughes, H., Fleming, D., Griffin, T., Medlock, J., Leach, S.: Infect. Dis. 11, 1355–1362 (2005) Gani, R., Hughes, H., Fleming, D., Griffin, T., Medlock, J., Leach, S.: Infect. Dis. 11, 1355–1362 (2005)
24.
Zurück zum Zitat Germann, T.C., Kadau, K., Longini, I.M. Jr., Macken, C.A.: Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, 5935 (2006). doi: 10.1073/pnas.0601266103 Germann, T.C., Kadau, K., Longini, I.M. Jr., Macken, C.A.: Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, 5935 (2006). doi: 10.1073/pnas.0601266103
25.
Zurück zum Zitat Glass, K., Barnes, B.: Epidemiology 18, 623 (2007). doi: 10.1097/EDE.0b013e31812713b4CrossRef Glass, K., Barnes, B.: Epidemiology 18, 623 (2007). doi: 10.1097/EDE.0b013e31812713b4CrossRef
26.
Zurück zum Zitat Handel, A., Longini, I.M., Antia, R.: Proc. R. Soc. B 274, 833 (2007). doi: 10.1098/rspb.2006.0015 Handel, A., Longini, I.M., Antia, R.: Proc. R. Soc. B 274, 833 (2007). doi: 10.1098/rspb.2006.0015
27.
Zurück zum Zitat Hatchett, R.J., Mecher, C.E., Lipsitch, M.: Proc. Natl. Acad. Sci. USA 104, 7582 (2007). doi: 10.1073/pnas.0610941104 Hatchett, R.J., Mecher, C.E., Lipsitch, M.: Proc. Natl. Acad. Sci. USA 104, 7582 (2007). doi: 10.1073/pnas.0610941104
28.
Zurück zum Zitat Hethcote, H.W.: SIAM Rev. 42, 599 (2000). 10.1137/S0036144500371907 Hethcote, H.W.: SIAM Rev. 42, 599 (2000). 10.1137/S0036144500371907
29.
Zurück zum Zitat Isham, V., Mdley, G.: Models for Infectious Human Diseases: Their Structure and Relation to Data. Cambridge University Press, Cambridge (1996)MATHCrossRef Isham, V., Mdley, G.: Models for Infectious Human Diseases: Their Structure and Relation to Data. Cambridge University Press, Cambridge (1996)MATHCrossRef
30.
Zurück zum Zitat Johnson, N.P., Mueller, J.: Bull. Hist. Med. 76, 105 (2002). doi: 10.1353/bhm.2002.0022CrossRef Johnson, N.P., Mueller, J.: Bull. Hist. Med. 76, 105 (2002). doi: 10.1353/bhm.2002.0022CrossRef
31.
Zurück zum Zitat Kermack, W.O., McKendrick, A.G.: Proc. R. Soc. Series A 115, 700 (1927). 10.1098/rspa.1927.0118 Kermack, W.O., McKendrick, A.G.: Proc. R. Soc. Series A 115, 700 (1927). 10.1098/rspa.1927.0118
32.
Zurück zum Zitat Kilbourne, E.D.: Emerg. Infec. Dis. 12, 9 (2006). doi: 10.3201/eid1201.051254CrossRef Kilbourne, E.D.: Emerg. Infec. Dis. 12, 9 (2006). doi: 10.3201/eid1201.051254CrossRef
33.
Zurück zum Zitat Lin, J., Zhang, J., Dong, X., Fang, H., Chen, J., Su, N., Gao, Q., Zhang, Z., Liu, Y., Wang, Z., Yang, M., Sun, R., Li, C., Lin, S., Ji, M., Liu, Y., Wang, X., John, W., Feng, Z., Wang, Y., Yin, W.: Lancet 368, 991 (2006). doi: 10.1016/S0140-6736(06)69294-5CrossRef Lin, J., Zhang, J., Dong, X., Fang, H., Chen, J., Su, N., Gao, Q., Zhang, Z., Liu, Y., Wang, Z., Yang, M., Sun, R., Li, C., Lin, S., Ji, M., Liu, Y., Wang, X., John, W., Feng, Z., Wang, Y., Yin, W.: Lancet 368, 991 (2006). doi: 10.1016/S0140-6736(06)69294-5CrossRef
34.
Zurück zum Zitat Longini, I.M., Halloran, M.E., Nizam, A., Yang, Y.: Am. J. Epidemiol. 159, 623 (2004). doi: 10.1093/aje/kwh092CrossRef Longini, I.M., Halloran, M.E., Nizam, A., Yang, Y.: Am. J. Epidemiol. 159, 623 (2004). doi: 10.1093/aje/kwh092CrossRef
35.
Zurück zum Zitat Meyers, L.A., Pourbohloul, B., Newman, M.E.J., Skowronski, D.M., Brunham, R.C.: J. Theor. Biol. 232, 71 (2004). doi: 10.1016/j.jtbi.2004.07.026MathSciNetCrossRef Meyers, L.A., Pourbohloul, B., Newman, M.E.J., Skowronski, D.M., Brunham, R.C.: J. Theor. Biol. 232, 71 (2004). doi: 10.1016/j.jtbi.2004.07.026MathSciNetCrossRef
38.
Zurück zum Zitat Neuzil, K.M., Hohlbein, C., Zhu, Y.: Arch. Pediar. Adolesc. Med. 156, 986 (2002) Neuzil, K.M., Hohlbein, C., Zhu, Y.: Arch. Pediar. Adolesc. Med. 156, 986 (2002)
39.
Zurück zum Zitat Newman, M.E.J.: Phys. Rev. E 66, 016128 (2002). doi: 10.1103/PhysRevE.66.016128 Newman, M.E.J.: Phys. Rev. E 66, 016128 (2002). doi: 10.1103/PhysRevE.66.016128
40.
Zurück zum Zitat Nuno, M., Chowell, G., Gumel, A.: J. R. Soc. Interface 22, 505 (2007). doi: 10.1098/?rsif.2006.0186 Nuno, M., Chowell, G., Gumel, A.: J. R. Soc. Interface 22, 505 (2007). doi: 10.1098/?rsif.2006.0186
41.
Zurück zum Zitat Ofner-Agostini, M., Wallington, T., Henry, B., Low, D., McDonald, L.C., Berger, L., Mederski, B., SARS Investigative Team, Wong, T.: Investigation of the second wave (phase 2) of severe acute respiratory syndrome (SARS) in Toronto, Canada. What happened? Can. Commun. Dis. Rep. 34, 1–11 (2008) Ofner-Agostini, M., Wallington, T., Henry, B., Low, D., McDonald, L.C., Berger, L., Mederski, B., SARS Investigative Team, Wong, T.: Investigation of the second wave (phase 2) of severe acute respiratory syndrome (SARS) in Toronto, Canada. What happened? Can. Commun. Dis. Rep. 34, 1–11 (2008)
42.
Zurück zum Zitat Pang, X., Zhu, Z., Xu, F., Guo, J., Gong, X., Liu, D., Liu, Z., Chin, D.P., Feikin, D.R.: J. Am. Med. Assoc. 290, 3215 (2003)CrossRef Pang, X., Zhu, Z., Xu, F., Guo, J., Gong, X., Liu, D., Liu, Z., Chin, D.P., Feikin, D.R.: J. Am. Med. Assoc. 290, 3215 (2003)CrossRef
43.
Zurück zum Zitat Reed, J.M., Keeling, M.J.: Proc. R. Soc. B 270, 699 (2003). doi: 10.1098/rspb.2002.2305 Reed, J.M., Keeling, M.J.: Proc. R. Soc. B 270, 699 (2003). doi: 10.1098/rspb.2002.2305
44.
Zurück zum Zitat Ross, R.: The Prevention of Malaria. John Murray, London (1911) Ross, R.: The Prevention of Malaria. John Murray, London (1911)
45.
Zurück zum Zitat Smith, D.J., Forrest, S., Ackley, D.H., Perelson, A.S.: Proc. Natl. Acad. Sci. USA 96, 14001 (1999). doi: 10.1073/pnas.96.24.14001 Smith, D.J., Forrest, S., Ackley, D.H., Perelson, A.S.: Proc. Natl. Acad. Sci. USA 96, 14001 (1999). doi: 10.1073/pnas.96.24.14001
46.
Zurück zum Zitat Stilianakis, N.I., Perelson, A.S., Hayden F.G.: J. Infect. Dis. 177, 863 (1998). doi: 10.1086/515246CrossRef Stilianakis, N.I., Perelson, A.S., Hayden F.G.: J. Infect. Dis. 177, 863 (1998). doi: 10.1086/515246CrossRef
47.
Zurück zum Zitat Stohr, K., Esveld, M.: Science 306, 2195 (2004). doi: 10.1126/science.1108165CrossRef Stohr, K., Esveld, M.: Science 306, 2195 (2004). doi: 10.1126/science.1108165CrossRef
48.
Zurück zum Zitat Stroud, P.D., Del Valle, S.Y., Sydoriak, S.J., Riese, J., Mniszewski, S.: J. Artif. Soc. Soc. Simulat. 10(4), 9 (2007) Stroud, P.D., Del Valle, S.Y., Sydoriak, S.J., Riese, J., Mniszewski, S.: J. Artif. Soc. Soc. Simulat. 10(4), 9 (2007)
51.
Zurück zum Zitat Wallinga, J., Teunis, P., Kretzschmar, M.: Am. J. Epidemiol. 164, 936 (2006). doi: 10.1093/aje/kwj317CrossRef Wallinga, J., Teunis, P., Kretzschmar, M.: Am. J. Epidemiol. 164, 936 (2006). doi: 10.1093/aje/kwj317CrossRef
53.
Zurück zum Zitat Yee, D., Bradford, J.: Employment density study, Canadian METRO Council Technical Report (1999) Yee, D., Bradford, J.: Employment density study, Canadian METRO Council Technical Report (1999)
54.
Zurück zum Zitat Zaric, G.S.: Healthcare Manage. Sci. 5, 147 (2002). doi: 10.1023/A:1014489218178 Zaric, G.S.: Healthcare Manage. Sci. 5, 147 (2002). doi: 10.1023/A:1014489218178
Metadaten
Titel
Modeling the Impact of Behavior Changes on the Spread of Pandemic Influenza
verfasst von
Sara Y. Del Valle
Susan M. Mniszewski
James M. Hyman
Copyright-Jahr
2013
Verlag
Springer New York
DOI
https://doi.org/10.1007/978-1-4614-5474-8_4