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ああすわくや
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1 口蹄疫流行の数理モデルに関する研究東京理科大学工学部経営工学科板倉豊 - 発表内容 - 1. 研究背景 2. 研究目的 3. 数理モデル 4. 結果 5. 考察まとめ 6. 参考文献 7. Appendix

2 流行とははじめにある時点で, 衣服, 化粧, 思想, 病気などの様式が広く伝播, 普及すること.[1] 特に感染症に関しては特定の集団や地域で比較的限定された期間内に通常期待される頻度を超えて同一疾患が多発すること.[2] 口蹄疫とは 1. 研究背景偶蹄類の動物に感染し, ウイルスの伝播力が非常に強い. 子牛や子豚では死亡することもあるが, 成長した家畜では死亡率が数 % 程度と言われている. 感染した場合は治療は行わず, 殺処分する. 殺処分は感染した動物だけでなく, ともに飼育されていた偶蹄類の動物に対しても行われる.[3] 2010 年度 S-PLUS 学生研究奨励賞応募 2

3 1. 研究背景口蹄疫に関する特定家畜伝染病防疫指針口蹄疫は極めて伝染力が強く, また, 発病に伴う発育障害, 運動障害及び泌乳障害により, 莫大な経済的被害が生じるほか, 国あるいは地域ごとに家畜, 畜産物等に厳しい移動制限が課され, 国際流通にも大きな影響を及ぼす [4] 家畜伝染病予防法により, 家畜の伝染性疾病伝染病の発生の予防や蔓延の防止をする必要がある年度 S-PLUS 学生研究奨励賞応募 3

4 2010 年における口蹄疫の被害状況 1. 研究背景 2010 年 4~7 月, 宮崎県南部で牛, 水牛, 豚, 羊, 山羊の口蹄疫が発生した年 8 月 27 日に口蹄疫終息宣言が発表され, 現在は鎮静化している. 殺処分頭数は 288,643 頭, 畜産関連の損失は 1,400 億円, 関連損失を 950 億円とされている.[5] 経済的損失が大きいと言える年度 S-PLUS 学生研究奨励賞応募 4

5 研究目的口蹄疫は畜産業を主とし, 様々なことに大きな影響を与える. 2. 研究目的数理モデルを用いることで, 口蹄疫の流行を拡大しないようにするにはどのようなことが有効かを考える. 口蹄疫の伝播状況を数理モデル化既存の数理モデルの改良, 新たな数理モデルの作成 2010 年度 S-PLUS 学生研究奨励賞応募 5

6 SIR モデル感染症の数理モデル 1927 年に Kermack and McKendrick が提唱した基本的な感染症の数理モデル.[6] SEIR モデル 3. 数理モデル SIR モデルを拡張した感染症の数理モデルで,SIR モデルの I の状態を E と I の 2 つに分けたもの. SSuscepible: 感染する可能性があるものの数. EExposed: 感染しているが, 感染させる能力がないものの数. IInfecious: 感染していて, かつ, 感染させる能力があるものの数. RRecovered: 感染後に回復して免疫を獲得したもの, 死亡したもの, 隔離されたものの数年度 S-PLUS 学生研究奨励賞応募 6

7 SIR モデル各区画間の時間当たりの変化 3. 数理モデル ds S I di S I I dr I I : 伝達係数 : 時間における感染力 : 回復率や隔離率や死亡率 1 : 感染性期間症候性期間の平均値 2010 年度 S-PLUS 学生研究奨励賞応募 7

8 SEIR モデル各区画間の時間当たりの変化 ds S I de S I E di E I dr I : 伝達係数 I : 時間における感染力率 1 : 感染後に感染性を得る : 感染待ち期間潜伏期間の平均値率 3. 数理モデル : 回復率や隔離率や死亡 1 : 感染性期間症候性期間の平均値 2010 年度 S-PLUS 学生研究奨励賞応募 8

9 パラメータの定義症状が現れる期間と感染させる能力を持っている期間は厳密には異なるが, 感染性について判断することは難しいため, 感染待ち期間を潜伏期間, 感染性期間を症候性期間とする. 潜伏期間感染してから症状が現れるまでの期間症候性期間症状が現れている期間感染待ち期間感染してから感染させる能力を得るまでの期間感染性期間感染させる能力を持っている期間 3. 数理モデル潜伏期間感染待ち期間感染性期間症候性期間感染感染性獲得発症理論上の回復症状消失図 1. 症状と感染性を根拠にしたパラメータの定義 [6] 時間 2010 年度 S-PLUS 学生研究奨励賞応募 9

10 R 0 基本再生産数 3. 数理モデル基本再生産数とは全感染期間において1 人の感染者が生み出す2 次感染者数の期待値. R 0 1 の時, 流行し, R 0 1 の時, 流行はしない. 2 式より, 時刻 0の時, 感染者の動態は次式のように表わされる. di { S0 } I 8 { S 0 } I e I0 9 9 式より, 流行が発生する条件は次式となる. S0 0 S0 1 よって, 基本再生産数は次式のように表わされる. S0 R 年度 S-PLUS 学生研究奨励賞応募 10

11 提案モデル 3. 数理モデル口蹄疫は牛や豚など複数の動物に感染する. 動物によって潜伏期間などが異なる. SIR モデル,SEIR モデルは単一の動物の感染状況しか表現できない. 新しい感染の数理モデルの提案 2010 年度 S-PLUS 学生研究奨励賞応募 11

12 基本は SEIR モデル. 提案モデル 3. 数理モデル牛, 豚以外に殺処分された動物は数頭のみ. 対象は牛と豚. 口蹄疫は治療せずに殺処分を行うので, 感染期間は感染が判明してから殺処分されるまでの期間とする. 牛と豚の間に差がないとみなすため, 分けずに考える. 表 1. 口蹄疫により殺処分された動物とその頭数 [7] 動物頭数頭牛 37,454 豚 174,132 山羊 14 羊 8 S と E の段階は 2 つに分け,I と R の段階は 1 つでまとめて考える年度 S-PLUS 学生研究奨励賞応募 12

13 提案モデル添え字の 1 と 2 をそれぞれ牛と豚とする 2010 年度 S-PLUS 学生研究奨励賞応募 I dr I E E di E I S de E I S de I S ds I S ds 数理モデル

14 地域の設定 3. 数理モデル口蹄疫発生の全 292 例のうち 197 例が宮崎県児湯郡川南町で発生しているので, それを対象とする.[7] 1 頭でも口蹄疫の感染が確認された場合, 牛舎や豚舎内のすべての対象動物が殺処分されるため, 単位を頭数ではなく, 畜産農家戸数とする. 川南町の畜産農家戸数 [8] 牛に関する畜産農家 297 戸酪農 23 戸, 和牛繁殖 251 戸, 肥育牛 23 戸豚に関する畜産農家 83 戸養豚 83 戸 2010 年度 S-PLUS 学生研究奨励賞応募 14

値の設定 3. 数理モデル初めて口蹄疫が判明したのが牛に関する畜産農家なので, S2 0 83, E1 0 E20 0, I0 1, R0 0 口蹄疫の平均潜伏期間は牛 6.2 日, 豚 10.6 日 [9] なので, 1 6.2, 2 10.

15 値の設定 3. 数理モデル初めて口蹄疫が判明したのが牛に関する畜産農家なので, S2 0 83, E1 0 E20 0, I0 1, R0 0 口蹄疫の平均潜伏期間は牛 6.2 日, 豚 10.6 日 [9] なので, 1 6.2, 口蹄疫の判明日から殺処分されるまでの平均日数は日なので, S , 年に英国で発生した口蹄疫の基本再生産数 [10] R を参考にし, の値を求める. 12 式より, 年度 S-PLUS 学生研究奨励賞応募 15

16 シミュレーションと実状の比較図 2 は SEIR モデルの I に当たるものである. 4. 結果図 1, 2 によると, 実際に発生した畜産農家数とは異なるが, シミュレーションによる増減の挙動は似たような形となった. 図 2. 改良した SEIR モデルによるシミュレーション図 3. 感染が判明したが殺処分されていない畜産農家数 2010 年度 S-PLUS 学生研究奨励賞応募 16

17 1 口蹄疫の感染数は少なくすべきであることから, 感染数 I について考えた. を変化させたシミュレーション 4. 結果判明してから殺処分され 1 る期間を短くし, シミュレーションを行った. 期間を短くすると, 感染する畜産農家数が少なくなった. 1 図 4. を変化させた時のの変化 I 2010 年度 S-PLUS 学生研究奨励賞応募 17

18 考察まとめ 5. 考察まとめ考察シミュレーション結果と実際の値が異なるのは, 防疫体制や畜産動物の飼育体制による感染状況が, 人間のインフルエンザなどの感染状況とは異なるからだと考えられる. 1 I を小さくすることで, も小さくなるのは, 感染させる能力のあるものの存在する合計時間が減り, 感染させることのできる数が減るからだと考えられる. まとめ SEIR モデルは単一の動物の個々の間だけでなく, 改良することで複数の動物のグループ間でも利用可能であることを示唆している年度 S-PLUS 学生研究奨励賞応募 18

19 [1] 広辞苑第四版, 岩波書店,1991 参考文献 6. 参考文献 [2] 医学大事典第 18 版, 南山堂,1998 [3] 農林水産省口蹄疫について知りたい方へ hp:// < 最終閲覧日 2010/9/10> [4] 農林水産省口蹄疫に関する特定家畜伝染病防疫指針 hp:// < 最終閲覧日 2010/9/10> [5] 読売新聞口蹄疫経済損失 2350 億円, 宮崎県が試算 hp://kyushu.yomiuri.co.jp/keizai/deail/ oys1t00153.hm < 最終閲覧日 2010/9/10> [6] 西浦博稲葉寿, 感染症流行の予測 : 感染症数理モデルにおける定量的課題特集予測と発見, 統計数理,542, , 年度 S-PLUS 学生研究奨励賞応募 19

20 参考文献 6. 参考文献 [7] 農林水産省口蹄疫の発生事例の防疫措置の状況 hp:// < 最終閲覧日 2010/9/10> [8] 農林水産省制限区域内の畜産農家戸数 hp:// 最終閲覧日 2010/9/10> [9] 村上洋介, 口蹄疫ウイルスと口蹄疫の病性について, 日本獣医師会雑誌, 535, , [10]Haydon, D.T., Woolhouse, M.E.J. & Kiching, R.P. :An analysis of foo-andmouh-disease epidemics in he UK. IMA J. Mahemaics Appl. Med. Biol 14, 1-9, [11] 農林水産省口蹄疫の発生状況について hp:// < 最終閲覧日 2010/9/10> 2010 年度 S-PLUS 学生研究奨励賞応募 20

21 Appendix 2010 年度 S-PLUS 学生研究奨励賞応募 21

22 殺処分に関して 7.Appendix 川南町における殺処分頭数は牛 10,170 頭, 豚 144,269 頭, 山羊 7 頭. 図 5. 判明から殺処分まで要した日数とその件数 2010 年度 S-PLUS 学生研究奨励賞応募 22

23 黒色の円状の線は移動制限区域半径 10km 以内と搬出制限区域半径 10km 以上 20km 以下を表わしている. 赤色の円状の線はワクチン接種地域を表わしている. 全 292 例のうち川南町を中心とした 279 例ワクチンが接種された. 地理情報 b 7.Appendix 図 6. 口蹄疫の発生場所 [11] 2010 年度 S-PLUS 学生研究奨励賞応募 23

24 7.Appendix S 言語による改良した SEIR モデルのプログラム n=380 # 畜産農家の全体数 I0=1 # 初期感染者数 days=100 # シミュレーションの期間日数 bea= epsilon1=1/6.2 epsilon2=1/10.3 gamma=1/ dae=1 S=n-I0 I=I0 # 日にち初期値 #S の初期値 #I の初期値 E=0 #E の初期値 R=0 #R の初期値 # 伝達係数 S1=296 # 牛の S の初期値 S2=83 # 豚の S の初期値 E1=0 # 牛の E の初期値 E2=0 # 豚の E の初期値 # 牛の潜伏期間の逆数 # 豚の潜伏期間の逆数 # 感染の判明から殺処分されるまでの期間の逆数 marixseir=marix1:days*5,nrow=100 SEIR=cdae,S,E,I,R marixseir[,1]=seir fori in 1:days-1{ dae=i+1 日にちの更新 R=R+gamma*I #18 式 I=I+epsilon1*E1+epsilon2*E2-gamma*I E1=E1+bea*S1I-epsilon1*E1 #15 式 E2=E2+bea*S2I-epsilon1*E2 #16 式 E=E1+E2 S1=S1-bea*S1I #13 式 S2=S2-bea*S2I #14 式 S=S1+S2 S1I=S1*I S2I=S2*I SEIR=cdae,S,E,I,R marixseir[i+1,]=seir } #17 式 S1I=S1*I S2I=S2*I 2010 年度 S-PLUS 学生研究奨励賞応募 24

コラム口蹄疫とは口蹄疫とは口蹄疫ウイルスにより牛豚等の偶蹄類が感染する伝染病です O 型や A 型等の様々なタイプ (7 種類 ) がありますがすべて同様の症状を示しますすいほう発症すると牛豚等の口や蹄に水疱 ( 水ぶくれ ) 等の症状を示し産業動物の生産性を低下させます口蹄

コラム口蹄疫とは口蹄疫とは口蹄疫ウイルスにより牛豚等の偶蹄類が感染する伝染病です O 型や A 型等の様々なタイプ (7 種類 ) がありますがすべて同様の症状を示しますすいほう発症すると牛豚等の口や蹄に水疱 ( 水ぶくれ ) 等の症状を示し産業動物の生産性を低下させます口蹄第 1 節食料自給率の向上と食料安全保障の確立に向けた取組 (5) 口蹄疫の発生とその対策 ( 我が国では10 年ぶりに口蹄疫が発生し甚大な被害 ) 平成 22(2010) 年 4 月 20 日 10 年ぶりに口蹄疫の発生が宮崎県で確認されました ( 図 1 43) 発生農場は 292 農場発生自治体数は 11 市町家畜への被害は牛 69,454 頭豚 227,949 頭その他 ( 山羊