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考虑疫苗时效及潜伏期的乙肝传染病模型分析

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乔杰, 刘贤宁. 考虑疫苗时效及潜伏期的乙肝传染病模型分析[J]. 西南大学学报(自然科学版), 2018, 40(5): 101-106. doi: 10.13718/j.cnki.xdzk.2018.05.016
引用本文: 乔杰, 刘贤宁. 考虑疫苗时效及潜伏期的乙肝传染病模型分析[J]. 西南大学学报(自然科学版), 2018, 40(5): 101-106. doi: 10.13718/j.cnki.xdzk.2018.05.016
Jie QIAO, Xian-ning LIU. Analysis of an HBV Transmission Model with Vaccinal Effectiveness and Latency[J]. Journal of Southwest University Natural Science Edition, 2018, 40(5): 101-106. doi: 10.13718/j.cnki.xdzk.2018.05.016
Citation: Jie QIAO, Xian-ning LIU. Analysis of an HBV Transmission Model with Vaccinal Effectiveness and Latency[J]. Journal of Southwest University Natural Science Edition, 2018, 40(5): 101-106. doi: 10.13718/j.cnki.xdzk.2018.05.016

考虑疫苗时效及潜伏期的乙肝传染病模型分析

  • 基金项目: 国家自然科学基金项目(11671327)
详细信息
    作者简介:

    乔杰(1992-),男,硕士研究生,主要从事动力系统的研究 .

    通信作者: 刘贤宁,教授,博士研究生导师
  • 中图分类号: O175.13

Analysis of an HBV Transmission Model with Vaccinal Effectiveness and Latency

  • 摘要: 建立了一个考虑疫苗时效性和乙肝潜伏期的乙肝传染病模型.首先,讨论了平衡点的存在性;然后,计算了基本再生数R0,得到系统总存在一个无病平衡点,且当R0>1时,存在唯一正平衡点;最后通过构造Lyapunov泛函,证明了无病平衡点的全局稳定性和正平衡点的全局稳定性.
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  • [1] LIU X N, TAKEUCHI Y, IWAMI S. SVIR Epidemic Models with Vaccination Strategies[J]. Journal of Theoretical Biology, 2008, 253(1): 1-11. doi: 10.1016/j.jtbi.2007.10.014
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-07-25
  • 刊出日期:  2018-05-20

考虑疫苗时效及潜伏期的乙肝传染病模型分析

    通信作者: 刘贤宁,教授,博士研究生导师
    作者简介: 乔杰(1992-),男,硕士研究生,主要从事动力系统的研究
  • 西南大学 数学与统计学院,重庆 400715
基金项目:  国家自然科学基金项目(11671327)

摘要: 建立了一个考虑疫苗时效性和乙肝潜伏期的乙肝传染病模型.首先,讨论了平衡点的存在性;然后,计算了基本再生数R0,得到系统总存在一个无病平衡点,且当R0>1时,存在唯一正平衡点;最后通过构造Lyapunov泛函,证明了无病平衡点的全局稳定性和正平衡点的全局稳定性.

English Abstract

  • 乙肝是由乙型肝炎病毒引起的一种专门破坏肝细胞的传染病,也是最难治愈的疾病之一.目前,疫苗接种是预防乙肝病毒传染的最有效措施之一,已有学者通过建立SVIR数学模型研究了疫苗对疾病控制的影响[1-6].正常的乙肝疫苗接种通常需要3次才能达到免疫效果,免疫保护时间可以长达12年,但是3次接种时间间隔较长,所以存在只接种一次或者两次的情况,并且医学研究表明乙肝疫苗注射免疫成功率为90%以上,由此说明乙肝疫苗也是存在时间效果的,漏种以及非100%的免疫效果都有可能使接种者在后期具有一定的感染可能.此外,乙肝还有6周至6个月的潜伏期,部分注射疫苗的个体,潜伏期甚至更长,因此潜伏期对乙肝病毒传播有重要的的影响,已有学者通过数学建模研究了潜伏期的影响[5-6].

    为了研究疫苗时效性以及乙肝潜伏期对乙肝传播控制的影响,我们将总人口分为:易感者S、接种者V(V分为两类V1V2,其中V1为刚接种者且具有完全免疫力,V2具有部分免疫力)、潜伏者E(携带病毒,但是不显现患病特征且无传染性)、感染者I、恢复者R.假设对新生儿接种疫苗[6],且疫苗免疫效力随着时间而逐渐减弱,从而接种者V1会随时间转变为V2V2能以相对较小的感染率染病.目前为止乙肝患者大都接受治疗,因病死亡率比较低[8],所以本文不考虑因病死亡.假设总人口为常数A,且出生率等于死亡率μ,建立如下模型:

    其中:η是我们对新生儿的疫苗接种率(0<η<1); β是线性感染率(有效接触率); ε是接种者V1转变成V2的速率; θ反映了接种者V2免疫的有效性(0<θ<1); σ是由潜伏者转为疾病患者的速率; r是恢复率.

    由于系统(1)的前5个方程与最后一个方程无关,所以我们只需要研究以下模型:

    引理1   在初始条件S(0)>0,V1(0)>0,V2(0)>0,E(0)≥0,I(0)≥0的情况下,系统(2)的解始终非负,并且最终有界.

      反证法  若存在最小时间t1>0,使得S(t1)=0,代入系统(2)的第一个方程得到

    则存在充分小ε>0使在区间(t1-εt1)上有S(t)<0,与S(t)在区间(0,t1)上大于0矛盾,类似可以证明对所有t>0,有V1>0,V2>0.接下来证明对t>0,有E(t)≥0,I(t)≥0,分3种情况:

    (ⅰ)若E(0)=I(0)=0,显然t>0时,仍然有E(t)=I(t)=0.

    (ⅱ)若E(0)>0,I(0)>0,假设存在最小时间t2>0,使得E(t2)=0或者I(t2)=0.如果E(t2)=I(t2)=0,则由系统(2)的第4个方程

    得出矛盾,所以E(t2)=I(t2)=0不成立.不妨假设E(t2)>0且I(t2)=0,此时由系统(2)第5个方程得到

    所以存在t2的左邻域(t2-δt2),使得I(t)<0,t∈(t2-δt2),矛盾,故假设不成立.同理E(t2)=0,I(t2)>0情况也不成立.

    (ⅲ)若E(0),I(0)中有一个大于0,另一个等于0.不妨设E(0)=0,I(0)>0,由系统(2)第4个方程得

    所以存在0的邻域(0,δ1)使得E(t)>0,I(t)>0在(0,δ1)成立,不妨取t3∈(0,δ1),则E(t3)>0,I(t3)>0,沿用(ⅱ)的方法可知E(t)>0,I(t)>0在tt3时成立.同样方法也可以证明当E(0)>0,I(0)=0时,结论也成立.综上所述,系统(2)的解始终非负.

    得到

    所以对任意充分小的ε>0,有

    引理得证.

    设集合Ω={(SV1V2EI)∈ $ \mathbb{R}_{+}^{5}$:0≤S+V1+V2+E+IAS>0,V1>0,V2>0,E≥0,I≥0}.为系统(2)的一个正不变集,本文将在Ω上考虑系统(2)的动力学性质.

  • 首先,易得系统存在唯一无病平衡点E0(S0V10V20,0,0):

    在无病平衡点E0处通过下一代矩阵法[9],得到系统的基本再生数:

    接下来,求解系统(2)的正平衡点,显然系统(2)的正平衡点满足:

    由方程(3)的前4个方程可以得到

    将(4)式代入(3)的第5个方程,得到

    其中:

    关于f(I),我们有

    因为

    所以f(A)<0.因为当R0>1时f(0)>0,此时f(I)=0在区间(0,A)上必然存在唯一正根I*.

    定理1  系统(2)总存在一个无病平衡点E0(S0V10V20,0,0);当R0>1时,系统还存在唯一正平衡点E*(S*V1*V2*E*I*),其中:

    I*是方程f(I)=0在区间(0,A)上的唯一正根.

  • 定理2  当R0<1时,系统(2)的无病平衡点E0(S0V10V20,0,0)局部渐近稳定; 当R0>1时,系统(2)的无病平衡点E0不稳定,但是系统的正平衡点E*(S*V1*V2*E*I*)局部渐近稳定.

      使用Jacobian矩阵以及Hurtiwz判据[10]可证.

    定理3  当R0<1时,系统(2)的无病平衡点E0(S0V10V20,0,0)全局渐近稳定; 当R0>1时,系统(2)的正平衡点E*(S*V1*V2*E*I*)全局渐近稳定.

      当R0<1时,定义Lyapunov函数

    沿着系统(2)的轨线求导,得:

    μA(1-η)=μS0μAη=(μ+ε)V10εV10=μV20代入整理得:

    从而当R0<1时,$ {{{\dot{L}}}_{0}}$ ≤0.设D0={(SV1V2EI)|$ {{{\dot{L}}}_{0}}$=0},易得D0的最大不变集为{(S0V10V20,0,0)}.由Lyapunov-LaSalle不变原理[11]知:当R0<1时,无病平衡点E0全局渐近稳定.

    现在证明系统(2)的正平衡点E*的全局渐近稳定性,当R0>1时,定义Lyapunov函数:

    沿着系统(2)轨线求导,得:

    因为

    将其代入整理

    所以$ {{{\dot{L}}}_{1}}$ ≤0,且$ {{{\dot{L}}}_{1}}$=0当且仅当S(t)=S*V1(t)=V1*V2(t)=V2*E(t)=E*I(t)=I*.从而由Lyapunov-LaSalle不变原理[11]知:当R0>1时,正平衡点全局渐近稳定.

  • 本文建立了一个考虑疫苗时效性和潜伏期的传染病模型,通过分析计算得到了疾病的基本再生数R0.易得R0关于疫苗接种率η的导数为

    因此,基本再生数R0为疫苗接种率η的单调减函数.所以在疾病预防中,提高疫苗接种比例是控制乙肝传播的有效手段之一.同时模型(2)中我们考虑了乙肝潜伏期的影响.如果忽略疾病潜伏期,得到模型的基本再生数为

    显然R0R1,由此可以看出不考虑乙肝传染的潜伏期会高估疾病传播的基本再生数,所以乙肝潜伏期对乙肝传播具有很大的影响,具有研究的必要性.

参考文献 (11)

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