Modelo SIR

Published:

Modelo SIR

Código do modelo está disponível no GitHub neste link sob MIT License.

Por volta de 1760, Daniel Bernoulli procurou verificar a eficácia das políticas públicas para o tratamento da varíola através de um modelo matemático. Bernoulli em seu modelo usou conceitos do cálculo diferencial, e descreveu a variação do número de indivíduos “Suscetíveis”, que nunca tinham sido contaminados por varíola no tempo t, e dos indivíduos “Recuperados” [Bacäer,2001].

Posteriormente no século XX, McKendrick e Kermack elaboraram o modelo compartimental com equações diferencias, que chamaram de SIR, que classifica os indivíduos em três estados: (S)uscetíveis, (I)nfectados e (R)ecuperados; que pode ser definido por um sistema de equações diferencias ordinárias, apresentadas na imagem abaixo. As letras gregas $\beta $ e $\nu $ são constantes positivas e caracterizam a interação entre o agente infeccioso e a população. Mais explicitamente $\beta $ é a proporção de indivíduos suscetíveis que se tornarão infectados e $\nu $ é a proporção de indivíduos infectados que se recuperarão. Assume-se que as três classes estão uniformemente distribuídas pelo espaço. Assim, as taxas de encontro independem da localização geográfica, o que permite modelar esse sistema por meio de equações diferenciais ordinárias. Além disso, a população total permanece constante [Edelstein-Keshet,2005].

Sistema de EDOs e Fluxograma


Compartimentos do modelo SIR

$$\begin{cases} \frac{dS}{dt}=-\beta S\frac{I}{N};\\ \frac{dI}{dt}=\beta S\frac{I}{N} - \nu I;\\ \frac{dR}{dt}=\nu I; \end{cases} $$ Sendo, $N=S+I+R$ a população total.

McKendrick e Kermack, em 1927, também desenvolveram uma teoria relacionando o surgimento de uma epidemia ao valor crítico do número de indivíduos suscetíveis. Juntos publicaram uma série de três trabalhos chamados “Contributions to the mathematical theory of epidemics” [Kermack & McKendrick, 1927], em que estudavam modelos epidemiológicos determinísticos. A teoria do valor crítico é um dos marcos nos estudos da epidemiologia moderna. O valor crítico está relacionado com o número básico de reprodução $R_0 $, que é definido como o número médio de infecções secundárias produzidas quando um indivíduo infectado é introduzido em uma população inteiramente suscetível [Kelling & Grenfell, 2000]. Por exemplo, se $R_0=3$ significa que na média um indivíduo infectado transmiti a doença para outras três pessoas. Portanto, quando temos $R_0 < 1$, o número de infectados tende a zero e a doença se extingue. Se $\displaystyle R_0 > 1$, o número de infectados aumenta e se torna uma epidemia. Este parâmetro tem grande importância na epidemiologia, pois o esforço de se controlar ou erradicar uma doença está intimamente relacionado a ele.

Além no $R_0$ há um outro conceito conhecido como número efetivo de reprodução $R_t$. Ele é definido como o número médio de infecções secundárias produzidas por cada pessoa infectada em uma população que não é inteiramente suscetível, ou seja há pessoas na população que podem possuir imunidade a doença [Vynnycky & White, 2010]. Atualmente segundo o estudo do Imperial College de Londres o número efetivo de reprodução da COVID-19 no Brasil é 2.81 [Short-term forecasts of COVID-19 deaths in multiple countries].

Quem tiver interesse em mais referências e entender melhor sobre epidemiologia matemática, recomendo três vídeos:

A seguir, apresento um modelo interativo no qual é possível modificar os parâmetros para visualizar o comportamento da dinâmica dos indivíduos e do valor do $R_0 $.

Modelo

Your browser is not compatible

Parâmetros do Modelo

Número total de pessoas de uma região, cidade, estado ou país.
Número inicial de infectados.
Taxa que uma pessoa suscetível em contato com infectados se torne infectada.
Período que o indivíduo leva para se recuperar.
\( \displaystyle R_0\) =

O \( \displaystyle R_0 = \frac{\beta }{\nu }\) também conhecido como número de básico de reprodução indica quão contagiosa é uma doença infecciosa. Pode ser interpretada como o número de casos secundários que um indivíduo infeccioso pode gerar, isto é, se \(\displaystyle R_0=5\) significa que cada pessoa infectada irá transmitir a doença para outras cinco pessoas.