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战“疫”之下,看仿真软件如何助力疫情防控?

2020/3/4    来源:e-works    作者:e-works吴星星      
关键字:仿真软件  疫情防控  
仿真作为一种非常重要的科学分析方法,能够安全有效地解决真实世界中的问题,我们是否可以借助仿真软件进行流行性疾病传播控制、医院设计等应急管理,让悲剧不再重演呢?
       一直以来,对病毒的认知、对传染病的应对方式都是通过影视作品获知,直到这次亲身经历了武汉新型冠状病毒肺炎的疫情,才感受到人类面对大规模的流行病时是多么束手无策。由此我们也可以看到:依靠历史数据和经验制定应急管理方案的方法,已经难以满足当前快速响应、准确应对、高效管控的应急管理要求。仿真作为一种非常重要的科学分析方法,能够安全有效地解决真实世界中的问题,我们是否可以借助仿真软件进行流行性疾病传播控制、医院设计等应急管理,让悲剧不再重演呢?当前,到底有哪些仿真软件可以用于本次疫情之中呢?
 
基于多方法仿真建模,预测传染病爆发时间
 
       AnyLogic于2006年进入中国,AnyLogic是第一个将UML语言引入模型仿真领域的工具,支持混合状态机这种能有效描述离散和连续行为语言的商业化软件。作为一款多方法仿真建模软件,AnyLogic支持离散事件、基于智能体、系统动力学的现有建模方法进行模型开发。这意味着,用户可以使用该软件将三种模型方法任意组合,并对各种复杂的业务系统进行仿真。目前,AnyLogic仿真软件可以应用于医疗、供应链、生产制造、交通运输、仓储运作、矿业等多个行业。
 
       在医疗领域,基于智能体建模方法,使得AnyLogic软件可以用于流行病学、评估疾病传播和缓解策略;医院设计、处理流程及资产配置;医疗政策规划、资源配置与分配等医疗问题的仿真分析。以流行性传染病扩散分析为例,运用AnyLogic软件,在包括家庭环境和工作环境的一个简化环境中创建传染病扩散模型。需要考虑的是,感染在接触的过程中以一定的概率发生,既可能发生在同事之间,也可能发生在家庭成员之间,因此被感染后人依次可能变为暴露(不具备传染性)、感染(具有传染性)、症状和免疫四种状态。该模型本质上是随机的,因此每次运行都会产生不同的输出数据。分析人员可以对模型的参数进行修改,查看不同的参数对传染病动态的影响。

利用AnyLogic进行传染病扩散建模

利用AnyLogic进行传染病扩散建模(来源:AnyLogic
 
       具体在传染病扩散模型建立中,考虑到人是在家庭和公司间移动,所以模型选定了家庭、个人和工作单位三类智能体,需要分别对智能体数量,感染的相关参数,以及智能体实体的属性分别进行了定义。然后,在运行界面搭建、添加智能体形象、初始化模型等一系列步骤完成之后,就可以运行仿真实验,最终可以呈现感染人数最多发生在哪一天的预测结果。如果在疫情传播中运用该仿真分析方法分析,这对疾病控制方案及政策制定提供了很好的参考依据。
 
构建传染病动力学模型,为科研提供实用方法
 
       MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件,用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境,主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB应用范围非常广泛,除了人们熟知的信号和图像处理、通信、控制系统设计、测试和测量外,在计算生物学、财务建模等领域也有众多应用。在计算生物学领域,科学家可以使用MATLAB数学建模来理解和预测生物学行为。
 
       如今,利用计算机对传染病动力学模型进行数值分析越来越收到人们的重视。借助MATLAB这个十分实用、方便的仿真操作平台,可以进行传染病动力学模型的动态仿真,通过对模型变化的观察与分析,并采用时滞微分方程、脉冲微分方程、常微分及偏微分混合等数值算法实现对传染病模型进行数值模拟。从模型的数学结构来看,传染病动力学模型分为常微分模型、时滞微分模型、脉冲微分模型和偏微分模型等多种形式。但由于时滞能反映传染病的潜伏期,患者对疾病的感染期和恢复者对疾病的免疫期等实际现象,因此推荐使用时滞模型。
 
       用户通过在界面中选择模型的各项参数,包括群体类别、图形参数以及脉冲接种率等,就可以在输出窗口输出相应的仿真结果。仿真图形显示系统可以将模型解的变化,如传染病的发展趋势等内容,以二维曲线图、三维曲线图和三维曲面等图像的形式显示结果,从而为传染病动力学的相关科研工作提供实用方法。

模型仿真图像窗口

模型仿真图像窗口(来源:经济政策模拟)
 
运用仿真模拟传染病传播,为决策提供可靠依据
 
       COMSOL公司于1986年7月成立于瑞典的斯德哥尔摩,致力于为工程界和科学界提供多物理场建模的软件解决方案。目前,COMSOL软件在生物科学、化学反应、弥散、电磁学、流体动力学、燃料电池、地球科学、声学、热传导、微系统、微波工程、光学、光子学、多孔介质、量子力学、射频、结构力学、传动现象、波的传播等领域得到了广泛的应用。
 
       运用COMSOL软件,可以基于其核心接口进行传染病的传播趋势的分析,也可以通过CFD建模评估医院病房的通风系统的设计,进而有效预防传染病的传播。以COMSOL软件模拟流行病的传播为例,研究人员首先需要选定研究模型为SIR模型(S代表易感者,即尚未感染疾病的人口数量;I代表感染者;R代表移出者,即已痊愈且产生免疫能力,或因病去世的人群),然后通过COMSOL软件中的全局常微分和微分代数方程接口建立分析模型。
 
       假设有一个总人数为1000的大学或公司,人群内的相互接触较频繁。假定其中1个人感染,每天传染5个人,每天移除三分之一的感染者,那么30天后,传染病的发展情况如何呢?通过仿真分析可以得知:疫情会在五天后达到高潮,一半的人群将会被感染。由此可见,借助数值仿真方法研究诸如武汉新型冠状病毒肺炎、流感等传染性疾病,预测他们的传播趋势,这对公共卫生官员做出可靠决策非常有益。

利用COMSOL软件得到流行病在30天中的发展情况

利用COMSOL软件得到流行病在30天中的发展情况(来源:COMSOL)
 
借助仿真模拟暖通安装,避免医患交叉感染
 
       XFLOW软件原是Next Limit Dynamics公司旗下的一款流体软件,于2016年12月被达索系统收购。该软件是一种基于LBM方法的高保真度计算流体动力学软件,允许用户解决涉及高频率瞬变仿真的复杂CFD工作流程,其中包含真实移动几何图形、复杂多相流动、自由曲面流动和流体结构相互作用,主要用于航空航天与国防、交通运输与汽车、高科技、能源等行业。随着达索系统已经将生命科学作为其全球未来重点发展的一个领域,仿真软件的应用范围也得到了拓展。
 
       在武汉雷神山医院建设过程中,建造方也需要考虑种种问题。对外,雷神山医院虽然远离武汉市中心,但周围也分布着社区、单位,甚至紧邻湖泊,是否会对周围社区群众造成影响?是否会对周边环境造成污染和破坏?对内,如何避免疫情感染者污染空气,造成医护人员和患者的交叉感染?借助达索系统的XFLOW仿真软件,在暖通送风排风系统设计过程中,通过模拟雷神山医院病房内空气流动和污染物瞬态分布,最大限度避免医护人员和患者的交叉感染。
 
       具体分析了4种常规暖通安装方案——侧边送风同侧排风(方案A)、侧边顶部送风对侧排风(方案B)、居中送风两侧排风(方案C)和居中送风顶部排风(方案D)。计算结果对比显示方案A布局可以在病房内形成“U”型通风环境,污染物浓度控制效果最好。本案例借助仿真方法计算病人和医护人员位置污染物浓度与暖通布局的关系,对病房内污染物浓度控制以及后期类似医院建设提出了宝贵的建议方案。

方案A通风环境动画,基于XFLOW软件

方案A通风环境动画,基于XFLOW软件(来源:达索系统)
 
利用数值仿真方法,保证百级手术室内洁净要求
 
       Fluent软件于2006年被ANSYS收购,是国际上目前比较流行的商业CFD软件,可应用的范围包括湍流、热传、化学反应、混合、旋转流及激波等。Fluent软件的求解器可以基于压力求解、密度求解等多种求解方式,适合于各种范围的马赫数问题的求解。同时,该软件还提供了丰富的多相流模型,被广泛应用于能源化工、环境工程、冶金矿山、汽车、航空航天、农业、医疗等各个行业。
 
       在医疗行业,医院是病原体与易感染人群高度集合的场所,院内感染一直被给予很高的重视。对医院而言,保障医疗条件和控制感染是最大的效益,因此洁净手术室成为了必然的趋势。借助Fluent软件的标准K-ε紊流模型模拟百级手术室内流场,可以为医院手术室的设计与建设提供有效依据,从而保证手术室内最终的洁净要求。
 
       通过采用顶部天花送风,两侧墙底部回风的层流送风方式进行数值模拟,得出了洁净室内部流场的分布规律。在工作区的气流速度都在0.3m/s以下,其中手术病人周围的空气流速在0.2m/s左右;在主流区,气体流动非常接近垂直单向流;室内外压强保持在10Pa左右,能有效保持洁净室内微正压。这些研究结果为进一步优化手术室气流奠定了基础。

基于Fluent软件模拟的分布云图和速度矢量图

基于Fluent软件模拟的分布云图和速度矢量图(来源:睿医界)
 
       总之,利用这些强大的仿真工具,医学研究人员和公共卫生医师不仅可以探索诸如“流行性传染病有多严重?有多少人会感染?最有效的控制或治疗措施是什么?”等问题的答案;还可以通过预判病原体的实时传播,帮助政府部门决策最终的应对方案。此外,在非疫情时期,仿真软件不仅可以用于医疗和急诊人员的训练,也可以用于优化治疗和疫苗的分配等工作,甚至还可以用于构建良好的公共卫生体系。本次武汉新型冠状病毒肺炎事件的爆发,已经再一次为人类敲响警钟:流行性传染病随时可能爆发,人类必须未雨绸缪。相信有一天,当仿真技术真正用于应对突发疫情时,必能最大程度减轻对整个社会的冲击,拯救无数生命!
责任编辑:程玥
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