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http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/79918
Tipo: | Dissertação |
Título: | Análise de estratégias de vacinação para COVID-19 baseada em redes complexas |
Título em inglês: | Analysis of vaccination strategies for COVID-19 based on complex networks |
Autor(es): | Gonçalves, Carlos Miguel Moreira |
Orientador: | Rêgo, Leandro Chaves |
Coorientador: | Fierens, Pablo Ignácio |
Palavras-chave em português: | Redes (Matemática);Epidemiologia;COVID-19 (doença) - vacinação;Medidas de centralidade |
Palavras-chave em inglês: | Networks (Mathematics);Epidemiology;COVID-19 (disease) - Vaccination.;Centrality measures |
CNPq: | CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::PROBABILIDADE E ESTATISTICA |
Data do documento: | Out-2024 |
Citação: | GONÇALVES, Carlos Miguel Moreira. Análise de estratégias de vacinação para COVID-19 baseada em redes complexas. 2024. 112 f. Dissertação (Mestrado em Modelagem e Métodos Quantitativos) - Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, 2024. |
Resumo: | A rápida disseminação, elevada taxa de mortalidade e sobrecarga nos sistemas hospitalares tornaram o vírus SARS-CoV-19 um desafio significativo para a humanidade. A emergência da situação exigia investimentos substanciais no desenvolvimento de vacinas como uma medida crucial para mitigar essa problemática. Entretanto, os custos financeiros e o tempo necessário para o desenvolvimento de vacinas representam obstáculos para alcançar uma cobertura vacinal abrangente. Portanto, compreender a estratégia mais eficaz para a imunização da população é de suma importância para conter a propagação do vírus e otimizar a alocação de recursos em políticas públicas. É relevante destacar que grande parte dessas políticas estava fundamentada no distanciamento social, o qual teve impactos significativos nas esferas econômica, educacional e de saúde mental. O propósito deste projeto consiste em propor uma abordagem baseada em modelagem, utilizando o modelo de contágio SEIHARDS em uma rede complexa de contatos derivada de uma pesquisa conduzida por meio de questionário. O objetivo é identificar estratégias ótimas de vacinação para reduzir a disseminação do vírus, minimizar as hospitalizações e mitigar o número de óbitos. Para isso foram coletados dados de uma pesquisa chamada POLYMOD, que foi feita em 8 países da Europa, que tinha como objetivo mapear as conexões entre pessoas. Essa pesquisa é a mais alinhada com o projeto pois ela detêm dados sobre as faixas etárias dos entrevistados, algo bastante relevante na hospitalização e mortalidade do COVID-19. Todavia os entrevistados dessa pesquisa não haviam conexão entre si e foi necessário desenvolver o algoritmo chamado Modelo de Configuração Estratificado (MCE) para formar uma rede com essa limitação do banco de dados que leva em consideração as idades e adicione a duração de tempo de contato entre indivíduos. Somado a isso, o modelo proposto consegue aumentar o agrupamento da rede porque o Modelo de Configuração tradicional consegue agrupamentos baixos. Ademais, a partir de coleta de dados de artigos e do OpenDataSUS foi possível encontrar as constantes para o modelo epidemiológico proposto que alguns parâmetros variam com a faixa etária. Esse projeto analisou o comportamento do algoritmo proposto com a mudança do agrupamento, propôs métricas de centralidades para este estudo e analisou o comportamento e a sensibilidade do modelo de infecção em relação às variações no agrupamento e na construção da rede, mostrando que o modelo é pouco sensível aos incrementos no agrupamento e que com a inserção de ponderação nas arestas não há ganho nas métricas e há um aumento de até 5 vezes no tempo computacional. As medidas de centralidade que consideraram pesos nos nós e a estrutura da rede mostraram-se altamente eficazes para a vacinação contra a COVID-19, com estratégias como o PageRank reduzindo a mortalidade em mais de 60%, o tempo total de hospitalização em 66% e necessitando vacinar de 31% da rede para inibir a proliferação do vírus em comparação à ausência de vacinação. Algumas centralidades que utilizam pesos em arestas apresentaram duas abordagens de cálculo: altruísta e individualista. A primeira o cálculo foi feito pressupondo que o indivíduo vai prevenir a morte dos outros na rede, enquanto o segundo o indivíduo quer prevenir a própria morte. Nesse sentido, abordagens altruístas revelaram-se estratégias melhores na redução da mortalidade e tempo hospitalizado, mas as individualistas foram melhores contra disseminação da doença. Por fim, foram identificadas as métricas de melhor desempenho, as métricas mais eficazes em média que foram o Pagerank e o Pagerank com ponderação nas arestas, bem como a fronteira de Pareto para os dados analisados para as diferentes métricas, redes e valores de agrupamento. |
Abstract: | he rapid spread, high mortality rate, and overloading of hospital systems turned the SARS CoV-2 virus into a significant challenge for humanity. The urgency of the situation required substantial investments in vaccine development as a crucial measure to mitigate this issue. However, the financial costs and time needed for vaccine development represent obstacles to achieving comprehensive vaccination coverage. Therefore, understanding the most effective strategy for population immunization is of utmost importance to contain the virus’s spread and optimize resource allocation in public policies. It is relevant to highlight that a large part of these policies was based on social distancing, which had significant impacts on economic, educational, and mental health spheres. The purpose of this project is to propose a modeling-based approach using the SEIHARDS contagion model on a complex contact network derived from a questionnaire-based survey. The objective is to identify optimal vaccination strategies to reduce the virus’s spread, minimize hospitalizations, and mitigate the number of deaths. For this, data were collected from a survey called POLYMOD, conducted in 8 European countries, aiming to map connections between people. This survey is the most aligned with the project because it holds data on the age groups of the respondents, something quite relevant in COVID-19 hospitalization and mortality. However, the respondents of this survey had no connections among themselves, making it necessary to develop an algorithm called the Stratified Configuration Model (SCM) to form a network with this database limitation that takes into account ages and adds the duration of contact time between individuals. Additionally, the proposed model manages to increase the network’s clustering because the traditional Configuration Model achieves low clustering. Moreover, by collecting data from articles and OpenDataSUS, it was possible to find the constants for the proposed epidemiological model, where some parameters vary with age group. This project analyzed the behavior of the proposed algorithm with changes in clustering, proposed centrality metrics for this study, and analyzed the behavior and sensitivity of the infection model concerning variations in clustering and network construction. It showed that the model is not very sensitive to increases in clustering and that with the insertion of weighting on the edges, there is no gain in the metrics and an increase of up to 5 times in computational time. The centrality measures that considered weights on nodes and the network structure proved to be highly effective for vaccination against COVID-19, with strategies like PageRank reducing mortality by more than 60%, total hospitalization time by 66%, and requiring vaccinating 31% of the network to inhibit the virus’s proliferation compared to the absence of vaccination. Some centralities that use weights on edges presented two calculation approaches: altruistic and individualistic. In the first, the calculation was done assuming that the individual will prevent the death of others in the network, while in the second, the individual wants to prevent their own death. In this sense, altruistic approaches proved to be better strategies in reducing mortality and hospitalization time, but the individualistic ones were better against the disease’s spread. Finally, the best-performing metrics were identified—the most effective metrics on average were PageRank and PageRank with edge weighting—as well as the Pareto frontier for the analyzed data for different metrics, networks, and clustering values. |
URI: | http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/79918 |
Currículo Lattes do(s) Autor(es): | http://lattes.cnpq.br/7514213361070514 |
ORCID do Orientador: | https://orcid.org/0000-0002-4091-024X |
Currículo Lattes do Orientador: | http://lattes.cnpq.br/2004501146244643 |
Currículo Lattes do Coorientador: | http://lattes.cnpq.br/4351787196667659 |
Tipo de Acesso: | Acesso Aberto |
Aparece nas coleções: | DEMA - Dissertações defendidas na UFC |
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