Estimation of the basic reproduction number in compartimental models

Uma das quantidades mais importante definida na epidemiologia é o número de reprodução basal, ou básico, associado com a pandemia e denotado por $R_0$. Ele proporciona uma medida da intensidade das intervenções necessárias para o controle da epidemia. Ao mesmo tempo, os modelos epidemiológicos compartimentais SIR, SEIR, tanto no enfoque enfoque determinístico quanto no estocástico, têm sido de grande ajuda para a compreensão dos mecanismos de transmissão de doenças infecciosas em todo o mundo. Esta dissertação apresenta alguns métodos para estimar esta quantidade através da utilização dos modelos epidemiológicos compartimentais. São considerados os quatro métodos apresentados por Chowell et al. (Mathematical Biosciences, 2007, v. 208, p. 571-589). O primeiro método é baseado na taxa de crescimento (inicial) exponencial da epidemia. Dada a taxa de crescimento exponencial e o modelo subjacente temos uma estimativa de $R_{0}$. No caso dos métodos 2 e 3 o processo de estimação do $R_0$ baseia-se nos modelos compartimentais, modelos SIR e SEIR no método 2, e em um modelo SEIR estendido no método 3. O método 4 utiliza uma abordagem bayesiana do modelo SIR estocástico. O objetivo da dissertação é estudar as propriedades dos estimadores baseados nos métodos 1, 2 e 4. Através de simulações são estimados os vícios, os erros quadráticos médios, as cobertura e as larguras dos intervalos de confiança. Os métodos são estudados quando os verdadeiros processos geradores de dados são os modelos SIR ou SEIR estocásticos. Inicialmente foram estudados os métodos, como apresentados por Chowell et al. (2007), e depois apresentadas modificações para melhorar o desempenho dos estimadores. A dissertação está organizada da seguinte forma: o Capítulo 2 consiste na apresentação dos modelos compartimentais, SIR e SEIR para análise das doenças infecciosas; tanto na abordagem determinística quanto estocástica. Este capítulo apresenta também o número de reprodução basal. O Capítulo 3 apresenta os quatro métodos de estimação apresentados em Chowell et al. (2007) para estimação do número de reprodução basal. O Capítulo 4 apresenta uma comparação de três dos quatro métodos através de simulação, quando o processo gerador de dados é um modelo SIR ou SEIR estocásticos. Neste capítulo também são apresentadas as modificações dos métodos. A conclusão final e as sugestões de trabalhos futuros são apresentadas no Capítulo 5.The basic reproduction number, usually denoted by $R_0$, is one of the most important quantities defined in epidemiology and is associated with the potential of an infectious disease to spread through a population. It provides a measure of the intensity needed to control the epidemic interventions. At the same time, the compartmental epidemiological models SIR and SEIR , both in the deterministic and in the stochastic approach, have been very helpful for understanding the mechanisms of infectious diseases transmission. This paper considers the four methods presented by Chowell et al. (Mathematical Biosciences, 2007, v. 208, p. 571-589) to estimate $R_0$. All methods are based on compartmental epidemiological models. The first method is based on the epidemic (initial) exponential growth rate. Given an estimate of the exponential growth rate and an underlying compartmental model we have an estimate of $R_{0}$. The second method is based on fitting SIR or SEIR compartmental models, and the third method in fitting an extended SEIR model. The fourth method uses a Bayesian approach to a stochastic SIR model. The aim of this work is to study the properties of estimators based on methods 1, 2 and 4. The bias, the mean squared errors, the coverage and the widths of the confidence intervals are estimated through simulation. The methods are studied when the true data generating processes are the stochastic SIR or SEIR models. Initially the methods, as presented by Chowell et al. (2007), were studied and then presented modifications to improve the performance of the estimators. The dissertation is organized as follows: Chapter 2 consists of the presentation of compartmental SIR and SEIR models, the deterministic and stochastic approaches for analysis of infectious diseases. This chapter also presents the basic reproduction number. Chapter 3 explains the four estimation methods presented in Chowell et al. (2007) to estimate the basic reproduction number. Chapter 4 discusses and compares three of the four methods by simulation when the data generating process is a SIR or SEIR model. In this chapter the modifications of the methods are also considered. The final conclusion and suggestions for future work are presented in Chapter 5