Impact of network topology on the spread of infectious diseases

The complex network theory constitutes a natural support for the study of a disease propagation. In this work, we present a study of an infectious disease spread with the use of this theory in combination with the Individual Based Model. More specifically, we use several complex network models widely known in the literature to verify their topological effects in the propagation of the disease. In general, complex networks with different properties result in curves of infected individuals with different behaviors, and thus, the growth of a given disease is highly sensitive to the network model used. The disease eradication is observed when the vaccination strategy of 10% of the population is used in combination with the random, small world or modular network models, which opens an important space for control actions that focus on changing the topology of a complex network as a form of reduction or even elimination of an infectious disease.

Abstract (portuguese)

A teoria de redes complexas constitui um suporte natural para o estudo da propagaÃ§Ã£o de uma doenÃ§a infecciosa. Neste trabalho, apresentamos um estudo da propagaÃ§Ã£o de uma doenÃ§a infecciosa com o uso de tal teoria em conjunto com o Modelo Baseado em IndivÃduos. Mais especificamente, utilizamos diversos modelos de redes complexas amplamente conhecidos na literatura para verificar seus efeitos topolÃ³gicos na propagaÃ§Ã£o de uma doenÃ§a. De modo geral, observamos que redes complexas com propriedades distintas resultam em curvas de indivÃduos infectados com comportamentos tambÃ©m distintos, e desta forma, que a proliferaÃ§Ã£o de uma dada doenÃ§a Ã© altamente sensÃvel ao modelo de rede utilizado. Observamos a erradicaÃ§Ã£o da doenÃ§a quando adotada a estratÃ©gia de vacinaÃ§Ã£o de 10% da populaÃ§Ã£o em combinaÃ§Ã£o com os modelos de redes aleatÃ³ria, mundo pequeno ou modular. Desta forma, estratÃ©gias de controle com enfoque na topologia da rede em estudo podem ser utilizadas com Ãªxito como forma de reduÃ§Ã£o ou atÃ© mesmo de erradicaÃ§Ã£o de uma doenÃ§a infecciosa.

Keywords

scientific computing, complex networks, Individual Based Model, epidemic infectious diseases, computaÃ§Ã£o cientÃfica, redes complexas, Modelo Baseado em IndivÃduos, doenÃ§as infecciosas