基于情景構(gòu)建的中國(guó)COVID-19 相關(guān)基本臨床醫(yī)療資源需求評(píng)估

張婷 ，王晴 ，冷志偉 ，楊媛 ，楊津 ，陳方媛 ，賈萌萌 ，張惺惺 ，亓蔚然 ，徐韻韶 ，陳思雅 ，戴佩希 ，馬禮兵 ,c，馮錄召 ,*，楊維中 ,*

a School of Population Medicine and Public Health, Chinese Academy of Medical Sciences & Peking Union Medical College, Beijing 100730, China

b Division of Infectious Diseases, Chinese Center for Disease Control and Prevention, Beijing 102206, China

c Department of Respiratory and Critical Care Medicine, The Affiliated Hospital of Guilin Medical University, Guilin 541001, China

1. 引言

2020年3月11日，世界衛(wèi)生組織（WHO）宣布新冠病毒肺炎（COVID-19）已構(gòu)成全球大流行[1]。截至2021年1月16日，全球累積確診病例92 262 621例，死亡病例1 995 037例[2]。中國(guó)大陸地區(qū)實(shí)施了嚴(yán)格的疫情防控措施，全面遏制國(guó)內(nèi)了第一波社區(qū)傳播[3-5]。受病毒變異、病例檢測(cè)和診斷能力提高等多重因素影響[5]，無(wú)癥狀感染者在報(bào)告病例中的比例較初始流行病學(xué)曲線(xiàn)中顯示的比例有所增加。每當(dāng)大規(guī)模疫情暴發(fā)時(shí)，都會(huì)給醫(yī)療系統(tǒng)造成巨大壓力。目前，美國(guó)和英國(guó)COVID-19確診病例的增加對(duì)其醫(yī)療系統(tǒng)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)[6]。此外，現(xiàn)有的基本醫(yī)療資源數(shù)量充足與否也很重要。中國(guó)武漢和意大利的每千人病床數(shù)量分別為7.28和3.49 [7]，均高于全球平均水平（2.7），也高于中等收入國(guó)家（2.4）和低收入國(guó)家（1.2）[8]。在病例數(shù)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)期間，武漢累計(jì)發(fā)病率為0.59%，意大利為0.05%；由于醫(yī)療系統(tǒng)超負(fù)荷運(yùn)作，病死率顯著上升[9,10]。

疫情暴發(fā)時(shí)，醫(yī)療系統(tǒng)總是最先受到?jīng)_擊[11,12]。一旦醫(yī)療系統(tǒng)負(fù)荷過(guò)重，越來(lái)越多的人將無(wú)法接受治療或隔離，這不僅加劇了疾病的傳播，還會(huì)導(dǎo)致過(guò)高的死亡率[13,14]。據(jù)估計(jì)，截至2020年9月6日，全球可能已有超過(guò)300萬(wàn)醫(yī)護(hù)人員被感染[15]。由于缺乏個(gè)人防護(hù)裝備（PEE），許多國(guó)家的一線(xiàn)醫(yī)護(hù)人員被感染的風(fēng)險(xiǎn)很高。此外，由于疫情肆虐，醫(yī)護(hù)人員在很大程度上都身心俱疲，這可能使他們無(wú)法持續(xù)應(yīng)對(duì)COVID-19疫情所帶來(lái)的挑戰(zhàn)。根據(jù)世界衛(wèi)生組織報(bào)道的數(shù)據(jù)，在每6名住院治療的COVID-19患者中，就會(huì)有1名轉(zhuǎn)為重癥并出現(xiàn)呼吸困難的癥狀，這通常需要使用無(wú)創(chuàng)呼吸機(jī)輔助通氣[16]。如果患者的病情惡化，可能需要有創(chuàng)呼吸機(jī)來(lái)提供進(jìn)一步輔助通氣。隨著COVID-19重癥病例數(shù)量迅速增加，許多國(guó)家的患者因全球呼吸機(jī)短缺而無(wú)法得到充分治療[6]。與2019年同期相比，2020年前3個(gè)月中國(guó)武漢的總死亡率上升至33%～42%。總的來(lái)說(shuō)，有61%的超額死亡與COVID-19有關(guān)。無(wú)法及時(shí)接受救治可能是非肺炎相關(guān)死亡人數(shù)增加的主要原因，特別是糖尿病、高血壓和缺血性心臟病等慢性疾病患者需要長(zhǎng)期的醫(yī)療管理與監(jiān)測(cè)，以及一些急救病患未能及時(shí)得到臨床治療，這導(dǎo)致院外死亡人數(shù)顯著增加[17]。

在COVID-19疫情期間，應(yīng)對(duì)急劇增長(zhǎng)的臨床資源需求十分具有挑戰(zhàn)性[18,19]。中國(guó)等許多國(guó)家的人均病床數(shù)量低于發(fā)達(dá)國(guó)家[8]，但這些國(guó)家一直在努力采取適當(dāng)?shù)尼槍?duì)性措施來(lái)抗擊疫情。COVID-19疫情期間對(duì)醫(yī)療資源的額外需求包括個(gè)人防護(hù)裝備（如口罩和防護(hù)服）需求的增加、醫(yī)護(hù)人員工作量的增加，以及醫(yī)療設(shè)備[如醫(yī)院和重癥監(jiān)護(hù)病房（ICU）的病床及呼吸器]需求的擴(kuò)大。其他呼吸道病原體的共循環(huán)可能包括與COVID-19相似的癥狀，因此臨床資源的需求也會(huì)增加[20,21]。

就應(yīng)對(duì)和防治下一波疫情而言，評(píng)估基本臨床資源需求是最緊迫的需求之一。自疫情初期以來(lái)，在全球范圍內(nèi)，許多國(guó)家因醫(yī)療資源短缺而面臨資源分配問(wèn)題[6]。此外，關(guān)于COVID-19的臨床資源需求評(píng)估并不充分。在一些研究中，研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出工具來(lái)評(píng)估COVID-19疫情期間的臨床資源需求，以預(yù)測(cè)入院治療的需求和所需的床位[22,23]。在已發(fā)表的研究中，臨床資源（如床位和呼吸機(jī)）需求的評(píng)估主要是基于對(duì)感染人數(shù)的估測(cè)[24,25]。然而，這些研究缺乏對(duì)臨床資源需求的詳細(xì)評(píng)估，就疫情常規(guī)防控的狀況而言，這與不同防控效果的參數(shù)相關(guān)。本研究基于不同的情景假設(shè)，評(píng)估了非藥物干預(yù)（NPI）措施[3,4,26]和COVID-19疫苗[27]的有效性，并基于修正的傳播動(dòng)力學(xué)模型，以中國(guó)為例評(píng)估了臨床資源需求。本研究旨在為COVID-19疫情期間醫(yī)療資源的應(yīng)急準(zhǔn)備提供理論參考，彌補(bǔ)疫情期間基于不同情景更有效調(diào)整防控措施的不足，并促進(jìn)醫(yī)療資源供需平衡。

2. 研究方法

2.1. 概念定義

臨床資源由三部分組成：①人力資源，包括醫(yī)院內(nèi)的醫(yī)生、護(hù)士和護(hù)工；②病床和設(shè)備，包括醫(yī)院或隔離床位、ICU床位和醫(yī)療設(shè)備（如呼吸機(jī)）；③個(gè)人防護(hù)裝備，包括防護(hù)服、隔離衣、口罩、手套、隔離帽、面罩或護(hù)目鏡、鞋套。

無(wú)癥狀感染者是指未出現(xiàn)相關(guān)臨床癥狀，但是嚴(yán)重急性呼吸綜合征冠狀病毒2型（SARS-CoV-2）檢測(cè)呈陽(yáng)性的患者。住院患者是指入院治療的確診病例或集中隔離的無(wú)癥狀感染者。

2.2. 研究過(guò)程概述

本研究建立了一個(gè)擴(kuò)展模型，以評(píng)估一個(gè)擁有1000萬(wàn)人口的中國(guó)城市對(duì)醫(yī)療資源的需求，并且將COVID-19的流行病學(xué)特征納入傳播參數(shù)。將關(guān)于非藥物干預(yù)措施效果的研究結(jié)果和通過(guò)疫苗接種獲得免疫的人群比例納入模型參數(shù)，以便在各種情景下進(jìn)行模擬。以某大城市的規(guī)模為例，基于人口規(guī)模、傳播指數(shù)、防控策略和措施等定性情景假設(shè)，確定初始定量值。在不同情景下，從感染比例、住院患者比例、住院或隔離資源等方面定量評(píng)估臨床資源需求（圖1）。然后將估算結(jié)果與中國(guó)每1000萬(wàn)人的實(shí)際儲(chǔ)量進(jìn)行比較[28,29]，以確定臨床資源是否滿(mǎn)足供需平衡。

在意大利，COVID-19相關(guān)病例的報(bào)告晚于中國(guó)武漢，但早于歐洲其他國(guó)家，并且早期針對(duì)COVID-19僅實(shí)施了少數(shù)非藥物干預(yù)措施；因此，通過(guò)擬合意大利疫情數(shù)據(jù)，可以獲得更準(zhǔn)確的疾病自然傳播參數(shù)，如暴露后感染率（β）。由于感染、發(fā)病和報(bào)告之間存在時(shí)滯，我們僅擬合了從意大利報(bào)告首例住院病例開(kāi)始到宣布延長(zhǎng)封鎖期為止（即2020年2月24日至3月20日）的曲線(xiàn)。在此期間，病例數(shù)沒(méi)有超過(guò)意大利醫(yī)療系統(tǒng)的負(fù)荷，同時(shí)中國(guó)向世界通報(bào)了疫情信息。因此，我們使用從Our-WorldInData.org獲得的數(shù)據(jù)，將意大利每日?qǐng)?bào)告的病例數(shù)與使用該模型評(píng)估的確診病例數(shù)進(jìn)行了比較，以驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。

圖1. 數(shù)據(jù)流程圖。NPI：非藥物干預(yù)；PEE：個(gè)人防護(hù)裝備（包括防護(hù)服和外科口罩）。

2.3. 構(gòu)建傳輸動(dòng)力學(xué)模型

2.3.1. 模型的假設(shè)

模型是根據(jù)以下假設(shè)構(gòu)建的：

（1）COVID-19是全球性大流行病[1]。

（2）目前尚無(wú)治療COVID-19的特異性抗病毒藥物[3]。

（3）來(lái)自其他地區(qū)的醫(yī)療支援存在不確定性，臨床資源需求完全依賴(lài)當(dāng)?shù)貎?chǔ)備的臨床資源[12]。

（4）免疫人群按年齡平均分布在總?cè)丝谥衃6]。

（5）初期感染人數(shù)基于平均分布[24]。

（6）無(wú)癥狀感染者具有傳染性[30]。

（7）感染期過(guò)后，患者進(jìn)入恢復(fù)期，在恢復(fù)期患者可能仍有臨床病癥但不具有傳染性[5]。

（8）因隔離和感染控制措施，視住院患者不具有傳染性[5]。

（9）患者康復(fù)后不會(huì)出現(xiàn)繼發(fā)感染。

（10）易感者-潛隱者-傳染者-住院/隔離者-移除者（包括康復(fù)和死亡）（SEIHR）各人群的總和始終等于總?cè)丝冢∟）。

（11）接種疫苗后的免疫力是疫苗效力和覆蓋率共同作用的結(jié)果。

（12）本研究未考慮COVID-19疫苗的免疫持久性。

2.3.2. 評(píng)估模型

本研究將易感-潛隱-傳染-康復(fù)（SEIR）傳播動(dòng)力學(xué)模型擴(kuò)展到包括住院和隔離，在SEIR模型的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了SEIHR模型（圖1）。易感者（S）是指總?cè)丝冢话庖呷巳?。潛隱者（E）是指處于潛伏期的人。有癥狀感染者（I_a）是指已經(jīng)被感染并具有傳染性的人。無(wú)癥狀感染者（I_b）是指已被感染但無(wú)癥狀且具有一定傳染性的人。有癥狀住院者（H_a）是指有輕度至重度癥狀的住院患者。無(wú)癥狀住院者（H_b）是指在整個(gè)感染期間沒(méi)有癥狀的隔離患者?？祻?fù)和死亡者（R）指的是已經(jīng)康復(fù)或已經(jīng)死亡的人（圖2）。本研究采用住院和隔離患者不同的臨床資源需求參數(shù)來(lái)區(qū)分無(wú)癥狀感染和有癥狀感染。住院的有癥狀患者需要更多的臨床資源，而被隔離的無(wú)癥狀患者需要隔離床位，但對(duì)醫(yī)護(hù)資源和醫(yī)療設(shè)備的需求較少。許多國(guó)家不檢測(cè)無(wú)癥狀感染者，也沒(méi)有集中住院治療或隔離無(wú)癥狀感染者；因此，本次建模研究將背景設(shè)定在中國(guó)。

圖2. 擴(kuò)展的SEIHR動(dòng)力學(xué)模型。ν：接種人口比例（接種人口×疫苗有效性）；β：接觸后的感染率；σ_a：潛伏期感染者發(fā)展為有癥狀感染者的比率；σ_b：潛伏期感染者發(fā)展為無(wú)癥狀感染者的比率；γ_a：有癥狀感染者發(fā)展為住院者的比率；γ_b：無(wú)癥狀感染者發(fā)展為住院者的比率；m_a：有癥狀的住院者康復(fù)或死亡的比率；m_b：無(wú)癥狀住院者康復(fù)或死亡的比率。

圖2中各參數(shù)之間的關(guān)系如上述模型。定義μ為該計(jì)算中未考慮的自然死亡率；t為某一時(shí)刻；H和I為住院/隔離和感染者。其他參數(shù)定義見(jiàn)圖2。

2.3.3. 情景建立

本研究基于千萬(wàn)人口城市的免疫人群差異、非藥物干預(yù)措施的有效性、無(wú)癥狀感染者比例、接觸者預(yù)警能力等構(gòu)建6個(gè)情景。COVID-19疫情期間的流行病學(xué)特征和臨床資源使用參數(shù)來(lái)自之前已發(fā)表的研究[31-34]、未發(fā)表的研究、專(zhuān)家意見(jiàn)和實(shí)際調(diào)查，如表1 [30,34-36]所示。

2.3.4. 臨床資源參數(shù)

根據(jù)以上模型，本研究預(yù)測(cè)了不同情景下住院或隔離（H）患者的分布情況及其峰值。根據(jù)前期研究結(jié)果[36]，住院/隔離的平均時(shí)間為12～15 d，危重癥患者的比例為4.7%。我們假設(shè)醫(yī)護(hù)人員每天四班輪換，每班工作6 h，值班醫(yī)生與住院患者的比例是1∶10，而在ICU，這個(gè)比例是1∶1。我們計(jì)算了醫(yī)生與患者的比例（普通醫(yī)院床位：1∶2.5；ICU床位：1∶1）、每位患者的護(hù)士人數(shù)（住院患者：1∶3；ICU：1∶1）、每位患者的醫(yī)護(hù)人員人數(shù)（住院患者：1∶10；ICU：1∶2），以及對(duì)ICU床位、病床、隔離床、呼吸機(jī)等臨床資源的需求。同樣地，該模型還計(jì)算了對(duì)醫(yī)護(hù)資源的高峰需求。防護(hù)材料的計(jì)算是根據(jù)醫(yī)務(wù)人員需求的峰值和個(gè)人防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)確定的[26,36]。

2.4. 模型驗(yàn)證

SEIHR傳播動(dòng)力學(xué)模型使用了在意大利第一波疫情期間（從2020年2月14日到2020年7月31日）獲得的住院數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試。本測(cè)試收集每日住院病例數(shù)以區(qū)分使用模型計(jì)算的結(jié)果和實(shí)際結(jié)果（圖3）。在圖3中，來(lái)自意大利的數(shù)據(jù)指的是目前住院的患者數(shù)據(jù)，而SEIHR模型中的“H”指的是使用該模型預(yù)測(cè)的目前住院或隔離的患者。陰影代表的是數(shù)據(jù)之間的差異。結(jié)果表明，疫情初期兩組數(shù)據(jù)擬合度較高。但相比模型預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)，實(shí)際疫情曲線(xiàn)峰值較低，到達(dá)峰值時(shí)間較晚，這可能與前期干預(yù)較少，后期防控措施增多有關(guān)。因此，我們得出結(jié)論，該模型在后期的擬合效果優(yōu)于前期。

3. 結(jié)果

在不同情景下，從SEIHR模型中提取有癥狀和無(wú)癥狀感染者（圖4），并根據(jù)感染人數(shù)計(jì)算所需醫(yī)療資源。

3.1. 情景1

當(dāng)患者人數(shù)達(dá)到2000人時(shí)，通過(guò)加入封城等嚴(yán)格的非藥物干預(yù)措施，大約三個(gè)月內(nèi)就能有效控制疫情。我們將這種情況下非藥物干預(yù)措施的有效性設(shè)定為80%，并將無(wú)癥狀感染者設(shè)定為30%。有癥狀感染者、有癥狀住院者、無(wú)癥狀感染者和無(wú)癥狀住院者的峰值分別為21 374人、29 889人、9569人和12 361人[圖4（a）]。從數(shù)量上看，醫(yī)生需求為20 307人[圖5（a）]，護(hù)士需求為23 548人[圖5（b）]，護(hù)工需求為13 085人[圖5（c）]。醫(yī)院用床需求為9367張[圖6（a）]，隔離病床需求為31 388張[圖6（b）]，ICU病床需求為1494張[圖6（c）]。呼吸機(jī)需求大于2750臺(tái)[圖6（d）]，制氧機(jī)需求為5679臺(tái)[圖6（e）]。

表1 COVID-19疫情6種情景下的臨床資源需求評(píng)估參數(shù)

圖3. 通過(guò)對(duì)評(píng)估數(shù)據(jù)與意大利實(shí)際數(shù)據(jù)的對(duì)比，本研究驗(yàn)證了模型的可靠性。粉色陰影表示模型評(píng)估數(shù)據(jù)與意大利實(shí)際報(bào)告病例數(shù)之間的差距，差距越小，模型參數(shù)越可靠，研究結(jié)果越準(zhǔn)確，評(píng)估數(shù)據(jù)的誤差在接受范圍內(nèi)。

3.2. 情景2

在情景1的基礎(chǔ)上，當(dāng)更早實(shí)施封城等嚴(yán)格的非藥物干預(yù)措施時(shí)，我們假設(shè)最大病例數(shù)不會(huì)超過(guò)2000人。我們還假設(shè)其中30%為無(wú)癥狀感染者。有癥狀感染者、有癥狀住院者、無(wú)癥狀感染者和無(wú)癥狀住院者的峰值分別為1027人、1560人、526人和740人[圖4（a）]。醫(yī)生需求為1118人[圖5（a）]，護(hù)士需求為1286人[圖5（b）]，護(hù)工需求為700人[圖5（c）]。醫(yī)院用床需求為501張[圖6（a）]，隔離病床需求為1758張[圖6（b）]，ICU病床需求為80張[圖6（c）]。呼吸機(jī)需求為147臺(tái)[圖6（d）]，制氧機(jī)需求為304臺(tái)[圖6（e）]。與情景1相比，情景2的臨床資源需求較低。

圖4. 6種情景下的感染人數(shù)和住院人數(shù)。（a）～（f）對(duì)應(yīng)于情景1～6下與疫情持續(xù)時(shí)間相符的無(wú)癥狀感染人數(shù)、有癥狀感染人數(shù)和住院人數(shù)。

3.3. 情景3

與情景1相比，我們假設(shè)較少的非藥物干預(yù)措施會(huì)導(dǎo)致更嚴(yán)重的后果。在該情景中，我們將非藥物干預(yù)措施的有效性設(shè)置為50%。有癥狀感染者、有癥狀住院患者、無(wú)癥狀感染者、無(wú)癥狀住院患者峰值分別為263 232人、607 006人、127 515人、258 857人[圖4（c）]。與情景1相比，感染率或住院率增加了12～20倍。醫(yī)生需求為414 724人[圖5（a）]，護(hù)士需求為48 099人[圖5（b）]，護(hù)工需求為265 747人[圖5（c）]。醫(yī)院用床需求為190 236張[圖6（a）]，隔離病床需求為643 627張[圖6（b）]，ICU病床需求為30 350張[圖6（c）]。呼吸機(jī)需求為55 844臺(tái)[圖6（d）]，制氧機(jī)需求為115 331臺(tái)[圖6（e）]。如果沒(méi)有實(shí)施嚴(yán)格的非藥物干預(yù)措施，最大病例數(shù)可能接近100萬(wàn)例。

3.4. 情景4

圖5. 6種情景下的醫(yī)護(hù)人員需求，用不同顏色的平面（a～c）表示。

在情景3的基礎(chǔ)上，我們假設(shè)免疫人群的比例已經(jīng)達(dá)到50%。有癥狀感染者、有癥狀住院者、無(wú)癥狀感染者和無(wú)癥狀住院者的峰值分別為1057人、1784人、542人和830人[圖4（d）]。醫(yī)生需求為1249人[圖5（a）]，護(hù)士需求為1436人[圖5（b）]，護(hù)工需求為781人[圖5（c）]。醫(yī)院用床需求為559張[圖6（a）]，隔離病床需求為1965張[圖6（b）]，ICU病床需求為89張[圖6（c）]。呼吸機(jī)需求為164臺(tái)[圖6（d）]，制氧機(jī)需求為339臺(tái)[圖6（e）]。當(dāng)免疫人口達(dá)到50%時(shí)，可適當(dāng)減少非藥物干預(yù)措施，以減輕實(shí)施非藥物干預(yù)措施導(dǎo)致的嚴(yán)重社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響，并促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇。

3.5. 情景5

與情景1相比，我們假設(shè)80%的核酸檢測(cè)呈陽(yáng)性的患者是無(wú)癥狀感染者，并且病例總數(shù)不會(huì)發(fā)生顯著變化。但是，當(dāng)無(wú)癥狀感染者的比例達(dá)到80%時(shí)，醫(yī)療用品的成本很可能會(huì)變得極高。有癥狀感染者、有癥狀住院者、無(wú)癥狀感染者和無(wú)癥狀住院者的峰值分別為6401人、10 583人、27 015人和41 123人[圖4（e）]。醫(yī)生需求為21 889人[圖5（a）]，護(hù)士需求為20 587人[圖5（b）]，護(hù)工需求為4633人[圖5（c）]。醫(yī)院用床需求為3317張[圖6（a）]，隔離病床需求為47 860張[圖6（b）]，ICU病床需求為529張[圖6（c）]。呼吸機(jī)需求為974臺(tái)[圖6（d）]，制氧機(jī)需求為2011臺(tái)[圖6（e）]。

圖6. 6種情景下的醫(yī)療設(shè)備需求（病床、隔離病床、ICU病床、呼吸機(jī)、制氧機(jī)），用不同顏色的平面（a～e）表示。

3.6. 情景6

我們假設(shè)，如果在疫情暴發(fā)期間采取干預(yù)措施，且疫苗接種率高，病例總數(shù)將不會(huì)超過(guò)200例。有癥狀感染者、有癥狀住院者、無(wú)癥狀感染者和無(wú)癥狀住院者的高峰人數(shù)分別為90人、147人、103人和151人[圖4（f）]。醫(yī)生需求為136人[圖5（a）]，護(hù)士需求為146人[圖5（b）]，護(hù)工需求為64人[圖5（c）]。醫(yī)院用床需求為46張[圖6（a）]，隔離病床需求為244張[圖6（b）]，ICU病床需求為7張[圖6（c）]。呼吸機(jī)需求為13臺(tái)[圖6（d）]，制氧機(jī)需求量為28臺(tái)[圖6（e）]。臨床資源需求低于情景4，該情景更容易控制疫情，且臨床資源的成本較低。

除了評(píng)估所需的醫(yī)護(hù)人員數(shù)量和醫(yī)療設(shè)備資源外，我們還評(píng)估了6種情景下個(gè)人防護(hù)設(shè)備的總需求。個(gè)人防護(hù)設(shè)備的總需求與不同情景下的醫(yī)護(hù)人員有關(guān)（圖7、表2）。

圖7. 流行病學(xué)資源需求的6種情景。（a）～（f）表示情景1～6。

4. 討論

本研究得出6種情景下的重要結(jié)果：第一，在疫情初期，醫(yī)療系統(tǒng)顯然容易超負(fù)荷。在情景2、4和6中，研究結(jié)果顯示臨床資源需求沒(méi)有壓力。在情景1和情景5中，研究結(jié)果表明，在提高監(jiān)測(cè)和預(yù)警能力、實(shí)施與武漢類(lèi)似的非藥物干預(yù)措施并且存在一定的免疫人群時(shí)，醫(yī)療服務(wù)體系不會(huì)崩潰。然而，在情景5中，臨床資源將會(huì)供不應(yīng)求，醫(yī)療服務(wù)系統(tǒng)可能會(huì)陷入癱瘓。第二，更靈敏的早期預(yù)警系統(tǒng)可以為應(yīng)急管理提供額外的準(zhǔn)備時(shí)間。只有在住院或隔離人數(shù)達(dá)到2000人的情況下，才可以實(shí)施嚴(yán)格的非藥物干預(yù)措施。但是，如果在只有900人住院或隔離的情況下就采取這些措施，就床位的使用而言，臨床資源占用可能會(huì)減少10倍以上。當(dāng)疫情防控水平下降或病例管理能力不足時(shí)，對(duì)醫(yī)護(hù)人員的需求將增加。這種情況下，許多感染者無(wú)法住院治療或接受隔離，基本臨床資源的需求可能會(huì)超過(guò)情景1和情景5。第三，嚴(yán)格的非藥物干預(yù)措施對(duì)于保持低水平的臨床資源需求而言至關(guān)重要。當(dāng)非藥物干預(yù)措施的有效性從0.8降低到0.5時(shí)，對(duì)醫(yī)生的需求就會(huì)增加100倍以上。第四，疫苗接種可以減少實(shí)施嚴(yán)格的非藥物干預(yù)措施的必要性，同時(shí)保持低水平的臨床資源需求，這有助于在COVID-19疫情期間恢復(fù)標(biāo)準(zhǔn)醫(yī)療服務(wù)工作。在免疫人群覆蓋率為50%和實(shí)施不太嚴(yán)格的非藥物干預(yù)措施（50%的有效性）的情況下，疫情也會(huì)傳播。第五，無(wú)癥狀感染者數(shù)量的增加與檢測(cè)的困難性對(duì)于控制無(wú)癥狀感染者的人數(shù)與保證臨床資源充足而言是個(gè)挑戰(zhàn)，這會(huì)降低非藥物干預(yù)措施的有效性。由于無(wú)癥狀患者仍具有傳染性且需要隔離，因此無(wú)癥狀患者比例的增加并不意味著對(duì)臨床資源的需求會(huì)顯著減少。然而，由于無(wú)癥狀感染者不易被察覺(jué)，在此情況下非藥物干預(yù)措施只需要保持低水平的有效性。

我們的研究結(jié)果突出了一些值得關(guān)注的問(wèn)題。有兩個(gè)主要因素可能會(huì)導(dǎo)致COVID-19疫情引起的醫(yī)療系統(tǒng)崩潰。首先，病例數(shù)量在短時(shí)間內(nèi)急劇增加，造成醫(yī)院人員高度集中，導(dǎo)致院內(nèi)感染發(fā)生率高。其次，其他科室的醫(yī)療設(shè)備和設(shè)施不能滿(mǎn)足專(zhuān)業(yè)需求，醫(yī)院可能無(wú)法有效救治重癥病例。2019年，中國(guó)每千萬(wàn)人擁有的醫(yī)院注冊(cè)醫(yī)生人數(shù)為14 487人。與人口約1000萬(wàn)的中國(guó)部分城市比較，武漢的注冊(cè)醫(yī)生和護(hù)士總?cè)藬?shù)為43 100人和57 700人[29]，深圳的注冊(cè)醫(yī)生和護(hù)士總?cè)藬?shù)為38 519人和44 273人[37]，石家莊的注冊(cè)醫(yī)生和護(hù)士總?cè)藬?shù)為19 736人和238 942人[38]。即使不考慮城市差異，武漢的數(shù)量也可以滿(mǎn)足情景3的需求。中國(guó)傳染病醫(yī)院每千萬(wàn)人平均注冊(cè)醫(yī)生和護(hù)士人數(shù)分別為111人和186人，然而，據(jù)報(bào)道石家莊每千萬(wàn)人平均注冊(cè)醫(yī)生和護(hù)士人數(shù)分別為225人和328人[28]。無(wú)論是大部分的中國(guó)傳染病醫(yī)院，還是石家莊，都無(wú)法滿(mǎn)足前5種情景下的需求。總結(jié)來(lái)說(shuō)，不同的情景需要不同的準(zhǔn)備工作。情景1需要傳染病學(xué)專(zhuān)家、防護(hù)設(shè)備儲(chǔ)備以及疫情早期預(yù)警的能力。情景2和3中最重要的是找到不會(huì)對(duì)經(jīng)濟(jì)造成過(guò)度損害的替代措施。情景4～6需要更多地關(guān)注疫苗的應(yīng)用及其是否有效。

由于臨床醫(yī)護(hù)人力資源和醫(yī)療設(shè)備有限，適應(yīng)快速增長(zhǎng)的檢測(cè)量是個(gè)挑戰(zhàn)，這會(huì)導(dǎo)致診斷結(jié)果的延誤。此外，短時(shí)間內(nèi)無(wú)法提供足夠的醫(yī)護(hù)人員及相關(guān)醫(yī)療物資用于救治與防控。重癥監(jiān)護(hù)、呼吸內(nèi)科、傳染病科等科室對(duì)專(zhuān)家的需求量越來(lái)越大，而可用的醫(yī)生越來(lái)越少，他們除了在疫情期間面臨感染風(fēng)險(xiǎn)外，還會(huì)遭受身體與心理上巨大的壓力，這樣超負(fù)荷的工作和不完善的管理會(huì)使醫(yī)療系統(tǒng)崩潰。此外，醫(yī)療系統(tǒng)還可能面臨諸如核酸檢測(cè)和緊急救治等相關(guān)挑戰(zhàn)。然而，當(dāng)醫(yī)療資源緊缺時(shí)，如情景1、3、5所示，可以從以下三個(gè)角度采取應(yīng)對(duì)策略，以促進(jìn)資源的替代供應(yīng)。第一，預(yù)防和準(zhǔn)備工作應(yīng)成為確保疫苗儲(chǔ)備、疫苗接種覆蓋率和降低發(fā)病率的主要優(yōu)先事項(xiàng)，從而減少醫(yī)療資源需求[39]。第二，在建立平疫轉(zhuǎn)換模式方面，可以培訓(xùn)其他部門(mén)的醫(yī)護(hù)人員作為傳染病和呼吸醫(yī)學(xué)方面的后備人員。例如，酒店和體育館可以按照方艙醫(yī)院的標(biāo)準(zhǔn)建造，在疫情暴發(fā)時(shí)[14,35]有可能在短時(shí)間內(nèi)[6]調(diào)整為方艙醫(yī)院。呼吸機(jī)和個(gè)人防護(hù)裝備的儲(chǔ)備也需納入考慮，以確保疫情暴發(fā)時(shí)資源需求的激增能夠得到充分解決[40]。由于材料需求量大，需要增加產(chǎn)能儲(chǔ)備，因此需要有充足的實(shí)物儲(chǔ)備。第三，技術(shù)、醫(yī)療和臨床檢查需要改進(jìn)，如提供更高效的預(yù)警系統(tǒng)。利用大數(shù)據(jù)建立臨床資源均衡配置機(jī)制。實(shí)施遠(yuǎn)程醫(yī)療，以減少對(duì)醫(yī)護(hù)人員的需求、減少住院時(shí)間與醫(yī)療費(fèi)用[41]。通過(guò)整合相關(guān)醫(yī)療信息，可以自動(dòng)生成診療記錄，提供知情預(yù)警，提高診療效率。需要充分發(fā)揮科技優(yōu)勢(shì)，例如，使用機(jī)器人快速、準(zhǔn)確地完成基礎(chǔ)護(hù)理、消毒、遠(yuǎn)程會(huì)診、記錄信息等工作，以減少對(duì)醫(yī)療人力資源的需求。

該研究為COVID-19疫情期間醫(yī)療資源的應(yīng)急準(zhǔn)備提供了理論支持和參考。該研究框架不僅考慮了醫(yī)療資源中無(wú)癥狀感染者的比例[42]和免疫人群的影響，還考慮了非藥物干預(yù)措施的有效性。在本研究前已經(jīng)有研究使用基本SEIR模型來(lái)預(yù)測(cè)COVID-19疫情早期的傳播 [3,43]。我們將模型擴(kuò)展為SEIHR模型，該模型在方法上是可靠的。在考慮病例報(bào)告有所延遲的情況下，我們的方法可以快速、持續(xù)地評(píng)估臨床資源需求，并在防控疫情和控制資源生產(chǎn)方面為資源投入和分配策略提供指導(dǎo)。

這項(xiàng)研究仍有局限性。首先，影響醫(yī)療資源需求評(píng)估的因素很多，如文化背景、區(qū)域應(yīng)急能力、醫(yī)療保障、倫理問(wèn)題等更為復(fù)雜的因素。因此，在根據(jù)本研究結(jié)果準(zhǔn)備醫(yī)療資源時(shí)，還需要密切評(píng)估區(qū)域的實(shí)際情況。其次，本研究沒(méi)有提供有關(guān)傳染性、傳染周期和無(wú)癥狀感染者比例的依據(jù)來(lái)驗(yàn)證研究結(jié)果的準(zhǔn)確性，因?yàn)檫@些很容易因病毒的傳播和突變而發(fā)生變化。再次，眾所周知，老年人更容易感染COVID-19，這可能導(dǎo)致人口老齡化城市的疾病負(fù)擔(dān)加重、臨床資源需求增加。隨著對(duì)COVID-19認(rèn)識(shí)和理解的加深，我們可以通過(guò)年齡分層模型在模型中考慮人口的年齡結(jié)構(gòu)，這可以在未來(lái)的研究中進(jìn)行。此外，我們沒(méi)有考慮疫苗接種后的有效期，這可能會(huì)對(duì)免疫人群的范圍產(chǎn)生影響。最后，使用該模型模擬的場(chǎng)景數(shù)據(jù)不能完全反映現(xiàn)實(shí)情況。

5. 結(jié)論

經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、人口規(guī)模、防控能力不同的地區(qū)應(yīng)盡快評(píng)估突發(fā)事件期間的臨床資源需求，為可能出現(xiàn)的疫情反彈和暴發(fā)提前準(zhǔn)備醫(yī)療資源。急性呼吸道感染會(huì)給醫(yī)療系統(tǒng)帶來(lái)額外的負(fù)擔(dān)；因此，鼓勵(lì)人們接種流感疫苗、肺炎球菌疫苗和其他疫苗，以緩解和減少COVID-19疫情期間對(duì)醫(yī)療資源的需求。在應(yīng)對(duì)COVID-19疫情期間醫(yī)療資源短缺的情景時(shí)，本研究建議利用窗口期擴(kuò)大醫(yī)療資源儲(chǔ)備并及時(shí)調(diào)整現(xiàn)有策略。

Compliance with ethics guidelines

Ting Zhang, Qing Wang, Zhiwei Leng, Yuan Yang, Jin Yang, Fangyuan Chen, Mengmeng Jia, Xingxing Zhang,Weiran Qi, Yunshao Xu, Siya Chen, Peixi Dai, Libing Ma,Luzhao Feng, and Weizhong Yang declare that they have no conflict of interest or financial conflicts to disclose.

致謝

感謝北京零研研究技術(shù)團(tuán)隊(duì)的陳晨、賀長(zhǎng)凱、楊志辰、孫志遠(yuǎn)、孫正陽(yáng)的技術(shù)支持。本研究得到中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)與健康科技創(chuàng)新工程（2020-I2M-1-001、2020-I2M-2-015、2016-I2M-1-014）、中國(guó)國(guó)家社會(huì)科學(xué)基金（20＆ZD201）的資金支持。