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Mathematical model for nosocomial coronavirus infection disease 2019 transmission and patient isolation in hospital wards: A modeling study - 13/12/25

Doi : 10.1016/j.ajic.2025.11.022 
Yasuhiro Umekage, MD a, , Ryota Shigaki, MD b, Ryotaro Kida, MD b, Ryohei Yoshida, PhD b, c, Yoshinori Minami, PhD b, Yoshinobu Ohsaki, PhD b, c, Takaaki Sasaki, PhD b
a Infection Control Department, Asahikawa Medical University Hospital, Hokkaido, Japan 
b Division of Respiratory Medicine and Neurology, Department of Internal Medicine, Asahikawa Medical University, Hokkaido, Japan 
c Clinical Research Center, Keiyukai Yoshida Hospital, Hokkaido, Japan 

Address correspondence to Yasuhiro Umekage, M.D., Infection Control Department, Asahikawa Medical University Hospital, 2-1-1-1 Midorigaoka-Higashi, Asahikawa 0788510, Hokkaido, Japan.Infection Control Department, Asahikawa Medical University Hospital2-1-1-1 Midorigaoka-Higashi, AsahikawaHokkaido0788510Japan

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Sous presse. Épreuves corrigées par l'auteur. Disponible en ligne depuis le Saturday 13 December 2025

Résumé

Background

Considering the isolation of infected patients and the proportion of critically ill individuals requiring single-room management is crucial when implementing public health measures during nosocomial outbreaks such as coronavirus disease-2019. Using a mathematical model, we aimed to assess the level of hospital occupancy restriction required for the adequate isolation of infected and exposed patients while providing for critically ill patients requiring single-room management.

Methods

Patients were categorized into four groups: susceptible, exposed, infected, and recovered. We modeled a hospital ward with mixed room types, incorporating critically ill patients and sporadic unidentified infections, to evaluate isolation feasibility through simulations.

Results

Simulation results showed that patient isolation became difficult under high-occupancy conditions. The feasibility was also affected by infection control strategies, such as discharging infected or exposed patients and isolating exposed individuals in single rooms.

Discussion

Higher occupancy increases the risk of failed isolation measures, potentially promoting in-hospital transmission. However, this model does not incorporate long-distance airborne transmission or the effects of ventilation, and coronavirus disease-2019 can spread via aerosols.

Conclusions

This model could be a valuable reference for determining appropriate hospital occupancy rates to ensure effective infection control during nosocomial outbreaks.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Highlights

We determined hospital occupancy thresholds using a mathematical model.
We assessed the grouping of patients to optimize ward management.
Higher occupancy increased the risk of failed isolation measures during an outbreak.
This model could be a valuable reference for predicting the number of vacant beds.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Keywords : COVID-19, Nosocomial infection, Hospital occupancy


Plan


 Conflicts of interest: The authors declare that they have no known competing financial interests or personal relationships that could influence the work reported in this paper.
 Funding/support: This study was supported by the Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) Grants-in-Aid for Scientific Research (KAKENHI) [Grant number JP25K13558].


© 2025  The Authors. Publié par Elsevier Masson SAS. Tous droits réservés.
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