STIC:STIC IV (2019)/Pandémie

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Projet réalisé par Nicolas Burau et Mathilde Gacek Langlois

1 Introduction

Notre projet Pandémie vise à simuler plusieurs situations de propagation d'une maladie en prenant en compte plusieurs paramètres tels que l'existence d'un vaccin, d'un médicament et de populations à risque. Il s'agit d'une simulation semblable aux micro-mondes sur les modèles des prédateurs proies. L'Adafruit Circuit Playground Express permet de simuler la propagation grâce à son émetteur/capteur à infra-rouge.

Le but du projet est de montrer l'intérêt d'une stratégie vaccinale à l'échelle d'une population. L'idée est d'impliquer les élèves dans un jeu de rôle recréant les conditions de propagation d'une maladie infectieuse de type rougeole. L'organisation du jeu permet de comprendre la notion de seuil de couverture vaccinale et son importance vis-à-vis de populations à risque comme les femmes enceintes ou les nourrissons.

2 Problème

La vaccination est admise comme étant la meilleure protection contre les maladies infectieuses (cf. OSFP). On observe toutefois aujourd'hui une défiance croissante envers elle. Ce phénomène devient un problème de santé publique dans la mesure où l'absence d'atteinte des seuils minimaux de couverture vaccinale ouvre la possibilité à de fortes épidémies. La nécessité d'actions de prévention et d'information est soulignée par différents organismes nationaux et internationaux afin de favoriser la compréhension de ce qu'est la vaccination et de ses enjeux.

Notre projet s'inscrit dans cette démarche et vise, dans le cadre scolaire, à démontrer le double intérêt de la vaccination : lutter contre la propagation d'une maladie et protéger les groupes de population à risque. L'approche par jeu de rôle est l'occasion d'impliquer personnellement les élèves et de les sensibiliser à l'utilité sociale du vaccin. Cette activité s'intègre dans le plan d'étude romand "Santé et bien-être" pour le primaire (FG12 pour le cycle I et FG 22 pour le cycle 2), mais aussi sur les questions d'identité et relation au groupe (FG18 pour le cycle I de primaire), la responsabilité citoyenne en étant pour ou contre le vaccin (SHS 34 pour le cycle II primaire) et le corps humain et ses mécanismes immunitaires (MSN 27 pour le cycle II de primaire).

Elle offre une approche originale au regard de ce qui existe aujourd'hui en terme d'action pédagogique et qui consiste principalement à faire travailler des élèves de niveau secondaire 2 à partir de simulations numériques (cf. logiciel Net-Bio-Dyn) mais qui s'avèrent trop compliquées pour des élèves de primaire.

3 Cahier des charges

3.1 Contexte

Le seuil de couverture vaccinale est rattachée à la notion d'immunité de groupe. Il représente le pourcentage de personnes devant être immunisé pour qu'une maladie ne puisse se transmettre au sein d'une population et disparaisse. Ce seuil varie selon la contagiosité des maladies.

Actuellement les seuils de couverture vaccinale pour un certain nombre de maladies infectieuses, comme la rougeole, ne sont pas atteints en Europe. Ce constat s'accompagne d'un phénomène d'hésitation vaccinale qui témoigne d'une nouvelle réticence vis-à-vis de la vaccination (cf. enquête eurobaromètre 2019). Les conséquences d'un tel phénomène sont importantes en termes de santé publique et conduisent à la mise en place et à la promotion d'actions d'informations et de prévention.

Dans ce but, le Plan d'Etude Romand fixe l'objectif d'organiser des actions de promotion de la santé et de prévention" dans le domaine de la santé et du bien-être. La Stratégie Nationale de Vaccination (SNV) adoptée le 11 janvier 2017 par le Conseil fédéral et chargée d'être mise en application par l'Office fédéral de la santé (OFSP) comporte un axe d'intervention spécifique autour de la communication notamment : "Favoriser l’accès aux informations sur la vaccination et aux vaccinations à l’école et dans les crèches". Cette volonté rejoint le Plan d'action européen pour les vaccins 2015-2020 élaboré par l'Organisation Mondiale de la Santé qui se donne comme deuxième objectif : "Individuals understand the value of immunization services and vaccines and demand vaccination" ("Chacun comprend la valeur des services de vaccination et des vaccins et demande à être vacciné").

Notre projet s'inscrit ainsi dans un domaine d'intervention au coeur d'un problème sensible de santé publique.

3.2 Public

Le projet s'adresse à des classes d'élèves de cycle 2 de primaire (8-12 ans), éventuellement pour des élèves de 3PH ou 4PH, en simplifiant le dispositif et en mettant l'accent sur la propagation des maladies en communauté et les moyen de s'en prémunir (FG12 Plan d'Etudes Romand).

3.3 Objectifs

Dans la continuité des objectifs proposés par l'OFSP et l'OMS pour améliorer les systèmes de vaccination, notre projet vise à démontrer aux élèves de second cycle de primaire l'utilité de la vaccination :

  • pour éviter de contracter une maladie infectieuse ;
  • pour lutter contre sa propagation ;
  • pour protéger les populations à risque.

3.4 Besoins et contraintes

Besoins et contraintes techniques

D'un point de vue technique, notre projet nécessite de simuler la propagation d'une épidémie et de pouvoir l'observer. Nous devons donc :

  • disposer d'un système de communication entre les participants qui leur permette de passer d'un état "sain" à un état "contaminé" ;
  • définir différents états de santé ;
  • définir des rôles particuliers (personnes à risque, médecin) ;
  • être capable de visualiser pour chaque participant son état de santé et son éventuel rôle particulier ;
  • définir les relations existant entre les différents états et rôles.

Les circuits Adafruit Circuit Playground Express permettent de répondre à ces contraintes techniques car ils sont programmables et disposent d'un émetteur et d'un récepteur infrarouge.

Contraintes matérielles

  • Chaque participant doit disposer d'un circuit Adafruit. Il faut donc environ une vingtaine de circuits Adafruit Circuit Playground Express pour réaliser l'activité au sein d'une classe. La modélisation se basant sur des propagations en communauté, les résultats de la simulation seront plus explicites avec une population élevée. Idéalement, la simulation devrait se dérouler simultanément avec 4 classes pour approcher une population de 100 élèves ou même tous les élèves d'une école.
  • Les dispositifs doivent être visibles : nous avons choisi de les coudre sur des dossards en tissu.

Contraintes humaines

  • Nous devons disposer des autorisations nécessaires pour travailler avec des enfants.
  • L'activité doit pouvoir être lancée rapidement.

3.5 Présentation du projet

Notre projet consiste en la mise en oeuvre d'un jeu de rôle permettant d'expérimenter au sein d'une classe le développement d'une épidémie.

Les joueurs évoluent dans un espace délimité (la salle de classe ou une partie de la cour de récréation) et portent de manière visible le circuit Adafruit. Ce circuit affiche :

  • l'état de santé du joueur (sain-immunisé, sain-non immunisé, contaminé, mort) ;
  • une particularité éventuelle du joueur (personne à risque, médecin).

Chaque circuit communique avec les autres par infrarouge. Les personnes infectées peuvent par ce moyen contaminer d'autres personnes. Ces dernières réagissent différemment selon leur état de santé et leurs particularités. Le jeu se poursuit jusqu'à ce que la maladie ne se propage plus.

4 Solution

4.1 Entités

4.1.1 Etats de santé

Cinq états de santé sont définis :

  • sain-non-immunisé : la personne n'est pas vaccinée contre le virus et ne l'a jamais eu ;
  • sain-immunisé : la personne est immunisée contre le virus par un vaccin ou parce qu'elle a guéri de la maladie ;
  • contaminé-sans-symptômes : la personne a été contaminée par le virus. Elle est en phase d'incubation et ne présente pas de symptômes ;
  • contaminé-avec-symptômes : la personne est contaminée par le virus et présente les symptômes de la maladie ;
  • mort : une personne contaminée n'a pas guéri.

4.1.2 Rôles supplémentaires

Deux rôles supplémentaires sont définis :

  • le médecin : il est sain immunisé. Il peut vacciner une personne contaminée avec symptômes si elle n'est pas à risque.
  • la personne à risque (femme enceinte, personne immunodéprimée, nourrisson...) : la personne à risque contaminée ne peut pas être vaccinée et meurt à la fin de la maladie.

4.1.3 Variables ajustables

Les variables suivantes peuvent être ajustées selon la maladie considérée et permettent ainsi de faire varier les scénarios.

  • la durée d'incubation ;
  • la durée de la maladie ;
  • la probabilité de mourir.

4.2 Actions

4.2.1 Changements d'états possibles

Le tableau ci-dessous décrit la possibilité pour l'état 1 (en ligne) de passer à l'état 2 (en colonne).

sain non immunisé sain immunisé contaminé sans symptômes contaminé avec symptômes mort
sain non immunisé X (si contamination)
contaminé sans symptômes X (si incubation terminée)
contaminé avec symptômes X (si vaccination ou guérison) X (si pas de guérison)

4.2.2 Relations

  • Contamination : Une personne contaminée transmet le virus à une personne saine non immunisée.
  • Vaccination : Un médecin donne un vaccin à une personne qu'il constate malade (contaminée avec symptômes) qui n’est pas à risque.
  • Fin incubation : La durée d’incubation est dépassée.
  • Guérison : La durée de la maladie est dépassée et la personne est en vie.

4.3 Programmation

La programmation a été réalisée avec MakeCode.

4.3.1 Variables

L'activité est proposée pour une maladie spécifique : les variables ajustables sont donc fixées dans le programme.

  • la durée de la maladie et la durée d'incubation sont exprimées en secondes. Afin de rendre l'activité moins prévisible et plus conforme à la réalité, nous avons programmé une durée d'incubation variable.
  • la variable "vie" représente la probabilité de mourir que nous avons implémenté comme le risque d'être tiré aléatoirement dans un intervalle plus ou moins grand (il y a par exemple 0,2% de chance d'obtenir 1 si on tire un chiffre aléatoirement entre 1 et 500).
Pandémie variables initiales

Les variables booléennes "contaminated", "symptom" et "immunité" permettent de définir l'état de santé.

Les autres variables présentes sont des variables numériques dont le rôle apparaît ci-après.

4.3.2 Entrées

Il faut pouvoir faire varier les états de santé et les rôles initiaux de manière rapide afin de pouvoir enchaîner plusieurs scénarios dans une même séquence d'activité. Les états de santé et le rôle de la personne à risque sont ainsi définis par différentes entrées qui évitent de devoir à nouveau télécharger les programmes entre chaque scénario. Le médecin possède un circuit Adafruit spécifique.

  • Un clic simple sur le bouton A initialise l'état sain non immunisé ;
  • Un clic long sur le bouton A initialise le rôle personne à risque ;
  • Un clic simple sur le bouton B initialise l'état contaminé sans symptômes ;
  • Un clic simple simultané sur les boutons A et B initialise l'état sain immunisé.

Visuellement seules les personnes à risque sont identifiables : l'intensité des leds est plus faible.

Images code inputs
Entrées programme pandémie

4.3.3 Réception infrarouge

Si le dispositif reçoit l'identifiant 1, que la personne n'est pas contaminée et n'est pas immunisée alors elle devient contaminée.
Si le dispositif reçoit l'identifiant 2 et n'est pas une personne à risque alors elle est vaccinée et devient saine immunisée.

Programme réception infrarouge

4.3.4 Fonctions

Nous avons défini cinq fonctions : "sain", "contamination", "fin_incubation", "fin_maladie", "vaccination".

  • La fonction sain représente l'état non contaminé et non immunisé.
Fonction sain
  • La fonction contamination fait passer la variable "contaminated" à "vrai" et démarre le décompte de la durée d'incubation.
Fonction contamination
  • La fonction fin_incubation marque l'apparition des symptômes et démarre le décompte de la durée de la maladie.
Fonction fin_incubation
  • La fonction fin_maladie met les variables "contaminated" et "symptom" à "faux" et fait passer à l'état mort si la personne est à risque ou dans le pourcentage de décès, à l'état sain immunisé sinon.
Fonction fin_maladie
  • La fonction vaccination fait passer à l'état sain immunisé si la personne n'est pas à risque.
Fonction vaccination

4.3.5 Boucle

La variable "init" permet de vérifier que le dispositif a été initialisé avec un des quatre états de santé possibles.

Le programme vérifie constamment :

  • si la personne est contaminée : lorsque c'est le cas elle peut à son tour contaminer d'autres personnes ;
  • si la durée d'incubation est dépassée : lorsque c'est le cas les symptômes apparaissent ;
  • si la durée de la maladie est dépassée : lorsque c'est le cas la personne devient saine immunisée ou meurt.
Boucle principale

4.3.6 Programme

Le programme complet est disponible ici.

4.3.7 Cas particulier du médecin

Le médecin est considéré comme étant sain et immunisé. Son rôle est de pouvoir vacciner des personnes malades qui ne sont pas à risque. Il possède son propre circuit Adafruit qu'il porte au poignet. En appuyant sur le bouton A, il envoie par infrarouge l'identifiant spécifique "2" qui déclenche la fonction vaccination sur les dispositifs récepteurs. Les leds de l'Adafruit s'allument progressivement et le médecin peut ainsi comptabiliser le nombre de vaccins donnés.

Code médecin

4.4 Production de l'e-habit

L'habit sur lequel se trouve le dispositif adafruit doit répondre à certain critère. Le Circuit playground Express dispose d'un émetteur infrarouge, toutefois sa portée est assez limitée. Le signal est reçu à coup sûr, si le récepteur est face à l'émetteur et se trouve dans un cône de diamètre égale à 1m50 et une hauteur de 2m50. Il faut donc que l'émetteur et le récepteur soient visible, et puissent se faire face. Le circuit playground doit être facilement accessible pour soit changer l'état d'un élève par la pression des boutons, soit pour charger une variante du programme avec d'autres paramètres (durée d'incubation, fréquence de l'émission du signal, etc).

Le premier prototype consistait à placer le Circuit playground Express sur des chapeaux. Deux inconvénients sont survenus:

  • l'élève ne pouvait pas savoir son état actuel (sauf si une musique était associé à chacun des états possibles: sains, contaminés, mort,...);
  • le câble reliant le boîtier de la batterie et le circuit est très court. Le boîtier devait être placé sur le chapeau. En cas de choc à la tête, il aurait pu causé une aggravation de la blessure.

Le prototype du chapeau a donc été remplacé par un tabard. Celui-ci est suffisamment ample pour être d'une taille unique. Il peut être porté par dessus les habits, en intérieur, ou par dessus une veste, en extérieur. L'élève peut constater son état, au moyen des voyants du circuit playground express. Le boîtier d'alimentation ayant une pince, une barre de feutrine épaisse a été cousue sur le torse pour pouvoir accrocher le boîtier. Le circuit playground express a été cousu, pour sa part, sur un disque de feutrine épaisse muni sur la face opposée d'un scratch. Une autre bande de scratch a été cousue sur le tabard à proximité de la barre de feutrine. Ce dispositif permet de facilement détacher le circuit playground pour charger un autre programme ou manipuler ses boutons avant de le raccrocher. L'inconvénient principal est que le circuit playground est très exposé aux chocs. La mise en place d'une coque transparente en plastique pour protéger le circuit s'est soldée par un échec, l'émission et la réception du signal n'était plus assurée.

4.4.1 Fabrication

Matériel nécessaire

  • Un rectangle de tissu épais de 120cm x 40cm (pour un tabard);
  • de la feutrine épaisse de 5mm d'épaisseur;
  • un rouleau de scratch autocollant;
  • feuille de papier;
  • un compas.

Réalisation du tabard

  • Tracez et découpez un demi-cercle de 19 cm de diamètre sur le papier. Tracez et découpez un autre cercle de 65 mm de diamètre. Enfin tracez et découpez un rectangle de 25mm x 100 mm. Ces papiers serviront de patrons.
  • Pliez en deux le rectangle de tissus pour avoir un rectangle de 60cm x 40cm. Placez le patron du demi-disque sur le côté du rectangle plié et découpez le contour. Il s'agit de l'ouverture de la tête.
  • Découpez dans la feutrine un disque de 65mm de diamètre et un rectangle de 25mm x 100mm en vous servant des patrons.
  • Sur le tabard, cousez le rectangle de feutrine à l'horizontal au niveau d'une pochette. Attention, il ne faut pas coudre tout le rectangle mais uniquement les extrémités. Pour s'assurer de la solidité, les coutures forment des carrés d'environ 22mm de côté (cf schéma).
  • Collez une bande de scratch à la verticale sur le milieu du tabard au niveau de la barre de feutrine. Puis collez l'autre bande de scratch sur le disque de feutrine. Pour une meilleure adhérence, les deux bandes ont été cousues.
  • Cousez le circuit playground express sur l'autre face du disque.
  • Pour la finition des bords du tabard et éviter l'effilochement, les bords ont été cousus avec une surjeteuse.

5 Test(s) de la solution

5.1 La rougeole [1]

La rougeole est une maladie infectieuse très contagieuse qui se transmet par voie aérienne ou par contact direct avec les sécrétions du nez et de la gorge des personnes infectées.

La période d'incubation varie entre 7 et 18 jours.
Les malades sont contagieux environ 5 jours avant l'éruption cutanée et jusqu'au 5e jour après.
On observe un décès dans environ 0,2% des cas[2].

5.2 Modélisation

Dans une première approche, nous considérons que la personne infectée est contagieuse dès le début de la phase d'incubation (omission de la phase d'incubation silencieuse) et jusqu'à la disparition des symptômes. Dans le cas de la rougeole on considère ainsi que la durée d'incubation et la durée de la maladie à partir de l'apparition des symptômes sont égaux (environ 5 jours).
D'après les courbes épidémiologiques, la durée d'une épidémie est d'environ 8 semaines pour une contagion par individu qui dure environ 10 jours. Il faut donc compter que le scénario dure environ 6 fois plus longtemps que la durée (incubation + maladie) choisie. Pour le test nous avons choisi durée incubation = durée de la maladie = 100 secondes.
La probabilité de décès de 0,2% est représentée par la probabilité d'obtenir le chiffre 1 dans la sélection aléatoire d'un chiffre de 1 à 500.

5.3 Scénario

Le scénario initial a été construit pour 4 enfants entre 8 et 11 ans. Le rôle du médecin n'a pas été considéré car il n'aurait pas eu de sens avec un nombre si faible de participants.
Les grands boîtiers (pour 2 piles AA) ne sont pas compatibles avec le circuit playground express. Seulement deux circuits avec des petits boîtiers (pour 3 piles AAA) étaient dès lors disponibles. Nous avons donc modifié le scénario et filmé les différent états possibles d'une personne et la transmission de la maladie sur une autre. La première vidéo (5 min) montre ce qui se passe lorsqu'une personne malade fait face à une personne saine, une personne saine mais fragile ou une personne vaccinée. La seconde vidéo montre la situation de deux personnes saines au départ, puis l'une tombe malade (pression du bouton A) et contamine la seconde. Elle permet de montrer avec quelle aisance il est possible de changer les taux de personnes malades, personnes vaccinés et personnes saines non vaccinés, pour regarder les évolutions de la propagation. Le programme utilisé dans ces deux vidéos a été modifié. Tout d'abord le temps d'incubation a été réduit à 20s et celui de l'état malade à 60s, afin de réduire les temps d'attente entre les changements d'état. Ensuite, initialement, deux codes de couleurs étaient prévus, les personnes saines, vaccinés, à risque ou sous incubation était affichées en vert sur le circuit playground. Les personnes malades étaient, pour leur part, affichées en rouge et les voyants s'éteignaient pour les personnes décédées. Les enfants n'ont rien compris puisqu'en apparence, il n'y avait pas de changement d'état (sauf lorsque la personne est malade et que sa période d'incubation est finie) et il fallait attendre 100s avant que le circuit d'une personne sous incubation passe au rouge puis de nouveau au vert après 100s (ou en noir en cas de décès).

Un code de couleur a alors été appliqué pour les différents états possibles:

  • orange = la personne est sous incubation. Cela permet aussi de s'assurer que le bon bouton a été pressé pour créer un malade.
  • violet = la personne est saine mais à risque.
  • bleu = la personne est vaccinée ou a guéri de la maladie.
  • vert = la personne est saine.
  • rouge = la personne est malade et plus sous incubation.

En outre, une personne contaminée (sous incubation ou malade) émet un léger son (un do grave) à une fréquence de un par seconde. L'enfant est ainsi conscient du changement d'état de sa personne et de sa capacité éventuelle à contaminer quelqu'un. Les vidéos montrent que les enfants sont beaucoup plus intéressés et curieux avec cette modification. L'inconvénient est le risque de traque. Dès qu'il est sous incubation, il peut par jeu avoir le désir de contaminer le plus de personnes possibles. Une variante à tester en groupe pourrait être de ne pas afficher de changement de couleurs lorsque l'élève est sous incubation et de décider comme règle du jeu qu'une personne malade (voyants rouges) n'a plus le droit de se déplacer.
Vidéos :

Variante du code

6 Discussion

6.1 Discussion du design (et si c'était à refaire)

Le tabard pourrait comprendre des lacets sur les bords pour pouvoir nouer sur la partie dorsale et ventrale une fois celui-ci porté. Si les enfants ont une activité agitée ou s'il y a beaucoup de vent, la partie ventrale du tabard peut facilement se mouvoir et donc le circuit playground express ne plus être en position verticale, ce qui va péjorer la réception des signaux infra-rouges. Le scratch autocollant a été cousu sur le tissu et sur le disque de feutrine. Les tests ont montré que l'adhésion de la colle seule n'était pas suffisante au bout de deux ou trois accrochage-décrochage du disque de feutrine.

La programmation pourrait être affinée pour être au plus près de la réalité : il faudrait par exemple préciser la période de contagiosité (qui commence rarement au moment de la contamination et se termine souvent avant la disparition des symptômes) et ajouter une probabilité de décès pour les personnes à risque. On pourrait aussi donner un nombre de vaccins limité au médecin.

6.2 Discussion des résultats de vos tests utilisateurs

Le test utilisateur a montré l'intérêt des enfants pour le dispositif. Cela se traduit par un enthousiasme positif pour jouer mais également par des aspects négatifs qu'il faudrait retravailler :

  • les enfants ont tendance à vouloir jouer avec le circuit Adafruit : il faut pouvoir contrer les possibilités de trafiquer le circuit pendant le jeu (se vacciner tout seul par exemple) ;
  • les enfants cherchent à "se faire changer de couleur" : il faut éviter qu'ils jouent à se contaminer.

Pour le premier cas, il pourrait être intéressant de réfléchir à nouveau à l'idée du chapeau, et de prévoir un report de couleurs au niveau de la poitrine ou du poignet. Pour le second cas, il faudrait que l'utilisation des circuits Adafruit soit réalisée au cours d'une autre activité, comme un jeu de ballon, qui nécessite des interactions et fixe l'attention des enfants sur des buts autres que l'état de leur circuit.

Si la couleur orange s'est avérée utile dans le cas très restreint et spécifique de notre test, il ne semble pas pertinent de la généraliser. En effet, on peut s'attendre à de la méfiance vis-à-vis des personnes non contaminées et à l'introduction d'un biais non réaliste : le fait qu'une personne ne présentant pas de symptômes puisse être contagieuse est un facteur clef dans la propagation d'une maladie.

Par ailleurs un test utilisateurs avec un plus grand nombre de personnes serait nécessaire pour ajuster la probabilité de contaminer une personne en étant contaminé en contrôlant plus spécifiquement le domaine d'émission/réception infrarouge (distance et angles entre circuits). Il serait possible d'ajuster la probabilité de contamination en jouant sur la durée des pauses entre chaque émission du signal.

7 Licence, fichiers et documentation

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  • Fichiers :

Programmes MakeCode : participant standard et médecin

8 Bibliographie