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B. Glock:
"Ein System Dynamics Modell zur Prävalenz von Adipositas in Österreich - Modellbildung, Simulation und Analyse";
Supervisor: F. Breitenecker, N. Popper; E 101 - Institute for Analysis and Scientific Computing, 2014; final examination: 2014-04-30.

Obesity, defined as an enormous amount of body tissue that also may impair health, is in Austria especially among children a health concern of paramount importance. This chronic disease, measured by the body mass index (BMI), has a long list of co-morbidities, which affect each person and the health care system. Additionally, it is assumed that there is a correlation of eating and activity behaviour between parents and their children.
In this thesis a system dynamics model for the prevalence of obesity is proposed, which shows the development of the disease until 2050. Therefore two independent model parts are implemented and connected by a special defined interface. The first part of the model is a population model of Austria simulating the demographic development. The results compared to the prognosis data of Statistics Austria are nearly matching. The second part of the model is a disease model simulating the development of obesity over time through caloric intake and caloric expenditure, more precisely by calculating
the change of caloric balance relatively to the caloric balance at the start of the simulation. Therefore the population is divided into age classes, sex and the four severity degrees underweight, normal weight, overweight and obese. Changes of states are only possible between adjacent BMI categories and are divided into upflows (for gaining weight) and downflows (for losing weight). The theory on how changes in calories affect the down- or upflows is based on Homer et al. and will be adapted for the model use. Additionally a dependency of caloric intake and expenditure from children to that of their parents is implemented. For this model part it is difficult to gather reliable data. For instance, the distribution of BMI categories in the Austrian population is only available for two years, 1999 and 2006, and some of the parameters have to be calibrated out of these two datasets. An important part of this thesis is therefore the data collection and data preparation. A probabilistic sensitivity analysis on the rates regulating the up- and downflows is done to check the validity of the model. The model is implemented in the JAVA-based tool
AnyLogic. The simulation shows a slight increase in the prevalence of obesity and overweight for children and parents in 2050. Three interventions are tested where the first two interventions analyze a reduction in caloric intake for 80 kilocalories per day and respectively 160 kilocalories per day. Both interventions show a decrease of the prevalence in 2050 compared to the base run, but the effect of intervention one is compared to the effort higher than the effect of intervention 2 compared to the effort. The third intervention combines a reduction in caloric intake with an increase in physical activity. The results show that instead of a large decrease of caloric intake an increase of caloric expenditure of the same amount is much more efficient.
It is possible to connect other model parts for co-morbidities like diabetes mellitus type 2. In this thesis "only" changes due to caloric intake and expenditure are implemented, but it is possible to expand the model for other dynamic influences like eating habits or activity habits that affect the energy balance. Furthermore, other model parts like a cost model for the evaluation of health care costs can be connected too. On the contrary, model parts can be exchanged due to the modular architecture. This means that the population model can be parameterized for another country, but also the disease
model can be exchanged to that of another disease.

Adipositas, definiert als eine über das normale Maß hinausgehende Ansammlung von Fettgewebe im Körper mit möglichen Gesundheitsschädigungen, tritt in den letzten Jahren in der österreichischen Bevölkerung, auch bereits bei Kindern, immer häufiger auf. Diese chronische Erkrankung, gemessen über den Body Mass Index (BMI), hat eine ganze Reihe von Begleiterkrankungen, die jeder betroffenen Person selbst enormen Schaden zufügen und im Gesundheitssystem Kosten verursachen. Zudem wird ein Zusammenhang
des Ess- und Bewegungsverhaltens von Kindern und Jugendlichen zu dem
ihrer Eltern vermutet.
Aus diesem Grund wird in der vorliegenden Arbeit ein System Dynamics
Modell zur Prävalenz von Adipositas entworfen, welches es ermöglicht, die dynamische Entwicklung der Anzahl der Erkrankten bis 2050 abschätzen zu können. Hierzu werden zwei unabhängige Modellteile entwickelt, umgesetzt und über eine eigens definierte Schnittstelle miteinander gekoppelt. Der grundlegende erste Teil ist ein Bevölkerungsmodell mit österreichischen Daten, welches die demographische Struktur angibt und die prognostizierte
Bevölkerungsentwicklung der Statistik Austria relativ genau abbildet. Weiters wird ein Krankheitsmodell implementiert, welches über Kalorienzufuhr und Kalorienverbrauch, genau genommen über die Ver¨anderung der Energiebilanz relativ zum Simulationsstart, die Entwicklung der Krankheit in der Bevölkerung modelliert. Die Bevölkerung wird hierzu in Altersklassen, nach Geschlecht und nach den vier Schweregraden untergewichtig, normalgewichtig, übergewichtig und adipös aufgeteilt. Zustandsänderungen sind hier nur zwischen angrenzenden Schweregraden m¨oglich und werden in Upflows (Gewichtszunahmen) und Downflows (Gewichtsreduktionen) eingeteilt. Die
Theorie der Umrechnung der Veränderung der Energiebilanz auf die Ver-
¨anderung der Schweregrade stammt von Homer et al. und wird geeignet adaptiert. Zudem wird eine Abhängigkeit der Kalorienzufuhr und des -verbrauchs von Eltern zu ihren Kindern implementiert. Problematisch ist in diesem Modellteil die österreichische Datenlage, da beispielsweise die Verteilungen des BMI nur zu zwei Zeitpunkten vorliegen und fehlende Parameter aus diesen beiden Datensätzen kalibriert werden müssen. Ein wichtiger Teil der vorliegenden Arbeit ist somit unter anderem die Datenerhebung und -aufbereitung.
Zum Zweck der Validierung wird auch eine probabilistische Sensitivitätsanalyse durchgeführt, welche die Raten der Down- und Upflows variiert. Die Umsetzung erfolgt in AnyLogic, einem JAVA-basierten Simulationstool. Die Simulation zeigt einen leichten Anstieg der Prävalenz von Adipositas und Übergewicht, sowohl in der Generation der Eltern als auch bei den Kindern in 2050. Es werden drei Interventionen getestet, wobei in den ersten beiden eine Nahrungsmittelreduktion um 80 Kilokalorien sowie um 160 Kilokalorien pro Tag untersucht wird und in beiden Fällen zu einer Reduktion
der Prävalenz in 2050 führt. In der ersten Intervention wird allerdings relativ zum Aufwand der reduzierten Kalorien eine stärkere Reduktion der Prävalenz erreicht als in der zweiten Intervention. In der dritten Intervention wird der Unterschied zwischen Reduktion von Nahrungsmittelzufuhr und Erhöhung des Energieverbrauchs analysiert, wobei hier gezeigt werden kann, dass anstelle einer zu großen Nahrungsmittelreduktion eine im gleichen Ausmaß getätigte Erhöhung der sportlichen Aktivität effizienter ist.
Das Modell kann einerseits durch Begleiterkrankungen, wie zum Beispiel
Diabetes mellitus Typ 2, ergänzt werden. Da im ersten Schritt als Einflussfaktoren auf die Veränderung des BMI "nur" Kalorienzufuhr und -verbrauch betrachtet werden, ist es auch um dynamische Einflüsse, wie zum Beispiel Bewegungsverhalten, Essverhalten, etc. auf die Energiebilanz, erweiterbar. Es lassen sich auch zusätzliche Modellteile, wie etwa ein Kostenmodell zur Evaluierung entstehender Gesundheitskosten, an das bestehende Modell koppeln. Andererseits sind einzelne Modellteile durch den modularen Aufbau austauschbar und erzeugen dadurch eine breite Palette an Anwendungsmöglichkeiten. So kann zum Beispiel das Bevölkerungsmodell für die Bevölkerung eines anderen Landes parametrisiert oder aber eine andere chronische Erkrankung betrachtet werden.

System Dynamics; Obesity; Modelling; Population; Top-Down

http://publik.tuwien.ac.at/files/PubDat_233692.pdf