Vergleichende Analyse von automatischem Stuhlanalysator versus direkter Nassabstrichmikroskopie zum Nachweis parasitärer Infektionen in Stuhlproben

Zusammenfassung

Parasitäre Infektionen stellen eine erhebliche Herausforderung für die öffentliche Gesundheit dar, insbesondere in Entwicklungsländern und -regionen. In dieser Studie wird ein automatischer Stuhlanalysator verglichen, um seine diagnostische Wirksamkeit mit der der traditionellen Methode der direkten Nassabstrichmikroskopie zu bewerten.

Zusammenfassung

Mit der sozioökonomischen Entwicklung ist die Prävalenz von parasitären Darmerkrankungen von Jahr zu Jahr deutlich zurückgegangen. Parasitäre Infektionen sind jedoch nach wie vor ein großes Problem für die öffentliche Gesundheit weltweit, insbesondere in Entwicklungsländern und -regionen. Eine rechtzeitige Diagnose und Behandlung sind entscheidend, um die Ausbreitung dieser Krankheiten zu kontrollieren. Die traditionelle Methode der direkten Nassabstrichmikroskopie ist zwar weit verbreitet, aber arbeitsintensiv, anfällig für Kontaminationen und abhängig von den Fähigkeiten des Technikers. In diesem Artikel wird ein automatischer Stuhlanalysator vorgestellt, der die Verarbeitung von Stuhlproben automatisiert und Vorteile gegenüber der traditionellen direkten Nassabstrich-Mikroskopie-Methode bietet, wie z. B. einfache Bedienung, schnelle Detektion, eine saubere und hygienische Arbeitsumgebung sowie eine hohe Sensitivität und Spezifität, wodurch die diagnostische Effizienz und Genauigkeit verbessert wird.

Wir haben drei verschiedene Methoden für die Stuhlanalyse verglichen: die direkte Nassabstrich-Mikroskopie-Methode, den automatischen Kotanalysator (AI-Bericht) und den automatischen Stuhlanalysator (Benutzeraudit). Der KI-Bericht verwendet automatisierte Bildanalyse und Algorithmen des maschinellen Lernens, um Komponenten wie Parasiten und Eier in Stuhlproben zu identifizieren. Mit dieser Methode kann eine große Anzahl von Proben schnell verarbeitet werden, was die Effizienz erhöht. Das Benutzeraudit verwendet ebenfalls einen automatischen Stuhlanalysator, umfasst jedoch einen zusätzlichen Schritt der Benutzerüberwachung. Erfahrene Techniker überprüfen den KI-Bericht, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Ergebnisse zu verbessern. Der Analysator zeigte eine Sensitivität von 84,31 % für KI-Berichte und 94,12 % für Benutzeraudits sowie eine Spezifität von 98,71 % für KI-Berichte und 99,69 % für Benutzeraudits, was ihn zu einem unschätzbaren Werkzeug für die klinische Diagnose und Behandlung von parasitären Infektionen macht.

Einleitung

Weltweit sind parasitäre Darmerkrankungen nach wie vor ein wesentliches Problem für die öffentliche Gesundheit, vor allem in Entwicklungsländern. Historische Daten der Gesundheits- und Wohlfahrtskommission der Volksrepublik China zeigen einen deutlichen Rückgang der Infektionsraten von 62,63 % im Jahr 1992 auf 5,96 % im Jahr 2015^1,2,3. Trotz des dramatischen Rückgangs ¹ mit einer gewichteten nationalen Prävalenz von 0,47 % und geschätzten 5,98 Millionen Infizierten³ bleibt die Prävalenz von Clonorchis sinensis-Infektionen in der Bevölkerung von Guangdong mit 4,90 %^{4 bemerkenswert hoch}. Bestimmte Regionen wie Guangdong weisen nach wie vor höhere Infektionsraten von C. sinensis auf, was die Notwendigkeit präziser diagnostischer Methoden unterstreicht.

Die Diagnose parasitärer Krankheiten kann durch mikroskopische Untersuchungen, medizinische Bildgebung, serologische und molekulare Methoden erreicht werden. Die serologische Analyse mittels Enzyme-linked Immunosorbent Assay (ELISA) ist hilfreich bei der Diagnose parasitärer Erkrankungen, aber die Sensitivität ist mit ca. 80%^{5 moderat}. Molekularbiologische Diagnoseverfahren weisen eine hohe Sensitivität und Spezifität auf⁶), aber sie werden durch umständliche, zeitaufwändige Operationen und hohe Testkosten behindert, was sie für groß angelegte Routinetests ungeeignet macht.

Der Nachweis von C. sinensis-Eiern im Kot des Patienten ist die Grundlage für die Bestätigung der Diagnose. Die Kato-Katz-Methode des dicken Abstrichs, bei der nach C. sinensis-Eiern gesucht wird, ist die klassische Methode, die häufig zur Diagnose parasitärer Krankheiten verwendet wird^7,8. Es ist zwar kostengünstig, aber zeitaufwändig, arbeitsintensiv und für die klinische Praxis ungeeignet, da eine große Anzahl von Proben zu screenen ist. Die meisten Primärkrankenhäuser verwenden derzeit die Methode der direkten Nassabstrich-Mikroskopie. Diese Methode ist jedoch immer noch zeit- und arbeitsintensiv, mit unangenehmem Fäkalgeruch und anfällig für Kreuzkontaminationen, hohe Biosicherheitsrisiken und Ergebnisse, die von der Expertise und Sorgfalt des Testpersonals abhängen⁹.

Konventionelle Diagnosetechniken sind zwar wertvoll, stoßen aber in Bezug auf Sensitivität und Praktikabilität an ihre Grenzen. Mit den fortschreitenden Fortschritten in Wissenschaft und Technologie werden Kotuntersuchungen jedoch immer automatisierter und standardisierter. Automatisierte Instrumente, die digitale bildbasierte Methoden zum quantitativen Nachweis von Parasiten oder Parasiteneiern im Kot nutzen, werden in klinischen Laboren immer beliebter. Sie bieten Vorteile wie einfache Bedienung, schnelle Detektion, eine saubere und hygienische Arbeitsumgebung sowie eine hohe Empfindlichkeit und Spezifität. Der automatische Kotanalysator verwendet digitale Bildgebungstechnologie, um mikroskopische Beobachtungen zu dokumentieren, indem er eine Reihe von digitalen Fotos mit niedriger und hoher Vergrößerung durch das Mikroskop und sein integriertes digitales Bildgebungssystem aufnimmt. Das System überträgt diese Bilder dann an ein computergestütztes Datenverarbeitungssystem, das sie entsprechend identifiziert und analysiert. In jüngster Zeit haben wir versucht, ein Spektrum von parasitären Infektionen zu diagnostizieren, wobei wir uns auf den Nachweis von Parasiten und ihren Eiern in Stuhlproben konzentriert haben. Positive Proben werden durch das Vorhandensein ihrer morphologischen Merkmale identifiziert. Wir haben den Automatic Fecal Analyzer zum Nachweis von Parasiten in Stuhlproben evaluiert und sein Potenzial als Ergänzung zu herkömmlichen Mikroskopiemethoden bestätigt. Der Automatic Fecal Analyzer besteht aus einem Mainframe und einer begleitenden Software mit mehreren spezialisierten Einheiten, darunter eine automatische Probenahmeeinheit, eine Punktionsprobenahmeeinheit, eine Probencharakteristik- und Farbbeobachtungseinheit, eine Kameraeinheit und eine Reagenzkarteneinheit (Abbildung 1).

Abbildung 1: Komponenten des Instruments. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

In dieser Studie wurden 2.305 frische Stuhlproben von stationären Patienten des Volkskrankenhauses der Provinz Guangdong im Juli 2024 doppelblind mit dem automatischen Stuhlanalysator und der direkten Nassabstrich-Mikroskopie-Methode (Abbildung 2) ausgewertet. Eine Gruppe führte Tests mit einer direkten Nassabstrich-Mikroskopie-Methode durch, während die andere einen automatischen Stuhlanalysator mit einem KI-generierten Bericht verwendete. Nach der Dokumentation der Ergebnisse jeder Gruppe überprüfte eine dritte Gruppe von Experimentatoren die vom automatischen Analysator aufgenommenen Bilder manuell. Sie untersuchten den Verdacht auf Parasiten oder Eier, Bilder, die von der automatischen Analyse abwichen, unscharfe oder fehlende Bilder und solche mit komplexem Hintergrund, die übermäßige Rückstände enthielten. Dieser Prozess beinhaltete die Korrektur der Ergebnisse, die dann als Benutzeraudit des automatischen Kotanalysators bezeichnet wurden. Abschließend fasste eine vierte Person die Ergebnisse zusammen und analysierte sie statistisch. Die Wirksamkeit der vollautomatischen Stuhlinstrumentierung wurde durch einen doppelblinden Nachweis von Parasiten/Eiern bewertet, wobei die Nachweiszeit und die Ergebnisse der drei Methoden verglichen wurden.

Abbildung 2: Schematische Darstellung des Forschungsplans. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Protokoll

Diese Studie wurde vom Ethical Review Committee des Guangdong Provincial People's Hospital, Southern Medical University, Guangzhou, China genehmigt (Zulassungsnummer: KY2024-445-02). Alle Teilnehmer haben vor der Einschreibung eine schriftliche Einverständniserklärung unterschrieben. Die für die Studie verwendeten Reagenzien und Geräte sind in der Materialtabelle aufgeführt.

1. Probenentnahme

1. Verwenden Sie die Probenentnahmeröhrchen des Herstellers für automatische Fäkalienanalysatoren und stellen Sie sicher, dass sie verschlossen, versiegelbar, sauber, trocken und undicht sind und eine geeignete Öffnung und ein entsprechendes Volumen für Mehrpunktproben haben.
2. Wählen Sie so viel frische, abnormale Fäkalien wie möglich, die Schleim, Eiter oder Blut enthalten, mit einer Zielmenge von ca. 0,5 g. Wenn der Kot verdünnt oder wässrig ist, verwenden Sie eine Einwegpipette, um das erforderliche Probenvolumen zu entnehmen.
   HINWEIS: Es muss darauf geachtet werden, dass eine Kontamination durch alle Stuhlproben, die nicht vom Patienten stammen, vermieden wird. Dazu gehören unter anderem Kot aus Einläufen oder Abführmitteln auf Ölbasis, Proben aus Bettpfannen oder Toiletten, durch Pflanzen kontaminierter Kot, Erde, Abwasser, Desinfektionsmittel, Reinigungsmittel, Urin, Menstruationsblut oder Leukorrhoe.

2. Methoden zur Untersuchung von Fäkalien

1. Direkte Nassabstrich-Mikroskopie, Methode^10,11
   1. Tragen Sie 1-2 Tropfen Kochsalzlösung auf einen sauberen Objektträger auf.
   2. Entnehmen Sie eine kleine Probe aus dem abnormalen Bereich oder aus mehreren Bereichen des Kots zum Verschmieren.
   3. Verteilen Sie die Probe gleichmäßig auf dem Objektträger. Passen Sie die Dicke des Abstrichs an, um die Sichtbarkeit der Details zu gewährleisten.
   4. Legen Sie ein Deckglas über den Abstrich und vermeiden Sie dabei Luftblasen.
   5. Scannen Sie mehr als 10 Sichtfelder bei geringer Vergrößerung (10x). Wenn Parasiteneier oder Parasiten nachgewiesen werden, wechseln Sie zur detaillierten morphologischen Beobachtung auf eine hohe Vergrößerung (40x).
      HINWEIS: Eine Untersuchung des Objektträgers mit geringer Vergrößerung in einer "Zinnen"-Sequenz wird empfohlen, um das Risiko von Fehlschlägen zu minimieren.
2. Automatischer Stuhlanalysator (Abbildung 3)
   1. Schalten Sie den Computer und den Analysator ein, klicken Sie hier, um die Software zu starten, geben Sie den Benutzernamen und das Kennwort ein und warten Sie, bis das Gerät einen Selbsttest durchgeführt hat.
   2. Sammeln Sie den qualifizierten Kot mit dem entsprechenden Probenentnahmeröhrchen.
      HINWEIS: Frischer, abnormaler Kot, der Schleim, Eiter oder Blut mit einem Gewicht von ca. 0,5 g enthält, ist die bevorzugte Probe.
   3. Setzen Sie das Probenentnahmeröhrchen in den Probenhalter des Analysators ein, stellen Sie das Probengestell auf den automatischen Probeneinlass und klicken Sie auf Start für den ersten Test nach dem Selbsttest.
      HINWEIS: Nachfolgende Tests werden vom Gerät automatisch erkannt und durchgeführt. Der Instrumentenroboter fotografiert die Probe zur Dokumentation.
   4. Geben Sie 5 ml Verdünnungsmittel in das Probenröhrchen, mischen Sie es gut durch pneumatisches Mischen und lassen Sie die Probe vor der Analyse absetzen.
      HINWEIS: Das Probenentnahmeröhrchen ist mit einem speziellen Filter ausgekleidet, um Rückstände ohne pathologische Bedeutung zu entfernen, wie z. B. große Mengen an Pflanzenfasern, Samen und unverdaute Speisereste.
   5. Lassen Sie die Probe zur Analyse in die Zählzelle fließen, wo der Analysator hochauflösende mikroskopische Bilder unter dem Mikroskop aufnimmt und die Software die Bilder verarbeitet und erkennt.
   6. Wechseln Sie zur Ergebnisoberfläche, überprüfen Sie die Testbilder und senden Sie das Ergebnis an das Laborinformationsmanagementsystem (LIS) oder drucken Sie es aus.
   7. Klicken Sie auf Stopp, um den Test zu beenden.
   8. Wählen Sie Flush and Shutdown.
   9. Beladen Sie das Gestell mit konzentrierter Reinigungsflüssigkeit. Das Gerät wird automatisch gespült und abgeschaltet.

Abbildung 3: Arbeitsablauf des automatisierten Fäkalanalysatorsystems. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

3. Methodische Bewertung

1. Berechnung der Detektionszeit
   HINWEIS: Die Erkennungszeiten wurden berechnet, indem die Start- und Endzeiten jedes Testverfahrens aufgezeichnet wurden. Die Testergebnisse wurden verglichen, indem die Sensitivität und Spezifität jeder Methode beim Nachweis von Parasiten analysiert wurde.
   1. Methode der direkten Nassabstrich-Mikroskopie
      1. Messen Sie für jede Kotprobe die Zeit, die benötigt wird, um reiskorngroße Fäkalien aufzunehmen, und verteilen Sie sie gleichmäßig auf einem Objektträger.
      2. Messen Sie die Zeit, die zum Ablesen der Ergebnisse für jeden Teilnehmer benötigt wird.
      3. Fügen Sie die Abstrich- und Lesezeiten für jeden Teilnehmer hinzu.
      4. Multiplizieren Sie die Summe aus Schritt 3.1.1.3 mit der Anzahl der Teilnehmer, um die Gesamttestzeit für die Methode der direkten Nassabstrich-Mikroskopie (T₁) zu erhalten.
      5. T₁ aus Schritt 3.1.1.4 wird durch die Anzahl der getesteten Proben dividiert, um die durchschnittliche Testzeit für die Methode der direkten Nassabstrichmikroskopie (t₁) zu erhalten.
   2. Der automatische Kotanalysator (KI-Bericht)
      HINWEIS: Der Vorgang kann von einer einzelnen Person durchgeführt werden.
      1. Messen Sie die Testzeit des automatischen Kotanalysators für jede Probe (T₂).
      2. Teilen Sie T₂ durch die Anzahl der getesteten Proben, um die durchschnittliche Testzeit für den automatischen Stuhlanalysator (KI-Bericht) (t₂) zu erhalten.
   3. Der automatische Kotanalysator (Benutzeraudit)
      1. Messen Sie die Testzeit des automatischen Fäkalienanalysators für jede Probe (siehe Schritt 3.1.2).
      2. Messen Sie die Zeit für die manuelle Bildüberprüfung für jede Probe. Starten Sie den Timer (Stoppuhr oder digitaler Timer), sobald die Überprüfung der Bilder beginnt, die vom automatischen Stuhlanalysator aus einer Probe aufgenommen wurden. Untersuchen Sie die Bilder sorgfältig, um relevante Komponenten oder Anomalien zu identifizieren. Stoppen Sie den Timer, sobald die Überprüfung für diese Stichprobe abgeschlossen ist, notieren Sie sich die für jede Stichprobenüberprüfung benötigte Zeit und geben Sie die Daten zur weiteren Analyse in eine Tabelle ein.
      3. Fügen Sie für jede Probe die Testzeit des automatischen Fäkalienanalysators und die Zeit für die manuelle Bildüberprüfung hinzu.
      4. Multiplizieren Sie die Summe aus Schritt 3.1.3.3 mit der Anzahl der Teilnehmer, um die Gesamttestzeit für den automatischen Kotanalysator (Benutzeraudit) (T₃) zu erhalten.
      5. Teilen Sie t₃ durch die Anzahl der getesteten Proben, um die durchschnittliche Testzeit für den automatischen Stuhlanalysator (Benutzeraudit) (t₃) zu erhalten.
2. Vergleich der Testergebnisse
   HINWEIS: Die Leistung des KI-generierten Berichts des automatischen Fäkalienanalysators und die Ergebnisse des Benutzeraudits wurden anhand der Methode des direkten Nassabstrichs als Benchmark bewertet.
   1. Sammeln Sie die Ergebnisse der Methode der direkten Nassabstrich-Mikroskopie, die als Benchmark dienen wird.
   2. Sammeln Sie die Ergebnisse aus dem KI-generierten Bericht des automatischen Fäkalienanalysators.
   3. Sammeln Sie die Ergebnisse aus der Benutzerprüfung des automatischen Fäkalienanalysators.
3. Berechnen Sie die Bewertungsmetriken.
   1. Betrachten Sie eine Probe als True Positiv (TP), wenn die Ergebnisse des automatischen Stuhlanalysators (KI-Bericht oder Benutzeraudit) und der Methode der direkten Nassabstrichmikroskopie beide auf das Vorhandensein des Zielanalyten hinweisen.
   2. Betrachten Sie eine Probe als richtig negativ (TN), wenn sowohl die Ergebnisse des automatischen Stuhlanalysators (KI-Bericht oder Benutzeraudit) als auch die Methode der direkten Nassabstrichmikroskopie auf das Fehlen des Zielanalyten hinweisen.
   3. Betrachten Sie eine Probe als falsch positiv (FP), wenn der KI-Bericht oder die Benutzerprüfung des automatischen Stuhlanalysators auf das Vorhandensein des Zielanalyten hinweist, die Methode der direkten Nassabstrichmikroskopie jedoch dessen Vorhandensein nicht bestätigt.
   4. Betrachten Sie eine Probe als falsch negativ (FN), wenn der KI-Bericht oder die Benutzerprüfung des automatischen Stuhlanalysators das Fehlen des Zielanalyten anzeigt, während die Methode der direkten Nassabstrichmikroskopie tatsächlich dessen Vorhandensein nachweist.
   5. Berechnen Sie die Spezifität wie folgt:
      Spezifität = Richtig Negative (TN) / (Richtig Negative + Falsch Positive)
   6. Berechnen Sie die Empfindlichkeit wie folgt.
      Sensitivität = Richtig Positiv (TP) / (Richtig Positiv + Falsch Negativ)
   7. Berechnen Sie den positiven prädiktiven Wert (PPV) wie folgt:
      PPV = Richtig Positiv (TP) / (Richtig Positiv + Falsch Positiv)
   8. Berechnen Sie den negativen prädiktiven Wert (NPV) wie folgt:
      NPV = Richtig Negative (TN) / (Richtig Negative + Falsch Negative)
   9. Berechnen Sie den Kappa-Wert mit Hilfe einer Statistiksoftware.
   10. Berechnen Sie die Compliance-Rate wie folgt:
       Compliance-Rate = Vereinbarungen (sowohl KI als auch Benutzerbericht stimmen mit dem Benchmark überein) / Stichproben insgesamt.
   11. Berechnen Sie die positive Erkennungsrate wie folgt:
       Positive Nachweisrate = Anzahl der positiven Ergebnisse / Gesamtzahl der Proben.

4. Analysieren Sie die Ergebnisse

1. Geben Sie die Daten in Tabellenkalkulationen ein und analysieren Sie sie statistisch.
2. Verwenden Sie für Zähldaten Raten und Proportionen zur Beschreibung, und vergleichen Sie zwischen Gruppen mit dem gepaarten vierseitigen Chi-Quadrat-Test.
3. Vergleichen Sie die mittleren Nachweiszeiten zwischen den beiden Methoden mit dem unabhängigen Stichproben-T-Test.
4. Bewerten Sie die Konsistenz beim Nachweis von Parasitenarten zwischen den Techniken über die Kappa (κ)-Vereinbarung.
5. Betrachten Sie P < 0,05 als statistisch signifikant.

Ergebnisse

Vergleich der Nachweiszeiten zwischen den drei Nachweismethoden
Die durchschnittliche Nachweiszeit betrug 1,55 min pro Person und Probe für die direkte Nassabstrich-Methode, 1,30 min pro Person und Probe für den automatischen Stuhlanalysator (AI-Bericht) und 1,47 min pro Person und Probe für den automatischen Stuhlabstrich (Benutzeraudit). Die Methode der direkten Nassabstrichmikroskopie erforderte eine 1,1-mal längere Dauer als der Automatic Fecal Analyzer (AI-Bericht) (t = 2,442, P

Diskussion

Parasitäre Krankheiten stellen ein erhebliches globales Problem für die öffentliche Gesundheit^{dar 12}, insbesondere in Entwicklungsländern, wo sie zu Gesundheitsproblemen wie Unterernährung, Wachstumsverzögerungen, Anämie und Gallenwegsobstruktion¹³ führen und auch mit unzureichender sozioökonomischer Entwicklung und Bildung verbunden sind. Stuhltests auf Parasiten sind zu einem routinemäßigen Bestandteil der klinischen Praxis geworden, wobei Genauigkeit, Geschwindigkeit und...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Software für den automatischen Fäkalienanalysator (FA280S)	ORIENTER	v.1.028 (RecoV2.9.14)	Die Software des Systems des automatischen Fäkalienanalysators (FA280S)
Konzentrierte Reinigungsflüssigkeit	ORIENTER		Geeignet für die Reinigung von Rohrleitungen
Abdeckung	GLASS SAIL BRAND		Schützen Sie die Probe vor Beschädigung und Kontamination.
Einweg-Plastikstrohhalm	Nantong Lingke Biotechnologie		Einweg-Plastikstrohhalm zum Absaugen von physiologischer Kochsalzlösung
FA280S	ORIENTER	A022201035	Vollautomatischer Kotanalysator
Spülflüssigkeit	ORIENTER	Q/WWT-019-2021	Spülleitung von vollautomatischem Kotanalysator hergestellt
Mikroskop	OLYMPUS	3H51278	Beobachtung von Zellen
Objektträger		WS-7101	Sie bieten eine stabile, ebene Oberfläche, um Proben für die Untersuchung unter dem Mikroskop zu montieren.
Probenverdünnungsmittel	ORIENTER	Sichuan Rong Machinery 20150025	Geeignet für die Verdünnung von Stuhlproben
Probengestell	ORIENTER		Ladegestelle
Probenröhrchen	ORIENTER	Sichuan Rong Machinery 20200204	Kotsammler
Natriumchloeide Injektion	Guangdong Daxiang Pharmaceutical Co.	H14020786	Verdünnung
SPSS Statistiksoftware	IBM	SPSS Statistics 22.0	Geeignet für eine Vielzahl von Forschungs- und Analyseaufgaben
Holzstäbchen			Ein Einweg-Holzstäbchen, mit dem eine angemessene Menge an Kotproben entnommen werden kann.