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 stellen Darmparasitenerkrankungen weiterhin ein erhebliches Problem für die öffentliche Gesundheit dar, 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 Rückgangs¹, mit einer gewichteten bundesweiten Prävalenz von 0,47 % und geschätzten 5,98 Millionen infizierten Personen³, bleibt die Prävalenz der Clonorchis sinensis-Infektion in der Bevölkerung von Guangdong mit 4,90 % bemerkenswert hoch⁴. Bestimmte Regionen wie Guangdong weisen weiterhin höhere Raten an C. sinensis-Infektionen auf, was die Notwendigkeit präziser diagnostischer Methoden unterstreicht.

Die Diagnose parasitärer Erkrankungen kann durch mikroskopische Untersuchungen, bildgebende Verfahren, serologische und molekularbiologische Methoden erfolgen. Die serologische Analyse mittels Enzyme-Linked Immunosorbent Assay (ELISA) ist hilfreich bei der Diagnose parasitärer Erkrankungen, weist jedoch eine moderate Empfindlichkeit von etwa 80 %⁵ auf. Molekularbiologische diagnostische Verfahren weisen eine hohe Empfindlichkeit und Spezifität auf⁶, sind jedoch durch aufwändige, zeitraubende Arbeitsabläufe und hohe Testkosten eingeschränkt, was sie für großflächige Routineuntersuchungen ungeeignet macht.

Der Nachweis von C. sinensis-Eiern im Stuhl des Patienten bildet die Grundlage zur Bestätigung der Diagnose. Die Kato-Katz-Dickdarmpräparat-Methode, bei der nach C. sinensis-Eiern gesucht wird, ist die klassische, häufig verwendete Methode zur Diagnose parasitärer Erkrankungen^7,8. Obwohl kostengünstig, ist sie zeitaufwändig, arbeitsintensiv und aufgrund der hohen Anzahl zu untersuchender Proben für die klinische Praxis ungeeignet. Die meisten primären Krankenhäuser setzen derzeit die Methode der direkten nassen Mikroskopie ein. Diese Methode ist jedoch weiterhin zeitaufwändig und arbeitsintensiv, mit unangenehmem Stuhlgeruch verbunden, anfällig für Kreuzkontaminationen, birgt hohe biosecurity-Risiken, und die Ergebnisse hängen von der Fachkompetenz und Sorgfalt des Untersuchungspersonals ab⁹.

Konventionelle diagnostische Verfahren weisen, obwohl sie wertvoll sind, Einschränkungen hinsichtlich der Empfindlichkeit und Praktikabilität auf. Mit den fortschreitenden Entwicklungen in Wissenschaft und Technologie wird die Stuhluntersuchung jedoch zunehmend automatisiert und standardisiert. Automatisierte Geräte, die digitale bildbasierte Methoden zur quantitativen Nachweis von Parasiten oder Parasiteneiern im Stuhl nutzen, gewinnen in klinischen Laboren an Beliebtheit. Sie bieten Vorteile wie einfache Bedienung, schnelle Detektion, eine saubere und hygienische Arbeitsumgebung sowie hohe Empfindlichkeit und Spezifität. Der automatische Stuhlanalysator verwendet eine digitale Bildgebungstechnologie, um mikroskopische Beobachtungen zu dokumentieren, indem er über das Mikroskop und sein integriertes digitales Bildgebungssystem eine Reihe von digitalen Aufnahmen mit niedriger und hoher Vergrößerung erfasst. Das System überträgt diese Bilder anschließend an ein computergestütztes Datenverarbeitungssystem, das sie entsprechend identifiziert und analysiert. Kürzlich haben wir versucht, ein Spektrum parasitärer Infektionen zu diagnostizieren, wobei der Schwerpunkt auf dem Nachweis von Parasiten und deren Eiern in Stuhlproben lag. Positive Proben werden anhand ihres Vorhandenseins morphologischer Merkmale identifiziert. Wir bewerteten den automatischen Stuhlanalysator hinsichtlich seines Potenzials zum Nachweis von Parasiten in Stuhlproben und bestätigten seine Eignung als Ergänzung zu konventionellen mikroskopischen Methoden. Der automatische Stuhlanalysator besteht aus einer Haupteinheit und einer begleitenden Software, die mehrere spezialisierte Komponenten umfasst, darunter eine automatische Probennahmeeinheit, eine Stichprobennahmeeinheit, eine Einheit zur Beobachtung von Probenmerkmalen und Farbe, eine Kameraeinheit und eine Reagenzkarteneinheit (Abbildung 1).

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

In dieser Studie wurden im Juli 2024 insgesamt 2.305 frische Stuhlproben von stationären Patienten des Provinzkrankenhauses Guangdong mit dem Automatischen Stuhlanalysator und der Methode der direkten nassen Präparatmikroskopie in doppelt-blinder Weise ausgewertet (Abbildung 2). Eine Gruppe führte die Untersuchungen mittels der Methode der direkten nassen Präparatmikroskopie durch, während die andere Gruppe einen Automatischen Stuhlanalysator mit einem KI-generierten Bericht verwendete. Nach Dokumentation der Ergebnisse beider Gruppen überprüfte eine dritte Gruppe von Experimentatoren manuell die vom automatischen Analysator aufgezeichneten Bilder. Dabei suchten sie gezielt nach verdächtigen Parasiten oder Eiern, Bildern, die von der automatischen Analyse abwichen, unscharfen oder fehlenden Aufnahmen sowie solchen mit komplexem Hintergrund und übermäßigen Rückständen. Dieser Prozess umfasste die Korrektur der Ergebnisse, die anschließend als Benutzerprüfung des Automatischen Stuhlanalysators bezeichnet wurden. Schließlich fasste eine vierte Person die Ergebnisse zusammen und analysierte sie statistisch. Die Wirksamkeit der vollautomatischen Stuhluntersuchungsgeräte wurde anhand einer doppelt-blinden Detektion von Parasiten/Eiern bewertet, wobei die Detektionszeit und die Ergebnisse der drei Methoden miteinander verglichen wurden.

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

Protokoll

Diese Studie wurde vom Ethikprüfungsausschuss des Provinzkrankenhauses Guangdong, Southern Medical University, Guangzhou, China, genehmigt (Genehmigungsnummer: KY2024-445-02). Alle Teilnehmer unterschrieben vor der Einschreibung eine schriftliche Einverständniserklärung. Die für die Studie verwendeten Reagenzien und Geräte sind in der Tabelle der Materialien aufgeführt.

1. Probensammlung

1. Verwenden Sie die Probensammelröhrchen des Herstellers des automatischen Stuhl-Analysators, wobei sichergestellt sein muss, dass sie verschließbar, dicht, sauber, trocken und mit einer geeigneten Öffnung und Kapazität für die Mehrpunktprobenentnahme sind.
2. Entnehmen Sie so viel frisches, auffälliges Stuhlmaterial wie möglich, das Schleim, Eiter oder Blut enthält, mit einer Zielmenge von etwa 0,5 g. Bei dünnflüssigem oder wässrigem Stuhl verwenden Sie eine Einwegpipette, um das erforderliche Probenvolumen zu sammeln.
   HINWEIS: Es ist darauf zu achten, dass keine Kontamination durch nicht vom Patienten stammende Stuhlproben auftritt. Dazu gehören unter anderem Stuhlproben nach Einläufen oder ölhaltigen Abführmitteln, Proben aus Urinflaschen oder Toiletten, durch Pflanzen, Erde, Abwasser, Desinfektionsmittel, Reinigungsmittel, Urin, Menstruationsblut oder Leukorrhoe kontaminierte Stuhlproben.

2. Methoden zur Stuhluntersuchung

1. Methode der direkten nassen Ausstrichmikroskopie^10,11
   1. 1–2 Tropfen Kochsalzlösung auf einen sauberen Objektträger geben.
   2. Eine kleine Probe aus dem auffälligen Bereich oder aus mehreren Bereichen des Stuhls zur Ausstrichherstellung entnehmen.
   3. Die Probe gleichmäßig auf dem Objektträger verteilen. Die Dicke des Ausstrichs so anpassen, dass die Details gut sichtbar sind.
   4. Ein Deckglas über den Ausstrich legen, dabei Luftblasen vermeiden.
   5. Mehr als 10 Gesichtsfelder bei niedriger Vergrößerung (10x) untersuchen. Falls Parasiteneier oder Parasiten gefunden werden, auf hohe Vergrößerung (40x) umschalten, um eine detaillierte morphologische Beurteilung vorzunehmen.
      HINWEIS: Es wird empfohlen, die Probe bei niedriger Vergrößerung in einer „Zackenform“ („battlements“-Sequenz) zu untersuchen, um die Gefahr von Übersehen zu minimieren.
2. Automatischer Stuhl-Analysator (Abbildung 3)
   1. Den Computer und den Analysator einschalten, die Software starten, Benutzernamen und Passwort eingeben und warten, bis das Gerät eine Selbstprüfung durchgeführt hat.
   2. Den geeigneten Stuhlprobenbehälter verwenden, um eine qualifizierte Probe zu sammeln.
      HINWEIS: Frischer auffälliger Stuhl mit Schleim, Eiter oder Blut mit einem Gewicht von etwa 0,5 g ist die bevorzugte Probe.
   3. Den Probenbehälter in den Probenträger des Analysators stellen, den Probenträger auf den automatischen Probenzufuhrschlitz setzen und nach Abschluss der Selbstprüfung auf „Start“ klicken, um den ersten Test durchzuführen.
      HINWEIS: Nachfolgende Tests werden automatisch vom Gerät erkannt und durchgeführt. Der Geräte-Roboter macht zur Dokumentation Fotos der Probe.
   4. 5 mL Verdünnungslösung in das Probenröhrchen geben, pneumatisch gut mischen und die Probe vor der Analyse sedimentieren lassen.
      HINWEIS: Das Probensammelröhrchen ist mit einem speziellen Filter ausgekleidet, der Rückstände ohne pathologische Bedeutung wie große Mengen pflanzlicher Fasern, Samen und unverdaute Nahrungsreste entfernt.
   5. Die Probe in die Zählkammer fließen lassen, wo der Analysator hochauflösende mikroskopische Bilder unter dem Mikroskop aufnimmt und die Software die Bilder verarbeitet und erkennt.
   6. Zum Ergebnis-Interface wechseln, die Testbilder überprüfen und die Ergebnisse an das Laborinformationssystem (LIS) senden oder ausdrucken.
   7. Auf Stop klicken, um den Test zu beenden.
   8. „Spülen und Herunterfahren“ auswählen.
   9. Das Gestell mit der konzentrierten Klärflüssigkeit einsetzen. Das Gerät spült automatisch durch und schaltet sich ab.

Abbildung 3: Ablauf des automatisierten Stuhl-Analysesystems. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

3. Methodische Bewertung

1. Berechnung der Nachweiszeit
   ANMERKUNG: Die Nachweiszeiten wurden durch Aufzeichnung der Start- und Endzeiten jedes Testverfahrens ermittelt. Die Testergebnisse wurden verglichen, indem die Sensitivität und Spezifität jeder Methode beim Nachweis von Parasiten analysiert wurden.
   1. Direkte nasse Ausstrichmikroskopie-Methode
      1. Für jede Stuhlprobe die Zeit messen, die benötigt wird, um faustgroße Stuhlportionen aufzunehmen und gleichmäßig auf einem Objektträger zu verteilen.
      2. Die Zeit messen, die für die Auswertung der Ergebnisse jeder Versuchsperson benötigt wird.
      3. Die Zeiten für das Auftragen und die Auswertung für jede Versuchsperson addieren.
      4. Die Summe aus Schritt 3.1.1.3 mit der Anzahl der Teilnehmer multiplizieren, um die Gesamttestdauer für die Methode der direkten nassen Ausstrichmikroskopie (T₁) zu erhalten.
      5. T₁ aus Schritt 3.1.1.4 durch die Anzahl der getesteten Proben dividieren, um die durchschnittliche Testdauer für die Methode der direkten nassen Ausstrichmikroskopie (t₁) zu erhalten.
   2. Der automatische Stuhlanalysator (KI-Bericht)
      ANMERKUNG: Der Prozess kann von einer einzelnen Person durchgeführt werden.
      1. Die Testdauer des automatischen Stuhlanalysators für jede Probe messen (T₂).
      2. T₂ durch die Anzahl der getesteten Proben dividieren, um die durchschnittliche Testdauer für den automatischen Stuhlanalysator (KI-Bericht) (t₂) zu erhalten.
   3. Der automatische Stuhlanalysator (Benutzerprüfung)
      1. Die Testdauer des automatischen Stuhlanalysators für jede Probe messen (siehe Schritt 3.1.2).
      2. Die Zeit für die manuelle Bildüberprüfung für jede Probe messen. Den Timer (Stoppuhr oder digitale Zeiterfassung) starten, sobald die Überprüfung der vom automatischen Stuhlanalysator aufgenommenen Bilder einer Probe beginnt. Die Bilder sorgfältig untersuchen, um relevante Bestandteile oder Auffälligkeiten zu identifizieren. Den Timer stoppen, sobald die Überprüfung für diese Probe abgeschlossen ist, die benötigte Zeit für jede Probenüberprüfung notieren und die Daten in eine Tabellenkalkulation zur weiteren Analyse eingeben.
      3. Die Testdauer des automatischen Stuhlanalysators und die Zeit für die manuelle Bildüberprüfung für jede Probe addieren.
      4. Die Summe aus Schritt 3.1.3.3 mit der Anzahl der Teilnehmer multiplizieren, um die Gesamttestdauer für den automatischen Stuhlanalysator (Benutzerprüfung) (T₃) zu erhalten.
      5. T₃ durch die Anzahl der getesteten Proben dividieren, um die durchschnittliche Testdauer für den automatischen Stuhlanalysator (Benutzerprüfung) (t₃) zu erhalten.
2. Vergleich der Testergebnisse
   ANMERKUNG: Die Leistung des KI-generierten Berichts und der Benutzerprüfung des automatischen Stuhlanalysators wurde unter Verwendung der direkten nassen Ausstrichmethode als Referenz bewertet.
   1. Die Ergebnisse der Methode der direkten nassen Ausstrichmikroskopie sammeln, die als Referenz dienen wird.
   2. Die Ergebnisse des KI-generierten Berichts des automatischen Stuhlanalysators sammeln.
   3. Die Ergebnisse der Benutzerprüfung des automatischen Stuhlanalysators sammeln.
3. Berechnung der Evaluierungsmetriken.
   1. Ein Sample als „True Positive“ (TP) betrachten, wenn sowohl die Ergebnisse des automatischen Stuhlanalysators (KI-Bericht oder Benutzerprüfung) als auch die der direkten nassen Ausstrichmikroskopie das Vorhandensein des Zielanalyten anzeigen.
   2. Ein Sample als „True Negative“ (TN) betrachten, wenn sowohl die Ergebnisse des automatischen Stuhlanalysators (KI-Bericht oder Benutzerprüfung) als auch die der direkten nassen Ausstrichmikroskopie das Fehlen des Zielanalyten anzeigen.
   3. Ein Sample als „False Positive“ (FP) betrachten, wenn der KI-Bericht oder die Benutzerprüfung des automatischen Stuhlanalysators das Vorhandensein des Zielanalyten angibt, die Methode der direkten nassen Ausstrichmikroskopie dies jedoch nicht bestätigt.
   4. Ein Sample als „False Negative“ (FN) betrachten, wenn der KI-Bericht oder die Benutzerprüfung des automatischen Stuhlanalysators das Fehlen des Zielanalyten angibt, während die Methode der direkten nassen Ausstrichmikroskopie dessen Vorhandensein tatsächlich nachweist.
   5. Spezifität wie folgt berechnen:
      Spezifität = True Negatives (TN) / (True Negatives + False Positives)
   6. Sensitivität wie folgt berechnen.
      Sensitivität = True Positives (TP) / (True Positives + False Negatives)
   7. Positiver Vorhersagewert (PPV) wie folgt berechnen:
      PPV = True Positives (TP) / (True Positives + False Positives)
   8. Negativer Vorhersagewert (NPV) wie folgt berechnen:
      NPV = True Negatives (TN) / (True Negatives + False Negatives)
   9. Den Kappa-Wert mithilfe einer statistischen Software berechnen.
   10. Die Übereinstimmungsrate wie folgt berechnen:
       Übereinstimmungsrate = Übereinstimmungen (sowohl KI- als auch Benutzerbericht stimmen mit der Referenz überein) / Gesamtanzahl der Proben.
   11. Die Positiv-Nachweisrate wie folgt berechnen:
       Positiv-Nachweisrate = Anzahl der positiven Ergebnisse / Gesamtanzahl der Proben.

4. Analysieren Sie die Ergebnisse

1. Tragen Sie die Daten in Tabellenkalkulationen ein und analysieren Sie sie statistisch.
2. Verwenden Sie bei Zähldaten Raten und Anteile zur Beschreibung und vergleichen Sie Gruppen mittels des gepaarten chi-quadrat-Tests mit vier Ausprägungen.
3. Vergleichen Sie die mittlere Nachweiszeit zwischen den beiden Methoden mithilfe des T-Tests für unabhängige Stichproben.
4. Beurteilen Sie die Übereinstimmung beim Nachweis von Parasitenarten zwischen den Techniken anhand der Kappa-(κ)-Übereinstimmung.
5. Ein P-Wert < 0,05 wird als statistisch signifikant angesehen.

Ergebnisse

Vergleich der Nachweiszeiten zwischen den drei Nachweismethoden
Die durchschnittliche Nachweiszeit betrug 1,55 min pro Person und Probe für die Methode der direkten nassen Ausstrichmikroskopie, 1,30 min pro Person und Probe für den automatischen Stuhl-Analysator (KI-Bericht) und 1,47 min pro Person und Probe für den automatischen Stuhl-Analysator (Benutzerprüfung). Die Methode der direkten nassen Ausstrichmikroskopie benötigte 1,1-mal so lange wie der automatische Stuhl-Analysator (KI-Bericht) (t...

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.