대변 샘플에서 기생충 감염을 감지하기 위한 자동 대변 분석기와 직접 습식 도말 현미경의 비교 분석

요약

기생충 감염은 특히 개발도상국과 지역에서 심각한 공중 보건 문제를 제기합니다. 이 연구는 자동 대변 분석기를 비교하여 진단 효능을 기존의 직접 습식 도말 현미경 방법과 비교합니다.

초록

사회 경제적 발전으로 장 기생충 질환의 유병률은 해마다 크게 감소했습니다. 그러나 기생충 감염은 전 세계적으로, 특히 개발도상국과 지역에서 주요 공중 보건 문제로 남아 있습니다. 시기적절한 진단과 치료는 이러한 질병의 확산을 통제하는 데 매우 중요합니다. 기존의 직접 습식 도말 현미경 방법은 널리 사용되지만 노동 집약적이고 오염되기 쉬우며 기술자의 기술에 의존합니다. 본 논문에서는 대변 시료 처리를 자동화하는 자동 대변 분석기를 소개하며, 기존의 Direct Wet Smear Microscopy 방법에 비해 작동 용이성, 신속한 감지, 깨끗하고 위생적인 작업 환경, 높은 감도 및 특이성과 같은 이점을 제공하여 진단 효율성과 정확성을 향상시킵니다.

우리는 배설물 분석을 위한 세 가지 방법을 비교했습니다: 직접 습식 도말 현미경 방법, 자동 배설물 분석기(AI 보고서) 및 자동 배설물 분석기(사용자 감사). AI 보고서는 자동화된 이미지 분석 및 머신 러닝 알고리즘을 사용하여 배설물 샘플에서 기생충 및 난자와 같은 구성 요소를 식별합니다. 이 방법은 많은 수의 샘플을 빠르게 처리할 수 있어 효율성을 높일 수 있습니다. 사용자 감사는 또한 자동 대변 분석기를 사용하지만 사용자 감사의 추가 단계를 포함합니다. 숙련된 기술자가 AI 보고서를 검토하여 결과의 정확성과 신뢰성을 높입니다. 분석기는 AI 보고서에 대해 84.31%, 사용자 감사에 대해 94.12%의 민감도를 보여주었으며 AI 보고서에 대해 98.71%, 사용자 감사에 대해 99.69%의 특이도를 보여 기생충 감염의 임상 진단 및 치료에 매우 유용한 도구가 되었습니다.

서론

전 세계적으로 장 기생충 질환은 주로 개발 도상국에서 상당한 공중 보건 문제로 지속되고 있습니다. 중화인민공화국 보건복지위원회(Health and Welfare Commission of the People's Republic of China)의 과거 데이터에 따르면 감염률이 1992년 62.63%에서 2015년 5.96%로 현저히 감소했습니다^1,2,3. 전국 가중 유병률이 0.47%이고 약 598만 명의 감염자가 있는 것으로 추정되는 급격한 감소^{1에도 불구하고3, 광둥성 인구에서 Clonorchis sinensis 감염의 유병률은 4.90%4로 여전히 높습니다. 광동(廣東)과 같은 특정 지역에서는 여전히 C. sinensis 감염률이 더 높기 때문에 정확한 진단 방법의 필요성이}

강조되고 있습니다.

기생충 질환의 진단은 현미경 검사, 의료 영상, 혈청학 및 분자 방법을 통해 달성할 수 있습니다. 효소 결합 면역흡착 분석법(ELISA)을 사용한 혈청학적 분석은 기생충 질환 진단에 도움이 되지만 민감도는 약 80%^{5로 중간 정도입니다}. 분자생물학 진단 기법은 민감도와 특이도가 높지만⁶이지만 번거롭고 시간이 많이 소요되며 검사 비용이 많이 들기 때문에 대규모 일상 검사에는 적합하지 않습니다.

환자의 대변에서 C. sinensis 난자가 검출된 것이 진단을 확정하는 근거가 됩니다. C. sinensis 난자를 찾는 Kato-Katz 두꺼운 도말 방법은 기생충 질병을 진단하는 데 일반적으로 사용되는 고전적인 방법입니다^7,8. 저렴하지만 시간이 많이 걸리고 노동 집약적이며 스크리닝해야 할 검체의 양이 많기 때문에 임상 실습에 적합하지 않습니다. 대부분의 1차 병원은 현재 Direct Wet Smear Microscopy 방법을 사용하고 있습니다. 그러나 이 방법은 여전히 시간이 많이 걸리고 노동 집약적이며 불쾌한 배설물이 나며 교차 오염, 높은 생물 보안 위험 및 테스트 담당자의 전문성과 근면에 따라 결과가 달라지기 쉽습니다⁹.

기존의 진단 기법은 가치가 있지만 민감도와 실용성 면에서 한계에 직면해 있습니다. 그러나 과학과 기술의 지속적인 발전으로 대변 검사는 더욱 자동화되고 표준화되고 있습니다. 대변에서 기생충이나 기생충 난자를 정량적으로 검출하기 위해 디지털 이미지 기반 방법을 활용하는 자동화 기기가 임상 실험실에서 인기를 얻고 있습니다. 작동 용이성, 신속한 감지, 깨끗하고 위생적인 작업 환경, 높은 감도 및 특이성과 같은 이점을 제공합니다. 자동 대변 분석기는 디지털 이미징 기술을 사용하여 현미경과 통합 디지털 이미징 시스템을 통해 일련의 저배율 및 고배율 디지털 사진을 캡처하여 현미경 관찰을 문서화합니다. 그런 다음 시스템은 이러한 이미지를 컴퓨터 데이터 처리 시스템으로 전송하고, 이 시스템은 그에 따라 이미지를 식별하고 분석합니다. 최근에는 배설물 샘플에서 기생충과 그 알을 검출하는 데 중점을 두고 기생충 감염의 스펙트럼을 진단하려고 시도했습니다. 양성 샘플은 형태학적 특성의 존재에 의해 식별됩니다. 우리는 배설물 샘플에서 기생충을 감지하기 위해 자동 대변 분석기를 평가하고 기존 현미경 검사 방법의 보조 도구로서의 잠재력을 확인했습니다. 자동 대변 분석기는 자동 샘플링 장치, 펑크 샘플링 장치, 샘플 특성 및 색상 관찰 장치, 카메라 장치 및 시약 카드 장치(그림 1)를 포함한 여러 특수 장치를 특징으로 하는 메인프레임과 동반 소프트웨어로 구성됩니다.

그림 1: 기기의 구성 요소. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

본 연구에서는 2024년 7월 광둥성 인민병원 입원 환자의 대변 샘플 2,305개를 자동 대변 분석기와 직접 습식 도말 현미경 방법(그림 2)을 사용하여 이중맹검 방식으로 평가했습니다. 한 그룹은 직접 습식 도말 현미경 방법을 사용하여 테스트를 수행했고, 다른 그룹은 AI가 생성한 보고서와 함께 자동 대변 분석기를 사용했습니다. 각 그룹의 결과를 문서화한 후 세 번째 실험자 그룹은 자동 분석기로 캡처한 이미지를 수동으로 검토했습니다. 연구진은 의심되는 기생충이나 알, 자동 분석에서 벗어난 이미지, 흐리거나 누락된 이미지, 과도한 잔류물이 포함된 복잡한 배경의 이미지를 면밀히 조사했습니다. 이 프로세스에는 결과 수정이 포함되었으며, 이를 자동 대변 분석기의 사용자 감사라고 했습니다. 최종적으로 네 번째 개인이 결과를 요약하고 통계적으로 분석했습니다. 완전 자동화된 분변 기구의 효능은 기생충/난자에 대한 이중 맹검 검출을 통해 평가되었으며, 세 가지 방법론에 걸쳐 검출 시간과 결과를 비교했습니다.

그림 2: 연구 계획의 개략도. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

프로토콜

본 연구는 중국 광저우시 남방의과대학교 광둥성 인민병원 윤리검토위원회의 승인을 받았다(승인번호: KY2024-445-02). 모든 참가자는 등록 전에 서면 동의서에 서명했습니다. 연구에 사용된 시약과 장비는 재료 표에 나열되어 있습니다.

1. 표본 수집

1. 자동 대변 분석기 제조업체의 표본 채취 튜브를 활용하여 캡이 닫혀 있고, 밀봉 가능하며, 깨끗하고 건조하며 누출이 없고 다점 샘플링을 위한 적절한 개구부와 부피가 있는지 확인하십시오.
2. 점액, 고름 또는 혈액을 포함하는 신선한 비정상적인 배설물을 가능한 한 많이 선택하고 목표량은 약 0.5g입니다. 대변이 희석되거나 묽은 경우 일회용 피펫을 사용하여 필요한 샘플 부피를 수집합니다.
   알림: 환자가 아닌 모든 대변 샘플의 오염을 방지하기 위해 주의해야 합니다. 여기에는 관장 또는 유성 완하제의 대변, 변기 또는 화장실의 샘플, 식물, 토양, 하수, 소독제, 세제, 소변, 생리혈 또는 백혈병에 오염된 대변이 포함되지만 이에 국한되지 않습니다.

2. 배설물 검사 방법

1. 직접 습식 도말 현미경 방법^10,11
   1. 깨끗한 현미경 슬라이드에 식염수 1-2방울을 떨어뜨립니다.
   2. 비정상 부위 또는 대변의 여러 부위에서 소량 샘플을 채취하여 번집니다.
   3. 슬라이드에 샘플을 고르게 펴 바릅니다. 세부 사항을 볼 수 있도록 번짐의 두께를 조정합니다.
   4. 기포를 피하고 얼룩 위에 커버슬립을 놓습니다.
   5. 저배율(10x)에서 10개 이상의 시야를 스캔합니다. 기생충 알이나 기생충이 감지되면 고배율(40배)로 전환하여 상세한 형태학적 관찰을 할 수 있습니다.
      참고: 누락 위험을 최소화하기 위해 '흉벽' 순서로 슬라이드를 저배율 검사하는 것이 좋습니다.
2. 자동 대변 분석기 (그림 3)
   1. 컴퓨터와 분석기의 전원을 켜고, 클릭하여 소프트웨어를 시작하고, 사용자 이름과 암호 로그인을 입력하고, 기기가 자가 점검을 수행할 때까지 기다립니다.
   2. 적절한 샘플 수집 튜브를 사용하여 적격 대변을 수집합니다.
      참고: 약 0.5g의 점액, 고름 또는 혈액이 포함된 신선한 비정상적인 대변이 선호되는 샘플입니다.
   3. 샘플 채취 튜브를 분석기의 샘플 홀더에 놓고 샘플 랙을 자동 샘플 주입구에 놓은 다음 Self-check.
      후 첫 번째 테스트를 위해 시작을 클릭합니다. 알림: 후속 테스트는 기기에서 자동으로 감지되고 수행됩니다. 계기 로봇은 문서화를 위해 샘플을 촬영합니다.
   4. 샘플 튜브에 희석제 5mL를 추가하고 공압 혼합으로 잘 혼합한 다음 분석 전에 샘플이 가라앉도록 합니다.
      알림: 검체 채취 튜브에는 다량의 식물 섬유, 씨앗 및 소화되지 않은 음식물 찌꺼기와 같이 병리학적으로 중요하지 않은 잔류물을 제거하기 위해 특수 필터가 늘어서 있습니다.
   5. 분석을 위해 샘플이 계수 셀로 흘러 들어가면 분석기가 현미경으로 고해상도 현미경 이미지를 캡처하고 소프트웨어가 이미지를 처리하고 인식합니다.
   6. 결과 인터페이스로 전환하고 테스트 이미지를 확인한 다음 결과를 LIS(Laboratory Information Management System)로 보내거나 인쇄합니다.
   7. 중지를 클릭하여 테스트를 종료합니다.
   8. Flush and Shutdown을 선택합니다.
   9. 농축된 세척액 랙에 적재합니다. 기기가 자동으로 플러시되고 종료됩니다.

그림 3: 자동 대변 분석기 시스템 워크플로우. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

3. 방법론적 평가

1. 감지 시간 계산
   참고: 감지 시간은 각 테스트 절차의 시작 및 종료 시간을 기록하여 계산되었습니다. 기생충을 검출하는 각 방법의 민감도와 특이도를 분석하여 검사 결과를 비교했습니다.
   1. Direct Wet Smear Microscopy 방법
      1. 각 배설물 샘플에 대해 쌀알 크기의 배설물을 집어 유리 슬라이드에 골고루 펴 바르는 데 걸리는 시간을 측정합니다.
      2. 각 참가자의 결과를 읽는 데 걸린 시간을 측정합니다.
      3. 각 참가자의 면봉 채취 및 판독 시간을 추가합니다.
      4. 3.1.1.3 단계의 합계에 참가자 수를 곱하여 Direct Wet Smear Microscopy 방법(T₁)에 대한 총 테스트 시간을 구합니다.
      5. 3.1.1.4 단계의 T₁을 테스트한 샘플 수로 나누어 Direct Wet Smear Microscopy 방법(t₁)의 평균 테스트 시간을 구합니다.
   2. 자동 대변 분석기(AI 보고서)
      참고: 이 프로세스는 한 사람이 수행할 수 있습니다.
      1. 각 샘플(T₂)에 대한 자동 대변 분석기 테스트 시간을 측정합니다.
      2. T₂를 테스트한 샘플 수로 나누어 자동 대변 분석기(AI 보고서)의 평균 테스트 시간(t₂)을 구합니다.
   3. 자동 대변 분석기(사용자 감사)
      1. 각 샘플에 대한 자동 대변 분석기 테스트 시간을 측정합니다(3.1.2단계 참조).
      2. 각 샘플에 대한 수동 이미지 검토 시간을 측정합니다. 샘플에서 Automatic Fecal Analyzer로 캡처한 이미지의 검토가 시작되는 즉시 타이머(스톱워치 또는 디지털 타이머)를 시작합니다. 이미지를 주의 깊게 검사하여 관련 구성 요소나 이상을 식별합니다. 해당 샘플에 대한 검토가 완료되면 타이머를 중지하고 각 샘플 검토에 소요된 시간을 기록한 다음 추가 분석을 위해 스프레드시트에 데이터를 입력합니다.
      3. 각 샘플에 대해 자동 대변 분석기 테스트 시간과 수동 이미지 검토 시간을 추가합니다.
      4. 3.1.3.3단계의 합계에 참가자 수를 곱하여 자동 대변 분석기(사용자 감사)의 총 테스트 시간(T₃)을 구합니다.
      5. T₃를 테스트한 샘플 수로 나누어 자동 대변 분석기(사용자 감사)의 평균 테스트 시간(t₃)을 구합니다.
2. 테스트 결과 비교
   참고: 자동 대변 분석기의 AI 생성 보고서 및 사용자 감사 결과의 성능은 직접 습식 도말 방법을 벤치마크로 사용하여 평가되었습니다.
   1. 벤치마크 역할을 할 Direct Wet Smear Microscopy 방법의 결과를 수집합니다.
   2. 자동 대변 분석기의 AI 생성 보고서에서 결과를 수집합니다.
   3. Automatic Fecal Analyzer의 사용자 감사 결과를 수집합니다.
3. 평가 메트릭을 계산합니다.
   1. 자동 대변 분석기(AI 보고서 또는 사용자 감사)와 Direct Wet Smear Microscopy 방법의 결과가 모두 표적 분석물의 존재를 나타내는 경우 샘플을 True Positive(TP)로 간주합니다.
   2. 자동 대변 분석기(AI 보고서 또는 사용자 감사)와 Direct Wet Smear Microscopy 방법의 결과가 모두 표적 분석물질의 부재를 나타내는 경우 샘플을 True Negative(TN)로 간주합니다.
   3. 자동 대변 분석기의 AI 보고서 또는 사용자 감사에서 표적 분석물의 존재가 표시되지만 Direct Wet Smear Microscopy 방법에서 그 존재를 확인하지 못하는 경우 샘플이 위양성(FP)
   으로 간주됩니다.
   4. 자동 대변 분석기의 AI 보고서 또는 사용자 감사에서 표적 분석물질의 부재가 나타나는 반면, Direct Wet Smear Microscopy 방법은 실제로 표적 분석물의 존재를 감지하는 경우 샘플을 거짓 음성(FN)으로 간주합니다.
   5. 특이도를 계산하는 방법은 다음과 같습니다.
      특이성 = 참 음성(TN) / (참 음성 + 거짓 긍정)
   6. 민감도를 다음과 같이 계산합니다.
      민감도 = 참 긍정(TP) / (참 긍정 + 거짓 부정)
   7. 다음과 같이 PPV(Positive Predictive Value)를 계산합니다.
      PPV = 참 긍정(TP) / (참 긍정 + 거짓 긍정)
   8. 음의 예측값(NPV)을 다음과 같이 계산합니다.
      NPV = 참음성(TN) / (참 음성 + 거짓 부정)
   9. 통계 소프트웨어를 사용하여 카파 값을 계산합니다.
   10. 다음과 같이 규정 준수 비율을 계산합니다.
       규정 준수율 = 계약(AI 및 사용자 보고서 모두 벤치마크와 일치) / 총 샘플.
   11. 다음과 같이 양성 검출 속도를 계산합니다.
       양성 검출률 = 양성 수 / 총 샘플.

4. 결과 분석

1. 스프레드시트에 데이터를 입력하고 통계적으로 분석합니다.
2. 카운트 데이터의 경우 설명에 비율과 비율을 사용하고 쌍체 4꼬리 카이제곱 검정을 사용하여 그룹 간에 비교합니다.
3. 독립 표본 T-검정을 사용하여 두 방법 간의 평균 검출 시간을 비교합니다.
4. Kappa(κ) 일치를 통해 기술 간 기생충 종 검출의 일관성을 평가합니다.
5. P < 0.05가 통계적으로 유의하다고 간주합니다.

결과

세 가지 감지 방법 간의 감지 시간 비교
평균 검출 시간은 Direct Wet Smear Microscopy 방법의 경우 샘플당 1인당 1.55분, 자동 대변 분석기(AI 보고서)의 경우 샘플당 1인당 1.30분, 자동 대변 분석기(사용자 감사)의 경우 샘플당 1인당 1.47분이었습니다. 직접 습식 도말 현미경 방법은 자동 대변 분석기(AI 보고서)에 비해 1.1배의 지속 시간이 필요했습니다(t = 2.442, P = 0.020). 반대로, 자동 대변 분석기(사용자 감사)와 직접 습식 도말 현미경 방법은 지속 시간이 비슷했습니다(t = 0.048, P = 0.962, 표 1).

세 가지 방법의 감지 결과 비교
Direct Wet Smear Microscopy 방법은 51개의 양성 기생충 알 샘플과 2,254개의 ...

토론

기생충 질병은 특히 영양실조, 발육 부진, 빈혈 및 담도 폐쇄와 같은 건강 문제로 이어지는 개발도상국에서 중요한 글로벌 공중 보건 문제¹²를 나타내며¹³ 부적절한 사회 경제적 개발 및 교육과도 관련이 있습니다. 기생충에 대한 대변 검사는 임상 실습의 일상적인 부분이 되었으며, 정확성, 속도 및 효율성이 이러한 검사의 핵심 요구 사항입니다.

기생충 탐지는 현미경, 이미징, 혈청학, 분자 기술과 같은 다양한 방법을 사용합니다. ELISA는 혈청학적 진단을 제공하지만 민감도는 낮습니다⁵. 분자 방법은 민감도와 특이도⁶에서 탁월하지만 일상적인 스크리닝에는 복잡하고 비용이 많이 듭니다. 대변 샘플에서 직접 계란 식별은 진단을 확인하며, Kato-Katz는 비용 효율적인 전통적인 방법입니다^...

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
자동 대변 분석기 (FA280S) 소프트웨어	ORIENTER	v.1.028 (RecoV2.9.14)	자동 대변 분석기 (FA280S) 시스템의 소프트웨어
집중 세척 유체	ORIENTER		파이프 라인 청소에 적합
커버 유리	돛 브랜드		표본을 손상 및 오염으로부터 보호하십시오.
일회용 플라스틱 빨대	난퉁 링케 생명공학		일회용 플라스틱 빨대는 생리적 식염수 흡인에 사용됩니다
FA280S	엔터	A022201035	전자동 배설물 분석기
플러싱 유체	ORIENTER	Q/WWT-019-2021	전자동 배설물 분석기의 플러싱 파이프라인 생산
현미경	OLYMPUS	3H51278	세포 관찰
현미경 슬라이드		WS-7101	현미경으로 검사할 표본을 장착할 수 있는 안정적이고 평평한 표면을 제공합니다.
샘플 희석제	ORIENTER	Sichuan Rong Machinery 20150025	대변 샘플 희석에 적합
샘플 랙	ORIENTER		로딩 랙
샘플 튜브	ORIENTER	Sichuan Rong Machinery 20200204	대변 수집기
나트륨 Chloeide 주입	Guangdong Daxiang Pharmaceutical Co.	H14020786	희석
SPSS 통계 소프트웨어	IBM	SPSS Statistics 22.0	다양한 연구 및 분석 작업에 적합
나무 막대기			적절한 양의 배설물 샘플을 채취하는 데 사용되는 일회용 나무 막대기.