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방법 논문

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

1.6K 조회수

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DOI:

10.3791/67706

⸱

2025년 4월 25일

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1Laboratory Medicine, Guangdong Provincial People's Hospital (Guangdong Academy of Medical Sciences), Southern Medical University

* These authors contributed equally

이 논문에서

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 장관 기생충 질환은 특히 개발도상국을 중심으로 여전히 중대한 공중보건 문제로 남아 있습니다. 중화인민공화국 보건복지위원회의 과거 데이터에 따르면 감염률이 1992년 62.63%에서 2015년 5.96%로 현저히 감소한 것으로 나타났습니다1,2,3. 이러한 급격한 감소세에도 불구하고1, 가중 국가 유병률이 0.47%이며 추정 감염자 수가 598만 명에 달하는 상황에서3, 광둥성 인구의 Clonorchis sinensis 감염 유병률은 4.90%로 여전히 매우 높게 유지되고 있습니다4. 광둥성과 같은 특정 지역에서는 여전히 C. sinensis 감염률이 높게 나타나고 있어, 정밀한 진단 방법의 필요성이 강조됩니다.

기생충 질환의 진단은 현미경 검사, 의료 영상, 혈청학적 및 분자적 방법을 통해 이루어질 수 있습니다. 효소결합 면역흡착 분석법(ELISA)을 이용한 혈청학적 분석은 기생충 질환 진단에 유용하지만, 민감도는 약 80%5로 보통 수준입니다. 분자생물학적 진단 기술은 민감도와 특이도가 높지만6, 작업 과정이 번거롭고 시간이 많이 소요되며 검사 비용이 높아 대규모 정기 검사에는 부적합합니다.

환자의 분변에서 C. sinensis 충란을 검출하는 것이 진단 확정의 기초가 됩니다. C. sinensis 충란을 찾는 Kato-Katz thick smear 방법은 기생충 질환 진단에 흔히 사용되는 전통적인 방법입니다7,8. 이 방법은 비용은 저렴하지만, 시간이 많이 걸리고 노동 집약적이며, 스크리닝해야 할 검체 양이 많은 임상 현장에는 부적합합니다. 현재 대부분의 1차 병원에서는 Direct Wet Smear Microscopy 방법을 채택하고 있습니다. 하지만 이 방법 역시 여전히 시간이 많이 소요되고 노동 집약적이며, 불쾌한 분변 냄새가 나고 교차 오염 및 높은 생물안전성 위험이 있으며, 결과가 검사자의 전문성과 성실도에 따라 달라질 수 있다는 단점이 있습니다9.

기존의 진단 기술은 가치가 높지만, 민감도와 실용성 면에서 한계가 있습니다. 그러나 과학 기술의 지속적인 발전으로 인해 분변 검사는 더욱 자동화되고 표준화되고 있습니다. 분변 내 기생충이나 기생충 알을 정량적으로 검출하기 위해 디지털 이미지 기반 방법을 사용하는 자동화 기기들이 임상 검사실에서 인기를 얻고 있습니다. 이러한 기기들은 조작의 용이성, 신속한 검출, 깨끗하고 위생적인 작업 환경, 그리고 높은 민감도와 특이도와 같은 장점을 제공합니다. 자동 분변 분석기(Automatic Fecal Analyzer)는 현미경과 통합 디지털 이미징 시스템을 통해 일련의 저배율 및 고배율 디지털 사진을 촬영하여 현미경 관찰 내용을 기록하는 디지털 이미징 기술을 사용합니다. 이후 시스템은 이 이미지들을 컴퓨터 데이터 처리 시스템으로 전송하며, 시스템은 이를 적절하게 식별하고 분석합니다. 최근 본 연구진은 분변 검체 내 기생충 및 기생충 알의 검출에 초점을 맞추어 다양한 기생충 감염을 진단하고자 시도하였습니다. 양성 검체는 형태학적 특징의 존재 여부로 식별합니다. 본 연구에서는 분변 검체 내 기생충 검출을 위해 자동 분변 분석기를 평가하였으며, 기존의 현미경 검사법을 보완하는 보조 수단으로서의 가능성을 확인하였습니다. 자동 분변 분석기는 메인프레임과 더불어 자동 샘플링 유닛, 펀처 샘플링 유닛, 검체 특성 및 색상 관찰 유닛, 카메라 유닛, 시약 카드 유닛을 포함한 여러 전문 유닛으로 구성된 소프트웨어로 이루어져 있습니다 (그림 1).

현미경, 바코드 스캐너, 샘플 랙 등 라벨이 지정된 구성 요소가 포함된 의료 분석기 도식.
그림 1: 기기의 구성 요소. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

본 연구에서는 2024년 7월 광동성 인민병원 입원 환자로부터 수집한 2,305개의 신선한 분변 샘플을 대상으로 자동 분변 분석기(Automatic Fecal Analyzer)와 직접 습식 도말 현미경 검사법(Direct Wet Smear Microscopy method)을 사용하여 이중 맹검 방식으로 평가하였습니다(그림 2). 한 그룹은 직접 습식 도말 현미경 검사법을 사용하여 검사를 수행하였고, 다른 그룹은 AI 생성 보고서를 제공하는 자동 분변 분석기를 사용하였습니다. 각 그룹의 결과를 기록한 후, 제3의 실험자 그룹이 자동 분석기로 캡처한 이미지를 수동으로 검토하였습니다. 검토 과정에서 기생충 또는 충란 의심 사례, 자동 분석 결과와 일치하지 않는 이미지, 흐리거나 누락된 이미지, 그리고 과도한 잔해물이 포함되어 배경이 복잡한 이미지를 정밀하게 조사하였습니다. 이 과정에서 결과 수정이 이루어졌으며, 이를 자동 분변 분석기의 사용자 감사(user audit)로 정의하였습니다. 최종적으로 네 번째 연구자가 결과를 요약하고 통계 분석을 수행하였습니다. 세 가지 방법론 간의 기생충/충란 검출 시간과 결과를 비교하는 이중 맹검 검출을 통해 완전 자동화 분변 분석 기기의 효능을 평가하였습니다.

분변 분석 과정 도식: 현미경 검사 vs 자동화 방법; 기생충 감염 검출.
그림 2: 연구 계획의 모식도. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭하십시오.

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프로토콜

본 연구는 중국 광저우 Southern Medical University 산하 Guangdong Provincial People's Hospital의 윤리심사위원회의 승인을 받았습니다(승인 번호: KY2024-445-02). 모든 참여자는 등록 전 서면 동의서에 서명하였습니다. 연구에 사용된 시약 및 장비는 재료 표에 나열되어 있습니다.

1. 검체 수집

  1. 자동 분변 분석기 제조사의 검체 수집 튜브를 사용하며, 캡이 있고 밀봉 가능하며 깨끗하고 건조하며 누수가 없고 다점 샘플링에 적합한 입구와 부피를 갖추었는지 확인하십시오.
  2. 점액, 고름 또는 혈액이 포함된 신선한 비정상 분변을 가능한 많이 선택하며, 목표량은 약 0.5 g으로 합니다. 분변이 묽거나 수양성인 경우, 일회용 피펫을 사용하여 필요한 샘플 부피를 수집하십시오.
    참고: 환자 외의 모든 분변 샘플로부터의 오염을 방지하도록 주의해야 합니다. 여기에는 관장 또는 오일 기반 완하제 사용 분변, 변기나 화장실의 샘플, 식물, 토양, 하수, 소독제, 세제, 소변, 생리혈 또는 백색냉에 의해 오염된 분변이 포함되나 이에 국한되지 않습니다.

2. 분변 검사 방법

  1. 직접 습식 도말 현미경 검사법10,11
    1. 깨끗한 현미경 슬라이드에 식염수 1-2방울을 떨어뜨립니다.
    2. 도말을 위해 이상 부위 또는 분변의 여러 부위에서 소량의 샘플을 채취합니다.
    3. 샘플을 슬라이드 위에 고르게 폅니다. 세부 사항이 잘 보일 수 있도록 도말 두께를 조절합니다.
    4. 기포가 생기지 않도록 도말 부위 위에 커버글라스를 덮습니다.
    5. 저배율(10x)에서 10개 이상의 시야를 스캔합니다. 기생충 알이나 기생충이 발견되면 고배율(40x)로 전환하여 세부 형태를 관찰합니다.
      참고: 누락 위험을 최소화하기 위해 '성벽 모양(battlements)' 순서로 슬라이드를 저배율 검사하는 것을 권장합니다.
  2. 자동 분변 분석기 (그림 3)
    1. 컴퓨터와 분석기의 전원을 켜고 소프트웨어를 시작한 뒤, 사용자 이름과 비밀번호를 입력하여 로그인하고 기기가 자체 점검을 수행할 때까지 기다립니다.
    2. 적절한 샘플 채취 튜브를 사용하여 적격한 분변을 수집합니다.
      참고: 점액, 농 또는 혈액이 포함된 약 0.5 g의 신선한 이상 분변이 가장 적절한 샘플입니다.
    3. 샘플 채취 튜브를 분석기의 샘플 홀더에 넣고, 샘플 랙을 자동 샘플 입구에 배치한 후, 자체 점검이 끝나면 Start를 클릭하여 첫 번째 테스트를 시작합니다.
      참고: 이후 테스트는 기기에 의해 자동으로 감지 및 수행됩니다. 기기 로봇이 기록을 위해 샘플 사진을 촬영합니다.
    4. 샘플 튜브에 희석액 5 mL를 추가하고 공압 혼합으로 잘 섞은 후, 분석 전 샘플을 가라앉힙니다.
      참고: 검체 채취 튜브에는 다량의 식물 섬유, 씨앗, 소화되지 않은 음식 찌꺼기와 같이 병리학적 의미가 없는 잔여물을 제거하기 위한 특수 필터가 내장되어 있습니다.
    5. 샘플이 분석을 위해 계수 셀로 흐르게 하면, 분석기가 현미경 하에서 고해상도 현미경 이미지를 캡처하고 소프트웨어가 이미지를 처리 및 인식합니다.
    6. Result 인터페이스로 전환하여 테스트 이미지를 확인하고, 결과를 실험실 정보 관리 시스템(LIS)으로 전송하거나 인쇄합니다.
    7. Stop 을 클릭하여 테스트를 종료합니다.
    8. Flush 및 Shutdown을 선택합니다.
    9. 농축 세정액 랙을 장착합니다. 기기가 자동으로 세척 및 종료됩니다.

실험실 분석기 워크플로; 현미경 분석 설정; 도식; 시료 처리; 소프트웨어 통합.
그림 3: 자동 분변 분석 시스템 워크플로. 여기를 클릭하여 이 그림의 더 큰 버전을 확인하십시오.

3. 방법론적 평가

  1. 검출 시간의 계산
    참고: 검출 시간은 각 테스트 절차의 시작 및 종료 시간을 기록하여 계산하였습니다. 테스트 결과는 기생충 검출에 있어 각 방법의 민감도와 특이도를 분석하여 비교하였습니다.
    1. 직접 습식 도말 현미경 관찰법
      1. 각 분변 시료에 대하여, 쌀알 크기의 분변을 채취하여 유리 슬라이드 위에 고르게 펴 바르는 데 걸리는 시간을 측정하십시오.
      2. 각 참가자가 결과를 읽는 데 걸린 시간을 측정하십시오.
      3. 각 참가자의 스와빙 및 판독 시간을 추가하십시오.
      4. 단계 3.1.1.3의 합계에 참가자 수를 곱하여 직접 습식 도말 현미경법(Direct Wet Smear Microscopy method)의 총 검사 시간(T)을 구하십시오.1).
      5. T를 분할하십시오1 단계 3.1.1.4의 값을 테스트한 샘플 수로 나누어 직접 습식 도말 현미경 검사법(t)의 평균 테스트 시간을 구합니다.1).
    2. 자동 분변 분석기 (AI 보고서)
      참고: 이 과정은 1인으로 수행 가능합니다.
      1. 각 샘플에 대한 자동 분변 분석기의 검사 시간(T)을 측정하십시오.2).
      2. T를 분할하십시오2 자동 분변 분석기(AI Report)의 평균 검사 시간을 구하기 위해 테스트한 샘플 수로 나누어 (t2).
    3. 자동 분변 분석기 (사용자 감사)
      1. 각 시료에 대한 자동 분변 분석기의 검사 시간을 측정하십시오(단계 3.1.2 참조).
      2. 각 샘플에 대한 수동 이미지 검토 시간을 측정하십시오. Automatic Fecal Analyzer가 샘플로부터 캡처한 이미지의 검토를 시작하는 즉시 타이머(스톱워치 또는 디지털 타이머)를 작동시키십시오. 이미지를 주의 깊게 살펴보고 관련 성분이나 이상 징후가 있는지 확인하십시오. 해당 샘플의 검토가 완료되면 타이머를 멈추고, 각 샘플 검토에 소요된 시간을 기록한 후, 추후 분석을 위해 데이터를 스프레드시트에 입력하십시오.
      3. 각 샘플에 대하여 자동 분변 분석기(Automatic Fecal Analyzer) 검사 시간과 수동 이미지 검토 시간을 추가하십시오.
      4. 단계 3.1.3.3의 합계에 참가자 수를 곱하여 자동 분변 분석기(사용자 감사)의 총 검사 시간(T)을 구하십시오.3).
      5. T를 나눕니다3 자동 분변 분석기(사용자 감사)의 평균 검사 시간을 구하기 위해 테스트한 샘플 수로 나누어(t3).
  2. 시험 결과 비교
    참고: 자동 분변 분석기의 AI 생성 보고서 성능과 사용자 감사 결과는 직접 도말법(direct wet smear method)을 기준으로 평가되었습니다.
    1. 기준점으로 활용될 직접 습식 도말 현미경 검사법(Direct Wet Smear Microscopy)의 결과를 수집하십시오.
    2. 자동 분변 분석기(Automatic Fecal Analyzer)의 AI 생성 보고서에서 결과를 수집하십시오.
    3. 자동 분변 분석기의 사용자 감사 결과를 수집하십시오.
  3. 평가 지표를 계산하십시오.
    1. 자동 분변 분석기(AI 보고서 또는 사용자 감사)의 결과와 직접 습식 도말 현미경 검사법 모두에서 표적 분석물이 검출된 경우, 해당 검체를 진양성(TP)으로 간주한다.
    2. 자동 분변 분석기(AI 보고서 또는 사용자 감사)의 결과와 직접 습식 도말 현미경 검사 방법 모두에서 표적 분석 물질이 검출되지 않았을 때 해당 검체를 진음성(True Negative, TN)으로 간주하십시오.
    3. AI 보고서 또는 자동 분변 분석기의 사용자 감사 결과에서는 표적 분석물이 검출되었으나, 직접 습식 도말 현미경 검사법으로는 그 존재가 확인되지 않는 경우 해당 검체를 위양성(FP)으로 간주합니다.
    4. AI 보고서 또는 자동 분변 분석기(Automatic Fecal Analyzer)의 사용자 감사 결과에서는 표적 분석물이 검출되지 않았으나, 직접 습식 도말 현미경 검사(Direct Wet Smear Microscopy)법으로는 실제로 분석물이 검출된 경우를 위음성(False Negative, FN) 검체로 간주한다.
    5. 특이도(Specificity)를 다음과 같이 계산하십시오.
      특이도(Specificity) = 진음성(True Negatives, TN) / (진음성 + 위양성(False Positives))
    6. 민감도는 다음과 같이 계산합니다.
      민감도 = 진양성 (TP) / (진양성 + 위음성)
    7. 양성 예측도(Positive Predictive Value, PPV)를 다음과 같이 계산하십시오.
      PPV = 진양성(TP) / (진양성 + 위양성)
    8. 음성 예측도(NPV)를 다음과 같이 계산하십시오:
      NPV = 진음성 (TN) / (진음성 + 위음성)
    9. 통계 소프트웨어를 사용하여 카파 값(Kappa Value)을 산출하십시오.
    10. 순응률(Compliance Rate)을 다음과 같이 계산하십시오.
      준수율 = 일치 사례(AI와 사용자 보고 결과가 모두 벤치마크와 일치함) / 총 샘플 수.
    11. 양성 검출률을 다음과 같이 계산하십시오:
      양성 검출률 = 양성 수 / 총 샘플 수

4. 결과 분석

  1. 데이터를 스프레드시트에 입력하고 통계적으로 분석합니다.
  2. 수치 데이터의 경우, 분석을 위해 비율과 Proportion을 사용하며, 쌍을 이룬 양측 카이제곱 검정(paired four-tailed chi-squared test)을 통해 그룹 간의 차이를 비교합니다.
  3. 독립 표본 T-검정을 사용하여 두 방법 간의 평균 검출 시간을 비교합니다.
  4. Kappa (κ) 일치도를 통해 기술 간의 기생충 종 검출 일관성을 평가합니다.
  5. P < 0.05를 통계적으로 유의미한 것으로 간주합니다.

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결과

세 가지 검출 방법 간의 검출 시간 비교
1인당 샘플 1개 기준 평균 검출 시간은 직접 습식 도말 현미경 검사법의 경우 1.55 min, 자동 분변 분석기(AI 보고서)의 경우 1.30 min, 자동 분변 분석기(사용자 감사)의 경우 1.47 min이었다. 직접 습식 도말 현미경 검사법은 자동 분변 분석기(AI 보고서)와 비교하여 1.1배의 시간이 더 소요되었다(t = 2.442, P = 0.020). 반대로, 자동 분변 분석기(사용자 감사)와 직접 습식 도말 현미경 검사법은 유사한 소요 시간을 보였다(t = 0.048, P = 0.962, 표 1).

세 가지 방법의 검출 결과 비교
직접 습식 도말 현미경 검사법(Direct Wet Smear Microscopy)으로는 51개의 기생충 충란 양성 샘플과 2,254...

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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...

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공개 사항

저자는 선언할 이해 상충이 없습니다.

감사의 글

이 연구는 중국 국립 자연 과학 재단 (82002235, 82302571)의 자금 지원을 받았습니다. 광동 기초 및 응용 기초 연구 재단 (2024A1515011037).

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
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. 오리

참고문헌

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