[논문 리뷰] Purim: a rapid method with reduced cost for massive detection of CoVid-19

Benjamin Isac Fargion, Daniele Fargion외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 26.

COVID-19 diagnosis using AI참고 문헌 12인용 수 4

한 줄 요약

Purim는 환자의 샘플을 하위 그룹으로 묶어 집단적으로 검사하고, 결과 간 상관관계를 분석하여 감염자를 최소한의 개별 검사로 정확히 특정하는 혁신적이고 저비용, 고처리량의 대규모 SARS-CoV-2 스크리닝 방법이다. 이 방법은 검사 비용과 소요 시간을 최대 98%까지 줄이며, 개별 PCR 검사에 필요한 검사 수의 2–3%만으로 수천 명을 검사할 수 있어 빠른 전 인구 스크리닝과 초기 유행병 감지가 가능하다.

ABSTRACT

The CoVid-19 is spreading pandemically all over the world. A rapid defeat of the pandemic requires carrying out on the population a mass screening, able to separate positive from negative cases. Such a cleaning will free a flow of productive population. The current rate and cost of testing, performed with the common PCR (polymerase chain reaction) method and with the available resources, is forcing a selection of the subjects to be tested. Indeed, each one must be examined individually at the cost of precious time. Moreover, the exclusion of potentially positive individuals from screening induces health risks, a broad slowdown in the effort to curb the viral spread, and the consequent mortality rates. We present a new procedure, the Purified by Unified Resampling of Infected Multitudes, in short Purim, able to untangle any massive candidate sample with inexpensive screening, through the cross-correlated analysis of the joint speciments. This procedure can reveal and detect most negative patients and in most cases discover the identity of the few positives already in the first or few secondary tests. We investigate the the two-dimensional correlation case in function of the infection probability. The multi-dimensional topology, the scaled Purim procedure are also considered. Extensive Purim tests may measure and weight the degree of epidemic: their outcome may identify focal regions in the early stages. Assuming hundreds or thousand subjects, the saving both in time and in cost will be remarkable. Purim may be able to filter scheduled flights, scholar acceptance, popular international event participants. The optimal extension of Purim outcome is growing as the inverse of the epidemia expansion. Therefore, the earlier, the better.

연구 동기 및 목표

• 팬데믹 확산을 막기 위해 빠르고 저비용이며 대규모로 SARS-CoV-2를 검사할 수 있는 긴급한 필요를 해결하기 위해.
• 현재의 개별 PCR 검사 방식이 대규모로 적용될 경우 시간과 비용이 많이 들기 때문에 이러한 제약 요소를 극복하기 위해.
• 모든 사람을 개별적으로 검사하지 않고도 풀링된 샘플 내에서 감염자를 효율적으로 식별할 수 있는 방법을 개발하기 위해.
• 확산 속도를 지역별로 측정하고 가중치를 적용함으로써 확산 추세를 파악함으로써 유행병 초기 감지를 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• Purim는 N명의 개인을 하나의 검사로 묶는다. 양성 결과가 나올 경우 그 집단을 하위 그룹(예: 행과 열)으로 나누어 2차 검사를 실시한다.
• 수평 및 수직 하위 그룹으로 구성된 2차원 풀링 샘플 어레이를 사용하여 상호 상관관계를 통해 감염자가 정확히 어디에 있는지 특정한다.
• 하위 그룹 검사 결과를 상호 확인함으로써 교차점이 감염 사례를 나타내는지 확인하는 방식으로, 가짜 양성 결과가 존재하더라도 이를 식별한다.
• 가짜 양성 결과는 '거울 효과' 또는 '그림자 효과'로 발생할 수 있으나, 이는 의심되는 후보자에 대한 최소한의 추가 개별 검사를 통해 해결된다.
• 이 절차는 다차원 구조로 확장 가능하며, 10,000명과 같은 대규모 인구에 적용 가능하며, 2·N²개의 하위 검사를 사용한다.
• 감염 확률이 낮다(1% 미만)는 가정 하에 샘플 희석을 견디며, 바이러스 RNA가 10~100배 희석된 상태에서도 효과를 유지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 풀링된 검사 전략이 대규모 SARS-CoV-2 스크리닝에서 필요한 PCR 검사 수를 크게 줄일 수 있는가?
• RQ2 풀링된 하위 그룹의 상관관계가 있는 검사 결과를 어떻게 활용하여 높은 정확도로 감염자를 식별하고 추가 검사 수를 최소화할 수 있는가?
• RQ3 이 방법을 통해 비용과 시간 효율성을 유지하면서 효율적으로 스크리닝할 수 있는 최대 인구 규모는 얼마인가?
• RQ4 감염 유병률이 다양할 경우, 특히 유병률이 낮은 환경에서 이 방법의 성능은 어떠한가?
• RQ5 이 방법을 공항 검사, 학교 재입학, 국가 수준의 검사 캠페인 등 실제 응용에 확장할 수 있는가?

주요 결과

• 1% 미만의 유병률을 가진 인구를 스크리닝할 경우, Purim는 개별 검사 대비 최소 80%에서 최대 98%까지 필요한 검사 수를 줄일 수 있다.
• 10,000명의 인구를 대상으로 할 경우, Purim는 개별 PCR에 필요한 검사 수의 2%에서 20%만으로도 충분하며, 이는 감염률에 따라 달라진다.
• 이 방법은 첫 번째 또는 두 번째 라운드 검사에서 진짜 양성자들을 높은 신뢰도로 특정할 수 있어 추가로 개별 검사를 최소화할 수 있다.
• 6,000만 명 규모의 국가 수준의 시험에서 Purim는 개별 검사 비용의 2–3%로 줄일 수 있으며, 비용을 수십억 달러 절감할 수 있다.
• 이 절차는 비행기, 학교, 이벤트 등 대규모 집단의 신속한 스크리닝을 가능하게 하여 대부분의 사람들은 안전하게 복귀시키면서도 몇 명의 감염자만 격리할 수 있다.
• 이 방법은 유행 초기에 적용될 경우 가장 효과적이며, 감염 확산 속도가 빨라질수록 효율성이 반비례로 증가한다.