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Usefulness of Sputum and Pharyngeal Swab Specimens for Diagnosis of Coronavirus Disease 2019
Han-Sol Yun, Dong-Sung Jang, Seock-Hwan Lee*
Department of Family Medicine, Daegu Medical Center, Daegu, Korea
Seock-Hwan Lee
Tel: +82-53-560-7392, Fax: +82-53-556-4465
E-mail: fmdsky@hanmail.net
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-0638-643X
Received: April 29, 2021; Revised: May 11, 2021; Accepted: May 18, 2021; Published online: June 20, 2021.
© The Korean Academy of Family Medicine. All rights reserved.

This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted noncommercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
Abstract
Background: Various specimens are possible for the diagnosis of COVID-19, but previous studies comparing samples were small studies with hospitalized patients. The purpose of this study is to help diagnose COVID-19 in the future by comparing the sputum and nasopharyngeal swabs from a COVID-19 screening clinic and accordingly analyzing the clinical characteristics.
Methods: A total of 3,390 people from a COVID-19 screening clinic at a hospital in Daegu were included in the study. McNemar’s test and Cohen’s Kappa statistics were performed to compare sputum and nasopharyngeal swabs and to evaluate the degree of agreement. After classifying participants into groups based on the duration of their symptoms (within one week vs. more than one week), the Mann-Whitney U test was used to compare the Ct values of each gene of the two specimens.
Results: The sensitivity of the sputum specimen was 91.6%, which was lower than that of nasopharyngeal swabs, 94.4%, but there was no significant difference. In addition, Cohen’s Kappa coefficient was 0.917, showing very high agreement. The Ct value of each gene in the two specimens was significantly higher in the group whose symptom duration was longer than 1 week regardless of the type of specimen.
Conclusion: The sensitivity of nasopharyngeal swabs was not significant but higher compared to that of sputum, so they are recommended as the preferred specimens for the diagnosis of COVID-19. In addition, the result of self-collected sputum also showed very high agreement with result of nasopharyngeal swabs, so self-collected sputum can be recommended as a secondary alternative specimen for COVID-19 diagnosis.
Keywords: COVID-19; Sputum; Nasopharyngeal Swab; SARS-CoV-2; Sensitivity; Reverse Transcriptase Polymerase Chain Reaction
서 론

2019년 12월 31일 중국에서 원인불명의 폐렴 환자가 발생하였다고 공식적으로 발표하였고 이후 2020년 1월 7일 신종 폐렴 질환의 원인으로 새로운 코로나바이러스를 보고하였다. 세계보건기구는 이 새로운 바이러스의 이름을 잠정적으로 2019 novel coronavirus (2019-nCOV)로 명명하였다. 이후 이 바이러스의 이름은 severe acute respiratory syndrome coronaviruses 2 (SARS-COV-2)로 재 명명되었고 해당 바이러스로 인한 질환은 Coronavirus disease 2019 (COVID-19)로 명명되었다. 전 세계적으로 COVID-19 확진자가 발생하고 있으며 2021년 2월 기준 질병관리청의 발생동향 발표에 따르면 전 세계 200개 이상 국가에서 확진자 수는 1억명 이상에 이른다.1)

대한민국에서도 2020년 1월 20일 첫 확진자가 보고된2) 이후 2021년 2월 기준 질병관리청의 발생동향 발표에 따르면 8만명 이상의 확진자가 발생하였다.1) COVID-19 진단을 위한 real-time reverse transcriptase polymerase chain reaction (RT-PCR) 검사가 가능한 검체로는 객담, 인두 도말, 혈액, 대변 등이 있으나3) 현재 국내의 COVID-19 선별진료소에서 real-time RT-PCR 검사를 위한 검체로는 객담과 인두 도말이 주로 이용되고 있다.

증상이 경미한 환자가 많으나4,5) 증상이 경미한 환자에서도 전염력이 높은 경우가 존재하는6,7) SARS-COV-2의 특성으로 인해 집단감염이 의심되는 상황이 발생하면 검사수요의 폭발적인 증가가 일어난다. 그러한 상황에서 기존의 의료체계로는 일시적으로 검사수요를 감당하지 못하는 경우가 발생하여 보다 효율적인 COVID-19 선별검사 방법에 대한 방안들이 제안되고 있다. 2021년 2월 기준 질병관리청의 발생동향 발표에 따르면 대구광역시의 확진자 수는 8,500명을 넘었고 시도별 발생동향에서 세 번째로 많은 수를 차지한다.1) 대구의료원의 COVID-19 선별진료소에서는 COVID-19 진단을 위한 검사 시행 초기 일정기간 동안 기본적으로 객담 검체와 비 및 구 인두 도말 검체 두 가지를 동시에 채취하여 검사를 시행하였다.

COVID-19 진단을 위한 real-time RT-PCR 검사 검체로서 객담 검체와 비 인두 도말 검체 간의 비교를 한 연구8)와 기타 검체 간의 비교를 한 연구9-11)는 있었으나 이들 연구는 이미 COVID-19 진단이 되어 입원한 환자를 대상으로 한 연구였고 비교적 대상자가 적은 소규모 연구였다. 현재까지 선별진료소 내원자를 대상으로 COVID-19 진단 목적으로 객담 검체와 비 및 구 인두 도말 검체를 비교한 대규모 연구는 없었다.

그래서 본 연구는 선별진료소 내원자를 대상으로 동시에 채취한 두 검체 간의 양성률 및 민감도를 평가하고 그에 따른 임상적 특성을 분석하여 향후 COVID-19 진단에 도움이 되고자 하였다.

방 법

1. 연구대상

본 연구는 2020년 2월 12일부터 2020년 3월 31일까지 대구의료원의 COVID-19 선별진료소 내원자를 대상으로 하였다. 해당 기간 동안의 내원자 총 4,640명 중 real-time RT-PCR 검사를 위한 검체 채취를 하지 않은 경우, real-time RT-PCR 검사를 위한 검체로 객담, 비 및 구 인두 도말 중 한 가지만 채취한 경우, 작성된 의무기록에서 임상적 특성이 확인되지 않는 경우, 18세 미만의 영아 및 소아인 경우 등을 제외하여 최종적으로 총 3,390명의 내원자를 연구에 포함시켰다.

2. 연구방법

본 연구는 기존의 전자의무기록을 후향적으로 조사하였다. COVID-19 선별진료소의 전자의무기록을 통해 확진자 접촉력, 내원 당시 체온, 증상(기침, 객담, 근육통, 발열, 인두통, 오한, 호흡곤란, 두통, 흉통, 설사, 어지럼, 콧물 및 코막힘, 구역 및 구토, 복통, 기타 증상 여부), 증상 발생일로부터 내원일까지의 증상 지속기간, real-time RT-PCR 검사결과 등을 파악하였다. Real-time RT-PCR 검사는 GC녹십자의료재단, 대구시보건환경연구원, 랩지노믹스에 의뢰되어 시행되었다. Real-time RT-PCR 검사는 검사 기관에 따라 GC 녹십자의료재단은 Allplex 2019-nCoV Assay (Seegene, Seoul, Korea), 대구시보건환경연구원은 질병관리본부 kit, 랩지노믹스는 PowerChek 2019-nCoV Real-time PCR Kit (KogeneBiotech, Seoul, Korea)를 사용하였다. Allplex 2019-nCoV Assay는 envelope (E) gene, RNA dependent RNA polymerase (RdRP) gene, nucleocapsid (N) gene의 세 가지 gene을 목표 gene으로 하였고 질병관리본부 kit 및 PowerChek 2019-nCoV Real-time PCR Kit는 E gene, RdRP gene의 두 가지 gene을 목표 gene으로 하였다.

Real-time RT-PCR 검사 결과 기준은 검사 기관에 따라 양성, 음성, 미결정으로 판정되었고 그 기준은 다음과 같았다.

GC녹십자의료재단의 경우 각 gene별 검사 결과에서 cut-off cycle threshold (Ct)값이 40 미만일 경우 양성, 40 이상일 경우 음성으로 판정되었다. 세 가지 gene이 모두 양성일 경우 양성으로 판정되었으며 세 가지 gene이 모두 음성으로 판정된 경우 음성으로 판정되었고 그 외의 경우에는 미결정으로 판정되었다.

대구시보건환경연구원의 경우 각 gene별 검사 결과에서 Ct값이 36 미만일 경우 양성, 36 이상일 경우 음성으로 판정되었다. 두 gene이 모두 양성일 경우 양성으로 판정되었으며 두 gene 모두 음성일 경우 음성으로 판정되었고 그 외의 경우에는 미결정으로 판정되었다.

랩지노믹스의 경우 각 gene별 검사 결과 Ct값이 40 미만일 경우 양성으로 판정되었으며 40 이상일 경우 음성으로 판정되었다. 두 gene이 모두 양성일 경우 양성으로 판정되었으며 두 gene이 모두 음성일 경우 음성으로 판정되었고 그 외의 경우에는 미결정으로 판정되었다.

본 연구에서는 미결정 판정의 경우 음성군에 포함시켜서 연구를 수행하였고 최종 양성군(COVID-19 환자군)의 기준은 객담 검체와 비 및 구 인두 도말 검체 중 하나의 검체라도 real-time RT-PCR 검사에서 양성으로 판정될 경우로 정하였다.

본 연구는 보건복지부 지정 공용기관생명윤리위원회(electronic institutional review board)의 승인을 받아 수행되었다(IRB No: P01-202101-21-018).

3. 자료 분석

양성군과 음성군 간의 일반적 특성에 대한 분석은 연속형 변수에 대해서는 t-test, 명목형 변수에 대해서는 chi-square test 또는 Fisher’s exact test로 검정하였다. 객담 검체와 비 및 구 인두 도말 검체, 두 가지 검체 간 real-time RT-PCR 검사 결과의 비교분석은 McNemar’s test를 시행하였고 두 검체 간 일치성을 평가하기 위해 Cohen’s Kappa statistics를 사용하였다. 양성군에서 객담 검체와 비 및 구 인두 도말 검체의 각 gene별로 Ct값을 비교하기 위해 paired t-test를 시행하였다. 증상발생일로부터 내원일까지의 증상 지속기간을 기준으로 1주 이하(1–7일)군과 1주 초과(8일 이후)군으로 분류한 뒤 양성군에서 객담 검체와 비 및 구 인두 도말 검체의 각 gene별 Ct값을 비교하기 위해 Mann-Whitney U test를 사용하였다. 통계 분석은 R ver. 3.1.2 for Windows (R Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria)를 이용하여 검정하였다. 통계학적 유의수준은 P-value가 0.05 미만인 경우로 설정하였다.

결 과

1. 연구대상자의 일반적 특성

총 3,390명의 연구 대상자 중 양성군은 320명(9.4%), 음성군은 3,070명(90.6%)이었다. 전체 연구 대상자의 평균 연령은 43.7세이고 양성군의 평균 연령은 49.8세로 음성군의 43.1세에 비해 유의하게 높았다. 유증상자의 비율은 양성군 320명 중 257명(80.3%)으로 음성군 3,070명 중 1,803명(58.7%)에 비해 유의하게 높았다. 유증상자의 증상 기간은 양성군의 경우 평균 5.0일로 음성군에서의 평균 3.2일에 비해 유의하게 길었다. 체온 37.8°C 이상을 발열의 기준12)으로 정했을 때 내원 당시 발열 여부의 비율은 양성군 320명 중 75명(23.4%)으로 음성군 3,070명 중 283명(9.2%)보다 유의하게 높았다. 유증상자가 호소하는 증상 중 기침, 객담, 근육통, 발열, 오한, 호흡곤란 등의 증상은 양성군에서 유의하게 높았으나 인두통, 두통의 증상은 두 군 간의 유의한 차이를 보이지 않았다(Table 1).

Table 1

General characteristics of study subjects

VariablePositive (n=320)Negative (n=3,070)P-value
Age (y)49.8±17.343.1±14.5<0.01a
Sex<0.01
Male118 (36.9)1,605 (52.3)
Female202 (63.1)1,465 (47.7)
Fever (≥37.8°C) at the time of visit75 (23.4)283 (9.2)<0.01
Contact history196 (61.3)1,232 (40.1)<0.01
Symptomatic257 (80.3)1,803 (58.7)<0.01
Symptom duration (d)5.0±6.83.2±5.9<0.01a
Symptom
Cough154 (48.1)876 (28.5)<0.01
Sputum104 (32.5)646 (21.0)<0.01
Myalgia95 (29.7)467 (15.2)<0.01
Fever82 (25.6)479 (15.6)<0.01
Sore throat79 (24.7)767 (25.0)0.907
Chill64 (20.0)350 (11.4)<0.01
Dyspnea32 (10.0)196 (6.4)0.014
Headache25 (7.8)200 (6.5)0.375
Chest pain11 (3.4)76 (2.5)0.300
Diarrhea10 (3.1)33 (1.1)0.006b
Dizziness9 (2.8)22 (0.7)0.002b
Rhinorrhea, nasal obstruction9 (2.8)58 (1.9)0.259
Nausea, vomiting6 (1.9)25 (0.8)0.066b
Abdominal pain5 (1.6)13 (0.4)0.022b

Values are presented as number (%) or mean±standard deviation.

P-value by chi-square.

aP-value by t-test. bP-value by Fisher’s exact test.



2. 객담 검체와 비 및 구 인두 도말 검체, 두 검체 간 real-time RT-PCR 검사의 민감도 및 일치도

최종 양성군(COVID-19 환자군)의 기준을 객담 검체와 비 및 구 인두 도말 검체 중 하나의 검체라도 real-time RT-PCR 검사에서 양성으로 판정될 경우로 정하였을 때 객담 검체의 real-time RT-PCR 검사의 민감도는 91.6%로 비 및 구 인두 도말 검체의 민감도, 94.4%에 비해 낮았으나 유의한 차이는 없었다(P-value=0.233). 또한 일치도 검정에서는 Cohen’s Kappa 계수가 0.917로 나타나 아주 높은 일치도를 보였다(Table 2).

Table 2

Comparison of real-time RT-PCR results between sputum and NPS & OPS specimens

NPS & OPS specimen
PositiveNegative
Sputum specimen
Positive275 (8.1)18 (0.5)
Negative27 (0.8)3,070 (90.6)

Values are presented as number (%).

RT-PCR, reverse transcription polymerase chain reaction; NPS, nasopharyngeal swabs; OPS, oropharyngeal swabs.

P-value=0.233 by McNemar’s test; Cohen’s Kappa=0.917 (95% confidence interval, 0.905–0.929). Cohen’s Kappa: <0, poor; 0–0.2, slight; 0.21–0.4, fair; 0.41–0.6, moderate; 0.61–0.8, substantial; 0.81–1, almost perfect. Sensitivity of sputum specimen is 91.6%; [(275+18)/(275+18+27)]×100(%). Sensitivity of NPS & OPS specimen is 94.4%; [(275+27)/(275+27+18)]×100(%).



3. 양성군에서 각 gene별 Ct값의 비교

각 gene별로 객담 검체와 비 및 구 인두 도말 검체 간의 Ct값을 비교한 결과 E gene, RdRP gene, N gene 세 가지 모두 객담 검체에서 유의하게 높았다(Table 3).

Table 3

Ct values of sputum and NPS & OPS specimens in the real-time RT-PCR positive group (N=320)

SputumNPS & OPSP-value
E gene22.9±5.721.4±6.1<0.01
RdRP gene24.3±5.522.8±5.9<0.01
N gene26.0±5.624.3±5.8<0.01

Values are presented as mean±standard deviation.

Ct, cut-off cycle threshold; NPS, nasopharyngeal swabs; OPS, oropharyngeal swabs; RT-PCR, reverse transcription polymerase chain reaction; E gene, envelope gene; RdRP gene, RNA dependent RNA polymerase gene; N gene, nucleocapsid gene.

P-value by paired t-test.



증상발생일로부터 내원일까지의 기간이 1주 이하 군과 1주 초과 군의 객담 검체와 비 및 구 인두 도말 검체의 각 gene별 Ct값은 검체의 종류와 상관없이 증상 기간이 1주 초과 군에서 유의하게 높았다(Table 4).

Table 4

Ct values according to symptom duration in real-time RT-PCR positive group (N=320)

Symptom durationP-value
Within 1 wkMore than 1 wk
Sputum
E gene21.8±5.824.0±5.00.005
RdRP gene23.3±5.525.1±4.60.022
N gene24.3±5.526.8±4.80.005
NPS & OPS
E gene20.0±6.123.3±5.1<0.01
RdRP gene21.5±5.824.5±4.7<0.01
N gene23.1±5.726.1±4.7<0.01

Values are presented as mean±standard deviation

Ct, cut-off cycle threshold; RT-PCR, reverse transcription polymerase chain reaction; E gene, envelope gene; RdRP gene, RNA dependent RNA polymerase gene; N gene, nucleocapsid gene; NPS, nasopharyngeal swabs; OPS, oropharyngeal swab.

P-value by Mann-Whitney U test.


고 찰

본 연구는 COVID-19 선별진료소 내원자를 대상으로 객담 검체와 비 및 구 인두 도말 검체의 real-time RT-PCR 검사의 양성률 및 민감도를 평가하고 그에 따른 임상적 특성을 분석하여 COVID-19 진단을 위한 real-time RT-PCR 검사의 검체로서 두 검체의 유용성과 양성군의 특징을 알아보고자 하였다. 본 연구에서 객담 검체의 real-time RT-PCR 검사 결과의 민감도(91.6%)는 비 및 구 인두 도말 검체의 real-time RT-PCR 검사 결과의 민감도(94.4%)에 비해 다소 낮았지만 유의한 차이는 없었다. Böger 등13)의 객담 검체의 민감도(97.2%)와 비교하면 다소 낮았으나 비 인두 도말 검체의 민감도(73.3%)는 본 연구에서 더 높았다. 그리고 Wang 등11)의 비 인두 도말 검체의 민감도는 98.3%로 본 연구에 비해 다소 높았다.

본 연구에서 객담 검체와 비 및 구 인두 도말 검체 간의 일치도는 Cohen’s Kappa 계수가 0.917로 아주 높았다. 이와 대조적으로 객담 검체와 비 인두 도말 검체를 비교한 Zhang 등8)의 연구에서는 증상 기간별 Cohen’s Kappa 계수가 -0.09, 0.12, 0.13으로 아주 낮았고 비 인두 도말 검체와 구 인두 도말 검체를 비교한 Wang 등11)의 연구에서도 0.19로 아주 낮았다. 그리고 Altawalah 등10)의 연구에서 비 인두 도말 검체와 타액 검체 간의 Cohen’s Kappa 계수는 0.814로 본 연구에 비해 다소 낮았다. 또한 SARS-COV-2가 아닌 다른 호흡기 바이러스에 대하여 객담 검체와 비 인두 도말 검체의 real-time RT-PCR 검사 결과를 비교한 Jeong 등14)의 연구에서도 바이러스별 Cohen’s Kappa 계수는 0.637에서 0.854로 본 연구에 비해 다소 낮았다. 상기 여러 연구8,10,11,14)와 비교할 때 본 연구의 두 검체 간 일치도가 아주 높다는 것을 알 수 있다.

본 연구에서 검체의 종류와 상관없이 증상 기간이 1주일을 초과하는 경우 유의하게 Ct값이 높았으며 Ct값은 SARS-COV-2 바이러스 총량과 반비례15)하므로 바이러스 총량이 최고조에 도달한 이후부터는 감소함을 보였던 기존의 연구16-18)와 일치하였다. 객담 검체의 Ct값이 비 및 구 인두 도말 검체의 Ct값에 비해 유의하게 높은 결과를 보여 Huh 등19)의 연구와 일치하였다. 본 연구와는 다르게 객담의 SARS-COV-2 바이러스 총량이 인두 도말에 비해 더 많았던 연구16,20)도 있었으나 이들 연구16,20)는 입원환자를 대상으로 하였기 때문에 COVID-19의 중증도가 높고 상대적으로 이환 기간이 길었다. COVID-19 환자의 중증도가 높은 군은 낮은 군에 비해 SARS-COV-2 바이러스 총량의 양상이 다르므로18) 본 연구와 다른 결과를 보인 것으로 생각된다.

본 연구는 객담 검체 채집에 있어서 부정확함이 있었을 수 있다. 연구의 대상이 되는 대구광역시 소재의 일개 감염병 전담병원의 COVID-19 선별진료소에서는 객담 검체 채집에 있어 내원자가 직접 채취하도록 하였다. 객담 증상이 없는 경우에도 채취하여 구강의 세포, 타액 등을 포함한 상기도 환경에 의해 오염 혹은 희석되었을 가능성이 있어 객담 검체로서의 적절성에는 논란의 여지가 있을 수 있다.

그럼에도 본 연구에서 객담 검체는 비 및 구 인두 도말 검체와 비교하여 유의한 차이 없이 높은 민감도를 보였기에 비 및 구 인두 도말 검체 채취가 어려운 경우의 대안 검체가 될 수 있음을 보였다. 본 연구는 단일기관연구임에도 불구하고 동시에 채취한 두 가지 검체를 비교한 연구로서는 전체 연구대상자의 수가 3,390명으로 대규모 연구라 할 수 있다. 또한, COVID-19 선별진료소 내원자를 대상으로 real-time RT-PCR 검사를 위한 검체로서 객담 검체와 비 및 구 인두 도말 검체의 유용성을 보여준 첫 연구이다.

결론적으로, 비 및 구 인두 도말 검체는 객담 검체에 비해 유의하지 않지만 민감도가 더 높으므로 COVID-19 진단을 위한 real-time RT-PCR 검사의 우선적인 검체로 권장된다. 그리고 자가 채취한 객담 검체도 비 및 구 인두 도말 검체와 아주 높은 일치도를 보였기에 COVID-19 진단을 위한 real-time RT-PCR 검사의 이차적인 대안 검체로 권장될 수 있다.

감사의 글

본 연구는 대구시의사회 COVID19 학술지원단의 지원으로 수행된 연구입니다.

CONFLICT OF INTEREST

No potential conflict of interest relevant to this article was reported.

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