Wirksamkeit eines KI-basierten Augmented-Reality-Systems für die Händehygieneschulung: eine multizentrische, gemischte Methoden Cluster-randomisierte kontrollierte Studie (HANDHEART)

Die Bedeutung der Händehygiene kann sowohl im Gesundheitswesen als auch in Gemeinschaftseinrichtungen nicht unterschätzt werden (Allegranzi et al., 2011; Mathur, 2011). Die Förderung der Händehygiene ist die bewährte Methode zur Prävention von im Gesundheitswesen erworbenen Infektionen (WHO, 2009). Es wird geschätzt, dass Händehygiene über 500.000 vermeidbare Todesfälle pro Jahr reduzieren könnte. Es wurde festgestellt, dass die jährlichen wirtschaftlichen Auswirkungen von im Gesundheitswesen erworbenen Infektionen in den USA im Jahr 2004 etwa 6,5 Milliarden US-Dollar betrugen (WHO, 2009) und jeder in die Förderung der Händehygiene investierte US-Dollar einen Nutzen von 23,7 US-Dollar erbringen könnte (Chen et al., 2011). Bildung spielt eine Schlüsselrolle bei der Etablierung einer guten Praxisbasis in der Händehygiene.

Die traditionellen Schulungsmethoden für Händehygiene umfassen Vorlesungen im Klassenzimmer und praktische Übungen, erhalten jedoch aufgrund begrenzter personeller und sachlicher Ressourcen selten individualisierte Anweisungen und Rückmeldungen. Daher besteht ein dringender Bedarf an der Entwicklung eines automatisierten und individualisierten Schulungssystems. Dieses vorgeschlagene Projekt zielt darauf ab, ein innovatives Bildungswerkzeug für Händehygiene zu entwickeln und zu testen, mit folgenden spezifischen Zielen:

1. Entwicklung eines Prototyps des KI-gestützten AR-Systems für Händehygiene-Schulung und -Bewertung;
2. Durchführung einer multizentrischen, gemischten Methoden-Nichtunterlegenheits-randomisierten kontrollierten Studie (RCT) zur Überprüfung der Wirksamkeit dieses KI-basierten AR-Schulungssystems auf Wissen und Praxis der Händehygiene bei verschiedenen Bevölkerungsgruppen in verschiedenen Umgebungen, einschließlich Studierenden gesundheitsbezogener Disziplinen, Gesundheitsfachkräften und unterstützendem Personal in Krankenhäusern;
3. Bewertung der Auswirkungen des KI-basierten AR-Schulungssystems und Erhebung von Rückmeldungen der Teilnehmer.
4. Untersuchung der Erfahrungen, Einstellungen und Wahrnehmungen der Teilnehmer zur Händehygiene-Schulung mittels Nutzerfeedback-Umfragen und Fokusgruppen-Interviews.

Bei nachgewiesener Wirksamkeit kann dieses System als E-Learning-Ansatz in den Lehrplan von Studierenden gesundheitsbezogener Disziplinen, Gesundheitsfachkräften und unterstützendem Personal aus Krankenhäusern integriert werden. Zukünftig kann dieses System auch am Point-of-Care zur Echtzeitüberwachung und Überprüfung von Gesundheitspersonal in anderen Gesundheitseinrichtungen eingesetzt werden. Zusätzlich zu quantitativen Ergebnismessungen werden qualitative Interviews durchgeführt, um die Lernerfahrungen, Einstellungen und wahrgenommenen Barrieren der Studierenden bezüglich Händehygiene-Praxis und der Nutzung KI-basierter AR-Schulungswerkzeuge zu erforschen.

Methoden

Studiendesign Dies ist eine Studie mit gemischten Methoden, bestehend aus einer multizentrischen Nichtunterlegenheits-Zweigruppen-randomisierten kontrollierten Studie (RCT) und einer qualitativen Komponente. Die RCT wird die Wirksamkeit des KI-basierten AR-Schulungssystems auf das Wissen und die Praxis der Studierenden zur Händehygiene evaluieren, während die qualitative Studie die Erfahrungen, Einstellungen und wahrgenommenen Barrieren der Studierenden im Zusammenhang mit der Händehygiene-Schulung durch halbstrukturierte Interviews erforscht. Es gibt drei Zentren für diese Studie: Die Hong Kong Polytechnic University, die Chinese University of Hong Kong und das Tongji Hospital in Wuhan, China. Wir werden berechtigte Bachelor-Studierende von zwei Universitäten sowie Gesundheitsfachkräfte/unterstützendes Personal vom Tongji Hospital rekrutieren.

Teilnehmerrekrutierung Wir werden 480 Bachelor-Studierende aus gesundheitsbezogenen Disziplinen von der Hong Kong Polytechnic University und der Chinese University of Hong Kong (n=240) sowie Gesundheitsfachkräfte und unterstützendes Personal in Krankenhäusern (n=240) rekrutieren. Die Datenerhebung wird von September 2025 bis Dezember 2026 durchgeführt. Die Teilnehmer buchen einen Zeitfenster für Schulungssitzungen (jede Sitzung hat bis zu 25 Teilnehmer). Alle Teilnehmer, die dieselbe Sitzung besuchen, werden durch Cluster-Randomisierung derselben Gruppe zugeordnet. Ein Statistiker wird die Gruppen im Voraus mittels eines Zufallszahlengenerators zuweisen. Die Teilnehmer werden vor ihrer Ankunft an den Studienorten nicht über ihre Gruppe informiert.

Wir berechneten die Stichprobengröße für eine cluster-randomisierte kontrollierte Studie. Wir gehen davon aus, dass die Anzahl der Teilnehmer in jedem Cluster zwischen 6 und 25 liegt und es etwa 10-30 Cluster in jeder Gruppe geben wird. Wir nehmen weiter an, dass die Standardabweichung der Probanden 2,00 beträgt, der Intracluster-Korrelationskoeffizient 0,010 und der Variationskoeffizient der Clustergrößen 0,500 (Ahn et al. 2015). Die Gesamtstichprobengröße von 480 kann eine Power von >91% erreichen, um einen Unterschied zwischen zwei Gruppenmittelwerten (Konfidenzintervall -1,0 und 1,0) in einem zweiseitigen t-Test mit einem Signifikanzniveau von 0,050 zu erkennen.

Prä-Interventionsbewertung Während des Studienortbesuchs werden die Teilnehmer zunächst eingeladen, eine Einverständniserklärung zu unterschreiben und einen Fragebogen zu Wissen und Praxis der Händehygiene auszufüllen (siehe Anhang 1).

Die Teilnehmer müssen fluoreszierendes Pulver auf beide Hände auftragen und dann Händewaschen mit Flüssigseife ohne Anweisungen durchführen (1. HW-Versuch). Die über den Handwaschbecken installierte Kamera nimmt während dieses Vorgangs Videos beider Hände auf (ohne Gesicht oder andere Körperteile). Nach dem Händewaschen müssen die Teilnehmer das auf ihren Händen verbliebene fluoreszierende Pulver in einem Handscanner (The Semmelweis Scanner™) scannen. Die aufgezeichneten Händewaschvideos werden verwendet, um die KI-Algorithmen für automatische Bildverarbeitung und Bewertungen zu trainieren. Zwei IPC-Experten werden die Qualität der Händehygiene in diesen Videos beurteilen, die als Grundwahrheit in der Bildverarbeitung verwendet wird. Der prozentuale Anteil des fluoreszierenden Gelrückstands auf den Händen, der im Handscanner angezeigt wird, dient als objektive Bewertung der Wirksamkeit des Händewaschens bei einzelnen Teilnehmern.

Interventionsgruppen Gruppe A (KI-basiertes AR-Schulungssystem) Die Teilnehmer verwenden das KI-gestützte AR-Schulungssystem, um individualisierte Bewertungen ihrer Händewaschleistung zu erhalten. Sie werden nicht über die Handscanner-Ergebnisse informiert.

Gruppe B (Handscanner + Video-Schulung) Die Teilnehmer verwenden ein bestehendes Schulungsprogramm, das sich in unserer vorherigen Studie (unveröffentlicht) als wirksam erwiesen hat. Kurz gesagt werden die Teilnehmer über ihre Handscanner-Ergebnisse während des ersten HW-Versuchs informiert. Sie sehen auch ein Schulungsvideo über die 7 Schritte des Händewaschens.

Post-Interventionsbewertung Die Teilnehmer führen den zweiten HW-Versuch durch, indem sie erneut fluoreszierendes Pulver auf beide Hände auftragen und dann Händewaschen mit Videoaufzeichnung durchführen. Nach dem Händewaschen scannen die Teilnehmer das auf ihren Händen verbliebene fluoreszierende Pulver erneut in einem Handscanner.

Die Teilnehmer werden auch gebeten, einen Fragebogen zu Wissen und Praxis der Händehygiene als Teil der Post-Interventionsbewertung auszufüllen.

Qualitative Studie Zusätzlich zur randomisierten kontrollierten Studie wird eine qualitative Komponente durchgeführt, um die Erfahrungen, Einstellungen und wahrgenommenen Barrieren der Teilnehmer gegenüber der Händehygiene-Schulung zu erforschen (siehe Anhang 2). Eine gezielte Teilstichprobe von Teilnehmern aus beiden Interventions- und Kontrollgruppen wird eingeladen, an halbstrukturierten Interviews teilzunehmen, die vom Theoretical Domains Framework (Cane et al., 2012) geleitet werden. Die Interviews decken Themen wie Lernerfahrung, Motivation, Benutzerfreundlichkeit, Wissen, Fähigkeiten und soziale Einflüsse ab. Alle Interviews werden audioaufgezeichnet und wortgetreu transkribiert. Die Daten werden mittels thematischer Analyse ausgewertet, wobei initiale Codes induktiv generiert und dann zu breiteren Kategorien und Themen organisiert werden. Themen werden iterativ überprüft und verfeinert, um Glaubwürdigkeit und Konsistenz sicherzustellen. Vor der Teilnahme wird eine schriftliche Einverständniserklärung eingeholt, und Vertraulichkeit sowie freiwillige Teilnahme werden strikt eingehalten. Jeder Teilnehmer erhält einen 100 HKD-Gutschein. Das Muster-Gutschein-Unterschriftenformular ist in Anhang 3 zu finden.

Randomisierung, Allokationsverdeckung und Verblindung Die Teilnehmer werden durch einen Randomisierungsprozess, der von einem Statistiker durchgeführt wird, der nicht an der Teilnehmerrekrutierung beteiligt ist, zufällig den Interventionsgruppen zugewiesen. Die Teilnehmer werden verblindet. Die an der Teilnehmerrekrutierung beteiligten RAs und die IPC-Experten, die die Qualität der Händehygiene beurteilen, werden bezüglich der Gruppenzugehörigkeit verblindet. Die RAs und studentischen Assistenten, die an der Aufzeichnung von Händehygiene-Videos am Studienort beteiligt sind, werden nicht verblindet, da sie den Teilnehmern Anweisungen geben.

Ethische Überlegungen

Es wird erwartet, dass das Schulungsprogramm keine körperlichen oder psychischen Schäden für die Teilnehmer verursacht. Die Wahrscheinlichkeit einer Hautallergie gegen fluoreszierendes Pulver ist sehr gering. Wenn ein Teilnehmer Anzeichen einer Hautallergie zeigt, wird er oder sie die Studie sofort abbrechen. Die Kontaktdaten entweder der ethischen oder der verantwortlichen Forschungsperson sind im Informationsblatt klar angegeben.

Interessierten Teilnehmern wird eine Erklärung der Studie gegeben. Den Teilnehmern wird auch die Möglichkeit gegeben, unseren Projektmitarbeitern Fragen zu stellen. Darüber hinaus wird den Teilnehmern ein Informationsblatt mit dem Studienzweck, der Vertraulichkeit der Daten und den Rechten der Teilnehmer zur Verfügung gestellt. Die Kontaktdaten entweder der ethischen oder der verantwortlichen Forschungsperson sind im Informationsblatt klar angegeben. Wenn sie der Teilnahme an der Studie zustimmen, müssen sie die Einverständniserklärung unterschreiben. Ihre Teilnahme erfolgt auf freiwilliger Basis; sie haben das Recht, jederzeit ohne Konsequenzen aus der Studie auszusteigen, wenn sie dies wünschen.

Alle erhobenen Daten werden vertraulich behandelt, und nur das Forschungspersonal kann auf die Daten zugreifen und sie verarbeiten. Es werden keine persönlichen Informationen der Teilnehmer außer der Studenten-ID-Nummer erhoben. Für die qualitative Komponente werden die Teilnehmer auch um Einwilligung zur Teilnahme an Interviews gebeten. Alle Interviewdaten werden anonymisiert und vertraulich behandelt.

Vertraulichkeit und Sicherheit

Die Datenerhebung erfolgt anonym, wird nur für festgelegte Zwecke analysiert und basiert auf der Einwilligung oder einer anderen gesetzlich vorgesehenen legitimen Grundlage. Keine persönlichen Informationen werden mit Bild/Video-Daten verknüpft. Alle Bild/Video-Daten werden ein Jahr nach Projektabschluss gelöscht. Das Projekt umfasst keine Aktivitäten oder Ergebnisse, die Sicherheitsprobleme aufwerfen.

Referenzen

Allegranzi, B., Bagheri Nejad, S., Combescure, C., Graafmans, W., Attar, H., Donaldson, L., & Pittet, D. (2011). Burden of endemic health-care-associated infection in developing countries: systematic review and meta-analysis. Lancet, 377(9761), 228-241. https://doi.org/10.1016/S0140-6736(10)61458-4

Ahn, C., Heo, M., & Zhang, S. (2015). Sample Size Calculations for Clustered and Longitudinal Outcomes in Clinical Research. CRC Press. New York.

Chen, Y. C., Sheng, W. H., Wang, J. T., Chang, S. C., Lin, H. C., Tien, K. L., Hsu, L. Y., & Tsai, K. S. (2011). Effectiveness and limitations of hand hygiene promotion on decreasing healthcare-associated infections. PLoS One, 6(11), e27163. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0027163

Mathur, P. (2011). Hand hygiene: back to the basics of infection control. Indian J Med Res, 134(5), 611-620. https://doi.org/10.4103/0971-5916.90985

WHO. (2009). In WHO Guidelines on Hand Hygiene in Health Care: First Global Patient Safety Challenge Clean Care Is Safer Care. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23805438

Yang, L., Lu, Y., Cao, J., Huang, J., & Zhang, M. (2020). E-Tree Learning: A Novel Decentralized Model Learning Framework for Edge AI. IEEE Internet of Things Journal.

Cane, J., O'Connor, D., & Michie, S. (2012). Validation of the theoretical domains framework for use in behaviour change and implementation research. Implementation science, 7(1), 37.