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과학적 제어

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1. 개요

과학적 제어는 실험 결과의 신뢰도를 높이기 위해 실험 조건과 변수를 조절하는 방법이다. 통제된 실험은 실험 오류, 실험자의 편향 등을 제거하고, 실험 결과의 유효성을 확보하기 위해 사용된다. 통제에는 음성 통제, 양성 통제, 무작위 대조군, 블라인드 실험 등의 유형이 있으며, 특히 약물 임상 시험에서 위약 대조군을 설정하여 위약 효과를 배제하고, 실험 결과의 객관성을 확보하는 데 중요한 역할을 한다.

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과학적 제어
개요
유형과학적 실험 방법
목적오차 감소, 인과 관계 규명
관련 개념가설
실험군
대조군
무작위화
맹검법
재현성
상세 내용
정의실험 결과의 신뢰성을 높이기 위해 실험 설계에서 사용되는 기술
핵심 원리다른 모든 변수를 일정하게 유지하고 관심 있는 변수만 조작
역할실험 결과에 대한 신뢰성 확보 및 해석 용이
대조군의 중요성
역할실험 변수의 영향을 받지 않는 그룹
실험 결과의 비교 기준으로 사용
효과 검증대조군과의 비교를 통해 실험 변수의 실제 효과를 판단
오차 제어
오차 유형무작위 오차
체계적 오차
제어 방법변수 제어
무작위화
반복 실험
실험 설계
고려 사항가설 설정
변수 식별 및 제어
대조군 설정
데이터 수집 및 분석 방법 결정
통계적 유의성실험 결과가 우연에 의한 것인지 판단
윤리적 고려 사항
관련 사항피험자의 안전 및 권리 보호
동의 획득
개인 정보 보호

2. 통제된 실험

통제는 실험 결과의 타당성을 확보하고, 특히 실험 오류 및 실험자의 편향을 제거하는 데 중요한 역할을 한다. 많은 통제가 SDS-PAGE 실험에서 사용되는 분자 표지와 같이 수행되는 실험 유형에 따라 다르며, 장비가 제대로 작동하는지 확인하는 데에도 사용될 수 있다. 실험 결과가 유효함을 보장하기 위한 적절한 통제의 선택과 사용은 매우 어려울 수 있다.[8] 예를 들어, 마이크의 배경 잡음을 측정하여 이후 신호 처리에서 잡음을 제거함으로써 고품질의 신호를 얻을 수 있다.

예를 들어, 한 연구자가 60마리의 실험실 에게 실험적인 인공 감미료를 먹인 후 그들 중 열 마리가 아픈 것을 관찰했다면, 그 원인이 감미료 자체일 수도 있고, 희석제와 같은 다른 요인일 수도 있다. 희석제 효과를 통제하기 위해, 희석제만 투여하는 실험을 추가한다. 이를 통해 연구자는 감미료, 희석제, 그리고 아무 처리도 하지 않은 그룹을 비교할 수 있다. 비료를 뿌리는 실험에서 트랙터 사용이 불가피한 경우, 비료 없이 트랙터를 운행하는 실험을 추가하여 트랙터 운행의 영향을 통제할 수 있다.

가장 간단한 통제 유형은 음성 통제와 양성 통제이며, 이 두 가지 통제는 여러 유형의 실험에서 볼 수 있다.[8] 이 두 가지 통제가 성공적인 경우, 대부분의 잠재적인 혼동 변수를 제거하기에 충분하다. 즉, 실험은 부정적인 결과가 예상되는 경우 부정적인 결과를, 긍정적인 결과가 예상되는 경우 긍정적인 결과를 낸다.

2. 1. 통제 유형

통제는 실험 결과에 영향을 미치는 혼동 변수를 제거하고, 실험 결과의 신뢰성을 높이는 데 중요한 역할을 한다. 통제는 실험 오류와 실험자의 편향을 제거하며, 실험 장비가 제대로 작동하는지 확인하는 데에도 사용될 수 있다. 실험 결과의 유효성을 보장하기 위해 적절한 통제를 선택하고 사용하는 것은 매우 어려울 수 있다.[8]

예를 들어, 60마리의 에게 실험적인 인공 감미료를 먹인 후 10마리가 아프게 된 경우, 원인이 감미료 자체인지 아니면 다른 요인인지 확인해야 한다. 이때 희석제 효과를 통제하기 위해 희석제만 투여하는 실험을 추가할 수 있다. 이를 통해 감미료, 희석제, 그리고 아무 처리도 하지 않은 그룹을 비교할 수 있다.

가장 간단한 통제 유형에는 음성 통제와 양성 통제가 있다.[2] 이 두 가지 통제가 성공적이면, 대부분의 혼동 변수를 제거할 수 있다. 그 외에도 vehicle controls, sham controls 및 비교 대조군이 있다.[2]

2. 1. 1. 음성 통제

음성 대조군은 예상되는 현상이 나타나지 않는 그룹이다. 약물 검사를 예로 들면, 음성 대조군은 관심 약물을 투여하지 않은 그룹이다. 이 그룹은 어떠한 조합도 받지 않거나 위약을 투여받는다.[8] 이 통제 그룹은 음성적인 효과 또는 영(null) 효과를 나타내야 한다.

두 가지 가능한 결과(예: 긍정 또는 부정)만 존재하는 경우, 조치를 받은 그룹과 음성 대조군 모두 부정적인 결과를 낳는다면, 해당 처리가 아무런 효과를 나타내지 못한다는 것을 추론할 수 있다. 조치를 받은 그룹과 음성 대조군 모두 긍정적인 결과를 낳는다면, 연구 내 현상에 혼동 변수가 개입되었으며, 긍정적인 결과가 단독으로 해당 처리로부터 기인하지 않았다고 추론할 수 있다.[8]

다른 예에서, 결과는 길이, 곱, 백분율 등이 될 수 있다. 약물 테스트 예제에서, 치료된 환자의 비율을 측정할 수 있다. 이 경우, 조치 그룹과 음성 대조군이 동일한 결과를 낳는다면 해당 치료는 효과가 없는 것으로 추정된다. 플라시보 효과로 인해 플라시보 그룹에 약간의 개선이 예상되며, 이 결과는 치료가 개선되어야 하는 기준선을 설정한다. 조치 그룹이 개선을 보이는 경우조차도, 플라시보 그룹과의 비교는 필요하다. 해당 그룹이 동일한 효과를 보인다면, 치료는 개선의 원인이 되지 못했다(동일한 수의 환자가 치료 없이 치료되었기 때문에). 치료는 치료 그룹이 플라시보 그룹보다 좀 더 개선된 경우에만 효과가 있다.[8]

2. 1. 2. 양성 통제

양성 통제는 예상되는 현상이 나타나는 그룹으로, 실험 절차의 유효성을 검증하는 데 사용된다.[8] 예를 들어, 이미 효과가 있다고 알려진 실험적인 조치를 사용하여 효과가 나타나는지 확인한다.

양성 통제는 테스트 유효성을 판단하는 데 자주 사용된다. 예를 들어, 어떤 질병을 감지하기 위한 새로운 테스트의 적합도를 판단하려면, 이미 작동하는 것으로 알려진 다른 테스트와 비교할 수 있다. 잘 정립된 테스트는 질문에 대한 답(테스트가 동작하는지 여부)이 긍정적이라는 것을 이미 알고 있기 때문에 양성 통제이다.

효소 분석에서 양성 통제는 정제된 효소의 알려진 양을 포함하는 분석이 될 것이다. (반면 음성 통제는 효소를 포함하지 않는다.) 양성 대조군에는 많은 양의 효소 활성화를 가하는 반면, 음성 대조군에는 아주 낮은 활성도를 부여해야 할 것이다.

양성 대조군이 예상되는 결과를 내지 못한다면, 실험 절차 상 무언가가 잘못되었을 수도 있으며, 실험은 반복된다. 어렵거나 복잡한 실험의 경우, 양성 대조군의 결과를 이전의 실험 결과와 비교하여 도움이 될 수 있다.

가능한 경우, 여러 개의 양성 통제를 사용할 수도 있다. 효과가 있다고 알려진 한 개 이상의 질병 테스트가 존재할 경우, 한 개 이상이 테스트될 수도 있다. 또한 여러 양성 대조군은 양성 대조군으로부터 예상되는 결과가 다른 크기를 갖는 경우 결과의 양질의 비교(측정 혹은 표준화)를 가능하게 한다.

2. 1. 3. 무작위 대조군

무작위 대조군에서, 서로 다른 실험 처치를 받는 그룹은 무작위로 결정된다. 이는 그룹 간에 차이가 없음을 보장하지는 않지만, 차이가 균등하게 분포되도록 하여 체계적 오차를 수정한다.[8]

예를 들어, 작물 수확량에 영향을 미치는 실험(예: 토양 비옥도)에서, 무작위로 선택된 토지에 처치를 할당하여 실험을 제어할 수 있다. 이는 수확량에 대한 토양 구성의 변화 영향을 완화한다.

2. 1. 4. 블라인드 실험

블라인드 실험은 실험 참가자들에게 특정 정보를 제한하여, 확증 편향이나 위약 효과 등의 영향을 최소화하는 방법이다. 예를 들어, 의료적인 조치의 성공 여부를 평가할 때, 어떤 환자가 조치를 받았는지, 받지 않았는지 알지 못하는 외부 전문가가 각 환자의 혈액 샘플을 검사한다. 이를 통해 조치를 받은 환자와 받지 않은 환자를 구분하여 실험 결과의 신뢰성을 높일 수 있다.[8]

블라인드는 샘플이 어떤 그룹의 것인지 알고 있는 사람에 의해 평가될 때 발생할 수 있는 확증 편향과 희망찬 생각과 같은 영향을 제거한다.

이중 블라인드 실험에서는 실험이 진행되는 동안 최소한 일부 환자와 일부 실험자는 완전한 정보를 받지 못한다. 이중 블라인드 실험은 의료적 조치의 임상시험에서 해당 조치의 가정된 효과가 조치 자체에 의해서만 생성된다는 것을 입증하기 위해 자주 사용된다. 임상 시험은 일반적으로 비교될 (통계적으로) 동일한 두 환자 그룹에게 무작위로 배정되고 이중 블라인드된다. 조치군은 조치를 받으며, 대조군은 위약을 받게 된다. 플라시보가 "첫번째" 블라인드이며 환자에 대한 결과에 영향을 줄 수 있는 약을 복용하게 되는 환자의 기대치를 제어한다. 실험자의 "두번째" 블라인드는 의도되지 않은 실험자의 행동 차이로 인한 환자의 기대치에 대한 영향을 제어한다. 실험자는 어떤 환자가 어떤 그룹에 속해 있는지 알지 못하므로, 무의식적으로 환자에게 영향을 줄 수 없다. 실험이 끝나면, 그들은 그들 자신을 "언블라인드(unblind)"하며 결과를 분석한다.

외과 수술 절차가 개입된 임상 시험에서, 가짜 수술 그룹은 데이터가 실험 자체의 효과를 반영하고 수술의 결과가 아님을 확인하는데 사용된다. 이 경우, 이중 블라인드는 환자가 그들의 수술이 실제이거나 거짓인지 알 수 없으며, 환자 결과를 평가하는 실험자가 외과 의사와 다르며 어떤 환자가 어떤 그룹에 속하는지 모르기 때문에 이중 블라인드된다.

3. 통제된 실험의 방법 (일본어 문서)

대조군은 실험 결과에서 실험 오류나 실험자의 편향과 같은 다른 변수의 영향을 제거하는 데 중요한 역할을 한다. 예를 들어, SDS-PAGE 실험에 사용되는 분자 표지와 같이, 수행되는 실험 유형에 따라 장비가 제대로 작동하는지 확인하는 것이 목적일 수 있다.[2] 적절한 대조군 선택은 혼합 변수를 제거하고 실험 결과의 유효성을 보장하는 데 필수적이지만, 이는 매우 어려울 수 있다.

예를 들어, 연구자가 60마리의 실험용 에게 실험적인 인공 감미료를 먹인 후 10마리가 아프게 되는 것을 관찰했을 때, 감미료 자체가 원인일 수도 있지만, 관련이 없는 다른 요인 때문일 수도 있다. 인공 감미료는 희석제와 혼합될 수 있는데, 실제로는 희석제가 효과를 유발할 수 있다. 이 경우, 희석제의 효과를 제어하기 위해 동일한 테스트를 두 번 실행한다. 한 번은 희석제에 인공 감미료를 넣고, 다른 한 번은 희석제만 사용하여 수행한다. 이렇게 하면 실험자는 감미료, 희석제, 그리고 비처리 사이를 구별할 수 있게 된다.

가장 간단한 대조군 유형에는 음성 대조군과 양성 대조군이 있으며, 이들은 다양한 유형의 실험에서 발견된다.[2] 이 두 대조군은 대부분의 잠재적인 혼합 변수를 제거하기에 충분하다. 즉, 예상되는 음성 결과가 있을 때 실험에서 음성 결과를, 예상되는 양성 결과가 있을 때 양성 결과를 생성한다.

두 가지 결과(예: 긍정 또는 부정)만 가능한 경우, 치료 그룹과 음성 대조군 모두 부정적인 결과를 나타내면 치료가 효과가 없다고 추론할 수 있다. 반대로, 치료 그룹과 음성 대조군 모두 긍정적인 결과를 나타내면, 연구 중인 현상에 혼입 변수가 관여하고 긍정적인 결과가 치료만으로 인한 것이 아니라고 추론할 수 있다.

약물 테스트와 같이 길이, 시간, 백분율 등으로 결과를 측정하는 경우, 치유된 환자의 비율을 예로 들 수 있다. 치료 그룹과 음성 대조군이 동일한 결과를 보이면 치료 효과가 없다고 결론 내릴 수 있다. 위약 효과로 인해 위약 그룹에서도 어느 정도 개선이 예상되므로, 이 결과는 치료 효과의 기준선을 설정한다. 치료 그룹이 개선을 보이더라도 위약 그룹과 비교해야 하며, 두 그룹이 동일한 효과를 보이면 치료가 개선의 원인이 아니라고 판단한다. 치료 그룹이 위약 그룹보다 더 큰 개선을 보일 때만 치료가 효과적이라고 할 수 있다.

대조 실험을 수행하면 추정 통계학적으로 결과 차이의 유의한 차이를 판단할 수 있고, 그 차이의 크기를 통해 효과의 정도를 알 수 있다. 또한, 약물 임상 시험의 경우 위약 효과를 배제할 수 있다. 대조 실험에서는 위약을 투여받은 피험자도 위약임을 알지 못하므로, 피험자가 효과를 기대함으로써 발생하는 변화(바이어스)를 제거할 수 있다.

3. 1. 대조 실험의 종류 (일본어 문서)

음성 대조군과 양성 대조군은 과학적 실험에서 중요한 역할을 한다. 이들은 실험 결과의 타당성을 검증하고, 실험 오류나 편향을 제거하는 데 도움을 준다.
음성 대조군 (Negative Control)음성 대조군은 예상되는 현상이 나타나지 않는 그룹이다. 즉, 아무런 처리를 하지 않거나, 효과가 없을 것으로 예상되는 처리를 하는 그룹이다. 예를 들어, 신약의 효과를 검증하는 실험에서 음성 대조군은 신약 대신 위약(僞藥, placebo)을 투여받는 그룹이 된다. 음성 대조군은 실험 결과가 실제로 처리 효과 때문인지, 아니면 다른 요인 때문인지를 판단하는 기준이 된다. 만약 음성 대조군에서도 긍정적인 결과(예: 증상 개선)가 나타난다면, 이는 실험 결과가 처리 효과 때문이 아니라 다른 요인(예: 플라시보 효과, 자연 치유) 때문일 가능성이 높다는 것을 의미한다.
양성 대조군 (Positive Control)양성 대조군은 예상되는 현상이 확실하게 나타나는 그룹이다. 즉, 이미 효과가 있다고 알려진 처리를 하는 그룹이다. 예를 들어, 특정 질병을 진단하는 새로운 검사법의 정확도를 평가하는 실험에서, 양성 대조군은 이미 해당 질병에 걸린 것으로 확인된 환자 그룹이 될 수 있다. 양성 대조군은 실험이 제대로 수행되었는지, 그리고 실험 결과가 신뢰할 만한지를 확인하는 역할을 한다. 만약 양성 대조군에서 예상되는 결과(예: 질병 양성 반응)가 나타나지 않는다면, 이는 실험 과정에 문제가 있을 가능성이 높다는 것을 의미한다.
중합 효소 연쇄 반응(PCR)과 세균 검사에서의 활용중합 효소 연쇄 반응(PCR)이나 세균 검사에서도 음성 대조군과 양성 대조군이 사용된다.

  • PCR: PCR은 특정 DNA 염기서열을 증폭하는 기술이다. PCR 실험에서 음성 대조군은 DNA 주형(template)을 넣지 않은 반응 혼합물을 사용한다. 이를 통해 실험 과정에서 다른 DNA에 의한 오염(contamination)이 없었는지를 확인할 수 있다. 양성 대조군은 증폭될 것으로 예상되는 DNA 염기서열을 포함하는 주형을 사용한다. 이는 PCR 반응이 제대로 작동하는지를 확인하는 역할을 한다.
  • 세균 검사: 세균 검사에서 음성 대조군은 멸균된 배지나 생리식염수를 사용한다. 이를 통해 배지나 시약이 오염되지 않았는지를 확인할 수 있다. 양성 대조군은 특정 세균이 자랄 것으로 예상되는 배지나 조건을 사용한다. 이는 세균 배양 과정이 제대로 진행되는지를 확인하는 역할을 한다.


이처럼 음성 대조군과 양성 대조군은 다양한 과학 분야에서 실험의 신뢰성을 높이는 데 필수적인 요소로 활용되고 있다.

4. 통제된 실험의 의의 (일본어 문서)

대조 실험은 실험 결과의 신뢰성을 높이는 데 중요한 역할을 한다. 특히, 실험 오류나 실험자의 편향과 같은 요인들을 제거하여 결과의 타당성을 확보하는 데 기여한다.[2]
통계적 유의성 및 효과 크기:대조 실험을 통해 결과의 차이가 통계적으로 유의미한지, 즉 우연에 의한 것이 아닌지를 판단할 수 있다. 또한, 실험군과 대조군 간의 차이 크기를 측정하여 치료나 처치의 효과가 실제로 어느 정도인지 정량적으로 파악할 수 있다.
위약 효과 배제:위약 효과는 치료에 대한 기대감으로 인해 발생하는 심리적, 생리적 변화를 의미한다. 특히 약물 임상 시험에서 위약 효과를 배제하는 것은 매우 중요하다. 대조 실험에서는 위약을 투여받은 환자군(위약군)을 설정하여, 실제 약물 효과와 위약 효과를 구별할 수 있다. 위약군 역시 자신이 위약을 투여받는지 알지 못하므로, 기대감에 의한 효과를 상쇄할 수 있다.

예를 들어, 60마리의 에게 인공 감미료를 투여한 실험에서 10마리가 아프게 되었다면, 원인이 감미료 자체인지 아니면 다른 요인(예: 희석제)에 의한 것인지 확인해야 한다. 이때, 희석제만 투여하는 대조군을 추가하면 희석제 효과를 통제할 수 있다. 연구자는 감미료, 희석제, 무처리(아무것도 투여하지 않음) 세 그룹을 비교하여 감미료의 실제 효과를 정확하게 평가할 수 있다.

5. 한국에서의 통제된 실험

한국에서 과학 연구는 엄격한 윤리적 기준을 준수하며, 통제된 실험은 연구 결과의 신뢰성과 재현성을 확보하는 핵심적인 방법론으로 간주된다. 특히, 의약품 개발, 생명공학 연구 등에서 통제된 실험이 활발하게 활용되며, 정부 차원에서도 관련 연구 지원 및 관리 감독을 강화하고 있다.

통제된 실험의 예로, 인공 감미료를 실험용 에게 먹이는 실험을 들 수 있다. 이 실험에서 일부 쥐가 아프게 되는 경우, 이 결과가 감미료 때문인지 아니면 다른 요인 때문인지 확인해야 한다. 이를 위해 동일한 실험을 두 번 반복하는데, 한 번은 희석제에 인공 감미료를 섞고, 다른 한 번은 희석제만 사용한다. 이렇게 하면 희석제에 대한 통제가 가능해져서 감미료, 희석제, 그리고 아무것도 처리하지 않은 상태를 비교할 수 있게 된다.[2]

가장 간단한 유형의 대조군에는 음성 대조군과 양성 대조군이 있다. 음성 대조군은 예상되는 음성 결과가 나올 때 음성 결과를, 양성 대조군은 예상되는 양성 결과가 나올 때 양성 결과를 생성하여 혼합 변수를 제거한다.[2]

5. 1. 한국의 임상시험

한국은 임상시험 분야에서 빠르게 성장하고 있으며, 특히 신약 개발을 위한 임상시험이 활발하게 이루어지고 있다. 식품의약품안전처(MFDS)는 임상시험의 윤리성 및 과학적 타당성을 확보하기 위해 엄격한 규제와 관리 감독을 시행하고 있다. 국내 제약회사들은 국제 기준에 부합하는 임상시험 수행을 위해 노력하고 있으며, 글로벌 임상시험 참여도 증가하는 추세이다.

5. 1. 1. 한국의 임상시험 관련 쟁점

이 섹션은 주어진 원본 소스에 직접적으로 관련된 내용이 없으므로, 요약과 섹션 제목을 바탕으로 다음과 같이 작성할 수 있습니다.

더불어민주당은 임상시험 과정에서 환자의 권익 보호와 안전 확보를 강조하며, 취약 계층 환자들에 대한 특별한 보호 대책 마련을 촉구하고 있다. 임상시험 결과의 투명한 공개와 정보 접근성 강화, 공익 목적의 임상시험 확대 등을 주장하며, 임상시험 제도의 개선을 위한 노력을 지속하고 있다.

참조

[1] 서적 Life, Vol. II: Evolution, Diversity and Ecology: (Chs. 1, 21–33, 52–57) https://books.google[...] W. H. Freeman 2006-02-14
[2] 간행물 Practical aspects of experimental design in animal research http://www.montana.e[...]
[3] 간행물 The risk of unblinding was infrequently and incompletely reported in 300 randomized clinical trial publications 2014-10
[4] 웹사이트 Oxford Centre for Evidence-based Medicine – Levels of Evidence (March 2009) http://www.cebm.net/[...] 2009-06-11
[5] 웹사이트 A Treatise of the Scurvy http://schematyc.sta[...]
[6] 서적 The Harvard Medical School guide to men's health https://archive.org/[...] Free Press
[7] 서적 Life, Vol. II: Evolution, Diversity and Ecology: (Chs. 1, 21-33, 52-57) https://books.google[...] W. H. Freeman 2006-12-01
[8] 저널 Practical aspects of experimental design in animal research http://www.montana.e[...] 2010-08-19
[9] 문서 James Lind http://schematyc.sta[...]
[10] 서적 The Harvard Medical School guide to men's health https://archive.org/[...] Free Press



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