Urin ist eine nicht-invasive Quelle für mehrere metabolische Indikatoren für Krankheit oder Gesundheit. Urinanalyse, die physikalische und/oder chemische Analyse von Urin, kann schnell durchgeführt werden, um Nierenerkrankungen, Harnwegserkrankungen, Lebererkrankungen, Diabetes mellitus und allgemeine Hydratation zu erkennen1. Urinanalyse-Dipsticks sind erschwingliche, semi-quantitative Diagnosewerkzeuge, die auf kolorimetrischen Veränderungen angewiesen sind, um ungefähre physiologische Werte anzuzeigen. Jeder Dipstick kann eine Vielzahl von Tests durchführen, einschließlich Tests auf pH, Osmolalität, Hämoglobin/Myoglobin, Hämaturie, Leukozytenesterase, Glukose, Proteinurie, Nitrit, Keton und Bilirubin2. Das Prinzip der Dipstick-Urinanalyse beruht auf dem Auftreten einer zeitierten Reaktion, durch die eine Farbänderung auf dem Dipstick-Pad mit einem Diagramm verglichen werden kann, um die Analytkonzentration3zu bestimmen. Aufgrund ihrer Erschwinglichkeit und Benutzerfreundlichkeit sind Dipsticks eines der häufigsten Werkzeuge für die Urinanalyse im Gesundheitswesen.
Traditionell, Dipstick Urinanalyse verlässt sich auf eine ausgebildete Krankenschwester oder Medizintechniker manuell einfügen den Dipstick in eine Tasse Urinprobe, wischen überschüssigen Urin, und vergleichen Sie die Farbpads, um Farben zu bestimmten Zeiten diagrammieren. Während die Dip-and-Wipe-Methode der Goldstandard für die Dipstick-Analyse ist, schränkt ihre Abhängigkeit von der visuellen Bewertung durch den Menschen die quantitativen Informationen ein, die erhalten werden können. Darüber hinaus erfordern die beiden manuellen Schritte der Dipstick-Urinanalyse – der Dip-Wischschritt und der kolorimetrische Ergebnisvergleich – eine genaue Technik, die die Möglichkeit zuverlässiger Tests in häuslichen Einstellungen durch Patienten direkt einschränkt. Eine Kreuzkontamination der Probenpads durch Wischen kann zu ungenauen Farbänderungen führen. Darüber hinaus können inkonsistente Volumina, die sich aus der fehlenden Volumenkontrolle beim Wischen ergeben, zu einer unsachgemäßen Messung der Analytkonzentrationen führen. Wichtig ist, dass die Zeit zwischen dem Eintauchen in den Urin (d. h. dem Beginn des Assays) und dem Vergleich mit einem Diagramm entscheidend für die genaue Analyse der Ergebnisse ist und eine riesige potenzielle Quelle menschlichen Versagens ist. Die Schwierigkeit beim manuellen kolorimetrischen Vergleich ist, dass viele Pads gleichzeitig gelesen werden müssen, während einige Pads zu unterschiedlichen Zeiten gelesen werden. Selbst perfekt getimte Farbvergleiche hängen immer noch von der Sehschärfe des menschlichen Lesers ab, der unter Farbblindheit leiden oder unterschiedliche Farben in verschiedenen Beleuchtungsumgebungen wahrnehmen kann4. Diese Herausforderungen unterstreichen, warum sich Ärzte nur auf eine Dipstick-Urinanalyse verlassen können, die von geschultem Personal durchgeführt wird. Ein automatisiertes Urinanalysesystem könnte jedoch alle oben genannten Bedenken ausräumen, indem es manuelle Dip-Wipe-Schritte eliminiert, Timing-Steuerungen integriert und gleichzeitige Farbvergleiche mit kalibrierten Farbreferenzen ermöglicht. Dies wiederum würde Benutzerfehler reduzieren, was eine mögliche Übernahme in den Heimeinstellungen ermöglicht.
In den letzten 20 Jahren wurden automatische Analysatoren eingesetzt, um die Ergebnisse von Dipstick-Urintests mit der gleichen Genauigkeit wie oder über die visuelle Analyse5zu lesen. Viele Kliniken und Arztpraxen verwenden solche Maschinen, um traditionelle Dipstick-Ergebnisse schnell zu analysieren und zu drucken. Die meisten Urinanalysemaschinen minimieren visuelle Inspektionsfehler und sorgen für Konsistenz in den Ergebnissen6. Sie sind einfach zu bedienen und effizienter als die manuelle Inspektion, erfordern aber dennoch, dass der Benutzer die Dip-Wipe-Methode korrekt ausführt. Daher sind diese Maschinen nur begrenzt in der Lage, von ungeschulten Personen wie z. B. Heimanwendern betrieben zu werden; darüber hinaus sind sie extrem teuer.
In letzter Zeit, Handys haben sich als einfallsreiches Werkzeug für verschiedene biologische kolorimetrische Messungen7,8,9,10, einschließlich für Urinanalyse11,12,13. Aufgrund ihrer Fernerkundungsfunktionen und der hohen Bildgebungsauflösung sind Mobiltelefone zu effektiven Analytischen Geräten im Gesundheitswesen geworden14,15. Tatsächlich hat die FDA mehrere Smartphone-basierte Urintests zu Hause freigegeben16,17,18. Einige der neuen Smartphone-basierten kommerziellen Produkte enthalten etablierte Urinanalyse-Dipsticks, während andere proprietäre farbmetrische Pads enthalten. Alle diese Produkte verfügen über proprietäre Methoden, um für unterschiedliche Lichtverhältnisse in verschiedenen Telefontypen zu kalibrieren. Dennoch besteht ein Problem bei diesen Lösungen darin, dass der Benutzer manuell ein Bild zur richtigen Zeit aufnehmen muss, zusätzlich zur Durchführung einer richtigen manuellen Dip-Wipe-Methode (d. h. ohne Kreuzkontamination). Bemerkenswert ist, dass keiner dieser Tests das auf die Dipsticks abgelagerte Volumen steuert, was, wie wir festgestellt haben, die Farbänderung19 beeinflussen und das physiologische Ergebnis interpretieren kann. Die derzeitigen Lücken und Kosten in den Arbeitsabläufen dieser Geräte deuten auf eine zusätzliche Notwendigkeit hin, ein menschenfreies, volumengesteuertes Urinabscheidungsverfahren und Freisprech-Dipstick-Fotografie zu ermöglichen.
Wir beschreiben ein Protokoll für die volumengesteuerte, automatisierte Dipstick-Urinanalyse ohne manuelle Dip-Wisch-Stufe. Der Schlüssel zum automatisierten Prozess ist ein Gerät19, dessen zugrunde liegendes Prinzip auf dem SlipChip20 basiert und das Flüssigkeit mit Oberflächenchemieeffekten zwischen verschiedenen Schichten überträgt. Kurz gesagt, die hydrophobe Beschichtung auf dem Transferschlitten und der umgebenden Plattenhülse zwingen die Flüssigkeit, sich mühelos durch das Gerät zu bewegen und sich auf das Dipstickpad zu lösen, sobald sich der Schlitten in seiner endgültigen Position befindet, an dem die untere hydrophobe Barriere durch Luft ersetzt wird. Darüber hinaus standardisiert die koordinierte Lichtblockbox die Lichtverhältnisse, den Kamerawinkel und den Abstand für den Kamerafokus, um genaue und wiederholbare Ergebnisse zu gewährleisten, die nicht von Umgebungslichtbedingungen beeinflusst werden. Eine begleitende Software-App automatisiert die Erfassung von Bildern und die kolorimetrische Analyse. Nach der Beschreibung des Protokolls liefern wir repräsentative Ergebnisse des Urinanalysetests unter verschiedenen Bedingungen. Vergleiche mit der Standard-Dip-Wipe-Methode zeigen die Zuverlässigkeit der vorgeschlagenen Methode.