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Research Article
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L'analisi delle orinatoie dipstick è un metodo rapido e conveniente per valutare il proprio stato di salute personale. Presentiamo un metodo per eseguire un'analisi accurata e a basso costo della minzione a dipstick che rimuove le principali fonti di errore associate ai protocolli di immersione e cancellazione tradizionali ed è abbastanza semplice da essere eseguita dagli utenti laici a casa.
L'analisi delle orinatoie dipstick fornisce stime rapide e convenienti di più condizioni fisiologiche, ma richiede una buona tecnica e allenamento da utilizzare con precisione. Le prestazioni manuali dell'analisi delle orinatoie dipstick si basano su una buona visione del colore umano, un corretto controllo dell'illuminazione e confronti sensibili al tempo e soggetti a errori ai colori del grafico. Automatizzando i passaggi chiave nel test di analisi delle orinatoie dipstick, è possibile eliminare potenziali fonti di errore, consentendo l'auto-test a casa. Descriviamo i passaggi necessari per creare un dispositivo personalizzabile per eseguire test automatizzati dell'analisi delle urinarie in qualsiasi ambiente. Il dispositivo è economico da produrre e semplice da assemblare. Descriviamo i passaggi chiave necessari per personalizzarlo per l'pstick preferito e per personalizzare un'app di telefonia mobile per analizzare i risultati. Dimostriamo il suo utilizzo per eseguire l'analisi delle urinarie e discutiamo le misure critiche e le fasi di fabbricazione necessarie per garantire un funzionamento robusto. Confrontiamo quindi il metodo proposto con il metodo dip-and-wipe, la tecnica gold standard per l'analisi delle minie dipstick.
L'urina è una fonte non invasiva di molteplici indicatori metabolici di malattia o salute. L'analisi urinaria, l'analisi fisica e/o chimica delle urine, può essere eseguita rapidamente per rilevare malattie renali, malattie del tratto urinario, malattie del fegato, diabete mellito e idratazione generale1. I dipsticks per analisi delle urina sono strumenti diagnostici semi-quantitativi convenienti che si basano su cambiamenti colorimetrici per indicare livelli fisiologici approssimativi. Ogni dipstick può eseguire un'ampia varietà di test tra cui test per pH, osmolalità, emoglobina / mioglobina, ematuria, leucocita esterasi, glucosio, proteinuria, nitrito, chetone e bilirubina2. Il principio dell'analisi della minzione a dipstick si basa sul verificarsi di una reazione a tempo attraverso la quale un cambiamento di colore sul pad dipstick può essere confrontato con un grafico per determinare la concentrazione di analiti3. Data la loro convenienza e facilità d'uso, i bastoncini sono uno degli strumenti più comuni per l'analisi delle orinatoie in ambito sanitario.
Tradizionalmente, l'analisi delle urine a dipstick si basa su un infermiere o un tecnico medico addestrato per inserire manualmente l'apstick in una tazza di campione di urina, pulire l'urina in eccesso e confrontare le pastiglie di colore con i colori del grafico in momenti specifici. Mentre il metodo dip-and-wipe è il gold standard per l'analisi del dipstick, la sua dipendenza dalla valutazione visiva umana limita le informazioni quantitative che possono essere ottenute. Inoltre, le due fasi manuali dell'analisi delle orinatoie dipstick - il passo di dip-wipe e il confronto dei risultati colorimetrici - richiedono una tecnica accurata, che limita la possibilità di test affidabili in ambienti domiciliari direttamente da parte dei pazienti. La contaminazione incrociata dei pastiglie del campione a causa della pulizia può causare cambiamenti di colore imprecisi. Inoltre, volumi incoerenti derivanti dalla mancanza di controllo del volume durante la pulizia possono comportare una misurazione impropria delle concentrazioni di aliti. È importante sottolineare che il tempo che si tra l'immersione dell'urina (cioè l'inizio del saggio) e il confronto con un grafico è fondamentale per un'analisi accurata dei risultati ed è un'enorme fonte potenziale di errore umano. La difficoltà nel confronto colorimetrico manuale è che molti pad devono essere letti contemporaneamente, mentre alcuni pad vengono letti in momenti diversi. Anche i confronti di colore perfettamente programmati dipendono ancora dall'acuità visiva del lettore umano, che può soffrire di daltonismo o percepire colori diversi in diversi ambienti di illuminazione4. Queste sfide sottolineano perché i medici possono fare affidamento solo sulla minzione dipstick eseguita da personale addestrato. Tuttavia, un sistema automatizzato di analisi delle urinarie potrebbe risolvere tutte le preoccupazioni di cui sopra eliminando la necessità di passaggi manuali di dip-wipe, incorporando controlli di temporizzazione e consentendo confronti simultanei dei colori con riferimenti di colore calibrati. Ciò, a sua volta, ridurrebbe l'errore dell'utente, consentendo un'eventuale adozione nelle impostazioni di casa.
Negli ultimi 20 anni, sono stati utilizzati analizzatori automatici per leggere i risultati dei test delle urine dipstick con la stessa accuratezza o il superamento dell'analisivisiva 5. Molte cliniche e studi medici utilizzano tali macchine per analizzare e stampare rapidamente i risultati di dipstick tradizionali. La maggior parte delle macchine per l'analisi delle urinarie riduce al minimo gli errori di ispezione visiva e garantisce coerenza neirisultati 6. Sono facili da usare e più efficienti dell'ispezione manuale, ma richiedono comunque all'utente di eseguire correttamente il metodo di dip-wipe. Pertanto, queste macchine hanno una capacità limitata di essere gestite da persone non addestrate come gli utenti domestici; inoltre, sono estremamente costosi.
Recentemente, i telefoni cellulari sono emersi come uno strumento pieno di risorse per varie misurazioni colorimetrichebiologiche 7,8,9,10,anche per l'analisidelle urinarie 11,12,13. Date le loro capacità di telerilevamento e l'alta risoluzione di imaging, i telefoni cellulari sono diventati efficaci dispositivianalitici sanitari 14,15. In effetti, la FDA ha autorizzato diversi test delle urine a casa basati su smartphone16,17,18. Alcuni dei nuovi prodotti commerciali basati su smartphone incorporano dipsticks di analisi delle urinazioni consolidati, mentre altri sono dotati di pad colorimetrici proprietari. Tutti questi prodotti sono dotati di metodi proprietari per calibrare per diverse condizioni di illuminazione tra diversi tipi di telefoni. Tuttavia, un problema con queste soluzioni è che l'utente deve scattare manualmente una foto al momento giusto oltre a eseguire un metodo di dip-wipe manuale adeguato (cioè senza contaminazione incrociata). In particolare, nessuno di questi test controlla il volume depositato sui dipsticks, che abbiamo trovato possa influenzare il cambiamento di colore19 e interpretare il risultato fisiologico. Le attuali lacune e costi nei flussi di lavoro di questi dispositivi suggeriscono un'ulteriore necessità di consentire una procedura di deposizione delle urine senza uso umano e controllata dal volume e una fotografia a mani libere.
Descriviamo un protocollo per l'analisi automatica della minzione a dipstick controllata dal volume senza la necessità di un passaggio manuale di dip-wipe. La chiave del processo automatizzato è un dispositivo19 il cui principio di base si basa su SlipChip20 e che trasferisce il liquido tra diversi strati utilizzando effetti di chimica delle superfici. In breve, il rivestimento idrofobico sullo scivolo di trasferimento e sul manicotto della piastra circostante forza il liquido a muoversi senza sforzo attraverso il dispositivo e a rilasciare sul tampone di sganciatura una volta che lo scivolo è nella sua posizione finale, a quel punto la barriera idrofobica inferiore viene sostituita con aria. Inoltre, la scatola di blocco della luce coordinata standardizza le condizioni di illuminazione, l'angolo di visione della fotocamera e la distanza per la messa a fuoco della fotocamera per garantire risultati accurati e ripetibili che non sono influenzati dalle condizioni di illuminazione ambientale. Un'app software di accompagnamento automatizza l'acquisizione di immagini e l'analisi colorimetrica. Seguendo la descrizione del protocollo, forniamo risultati rappresentativi del test di analisi delle urinarie in diverse condizioni. I confronti con il metodo standard di dip-wipe dimostrano l'affidabilità del metodo proposto.
1. Fabbricare e assemblare il dispositivo di analisi delle orinatoie
2. Preparare il test
3. Condurre la prova
La figura 4 mostra come l'urina viene trasferita all'apstick durante un test di analisi delle urine. Durante un test tipico, il trasferimento di urina non è osservabile perché la scatola occlude la vista. Una volta depositato il campione nell'ingresso utilizzando una pipetta (Passaggio 3.1), riempirà i fori sullo scivolo (Figura 4A). La figura 4B e la figura 4C, rispettivamente, mostrano il movimento progressivo dell'urina attraverso il manicotto della piastra e dopo che lo scivolo è direttamente a contatto con l'arresto. Si noti che il contatto dell'urina con l'apstick porta a una reazione colorimetrica e a un cambiamento di colore sui tamponi di spstick.
La figura 5 mostra un potenziale problema che può sorgere se le superfici per il trasferimento dell'urina (ad esempio, patè di base, piastra superiore e scivolo) non sono sufficientemente rivestite con spray idrofobico. Un'illustrazione di uno scivolo ben rivestito è illustrata nella figura 5A. Se scarsamente rivestiti, si possono osservare striature (mostrate da frecce bianche nella figura 5B) durante la fase di scorrimento che riducono la precisione del volume trasferito. Inoltre, si può osservare la mancata trasferimento dell'urina all'apstick(Figura 5C) e l'urina può rimanere nei fori di scorrimento anche quando lo scivolo viene rimosso dal dispositivo. Questi passaggi evidenziano l'importanza di ottenere una buona copertura spray (passaggi 1.1.8, 1.4.4, 1.5.3 e 1.5.4). Se ci sono preoccupazioni sulla copertura dello spray o se si osservano questi errori di prestazioni, è meglio rifare la piastra di base, la piastra superiore e lo scivolo.
Un test di analisi delle orinatoi è stato eseguito con uno smartphone di alta qualità: telefono 1 (risoluzione dell'immagine: 8000 pixel x 6000 pixel). I risultati rappresentativi sono riportati nella figura 6. Abbiamo condotto test con acqua deionizzata e urina commerciale (sia composizione standard che con alto glucosio). Le pastiglie di colore sul dipstick cambiano nel tempo in risposta alla reazione colorimetrica dell'urina con gli aliti nell'apstick. Le barre di errore nella figura 6 rappresentano la deviazione standard resa per tre misurazioni consecutive di ciascun campione registrate dai due smartphone. Figura 6A traccia la risposta per il tampone di glucosio nel tempo per le diverse condizioni di prova. Per la marca di dipstick utilizzata, il tempo di lettura consigliato per la misurazione del glucosio è di 30 secondi. Come previsto, il colore dell'apstick non cambia su questo intervallo per l'acqua, il valore finale per le urine standard corrisponde al livello di soglia urinaria "normale" del glucosio (160-180 mg/dL) e il valore finale per la condizione di "glucosio elevato" è elevato al di sopra del valore normale. È importante notare che il valore corretto non viene raggiunto fino a 30 secondi, il che illustra l'importanza di impostare correttamente l'intervallo di lettura della temporizzazione nel passaggio 2.8. Lo stesso esperimento è stato eseguito con un altro smartphone con una risoluzione dell'immagine inferiore: telefono 2 (risoluzione dell'immagine: 3264 pixel x 2448 pixel). A causa della differenza nella risoluzione della fotocamera, si osserva una differenza significativa rispetto ai risultati precedenti nel colore e nella qualità dell'immagine durante l'acquisizione delle immagini del pannello a dipstick, come mostrato nella figura 6B. Le differenze nelle specifiche delle torce contribuiscono anche alle differenze nella qualità dell'immagine. Dalla figura 6, si può vedere che entrambi i telefoni producono tendenze simili nel cambio di colore nel tempo, anche se i colori effettivi rilevati sono diversi. L'algoritmo di corrispondenza dei colori utilizzato dall'applicazione per smartphone per il test di analisi delle urinarie produce gli stessi risultati per le concentrazioni di analiti, nonostante le differenze nell'aspetto fisico dei colori dei tamponi di sfeccata. La coerenza dei risultati è dovuta all'uso dell'adesivo del grafico come grafico di riferimento per l'analisi. Poiché sia l'adesivo del grafico che l'apstick vengono acquisiti nelle stesse condizioni di illuminazione e qualità dell'immagine, l'applicazione per smartphone valuta i componenti (R, G,B) e la differenza di colore sia del quadrato di riferimento che del pad di dipstick in modo simile per entrambi gli smartphone. Questi risultati confermano che il protocollo descritto in questo manoscritto è indipendente dal modello di smartphone, purché sia la tabella dei colori di riferimento che l'apstick siano immagini nello stesso ambiente.
In precedenza abbiamo valutato l'accuratezza del dispositivo di analisi automatica delle urine confrontandolo con i metodi tradizionali di immersione e salvietta utilizzando uno standard di urina commerciale19. La tabella 1 mette a confronto i risultati ottenuti con le due prove. Si può vedere che l'accuratezza del sistema dipende dal volume trasferito su ogni tampone di spstick. I risultati più accurati sono stati ottenuti quando il dispositivo automatizzato di analisi delle urine è stato progettato per trasferire 15 μL di urina; pertanto, è fondamentale che il dispositivo trasferisca il volume di urina richiesto in modo accurato e coerente alle pastiglie di spstick. Risultati rappresentativi per convalidare la consistenza del dispositivo trasferendo 15 μL di volume di campioni di urina in sette diverse prove sono riportati nella figura 7. La deviazione standard complessiva è stata trovata inferiore a 0,5 μL, che rientra nell'intervallo del 4% del valore obiettivo. I risultati confermano che il dispositivo è in grado di trasferire con precisione e coerenza microlitri di urina per eseguire il test.
Figura 1: Disegni schematici dei componenti del dispositivo. A) Piastra di base. B)Piastra superiore e coperchio di ingresso, incollati insieme nel passaggio 1.5.1. C) Diapositiva e codice QR associato utilizzato per il controllo della temporizzazione. D) Manicotto a piastre, formato incollando la piastra superiore alle sporgenze della piastra di base nel passaggio 1.5.4. L'adesivo del grafico accanto al foro passante consente l'analisi del colore. E) Riquadro. F) Dispositivo assemblato. Durante l'uso, un telefono cellulare viene posizionato sulla parte superiore della scatola in modo che l'obiettivo e la torcia siano posizionati sopra il foro passante per l'imaging. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Processo dell'analisi colorimetrica tramite l'app. A) L'icona sullo schermo del telefono "Urine test" è selezionata per avviare l'applicazione. B) Una finestra popup informa l'utente di modificare i tempi di lettura. C) L'utente immette manualmente il nome dell'alyte e gli orari di lettura. D) Finestra popup per informare l'utente dell'allineamento del telefono. E) Immagine rappresentativa di un'apstick correttamente allineata prima del test. F) Screenshot dopo l' inserita della diapositiva e il codice QR sembra avviare l'acquisizione dei dati. G) Lo schermo un secondo dopo l'inizio del test. Le sovrapposizioni quadrate nere mostrano all'utente la posizione esatta da cui l'app sta raccogliendo informazioni sui pixel. H)I risultati della prova di dipstick completata. I risultati dei test con trattini sono considerati normali per l'apstick scelto. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Fotografia del dispositivo assemblato in azione all'inizio di una prova di analisi delle urinarie. Un utente inizia il test inserendo una pipetta con urina nell'ingresso. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Processo interno di deposizione del liquido sulla prova di dipstick dall'inizio alla fine. A) L'inserimento dello scivolo nel manicotto della piastra e l'allineamento dei fori passanti dello scivolo con l'ingresso consentiranno alla pipetta di trasferimento di consegnare l'urina in ogni foro passante dello scivolo. B) Scivolare lo scivolo attraverso l'interno del manicotto idrofobico della piastra consente il trasporto di liquidi. C) Quando lo scivolo raggiunge l'arresto nella base, l'urina viene consegnata alle pastiglie di prova, con conseguenti cambiamenti colorimetrici. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5: Problemi potenziali associati all'idrofobicità insufficiente. A) Uno scivolo con e senza rivestimento sufficiente. B)Vetrino non sufficientemente rivestito che perde durante la fase di scorrimento. C)Uno scivolo non sufficientemente rivestito non si trasferisce sui tamponi di spstick anche dopo essere stato estratto dal dispositivo: il liquido rimane nel foro di scorrimento attraverso i fori, come si vede nell'inserto in basso a destra. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 6: Risultato dell'analisi delle urinarie per il tampone di glucosio con due smartphone diversi per tre tipi di campioni. A) Caratteristiche di risposta del glucose pad nel tempo per le diverse condizioni di prova registrate con un telefono della fotocamera ad alta risoluzione (telefono1). B) Caratteristiche di risposta del glucose pad nel tempo per le diverse condizioni di prova registrate con un telefono della fotocamera a bassa risoluzione (telefono 2). La lettura a 30 secondi corrisponde alla tempistica desiderata per il produttore. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 7: Numero e volume medio trasferiti. Ogni pozzo corrisponde a un foro passante per un dato banco di prova; il primo pozzo è il più vicino all'ingresso. Questa cifra è stata modificata da Smith, etal. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
| Aalita | Differenze da immersione e salvietta | |||||||||
| leu | lendine | uro | pro | ph | Blo | Sg | Ket | GLU | ||
| Dip-and-wipe | 4 ± 0 | 2 ± 0 | 4 ± 0,53 | 2 ± 0,53 | 4 ± 0 | 5 ± 0 | 3 ± 0,53 | 4 ± 0,49 | 3 ± 0,58 | n/d |
| 5 μL | 3*± 0 | 2 ± 0 | 3* ± 0 | 3* ± 0,49 | 3* ± 0 | 3* ± 0 | 2* ± 0,53 | 4 ± 0,38 | 1* ± 0 | 7 |
| 10 μL | 3* ± 0,38 | 2 ± 0 | 4 ± 0 | 2 ± 0 | 3* ± 0,38 | 4* ± 0 | 1* ± 0,49 | 4 ± 0,49 | 2 ± 0,58 | 5 |
| 15 μL | 4 ± 0 | 2 ± 0 | 4 ± 0,49 | 2 ± 0 | 4 ± 0,38 | 5 ± 0 | 2* ± 0,38 | 4 ± 0,49 | 3 ± 0,49 | 1 |
| 20 μL | 4 ± 0 | 2 ± 0 | 4 ± 0,82 | 2 ± 0,53 | 4 ± 0,53 | 5 ± 0 | 2* ± 0,49 | 4 ± 0,49 | 3 ± 0 | 1 |
Tabella 1: Valori mediani e deviazioni standard per gli aliti utilizzando vari volumi depositati. Il simbolo ‡ indica valori mediani che differiscono dalla mediana ottenuta con il metodo dip-and-wipe, lo standard del settore. Il numero totale di pastiglie di aaliti le cui mediane differiscono dal metodo di immersione e cancellazione sono riportati nella colonna di estrema destra. I risultati delle note sono cumulativi per tutti i dipsticks utilizzati. LEU: leucociti, NIT: nitrito, URO: urobilinogeno, PRO: proteina, BLO: sangue, SG: gravità specifica, KET: chetoni, GLU: glucosio. Questa tabella è stata modificata da Smith, etal.
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
L'analisi delle orinatoie dipstick è un metodo rapido e conveniente per valutare il proprio stato di salute personale. Presentiamo un metodo per eseguire un'analisi accurata e a basso costo della minzione a dipstick che rimuove le principali fonti di errore associate ai protocolli di immersione e cancellazione tradizionali ed è abbastanza semplice da essere eseguita dagli utenti laici a casa.
Questo lavoro è stato finanziato dalla Dorothy J. Wingfield Phillips Chancellor Faculty Fellowship. Emily Kight è stata finanziata dalla NSF GRFP.
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