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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
ディプスティック尿素症は、健康状態を迅速かつ手頃な価格で評価する方法です。従来のディップアンドワイププロトコルに関連するエラーの主な原因を取り除き、自宅でユーザーが実行するのに十分簡単である正確で低コストのdipstick尿検査を実行する方法を提示します。
ディプスティック尿素症は、複数の生理学的条件の迅速かつ手頃な価格の推定を提供しますが、正確に使用するには良い技術とトレーニングが必要です。ディップスティック尿素の手動性能は、良好な人間の色覚、適切な照明制御、およびチャートカラーとの誤差を起こしやすい時間に敏感な比較に依存しています。ディップスティック尿検査の主要なステップを自動化することで、潜在的なエラー源を排除し、自宅で自己テストを可能にします。あらゆる環境で自動尿検査テストを実行するためのカスタマイズ可能なデバイスを作成するために必要な手順を説明します。装置は製造に安価で組み立てが簡単である。選択したディップスティック用にカスタマイズし、結果を分析するために携帯電話アプリをカスタマイズする際に必要な重要な手順について説明します。我々は尿検査を行うためにその使用を実証し、堅牢な操作を確実にするために必要な重要な測定および製造ステップを議論する。次に、提案された方法をディップスティック尿素分析のゴールドスタンダード技術であるディップアンドワイプ法と比較します。
尿は、病気や健康の複数の代謝指標の非侵襲的な供給源です。尿検査は、尿の物理的および/または化学的分析、腎疾患、尿路疾患、肝臓病、糖尿病、および一般的な水和1を検出するために迅速に行うことができる。尿検査ディップスティックは、おおよその生理学的レベルを示すために比色の変化に依存する手頃な価格の半定量的診断ツールです。各ディップスティックは、pH、浸透圧、ヘモグロビン/ミオグロビン、血尿、白血球エステラーゼ、グルコース、タンパク尿、亜硝酸塩、ケトン、ビリルビン2の試験を含む、多種多様なアッセイを行うことができる。ディップスティック尿起の原理は、ディップスティックパッド上の色の変化をチャートと比較して検体濃度3を決定できる時限反応の発生に依存している。その手頃な価格と使いやすさを考えると、ディップスティックはヘルスケアにおける尿素起きのための最も一般的なツールの1つです。
従来、ディプスティック尿検査は、訓練を受けた看護師や医療技術者に頼って、手動でディップスティックを尿サンプルのカップに挿入し、余分な尿を拭き取り、カラーパッドを比較して特定の時間に色をグラフ化します。ディップアンドワイプ法はディップスティック解析のゴールドスタンダードですが、人間の視覚評価への依存は得られる定量的情報を制限します。さらに、ディップスティック尿検査の2つの手動ステップ - ディップワイプステップと比色結果比較 - 正確な技術を必要とし、患者が直接家庭の設定で信頼性の高いテストの可能性を制限します。拭き取りによるサンプルパッドのクロスコンタミネーションは、不正確な色の変化を引き起こす可能性があります。さらに、ワイピング中のボリューム制御の欠如に起因するボリュームの不整合は、分析物濃度の不適切な測定につながる可能性があります。重要なのは、尿を浸漬する時間(すなわち、アッセイの開始)とチャートとの比較は、結果の正確な分析にとって重要であり、人的エラーの巨大な潜在的な原因です。手動の比色比較の難しさは、多くのパッドを同時に読み取る必要がありますが、一部のパッドは異なる時間に読み取られるということです。完全にタイミングの良い色の比較でさえ、色覚異常に苦しむか、異なる照明環境で異なる色を知覚するかもしれない人間の読者の視力にまだ依存しています4.これらの課題は、臨床医が訓練を受けた人員によって行われるディップスティック尿検査にのみ依存できる理由を強調しています。しかし、自動排尿システムは、手動ディップワイプステップの必要性を排除し、タイミングコントロールを組み込み、較正された色の参照と同時にカラー比較を可能にすることによって、前述のすべての懸念に対処することができます。これにより、ユーザー エラーが減少し、ホーム設定での導入が可能になります。
過去20年間で、自動分析装置は、視覚解析5と同じ精度または超える精度でディップスティック尿検査の結果を読み取るために採用されています。多くの診療所や医師のオフィスは、このような機械を使用して、従来のディップスティックの結果を迅速に分析して印刷しています。ほとんどの尿検査機は目視検査エラーを最小限に抑え、結果6で一貫性を確保します。手動検査よりも使いやすく効率的ですが、ディップワイプ方式を正しく実行する必要があります。したがって、これらの機械は、自宅のユーザーなどの訓練を受けていない人が操作できる能力が限られています。また、非常に高価です。
最近では、携帯電話は、泌尿器炎11、12、13を含む様々な生物学的測色測定7、8、9、10のためのリソースツールとして登場しています。リモートセンシング機能と高いイメージング解像度を考えると、携帯電話は効果的なヘルスケア分析デバイス14,15となっています。確かに、FDAはいくつかのスマートフォンベースの家庭用尿検査16、17、18をクリアしました。新しいスマートフォンベースの商用製品の中には、確立された尿素分析ディップスティックを組み込んでいるものもあれば、独自の着色パッドを備えたものもあります。このようなすべての製品は、異なる携帯電話の種類間で異なる照明条件に合わせてキャリブレーションするための独自の方法を備えています。それでも、これらの解決策の問題は、ユーザーが適切な手動ディップワイプ方法(すなわち、クロスコンタミネーションなし)を実行することに加えて、適切なタイミングで手動で写真を撮らなければならないということです。特に、これらのテストのいずれも、ディップスティックに堆積した体積を制御することはなく、色の変化19に影響を与え、生理学的結果を解釈する可能性があることがわかりました。これらのデバイスのワークフローにおける現在のギャップとコストは、人間の自由な、体積制御の尿堆積手順およびハンズフリーディップスティック写真を可能にする追加の必要性を示唆している。
手動のディップワイプステップを必要とせずに、ボリューム制御された自動ディップスティック尿起のためのプロトコルについて説明します。自動化プロセスの鍵は、その基礎となる原理がSlipChip20に基づいており、表面化学効果を使用して異なる層間で液体を移動するデバイス19です。簡単に言えば、転写スライドおよび周囲のプレートスリーブの疎水性コーティングは、液体が装置を通って楽に移動し、スライドが最終的な位置に入るとディップスティックパッドに放出することを強制し、その時点で底の疎水性バリアは空気に置き換えられる。さらに、調整された遮光ボックスは、照明条件、カメラの視野角、カメラフォーカスの距離を標準化し、周囲の照明条件の影響を受けず、正確で再現可能な結果を保証します。付属のソフトウェア アプリは、画像のキャプチャと色分け分析を自動化します。プロトコルの説明に続いて、我々は異なる条件下で尿検査試験の代表的な結果を提供する。標準的なディップワイプ法との比較は、提案された方法の信頼性を示しています。
1. 尿分解装置を製造し、組み立てる
2. テストの準備
3. テストを実施する
図4は尿検査中に尿がディップスティックに移される様子を示す。典型的なテストの間、箱が視界を遮るので尿の移動は観察できない。サンプルがピペットを使用して入口に堆積すると(ステップ3.1)、スライドの穴が埋め尽くされます(図4A)。図4Bおよび図4Cは、それぞれ、プレートスリーブを横切る尿の進行的な動きを示し、スライドが停止に接触した後に示す。ディップスティックと尿の接触は、ディップスティックパッドの色分け反応と色の変化につながることに注意してください。
図5 は、尿を転写する表面(すなわち、ベースパテ、トッププレートおよびスライド)が疎水性スプレーで十分にコーティングされていない場合に生じる可能性のある問題を示している。 図 5Aに、十分にコーティングされていないスライドの図を示します。適切にコーティングされていない場合、移動したボリュームの精度を低下させるスライディングステップ中に、( 図 5Bに白い矢印で示される)縞を観察することがあります。また、ディップスティック(図5C)に尿を移すスライドの失敗を観察し、スライドが装置から取り外されても尿がスルーホールに残ることがある。これらの手順は、良好なスプレーカバレッジを得ることの重要性を強調しています(ステップ1.1.8、1.4.4、1.5.3、および1.5.4)。スプレーのカバレッジに関する懸念がある場合、またはこれらのパフォーマンスエラーを観察する場合は、ベースプレート、トッププレート、スライドを作り直すことをお勧めします。
泌尿器検査は、高品質のスマートフォンである電話1(画像解像度:8000ピクセルx 6000ピクセル)で行われました。代表的な結果を 図 6に示します。脱イオン水と市販尿(標準組成と高グルコースの両方)で試験を実施しました。ディップスティック上のカラーパッドは、尿と尿の測色反応に応じて時間が変化します。 図6 の誤差範囲は、2つのスマートフォンで記録された各サンプルの3つの連続した測定値に対して得られた標準偏差を表しています。 図6Aは 、異なる試験条件に対するグルコースパッドの応答を経時にプロットする。使用されるディップスティックのブランドの場合、グルコース測定の推奨読み出し時間は30秒です。予想通り、水のこの間隔にわたってディップスティックの色は変化せず、標準的な尿の最終値は「正常な」尿グルコース閾値レベル(160〜180 mg/dL)と一致し、「高グルコース」条件の最終的な値は正常値を上回る上昇する。重要なのは、ステップ 2.8 でのタイミングの読み出し間隔を正しく設定することの重要性を示す 30 秒までは、正しい値が得られていない点に注意してください。同じ実験は、低い画像解像度を持つ別のスマートフォンで行われました: Phone 2 (画像解像度: 3264ピクセル x 2448ピクセル)。カメラ解像度の違いにより、 図6Bに示すように、ディップスティックパネルの画像を撮影しながら、画像の色と品質に以前の結果との有意な差が認められる。懐中電灯仕様の違いも画質の違いに寄与します。 図6からは、実際に検出された色は異なるが、両方の電話機が時間の経過とともに色の変化に類似した傾向をもたらすことが分かる。尿検査のためにスマートフォンアプリケーションで使用されるカラーマッチングアルゴリズムは、ディップスティックパッドの色の物理的な外観の違いにもかかわらず、アナライト濃度に対して同じ結果をもたらします。結果の一貫性は、分析の参照グラフとしてグラフステッカーを使用するためです。チャートステッカーとディップスティックの両方が同じ照明条件と画質でキャプチャされるため、スマートフォンアプリケーションは、両方のスマートフォンで同様の方法で(R、G、B)コンポーネントと基準正方形とディップスティックパッドの両方の色差を評価します。これらの結果は、参照カラーチャートとディップスティックの両方が同じ環境下で画像化されている限り、本稿に記載されているプロトコルがスマートフォンモデルとは無関係であることを確認した。
我々は以前、市販尿規格19を用いた従来のディップアンドワイプ法と比較して、自動尿検査装置の精度を評価した。 表 1 は、得られた結果を 2 つの検定と比較します。システムの精度は、各ディップスティックパッドに転送されるボリュームに依存することが分かる。最も正確な結果は、尿の15 μLを移動するように設計された自動尿検査装置で得られた;したがって、デバイスが正確かつ一貫してディップスティックパッドに必要な尿量を転送することが重要です。7つの異なる試験で15μLの尿サンプルの容積を移すことによって装置の一貫性を検証する代表的な結果を 図7に示す。全体の標準偏差は0.5μL以下で、目標値の4%範囲内にあることが判明しました。結果は、デバイスが正確かつ一貫してテストを実行するために尿のマイクロリットルを転送することができることを確認します。

図1:デバイスコンポーネントの概略図A)ベースプレート。 B)ステップ 1.5.1 で一緒に接着されているトッププレートと入口カバー。 C)スライドと、タイミング制御に使用される関連 QR コード。 D)プレートスリーブは、ステップ1.5.4のベースプレートの棚に上板を接着することによって形成される。スルーホールの表示横にあるチャートステッカーは、カラー分析を可能にします。 E)ボックス。 F)組み立てられた装置。使用中は、携帯電話は、そのレンズと懐中電灯がイメージングスルーホールの上に配置されるように、ボックスの上部に配置されます。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図2:アプリを使用した色分け分析のプロセス。)電話画面のアイコン「尿検査」が選択され、アプリケーションが起動されます。 B) ポップアップ ウィンドウは、読み出し時間を変更するようにユーザーに通知します。 C) ユーザーが手動で、アナライト名と読み出し時間を入力します。 D)ユーザーに電話の配置を通知するポップアップ ウィンドウ。 E)テスト前に適切に位置合わせされたディップスティックの代表的なイメージ。 F)スライドが挿入され、QR コードがデータ取得を開始するように表示された後のスクリーンショット。 G)テスト開始後1秒後の画面。黒い四角いオーバーレイは、アプリがピクセル情報を収集している正確な場所をユーザーに示します。 H)完了したディップスティックテストの結果。破線を使用したテスト結果は、選択したディップスティックに対して正常と見なされます。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図3:尿検査開始時に動作中の組み立て装置の写真。ユーザーは、入口に尿とピペットを挿入することによってテストを開始します. この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図4:ディップスティック試験への液体堆積の内部プロセスを最初から最後まで。A)スライドをプレートスリーブに挿入し、スライドスルーホールを入口に合わせると、転写ピペットがスライドの各スルーホールに尿を送り込みます。B)疎水性被覆プレートスリーブの内部を通してスライドを滑らせることは液体輸送を可能にする。C)スライドがベースプレートの停止に達すると、尿はテストパッドに送られ、色分けの変化をもたらす。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図5:疎水性不足に伴う潜在的な問題。A)十分なコーティングの有無にかかわらずスライド。 B)不十分にコーティングされたスライドは、スライドステップ中に漏れるショーを示しています。 C)不十分にコーティングされたスライドは、デバイスから引き戻された後でもディップスティックパッドに転送されません:液体は右下の差し込みに見られるように、スライドスルーホールに残ります。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図6:3種類のサンプル用の2つの異なるスマートフォンを備えたグルコースパッドの尿起き結果。A)高カメラ解像度カメラ付き携帯電話(phone1)で記録された異なる試験条件に対するグルコースパッドの応答特性。 B)低解像度のカメラ付き携帯電話(電話2)で記録された異なる試験条件に対するグルコースパッドの応答特性。30秒での読み出しは、メーカーの希望のタイミングに対応しています。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図 7: 転送された平均ボリュームとの間の数。各井戸は、所定のテストパッドのスルーホールに対応しています。最初の井戸は入口に最も近いです。この図はスミス社ら19 から改変され、英国王立化学会の許可を得て再現された。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
| アナライト | ディップアンドワイプとの違い | |||||||||
| ルー | ニット | 尿 | プロ | pH | ブロ | SG | ケット | GLU | ||
| ディップアンドワイプ | 4 ± 0 | 2 ± 0 | 4 ± 0.53 | 2 ± 0.53 | 4 ± 0 | 5 ± 0 | 3 ± 0.53 | 4 ± 0.49 | 3 ± 0.58 | 該当する |
| 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 |
表1:さまざまな堆積ボリュームを使用した検体の中央値と標準偏差 symbol ‡ は、業界標準のディップ アンド ワイプ方式で取得された中央値と異なる中央値を示します。中央値がディップアンドワイプ法と異なる分析対象パッドの総数は、右端の列に表示されます。注: 使用されるすべてのディップスティックの結果は累積されます。LEU: 白血球, NIT: 亜硝酸塩, URO: ウロビリノゲン, PRO: タンパク質, BLO: 血液, SG: 比重, KET: ケトン, GLU: グルコース.このテーブルはスミスら19 から変更され、王立化学会の許可を得て複製されました。
著者らは開示するものは何もない。
ディプスティック尿素症は、健康状態を迅速かつ手頃な価格で評価する方法です。従来のディップアンドワイププロトコルに関連するエラーの主な原因を取り除き、自宅でユーザーが実行するのに十分簡単である正確で低コストのdipstick尿検査を実行する方法を提示します。
この作品は、ドロシー・J・ウィングフィールド・フィリップス・チャンセラー・パカルティ・フェローシップによって資金提供されました。エミリー・キトはNSF GRFPから資金提供を受けた。
| ブラックキャストアクリルシート 12" x 24" x 1/8" | マクマスターカー8505K742 | $14.27 | |
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| ポリエチレントランスファーピペット | フィッシャーブランド | 13-711-9AM | ロット# : 14311021 |
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| Githut: https://github.com/Iftak/UrineTestApp | |||
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