Summary
Peilstok urineonderzoek is een snelle en betaalbare methode om iemands persoonlijke gezondheidstoestand te beoordelen. We presenteren een methode om nauwkeurige, goedkope peilstok urineonderzoek uit te voeren die de primaire bronnen van fouten verwijdert die verband houden met traditionele dip-and-wipe-protocollen en eenvoudig genoeg is om thuis door lekengebruikers te worden uitgevoerd.
Abstract
Peilstok urineonderzoek biedt snelle en betaalbare schattingen van meerdere fysiologische aandoeningen, maar vereist een goede techniek en training om nauwkeurig te gebruiken. Handmatige prestaties van peilstok urineonderzoek zijn afhankelijk van een goed menselijk kleurenzicht, een goede verlichtingsregeling en foutgevoelige, tijdgevoelige vergelijkingen met grafiekkleuren. Door de belangrijkste stappen in de peilstok urineonderzoek te automatiseren, kunnen potentiële bronnen van fouten worden geëlimineerd, waardoor zelftesten thuis mogelijk zijn. We beschrijven de stappen die nodig zijn om een aanpasbaar apparaat te maken om geautomatiseerde urineonderzoeken uit te voeren in elke omgeving. Het apparaat is goedkoop te produceren en eenvoudig te monteren. We beschrijven de belangrijkste stappen die nodig zijn om het aan te passen voor de peilstok van uw keuze en voor het aanpassen van een mobiele telefoon-app om de resultaten te analyseren. We demonstreren het gebruik ervan om urineonderzoek uit te voeren en bespreken de kritische metingen en fabricagestappen die nodig zijn om een robuuste werking te garanderen. Vervolgens vergelijken we de voorgestelde methode met de dip-and-wipe methode, de gouden standaardtechniek voor peilstok urineonderzoek.
Introduction
Urine is een niet-invasieve bron van meerdere metabolische indicatoren van ziekte of gezondheid. Urineonderzoek, de fysische en/of chemische analyse van urine, kan snel worden uitgevoerd om nierziekte, urinewegaandoeningen, leverziekte, diabetes mellitus en algemene hydratatie op te sporen1. Urineonderzoek dipsticks zijn betaalbare, semi-kwantitatieve diagnostische instrumenten die vertrouwen op colorimetrische veranderingen om geschatte fysiologische niveaus aan te geven. Elke peilstok kan een breed scala aan tests uitvoeren, waaronder testen op pH, osmolaliteit, hemoglobine / myoglobine, hematurie, leukocytenesterase, glucose, proteïnurie, nitriet, keton en bilirubine2. Het principe van peilstok urineonderzoek is gebaseerd op het optreden van een getijde reactie waardoor een kleurverandering op het peilstokkussen kan worden vergeleken met een grafiek om de analytconcentratie te bepalen3. Gezien hun betaalbaarheid en gebruiksgemak zijn peilstokjes een van de meest voorkomende hulpmiddelen voor urineonderzoek in de gezondheidszorg.
Traditioneel is peilstokurine afhankelijk van een getrainde verpleegkundige of medisch technicus om de peilstok handmatig in een kopje urinemonster te plaatsen, overtollige urine af te vegen en de kleurkussens te vergelijken met grafiekkleuren op specifieke tijden. Hoewel de dip-and-wipe-methode de gouden standaard is voor dipstickanalyse, beperkt de afhankelijkheid ervan van menselijke visuele beoordeling de kwantitatieve informatie die kan worden verkregen. Bovendien vereisen de twee handmatige stappen van peilstokonderzoek - de dip-wipe-stap en colorimetrische resultaatvergelijking - een nauwkeurige techniek, die de mogelijkheid van betrouwbare tests in thuisomgevingen door patiënten rechtstreeks beperkt. Kruisbesmetting van de monsterkussens als gevolg van afvegen kan onnauwkeurige kleurveranderingen veroorzaken. Bovendien kunnen inconsistente volumes als gevolg van het ontbreken van volumeregeling tijdens het afvegen leiden tot onjuiste meting van analytconcentraties. Belangrijk is dat de tijd tussen het onderdompelen van de urine (d.w.z. het begin van de test) en de vergelijking met een grafiek van cruciaal belang is voor een nauwkeurige analyse van de resultaten en een enorme potentiële bron van menselijke fouten is. De moeilijkheid bij handmatige colorimetrische vergelijking is dat veel pads tegelijkertijd moeten worden gelezen, terwijl sommige pads op verschillende tijdstippen worden gelezen. Zelfs perfect getijde kleurvergelijkingen zijn nog steeds afhankelijk van de gezichtsscherpte van de menselijke lezer, die kan lijden aan kleurenblindheid of verschillende kleuren kan waarnemen in verschillende verlichtingsomgevingen4. Deze uitdagingen onderstrepen waarom clinici alleen kunnen vertrouwen op peilstokonderzoek uitgevoerd door opgeleid personeel. Een geautomatiseerd urineonderzoekssysteem kan echter aan alle bovengenoemde problemen voldoen door de noodzaak van handmatige dip-wipe-stappen te elimineren, timingregelaars op te nemen en gelijktijdige kleurvergelijkingen met gekalibreerde kleurreferenties mogelijk te maken. Dit zou op zijn beurt de gebruikersfout verminderen, waardoor mogelijke acceptatie in thuisinstellingen mogelijk wordt.
In de afgelopen 20 jaar zijn automatische analysatoren gebruikt om de resultaten van peilstokurinetests met dezelfde nauwkeurigheid te lezen als of meer dan visuele analyse5. Veel klinieken en dokterspraktijken gebruiken dergelijke machines om snel traditionele peilstokresultaten te analyseren en af te drukken. De meeste urineonderzoeksmachines minimaliseren visuele inspectiefouten en zorgen voor consistentie in resultaten6. Ze zijn eenvoudig te gebruiken en efficiënter dan handmatige inspectie, maar vereisen nog steeds dat de gebruiker de dip-wipe-methode correct uitvoert. Daarom hebben deze machines een beperkte mogelijkheid om te worden bediend door ongetrainde personen zoals thuisgebruikers; bovendien zijn ze extreem duur.
Onlangs zijn mobiele telefoons naar voren gekomen als een vindingrijk hulpmiddel voor verschillende biologische colorimetrische metingen7,8,9,10, inclusief voor urineonderzoek11,12,13. Gezien hun remote sensing mogelijkheden en hoge beeldvorming resolutie, mobiele telefoons zijn uitgegroeid tot effectieve gezondheidszorg analytische apparaten14,15. Inderdaad, de FDA heeft verschillende smartphone-gebaseerde thuisurinetestsgewist 16,17,18. Sommige van de nieuwe op smartphones gebaseerde commerciële producten bevatten gevestigde urineonderzoekspeilstokken, terwijl andere zijn voorzien van gepatenteerde colorimetrische pads. Al deze producten zijn voorzien van gepatenteerde methoden om te kalibreren voor verschillende lichtomstandigheden in verschillende telefoontypen. Toch is een probleem met deze oplossingen dat de gebruiker handmatig een foto op het juiste moment moet maken naast het uitvoeren van een goede handmatige dip-wipe-methode (d.w.z. zonder kruisbesmetting). Met name geen van deze tests regelt het volume dat op de peilstokken wordt afgezet, waarvan we hebben vastgesteld dat het de kleurverandering19 kan beïnvloeden en fysiologisch resultaat kan interpreteren. De huidige hiaten en kosten in de workflows van deze apparaten suggereren een extra noodzaak om een mensvrije, volumegestuurde urinedepositieprocedure en handsfree peilstokfotografie mogelijk te maken.
We beschrijven een protocol voor volumegestuurde, geautomatiseerde peilstok urineonderzoek zonder dat er een handmatige dip-wipe stap nodig is. De sleutel tot het geautomatiseerde proces is een apparaat19 waarvan het onderliggende principe is gebaseerd op de SlipChip20 en dat vloeistof tussen verschillende lagen overbrengt met behulp van oppervlaktechemie-effecten. Kortom, de hydrofobe coating op de transferschuif en de omringende plaathuls dwingen de vloeistof moeiteloos door het apparaat te bewegen en op het peilstokkussen los te laten zodra de glijbaan zich in de eindpositie bevindt, waarna de onderste hydrofobe barrière wordt vervangen door lucht. Bovendien standaardiseert de gecoördineerde lichtblokkeringsbox de lichtomstandigheden, de beeldhoek van de camera en de afstand voor camerafocus om nauwkeurige en herhaalbare resultaten te garanderen die niet worden beïnvloed door omgevingslichtomstandigheden. Een bijbehorende software-app automatiseert het vastleggen van afbeeldingen en colorimetrische analyse. Na een beschrijving van het protocol geven we representatieve resultaten van de urinetest onder verschillende omstandigheden. Vergelijkingen met de standaard dip-wipe methode tonen de betrouwbaarheid van de voorgestelde methode aan.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Fabriceer en monteer het urineonderzoeksapparaat
- Maak de bodemplaat (figuur 1A).
- Gebruik een CAD-software (Computer Aided Design) om een rechthoekig gebied met afmetingen 2.1641 in x 0.0547 in x 6.3828 in (B x H x L) te tekenen met behulp van het polylijngereedschap.
- Meet het testgebied (rechthoekig gebied dat de afstand tussen het eerste en laatste kussen en de breedte van de pads omvat) op de peilstok.
OPMERKING: Deze informatie is nodig om de doorgaande gaten te trekken die de peilstok op zijn plaats houden en de vloeistof tussen de pads te scheiden (om kruisbesmetting te voorkomen). - Voeg doorvoergaten toe die de grootte en positie van elk testblok in het testgebied nabootsen.
- Teken twee verhoogde zijranden die 2,1641 in x 0,6797 inch (B x L) meten.
- Teken een stop (0,1172 bij 0,2109 inch (B x L)) met behulp van het polylijngereedschap om de uitlijning tussen de basisplaat en de dia te vergemakkelijken. De stop moet loodrecht op de richels staan en voorkomt fysiek dat de dia langs de urinepeilstokkussens beweegt.
- Selecteer de regels voor de stop en richel om één gebied te maken met de opdracht Regio. Gebruik de opdracht Extrude om het gebied op te tillen tot een hoogte van 0,0703 inch. Herhaal deze stap aan de andere kant van het apparaat.
- Maak een inkeping (0,1895 bij 0,3500 inch (B x L)) op beide richels om de uitlijning met de doos te vergemakkelijken. Plaats het 0,466 in vanaf de onderrand van de richel. Gebruik de opdracht Regio om een rechthoek te maken en de extrusiehoogte 0,1250 inch te maken.
- Gebruik de opdracht Volumeaftrekken, selecteer apparaat, druk op Enter, selecteer het inkepingsgebied en druk op Enter. Herhaal dit aan de andere kant van het apparaat.
OPMERKING: De vorm wordt van het apparaat verwijderd. - Print de basisplaat op een 3D-printer en schuur het bovenste vlakgebied tussen de richels met schuurpapier om het oppervlak op te ruwen.
OPMERKING: Schuren is belangrijk zodat de hydrofobe coating stevig aan de bodemplaat kan hechten. - Plak de richels vast met plakband (om te voorkomen dat de richels worden besproeid) en besproei de bodemplaat met een hydrofobe spray. Breng meerdere (4-8) lagen van de basislaag aan op de basisplaat. Houd het blik ongeveer 8-12 inch afstand van de basisplaat tijdens het spuiten. Het apparaat moet bij het drogen een melkwitte uitstraling hebben.
LET OP: Volg de instructies van de fabrikant voor de juiste locatie en PBM voor spuiten. - Wacht 30 minuten voordat u de topcoat meerdere keren aanbrengt (6-8x). Laat de bodemplaat 12 uur drogen voor gebruik. Verwijder de tape van de richels.
- Maak de bovenplaat (figuur 1B).
- Teken een rechthoekig gebied om 2,05 in x 5,470 inch (B x L) te meten in een CAD-software met behulp van het polylijngereedschap.
- Voeg een rechthoekig door-gat (het "doorkijkgat") toe dat iets groter is dan de grootte van het testgebied van de peilstok (bijv. 0,230 in x 3,147 inch (B x L)). Plaats het 0,921 inch vanaf de bovenkant, 1,165 inch van links en 1,165 inch vanaf de rechterrand van de bovenplaat.
- Teken een tweede door-gat (het "Inlaatgat") van 0,075 in x 3,146 inch (B x L). Plaats het 0,236 inch vanaf de onderrand, 1.737 inch vanaf de bovenrand en 1.162 inch vanaf de linker- en rechterrand van de bovenplaat.
- Snijd de bovenplaat van een stuk helder acryl met een lasersnijder. Veeg eventueel achtergebleven stof of vuil af.
- Maak de inlaatafdekking (figuur 1B).
- Teken een rechthoekig gebied met afmetingen 0,247 in x 3,3378 inch (B x L) in een CAD-software met behulp van het polylijngereedschap. Voeg twee ronde doorvoergaten toe met een diameter van 0,127 in ongeveer 0,073 inch vanaf de twee randen van de inlaatafdekking, één aan weerszijden.
- Snijd de inlaatafdekking van een stuk helder acryl met een lasersnijder.
- Maak de dia (Figuur 1C)
- Teken een rechthoekig gebied in CAD-software dat meet 2.771 in x 0.0625 in x 5.000 in (B x H x L) met behulp van het polyline-gereedschap.
- Voeg doorvoergaten toe die overeenkomen met de positie van elk testblok in het testgebied. Teken de eerste 0,105 in vierkant door-gat om te overlappen met de plaatsing van het eerste testblok: 1.096 in vanaf de linker- en rechterrand van de dia, 0.960 in vanaf de bovenrand en 1.681 in vanaf de onderrand. Voeg indien nodig meer doorvoergaten toe (meestal 10 in totaal) voor het geselecteerde peilstokmerk naar keuze. Plaats elke volgende door-gat door de afstand tussen testpads op de peilstok te meten.
OPMERKING: De grootte van de doorgaande gaten is belangrijk om het juiste volume vloeistof op het peilstokkussen te deponeren. Voor ons merk peilstok hebben we gaten gemaakt die 15 ul op elk peilstokkussen deponeren. - Snijd de glijbaan van een stuk helder acryl met behulp van een lasersnijder. Veeg eventueel achtergebleven stof of vuil af.
- Besproei de voorkant van de glijbaan met een hydrofobe spray. Breng meerdere lagen (6-8x) basecoat aan op de glijbaan. Houd het blik ongeveer 8 -12 in de buurt van de glijbaan tijdens het spuiten.
- Wacht 30 minuten voordat u de topcoat meerdere keren aanbrengt (8-12x). Laat de glijbaan 12 uur drogen voor gebruik.
- Download een QR-code van een online QR-codegenerator en print de gewenste code op papier met plakkerige zelfklevende achterkant. Plaats de QR-code 0.17 rechts van de eerste door-hole langs dezelfde rij als alle through-holes.
OPMERKING: Zolang de QR-code zich naast de through-holes bevindt, is een nauwkeurige plaatsing niet belangrijk. - Gebruik doorzichtige tape om de QR-code te bedekken en vast te zetten op de dia.
- Monteer de inlaat en de plaathuls (afbeelding 1D).
- Fabriceer de inlaat door acrylcement te gebruiken om de inlaatafdekking op de bovenplaat te lijmen waar het inlaatgat zich bevindt. Wacht 24-48 uur om de stukken stevig te verlijmen.
- Besproei de achterkant van de bovenplaat met een hydrofobe spray zodra de inlaatafdekking stevig aan de bovenplaat is gebonden. Plaats de bovenplaat ondersteboven. Breng de eerste basecoat meerdere keren aan (4-8x).
- Houd de spray 8-12 inch van de bovenplaat en wacht 30 minuten tot deze is droog. Breng de topcoat meerdere keren aan (6-8x). Laat de bovenplaat 12 uur drogen voor gebruik.
- Monteer de plaathuls (gecombineerde bovenplaat en bodemplaat) door de voltooide bovenplaat met acrylcement op de richels van de bodemplaat te lijmen. De twee stukken zijn eenvoudig uit te lijnen door visuele inspectie, omdat de onderrand van de bovenplaat zal uitlijnen met die van de basisplaat. Breng een klem aan op de bodemplaatranden om deze tijdens het drogen vast te stellen en wacht 24-48 uur voor gebruik, volgens de instructies van de fabrikant.
- Maak de kaartsticker.
- Download de kleurenkaart voor het merk peilstok van de website van de fabrikant.
- Open het gedownloade bestand in een grafische editorsoftware.
- Open het digitale bestand voor de bovenplaatsjabloon die eerder werd gebruikt voor de lasersnijder (stap 1.2 van dit protocol) in een grafische editorsoftware.
- Maak de kleurvakken voor de grafieksticker door kleurvakken uit de kleurentabel van de fabrikant te matchen. Selecteer het eerste kleurblok op de grafiek van de fabrikant met het druppelgereedschap in de grafische editorsoftware en gebruik vervolgens het gereedschap Doosvorm om een doosvorm in dezelfde kleur te maken op de sjabloon voor de bovenste plaat, in dezelfde rij waar het peilstokkussen zich bevindt. Herhaal dit voor elk kleurblok dat overeenkomt met elke padrij.
- Verwijder de lagen die zijn gekoppeld aan de sjabloon voor de bovenste plaat.
- Print de patroonsticker als vinylsticker met een online stickerprintservice. Plaats de patroonsticker op de plaathuls en lijn deze uit met elk door-gat.
- Maak de doos (figuur 1E).
- Teken de twee lange doosstukken (onderdelen "a" en "b") in de CAD-software als rechthoeken met afmetingen van 4,92 in x 6,63 inch (B x L). Voeg een uitsnede toe aan deel "a" gecentreerd op de onderrand van 0,2 in x 6,11 inch (B x L).
- Teken de twee smalle doosstukken (onderdelen "d" en "e") in de CAD-software als rechthoeken met afmetingen van 1.805 in x 6,63 inch (B x L).
- Teken de bovenkant van het vak (deel "c") als een rechthoek met afmetingen 1.805 in x 6.63 (B x L). Teken het "imaging through-hole" aan de bovenkant: 0,74 in x 0,910 inch (B x L), 3,17 inch van onderen, 2,53 inch van boven, 0,65 inch van de rechterrand en 0,42 inch van de linkerrand.
OPMERKING: De exacte positie van het beeldvormingsgat moet worden geselecteerd op basis van de mobiele telefoons die voor de analyse zullen worden gebruikt. - Teken elk doosstuk met een patroon van in elkaar grijpende randen waarmee alle vakzijden aan elke rand kunnen worden vastklikken, zoals beschreven in figuur 1D. Om een interlock edge patroon te maken, wissel je een extrusie/inbraak patroon op de lange rand af met 0.135 in by 1.17 in (B x L) uitsteeksels. Teken twee extrusies op elke lange rand voor elke kant van de doos. Gebruik hetzelfde extrusie-/inbraakpatroon voor de korte rand, maar met inbraken van 0,135 bij 0,460 inch (B x L).
- Snijd de vijf stukken met een lasersnijder of print ze met een 3D-printer.
OPMERKING: Een lasergesneden component met acrylstukken is goedkoop te produceren en kan worden afgevlakt voor eenvoudige verzending. Gebruik zwart acryl omdat het nuttig is om verspreid licht te absorberen tijdens het testen. - Voeg zwart kleur constructiepapier toe aan het interieur van de doos om verstrooiing van de flitser tijdens beeldanalyse te voorkomen als het doosmateriaal een glansafwerking heeft.
2. Bereid de test voor
- Download de mobiele Applicatie UrineTest van GitHub (https://github.com/Iftak/UrineTestApp).
- Installeer de app op een mobiele telefoon.
OPMERKING: Deze stap hoeft slechts één keer te worden uitgevoerd voor alle toekomstige toepassingen van een bepaalde telefoon. Schakel indien nodig de status van de ontwikkelaar op de telefoon in om dit te doen. - Start de UrineTest-applicatie in de telefoon (Figuur 2A).
- Lees de instructies om de namen en leestijden van de analyten (figuur 2B) aan te passen aan die voor de peilstok van belang (op basis van de specificaties van de fabrikant) en voeg nieuwe invoer in via het venster teksthouder op het scherm (figuur 2C).
OPMERKING: De benodigde uitleestijd voor elk peilstokkussen is afhankelijk van het merk van de gebruikte peilstok. - Monteer de verschillende componenten samen en steek de peilstok in de doorgaande gaten onder de plaathuls (afbeelding 1F).
- Plaats de plaathuls in de doos zodat de inkeping is uitgelijnd met de doosopening.
- Plaats de schuif in de plaathuls zodat de doorgaande gaten op één lijn liggen met de inlaat.
- Plaats de telefoon op de bovenkant van de doos met de lens van de camera aan de achterkant naar het kijkgat gericht om beeldvorming mogelijk te maken. Zorg ervoor dat de zichtbaarheid van de camera niet wordt afgesloten door voorafgaand aan de test te controleren op het beeld op het telefoonscherm. De app schakelt de zaklamp op de telefoon automatisch in.
- Lees de instructies voor het uitlijnen van de telefoon (Afbeelding 2D) en lijn de telefoon dienovereenkomstig uit, zodat de peilstok samenvalt met de grenzen van de zwarte rechthoekige overlay op het scherm (Figuur 2E).
- Klik op de knop Start in het app-venster om de test te starten.
OPMERKING: Hiermee wordt de telefooncamera geopend om de QR-code eenmaal in beeld te lezen(afbeelding 2F).
3. Voer de test uit
- Deponeer urine in het inlaatgat met een wegwerp-polyethyleen transferpipet met ongeveer 0,5 ml urine (figuur 3).
OPMERKING: De exacte hoeveelheid vloeistof is niet belangrijk, maar het moet minstens 0,5 ml zijn om ervoor te zorgen dat alle doorgaande gaten voldoende urine krijgen. Let er bij het toevoegen van de vloeistof op dat deze over de inlaat beweegt en in elk door-gat van de glijbaan wordt afgezet. - Start de test door de schuif in de plaathuls te duwen totdat deze wordt gestopt door de basisplaatstop.
OPMERKING: Urine moet contact maken met het peilstokkussen wanneer de QR-code zich in het gezichtsveld van de mobiele telefoon bevindt. Na het lezen van de QR-code opent de applicatie een venster om de kleurveranderingen(figuur 2G)te analyseren en de resultaten automatisch in hetzelfde venster weer te geven (figuur 2H). - Gooi de urine op de juiste manier weg en maak de plaathuls schoon en schuif met 10% bleekoplossing en spoel opnieuw af met gedeïoniseerd water. Laat het drogen voor extra gebruik.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figuur 4 laat zien hoe de urine tijdens een urinetest naar de peilstok wordt overgebracht. Tijdens een typische test is de overdracht van urine niet waarneembaar omdat de doos het zicht afsluit. Zodra het monster met behulp van een pipet in de inlaat is afgezet (stap 3.1), vult het de gaten op de glijbaan (afbeelding 4A). Figuur 4B en figuur 4Ctonen respectievelijk de progressieve beweging van de urine over de plaathuls en nadat de dia contact maakt met de stop. Merk op dat contact van de urine met de peilstok leidt tot een colorimetrische reactie en kleurverandering op de peilstokkussens.
Figuur 5 toont een potentieel probleem aan dat zich kan voordoen als de oppervlakken voor de overdracht van de urine (d.w.z. basispastei, bovenplaat en dia) niet voldoende zijn bedekt met hydrofobe spray. Een illustratie van een goed en slecht gecoate dia wordt getoond in Figuur 5A. Indien slecht gecoat, kan men strepen waarnemen (weergegeven door witte pijlen in figuur 5B) tijdens de schuifstap die de nauwkeurigheid van het overgebrachte volume verminderen. Bovendien kan men zien dat de glijbaan de urine niet naar de peilstok overdraagt(figuur 5C),en dat urine in de doorvoergaten kan blijven zitten, zelfs wanneer de glijbaan uit het apparaat wordt verwijderd. Deze stappen benadrukken het belang van een goede spraydekking (stappen 1.1.8, 1.4.4, 1.5.3 en 1.5.4). Als er zorgen zijn over de sproeidekking of als u deze prestatiefouten opmerkt, kunt u het beste de basisplaat, de bovenplaat en de schuif opnieuw maken.
Een urinetest werd uitgevoerd met een smartphone van hoge kwaliteit: telefoon 1 (beeldresolutie: 8000 pixels x 6000 pixels). Representatieve resultaten zijn weergegeven in figuur 6. We voerden tests uit met gedeïoniseerd water en commerciële urine (zowel standaardsamenstelling als met hoge glucose). De kleurkussens op de peilstok veranderen in de tijd als reactie op de colorimetrische reactie van de urine met de analyten in de peilstok. De foutbalken in figuur 6 vertegenwoordigen de standaardafwijking die wordt gegenereerd voor drie opeenvolgende metingen van elk monster dat door de twee smartphones is geregistreerd. Figuur 6A geeft de respons voor het glucosekussen in de loop van de tijd weer voor de verschillende testomstandigheden. Voor het gebruikte merk peilstok is de aanbevolen uitleestijd voor de glucosemeting 30 seconden. Zoals verwacht verandert de kleur van de peilstok niet gedurende dit interval voor water, komt de uiteindelijke waarde voor de standaardurine overeen met het "normale" urineglucosedrempelniveau (160-180 mg/dl) en wordt de uiteindelijke waarde voor de toestand "hoge glucose" boven de normale waarde verhoogd. Houd er rekening mee dat de juiste waarde pas na 30 seconden wordt bereikt, wat het belang illustreert van het correct instellen van het uitleesinterval in stap 2.8. Hetzelfde experiment werd uitgevoerd met een andere smartphone met een lagere beeldresolutie: telefoon 2 (beeldresolutie: 3264 pixels x 2448 pixels). Vanwege het verschil in cameraresolutie wordt een aanzienlijk verschil met de vorige resultaten waargenomen in de kleur en kwaliteit van het beeld tijdens het vastleggen van afbeeldingen van het peilstokpaneel, zoals weergegeven in figuur 6B. De verschillen in zaklampspecificaties dragen ook bij aan de verschillen in beeldkwaliteit. Uit figuur 6kan worden gezien dat beide telefoons vergelijkbare trends in de verandering van kleur in de loop van de tijd opleveren, hoewel de werkelijke gedetecteerde kleuren anders zijn. Het kleurmatchingalgoritme dat door de smartphonetoepassing voor de urinetest wordt gebruikt, levert dezelfde resultaten op voor de analytconcentraties, ondanks verschillen in het fysieke uiterlijk van de kleuren van de peilstokkussens. De consistentie van de resultaten is te wijten aan het gebruik van de grafieksticker als referentiegrafiek voor de analyse. Omdat zowel de kaartsticker als de peilstok onder dezelfde lichtomstandigheden en beeldkwaliteit worden vastgelegd, evalueert de smartphonetoepassing de (R,G,B)-componenten en het kleurverschil van zowel het referentievierkant als het peilstokkussen op een vergelijkbare manier voor beide smartphones. Deze resultaten bevestigen dat het protocol dat in dit manuscript wordt beschreven onafhankelijk is van het smartphonemodel, zolang zowel de referentiekleurkaart als de peilstok onder dezelfde omgeving worden afgebeeld.
We hebben eerder de nauwkeurigheid van het geautomatiseerde urineonderzoeksapparaat geëvalueerd door te vergelijken met traditionele dip-and-wipe-methoden met behulp van een commerciële urinestandaard19. Tabel 1 vergelijkt de verkregen resultaten met de twee tests. Het is te zien dat de nauwkeurigheid van het systeem afhangt van het volume dat naar elk peilstokkussen wordt overgebracht. De meest nauwkeurige resultaten werden verkregen toen het geautomatiseerde urineonderzoeksapparaat was ontworpen om 15 μL urine over te brengen; daarom is het cruciaal dat het apparaat het vereiste urinevolume nauwkeurig en consistent overdraagt aan de peilstokkussens. In figuur 7zijn representatieve resultaten weergegeven om de consistentie van het hulpmiddel te valideren door 15 μL aan urinemonsters over zeven verschillende proeven over te brengen . De totale standaardafwijking bleek lager te zijn dan 0,5 μL, wat binnen het bereik van 4% van de streefwaarde ligt. De resultaten bevestigen dat het apparaat in staat is om microliters urine nauwkeurig en consistent over te brengen om de test uit te voeren.
Figuur 1: Schematische tekeningen van apparaatonderdelen. A) Basisplaat. B) Bovenplaat en inlaatdeksel, die in stap 1.5.1 aan elkaar zijn gelijmd. C) Dia en bijbehorende QR-code die wordt gebruikt voor timingcontrole. D) Plaathuls, gevormd door de bovenplaat in stap 1.5.4 op de richels van de bodemplaat te lijmen. De grafieksticker naast het door-gat maken kleuranalyse mogelijk. E) Doos. F) Gemonteerd apparaat. Tijdens het gebruik wordt een mobiele telefoon op de bovenkant van de doos geplaatst, zodat de lens en zaklamp zich boven het beelddoor-gat bevinden. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 2: Het proces van de colorimetrische analyse met behulp van de app. A) Het pictogram op het telefoonscherm "Urinetest" is geselecteerd om de applicatie te starten. B) Een pop-upvenster informeert de gebruiker om de uitleestijden te wijzigen. C) De gebruiker voert handmatig de naam en uitleestijden van de analyt in. D) Een pop-upvenster om de gebruiker te informeren over de uitlijning van de telefoon. E) Representatief beeld van een goed uitgelijnde peilstok voor het testen. F) Screenshot nadat de dia is ingevoegd en de QR-code lijkt gegevensverwerving te starten. G) Het scherm een seconde na het starten van de test. De zwarte vierkante overlays tonen de gebruiker de exacte locatie van waaruit de app pixelinformatie verzamelt. H) De resultaten van de voltooide peilstoktest. Testresultaten met streepjes worden als normaal beschouwd voor de gekozen peilstok. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 3: Foto van het gemonteerde apparaat in actie aan het begin van een urinetest. Een gebruiker begint de test door een pipet met urine in de inlaat te steken. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 4: Intern proces van vloeistofdepositie op de peilstoktest van begin tot eind. A) Door de glijbaan in de plaathuls te steken en de doorgaande door-gaten met de inlaat uit te lijnen, kan de transferpipet de urine in elk door-gat van de glijbaan afgeven. B) Door de schuif door het binnenste van de hydrofobe gecoate plaathuls te schuiven, kan vloeistof worden getransporteerd. C) Wanneer de dia de aanslag in de bodemplaat bereikt, wordt urine naar de testpads gebracht, wat resulteert in kleurveranderingen. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 5: Mogelijke problemen in verband met onvoldoende hydrofobiciteit. A) Een glijbaan met en zonder voldoende coating. B) Onvoldoende gecoate diashows lekken tijdens de schuifstap. C) Een onvoldoende gecoate glijbaan gaat niet over op de peilstokkussens, zelfs niet nadat deze uit het apparaat zijn getrokken: de vloeistof blijft in de doorgaande gaten van de glijbaan achter, zoals te zien is in de inzet rechtsonder. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 6: Urineonderzoeksresultaat voor het glucosekussen met twee verschillende smartphones voor drie soorten monsters. A) Responskenmerken van de glucosepad na verloop van tijd voor de verschillende testomstandigheden die zijn opgenomen met een cameratelefoon met hoge cameraresolutie (telefoon1). B) Responskenmerken van het glucosekussen na verloop van tijd voor de verschillende testomstandigheden die zijn opgenomen met een cameratelefoon met lage resolutie (telefoon 2). De uitlezing na 30 seconden komt overeen met de gewenste timing voor de fabrikant. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 7: Goed aantal versus gemiddeld overgedragen volume. Elke put komt overeen met een door-gat voor een bepaald testpad; de eerste put ligt het dichtst bij de inlaat. Deze figuur is gewijzigd uit Smith, et al.19 en gereproduceerd met toestemming van de Royal Society of Chemistry. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
| Analyt | Verschillen met dip-and-wipe | |||||||||
| Leu | neet | Uro | PRO | Ph | Blo | Sg | Ket | GLU | ||
| Dip-en-veeg | 4 ± 0 | 2 ± 0 | 4 ± 0,53 | 2 ± 0,53 | 4 ± 0 | 5 ± 0 | 3 ± 0,53 | 4 ± 0,49 | 3 ± 0,58 | n.v.t |
| 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 uur | 2 ± 0 | 4 ± 0 | 2 ± 0 | 3* ± 0.38 uur | 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 uur | 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 |
Tabel 1: Mediane waarden en standaardafwijkingen voor analyten met behulp van verschillende gedeponeerde volumes. Het symbool ‡ geeft mediane waarden aan die verschillen van de mediaan die is verkregen met de dip-and-wipe-methode, de industriestandaard. Het totale aantal analytkussens waarvan de medianen verschillen van de dip-and-wipe-methode wordt in de uiterst rechtse kolom gerapporteerd. De resultaten van de notitie zijn cumulatief voor alle gebruikte peilstokken. LEU: leukocyten, NIT: nitriet, URO: urobilinogen, PRO: eiwit, BLO: bloed, SG: soortelijk gewicht, KET: ketonen, GLU: glucose. Deze tabel is gewijzigd van Smith, et al.19 en gereproduceerd met toestemming van de Royal Society of Chemistry.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Traditionele peilstok urineonderzoek is betaalbaar en handig, maar vereist handmatige aandacht voor detail om nauwkeurige resultaten te leveren. Handmatige peilstok urineonderzoek is onderhevig aan variabele lichtomstandigheden, individuele kleurperceptieverschillen en kruisbesmetting. Veel klinieken en ziekenhuizen hebben al instrumenten om urinepeilstokanalyse te automatiseren, maar de instrumenten zijn meestal omvangrijk, duur en vertrouwen nog steeds op de juiste uitvoering van de dip-wipe-methode. Bovendien vereisen deze instrumenten jaarlijkse kalibratie en onderhoud voor nauwkeurige resultaten.
Het protocol automatiseert en controleert verschillende belangrijke stappen die betrokken zijn bij de urineonderzoek van de peilstok (bijv. verdeling van vloeistof naar de testpads, de timing van de start, controle over de verlichting en kwantitatieve vergelijking met de referentienorm), wat nodig is om betrouwbare resultaten te verkrijgen. Hiertoe omvatten de stappen 1.4.3, 1.1.4, 1.4.7 en 1.1.5, die overeenkomen met de grootte van de door-gaten met het gewenste volume, de juiste plaatsing van de stops om de doorgaande gaten met de peilstok uit te lijnen, zorgen voor een goede plaatsing van de QR-code die als timingindicator wordt gebruikt en ervoor zorgen dat de test niet wordt beïnvloed door omgevingslicht respectievelijk. Bovendien zijn de overdracht van urine via de dia en de daaropvolgende afzetting op de peilstok sterk afhankelijk van de oppervlaktekenmerken van de gebruikte materialen. Daarom is het belangrijk om voldoende hydrofobe spray toe te passen als niet-hydrofobe oppervlakken worden gebruikt voor de basisplaat, de bovenplaat en de glijbaan. Het is vooral van cruciaal belang om ervoor te zorgen dat de binnenoppervlakken van de doorgaande gaten van de glijbaan zijn gespoten, zodat de vloeistof na het uitglijden op het peilstokkussen valt.
Het protocol kan eenvoudig worden aangepast om te gebruiken met andere merken peilstokken door de afmetingen en afstand van de doorgaande gaten te wijzigen. Het volume dat op de peilstok wordt aangebracht, kan ook worden gewijzigd door de dikte van het acryl te wijzigen dat wordt gebruikt om de dia te fabriceren (met evenredige veranderingen in de dikte van de richels van de basisplaat) of de grootte van de doorvoergaten. De bijbehorende software-app stelt de gebruiker in staat om de namen en uitleestijden aan te passen aan die voor het gebruikte merk peilstok.
Het huidige apparaat combineert een 3D-geprinte basisplaat en lasergesneden bovenplaat tot een plaathuls. Beide fabricagemethoden zijn betaalbaar en de materiaalkeuzes kunnen worden gewijzigd. Exclusief de telefoon en peilstok kost het acryl dat in het huidige apparaat wordt gebruikt ongeveer $ 0,85 en materiaal dat in de 3D-geprinte basisplaat wordt gebruikt ongeveer $ 1,50 per apparaat. Hoewel de basisplaat die we gebruikten 3D-geprint is van acrylonitril butadieen styreen (ABS), zijn ook andere polymeren die een hard en stijf oppervlak vormen geschikt. Een versie van het apparaat kan bijvoorbeeld worden gemaakt met behulp van een plaathuls die volledig is vervaardigd van acryl19. Elastomeermaterialen zoals polydimethylsilioxaan (PDMS) zijn niet wenselijk omdat hun lagere stijfheid minder compatibel is met het schuiven van een glazen oppervlak om de uitglijdende werking mogelijk te maken die van cruciaal belang is voor het volumeregelingsontwerp.
Een belangrijke beperking van het huidige protocol is dat de hydrofobe coating die op de schuif- en plaathuls wordt aangebracht, bij frequent gebruik kan schilferen, waardoor de stabiliteit van het apparaat in de loop van de tijd wordt beperkt. Na 3-4 testruns schillen en veranderen de hydrofobe coatings vaak het overgebrachte volume, waardoor de nauwkeurigheid in de resultaten mogelijk wordt verminderd. Toekomstige methodewijzigingen kunnen het gebruik van duurzamere hydrofobe coating of materialen die van nature hydrofoob zijn, omvatten. Bovendien kan de acrylbinding ook tijdens herhaalde tests verzwakken. De lage kosten van het apparaat maken het echter mogelijk om meerdere afdrukken te maken en indien nodig opnieuw aan elkaar te lijmen. De dia kan dus worden beschouwd als een herbruikbaar onderdeel.
Een andere beperking is het onvermogen om het glucosekussen te verzadigen met urine vanwege de hydrofobe aard van het pad. Als zodanig absorbeert het slechts gedeeltelijk vloeistof met het geautomatiseerde apparaat. We hebben niet vastgesteld dat dit de nauwkeurigheid van het resultaat verminderde, maar het vereist wel een zorgvuldige uitvoering van stap 2.9 om ervoor te zorgen dat het cameraweergavegebied gegevens van het midden vastlegt, niet de randen van het glucosetestpad. Toekomstig werk kan dit probleem aanpakken door een ander merk peilstok op te nemen dat geen hydrofobiciteit bevat op een peilstokreagenskussens tijdens de test.
Door de belangrijkste stappen te beheren die bijdragen aan gebruikersfouten, zorgt deze methode voor een verhoogde nauwkeurigheid in resultaten die worden uitgevoerd door niet-getrainde personen en is geschikt voor thuistests. In tegenstelling tot andere urineonderzoek apps beschikbaar7,8,9, het systeem is aanpasbaar aan elk merk van peilstok test. Het apparaat is herbruikbaar en vereist geen stroom om te gebruiken buiten de stroom die door de smartphone wordt verbruikt. In de toekomst stellen we ons voor dat het protocol vatbaar zou kunnen zijn voor zelftesten van patiënten. Door de nauwkeurigheid van de testresultaten van de peilstok te waarborgen, kunnen patiënten hun eigen urine vaker controleren zonder de barrières die gepaard gaan met de standaard klinische urineonderzoekspraktijk.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets bekend te maken.
Acknowledgments
Dit werk werd gefinancierd door de Dorothy J. Wingfield Phillips Chancellor Faculty Fellowship. Emily Kight werd gefinancierd door NSF GRFP.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Black Cast Acrylic Sheet 12" x 24" x 1/8" |
McMaster Carr | 8505K742 | $14.27 |
| Chart sticker | Stickeryou.com | $12.39 | |
| Clear Scratch- and UV-Resistant Cast Acrylic Sheet 12" x 24" x 1/16" |
McMaster Carr | 8560K172 | $9.52 |
| disposable polyethylene transfer pipet | Fischer Brand | 13-711-9AM | lot# : 14311021 |
| Fortus ABS-M30 | Stratasys | 345-42207 | lot# : 108078 |
| Githut: https://github.com/Iftak/UrineTestApp | |||
| Innovating Science - Replacement Fluids for Urinalysis Diagnostic Test Kit (IS3008) | Amazon | $49 | |
| Nonwhitening Cement for Acrylic Scigrip 4, 4 oz. Can |
MCM | 7517A1 | $9.22 |
| Rust-Oleum 274232 Repelling treatment base coat-9 oz and top-coat 9-oz , Frosted Clear | Amazon | Color: Frosted Clear | $6.99 |
| Urinalysis Reagent Strips 10 Panel (100 Tests) MISSION BRAND | Medimpex United, Inc | MUI-MS10 | $10.59 |
References
- Lei, R., Huo, R., Mohan, C. Expert Review of Molecular Diagnostics Current and emerging trends in point-of-care urinalysis tests. Expert Review of Molecular Diagnostics. 00, 1-16 (2020).
- Kavuru, V., et al. Dipstick analysis of urine chemistry: benefits and limitations of dry chemistry-based assays. Postgraduate Medicine. 5481, (2019).
- Pugia, M. J. Technology Behind Diagnostic Reagent Strips. Laboratory Medicine. 31, 92-96 (2000).
- Dungchai, W., Chailapakul, O., Henry, C. S. Electrochemical detection for paper-based microfluidics. Analytical Chemistry. 81, 5821-5826 (2009).
- Van Delft, S., et al. Prospective, observational study comparing automated and visual point-of-care urinalysis in general practice. BMJ Open. 6, 1-7 (2016).
- Urisys 1100 Analyzer. , Available from: https://diagnostics.roche.com/us/en/products/instruments/urisys-1100.html (2020).
- Filippini, D., Lundström, I. Measurement strategy and instrumental performance of a computer screen photo-assisted technique for the evaluation of a multi-parameter colorimetric test strip. Analyst. 131, 111-117 (2006).
- Shen, L., Hagen, J. A., Papautsky, I. Point-of-care colorimetric detection with a smartphone. Lab on a Chip. 12, 4240-4243 (2012).
- Ra, M. Smartphone-Based Point-of-Care Urinalysis under Variable Illumination. IEEE Journal of Translational Engineering in Health and Medicine. 6, 1-11 (2018).
- Yetisen, A. K., Martinez-Hurtado, J. L., Garcia-Melendrez, A., Da Cruz Vasconcellos, F., Lowe, C. R. A smartphone arebeorithm with inter-phone repeatability for the analysis of colorimetric tests. Sensors and Actuators, B: Chemical. 196, 156-160 (2014).
- Wang, S., et al. Integration of cell phone imaging with microchip ELISA to detect ovarian cancer HE4 biomarker in urine at the point-of-care. Lab on a Chip. 11, 3411-3418 (2011).
- Zhang, D., Liu, Q. Biosensors and bioelectronics on smartphone for portable biochemical detection. Biosensors and Bioelectronics. 75, 273-284 (2016).
- Choi, K., et al. Smartphone-based urine reagent strip test in the emergency department. Telemedicine and e-Health. 22, 534-540 (2016).
- Kwon, L., Long, K. D., Wan, Y., Yu, H., Cunningham, B. T. Medical diagnostics with mobile devices: Comparison of intrinsic and extrinsic sensing. Biotechnology Advances. 34, 291-304 (2016).
- Vashist, S., Schneider, E., Luong, J. Commercial Smartphone-Based Devices and Smart Applications for Personalized Healthcare Monitoring and Management. Diagnostics. 4, 104-128 (2014).
- Inui. , Available from: https://www.inuihealth.com/inui/home (2020).
- Healthy.io. , Available from: https://healthy.io/ (2020).
- Scanwell. , Available from: https://www.scanwellhealth.com (2020).
- Smith, G. T., et al. Robust dipstick urinalysis using a low-cost, micro-volume slipping manifold and mobile phone platform. Lab on a Chip. 16, 2069-2078 (2016).
- Du, W., Li, L., Nichols, K. P., Ismagilov, R. F. SlipChip. Lab on a Chip. 9, 2286-2292 (2009).
