Summary

Lågkostnads, volymstyrd mätsticks urinanalys för hemtestning

Published: May 08, 2021
doi:

Summary

Dipstick urinanalys är en snabb och prisvärd metod för att bedöma sitt personliga hälsotillstånd. Vi presenterar en metod för att utföra korrekt, billig mätsticka urinanalys som tar bort de primära felkällorna i samband med traditionella dip-and-wipe-protokoll och är tillräckligt enkel för att utföras av lekmannaanvändare hemma.

Abstract

Dipstick urinanalys ger snabba och prisvärda uppskattningar av flera fysiologiska förhållanden men kräver bra teknik och träning för att använda exakt. Manuell prestanda för mätsticks urinanalys förlitar sig på god mänsklig färgseende, korrekt belysningskontroll och felbenägna, tidskänsliga jämförelser med diagramfärger. Genom att automatisera de viktigaste stegen i mätsticks urinanalystestet kan potentiella felkällor elimineras, vilket möjliggör självtestning hemma. Vi beskriver de steg som krävs för att skapa en anpassningsbar enhet för att utföra automatiserad urinanalystestning i alla miljöer. Enheten är billig att tillverka och enkel att montera. Vi beskriver de viktigaste stegen i anpassningen av den för valfri mätsticka och för att anpassa en mobiltelefonapp för att analysera resultaten. Vi visar dess användning för att utföra urinprov och diskutera de kritiska mätningar och tillverkningssteg som krävs för att säkerställa robust drift. Vi jämför sedan den föreslagna metoden med dip-and-wipe-metoden, guldstandardtekniken för mätsticks urinanalys.

Introduction

Urin är en icke-invasiv källa till flera metaboliska indikatorer på sjukdom eller hälsa. Urinprov, fysisk och/eller kemisk analys av urin, kan utföras snabbt för att upptäcka njursjukdom, urinvägssjukdom, leversjukdom, diabetes mellitus och allmän hydrering1. Urinanalysstickor är prisvärda, semikvantitativa diagnostiska verktyg som förlitar sig på kolorimetriska förändringar för att indikera ungefärliga fysiologiska nivåer. Varje mätsticka kan utföra ett brett utbud av analyser inklusive testning för pH, osmolalitet, hemoglobin / myoglobin, hematuri, leukocyte esteras, glukos, proteinuri, nitrit, keton och bilirubin2. Principen om mätsticka urinanalys förlitar sig på förekomsten av en tidsbestämd reaktion genom vilken en färgförändring på mätsticksdynan kan jämföras med ett diagram för att bestämma analytkoncentration3. Med tanke på deras överkomliga priser och användarvänlighet är mätstickor ett av de vanligaste verktygen för urinanalys inom hälso- och sjukvården.

Traditionellt förlitar sig mätsticksurinlys på en utbildad sjuksköterska eller medicinsk tekniker för att manuellt sätta in mätstickan i en kopp urinprov, torka bort överflödig urin och jämföra färgkuddarna med diagramfärger vid specifika tidpunkter. Medan dip-and-wipe-metoden är guldstandarden för mätsticksanalys, begränsar dess beroende av mänsklig visuell bedömning den kvantitativa information som kan erhållas. Dessutom kräver de två manuella stegen i mätsticks urinanalysen – dip-wipe-steget och den kolorimetriska resultatjämförelsen – korrekt teknik, vilket begränsar möjligheten till tillförlitlig testning i hemmiljöer av patienter direkt. Korskontaminering av provkuddarna på grund av torkning kan orsaka felaktiga färgförändringar. Dessutom kan inkonsekventa volymer till följd av bristen på volymkontroll under torkning resultera i felaktig mätning av analytkoncentrationer. Viktigt är att tiden mellan doppning av urinen (dvs. början av analysen) och jämförelse med ett diagram är avgörande för noggrann analys av resultaten och är en enorm potentiell källa till mänskliga fel. Svårigheten i manuell kolorimetrisk jämförelse är att många kuddar måste läsas samtidigt, medan vissa kuddar läses vid olika tidpunkter. Även perfekt tajmda färgjämförelser beror fortfarande på den mänskliga läsarens synskärpa, som kan lida av färgblindhet eller uppfatta olika färger i olika belysningsmiljöer4. Dessa utmaningar understryker varför kliniker bara kan förlita sig på dipstick urinanalys utförs av utbildad personal. Ett automatiserat urinanalyssystem kan dock ta itu med alla ovannämnda problem genom att eliminera behovet av manuella doppserveringssteg, införliva tidskontroller och möjliggöra samtidiga färgjämförelser med kalibrerade färgreferenser. Detta skulle i sin tur minska användarfelet, vilket möjliggör eventuell implementering i heminställningar.

Under de senaste 20 åren har automatiska analysatorer använts för att läsa resultaten av mätsticksurintester med samma noggrannhet som eller överskrider visuell analys5. Många kliniker och läkarmottagningar använder sådana maskiner för att snabbt analysera och skriva ut traditionella mätstickresultat. De flesta urinprovsmaskiner minimerar fel vid visuell inspektion och säkerställer konsekvens i resultaten6. De är lätta att använda och effektivare än manuell inspektion men kräver fortfarande att användaren utför dip-wipe-metoden korrekt. Dessa maskiner har därför begränsad förmåga att användas av otränade personer såsom hemmaanvändare. Dessutom är de extremt dyra.

Nyligen har mobiltelefoner dykt upp som ett resursfullt verktyg för olika biologiska kolorimetriskamätningar 7,8,9,10, inklusive för urinanalys11,12,13. Med tanke på deras fjärranalyskapacitet och höga bildupplösning har mobiltelefoner blivit effektiva analysenheter för hälso- och sjukvården14,15. Faktum är att FDA har rensat flera smartphone-baserade hem urintester16,17,18. Några av de nya smartphone-baserade kommersiella produkterna innehåller etablerade urinanalysstickor, medan andra har proprietära kolorimetriska kuddar. Alla sådana produkter har egna metoder för att kalibrera för olika ljusförhållanden mellan olika telefontyper. Ett problem med dessa lösningar är dock att användaren manuellt måste ta en bild vid rätt tidpunkt förutom att utföra en korrekt manuell dopptorkningsmetod (dvs. utan korskontaminering). Noterbart är att inget av dessa tester styr volymen som deponeras på mätstickorna, som vi har hittat kan påverkafärgförändringen 19 och tolkat fysiologiskt resultat. De nuvarande luckorna och kostnaderna i arbetsflödena för dessa enheter tyder på ett ytterligare behov av att möjliggöra ett mänskligt fritt, volymstyrt urindepositionsförfarande och handsfree-dipstickfotografering.

Vi beskriver ett protokoll för volymstyrd, automatiserad mätsticks urinanalys utan behov av ett manuellt dopptorksteg. Nyckeln till den automatiserade processen är en enhet19 vars underliggande princip är baserad på SlipChip20 och som överför vätska mellan olika lager med hjälp av ytkemieffekter. I korthet tvingar den hydrofobiska beläggningen på överföringsrutschbanan och den omgivande plåthylsan vätskan att röra sig enkelt genom enheten och släppa ut på mätsticksdynan när bilden är i sitt slutliga läge, då den nedre hydrofobiska barriären ersätts med luft. Dessutom standardiserar den samordnade ljusblockeringsboxen ljusförhållandena, kameravinkeln och avståndet för kamerafokus för att säkerställa exakta och repeterbara resultat som inte påverkas av omgivande ljusförhållanden. En medföljande programapp automatiserar hämtningen av bilder och kolorimetrisk analys. Efter beskrivning av protokollet ger vi representativa resultat av urinprovet under olika förhållanden. Jämförelser med standardmetoden för doppservering visar den föreslagna metodens tillförlitlighet.

Protocol

1. Tillverka och montera urinprovsanordningen Tillverka bottenplattan ( figur1A). Använd en datorstödd designprogramvara (CAD) för att rita ett rektangulärt område med måtten 2,1641 i x 0,0547 i x 6,3828 tum (W x H x L) med hjälp av polylineverktyget. Mät provningsområdet (rektangulärt område som omfattar avståndet mellan den första och sista dynan och dynornas bredd) på mätstickan.OBS: Denna information behövs för att dra de genomhål som h?…

Representative Results

Figur 4 visar hur urinen överförs till mätstickan under ett urinprov. Under ett typiskt test är överföringen av urin inte observerbar eftersom lådan occludes utsikten. När provet deponerats i inloppet med en pipett (steg 3.1) fyller det hålen på bilden (bild 4A). Figur 4B respektive figur 4Cvisar urinens progressiva rörelse över plåthylsan och efter att bilden har kommit i kontakt med stopp…

Discussion

Traditionell mätsticks urinanalys är prisvärd och bekväm men kräver manuell uppmärksamhet på detaljer för att ge exakta resultat. Manuell mätsticks urinanalys är föremål för varierande ljusförhållanden, individuella färguppfattningsskillnader och korskontaminering. Många kliniker och sjukhus har redan instrument för att automatisera urinsticksanalys, men instrumenten är vanligtvis skrymmande, dyra och förlitar sig fortfarande på korrekt prestanda för dopptorkmetoden. Dessutom kräver dessa instrumen…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Detta arbete finansierades av Dorothy J. Wingfield Phillips Chancellor Faculty Fellowship. Emily Kight finansierades av NSF GRFP.

Materials

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

  1. 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).
  2. Kavuru, V., et al. Dipstick analysis of urine chemistry: benefits and limitations of dry chemistry-based assays. Postgraduate Medicine. 5481, (2019).
  3. Pugia, M. J. Technology Behind Diagnostic Reagent Strips. Laboratory Medicine. 31, 92-96 (2000).
  4. Dungchai, W., Chailapakul, O., Henry, C. S. Electrochemical detection for paper-based microfluidics. Analytical Chemistry. 81, 5821-5826 (2009).
  5. 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).
  6. . Urisys 1100 Analyzer Available from: https://diagnostics.roche.com/us/en/products/instruments/urisys-1100.html (2020)
  7. 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).
  8. Shen, L., Hagen, J. A., Papautsky, I. Point-of-care colorimetric detection with a smartphone. Lab on a Chip. 12, 4240-4243 (2012).
  9. Ra, M. Smartphone-Based Point-of-Care Urinalysis under Variable Illumination. IEEE Journal of Translational Engineering in Health and Medicine. 6, 1-11 (2018).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Zhang, D., Liu, Q. Biosensors and bioelectronics on smartphone for portable biochemical detection. Biosensors and Bioelectronics. 75, 273-284 (2016).
  13. Choi, K., et al. Smartphone-based urine reagent strip test in the emergency department. Telemedicine and e-Health. 22, 534-540 (2016).
  14. 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).
  15. Vashist, S., Schneider, E., Luong, J. Commercial Smartphone-Based Devices and Smart Applications for Personalized Healthcare Monitoring and Management. Diagnostics. 4, 104-128 (2014).
  16. . Inui Available from: https://www.inuihealth.com/inui/home (2020)
  17. . Healthy.io Available from: https://healthy.io/ (2020)
  18. . Scanwell Available from: https://www.scanwellhealth.com (2020)
  19. 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).
  20. Du, W., Li, L., Nichols, K. P., Ismagilov, R. F. SlipChip. Lab on a Chip. 9, 2286-2292 (2009).

Play Video

Cite This Article
Kight, E., Hussain, I., Bowden, A. K. Low-Cost, Volume-Controlled Dipstick Urinalysis for Home-Testing. J. Vis. Exp. (171), e61406, doi:10.3791/61406 (2021).

View Video