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Bioengineering

Kostengünstige, volumengesteuerte Dipstick-Urinanalyse für Home-Testing

doi: 10.3791/61406 Published: May 8, 2021

Summary

Dipstick Urinanalyse ist eine schnelle und erschwingliche Methode zur Beurteilung des persönlichen Gesundheitszustandes. Wir präsentieren eine Methode, um eine genaue, kostengünstige Dipstick-Urinanalyse durchzuführen, die die primären Fehlerquellen entfernt, die mit herkömmlichen Dip-and-Wipe-Protokollen verbunden sind, und einfach genug ist, um von Laienbenutzern zu Hause durchgeführt zu werden.

Abstract

Die Dipstick-Urinanalyse bietet schnelle und erschwingliche Einschätzungen mehrerer physiologischer Bedingungen, erfordert aber eine gute Technik und Einschulung, um sie genau zu verwenden. Die manuelle Leistung der Dipstick-Urinanalyse beruht auf einer guten menschlichen Farbsicht, der richtigen Lichtsteuerung und fehleranfälligen, zeitkritischen Vergleichen mit Diagrammfarben. Durch die Automatisierung der wichtigsten Schritte im Dipstick-Urinanalysetest können potenzielle Fehlerquellen beseitigt werden, was Selbsttests zu Hause ermöglicht. Wir beschreiben die Schritte, die erforderlich sind, um ein anpassbares Gerät zu erstellen, um automatisierte Urinanalysetests in jeder Umgebung durchzuführen. Das Gerät ist billig herzustellen und einfach zu montieren. Wir beschreiben die wichtigsten Schritte bei der Anpassung für den Dipstick der Wahl und für das Anpassen einer Handy-App, um die Ergebnisse zu analysieren. Wir zeigen seine Verwendung zur Urinanalyse und besprechen die kritischen Messungen und Fertigungsschritte, die notwendig sind, um einen robusten Betrieb zu gewährleisten. Wir vergleichen dann die vorgeschlagene Methode mit der Dip-and-Wipe-Methode, der Goldstandard-Technik für die Dipstick-Urinanalyse.

Introduction

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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.

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Protocol

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1. Herstellung und Montage des Urinanalysegeräts

  1. Herstellung der Grundplatte (Abbildung 1A).
    1. Verwenden Sie eine CAD-Software (Computer-Aided Design), um mit dem Polylinienwerkzeug einen rechteckigen Bereich mit den Abmessungen 2.1641 in x 0.0547 in x 6.3828 in (B x H x L) zu zeichnen.
    2. Messen Sie den Testbereich (rechteckiger Bereich, der den Abstand zwischen dem ersten und dem letzten Pad und der Breite der Pads umfasst) auf dem Dipstick.
      HINWEIS: Diese Informationen werden benötigt, um die Durchgangslöcher zu zeichnen, die den Dipstick an Ort und Stelle halten, und die Flüssigkeit zwischen den Pads zu trennen (um Kreuzkontaminationen zu verhindern).
    3. Fügen Sie Durchgangsbohrungen hinzu, die die Größe und Position jedes Testpads im Testbereich imitieren.
    4. Zeichnen Sie zwei erhöhte Seitenleisten, die 2,1641 in x 0,6797 in (B x L) messen.
    5. Zeichnen Sie einen Anschlag (0,1172 in bis 0,2109 in (B x L)) mit dem Polylinienwerkzeug, um die Ausrichtung zwischen der Grundplatte und dem Schlitten zu erleichtern. Der Stopp sollte senkrecht zu den Leisten sein und physisch verhindert, dass die Rutsche von der Bewegung vorbei die Urin Dipstick Pads.
    6. Wählen Sie die Zeilen für den Stopp und die Leiste aus, um eine Region mithilfe des Befehls Region zu erstellen. Verwenden Sie den Befehl Extrudieren, um den Bereich auf eine Höhe von 0,0703 in zu erhöhen. Wiederholen Sie diesen Schritt auf der anderen Seite des Geräts.
    7. Erstellen Sie eine Kerbe (0,1895 in von 0.3500 in (B x L)) auf beiden Leisten, um die Ausrichtung mit der Box zu erleichtern. Positionieren Sie es 0,466 in vom unteren Rand der Leiste. Verwenden Sie den Befehl Region, um ein Rechteck zu erstellen und die Extrusionshöhe 0,1250 in zu erstellen.
    8. Verwenden Sie den Befehl Volumenkörper-Subtrahieren, wählen Sie Gerät, drücken Sie die Eingabetaste, wählen Sie den Kerbbereich aus und drücken Sie die Eingabetaste. Wiederholen Sie dies auf der anderen Seite des Geräts.
      HINWEIS: Die Form wird aus dem Gerät entfernt.
    9. Drucken Sie die Grundplatte auf einem 3D-Drucker und schleifen Sie den oberen Gesichtsbereich zwischen den Leisten mit Schleifpapier, um die Oberfläche aufzurauen.
      HINWEIS: Das Schleifen ist wichtig, damit die hydrophobe Beschichtung sicher an der Grundplatte haften kann.
    10. Die Leisten mit Klebeband bekleben (um das Sprühen der Leisten zu vermeiden) und sprühen Sie die Grundplatte mit einem hydrophoben Spray. Tragen Sie mehrere (4-8) Schichten der Grundierung auf die Grundplatte auf. Halten Sie die Dose etwa 8-12 Zoll von der Grundplatte entfernt, wenn Sie sprühen. Das Gerät sollte beim Trocknen ein milchiges weißes Aussehen haben.
      VORSICHT: Befolgen Sie die Herstelleranweisungen für den geeigneten Standort und PSA zum Sprühen.
    11. Warten Sie 30 Minuten, bevor Sie die Deckschicht mehrmals auftragen (6-8x). Lassen Sie die Grundplatte vor Gebrauch 12 Stunden trocknen. Entfernen Sie das Band von den Leisten.
  2. Herstellung der oberen Platte (Abbildung 1B).
    1. Zeichnen Sie einen rechteckigen Bereich, um 2,05 in x 5.470 in (B x L) in einer CAD-Software mit dem Polylinienwerkzeug zu messen.
    2. Fügen Sie ein rechteckiges Durchgangsloch (das "Durchsichtloch") etwas größer als die Größe des Testbereichs des Dipsticks hinzu (z. B. 0,230 in x 3.147 in (B x L)). Legen Sie es 0,921 in von oben, 1.165 in von links und 1.165 in von den rechten Rändern der oberen Platte.
    3. Zeichnen Sie ein zweites Durchgangsloch (das "Einlassloch") mit der Größe 0,075 in x 3.146 in (B x L). Legen Sie es 0,236 in von der unteren Kante, 1.737 in von der oberen Kante und 1.162 in von der linken und rechten Kante der oberen Platte.
    4. Schneiden Sie die obere Platte aus einem Stück klarem Acryl mit einem Laserschneider. Wischen Sie restliche Staub oder Schmutz ab.
  3. Herstellung der Einlassabdeckung (Abbildung 1B).
    1. Zeichnen Sie einen rechteckigen Bereich mit den Abmessungen 0.247 in x 3.3378 in (B x L) in einer CAD-Software mit dem Polylinienwerkzeug. Fügen Sie zwei kreisförmige Durchgangslöcher mit einem Durchmesser von 0,127 in etwa 0,073 in von den beiden Rändern der Einlassabdeckung, eine auf beiden Seiten.
    2. Schneiden Sie die Einlassabdeckung aus einem Stück klarem Acryl mit einem Laserschneider.
  4. Herstellung der Folie (Abbildung 1C)
    1. Zeichnen Sie einen rechteckigen Bereich in CAD-Software, der mit dem Polylinienwerkzeug Maß 2,771 in x 0,0625 in x 5.000 in (B x H x L) misst.
    2. Fügen Sie Durchgangsbohrungen hinzu, die der Position jedes Testpads im Testbereich entsprechen. Zeichnen Sie die ersten 0,105 in quadratischem Durchgangsloch, um sie mit der Platzierung des ersten Testpads zu überlappen: 1,096 in vom linken und rechten Rand der Folie, 0,960 in vom oberen Rand und 1,681 in vom unteren Rand. Fügen Sie je nach Bedarf weitere Durchgangsbohrungen (in der Regel insgesamt 10) für die ausgewählte Dipstick-Marke ihrer Wahl hinzu. Raum jedes nächste Durchgangsloch, indem sie den Abstand zwischen den Testpads auf dem Dipstick messen.
      HINWEIS: Die Größe der Durchgangslöcher ist wichtig, um das richtige Flüssigkeitsvolumen auf das Dipstick-Pad zu legen. Für unsere Dipstick-Marke haben wir Löcher geschaffen, die 15 ul auf jedes Dipstick-Pad legen.
    3. Schneiden Sie die Folie von einem Stück klarem Acryl mit einem Laserschneider. Wischen Sie restliche Staub oder Schmutz ab.
    4. Sprühen Sie die Vorderseite der Rutsche mit einem hydrophoben Spray. Tragen Sie mehrere Schichten (6-8x) der Grundlackierung auf die Rutsche auf. Halten Sie die Dose beim Sprühen ca. 8 -12 in der Rutsche.
    5. Warten Sie 30 Minuten, bevor Sie die Deckschicht mehrmals auftragen (8-12x). Lassen Sie die Folie vor Gebrauch 12 Stunden trocknen.
    6. Laden Sie einen QR-Code von einem Online-QR-Code-Generator herunter und drucken Sie den gewünschten Code mit klebriger Klebeunterlage auf Papier. Platzieren Sie den QR-Code 0.17 von rechts im ersten Durchgangsloch entlang der gleichen Reihe wie alle Durchgangslöcher.
      HINWEIS: Solange der QR-Code an die Durchgangslöcher angrenzt, ist eine genaue Platzierung nicht wichtig.
    7. Verwenden Sie klares Klebeband, um den QR-Code abzudecken und an der Folie zu befesten.
  5. Montieren Sie die Einlass- und Plattenhülse (Abbildung 1D).
    1. Fertigen Sie den Einlass mit Acrylzement, um die Einlassabdeckung auf die obere Platte zu kleben, auf der sich das Einlassloch befindet. Warten Sie 24-48 Stunden, um die Stücke sicher zu binden.
    2. Sprühen Sie die Rückseite der Platte mit einem hydrophoben Spray, sobald die Einlassabdeckung sicher mit der Oberplatte verklebt ist. Legen Sie die obere Platte auf den Kopf. Tragen Sie die erste Grundierung mehrmals auf (4-8x).
    3. Halten Sie das Spray 8-12 Zoll von der oberen Platte entfernt und warten Sie 30 Minuten, bis es trocknen. Tragen Sie die Deckschicht mehrmals auf (6-8x). Lassen Sie die obere Platte vor Gebrauch 12 Stunden trocknen.
    4. Montieren Sie die Plattenhülse (kombinierte Deckplatte und Grundplatte) durch Verkleben der fertigen Platte an den Leisten der Grundplatte mit Acrylzement. Die beiden Teile sind leicht durch Sichtprüfung auszurichten, da sich der untere Rand der oberen Platte an der der Grundplatte ausrichtet. Tragen Sie eine Klemme auf die Grundplattenleisten auf, um sie während des Trocknens zu sichern, und warten Sie 24-48 Stunden vor dem Gebrauch, wie der Hersteller angibt.
  6. Erstellen Sie den Diagrammaufkleber.
    1. Laden Sie die Farbkarte für die Marke Dipstick von der Website des Herstellers herunter.
    2. Öffnen Sie die heruntergeladene Datei in einer Grafikeditor-Software.
    3. Öffnen Sie die digitale Datei für die oben für den Laserschneider verwendete Platte (Schritt 1.2 dieses Protokolls) in einer Grafikeditor-Software.
    4. Erstellen Sie die Farbfelder für den Diagrammaufkleber, indem Sie Farbfelder aus der Herstellerfarbkarte anpassen. Wählen Sie den ersten Farbblock auf dem Diagramm des Herstellers mit dem Dropper-Werkzeug in der Grafikeditor-Software aus, und verwenden Sie dann das Werkzeug "Box-Form", um eine Box-Form in der gleichen Farbe auf der oberen Plattenvorlage in derselben Zeile zu erstellen, in der sich das Dipstick-Pad befindet. Wiederholen Sie dies für jeden Farbblock, der jeder Pad-Zeile entspricht.
    5. Löschen Sie die Layer, die der Vorlage für die obere Platte zugeordnet sind.
    6. Drucken Sie den Chart-Aufkleber als Vinyl-Aufkleber mit einem Online-Aufkleber-Druck-Service. Legen Sie den Diagrammaufkleber auf die Plattenhülse und richten Sie ihn an jedem Durchgangsloch aus.
  7. Herstellung der Box (Abbildung 1E).
    1. Zeichnen Sie die beiden langseitigen Kastenteile (Teile "a" und "b") in der CAD-Software als Rechtecke mit Denmaßen von 4,92 in x 6,63 in (B x L). Fügen Sie einen Ausschnitt zu Teil "a" an der unteren Kante zentriert messen 0,2 in x 6,11 in (B x L).
    2. Zeichnen Sie die beiden schmalseitigen Kastenteile (Teile "d" und "e") in der CAD-Software als Rechtecke mit Abmessungen von 1,805 in x 6,63 in (B x L).
    3. Zeichnen Sie die Box oben (Teil "c") als Rechteck mit den Abmessungen 1.805 in x 6.63 (B x L). Zeichnen Sie das "Imaging-Through-Loch" oben: 0,74 in x 0,910 in (B x L), positioniert 3,17 in von unten, 2,53 in von oben, 0,65 in vom rechten Rand und 0,42 in vom linken Rand.
      HINWEIS: Die genaue Position des bildgebenden Durchgangslochs sollte auf der Grundlage der Mobiltelefone ausgewählt werden, die für die Analyse verwendet werden.
    4. Zeichnen Sie jedes Box-Stück mit einem Muster von ineinandergreifenden Kanten, das es ermöglicht, dass alle Kastenseiten an jeder Kante zusammengefangen werden, wie in Abbildung 1Dbeschrieben. Um ein Verriegelungskantenmuster zu erstellen, wechseln Sie ein Extrusions-/Eindringmuster auf der langen Kante mit 0,135 in durch 1,17 in (B x L) Vorsprüngen ab. Zeichnen Sie zwei Extrusionen auf jeder langen Kante für jede Seite des Feldes. Verwenden Sie das gleiche Extrusions-/Eindringmuster für die kurze Kante, jedoch mit Eindringversuchen von 0,135 in um 0,460 in (B x L).
    5. Schneiden Sie die fünf Teile mit einem Laserschneider oder drucken Sie sie mit einem 3D-Drucker.
      HINWEIS: Ein lasergeschnittenes Bauteil mit Acrylstücken ist kostengünstig herzustellen und kann für einen einfachen Versand abgeflacht werden. Verwenden Sie schwarzes Acryl, da es hilfreich ist, streutes Licht während des Tests zu absorbieren.
    6. Fügen Sie dem Kasteninneren schwarzes Konstruktionspapier hinzu, um streuung durch den Blitz während der Bildanalyse zu verhindern, wenn das Kartonmaterial eine Glänzende Oberfläche hat.

2. Bereiten Sie den Test vor

  1. Laden Sie die mobile Anwendung UrineTest von GitHub (https://github.com/Iftak/UrineTestApp) herunter.
  2. Installieren Sie die App auf einem Mobiltelefon.
    HINWEIS: Dieser Schritt muss nur einmal für alle zukünftigen Verwendungen eines bestimmten Telefons durchgeführt werden. Aktivieren Sie bei Bedarf den Entwicklerstatus auf dem Telefon, um dies zu tun.
  3. Starten Sie die UrineTest-Anwendung im Telefon (Abbildung 2A).
  4. Lesen Sie die Anweisungen zum Ändern der Analytennamen und Lesezeitpunkte(Abbildung 2B), um denen für den Dipstick von Interesse (basierend auf den Spezifikationen des Herstellers) zu entsprechen, und fügen Sie neue Eingaben über das Texthalterfenster auf dem Bildschirm ein (Abbildung 2C).
    HINWEIS: Die erforderliche Auslesezeit für jedes Dipstick-Pad hängt von der Marke des verwendeten Dipsticks ab.
  5. Montieren Sie die verschiedenen Komponenten zusammen und stecken Sie den Dipstick in die Durchgangslöcher unter der Plattenhülse(Abbildung 1F).
  6. Legen Sie die Plattenhülse in die Box, so dass ihre Kerbe an der Kastenlücke ausgerichtet ist.
  7. Platzieren Sie den Schlitten in der Plattenhülse, damit seine Durchgangslöcher am Einlass ausgerichtet sind.
  8. Platzieren Sie das Telefon auf der Oberseite der Box mit dem Rückkameraobjektiv mit Blick auf das Durchblickloch, um die Bildgebung zu ermöglichen. Stellen Sie sicher, dass die Sichtbarkeit der Kamera nicht verdeckt ist, indem Sie vor dem Testen auf dem Bildschirm des Telefons nach dem Bild suchen. Die App aktiviert die Taschenlampe auf dem Telefon automatisch.
  9. Lesen Sie die Anweisung zur Telefonausrichtung (Abbildung 2D) und richten Sie das Telefon entsprechend aus, so dass der Dipstick mit den Grenzen der schwarzen rechteckigen Überlagerung auf dem Bildschirm übereinstimmt (Abbildung 2E).
  10. Klicken Sie im App-Fenster auf die Schaltfläche Start, um den Test zu starten.
    HINWEIS: Dadurch wird die Telefonkamera geöffnet, um den QR-Code einmal in Sicht zu lesen (Abbildung 2F).

3. Führen Sie die Prüfung durch

  1. Urin mit einer Einweg-Polyethylen-Transferpipette mit ca. 0,5 ml Urin in das Einlassloch ablagern (Abbildung 3).
    HINWEIS: Die genaue Menge an Flüssigkeit ist nicht wichtig, aber es sollte mindestens 0,5 ml sein, um sicherzustellen, dass alle Durchgangslöcher ausreichend Urin erhalten. Beachten Sie beim Hinzufügen der Flüssigkeit, dass sie sich über den Einlass bewegt und in jedem Durchgangsloch der Rutsche abgelagert wird.
  2. Initiieren Sie den Test, indem Sie den Schlitten in die Plattenhülse schieben, bis er durch den Bodenplattenstopp gestoppt wird.
    HINWEIS: Urin sollte Kontakt mit Dipstick Pad aufnehmen, wenn der QR-Code im Sichtfeld des Mobiltelefons ist. Nach dem Lesen des QR-Codes öffnet die Anwendung ein Fenster, um die Farbänderungen zu analysieren (Abbildung 2G) und die Ergebnisse automatisch innerhalb desselben Fensters anzuzeigen (Abbildung 2H).
  3. Den Urin entsprechend entsorgen und die Plattenhülse reinigen und mit 10% Bleichlösung schieben und mit entionisiertem Wasser wieder abspülen. Lassen Sie es vor dem Zusätzlichen Gebrauch trocknen.

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Representative Results

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Abbildung 4 zeigt, wie der Urin während eines Urinanalysetests auf den Dipstick übertragen wird. Während eines typischen Tests ist die Urinübertragung nicht beobachtbar, da die Box die Ansicht verdunkelt. Sobald die Probe mit einer Pipette (Schritt 3.1) im Einlass abgelagert ist, füllt sie die Löcher auf dem Dia (Abbildung 4A). Abbildung 4B bzw. Abbildung 4Czeigen die fortschreitende Bewegung des Urins über die Plattenhülse und nach dem Schlitten Kontakt mit dem Anschlag. Beachten Sie, dass der Kontakt des Urins mit dem Dipstick zu einer kolorimetrischen Reaktion und Farbänderung auf den Dipstick-Pads führt.

Abbildung 5 zeigt ein mögliches Problem, das entstehen kann, wenn die Oberflächen für die Urinübertragung (d. h. Basispastete, Deckplatte und Schlitten) nicht ausreichend mit hydrophoben Spraybeschichtet sind. Abbildung 5Azeigt eine Abbildung eines gut beschichteten Dias. Bei schlecht beschichteten Streifen (angezeigt durch weiße Pfeile in Abbildung 5B) während des Gleitschritts, die die Genauigkeit des übertragenen Volumens verringern. Darüber hinaus kann man beobachten, dass der Schlitten den Urin nicht auf den Dipstick überträgt(Abbildung 5C), und Urin kann in den Durchgangslöchern verbleiben, auch wenn der Schlitten aus dem Gerät entfernt wird. Diese Schritte unterstreichen die Bedeutung einer guten Sprühabdeckung (Schritte 1.1.8, 1.4.4, 1.5.3 und 1.5.4). Wenn es Bedenken hinsichtlich der Sprühabdeckung gibt oder wenn Sie diese Leistungsfehler beobachten, ist es am besten, die Grundplatte, die obere Platte und das Schieben neu zu gestalten.

Ein Urinanalysetest wurde mit einem hochwertigen Smartphone durchgeführt: Telefon 1 (Bildauflösung: 8000 Pixel x 6000-Pixel). Repräsentative Ergebnisse sind in Abbildung 6dargestellt. Wir führten Tests mit entionisiertem Wasser und kommerziellem Urin durch (sowohl Standardzusammensetzung als auch mit hoher Glukose). Die Farbpads auf dem Dipstick ändern sich in der Zeit als Reaktion auf die kolorimetrische Reaktion des Urins mit den Analyten im Dipstick. Die Fehlerbalken in Abbildung 6 stellen die Standardabweichung dar, die für drei aufeinanderfolgende Messungen jeder von den beiden Smartphones aufgezeichneten Stichprobe erzielt wurde. Abbildung 6A zeigt die Reaktion für das Glukosepad im Laufe der Zeit für die verschiedenen Testbedingungen. Für die verwendete Dipstick-Marke beträgt die empfohlene Auslesezeit für die Glukosemessung 30 Sekunden. Wie erwartet ändert sich die Farbe des Dipsticks in diesem Intervall für Wasser nicht, der Endwert für den Standardurin stimmt mit dem "normalen" Harnglukose-Schwellenwert (160-180 mg/dL) über, und der Endwert für den Zustand "hoher Glukose" wird über den Normalwert erhöht. Wichtig ist, dass der richtige Wert erst in 30 Sekunden erreicht wird, was zeigt, wie wichtig es ist, das Zeitausleseintervall in Schritt 2.8 korrekt festzulegen. Das gleiche Experiment wurde mit einem anderen Smartphone mit einer niedrigeren Bildauflösung durchgeführt: Telefon 2 (Bildauflösung: 3264-Pixel x 2448-Pixel). Aufgrund des Unterschieds in der Kameraauflösung wird ein signifikanter Unterschied zu den vorherigen Ergebnissen in der Bildfarbe und -qualität bei der Aufnahme von Bildern des Dipstick-Panels beobachtet, wie in Abbildung 6Bdargestellt. Die Unterschiede in den Taschenlampenspezifikationen tragen auch zu den Unterschieden in der Bildqualität bei. Aus Abbildung 6kann man sehen, dass beide Telefone ähnliche Trends in der Farbänderung im Laufe der Zeit liefern, obwohl die tatsächlich erkannten Farben unterschiedlich sind. Der Farbabgleichsalgorithmus, der von der Smartphone-Anwendung für den Urinanalysetest verwendet wird, liefert die gleichen Ergebnisse für die Analytkonzentrationen, trotz Unterschieden in der physikalischen Darstellung der Farben der Dipstick-Pads. Die Konsistenz der Ergebnisse ist auf die Verwendung des Diagrammaufklebers als Referenzdiagramm für die Analyse zurückzuführen. Da sowohl der Chartaufkleber als auch der Dipstick unter den gleichen Lichtverhältnissen und der gleichen Bildqualität erfasst werden, wertet die Smartphone-Anwendung die (R,G,B) Komponenten und den Farbunterschied von Referenzquadrat und Dipstick-Pad für beide Smartphones in ähnlicher Weise aus. Diese Ergebnisse bestätigen, dass das in diesem Manuskript beschriebene Protokoll unabhängig vom Smartphone-Modell ist, solange sowohl die Referenzfarbkarte als auch der Dipstick unter derselben Umgebung abgebildet sind.

Wir haben zuvor die Genauigkeit des automatisierten Urinanalysegeräts bewertet, indem wir mit herkömmlichen Dip-and-Wipe-Methoden mit einem kommerziellen Urinstandard19verglichen wurden. In Tabelle 1 werden die erzielten Ergebnisse mit den beiden Tests verglichen. Es kann gesehen werden, dass die Genauigkeit des Systems von der Lautstärke abhängt, die auf jedes Dipstick-Pad übertragen wird. Die genauesten Ergebnisse wurden erzielt, wenn die automatisierte Urinanalyse-Gerät entwickelt wurde, um 15 l Urin zu übertragen; Daher ist es entscheidend, dass das Gerät das benötigte Urinvolumen genau und konsequent auf die Dipstick-Pads überträgt. Repräsentative Ergebnisse zur Validierung der Konsistenz des Geräts durch Übertragung von 15 L-Volumen von Urinproben über sieben verschiedene Studien sind in Abbildung 7dargestellt. Es wurde festgestellt, dass die Standardabweichung insgesamt unter 0,5 l liegt, was innerhalb eines Bereichs von 4 % des Zielwertes liegt. Die Ergebnisse bestätigen, dass das Gerät in der Lage ist, Mikroliter Urin genau und konsistent zu übertragen, um den Test durchzuführen.

Figure 1
Abbildung 1: Schematische Zeichnungen von Gerätekomponenten. A) Grundplatte. B) Obere Platte und Einlassabdeckung, die in Schritt 1.5.1 zusammengeklebt werden. C) Folie und zugehöriger QR-Code für die Timing-Steuerung verwendet. D) Plattenhülse, gebildet durch Verkleben der Oberplatte an den Leisten der Grundplatte in Schritt 1.5.4. Der Diagrammaufkleber neben dem Durchblickloch ermöglicht die Farbanalyse. E) Box. F) Montiertes Gerät. Während der Bedienung wird ein Mobiltelefon auf der Oberseite der Box so platziert, dass seine Linse und Taschenlampe über dem Bilddurchlicht-Durchgangsloch positioniert sind. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 2
Abbildung 2: Der Prozess der kolorimetrischen Analyse mithilfe der App. A) Das Symbol auf dem Telefonbildschirm "Urintest" wird ausgewählt, um die Anwendung zu starten. B) Ein Popup-Fenster informiert den Benutzer, die Auslesezeiten zu ändern. C) Der Benutzer gibt den Analytennamen und die Auslesezeiten manuell ein. D) Ein Pop-up-Fenster, um den Benutzer für die Telefonausrichtung zu informieren. E) Repräsentatives Bild eines richtig ausgerichteten Dipsticks vor dem Testen. F) Screenshot, nachdem die Folie eingefügt wurde und der QR-Code scheint die Datenerfassung zu initiieren. G) Der Bildschirm eine Sekunde nach dem Start des Tests. Die schwarzen quadratischen Überlagerungen zeigen dem Benutzer den genauen Speicherort an, von dem aus die App Pixelinformationen sammelt. H) Die Ergebnisse des abgeschlossenen Dipstick-Tests. Testergebnisse mit Strichen gelten als normal für den gewählten Dipstick. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 3
Abbildung 3: Foto des montierten Geräts in Aktion zu Beginn eines Urinanalysetests. Ein Benutzer beginnt den Test, indem er eine Pipette mit Urin in den Einlass einlegt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 4
Abbildung 4: Interner Prozess der Flüssigkeitsabscheidung auf den Dipstick-Test von Anfang bis Ende. A) Das Einsetzen des Schlittens in die Plattenhülse und das Ausrichten der Durchlöselöcher mit dem Einlass ermöglicht es der Transferpipette, den Urin in jedes Durchgangsloch der Rutsche zu bringen. B) Das Rutschen durch das Innere der hydrophoben beschichteten Plattenhülse ermöglicht einen flüssigkeitsfreien Transport. C) Wenn das Dia den Anschlag in der Grundplatte erreicht, wird Urin an die Testpads abgegeben, was zu farbmetrischen Veränderungen führt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 5
Abbildung 5: Potenzielle Probleme im Zusammenhang mit unzureichender Hydrophobie. A) Ein Schlitten mit und ohne ausreichende Beschichtung. B) Unzureichend beschichtetes Dia zeigt undicht während des Gleitschritts. C) Ein unzureichend beschichteter Schlitten überträgt sich auch nach dem Zurückziehen aus dem Gerät nicht auf die Dipstick-Pads: Die Flüssigkeit verbleibt im Diadurchgangsloch, wie im Einschub unten rechts zu sehen ist. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 6
Abbildung 6: Urinanalyse ergebnisweise für das Glukosepad mit zwei verschiedenen Smartphones für drei Arten von Proben. A) Reaktionseigenschaften des Glukosepads im Laufe der Zeit für die verschiedenen Testbedingungen, die mit einem Kameratelefon mit hoher Kameraauflösung (Telefon1) aufgezeichnet wurden. B) Reaktionseigenschaften des Glukosepads im Laufe der Zeit für die verschiedenen Testbedingungen, die mit einem Kameratelefon mit niedriger Auflösung (Telefon 2) aufgezeichnet wurden. Die Auslesung nach 30 Sekunden entspricht dem gewünschten Timing für den Hersteller. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 7
Abbildung 7: Anzahl im Vergleich zum übertragenen Durchschnittsvolumen. Jeder Brunnen entspricht einem Durchgangsloch für ein bestimmtes Testpad; der erste Brunnen ist dem Einlass am nächsten. Diese Figur wurde von Smith, et al.19 modifiziert und mit Genehmigung der Royal Society of Chemistry reproduziert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Analyten Unterschiede zu Dip-and-Wipe
Leu Nit 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 k.A.
5 l 3*± 0 2 ± 0 3* ± 0 3* ± 0,49 3* ± 0 3* ± 0 2* ± 0,53 4 ± 0,38 1* ± 0 7
10 l 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 l 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 l 4 ± 0 2 ± 0 4 ± 0,82 2 ± 0,53 4 ± 0,53 5 ± 0 2* ± 0,49 4 ± 0,49 3 ± 0 1

Tabelle 1: Medianwerte und Standardabweichungen für Analyten unter Verwendung verschiedener hinterlegter Volumina. Das Symbol - zeigt die Medianwerte an, die sich vom Median unterscheiden, der mit der Dip-and-Wipe-Methode, dem Industriestandard, erhalten wurde. Die Gesamtzahl der Analytenpads, deren Mediane sich von der Dip-and-Wipe-Methode unterscheiden, wird in der rechten Spalte gemeldet. Hinweis Ergebnisse sind kumulativ für alle Dipsticks verwendet. LEU: Leukozyten, NIT: Nitrit, URO: urobilinogen, PRO: Protein, BLO: Blut, SG: spezifische Schwerkraft, KET: Ketone, GLU: Glukose. Diese Tabelle wurde von Smith, et al.19 modifiziert und mit Genehmigung der Royal Society of Chemistry reproduziert.

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Discussion

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Traditionelle Dipstick-Urinanalyse ist erschwinglich und bequem, erfordert aber manuelle Liebe zum Detail, um genaue Ergebnisse zu liefern. Die manuelle Dipstick-Urinanalyse unterliegt variablen Lichtverhältnissen, individuellen Farbwahrnehmungsunterschieden und Kreuzkontaminationen. Viele Kliniken und Krankenhäuser verfügen bereits über Instrumente zur Automatisierung der Urin-Dipstick-Analyse, aber die Instrumente sind in der Regel sperrig, teuer und verlassen sich immer noch auf die ordnungsgemäße Durchführung der Dip-Wipe-Methode. Darüber hinaus erfordern diese Instrumente eine jährliche Kalibrierung und Wartung für genaue Ergebnisse.

Das Protokoll automatisiert und steuert mehrere wichtige Schritte im Zusammenhang mit der Dipstick-Urinanalyse (z. B. Verteilung der Flüssigkeit auf die Testpads, Zeitpunkt des Starts, Kontrolle der Beleuchtung und quantitativer Vergleich mit dem Referenzstandard), der für zuverlässige Ergebnisse notwendig ist. Zu diesem Zweck beziehen sich die kritischen Schritte im Protokoll auf die Konstruktion des Geräts und umfassen die Schritte 1.4.3, 1.1.4, 1.4.7 und 1.1.5, die die Größe der Durchgangsbohrungen an das gewünschte Volumen anpassen, eine ordnungsgemäße Platzierung der Stopps sicherstellen, um die Durchgangsbohrungen mit dem Dipstick auszurichten, die ordnungsgemäße Platzierung des als Timing-Indikator verwendeten QR-Codes sicherzustellen und sicherzustellen, dass der Test nicht durch Umgebungslicht beeinflusst wird. Bzw. Darüber hinaus sind die Urinübertragung durch den Schlitten und die anschließende Ablagerung auf den Dipstick stark von den Oberflächeneigenschaften der verwendeten Materialien abhängig. Wenn also nicht hydrophobe Oberflächen für die Grundplatte, die Oberplatte und den Schlitten verwendet werden, ist es wichtig, eine ausreichende Menge an hydrophober Spray aufzutragen. Es ist besonders wichtig, sicherzustellen, dass die Innenflächen der Durchgangslöcher des Schlittens besprüht wurden, so dass die Flüssigkeit nach dem Rutschen auf das Dipstickpad fällt.

Das Protokoll kann leicht geändert werden, um mit anderen Marken von Dipsticks durch Ändern der Abmessungen und Abstand der Durchgangslöcher zu verwenden. Das Volumen, das auf den Dipstick aufgebracht wird, kann auch durch Änderung der Dicke des Acryls, das zur Herstellung des Schlittens verwendet wird (mit angemessenen Änderungen der Dicke der Leisten der Grundplatte) oder der Größe der Durchgangsbohrungen geändert werden. Die begleitende Software-App ermöglicht es dem Benutzer, die Namen und Auslese-Timings zu ändern, um sich an denen für die verwendete Dipstick-Marke auszurichten.

Das aktuelle Gerät kombiniert eine 3D-gedruckte Grundplatte und eine lasergeschnittene Deckplatte zu einer Plattenhülse. Beide Herstellungsmethoden sind erschwinglich, und die Materialauswahl kann geändert werden. Ohne Telefon und Dipstick kostet das im aktuellen Gerät verwendete Acryl etwa 0,85 USD, und das Material, das in der 3D-gedruckten Grundplatte verwendet wird, kostet etwa 1,50 USD pro Gerät. Obwohl die von uns verwendete Grundplatte aus Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) 3D-gedruckt ist, eignen sich auch andere Polymere, die eine harte und starre Oberfläche bilden. Zum Beispiel kann eine Version des Geräts mit einer Tellerhülse hergestellt werden, die komplett aus Acryl19hergestellt ist. Elastomere Materialien wie Polydimethylsilioxan (PDMS) sind nicht wünschenswert, da ihre geringere Steifigkeit weniger kompatibel mit dem Gleiten einer Glasoberfläche ist, um die für die Volumenregelung entscheidende Rutschwirkung zu ermöglichen.

Eine wichtige Einschränkung des aktuellen Protokolls ist, dass die hydrophobe Beschichtung, die auf die Rutsche und die Plattenhülse aufgebracht wird, bei häufigem Gebrauch abziehen kann, was die Stabilität des Geräts im Laufe der Zeit einschränkt. Nach 3-4 Testläufen schälen und verändern die hydrophoben Beschichtungen häufig das übertragene Volumen, wodurch die Genauigkeit der Ergebnisse verringert werden kann. Zukünftige Methodenmodifikationen können die Verwendung von haltbareren hydrophoben Beschichtungen oder Materialien umfassen, die natürlich hydrophob sind. Zusätzlich kann die Acrylbindung auch bei wiederholten Tests nachlassen. Die niedrigen Kosten des Geräts ermöglichen es jedoch, mehrere Drucke zu machen und bei Bedarf neu zu verkleben. Daher kann die Folie als wiederverwendbares Teil betrachtet werden.

Eine weitere Einschränkung ist die Unfähigkeit, das Glukosepad mit Urin aufgrund der hydrophoben Natur des Pads zu sättigen. Als solches absorbiert es flüssigkeit mit dem automatisierten Gerät nur teilweise. Wir haben nicht festgestellt, dass dies die Genauigkeit des Ergebnisses verringert, aber es erfordert eine sorgfältige Ausführung von Schritt 2.9, um sicherzustellen, dass der Kamera-Anzeigebereich Daten aus der Mitte erfasst, nicht von den Rändern des Glukose-Testpads. Zukünftige Arbeiten können dieses Problem angehen, indem sie eine andere Dipstick-Marke integrieren, die keine Hydrophobie auf irgendwelchen Dipstick-Reagenzienpads auf dem Test enthält.

Durch die Steuerung der wichtigsten Schritte, die zu Benutzerfehlern beitragen, ermöglicht diese Methode eine höhere Genauigkeit der Ergebnisse, die von nicht geschulten Personen durchgeführt werden, und eignet sich für Heimtests. Im Gegensatz zu anderen Urinanalyse-Apps verfügbar7,8,9, das System ist für jede Marke von Dipstick-Test modifizierbar. Das Gerät ist wiederverwendbar und benötigt keine Stromversorgung außerhalb des vom Smartphone verbrauchten Stroms. In Zukunft sehen wir uns vor, dass das Protokoll für Patientenselbsttests zugänglich sein könnte. Durch die Gewährleistung der Genauigkeit in Dipstick-Testergebnissen können Patienten ihren eigenen Urin häufiger überwachen, ohne die Hindernisse, die mit der standardklinischen Urinanalysepraxis verbunden sind.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts zu verraten.

Acknowledgments

Diese Arbeit wurde vom Dorothy J. Wingfield Phillips Chancellor Faculty Fellowship finanziert. Emily Kight wurde von NSF GRFP finanziert.

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

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References

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Kostengünstige, volumengesteuerte Dipstick-Urinanalyse für Home-Testing
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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).More

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).

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