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Bioengineering

Analisi delle minisi a dipstick a basso costo e controllata dal volume per i test a casa

doi: 10.3791/61406 Published: May 8, 2021

Summary

L'analisi delle orinatoie dipstick è un metodo rapido e conveniente per valutare il proprio stato di salute personale. Presentiamo un metodo per eseguire un'analisi accurata e a basso costo della minzione a dipstick che rimuove le principali fonti di errore associate ai protocolli di immersione e cancellazione tradizionali ed è abbastanza semplice da essere eseguita dagli utenti laici a casa.

Abstract

L'analisi delle orinatoie dipstick fornisce stime rapide e convenienti di più condizioni fisiologiche, ma richiede una buona tecnica e allenamento da utilizzare con precisione. Le prestazioni manuali dell'analisi delle orinatoie dipstick si basano su una buona visione del colore umano, un corretto controllo dell'illuminazione e confronti sensibili al tempo e soggetti a errori ai colori del grafico. Automatizzando i passaggi chiave nel test di analisi delle orinatoie dipstick, è possibile eliminare potenziali fonti di errore, consentendo l'auto-test a casa. Descriviamo i passaggi necessari per creare un dispositivo personalizzabile per eseguire test automatizzati dell'analisi delle urinarie in qualsiasi ambiente. Il dispositivo è economico da produrre e semplice da assemblare. Descriviamo i passaggi chiave necessari per personalizzarlo per l'pstick preferito e per personalizzare un'app di telefonia mobile per analizzare i risultati. Dimostriamo il suo utilizzo per eseguire l'analisi delle urinarie e discutiamo le misure critiche e le fasi di fabbricazione necessarie per garantire un funzionamento robusto. Confrontiamo quindi il metodo proposto con il metodo dip-and-wipe, la tecnica gold standard per l'analisi delle minie dipstick.

Introduction

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L'urina è una fonte non invasiva di molteplici indicatori metabolici di malattia o salute. L'analisi urinaria, l'analisi fisica e/o chimica delle urine, può essere eseguita rapidamente per rilevare malattie renali, malattie del tratto urinario, malattie del fegato, diabete mellito e idratazione generale1. I dipsticks per analisi delle urina sono strumenti diagnostici semi-quantitativi convenienti che si basano su cambiamenti colorimetrici per indicare livelli fisiologici approssimativi. Ogni dipstick può eseguire un'ampia varietà di test tra cui test per pH, osmolalità, emoglobina / mioglobina, ematuria, leucocita esterasi, glucosio, proteinuria, nitrito, chetone e bilirubina2. Il principio dell'analisi della minzione a dipstick si basa sul verificarsi di una reazione a tempo attraverso la quale un cambiamento di colore sul pad dipstick può essere confrontato con un grafico per determinare la concentrazione di analiti3. Data la loro convenienza e facilità d'uso, i bastoncini sono uno degli strumenti più comuni per l'analisi delle orinatoie in ambito sanitario.

Tradizionalmente, l'analisi delle urine a dipstick si basa su un infermiere o un tecnico medico addestrato per inserire manualmente l'apstick in una tazza di campione di urina, pulire l'urina in eccesso e confrontare le pastiglie di colore con i colori del grafico in momenti specifici. Mentre il metodo dip-and-wipe è il gold standard per l'analisi del dipstick, la sua dipendenza dalla valutazione visiva umana limita le informazioni quantitative che possono essere ottenute. Inoltre, le due fasi manuali dell'analisi delle orinatoie dipstick - il passo di dip-wipe e il confronto dei risultati colorimetrici - richiedono una tecnica accurata, che limita la possibilità di test affidabili in ambienti domiciliari direttamente da parte dei pazienti. La contaminazione incrociata dei pastiglie del campione a causa della pulizia può causare cambiamenti di colore imprecisi. Inoltre, volumi incoerenti derivanti dalla mancanza di controllo del volume durante la pulizia possono comportare una misurazione impropria delle concentrazioni di aliti. È importante sottolineare che il tempo che si tra l'immersione dell'urina (cioè l'inizio del saggio) e il confronto con un grafico è fondamentale per un'analisi accurata dei risultati ed è un'enorme fonte potenziale di errore umano. La difficoltà nel confronto colorimetrico manuale è che molti pad devono essere letti contemporaneamente, mentre alcuni pad vengono letti in momenti diversi. Anche i confronti di colore perfettamente programmati dipendono ancora dall'acuità visiva del lettore umano, che può soffrire di daltonismo o percepire colori diversi in diversi ambienti di illuminazione4. Queste sfide sottolineano perché i medici possono fare affidamento solo sulla minzione dipstick eseguita da personale addestrato. Tuttavia, un sistema automatizzato di analisi delle urinarie potrebbe risolvere tutte le preoccupazioni di cui sopra eliminando la necessità di passaggi manuali di dip-wipe, incorporando controlli di temporizzazione e consentendo confronti simultanei dei colori con riferimenti di colore calibrati. Ciò, a sua volta, ridurrebbe l'errore dell'utente, consentendo un'eventuale adozione nelle impostazioni di casa.

Negli ultimi 20 anni, sono stati utilizzati analizzatori automatici per leggere i risultati dei test delle urine dipstick con la stessa accuratezza o il superamento dell'analisivisiva 5. Molte cliniche e studi medici utilizzano tali macchine per analizzare e stampare rapidamente i risultati di dipstick tradizionali. La maggior parte delle macchine per l'analisi delle urinarie riduce al minimo gli errori di ispezione visiva e garantisce coerenza neirisultati 6. Sono facili da usare e più efficienti dell'ispezione manuale, ma richiedono comunque all'utente di eseguire correttamente il metodo di dip-wipe. Pertanto, queste macchine hanno una capacità limitata di essere gestite da persone non addestrate come gli utenti domestici; inoltre, sono estremamente costosi.

Recentemente, i telefoni cellulari sono emersi come uno strumento pieno di risorse per varie misurazioni colorimetrichebiologiche 7,8,9,10,anche per l'analisidelle urinarie 11,12,13. Date le loro capacità di telerilevamento e l'alta risoluzione di imaging, i telefoni cellulari sono diventati efficaci dispositivianalitici sanitari 14,15. In effetti, la FDA ha autorizzato diversi test delle urine a casa basati su smartphone16,17,18. Alcuni dei nuovi prodotti commerciali basati su smartphone incorporano dipsticks di analisi delle urinazioni consolidati, mentre altri sono dotati di pad colorimetrici proprietari. Tutti questi prodotti sono dotati di metodi proprietari per calibrare per diverse condizioni di illuminazione tra diversi tipi di telefoni. Tuttavia, un problema con queste soluzioni è che l'utente deve scattare manualmente una foto al momento giusto oltre a eseguire un metodo di dip-wipe manuale adeguato (cioè senza contaminazione incrociata). In particolare, nessuno di questi test controlla il volume depositato sui dipsticks, che abbiamo trovato possa influenzare il cambiamento di colore19 e interpretare il risultato fisiologico. Le attuali lacune e costi nei flussi di lavoro di questi dispositivi suggeriscono un'ulteriore necessità di consentire una procedura di deposizione delle urine senza uso umano e controllata dal volume e una fotografia a mani libere.

Descriviamo un protocollo per l'analisi automatica della minzione a dipstick controllata dal volume senza la necessità di un passaggio manuale di dip-wipe. La chiave del processo automatizzato è un dispositivo19 il cui principio di base si basa su SlipChip20 e che trasferisce il liquido tra diversi strati utilizzando effetti di chimica delle superfici. In breve, il rivestimento idrofobico sullo scivolo di trasferimento e sul manicotto della piastra circostante forza il liquido a muoversi senza sforzo attraverso il dispositivo e a rilasciare sul tampone di sganciatura una volta che lo scivolo è nella sua posizione finale, a quel punto la barriera idrofobica inferiore viene sostituita con aria. Inoltre, la scatola di blocco della luce coordinata standardizza le condizioni di illuminazione, l'angolo di visione della fotocamera e la distanza per la messa a fuoco della fotocamera per garantire risultati accurati e ripetibili che non sono influenzati dalle condizioni di illuminazione ambientale. Un'app software di accompagnamento automatizza l'acquisizione di immagini e l'analisi colorimetrica. Seguendo la descrizione del protocollo, forniamo risultati rappresentativi del test di analisi delle urinarie in diverse condizioni. I confronti con il metodo standard di dip-wipe dimostrano l'affidabilità del metodo proposto.

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Protocol

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1. Fabbricare e assemblare il dispositivo di analisi delle orinatoie

  1. Fabbricare la piastra di base(Figura 1A).
    1. Utilizzare un software CAD (Computer-Aided Design) per disegnare un'area rettangolare con dimensioni 2.1641 in x 0,0547 in x 6,3828 in (W x H x L) utilizzando lo strumento polilinea.
    2. Misurare l'area di prova (area rettangolare che comprende la distanza tra il primo e l'ultimo pad e la larghezza dei cuscinetti) sull'apstick.
      NOTA: Queste informazioni sono necessarie per disegnare i fori trasversali che tengono lo sfeccata in posizione e separare il liquido tra i cuscinetti (per prevenire la contaminazione incrociata).
    3. Aggiungere fori di through che imitano le dimensioni e la posizione di ogni banco di prova nell'area di prova.
    4. Disegnare due sporgenze laterali rialzato che misurano 2,1641 in x 0,6797 in (W x L).
    5. Disegnare un arresto (0,1172 in 0,2109 in (W x L)) utilizzando lo strumento polilinea per facilitare l'allineamento tra la piastra di base e lo scivolo. L'arresto deve essere perpendicolare alle sporgenze e impedisce fisicamente allo scivolo di muoversi passando le pastiglie di dipstick delle urine.
    6. Selezionate le linee per l'arresto e la cengia per creare un'area utilizzando il comando Regione (Region). Utilizzate il comando Estrusione (Extrude) per aumentare l'area fino a un'altezza di 0,0703 in. Ripetere questo passaggio dall'altra parte del dispositivo.
    7. Create una tacca (0,1895 in da 0,3500 in (W x L)) su entrambe le sporgenze per facilitare l'allineamento con la scatola. Posizionarlo a 0,466 dal bordo inferiore della sporgenza. Utilizzate il comando Regione (Region) per creare un rettangolo e rendere l'altezza di estrusione 0,1250 in.
    8. Utilizzare il comando Sottrai solido, selezionare la periferica, premere INVIO, selezionare l'area della tacca e premere INVIO. Ripetere sull'altro lato del dispositivo.
      NOTA: la forma verrà rimossa dal dispositivo.
    9. Stampare la piastra di base su una stampante 3D e sabbiare l'area superiore della faccia tra le sporgenze con carta vetrata per irrogitare la superficie.
      NOTA: La levigatura è importante in modo che il rivestimento idrofobico possa aderire saldamente alla piastra di base.
    10. Nastro le sporgenze con nastro adesivo (per evitare di spruzzare le sporgenze) e spruzzare la piastra di base con uno spray idrofobico. Applicare diverse (4-8) mani del basamento sulla piastra di base. Tenere la latta a circa 8-12 pollici di distanza dalla piastra di base durante la spruzzatura. Il dispositivo dovrebbe avere un aspetto bianco latteo al momento dell'asciugatura.
      ATTENZIONE: seguire le istruzioni del produttore per la posizione appropriata e i DPI per la spruzzatura.
    11. Attendere 30 minuti prima di applicare il topcoat più volte (6-8x). Lasciare asciugare la piastra di base per 12 ore prima dell'uso. Rimuovere il nastro dalle sporgenze.
  2. Fabbricare la piastra superiore(Figura 1B).
    1. Disegnare un'area rettangolare per misurare 2,05 x 5,470 in (W x L) in un software CAD utilizzando lo strumento polilinea.
    2. Aggiungere un foro passante rettangolare (il "foro passante di visualizzazione") leggermente più grande della dimensione dell'area di prova dell'apstick (ad esempio, 0,230 in x 3,147 in (W x L)). Posizionarlo 0,921 dall'alto, 1,165 da sinistra e 1,165 dai bordi destro della piastra superiore.
    3. Disegnare un secondo foro passante (il "foro di ingresso") di dimensioni 0,075 in x 3,146 in (W x L). Posizionarlo 0,236 dal bordo inferiore, 1,737 dal bordo superiore e 1,162 dai bordi sinistro e destro della piastra superiore.
    4. Tagliare la piastra superiore da un pezzo di acrilico chiaro con una fresa laser. Pulire la polvere o i detriti rimanenti.
  3. Fabbricare il coperchio di ingresso(figura 1B).
    1. Disegna un'area rettangolare con dimensioni 0,247 in x 3,3378 in (W x L) in un software CAD utilizzando lo strumento polilinea. Aggiungere due fori circolari con un diametro di 0,127 in circa 0,073 pollici dai due bordi del coperchio di ingresso, uno su entrambi i lati.
    2. Tagliare il coperchio di ingresso da un pezzo di acrilico chiaro con una taglierina laser.
  4. Fabbricare la diapositiva (Figura 1C)
    1. Disegnare un'area rettangolare nel software CAD che misura la misura 2.771 in x 0,0625 in x 5.000 in (W x H x L) utilizzando lo strumento polilinea.
    2. Aggiungere fori di through che corrispondano alla posizione di ogni banco di prova nell'area di prova. Disegna il primo 0,105 nel foro passante quadrato per sovrapporre al posizionamento del primo banco di prova: 1.096 dai bordi sinistro e destro della diapositiva, 0,960 dal bordo superiore e 1,681 dal bordo inferiore. Aggiungi più fori attraverso in base alle esigenze (di solito 10 totali) per la marca di dipstick selezionata preferita. Distanziare ogni foro passante successivo misurando la distanza tra i cuscinetti di prova sull'asta.
      NOTA: La dimensione dei fori di through è importante per depositare il volume corretto di liquido sul tampone di spstick. Per il nostro marchio di disambito, abbiamo creato fori che depositano 15 ul su ogni tampone di spstick.
    3. Tagliare il vetrino da un pezzo di acrilico chiaro utilizzando una fresa laser. Pulire la polvere o i detriti rimanenti.
    4. Spruzzare la parte anteriore dello scivolo con uno spray idrofobico. Applicare diverse mani (6-8x) di basecoat sulla diapositiva. Tenere la lana a circa 8-12 in distanza dalla diapositiva durante la spruzzatura.
    5. Attendere 30 minuti prima di applicare il topcoat più volte (8-12x). Lasciare asciugare la diapositiva per 12 ore prima dell'uso.
    6. Scarica un codice QR da un generatore di codici QR online e stampa il codice desiderato su carta con supporto adesivo appiccicoso. Posizionare il codice QR 0.17 da destra del primo foro passante lungo la stessa riga di tutti i fori passanti.
      NOTA: Finché il codice QR è adiacente ai fori di through, un posizionamento accurato non è importante.
    7. Utilizzare un nastro chiaro per coprire il codice QR e fissarlo alla diapositiva.
  5. Assemblare l'ingresso e il manicotto dellapiastra (Figura 1D).
    1. Fabbricare l'ingresso utilizzando cemento acrilico per incollare il coperchio di ingresso sulla piastra superiore in cui si trova il foro di ingresso. Attendere 24-48 ore per legare saldamente i pezzi.
    2. Spruzzare la parte posteriore della piastra superiore con uno spray idrofobico una volta che il coperchio di ingresso è saldamente incollato alla piastra superiore. Posizionare la piastra superiore capovolta. Applicare il primo basecoat più volte (4-8x).
    3. Tenere lo spray a 8-12 pollici di distanza dalla piastra superiore e attendere 30 minuti perché si asciughi. Applicare il topcoat più volte (6-8x). Lasciare asciugare la piastra superiore per 12 ore prima dell'uso.
    4. Assemblare il manicotto della piastra (piastra superiore combinata e piastra di base) incollando la piastra superiore completata alle sporgenze della piastra di base con cemento acrilico. I due pezzi sono facili da allineare mediante ispezione visiva, poiché il bordo inferiore della piastra superiore si allineerà a quello della piastra di base. Applicare un morsetto sulle sporgenze della piastra di base per fissarlo durante l'asciugatura e attendere 24-48 ore prima dell'uso, secondo le istruzioni del produttore.
  6. Creare l'adesivo del grafico.
    1. Scarica la tabella dei colori per il marchio di disattick dal sito Web del produttore.
    2. Aprire il file scaricato in un software dell'editor grafico.
    3. Aprire il file digitale per il modello di piastra superiore utilizzato in precedenza per la fresa laser (passaggio 1.2 di questo protocollo) in un software di editor grafico.
    4. Creare le caselle di colore per l'adesivo del grafico abbinando le caselle di colore dalla tabella dei colori del produttore. Selezionare il primo blocco di colore nel grafico del produttore con lo strumento contagocce nel software dell'editor grafico e quindi utilizzare lo strumento forma scatola per creare una forma scatola dello stesso colore sul modello di piastra superiore, nella stessa riga in cui si trova il pad di spstick. Ripetere questa situazione per ogni blocco di colore corrispondente a ogni riga del pad.
    5. Eliminare i livelli associati al modello piastra superiore.
    6. Stampa l'adesivo del grafico come adesivo in vinile con un servizio di stampa di adesivi online. Posizionare l'adesivo del grafico sulla manica della piastra e allinearlo a ciascun foro passante.
  7. Fabbricare la scatola (Figura 1E).
    1. Disegnare le due parti di scatola a lati lunghi (parti "a" e "b") nel software CAD come rettangoli con dimensioni di 4,92 x 6,63 in (W x L). Aggiungere un ritaglio alla parte "a" centrata sul bordo inferiore che misura 0,2 x 6,11 in (W x L).
    2. Disegnare i due pezzi di scatola a lato stretto (parti "d" ed "e") nel software CAD come rettangoli con dimensioni di 1,805 x 6,63 in (W x L).
    3. Disegnare la parte superiore della casella (parte "c") come rettangolo con dimensioni 1.805 in x 6.63 (W x L). Disegnare il "foro passante per l'imaging" in alto: 0,74 x 0,910 in (W x L), posizionato 3,17 dal basso, 2,53 in dall'alto, 0,65 dal bordo destro e 0,42 dal bordo sinistro.
      NOTA: La posizione esatta del foro passante per l'imaging deve essere selezionata sulla base dei telefoni cellulari che verranno utilizzati per l'analisi.
    4. Disegnate ogni pezzo di scatola per presentare una serie di spigoli ad incastro che consentirà a tutti i lati della scatola di agganciarsi su ogni spigolo come descritto nella figura 1D. Per creare una serie di spigoli interblocco, alternate un motivo di estrusione/intrusione sul bordo lungo con sporgenze da 0,135 in per 1,17 in (W x L). Disegna due estrusioni su ogni bordo lungo per ogni lato della scatola. Utilizzare lo stesso modello di estrusione/intrusione per il bordo corto, ma con intrusioni che misurano 0,135 in 0,460 in (W x L).
    5. Tagliare i cinque pezzi con una taglierina laser o stamparli con una stampante 3D.
      NOTA: Un componente tagliato al laser che utilizza pezzi acrilici sarà economico da produrre e può essere appiattito per una facile spedizione. Utilizzare l'acrilico nero in quanto è utile assorbire la luce diffusa durante i test.
    6. Aggiungere carta da costruzione a colori neri all'interno della scatola per evitare la dispersione dal flash durante l'analisi dell'immagine se il materiale della scatola ha una finitura lucida.

2. Preparare il test

  1. Scarica l'applicazione mobile UrineTest da GitHub (https://github.com/Iftak/UrineTestApp).
  2. Installare l'app in un telefono cellulare.
    NOTA: questo passaggio deve essere fatto solo una volta per tutti gli usi futuri di un determinato telefono. Se necessario, abilita lo stato dello sviluppatore sul telefono per farlo.
  3. Avviare l'applicazione UrineTest nel telefono (Figura 2A).
  4. Leggere le istruzioni per modificare i nomi degli aliti e gli intervalli di lettura (Figura 2B) in modo che corrispondano a quelli per l'errore di interesse (in base alle specifiche del produttore) e inserire un nuovo input tramite la finestra del supporto di testo sullo schermo(Figura 2C).
    NOTA: Il tempo di lettura necessario per ogni tampone di immersione dipenderà dalla marca dell'apstick utilizzato.
  5. Assemblare i vari componenti insieme e inserire l'apstick nei fori di through sotto il manicotto della piastra (Figura 1F).
  6. Posizionare il manicotto della piastra all'interno della scatola in modo che la sua tacca sia allineata con lo spazio della scatola.
  7. Posizionare lo scivolo all'interno del manicotto della piastra in modo che i fori di scorrimento si allineino con l'ingresso.
  8. Posizionare il telefono nella parte superiore della scatola con l'obiettivo della fotocamera posteriore rivolto verso il foro passante per consentire l'imaging. Assicurarsi che la visibilità della fotocamera non sia occlusa controllando l'immagine sullo schermo del telefono prima del test. L'app abiliterà automaticamente la torcia sul telefono.
  9. Leggere le istruzioni per l'allineamento del telefono (Figura 2D) e allineare il telefono di conseguenza in modo che l'apstick coincida con i limiti della sovrapposizione rettangolare nera sullo schermo (Figura 2E).
  10. Fare clic sul pulsante Start nella finestra dell'app per iniziare il test.
    NOTA: questo aprirà la fotocamera del telefono per leggere il codice QR una volta in vista (Figura 2F).

3. Condurre la prova

  1. Depositare l'urina nel foro di ingresso con una pipetta monouso di trasferimento in polietilene contenente circa 0,5 mL di urina (Figura 3).
    NOTA: La quantità esatta di liquido non è importante, ma dovrebbe essere di almeno 0,5 mL per garantire che tutti i fori di through ricevano urina sufficiente. Dopo aver aggiunto il liquido, osservare che si muove attraverso l'ingresso e viene depositato in ogni foro passante della diapositiva.
  2. Avviare il test spingendo lo scivolo nel manicotto della piastra fino a quando non viene fermato dall'arresto della piastra di base.
    NOTA: L'urina deve prendere contatto con il tampone di spstick quando il codice QR è nel campo visivo del telefono cellulare. Dopo aver letto il codice QR, l'applicazione aprirà una finestra per analizzare le modifiche di colore (Figura 2G) e mostrare automaticamente i risultati all'interno della stessa finestra (Figura 2H).
  3. Scartare l'urina in modo appropriato e pulire il manicotto della piastra e scivolare con una soluzione di candeggina al 10% e risciacquare di nuovo con acqua deionizzata. Lasciare asciugare prima di un uso aggiuntivo.

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Representative Results

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La figura 4 mostra come l'urina viene trasferita all'apstick durante un test di analisi delle urine. Durante un test tipico, il trasferimento di urina non è osservabile perché la scatola occlude la vista. Una volta depositato il campione nell'ingresso utilizzando una pipetta (Passaggio 3.1), riempirà i fori sullo scivolo (Figura 4A). La figura 4B e la figura 4C, rispettivamente, mostrano il movimento progressivo dell'urina attraverso il manicotto della piastra e dopo che lo scivolo è direttamente a contatto con l'arresto. Si noti che il contatto dell'urina con l'apstick porta a una reazione colorimetrica e a un cambiamento di colore sui tamponi di spstick.

La figura 5 mostra un potenziale problema che può sorgere se le superfici per il trasferimento dell'urina (ad esempio, patè di base, piastra superiore e scivolo) non sono sufficientemente rivestite con spray idrofobico. Un'illustrazione di uno scivolo ben rivestito è illustrata nella figura 5A. Se scarsamente rivestiti, si possono osservare striature (mostrate da frecce bianche nella figura 5B) durante la fase di scorrimento che riducono la precisione del volume trasferito. Inoltre, si può osservare la mancata trasferimento dell'urina all'apstick(Figura 5C) e l'urina può rimanere nei fori di scorrimento anche quando lo scivolo viene rimosso dal dispositivo. Questi passaggi evidenziano l'importanza di ottenere una buona copertura spray (passaggi 1.1.8, 1.4.4, 1.5.3 e 1.5.4). Se ci sono preoccupazioni sulla copertura dello spray o se si osservano questi errori di prestazioni, è meglio rifare la piastra di base, la piastra superiore e lo scivolo.

Un test di analisi delle orinatoi è stato eseguito con uno smartphone di alta qualità: telefono 1 (risoluzione dell'immagine: 8000 pixel x 6000 pixel). I risultati rappresentativi sono riportati nella figura 6. Abbiamo condotto test con acqua deionizzata e urina commerciale (sia composizione standard che con alto glucosio). Le pastiglie di colore sul dipstick cambiano nel tempo in risposta alla reazione colorimetrica dell'urina con gli aliti nell'apstick. Le barre di errore nella figura 6 rappresentano la deviazione standard resa per tre misurazioni consecutive di ciascun campione registrate dai due smartphone. Figura 6A traccia la risposta per il tampone di glucosio nel tempo per le diverse condizioni di prova. Per la marca di dipstick utilizzata, il tempo di lettura consigliato per la misurazione del glucosio è di 30 secondi. Come previsto, il colore dell'apstick non cambia su questo intervallo per l'acqua, il valore finale per le urine standard corrisponde al livello di soglia urinaria "normale" del glucosio (160-180 mg/dL) e il valore finale per la condizione di "glucosio elevato" è elevato al di sopra del valore normale. È importante notare che il valore corretto non viene raggiunto fino a 30 secondi, il che illustra l'importanza di impostare correttamente l'intervallo di lettura della temporizzazione nel passaggio 2.8. Lo stesso esperimento è stato eseguito con un altro smartphone con una risoluzione dell'immagine inferiore: telefono 2 (risoluzione dell'immagine: 3264 pixel x 2448 pixel). A causa della differenza nella risoluzione della fotocamera, si osserva una differenza significativa rispetto ai risultati precedenti nel colore e nella qualità dell'immagine durante l'acquisizione delle immagini del pannello a dipstick, come mostrato nella figura 6B. Le differenze nelle specifiche delle torce contribuiscono anche alle differenze nella qualità dell'immagine. Dalla figura 6, si può vedere che entrambi i telefoni producono tendenze simili nel cambio di colore nel tempo, anche se i colori effettivi rilevati sono diversi. L'algoritmo di corrispondenza dei colori utilizzato dall'applicazione per smartphone per il test di analisi delle urinarie produce gli stessi risultati per le concentrazioni di analiti, nonostante le differenze nell'aspetto fisico dei colori dei tamponi di sfeccata. La coerenza dei risultati è dovuta all'uso dell'adesivo del grafico come grafico di riferimento per l'analisi. Poiché sia l'adesivo del grafico che l'apstick vengono acquisiti nelle stesse condizioni di illuminazione e qualità dell'immagine, l'applicazione per smartphone valuta i componenti (R, G,B) e la differenza di colore sia del quadrato di riferimento che del pad di dipstick in modo simile per entrambi gli smartphone. Questi risultati confermano che il protocollo descritto in questo manoscritto è indipendente dal modello di smartphone, purché sia la tabella dei colori di riferimento che l'apstick siano immagini nello stesso ambiente.

In precedenza abbiamo valutato l'accuratezza del dispositivo di analisi automatica delle urine confrontandolo con i metodi tradizionali di immersione e salvietta utilizzando uno standard di urina commerciale19. La tabella 1 mette a confronto i risultati ottenuti con le due prove. Si può vedere che l'accuratezza del sistema dipende dal volume trasferito su ogni tampone di spstick. I risultati più accurati sono stati ottenuti quando il dispositivo automatizzato di analisi delle urine è stato progettato per trasferire 15 μL di urina; pertanto, è fondamentale che il dispositivo trasferisca il volume di urina richiesto in modo accurato e coerente alle pastiglie di spstick. Risultati rappresentativi per convalidare la consistenza del dispositivo trasferendo 15 μL di volume di campioni di urina in sette diverse prove sono riportati nella figura 7. La deviazione standard complessiva è stata trovata inferiore a 0,5 μL, che rientra nell'intervallo del 4% del valore obiettivo. I risultati confermano che il dispositivo è in grado di trasferire con precisione e coerenza microlitri di urina per eseguire il test.

Figure 1
Figura 1: Disegni schematici dei componenti del dispositivo. A) Piastra di base. B)Piastra superiore e coperchio di ingresso, incollati insieme nel passaggio 1.5.1. C) Diapositiva e codice QR associato utilizzato per il controllo della temporizzazione. D) Manicotto a piastre, formato incollando la piastra superiore alle sporgenze della piastra di base nel passaggio 1.5.4. L'adesivo del grafico accanto al foro passante consente l'analisi del colore. E) Riquadro. F) Dispositivo assemblato. Durante l'uso, un telefono cellulare viene posizionato sulla parte superiore della scatola in modo che l'obiettivo e la torcia siano posizionati sopra il foro passante per l'imaging. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: Processo dell'analisi colorimetrica tramite l'app. A) L'icona sullo schermo del telefono "Urine test" è selezionata per avviare l'applicazione. B) Una finestra popup informa l'utente di modificare i tempi di lettura. C) L'utente immette manualmente il nome dell'alyte e gli orari di lettura. D) Finestra popup per informare l'utente dell'allineamento del telefono. E) Immagine rappresentativa di un'apstick correttamente allineata prima del test. F) Screenshot dopo l' inserita della diapositiva e il codice QR sembra avviare l'acquisizione dei dati. G) Lo schermo un secondo dopo l'inizio del test. Le sovrapposizioni quadrate nere mostrano all'utente la posizione esatta da cui l'app sta raccogliendo informazioni sui pixel. H)I risultati della prova di dipstick completata. I risultati dei test con trattini sono considerati normali per l'apstick scelto. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3: Fotografia del dispositivo assemblato in azione all'inizio di una prova di analisi delle urinarie. Un utente inizia il test inserendo una pipetta con urina nell'ingresso. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4: Processo interno di deposizione del liquido sulla prova di dipstick dall'inizio alla fine. A) L'inserimento dello scivolo nel manicotto della piastra e l'allineamento dei fori passanti dello scivolo con l'ingresso consentiranno alla pipetta di trasferimento di consegnare l'urina in ogni foro passante dello scivolo. B) Scivolare lo scivolo attraverso l'interno del manicotto idrofobico della piastra consente il trasporto di liquidi. C) Quando lo scivolo raggiunge l'arresto nella base, l'urina viene consegnata alle pastiglie di prova, con conseguenti cambiamenti colorimetrici. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 5
Figura 5: Problemi potenziali associati all'idrofobicità insufficiente. A) Uno scivolo con e senza rivestimento sufficiente. B)Vetrino non sufficientemente rivestito che perde durante la fase di scorrimento. C)Uno scivolo non sufficientemente rivestito non si trasferisce sui tamponi di spstick anche dopo essere stato estratto dal dispositivo: il liquido rimane nel foro di scorrimento attraverso i fori, come si vede nell'inserto in basso a destra. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 6
Figura 6: Risultato dell'analisi delle urinarie per il tampone di glucosio con due smartphone diversi per tre tipi di campioni. A) Caratteristiche di risposta del glucose pad nel tempo per le diverse condizioni di prova registrate con un telefono della fotocamera ad alta risoluzione (telefono1). B) Caratteristiche di risposta del glucose pad nel tempo per le diverse condizioni di prova registrate con un telefono della fotocamera a bassa risoluzione (telefono 2). La lettura a 30 secondi corrisponde alla tempistica desiderata per il produttore. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 7
Figura 7: Numero e volume medio trasferiti. Ogni pozzo corrisponde a un foro passante per un dato banco di prova; il primo pozzo è il più vicino all'ingresso. Questa cifra è stata modificata da Smith, etal. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Aalita Differenze da immersione e salvietta
leu lendine uro pro ph Blo Sg Ket GLU
Dip-and-wipe 4 ± 0 2 ± 0 4 ± 0,53 2 ± 0,53 4 ± 0 5 ± 0 3 ± 0,53 4 ± 0,49 3 ± 0,58 n/d
5 μL 3*± 0 2 ± 0 3* ± 0 3* ± 0,49 3* ± 0 3* ± 0 2* ± 0,53 4 ± 0,38 1* ± 0 7
10 μL 3* ± 0,38 2 ± 0 4 ± 0 2 ± 0 3* ± 0,38 4* ± 0 1* ± 0,49 4 ± 0,49 2 ± 0,58 5
15 μL 4 ± 0 2 ± 0 4 ± 0,49 2 ± 0 4 ± 0,38 5 ± 0 2* ± 0,38 4 ± 0,49 3 ± 0,49 1
20 μL 4 ± 0 2 ± 0 4 ± 0,82 2 ± 0,53 4 ± 0,53 5 ± 0 2* ± 0,49 4 ± 0,49 3 ± 0 1

Tabella 1: Valori mediani e deviazioni standard per gli aliti utilizzando vari volumi depositati. Il simbolo ‡ indica valori mediani che differiscono dalla mediana ottenuta con il metodo dip-and-wipe, lo standard del settore. Il numero totale di pastiglie di aaliti le cui mediane differiscono dal metodo di immersione e cancellazione sono riportati nella colonna di estrema destra. I risultati delle note sono cumulativi per tutti i dipsticks utilizzati. LEU: leucociti, NIT: nitrito, URO: urobilinogeno, PRO: proteina, BLO: sangue, SG: gravità specifica, KET: chetoni, GLU: glucosio. Questa tabella è stata modificata da Smith, etal.

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Discussion

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L'analisi tradizionale della minzione a dipstick è conveniente e conveniente, ma richiede un'attenzione manuale ai dettagli per ottenere risultati accurati. L'analisi manuale della minzione a dipstick è soggetta a condizioni di illuminazione variabili, differenze di percezione del colore individuali e contaminazione incrociata. Molte cliniche e ospedali hanno già strumenti per automatizzare l'analisi delle dipstick delle urine, ma gli strumenti sono solitamente ingombranti, costosi e si basano ancora sulle corrette prestazioni del metodo di immersione. Inoltre, questi strumenti richiedono calibrazione e manutenzione ogni anno per risultati accurati.

Il protocollo automatizza e controlla diversi passaggi importanti coinvolti nella minzione a dipstick (ad esempio, distribuzione del liquido ai pastiglie di prova, tempismo di avvio, controllo dell'illuminazione e confronto quantitativo con lo standard di riferimento), che è necessario per ottenere risultati affidabili. A tal fine, i passaggi critici del protocollo relativi alla progettazione del dispositivo includono i passaggi 1.4.3, 1.1.4, 1.4.7 e 1.1.5, che corrispondono alle dimensioni dei fori di through al volume desiderato, assicurano il corretto posizionamento delle fermate per allineare i fori di passaggio con l'apstick, assicurano il corretto posizionamento del codice QR utilizzato come indicatore di temporizzazione e assicurano che la prova non sia influenzata dalla luce ambientale rispettivamente. Inoltre, il trasferimento di urina attraverso lo scivolo e la successiva deposizione sul dipstick dipendono fortemente dalle caratteristiche superficiali dei materiali utilizzati. Pertanto, se per la piastra di base vengono utilizzate superfici non idrofobiche, la piastra superiore e lo scivolo, è importante applicare una quantità adeguata di spray idrofobico. È particolarmente importante assicurarsi che le superfici interne dei fori di scorrimento siano state spruzzate in modo che il liquido scivoli sul tampone di spstick dopo lo scivolamento.

Il protocollo può essere facilmente modificato per l'uso con altre marche di dipsticks modificando le dimensioni e la spaziatura dei fori di through. Il volume applicato al dipstick può anche essere modificato modificando lo spessore dell'acrilico utilizzato per fabbricare il vetrino (con variazioni commisurate nello spessore delle sporgenze della piastra di base) o la dimensione dei fori di scorrimento. L'app software di accompagnamento consente all'utente di modificare i nomi e gli intervalli di lettura per allinearsi a quelli per la marca di dipstick utilizzata.

Il dispositivo corrente combina una piastra di base stampata in 3D e una piastra superiore tagliata al laser per formare un manicotto a piastre. Entrambi questi metodi di fabbricazione sono convenienti e le scelte materiali possono essere modificate. Escludendo il telefono e l'apstick, l'acrilico utilizzato nel dispositivo corrente costa circa $ 0.85 e il materiale utilizzato nella piastra di base stampata in 3D costa circa $ 1.50 per dispositivo. Sebbene la piastra di base che abbiamo usato sia stampata in 3D da stirene butadiene acrilonitrile (ABS), sono adatti anche altri polimeri che formano una superficie dura e rigida. Ad esempio, una versione del dispositivo può essere realizzata utilizzando un manicotto a piastre completamente fabbricato da acrilico19. I materiali elastomerici come il polidimetilsilioxano (PDMS) non sono desiderabili perché la loro rigidità inferiore è meno compatibile con lo scorrimento di una superficie di vetro per consentire l'azione di scivolamento che è fondamentale per il design di controllo del volume.

Un'importante limitazione del protocollo attuale è che il rivestimento idrofobico applicato allo scivolo e al manicotto della piastra può sbucciare con uso frequente, limitando la stabilità del dispositivo nel tempo. Dopo 3-4 test, i rivestimenti idrofobi spesso si sbucciano e alterano il volume trasferito, riducendo potenzialmente la precisione nei risultati. Le future modifiche del metodo possono includere l'uso di rivestimenti idrofobici più durevoli o materiali naturalmente idrofobi. Inoltre, l'incollaggio acrilico può indebolirsi anche durante i test ripetuti. Il basso costo del dispositivo, tuttavia, consente di creare più stampe e ricollacollare insieme in base alle esigenze. Pertanto, la diapositiva può essere considerata come una parte riutilizzabile.

Un'altra limitazione è l'incapacità di saturare il tampone di glucosio con l'urina a causa della natura idrofobica del tampone. Pertanto, assorbe solo parzialmente il liquido con il dispositivo automatizzato. Non abbiamo trovato che questo riducesse l'accuratezza del risultato, ma richiede un'attenta esecuzione del passaggio 2.9 per garantire che l'area di visualizzazione della fotocamera catturi i dati dal centro, non i bordi del banco di prova del glucosio. Il lavoro futuro può risolvere questo problema incorporando una diversa marca di dipstick che non presenta idrofobicità su cuscinetti di reagente dipstick sul test.

Controllando i passaggi principali che contribuiscono all'errore dell'utente, questo metodo consente una maggiore precisione nei risultati eseguiti da individui non addestrati ed è adatto per il test a casa. A differenza di altre app di analisi delleurinarie disponibili 7,8,9, il sistema è modificabile per qualsiasi marca di test di dipstick. Il dispositivo è riutilizzabile e non richiede energia da utilizzare al di fuori dell'alimentazione consumata dallo smartphone. In futuro, immaginiamo che il protocollo possa essere suscettibile di auto-test del paziente. Garantendo l'accuratezza nei risultati dei test di dipstick, i pazienti possono monitorare le proprie urine più frequentemente senza le barriere associate alla pratica clinica standard di analisi delle urine.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Acknowledgments

Questo lavoro è stato finanziato dalla Dorothy J. Wingfield Phillips Chancellor Faculty Fellowship. Emily Kight è stata finanziata dalla 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

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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).
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  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).
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  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).
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  17. Healthy.io. Available from: https://healthy.io/ (2020).
  18. Scanwell. Available from: https://www.scanwellhealth.com (2020).
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  20. Du, W., Li, L., Nichols, K. P., Ismagilov, R. F. SlipChip. Lab on a Chip. 9, 2286-2292 (2009).
Analisi delle minisi a dipstick a basso costo e controllata dal volume per i test a casa
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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).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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