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Bioengineering

Miclisis de palillo de bajo costo y controlado por volumen para pruebas caseras

doi: 10.3791/61406 Published: May 8, 2021

Summary

La miclisis de dipstick es un método rápido y asequible para evaluar el estado de salud personal. Presentamos un método para realizar análisis de orina de palillo precisos y de bajo costo que elimina las fuentes primarias de error asociadas con los protocolos tradicionales de inmersión y borrado y es lo suficientemente simple como para ser realizado por usuarios laicos en casa.

Abstract

La miclisis de palillo proporciona estimaciones rápidas y asequibles de múltiples condiciones fisiológicas, pero requiere una buena técnica y entrenamiento para usar con precisión. El rendimiento manual de la miclisis de palillo se basa en una buena visión del color humano, un control de iluminación adecuado y comparaciones sensibles al tiempo propensas a errores con los colores de los gráficos. Al automatizar los pasos clave en la prueba de micálisis de la palillo, se pueden eliminar las posibles fuentes de error, lo que permite autoprueba en casa. Describimos los pasos necesarios para crear un dispositivo personalizable para realizar pruebas automatizadas de micálisis en cualquier entorno. El dispositivo es barato de fabricar y fácil de montar. Describimos los pasos clave implicados en personalizarlo para el dipstick de elección y para personalizar una aplicación de teléfono móvil para analizar los resultados. Demostramos su uso para realizar análisis de orina y discutimos las mediciones críticas y los pasos de fabricación necesarios para garantizar un funcionamiento robusto. A continuación, comparamos el método propuesto con el método de inmersión y toallitas, la técnica estándar de oro para la miclisis de palillo.

Introduction

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La orina es una fuente no invasiva de múltiples indicadores metabólicos de enfermedad o salud. La miclisis, el análisis físico y/o químico de la orina, se puede realizar rápidamente para detectar enfermedades renales, enfermedades del tracto urinario, enfermedad hepática, diabetes mellitus y hidratación general1. Los palillos de micálisis son herramientas de diagnóstico semicuantitativas asequibles que se basan en cambios colorimétricos para indicar niveles fisiológicos aproximados. Cada palillo puede realizar una amplia variedad de ensayos incluyendo pruebas de pH, osmolalidad, hemoglobina/mioglobina, hematuria, esterasa de leucocito, glucosa, proteinuria, nitrito, cetona y bilirrubina2. El principio de micálisis del palillo se basa en la aparición de una reacción cronometrada a través de la cual se puede comparar un cambio de color en la almohadilla de la palillo de dipstick con un gráfico para determinar la concentración deanalitos 3. Dada su asequibilidad y facilidad de uso, los palillos son una de las herramientas más comunes para la micálisis en la atención médica.

Tradicionalmente, la micálisis de palillos se basa en una enfermera o técnico médico capacitado para insertar manualmente el dipstick en una taza de muestra de orina, limpiar el exceso de orina y comparar las almohadillas de color con los colores de las listas en momentos específicos. Si bien el método de inmersión y borrado es el estándar de oro para el análisis de palillos, su dependencia de la evaluación visual humana limita la información cuantitativa que se puede obtener. Además, los dos pasos manuales de la micálisis del palillo – el paso de inmersión y la comparación de resultados colorimétricos – requieren una técnica precisa, que limita la posibilidad de pruebas fiables en entornos domésticos por parte de los pacientes directamente. La contaminación cruzada de las almohadillas de muestra debido a la limpieza puede causar cambios de color inexactos. Además, los volúmenes incoherentes resultantes de la falta de control de volumen durante la limpieza pueden resultar en una medición incorrecta de las concentraciones de analitos. Es importante destacar que el tiempo entre sumergir la orina (es decir, el inicio del ensayo) y la comparación con un gráfico es crítico para un análisis preciso de los resultados y es una enorme fuente potencial de error humano. La dificultad en la comparación colorimétrica manual es que muchas almohadillas deben leerse al mismo tiempo, mientras que algunas almohadillas se leen en diferentes momentos. Incluso las comparaciones de color perfectamente cronometrados todavía dependen de la agudeza visual del lector humano, que puede sufrir ceguera de color o percibir diferentes colores en diferentes entornos de iluminación4. Estos desafíos subrayan por qué los médicos sólo pueden confiar en la miclisis de palillos realizada por personal capacitado. Sin embargo, un sistema de análisis de orina automatizado podría abordar todas las preocupaciones antes mencionadas eliminando la necesidad de pasos manuales de inmersión, incorporando controles de sincronización y permitiendo comparaciones de color simultáneas con referencias de color calibradas. Esto, a su vez, reduciría el error del usuario, lo que permitiría una posible adopción en la configuración doméstica.

En los últimos 20 años, se han empleado analizadores automáticos para leer los resultados de las pruebas de orina de dipstick con la misma precisión que o superando el análisis visual5. Muchas clínicas y consultorios médicos utilizan este tipo de máquinas para analizar e imprimir rápidamente los resultados tradicionales de los palillos. La mayoría de las máquinas de análisis de orina minimizan los errores de inspección visual y garantizan la coherencia en los resultados6. Son fáciles de usar y más eficientes que la inspección manual, pero todavía requieren que el usuario realice el método dip-wipe correctamente. Por lo tanto, estas máquinas tienen una capacidad limitada para ser operadas por personas no capacitadas, como los usuarios domésticos; además, son extremadamente caros.

Recientemente, los teléfonos celulares han surgido como una herramienta ingeniosa para diversas mediciones colorimétricas biológicas7,8,9,10,incluyendo para la micálisis11,12,13. Dadas sus capacidades de teleseción y alta resolución de imágenes, los teléfonos celulares se han convertido en dispositivos analíticos de atención médica eficaces14,15. De hecho, la FDA ha aprobado varias pruebas de orina casera basadas en teléfonos inteligentes16,17,18. Algunos de los nuevos productos comerciales basados en teléfonos inteligentes incorporan palillos de miclisis establecidos, mientras que otros cuentan con almohadillas colorimétricas patentadas. Todos estos productos cuentan con métodos patentados para calibrar para diferentes condiciones de iluminación en diferentes tipos de teléfonos. Sin embargo, un problema con estas soluciones es que el usuario debe tomar una foto manualmente en el momento adecuado, además de llevar a cabo un método manual adecuado de inmersión-toallitas (es decir, sin contaminación cruzada). En particular, ninguna de estas pruebas controla el volumen depositado en los palillos, que hemos encontrado puede afectar al cambio de color19 e interpretado resultado fisiológico. Las brechas y costos actuales en los flujos de trabajo de estos dispositivos sugieren una necesidad adicional de habilitar un procedimiento de deposición de orina sin humanos y controlado por volumen y fotografía de palillos manos libres.

Describimos un protocolo para la miclisis de palillo automatizado y controlada por volumen sin necesidad de un paso manual de inmersión y barrido. La clave del proceso automatizado es un dispositivo19 cuyo principio subyacente se basa en el SlipChip20 y que transfiere líquido entre diferentes capas utilizando efectos de química superficial. En resumen, el recubrimiento hidrofóbico en el tobogán de transferencia y el manguito de la placa circundante obligan al líquido a moverse sin esfuerzo a través del dispositivo y a liberarse en la almohadilla del palillo una vez que el tobogán está en su posición final, momento en el que la barrera hidrofóbica inferior se reemplaza por aire. Además, la caja de bloqueo de luz coordinada estandariza las condiciones de iluminación, el ángulo de visión de la cámara y la distancia para el enfoque de la cámara para garantizar resultados precisos y repetibles que no están influenciados por las condiciones de iluminación ambiental. Una aplicación de software que acompaña automatiza la captura de imágenes y análisis colorimétrico. Tras la descripción del protocolo, proporcionamos resultados representativos de la prueba de micálisis en diferentes condiciones. Las comparaciones con el método estándar de borrado de inmersión demuestran la fiabilidad del método propuesto.

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Protocol

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1. Fabricar y montar el dispositivo de micálisis

  1. Fabricar la placa base (Figura 1A).
    1. Utilice un software de diseño asistido por ordenador (CAD) para dibujar un área rectangular con dimensiones 2.1641 en x 0,0547 en x 6,3828 in (W x H x L) utilizando la herramienta polilínea.
    2. Mida el área de prueba (área rectangular que abarca la distancia entre la primera y la última almohadilla y la anchura de las almohadillas) en la palillo.
      NOTA: Esta información es necesaria para dibujar los orificios pasante que mantienen la palanca en su lugar y separan el líquido entre las almohadillas (para evitar la contaminación cruzada).
    3. Agregue orificios pasante que imiten el tamaño y la posición de cada almohadilla de prueba en el área de prueba.
    4. Dibuje dos cornisas laterales elevadas que miden 2.1641 en x 0,6797 in (W x L).
    5. Dibuje una parada (0,1172 en 0,2109 in (W x L)) utilizando la herramienta polilínea para facilitar la alineación entre la placa base y la diapositiva. La parada debe ser perpendicular a las cornisas y evita físicamente que el tobogán pase por las almohadillas de los palillos de orina.
    6. Seleccione las líneas de la parada y la cornisa para crear una región mediante el comando Región. Utilice el comando Extruir para elevar la región hasta una altura de 0,0703 in. Repita este paso en el otro lado del dispositivo.
    7. Cree una muesca (0,1895 en 0,3500 in (W x L)) en ambas cornisas para facilitar la alineación con la caja. Colóquelo 0,466 desde el borde inferior de la cornisa. Utilice el comando Región para crear un rectángulo y hacer que la altura de extrusión sea de 0,1250 in.
    8. Utilice el comando Restar sólido, seleccione el dispositivo, pulse Intro,seleccione la región de muesca y pulse Intro. Repita en el otro lado del dispositivo.
      NOTA: La forma se eliminará del dispositivo.
    9. Imprima la placa base en una impresora 3D y lije la zona superior de la cara entre las cornisas con papel de lija para rugar la superficie.
      NOTA: El lijado es importante para que el revestimiento hidrofóbico pueda adherirse a la placa base de forma segura.
    10. Tape las cornisas con cinta adhesiva (para evitar rociar las cornisas) y rocíe la placa base con un spray hidrofóbico. Aplique varias (4-8) capas de la capa base a la placa base. Sostenga la lata aproximadamente 8-12 pulgadas de distancia de la placa base al rociar. El dispositivo debe tener un aspecto blanco lechoso al secar.
      PRECAUCIÓN: Siga las instrucciones del fabricante para la ubicación adecuada y el EBP para la pulverización.
    11. Espere 30 minutos antes de aplicar el topcoat varias veces (6-8x). Deje que la placa base se seque durante 12 horas antes de su uso. Retire la cinta de las cornisas.
  2. Fabrica la placa superior (Figura 1B).
    1. Dibuje un área rectangular para medir 2,05 en x 5.470 en (W x L) en un software CAD utilizando la herramienta polilínea.
    2. Añadir un orificio de pasante rectangular (el "orificio pasante de visualización") ligeramente mayor que el tamaño del área de prueba de la palanca de inmersión (por ejemplo, 0,230 en x 3.147 pulgadas (W x L)). Colóquelo 0.921 desde la parte superior, 1.165 desde la izquierda y 1.165 desde los bordes derecho de la placa superior.
    3. Dibuje un segundo orificio pasante (el "Agujero de entrada") de tamaño 0,075 en x 3.146 pulgadas (W x L). Colóquelo 0.236 desde el borde inferior, 1.737 desde el borde superior y 1.162 en desde los bordes izquierdo y derecho de la placa superior.
    4. Corta la placa superior de un trozo de acrílico transparente con un cortador láser. Limpie el polvo o los desechos restantes.
  3. Fabricar la cubierta de entrada (Figura 1B).
    1. Dibuje un área rectangular con dimensiones 0,247 en x 3.3378 in (W x L) en un software CAD utilizando la herramienta polilínea. Añadir dos orificios de paso circulares con un diámetro de 0,127 en aproximadamente 0,073 pulgadas desde los dos bordes de la cubierta de entrada, uno a ambos lados.
    2. Corta la cubierta de entrada de un trozo de acrílico transparente con un cortador láser.
  4. Fabricar la diapositiva (Figura 1C)
    1. Dibuje un área rectangular en el software CAD que mide la medida 2.771 en x 0.0625 en x 5.000 in (W x H x L) utilizando la herramienta polilínea.
    2. Agregue orificios pasante que coincidan con la posición de cada almohadilla de prueba en el área de prueba. Dibuje el primer 0,105 en el agujero cuadrado para superponerse con la colocación del primer teclado de prueba: 1,096 pulgadas desde los bordes izquierdo y derecho de la diapositiva, 0,960 desde el borde superior y 1.681 desde el borde inferior. Añadir más agujeros a través según sea necesario (normalmente 10 en total) para la marca de palillos seleccionada de elección. Espacia cada siguiente orificio a través midiendo la distancia entre las almohadillas de prueba en el dipstick.
      NOTA: El tamaño de los orificios pasante es importante para depositar el volumen correcto de líquido en la almohadilla del dipstick. Para nuestra marca de palillo, creamos agujeros que depositan 15 ul en cada almohadilla de palillo.
    3. Corta la diapositiva de un trozo de acrílico transparente usando una cortadora láser. Limpie el polvo o los desechos restantes.
    4. Rocíe la parte delantera del tobogán con un spray hidrofóbico. Aplique varias capas (6-8x) de capa base en la diapositiva. Sostenga la lata aproximadamente 8 -12 adentro lejos de la diapositiva al rociar.
    5. Espere 30 minutos antes de aplicar el topcoat varias veces (8-12x). Deje que la diapositiva se seque durante 12 horas antes de su uso.
    6. Descargue un código QR de un generador de código QR en línea e imprima el código deseado en papel con respaldo adhesivo pegajoso. Coloque el código QR 0.17 a la derecha del primer agujero pasante a lo largo de la misma fila que todos los agujeros pasante.
      NOTA: Siempre y cuando el código QR sea adyacente a los orificios pasante, la colocación precisa no es importante.
    7. Utilice cinta transparente para cubrir el código QR y fijarlo a la diapositiva.
  5. Montar la entrada y el manguito de placa(Figura 1D).
    1. Fabrica la entrada usando cemento acrílico para pegar la cubierta de entrada en la placa superior donde se encuentra el orificio de entrada. Espere 24-48 horas para unir las piezas de forma segura.
    2. Rocíe la parte posterior de la placa superior con un spray hidrofóbico una vez que la cubierta de la entrada esté firmemente unida a la placa superior. Coloque el plato superior boca abajo. Aplique la primera capa base varias veces (4-8x).
    3. Sostenga el aerosol a 8-12 pulgadas de distancia de la placa superior y espere 30 minutos para que se seque. Aplique el topcoat varias veces (6-8x). Deje que la placa superior se seque durante 12 horas antes de su uso.
    4. Monte el manguito de la placa (placa superior combinada y placa base) pegando la placa superior completa a las cornisas de la placa base con cemento acrílico. Las dos piezas son fáciles de alinear mediante inspección visual, ya que el borde inferior de la placa superior se alineará con el de la placa base. Aplique una abrazadera en las cornisas de la placa base para asegurarla durante el secado y espere 24-48 horas antes de su uso, según las instrucciones del fabricante.
  6. Crea la etiqueta engomada del gráfico.
    1. Descargue la carta de colores de la marca de dipstick desde el sitio web del fabricante.
    2. Abra el archivo descargado en un software de editor de gráficos.
    3. Abra el archivo digital para la plantilla de placa superior utilizada anteriormente para la cortadora láser (Paso 1.2 de este protocolo) en un software de editor de gráficos.
    4. Cree las cajas de color para la etiqueta engomada del gráfico haciendo coincidir las cajas de color del gráfico de colores del fabricante. Seleccione el primer bloque de color en el gráfico del fabricante con la herramienta de cuentagotas en el software del editor de gráficos y luego utilice la herramienta de forma de caja para hacer una forma de caja en el mismo color en la plantilla de placa superior, en la misma fila donde se ubicará el panel de palillos. Repita esto para cada bloque de color correspondiente a cada fila del pad.
    5. Elimine las capas asociadas a la plantilla de placa superior.
    6. Imprima la etiqueta engomada del gráfico como una pegatina de vinilo con un servicio de impresión de pegatinas en línea. Coloque la etiqueta engomada de la tabla en la manga de la placa y alinee con cada orificio pasante.
  7. Fabricar la caja (Figura 1E).
    1. Dibuje las dos piezas de caja de lado largo (partes "a" y "b") en el software CAD como rectángulos con dimensiones de 4,92 en x 6,63 pulgadas (W x L). Agregue un recorte a la parte "a" centrada en el borde inferior que mide 0,2 en x 6,11 pulgadas (W x L).
    2. Dibuje las dos piezas de caja de lado estrecho (partes "d" y "e") en el software CAD como rectángulos con dimensiones que miden 1,805 en x 6,63 pulgadas (W x L).
    3. Dibuje la parte superior del cuadro (parte "c") como un rectángulo con las dimensiones 1.805 en x 6.63 (W x L). Dibuje el "agujero pasante de imágenes" en la parte superior: 0.74 en x 0.910 pulgadas (W x L), colocado 3.17 desde la parte inferior, 2.53 en desde la parte superior, 0.65 en desde el borde derecho y 0.42 desde el borde izquierdo.
      NOTA: La posición exacta del orificio pasante de la imagen debe seleccionarse sobre la base de los teléfonos celulares que se utilizarán para el análisis.
    4. Dibuje cada pieza de cuadro para presentar un patrón de bordes entrelazados que permitirá que todos los lados del cuadro se ajusten juntos en cada borde como se describe en la Figura 1D. Para crear un patrón de borde entrelazado, alterna un patrón de extrusión/intrusión en el borde largo con 0,135 en 1,17 protuberancias de 1,17 in (W x L). Dibuje dos extrusiones en cada borde largo para cada lado del cuadro. Utilice el mismo patrón de extrusión/intrusión para el borde corto, pero con intrusiones que miden 0,135 en 0,460 in (W x L).
    5. Corta las cinco piezas con un cortador láser o imprimelas con una impresora 3D.
      NOTA: Un componente cortado con láser que utiliza piezas acrílicas será barato de fabricar y se puede aplanar para facilitar el envío. Utilice acrílico negro, ya que es útil absorber la luz dispersa durante las pruebas.
    6. Agregue papel de construcción de color negro al interior de la caja para evitar la dispersión del flash durante el análisis de imágenes si el material de la caja tiene un acabado brillante.

2. Preparar la prueba

  1. Descargue la aplicación móvil UrineTest desde GitHub (https://github.com/Iftak/UrineTestApp).
  2. Instale la aplicación en un teléfono móvil.
    NOTA: Este paso sólo tiene que hacerse una vez para todos los usos futuros de un teléfono dado. Si es necesario, habilite el estado del desarrollador en el teléfono para hacer esto.
  3. Inicie la aplicación UrineTest en el teléfono (Figura 2A).
  4. Lea las instrucciones para cambiar los nombres de analitos y los tiempos de lectura(Figura 2B)para que coincidan con los de la hoja de interés (según las especificaciones del fabricante) e inserte nueva entrada a través de la ventana del soporte de texto en la pantalla (Figura 2C).
    NOTA: El tiempo de lectura necesario para cada almohadilla de palillo dependerá de la marca de la palillo utilizada.
  5. Ensamblar los distintos componentes y insertar el palillo en los orificios debajo del manguito de la placa(Figura 1F).
  6. Coloque el manguito de la placa dentro de la caja para que su muesca esté alineada con el hueco de la caja.
  7. Coloque el tobogán dentro del manguito de la placa para que sus orificios a través se alineen con la entrada.
  8. Coloque el teléfono en la parte superior de la caja con la lente de la cámara trasera orientada al orificio pasante de visualización para permitir imágenes. Asegúrese de que la visibilidad de la cámara no esté ocluida comprobando la imagen en la pantalla del teléfono antes de las pruebas. La aplicación habilitará la linterna en el teléfono automáticamente.
  9. Lea la instrucción para la alineación del teléfono (Figura 2D) y alinee el teléfono en consecuencia para que la palanca coincida con los límites de la superposición rectangular negra en la pantalla (Figura 2E).
  10. Haga clic en el botón Inicio de la ventana de la aplicación para comenzar la prueba.
    NOTA: Esto abrirá la cámara del teléfono para leer el código QR una vez a la vista (Figura 2F).

3. Realizar la prueba

  1. Deposite la orina en el orificio de entrada con un pipete de transferencia de polietileno desechable que contenga aproximadamente 0,5 ml de orina(Figura 3).
    NOTA: La cantidad exacta de líquido no es importante, pero debe ser de al menos 0,5 ml para garantizar que todos los agujeros pasante reciban suficiente orina. Al agregar el líquido, observe que se mueve a través de la entrada y se deposita en cada orificio pasante de la diapositiva.
  2. Inicie la prueba empujando la diapositiva hacia el manguito de la placa hasta que se detenga por la parada de la placa base.
    NOTA: La orina debe hacer contacto con la almohadilla de la palanca de dipstick cuando el código QR está en el campo de visión del teléfono celular. Después de leer el código QR, la aplicación abrirá una ventana para analizar los cambios de color (Figura 2G) y mostrar los resultados automáticamente dentro de la misma ventana (Figura 2H).
  3. Deseche la orina adecuadamente y limpie el manguito de la placa y deslice con un 10% de solución de lejía y enjuague de nuevo con agua des-ionizada. Deje que se seque antes de su uso adicional.

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Representative Results

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La Figura 4 demuestra cómo la orina se transfiere al palillo durante una prueba de análisis de orina. Durante una prueba típica, la transferencia de orina no es observable porque la caja ocluye la vista. Una vez depositada la muestra en la entrada utilizando una pipeta (Paso 3.1), rellenará los orificios de la diapositiva(Figura 4A). La Figura 4B y la Figura 4C,respectivamente, muestran el movimiento progresivo de la orina a través de la manga de la placa y después de que el tobogán hace contacto con la parada. Tenga en cuenta que el contacto de la orina con el palillo conduce a una reacción colorimétrica y un cambio de color en las almohadillas de los palillos.

La Figura 5 demuestra un problema potencial que puede surgir si las superficies para transferir la orina (es decir, paté base, placa superior y tobogán) no están suficientemente recubiertas con aerosol hidrofóbico. Una ilustración de una diapositiva bien y mal recubierta se muestra en la Figura 5A. Si está mal recubierto, se pueden observar rayas (mostradas por flechas blancas en la Figura 5B)durante el paso deslizante que disminuyen la precisión del volumen transferido. Además, se puede observar la falla de la diapositiva para transferir la orina a la palillo(Figura 5C),y la orina puede permanecer en los agujeros pasante incluso cuando se retira la diapositiva del dispositivo. Estos pasos ponen de relieve la importancia de obtener una buena cobertura de pulverización (Pasos 1.1.8, 1.4.4, 1.5.3 y 1.5.4). Si hay preocupaciones sobre la cobertura de pulverización o si observa estos errores de rendimiento, lo mejor es rehacer la placa base, la placa superior y deslizarse.

Se realizó una prueba de análisis de orina con un smartphone de alta calidad: teléfono 1 (resolución de imagen: 8000 píxeles x 6000 píxeles). Los resultados representativos se muestran en la Figura 6. Realizamos pruebas con agua des-ionizada y orina comercial (tanto de composición estándar como con glucosa alta). Las almohadillas de color en el palillo cambian de tiempo en respuesta a la reacción colorimétrica de la orina con los analitos en el dipstick. Las barras de error de la Figura 6 representan la desviación estándar cedida para tres mediciones consecutivas de cada muestra grabadas por los dos teléfonos inteligentes. La Figura 6A traza la respuesta para la almohadilla de glucosa con el tiempo para las diferentes condiciones de prueba. Para la marca de palillo utilizado, el tiempo de lectura recomendado para la medición de glucosa es de 30 segundos. Como era de esperar, el color de la palillo no cambia durante este intervalo para el agua, el valor final de la orina estándar coincide con el nivel de umbral de glucosa urinaria "normal" (160-180 mg/dL), y el valor final para la condición de "glucosa alta" se eleva por encima del valor normal. Es importante destacar que el valor correcto no se alcanza hasta 30 segundos, lo que ilustra la importancia de establecer el intervalo de lectura de sincronización correctamente en el paso 2.8. El mismo experimento se realizó con otro smartphone con una resolución de imagen más baja: teléfono 2 (resolución de imagen: 3264 píxeles x 2448 píxeles). Debido a la diferencia en la resolución de la cámara, se observa una diferencia significativa con respecto a los resultados anteriores en el color y la calidad de la imagen mientras se capturan imágenes del panel de palillos, como se muestra en la Figura 6B. Las diferencias en las especificaciones de las linternas también contribuyen a las diferencias en la calidad de la imagen. De la Figura 6,se puede ver que ambos teléfonos producen tendencias similares en el cambio de color con el tiempo, aunque los colores reales detectados son diferentes. El algoritmo de coincidencia de color utilizado por la aplicación para teléfonos inteligentes para la prueba de micálisis produce los mismos resultados para las concentraciones de analitos, a pesar de las diferencias en la apariencia física de los colores de las almohadillas de dipstick. La consistencia de los resultados se debe al uso de la etiqueta engomada del gráfico como gráfico de referencia para el análisis. Dado que tanto la etiqueta engomada del gráfico como el palillo se capturan bajo las mismas condiciones de iluminación y calidad de imagen, la aplicación para teléfonos inteligentes evalúa los componentes (R,G,B) y la diferencia de color tanto del cuadrado de referencia como de la almohadilla de palillo de una manera similar para ambos teléfonos inteligentes. Estos resultados confirman que el protocolo descrito en este manuscrito es independiente del modelo de teléfono inteligente, siempre y cuando tanto el gráfico de colores de referencia como el dipstick se imaginen bajo el mismo entorno.

Anteriormente hemos evaluado la precisión del dispositivo de análisis de orina automatizado comparando con los métodos tradicionales de inmersión y toallitas utilizando un estándar comercial de orina19. La Tabla 1 compara los resultados obtenidos con las dos pruebas. Se puede ver que la precisión del sistema depende del volumen transferido a cada almohadilla de palillo. Los resultados más precisos se obtuvieron cuando el dispositivo automatizado de micálisis fue diseñado para transferir 15 μL de orina; por lo tanto, es crucial que el dispositivo transfiera el volumen de orina requerido con precisión y coherencia a las almohadillas de los palillos. Los resultados representativos para validar la consistencia del dispositivo mediante la transferencia de 15 μL de volumen de muestras de orina en siete ensayos diferentes se muestran en la Figura 7. Se encontró que la desviación estándar general estaba por debajo de 0,5 μL, que está dentro del rango del 4% del valor objetivo. Los resultados confirman que el dispositivo es capaz de transferir con precisión y coherencia microlitros de orina para realizar la prueba.

Figure 1
Figura 1: Dibujos esquemáticos de componentes de dispositivo. A) Placa base. B) Placa superior y cubierta de entrada, que se pegan juntos en el paso 1.5.1. C) Diapositiva y código QR asociado utilizado para el control de tiempo. D) Manga de placa, formada por pegar la placa superior a las cornisas de la placa base en el Paso 1.5.4. La etiqueta engomada del gráfico junto al orificio pasante de visualización permite el análisis de color. E) Caja. F) Dispositivo ensamblado. Durante el uso, un teléfono móvil se coloca en la parte superior de la caja de tal forma que su lente y linterna se colocan por encima del orificio pasante de imágenes. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: el proceso del análisis colorimétrico mediante la aplicación. A) El icono en la pantalla del teléfono "Prueba de orina" está seleccionado para iniciar la aplicación. B) Una ventana emergente informa al usuario para modificar los tiempos de lectura. C) El usuario introduce manualmente el nombre del analito y los tiempos de lectura. D) Una ventana emergente para informar al usuario para la alineación del teléfono. E) Imagen representativa de una palillo correctamente alineada antes de las pruebas. F) Captura de pantalla después de insertar la diapositiva y el código QR parece iniciar la adquisición de datos. G) La pantalla un segundo después de iniciar la prueba. Las superposiciones cuadradas negras muestran al usuario la ubicación exacta desde donde la aplicación está recopilando información de píxeles. H) Los resultados de la prueba de palillo completada. Los resultados de las pruebas con guiones se consideran normales para el dipstick elegido. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: Fotografía del dispositivo ensamblado en acción al inicio de una prueba de micálisis. Un usuario comienza la prueba insertando una pipeta con orina en la entrada. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: Proceso interno de deposición líquida en la prueba de la palanca de dipstick de principio a fin. A) Insertar la diapositiva en el manguito de la placa y alinear el deslizamiento a través de agujeros con la entrada permitirá que la pipeta de transferencia entregue la orina en cada orificio pasante de la diapositiva. B) Deslizar el tobogán por el interior del manguito de placa recubierto hidrofóbico permite el transporte de líquidos. C) Cuando la diapositiva alcanza la parada en la placa base, la orina se entrega a las almohadillas de prueba, lo que resulta en cambios colorimétricos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5: Problemas potenciales asociados con insuficiencia hidrofóbica. A) Un tobogán con y sin recubrimiento suficiente. B) Diapositiva insuficientemente recubierta muestra fugas durante el paso deslizante. C) Una diapositiva insuficientemente recubierta no se transfiere a las almohadillas de los palillos incluso después de ser retirada del dispositivo: el líquido permanece en el deslizamiento a través de agujeros, como se ve en el inicio en la parte inferior derecha. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 6
Figura 6: Resultado de micálisis para la almohadilla de glucosa con dos teléfonos inteligentes diferentes para tres tipos de muestras. A) Características de respuesta de la almohadilla de glucosa con el tiempo para las diferentes condiciones de prueba grabadas con un teléfono de cámara de alta resolución de cámara (phone1). B) Características de respuesta de la almohadilla de glucosa con el tiempo para las diferentes condiciones de prueba grabadas con un teléfono con cámara de baja resolución (teléfono 2). La lectura a 30 segundos corresponde con la sincronización deseada para el fabricante. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 7
Figura 7: Número de pozo frente al volumen medio transferido. Cada pozo corresponde a un orificio pasante para una almohadilla de prueba dada; el primer pozo está más cerca de la entrada. Esta cifra ha sido modificada de Smith, et al.19 y reproducida con permiso de la Royal Society of Chemistry. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Analyte Diferencias con la inmersión y la toallita
leu liendre uro pro pH Blo Sg Ket GLU
Inmersión y toallita 4 ± 0 2 ± 0 4 ± 0,53 2 ± 0,53 4 ± 0 5 ± 0 3 ± 0,53 4 ± 0,49 3 ± 0,58 n/a
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

Tabla 1: Valores medios y desviaciones estándar para analitos utilizando varios volúmenes depositados. El símbolo • indica valores medios que difieren de la mediana obtenida con el método dip-and-wipe, el estándar de la industria. El número total de almohadillas de analito cuya mediana difiere del método de inmersión y borrado se notifica en la columna de extrema derecha. Los resultados de la nota son acumulativos para todas las palillos utilizados. LEU: leucocitos, NIT: nitrito, URO: urobilinógeno, PRO: proteína, BLO: sangre, SG: gravedad específica, KET: cetonas, GLU: glucosa. Esta tabla ha sido modificada de Smith, et al.19 y reproducida con permiso de la Royal Society of Chemistry.

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Discussion

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La miclisis tradicional de palillos es asequible y conveniente, pero requiere atención manual al detalle para producir resultados precisos. La miclisis manual del palillo está sujeta a condiciones de iluminación variables, diferencias de percepción de color individuales y contaminación cruzada. Muchas clínicas y hospitales ya tienen instrumentos para automatizar el análisis de palillos de orina, pero los instrumentos suelen ser voluminosos, caros y todavía dependen del correcto rendimiento del método de inmersión. Además, estos instrumentos requieren calibración y mantenimiento anuales para obtener resultados precisos.

El protocolo automatiza y controla varios pasos importantes implicados en la miclisis del dipstick (por ejemplo, la distribución de líquido a las almohadillas de ensayo, el tiempo del arranque, el control sobre la iluminación y la comparación cuantitativa con el estándar de referencia), que es necesario para obtener resultados fiables. Con este fin, Los pasos críticos en el protocolo relacionados con el diseño del dispositivo incluyen los pasos 1.4.3, 1.1.4, 1.4.7 y 1.1.5, que coinciden con el tamaño de los orificios pasante con el volumen deseado, garantizan la colocación adecuada de las paradas para alinear los orificios pasante con el dipstick, garantizar la colocación adecuada del código QR utilizado como indicador de sincronización y asegurarse de que la prueba no esté influenciada por la luz ambiental respectivamente. Además, la transferencia de orina a través de la diapositiva y la posterior deposición en la palillo dependen en gran medida de las características superficiales de los materiales que se utilizan. Por lo tanto, si se utilizan superficies no hidrofóbicas para la placa base, la placa superior y el tobogán, es importante aplicar una cantidad adecuada de pulverización hidrofóbica. Es especialmente crítico asegurarse de que las superficies internas de los agujeros pasante de la diapositiva han sido rociadas para que el líquido caiga a la almohadilla del palillo después de deslizarse.

El protocolo se puede modificar fácilmente para su uso con otras marcas de palillos cambiando las dimensiones y el espaciado de los agujeros pasante. El volumen aplicado a la palillo también se puede modificar cambiando el grosor del acrílico utilizado para fabricar la diapositiva (con cambios proporcionales en el espesor de las cornisas de la placa base) o el tamaño de los agujeros pasante. La aplicación de software que lo acompaña permite al usuario modificar los nombres y los tiempos de lectura para alinearse con los de la marca de dipstick utilizado.

El dispositivo actual combina una placa base impresa en 3D y una placa superior cortada con láser para formar un manguito de plato. Ambos métodos de fabricación son asequibles, y las opciones de material se pueden modificar. Excluyendo el teléfono y la placa de inmersión, el acrílico utilizado en el dispositivo actual cuesta aproximadamente $0.85, y el material utilizado en la placa base impresa en 3D cuesta alrededor de $1.50 por dispositivo. Aunque la placa base que usamos está impresa en 3D a partir de estireno de acrilonitrilo butadieno (ABS), otros polímeros que forman una superficie dura y rígida también son adecuados. Por ejemplo, una versión del dispositivo se puede hacer utilizando un manguito de placa completamente fabricado a partir de acrílico19. Los materiales elastoméricos como el polidimetilsilioxano (PDMS) no son deseables porque su rigidez inferior es menos compatible con el deslizamiento de una superficie de vidrio para permitir la acción de deslizamiento que es crítica para el diseño de control de volumen.

Una limitación importante del protocolo actual es que el recubrimiento hidrofóbico aplicado a la corredera y el manguito de la placa puede pelarse con uso frecuente, limitando la estabilidad del dispositivo con el tiempo. Después de 3-4 pruebas, los recubrimientos hidrofóbicos a menudo se pelan y alteran el volumen transferido, lo que potencialmente reduce la precisión en los resultados. Las modificaciones futuras del método pueden incluir el uso de recubrimiento hidrofóbico más duradero o materiales que son naturalmente hidrofóbicos. Además, la unión acrílica también puede debilitarse durante las pruebas repetidas. El bajo costo del dispositivo, sin embargo, permite hacer múltiples impresiones y volver a pegarse juntos según sea necesario. Por lo tanto, la diapositiva puede considerarse como una pieza reutilizable.

Otra limitación es la incapacidad de saturar la almohadilla de glucosa con orina debido a la naturaleza hidrofóbica de la almohadilla. Como tal, sólo absorbe parcialmente el líquido con el dispositivo automatizado. No encontramos que esto redujera la precisión del resultado, pero requiere una ejecución cuidadosa del Paso 2.9 para asegurar que el área de visualización de la cámara capture datos del medio, no los bordes de la almohadilla de prueba de glucosa. El trabajo futuro puede abordar este problema incorporando una marca diferente de palillos que no cuenta con hidrofobicidad en ninguna almohadilla reactivo dipstick en la prueba.

Al controlar los principales pasos que contribuyen al error del usuario, este método permite una mayor precisión en los resultados realizados por individuos no entrenados y es adecuado para pruebas caseras. A diferencia de otras aplicaciones de micálisis disponibles7,8,9, el sistema es modificable a cualquier marca de prueba de palillo. El dispositivo es reutilizable y no requiere energía para usar fuera de la energía consumida por el teléfono inteligente. En el futuro, imaginamos que el protocolo podría ser apto para las autoprueba de los pacientes. Al garantizar la precisión en los resultados de las pruebas de palillos, los pacientes pueden controlar su propia orina con mayor frecuencia sin las barreras asociadas con la práctica estándar de micálisis clínica.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Este trabajo fue financiado por la Dorothy J. Wingfield Phillips Chancellor Faculty Fellowship. Emily Kight fue financiada por 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

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Miclisis de palillo de bajo costo y controlado por volumen para pruebas caseras
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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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