Summary
Dipstick urinanalys är en snabb och prisvärd metod för att bedöma sitt personliga hälsotillstånd. Vi presenterar en metod för att utföra korrekt, billig mätsticka urinanalys som tar bort de primära felkällorna i samband med traditionella dip-and-wipe-protokoll och är tillräckligt enkel för att utföras av lekmannaanvändare hemma.
Abstract
Dipstick urinanalys ger snabba och prisvärda uppskattningar av flera fysiologiska förhållanden men kräver bra teknik och träning för att använda exakt. Manuell prestanda för mätsticks urinanalys förlitar sig på god mänsklig färgseende, korrekt belysningskontroll och felbenägna, tidskänsliga jämförelser med diagramfärger. Genom att automatisera de viktigaste stegen i mätsticks urinanalystestet kan potentiella felkällor elimineras, vilket möjliggör självtestning hemma. Vi beskriver de steg som krävs för att skapa en anpassningsbar enhet för att utföra automatiserad urinanalystestning i alla miljöer. Enheten är billig att tillverka och enkel att montera. Vi beskriver de viktigaste stegen i anpassningen av den för valfri mätsticka och för att anpassa en mobiltelefonapp för att analysera resultaten. Vi visar dess användning för att utföra urinprov och diskutera de kritiska mätningar och tillverkningssteg som krävs för att säkerställa robust drift. Vi jämför sedan den föreslagna metoden med dip-and-wipe-metoden, guldstandardtekniken för mätsticks urinanalys.
Introduction
Urin är en icke-invasiv källa till flera metaboliska indikatorer på sjukdom eller hälsa. Urinprov, fysisk och/eller kemisk analys av urin, kan utföras snabbt för att upptäcka njursjukdom, urinvägssjukdom, leversjukdom, diabetes mellitus och allmän hydrering1. Urinanalysstickor är prisvärda, semikvantitativa diagnostiska verktyg som förlitar sig på kolorimetriska förändringar för att indikera ungefärliga fysiologiska nivåer. Varje mätsticka kan utföra ett brett utbud av analyser inklusive testning för pH, osmolalitet, hemoglobin / myoglobin, hematuri, leukocyte esteras, glukos, proteinuri, nitrit, keton och bilirubin2. Principen om mätsticka urinanalys förlitar sig på förekomsten av en tidsbestämd reaktion genom vilken en färgförändring på mätsticksdynan kan jämföras med ett diagram för att bestämma analytkoncentration3. Med tanke på deras överkomliga priser och användarvänlighet är mätstickor ett av de vanligaste verktygen för urinanalys inom hälso- och sjukvården.
Traditionellt förlitar sig mätsticksurinlys på en utbildad sjuksköterska eller medicinsk tekniker för att manuellt sätta in mätstickan i en kopp urinprov, torka bort överflödig urin och jämföra färgkuddarna med diagramfärger vid specifika tidpunkter. Medan dip-and-wipe-metoden är guldstandarden för mätsticksanalys, begränsar dess beroende av mänsklig visuell bedömning den kvantitativa information som kan erhållas. Dessutom kräver de två manuella stegen i mätsticks urinanalysen – dip-wipe-steget och den kolorimetriska resultatjämförelsen – korrekt teknik, vilket begränsar möjligheten till tillförlitlig testning i hemmiljöer av patienter direkt. Korskontaminering av provkuddarna på grund av torkning kan orsaka felaktiga färgförändringar. Dessutom kan inkonsekventa volymer till följd av bristen på volymkontroll under torkning resultera i felaktig mätning av analytkoncentrationer. Viktigt är att tiden mellan doppning av urinen (dvs. början av analysen) och jämförelse med ett diagram är avgörande för noggrann analys av resultaten och är en enorm potentiell källa till mänskliga fel. Svårigheten i manuell kolorimetrisk jämförelse är att många kuddar måste läsas samtidigt, medan vissa kuddar läses vid olika tidpunkter. Även perfekt tajmda färgjämförelser beror fortfarande på den mänskliga läsarens synskärpa, som kan lida av färgblindhet eller uppfatta olika färger i olika belysningsmiljöer4. Dessa utmaningar understryker varför kliniker bara kan förlita sig på dipstick urinanalys utförs av utbildad personal. Ett automatiserat urinanalyssystem kan dock ta itu med alla ovannämnda problem genom att eliminera behovet av manuella doppserveringssteg, införliva tidskontroller och möjliggöra samtidiga färgjämförelser med kalibrerade färgreferenser. Detta skulle i sin tur minska användarfelet, vilket möjliggör eventuell implementering i heminställningar.
Under de senaste 20 åren har automatiska analysatorer använts för att läsa resultaten av mätsticksurintester med samma noggrannhet som eller överskrider visuell analys5. Många kliniker och läkarmottagningar använder sådana maskiner för att snabbt analysera och skriva ut traditionella mätstickresultat. De flesta urinprovsmaskiner minimerar fel vid visuell inspektion och säkerställer konsekvens i resultaten6. De är lätta att använda och effektivare än manuell inspektion men kräver fortfarande att användaren utför dip-wipe-metoden korrekt. Dessa maskiner har därför begränsad förmåga att användas av otränade personer såsom hemmaanvändare. Dessutom är de extremt dyra.
Nyligen har mobiltelefoner dykt upp som ett resursfullt verktyg för olika biologiska kolorimetriskamätningar 7,8,9,10, inklusive för urinanalys11,12,13. Med tanke på deras fjärranalyskapacitet och höga bildupplösning har mobiltelefoner blivit effektiva analysenheter för hälso- och sjukvården14,15. Faktum är att FDA har rensat flera smartphone-baserade hem urintester16,17,18. Några av de nya smartphone-baserade kommersiella produkterna innehåller etablerade urinanalysstickor, medan andra har proprietära kolorimetriska kuddar. Alla sådana produkter har egna metoder för att kalibrera för olika ljusförhållanden mellan olika telefontyper. Ett problem med dessa lösningar är dock att användaren manuellt måste ta en bild vid rätt tidpunkt förutom att utföra en korrekt manuell dopptorkningsmetod (dvs. utan korskontaminering). Noterbart är att inget av dessa tester styr volymen som deponeras på mätstickorna, som vi har hittat kan påverkafärgförändringen 19 och tolkat fysiologiskt resultat. De nuvarande luckorna och kostnaderna i arbetsflödena för dessa enheter tyder på ett ytterligare behov av att möjliggöra ett mänskligt fritt, volymstyrt urindepositionsförfarande och handsfree-dipstickfotografering.
Vi beskriver ett protokoll för volymstyrd, automatiserad mätsticks urinanalys utan behov av ett manuellt dopptorksteg. Nyckeln till den automatiserade processen är en enhet19 vars underliggande princip är baserad på SlipChip20 och som överför vätska mellan olika lager med hjälp av ytkemieffekter. I korthet tvingar den hydrofobiska beläggningen på överföringsrutschbanan och den omgivande plåthylsan vätskan att röra sig enkelt genom enheten och släppa ut på mätsticksdynan när bilden är i sitt slutliga läge, då den nedre hydrofobiska barriären ersätts med luft. Dessutom standardiserar den samordnade ljusblockeringsboxen ljusförhållandena, kameravinkeln och avståndet för kamerafokus för att säkerställa exakta och repeterbara resultat som inte påverkas av omgivande ljusförhållanden. En medföljande programapp automatiserar hämtningen av bilder och kolorimetrisk analys. Efter beskrivning av protokollet ger vi representativa resultat av urinprovet under olika förhållanden. Jämförelser med standardmetoden för doppservering visar den föreslagna metodens tillförlitlighet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Tillverka och montera urinprovsanordningen
- Tillverka bottenplattan ( figur1A).
- Använd en datorstödd designprogramvara (CAD) för att rita ett rektangulärt område med måtten 2,1641 i x 0,0547 i x 6,3828 tum (W x H x L) med hjälp av polylineverktyget.
- Mät provningsområdet (rektangulärt område som omfattar avståndet mellan den första och sista dynan och dynornas bredd) på mätstickan.
OBS: Denna information behövs för att dra de genomhål som håller mätstickan på plats och separera vätskan mellan dynorna (för att förhindra korskontaminering). - Lägg till genomhål som efterliknar storleken och positionen för varje testplatta i testområdet.
- Rita två upphöjda sidoa avsatser som mäter 2.1641 i x 0.6797 in (W x L).
- Dra ett stopp (0,1172 tum x 0,2109 tum (W x L)) med hjälp av polylineverktyget för att underlätta inriktningen mellan bottenplattan och bilden. Stoppet ska vara vinkelrätt mot avsatserna och fysiskt stoppa rutschkanan från att röra sig passerade urinstickskuddarna.
- Markera raderna för stoppet och avsatsen för att skapa en region med kommandot Region. Använd kommandot Extrude för att höja regionen till en höjd av 0,0703 i. Upprepa det här steget på andra sidan enheten.
- Skapa ett hack (0,1895 tum x 0,3500 tum (W x L)) på båda avsatserna för att underlätta justeringen med rutan. Placera den 0,466 in från kantens nederkant. Använd kommandot Region för att skapa en rektangel och göra extruderingshöjden 0,1250 in.
- Använd kommandot Heldragen subtrahera, välj enhet, tryck på Retur, markera skårområdet och tryck på Retur. Upprepa på andra sidan enheten.
OBS: Formen tas bort från enheten. - Skriv ut bottenplattan på en 3D-skrivare och slipa det övre ytan mellan avsatserna med sandpapper för att rugga upp ytan.
OBS: Slipning är viktigt så att den hydrofobiska beläggningen kan fästas på bottenplattan ordentligt. - Tejpa avsatserna med tejp (för att undvika att spruta avsatserna) och spraya bottenplattan med en hydrofobisk spray. Applicera flera (4-8) pälsar av baslacken på bottenplattan. Håll burken cirka 8-12 tum från bottenplattan vid sprutning. Enheten ska ha ett mjölkvitt utseende vid torkning.
VARNING: Följ tillverkarens anvisningar för lämplig placering och personlig skyddsutrustning för sprutning. - Vänta 30 minuter innan du applicerar täckskiktet flera gånger (6-8x). Låt bottenplattan torka i 12 timmar före användning. Ta bort tejpen från avsatserna.
- Tillverka toppplattan ( bild1B).
- Rita ett rektangulärt område för att mäta 2,05 x 5,470 tum (W x L) i en CAD-programvara med hjälp av polyline-verktyget.
- Tillsätt ett rektangulärt genomhål ("genomslagshålet") som är något större än storleken på mätstickans testområde (t.ex. 0,230 x 3,147 tum (W x L)). Placera den 0,921 in från toppen, 1,165 in från vänster och 1,165 in från toppplattans högra kanter.
- Rita ett andra genomslagshål ("Inloppshålet") i storlek 0,075 x 3,146 tum (W x L). Placera den 0,236 in från nederkanten, 1,737 in från överkanten och 1,162 in från den övre plattans vänstra och högra kanter.
- Skär toppplattan från en bit klar akryl med en laserskärare. Torka bort eventuellt kvarvarande damm eller skräp.
- Tillverka inloppsskyddet(figur 1B).
- Rita ett rektangulärt område med måtten 0,247 i x 3,3378 tum (W x L) i en CAD-programvara med hjälp av polylineverktyget. Tillsätt två cirkulära genomhål med en diameter på 0,127 i cirka 0,073 in från inloppsskyddets två kanter, en på vardera sidan.
- Skär inloppsskyddet från en bit klar akryl med en laserskärare.
- Tillverka bilden (Bild 1C)
- Rita ett rektangulärt område i CAD-programvara som mäter 2,771 x 0,0625 i x 5,000 tum (W x H x L) med hjälp av polylineverktyget.
- Lägg till genomhål som matchar positionen för varje testplatta i provningsområdet. Rita de första 0,105 i kvadratiskt genomslagshål för att överlappa placeringen av den första testplattan: 1,096 in från bildens vänstra och högra kanter, 0,960 in från överkanten och 1,681 in från nederkanten. Lägg till fler genomhål efter behov (vanligtvis 10 totalt) för det valda mätsticksmärket. Mellanslag mellan varje genomslagshål genom att mäta avståndet mellan testkuddarna på mätstickan.
OBS: Storleken på genomhålen är viktig för att deponera rätt vätskevolym på mätsticksdynan. För vårt dipstickmärke skapade vi hål som sätter 15 ul på varje mätplatta. - Skär glidningen från en bit klar akryl med en laserskärare. Torka bort eventuellt kvarvarande damm eller skräp.
- Spraya framsidan av bilden med en hydrofobisk spray. Applicera flera skikt (6-8x) av baslack på bilden. Håll burken ca 8 -12 in från rutschkanan vid sprutning.
- Vänta 30 minuter innan du applicerar täckskiktet flera gånger (8-12x). Låt rutschkanan torka i 12 timmar före användning.
- Ladda ner en QR-kod från en QR-kodgenerator online och skriv ut önskad kod på papper med klibbig självhäftande baksida. Placera QR-koden 0.17 in från höger om det första genom hålet längs samma rad som alla genom genomslag.
OBS: Så länge QR-koden ligger intill genomhålen är korrekt placering inte viktig. - Använd klar tejp för att täcka QR-koden och fäst den på bilden.
- Montera inlopps- och plåthylsan(figur 1D).
- Tillverka inloppet med akrylcement för att limma inloppsskyddet på toppplattan där inloppshålet är placerat. Vänta 24-48 timmar för att säkert binda bitarna.
- Spraya baksidan av toppplattan med en hydrofobisk spray när inloppsskyddet är ordentligt bunden till toppplattan. Placera toppplattan upp och ner. Applicera den första baslacken flera gånger (4-8x).
- Håll sprayen 8-12 tum från toppplattan och vänta 30 minuter på att den ska torka. Applicera täckskiktet flera gånger (6-8x). Låt toppplattan torka i 12 timmar före användning.
- Montera plåthylsan (kombinerad toppplatta och bottenplatta) genom att limma den färdiga toppplattan till bottenplattans avsatser med akrylcement. De två delarna är lätta att justera genom visuell inspektion, eftersom bottenkanten på toppplattan kommer att anpassa sig till bottenplattan. Applicera en klämma på bottenplattans avsatser för att säkra den under torkning och vänta 24-48 timmar före användning, enligt tillverkarens instruktioner.
- Skapa diagramdekalen.
- Ladda ner färgdiagrammet för märket av mätsticka från tillverkarens webbplats.
- Öppna den nedladdade filen i en grafikredigerare.
- Öppna den digitala filen för den översta plåtmallen som tidigare användes för laserskäraren (steg 1.2 i detta protokoll) i en grafikredigerarprogramvara.
- Skapa färgrutorna för diagramdekalen genom att matcha färgrutor från tillverkarens färgdiagram. Markera det första färgblocket i tillverkarens diagram med droppverktyget i grafikredigerarens programvara och använd sedan boxformsverktyget för att skapa en lådform i samma färg på den övre plåtmallen, i samma rad där mätsticksdynan ska placeras. Upprepa detta för varje färgblock som motsvarar varje platta rad.
- Ta bort lagren som är associerade med den övre plåtmallen.
- Skriv ut diagramdekalen som vinylklistermärke med en utskriftstjänst för onlinedekaler. Placera diagramdekalen på plåthylsan och rikta in den mot varje genomslagshål.
- Tillverka lådan (bild 1E).
- Rita de två långsidiga lådbitarna (delarna "a" och "b") i CAD-programvaran som rektanglar med måtten 4,92 x 6,63 tum (W x L). Lägg till en utskärning i del "a" centrerad på nederkanten som mäter 0,2 tum x 6,11 tum (W x L).
- Rita de två smalsidiga lådbitarna (delarna "d" och "e") i CAD-programvaran som rektanglar med dimensioner som mäter 1,805 x 6,63 tum (W x L).
- Rita rutans överdel (del "c") som rektangel med måtten 1,805 i x 6,63 (W x L). Rita "imaging through-hole" på toppen: 0,74 i x 0,910 tum (W x L), placerad 3,17 in från botten, 2,53 in från toppen, 0,65 in från höger kant och 0,42 in från vänster kant.
OBS: Den exakta positionen för avbildningens genomslagshål bör väljas på grundval av de mobiltelefoner som ska användas för analysen. - Rita varje lådstycke för att ha ett mönster av förreglande kanter som gör att alla lådsidor kan fästas ihop på varje kant enligt beskrivningen i figur 1D. Om du vill göra ett förreglingsmönster växlar du ett extruderings-/intrångsmönster på långsidan med 0,135 in x 1,17 tum (W x L) utskjutningar. Rita två profiler på varje långsida för varje sida av lådan. Använd samma extruderings-/intrångsmönster för kortsidan, men med intrång som mäter 0,135 in x 0,460 tum (W x L).
- Skär de fem delarna med en laserskärare eller skriv ut dem med en 3D-skrivare.
OBS: En laserskuren komponent med akrylbitar blir billig att tillverka och kan plattas ut för enkel frakt. Använd svart akryl eftersom det är bra att absorbera spridda ljus under testningen. - Lägg till svart färgbyggnadspapper i lådans interiör för att förhindra spridning från blixten under bildanalysen om lådmaterialet har en glansig finish.
2. Förbered testet
- Ladda ner mobilapplikationen UrineTest från GitHub (https://github.com/Iftak/UrineTestApp).
- Installera appen på en mobiltelefon.
Obs: Det här steget behöver bara göras en gång för all framtida användning av en viss telefon. Om det behövs aktiverar du utvecklarstatus på telefonen för att göra detta. - Starta Urintest-applikationen i telefonen (Bild 2A).
- Läs instruktionerna för att ändra analytnamnen och lästiderna (figur 2B) för att matcha dem för mätstickan av intresse (baserat på tillverkarens specifikationer) och infoga ny ingång via texthållarfönstret på skärmen (Figur 2C).
OBS: Den nödvändiga avläsningstiden för varje mätsticksdyna beror på märket på den mätsticka som används. - Montera ihop de olika komponenterna och sätt in mätstickan i genomhålen under plåthylsan (Figur 1F).
- Placera plåthylsan inuti lådan så att skåran är i linje med lådgapet.
- Placera rutschkanan inuti plåthylsan så att genomloppen ligger i linje med inloppet.
- Placera telefonen på toppen av lådan med den bakre kameralinsen vänd mot visningshålet för att möjliggöra avbildning. Se till att kamerans synlighet inte är ocklusiv genom att söka efter bilden på telefonskärmen före testningen. Appen aktiverar ficklampan på telefonen automatiskt.
- Läs instruktionen för telefonjustering (Bild 2D) och justera telefonen i enlighet därmed så att mätstickan sammanfaller med gränserna för det svarta rektangulära överlägget på skärmen (Figur 2E).
- Klicka på Start-knappen i appfönstret för att påbörja testet.
OBS: Detta öppnar telefonkameran för att läsa QR-koden en gång i sikte (Bild 2F).
3. Utför testet
- Deponera urin i inloppshålet med en engångsrörledning för polyetenöverföring som innehåller cirka 0,5 ml urin (figur 3).
OBS: Den exakta mängden vätska är inte viktig, men det bör vara minst 0,5 ml för att säkerställa att alla genomhål får tillräckligt med urin. När du tillsätter vätskan, observera att den rör sig över inloppet och deponeras i varje genomhål i bilden. - Påbörja testet genom att trycka in diabilden i plåthylsan tills den stoppas av bottenplattans stopp.
OBS: Urin ska komma i kontakt med mätsticksdynan när QR-koden är inom mobilens synfält. När du har läst QR-koden öppnas ett fönster för att analysera färgändringarna (bild 2G) och visa resultaten automatiskt inom samma fönster (Bild 2H). - Kassera urinen på lämpligt sätt och rengör platthylsan och skjut med 10% blekmedelslösning och skölj igen med avjoniserat vatten. Låt den torka före ytterligare användning.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 4 visar hur urinen överförs till mätstickan under ett urinprov. Under ett typiskt test är överföringen av urin inte observerbar eftersom lådan occludes utsikten. När provet deponerats i inloppet med en pipett (steg 3.1) fyller det hålen på bilden (bild 4A). Figur 4B respektive figur 4Cvisar urinens progressiva rörelse över plåthylsan och efter att bilden har kommit i kontakt med stoppet. Observera att kontakt med urinen med mätstickan leder till en kolorimetrisk reaktion och färgförändring på mätstickskuddarna.
Figur 5 visar på ett potentiellt problem som kan uppstå om ytorna för överföring av urinen (dvs. baspastej, toppplatta och glidning) inte är tillräckligt belagda med hydrofobisk spray. En illustration av en brunn och dåligt belagd bild visas i figur 5A. Om de är dåligt belagda kan man observera streck (visas med vita pilar i figur 5B)under glidsteget som minskar noggrannheten hos den överförda volymen. Dessutom kan man observera att diabilden inte kan överföra urinen till mätstickan (figur 5C), och urinen kan förbli i genomhålen även när bilden tas bort från enheten. Dessa steg belyser vikten av att få bra spraytäckning (steg 1.1.8, 1.4.4, 1.5.3 och 1.5.4). Om det finns oro för spraytäckningen eller om du observerar dessa prestandafel är det bäst att göra om basplattan, toppplattan och glida.
Ett urinprov utfördes med en högkvalitativ smartphone: telefon 1 (bildupplösning: 8000 pixlar x 6000 pixlar). Representativa resultat visas i figur 6. Vi genomförde tester med avjoniserat vatten och kommersiell urin (både standardsammansättning och med hög glukos). Färgkuddarna på mätstickan förändras i tid som svar på urinens kolorimetriska reaktion med analyterna i mätstickan. Felstaplarna i figur 6 representerar den standardavvikelse som gavs för tre på varandra följande mätningar av varje prov som registrerats av de två smartphones. Figur 6A plottar svaret för glukosdynan över tid för de olika testförhållandena. För det märke av mätsticka som används är den rekommenderade avläsningstiden för glukosmätningen 30 sekunder. Som förväntat ändras inte dipstickens färg under detta intervall för vatten, det slutliga värdet för standardurin matchar med den "normala" uringlukoströskelnivån (160-180 mg/dL), och det slutliga värdet för tillståndet "hög glukos" är förhöjt över normalvärdet. Viktigt är att observera att rätt värde inte uppnås förrän om 30 sekunder, vilket illustrerar vikten av att ställa in tidsintervallet korrekt i steg 2.8. Samma experiment utfördes med en annan smartphone med lägre bildupplösning: telefon 2 (bildupplösning: 3264 pixlar x 2448 pixlar). På grund av skillnaden i kameraupplösning observeras en betydande skillnad från de tidigare resultaten i bildfärgen och kvaliteten när du tar bilder av mätstickspanelen, som visas i figur 6B. Skillnaderna i ficklampa specifikationer bidrar också till skillnaderna i bildkvalitet. Från figur 6kan man se att båda telefonerna ger liknande trender i färgförändringen över tid, även om de faktiska färgerna som upptäcks är olika. Färgmatchningsalgoritmen som används av smartphone-applikationen för urinprovet ger samma resultat för analytkoncentrationerna, trots skillnader i det fysiska utseendet på mätstickkuddarnas färger. Konsekvensen i resultaten beror på användningen av diagramdekalen som referensdiagram för analysen. Eftersom både diagramdekalen och mätstickan fångas under samma ljusförhållanden och bildkvalitet utvärderar smartphone-applikationen (R,G,B) komponenterna och färgskillnaden på både referenstorget och mätsticksplattan på ett liknande sätt för båda smartphones. Dessa resultat bekräftar att protokollet som beskrivs i detta manuskript är oberoende av smartphone-modellen, så länge både referensfärgdiagrammet och mätstickan avbildas under samma miljö.
Vi har tidigare utvärderat noggrannheten hos den automatiserade urinanalysanordningen genom att jämföra med traditionella dopp-och-torka metoder med hjälp av en kommersiell urinstandard19. I tabell 1 jämförs de resultat som erhållits med de två testerna. Det kan ses att systemets noggrannhet beror på den volym som överförs till varje mätsticksplatta. De mest exakta resultaten erhölls när den automatiserade urinprovsanordningen utformades för att överföra 15 μL urin; Därför är det viktigt att enheten överför den önskade urinvolymen exakt och konsekvent till mätstickkuddarna. Representativa resultat för att validera enhetens konsistens genom att överföra 15 μL urinprover under sju olika försök visas i figur 7. Den totala standardavvikelsen konstaterades ligga under 0,5 μL, vilket ligger inom 4 % av målvärdet. Resultaten bekräftar att enheten kan överföra mikroliter av urin korrekt och konsekvent för att utföra testet.
Figur 1: Schematiska ritningar av enhetskomponenter. A) Bottenplatta. B) Toppplatta och inloppsskydd, som limmas ihop i steg 1.5.1. C) Bild och tillhörande QR-kod som används för tidsinställningskontroll. D) Plåthylsa, bildad genom att limma toppplattan till bottenplattans avsatser i steg 1.5.4. Diagramdekalen bredvid visningshålet möjliggör färganalys. E) Låda. F) Monterad anordning. Under användning placeras en mobiltelefon ovanpå lådan så att linsen och ficklampan placeras ovanför avbildningshålet. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Bild 2: Processen för den kolorimetriska analysen med hjälp av appen. A) Ikonen på telefonskärmen "Urintest" väljs för att starta applikationen. B) Ett popup-fönster informerar användaren om att ändra avläsningstiderna. C) Användaren anger manuellt analytnamnet och avläsningstiderna. D) Ett popup-fönster för att informera användaren om telefonjustering. E) Representativ bild av en korrekt justerad mätsticka före provning. F) Skärmbild efter att bilden har infogats och QR-koden verkar initiera datainsamling. S) Skärmen en sekund efter att testet har startats. De svarta fyrkantiga överläggen visar användaren den exakta platsen där appen samlar in pixelinformation. H) Resultaten av det slutförda mätstickstestet. Testresultat med streck anses vara normala för den valda mätstickan. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Figur 3: Fotografi av den monterade enheten i aktion i början av ett urinprov. En användare börjar testet genom att sätta in en pipett med urin i inloppet. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Figur 4: Intern process av vätskedeposition på mätstickstestet från början till slut. A) Genom att föra in diabilden i platthylsan och justera glidhålen med inloppet kan överföringspipetten leverera urinen i varje genomslagshål i bilden. B) Att glida genom insidan av den hydrofobiska belagda plåthylsan möjliggör vätsketransport. C) När bilden når stoppet i basplattan levereras urin till testkuddarna, vilket resulterar i kolorimetriska förändringar. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Figur 5: Potentiella problem i samband med otillräcklig hydrofobi. A) En glid med och utan tillräcklig beläggning. B) Otillräckligt belagda bildspel läcker under glidsteget. C) En otillräckligt belagd glidning överförs inte till mätsticksdynorna även efter att ha dragits tillbaka ut ur enheten: vätskan förblir i glidhålen, som ses i indraget längst ner till höger. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Bild 6: Urinanalysresultat för glukosdynan med två olika smartphones för tre typer av prover. A) Glukosdynans responsegenskaper över tid för de olika testförhållanden som registrerats med en kameratelefon med hög kameraupplösning (telefon1). B) Glukosdynans responsegenskaper över tid för de olika testförhållanden som registrerats med en kameratelefon med låg upplösning (telefon 2). Avläsningen på 30 sekunder motsvarar önskad tid för tillverkaren. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Figur 7: Brunnsnummer kontra genomsnittlig överförd volym. Varje brunn motsvarar ett genomhål för en viss testplatta; den första brunnen är närmast inloppet. Denna siffra har modifierats från Smith, et al.19 och reproducerats med tillstånd från Royal Society of Chemistry. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
| Analyte (analyte) | Skillnader från dopp och torka | |||||||||
| Leu | Nit | Uro | PRO | pH | Blo | Sg | Ket | Limma | ||
| Doppa och torka | 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 |
Tabell 1: Medianvärden och standardavvikelser för analyter med hjälp av olika deponerade volymer. Symbolen ▼ anger medianvärden som skiljer sig från den medianvärde som erhålls med dip-and-wipe-metoden, branschstandarden. Det totala antalet analytkuddar vars medianvärden skiljer sig från dip-and-wipe-metoden rapporteras i den längst till höger-kolumnen. Observera att resultaten är kumulativa för alla mätstickor som används. LEU: leukocyter, NIT: nitrit, URO: urobilinogen, PRO: protein, BLO: blod, SG: specifik gravitation, KET: ketoner, GLU: glukos. Detta bord har modifierats från Smith, et al.19 och reproducerats med tillstånd från Royal Society of Chemistry.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Traditionell mätsticks urinanalys är prisvärd och bekväm men kräver manuell uppmärksamhet på detaljer för att ge exakta resultat. Manuell mätsticks urinanalys är föremål för varierande ljusförhållanden, individuella färguppfattningsskillnader och korskontaminering. Många kliniker och sjukhus har redan instrument för att automatisera urinsticksanalys, men instrumenten är vanligtvis skrymmande, dyra och förlitar sig fortfarande på korrekt prestanda för dopptorkmetoden. Dessutom kräver dessa instrument årlig kalibrering och underhåll för exakta resultat.
Protokollet automatiserar och styr flera viktiga steg som är involverade i mätsticks urinanalys (t.ex. distribution av vätska till testkuddarna, tidpunkten för starten, kontroll över belysningen och kvantitativ jämförelse med referensstandarden), vilket är nödvändigt för att uppnå tillförlitliga resultat. För detta ändamål, Kritiska steg i protokollet gäller anordningens konstruktion omfattar steg 1.4.3, 1.1.4, 1.4.7 och 1.1.5, som matchar genomhålens storlek med önskad volym, säkerställer korrekt placering av stoppen för att anpassa genomhålen till mätstickan, säkerställa korrekt placering av QR-koden som används som tidsindikator och se till att testet inte påverkas av omgivande ljus respektive. Dessutom är överföringen av urin genom glidningen och efterföljande nedfall på mätstickan mycket beroende av ytegenskaperna hos de material som används. Därför, om icke-hydrofoba ytor används för bottenplattan, toppplattan och glidningen, är det viktigt att applicera en tillräcklig mängd hydrofobisk spray. Det är särskilt viktigt att se till att de inre ytorna på glidhålen har sprutats så att vätskan faller till mätplattan efter att ha halkat.
Protokollet kan enkelt ändras för att användas med andra märken av mätstickor genom att ändra måtten och avståndet mellan genomhålen. Volymen som appliceras på mätstickan kan också ändras genom att ändra tjockleken på akrylen som används för att tillverka bilden (med motsvarande förändringar i tjockleken på basplattans avsatser) eller storleken på genomhålen. Den medföljande programappen gör det möjligt för användaren att ändra namn och avläsningstider för att anpassa sig till dem för det märke av mätsticka som används.
Den nuvarande enheten kombinerar en 3D-printad bottenplatta och laserskuren toppplatta för att bilda en plåthylsa. Båda dessa tillverkningsmetoder är överkomliga, och materialvalen kan ändras. Exklusive telefonen och mätstickan kostar akryl som används i den nuvarande enheten cirka $ 0.85, och material som används i den 3D-utskrivna basplattan kostar cirka $ 1.50 per enhet. Även om bottenplattan vi använde är 3D-printad från akryllonitril butadynstyren (ABS), är andra polymerer som bildar en hård och styv yta också lämpliga. Till exempel kan en version av enheten göras med en platthylsa helt tillverkad av akryl19. Elastomeriska material som polydimethylsilioxane (PDMS) är inte önskvärda eftersom deras lägre styvhet är mindre kompatibel med att skjuta en glasyta för att möjliggöra den glidande verkan som är avgörande för volymkontrolldesignen.
En viktig begränsning av det nuvarande protokollet är att den hydrofobiska beläggningen som appliceras på glid- och plåthylsan kan skalas med frekvent användning, vilket begränsar enhetens stabilitet över tid. Efter 3-4 testkörningar skalar och ändrar de hydrofobiska beläggningarna ofta den överförda volymen, vilket potentiellt minskar noggrannheten i resultaten. Framtida metodändringar kan inkludera användning av mer hållbar hydrofobisk beläggning eller material som är naturligt hydrofoba. Dessutom kan akrylbindningen försvagas under upprepade tester också. Den låga kostnaden för enheten gör det dock möjligt att göra och limma ihop flera utskrifter efter behov. Bilden kan därför betraktas som en återanvändbar del.
En annan begränsning är oförmågan att mätta glukosdynan med urin på grund av dynans hydrofobiska natur. Som sådan absorberar den bara delvis vätska med den automatiserade enheten. Vi tyckte inte att detta minskade resultatets noggrannhet, men det kräver noggrann körning av steg 2.9 för att säkerställa att kameravisningsområdet fångar data från mitten, inte kanterna på glukostestplattan. Framtida arbete kan lösa problemet genom att införliva ett annat märke av mätsticka som inte har hydrofobi på några mätsticksreagenskuddar på testet.
Genom att styra de viktigaste stegen som bidrar till användarfel möjliggör denna metod ökad noggrannhet i resultat som utförs av icke-utbildade individer och är lämplig för hemtestning. Till skillnad från andra urinanalysappartillgängliga 7,8,9, är systemet modifierbart för alla märke av mätstickstest. Enheten är återanvändbar och kräver ingen ström att använda utanför ström som förbrukas av smarttelefonen. I framtiden föreställer vi oss att protokollet kan vara mottagligt för självtestning av patienter. Genom att säkerställa noggrannheten i mätstickstestresultaten kan patienterna övervaka sin egen urin oftare utan de hinder som är förknippade med standard klinisk urinprovspraxis.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Detta arbete finansierades av Dorothy J. Wingfield Phillips Chancellor Faculty Fellowship. Emily Kight finansierades av NSF GRFP.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Black Cast Acrylic Sheet 12" x 24" x 1/8" |
McMaster Carr | 8505K742 | $14.27 |
| Chart sticker | Stickeryou.com | $12.39 | |
| Clear Scratch- and UV-Resistant Cast Acrylic Sheet 12" x 24" x 1/16" |
McMaster Carr | 8560K172 | $9.52 |
| disposable polyethylene transfer pipet | Fischer Brand | 13-711-9AM | lot# : 14311021 |
| Fortus ABS-M30 | Stratasys | 345-42207 | lot# : 108078 |
| Githut: https://github.com/Iftak/UrineTestApp | |||
| Innovating Science - Replacement Fluids for Urinalysis Diagnostic Test Kit (IS3008) | Amazon | $49 | |
| Nonwhitening Cement for Acrylic Scigrip 4, 4 oz. Can |
MCM | 7517A1 | $9.22 |
| Rust-Oleum 274232 Repelling treatment base coat-9 oz and top-coat 9-oz , Frosted Clear | Amazon | Color: Frosted Clear | $6.99 |
| Urinalysis Reagent Strips 10 Panel (100 Tests) MISSION BRAND | Medimpex United, Inc | MUI-MS10 | $10.59 |
References
- Lei, R., Huo, R., Mohan, C. Expert Review of Molecular Diagnostics Current and emerging trends in point-of-care urinalysis tests. Expert Review of Molecular Diagnostics. 00, 1-16 (2020).
- Kavuru, V., et al. Dipstick analysis of urine chemistry: benefits and limitations of dry chemistry-based assays. Postgraduate Medicine. 5481, (2019).
- Pugia, M. J. Technology Behind Diagnostic Reagent Strips. Laboratory Medicine. 31, 92-96 (2000).
- Dungchai, W., Chailapakul, O., Henry, C. S. Electrochemical detection for paper-based microfluidics. Analytical Chemistry. 81, 5821-5826 (2009).
- Van Delft, S., et al. Prospective, observational study comparing automated and visual point-of-care urinalysis in general practice. BMJ Open. 6, 1-7 (2016).
- Urisys 1100 Analyzer. , Available from: https://diagnostics.roche.com/us/en/products/instruments/urisys-1100.html (2020).
- Filippini, D., Lundström, I. Measurement strategy and instrumental performance of a computer screen photo-assisted technique for the evaluation of a multi-parameter colorimetric test strip. Analyst. 131, 111-117 (2006).
- Shen, L., Hagen, J. A., Papautsky, I. Point-of-care colorimetric detection with a smartphone. Lab on a Chip. 12, 4240-4243 (2012).
- Ra, M. Smartphone-Based Point-of-Care Urinalysis under Variable Illumination. IEEE Journal of Translational Engineering in Health and Medicine. 6, 1-11 (2018).
- Yetisen, A. K., Martinez-Hurtado, J. L., Garcia-Melendrez, A., Da Cruz Vasconcellos, F., Lowe, C. R. A smartphone arebeorithm with inter-phone repeatability for the analysis of colorimetric tests. Sensors and Actuators, B: Chemical. 196, 156-160 (2014).
- Wang, S., et al. Integration of cell phone imaging with microchip ELISA to detect ovarian cancer HE4 biomarker in urine at the point-of-care. Lab on a Chip. 11, 3411-3418 (2011).
- Zhang, D., Liu, Q. Biosensors and bioelectronics on smartphone for portable biochemical detection. Biosensors and Bioelectronics. 75, 273-284 (2016).
- Choi, K., et al. Smartphone-based urine reagent strip test in the emergency department. Telemedicine and e-Health. 22, 534-540 (2016).
- Kwon, L., Long, K. D., Wan, Y., Yu, H., Cunningham, B. T. Medical diagnostics with mobile devices: Comparison of intrinsic and extrinsic sensing. Biotechnology Advances. 34, 291-304 (2016).
- Vashist, S., Schneider, E., Luong, J. Commercial Smartphone-Based Devices and Smart Applications for Personalized Healthcare Monitoring and Management. Diagnostics. 4, 104-128 (2014).
- Inui. , Available from: https://www.inuihealth.com/inui/home (2020).
- Healthy.io. , Available from: https://healthy.io/ (2020).
- Scanwell. , Available from: https://www.scanwellhealth.com (2020).
- Smith, G. T., et al. Robust dipstick urinalysis using a low-cost, micro-volume slipping manifold and mobile phone platform. Lab on a Chip. 16, 2069-2078 (2016).
- Du, W., Li, L., Nichols, K. P., Ismagilov, R. F. SlipChip. Lab on a Chip. 9, 2286-2292 (2009).
