用于家庭测试的低成本、体积控制的滴管尿分析

摘要

滴水尿分析是评估个人健康状况的快速且经济实惠的方法。我们提出了一种执行准确、低成本的油尺尿分析的方法，该方法可消除与传统浸擦协议相关的主要错误源，并且足够简单，可由家中的非专业用户执行。

摘要

滴水尿分析提供快速和负担得起的估计多种生理条件，但需要良好的技术和培训，以准确地使用。油尺尿透析的手动性能依赖于良好的人色视觉、适当的照明控制以及与图表颜色的易发生错、对时间敏感的比较。通过自动进行油尺尿分析测试的关键步骤，可以消除潜在的错误源，从而允许在家里进行自我测试。我们描述了创建可自定义设备在任何环境中执行自动尿分析测试所需的步骤。该设备制造成本低廉，组装简单。我们描述了为选择的油尺定制它以及自定义手机应用程序以分析结果的关键步骤。我们演示它用于进行尿分析，并讨论确保稳健运行所需的关键测量和制造步骤。然后，我们将建议的方法与浸湿法进行比较，即油尺尿透析的金本位技术。

引言

尿液是多种代谢疾病或健康指标的非侵入性来源。尿道分析，尿液的物理和/或化学分析，可以快速检测肾脏疾病，尿路疾病，肝病，糖尿病，和一般水化^1。尿分析油尺是经济实惠的半定量诊断工具，依靠色度变化来指示大致的生理水平。每个油尺可以执行各种各样的检测，包括pH，渗透性，血红蛋白/肌红蛋白，血红蛋白，血红素，白细胞酯酶，葡萄糖，蛋白尿，亚硝酸盐，酮和胆红素²的测试。油尺尿分析原理依赖于定时反应的发生，通过这种反应，油尺垫上的颜色变化可以与图表进行比较，以确定分析特浓度^3。鉴于其经济性和易用性，油尺是医疗保健中尿透析最常见的工具之一。

传统上，油尺尿透析依靠训练有素的护士或医疗技术人员手动将油尺插入一杯尿样中，擦去多余的尿液，并将色垫与特定时间的图表颜色进行比较。虽然浸抹法是油尺分析的黄金标准，但它对人类视觉评估的依赖限制了可以获得的定量信息。此外，油尺尿透析的两个手动步骤（浸湿步骤和色度结果比较）需要准确的技术，这直接限制了患者在家环境中进行可靠测试的可能性。擦拭导致样品垫的交叉污染可能导致不准确的颜色变化。此外，由于在擦拭过程中缺乏体积控制而导致的体积不一致，可能导致分析特浓度测量不当。重要的是，从尿液浸渍（即检测开始）到与图表比较之间的时间对于准确分析结果至关重要，并且是人为错误的巨大潜在来源。手动着色比较的困难在于，许多垫必须同时读取，而有些垫子在不同的时间读取。即使是完全定时的颜色比较仍然取决于人类读者的视觉敏锐性，他们可能遭受色盲症或感知不同的颜色在不同的照明环境^4。这些挑战突出说明了为什么临床医生只能依靠训练有素的人员进行的油尺尿分析。但是，自动尿透析系统可以通过消除手动浸渍步骤的需要、纳入计时控制以及实现与校准颜色参考同时进行颜色比较来解决上述所有问题。这反过来又会减少用户错误，从而允许在家庭环境中进行可能的采用。

在过去20年中，自动分析仪被用来读取油尺尿液测试的结果，其准确度与视觉分析5相同或超过^5。许多诊所和医生办公室使用这种机器快速分析和打印传统的油尺结果。大多数尿化机器最大限度地减少目视检查错误，并确保结果⁶的一致性。它们易于使用，比手动检查更高效，但仍要求用户正确执行浸湿方法。因此，这些机器由未经培训的人（如家庭用户）操作的能力有限:此外，它们是非常昂贵的。

最近，手机已成为各种生物色度测量的足智多谋的工具^{7，8，9，10，}包括尿透析11，12，13。由于其遥感能力和高成像分辨率，手机已成为有效的医疗保健分析设备^14，15。事实上，FDA已经清除了几个基于智能手机的家庭尿液测试16，17，18。一些基于智能手机的新型商业产品采用了已建立的尿透析油尺，而另一些则采用专有的彩色垫。所有这些产品都采用专有方法，针对不同手机类型的不同照明条件进行校准。不过，这些解决方案的一个问题是，用户除了执行适当的手动浸渍方法（即不进行交叉污染）外，还必须在正确的时间手动拍照。值得注意的是，这些测试都没有控制沉积在油尺上的体积，我们发现这些量会影响颜色变化^19，并解释生理结果。这些设备的工作流程中目前的差距和成本表明，还需要进行无人、体积控制的尿液沉积程序和免提油尺摄影。

我们描述了一个体积控制的自动油尺尿分析协议，无需手动浸湿步骤。自动化过程的关键是设备^19， 其基本原理基于 SlipChip^20， 并且使用表面化学效应在不同层之间传输液体。简言之，转移滑梯和周围板套上的疏水涂层迫使液体毫不费力地穿过设备，并在滑梯处于最终位置后释放到油尺垫上，此时底部疏水屏障被空气取代。此外，协调的挡光盒可标准化照明条件、摄像机视角和摄像机对焦距离，以确保不受环境照明条件影响的准确和可重复的结果。附带的软件应用程序可自动捕获图像和色度分析。在描述协议后，我们提供不同条件下尿透析测试的代表性结果。与标准浸湿方法的比较表明，建议的方法是可靠的。

研究方案

1. 制造和组装尿分析设备

1. 制作底板（图1A）。
   1. 使用计算机辅助设计 （CAD） 软件使用多线工具绘制尺寸为 2.1641 的矩形区域 x 0.0547 x 6.3828（W x H x L）。
   2. 测量油尺上的测试区域（矩形区域，包括第一个和最后一个垫子之间的距离和垫子的宽度）。
      注意:需要此信息来绘制支撑油尺的通孔，并将液体分离在垫子之间（以防止交叉污染）。
   3. 添加模拟测试区域中每个测试板大小和位置的透孔。
   4. 绘制两个凸起的侧窗台，测量 2.1641 在 x 0.6797 在 （W x L）。
   5. 使用多线工具绘制停止（0.1172 在 0.2109 中 （W x L）中），以促进基板和幻灯片之间的对齐。停止应垂直于窗台，并实际阻止滑梯通过尿油尺垫移动。
   6. 选择停止和窗台的线条，使一个区域使用 区域 命令。使用 Extrude 命令将区域提升到 0.0703 的高度。在设备的另一侧重复此步骤。
   7. 在两个窗台上创建一个缺口（0.1895×0.3500（W x L），以便于与框对齐。将其从窗台底部边缘定位为 0.466。使用 区域 命令创建矩形，使挤出高度 0.1250 在。
   8. 使用 固体减去 命令，选择设备，按 输入，选择缺口区域并按 输入。在设备的另一侧重复。
      注:形状将从设备中删除。
   9. 将底板打印在 3D 打印机上，用砂纸将窗台之间的顶面区域进行沙盘磨砂，以粗糙表面。
      注意:打磨很重要，因此疏水涂层可以牢固地粘附在底板上。
   10. 用胶带将窗台胶带（避免喷洒窗台），并喷洒疏水喷雾剂底板。将几件（4-8）外套涂在底板上。喷洒时，将罐体保持在离底板约 8-12 英寸的地方。干燥时，设备应具有乳白色外观。
       注意:请按照制造商的说明进行适当的位置和 PPE 喷洒。
   11. 等待30分钟，然后再多次涂抹上衣（6-8倍）。使用前，让底板干燥12小时。从窗台上取下胶带。
2. 制作顶部板 （图 1B）。
   1. 使用多线工具在 CAD 软件中绘制一个矩形区域，以测量 2.05 在 x 5.470 中 （W x L） 。
   2. 添加一个矩形通孔（"透孔"），略大于油尺测试区域的大小（例如，0.230 在 x 3.147 中 （W x L）。从顶部放置 0.921，从左侧放置 1.165，从顶部板的右边缘放置 1.165。
   3. 画第二个通孔（"入口孔"）大小为0.075在x 3.146在（W x L）。从底部边缘放置 0.236，从上边缘放置 1.737，从顶部板的左右边缘放置 1.162。
   4. 用激光切割机将顶部板从一块透明丙烯酸中切下来。擦去剩余的灰尘或碎屑。
3. 制作入口盖（图1B）。
   1. 使用多线工具在 CAD 软件中绘制尺寸为 0.247 的矩形区域（3.3378 in （W x L）。从入口盖的两个边缘加入两个直径为 0.127 的圆形通孔，直径约为 0.073，两侧各有一个。
   2. 用激光切割机从一块透明丙烯酸中切下入口盖。
4. 制作幻灯片 （图 1C）
   1. 在 CAD 软件中绘制一个矩形区域，该区域使用多线工具测量 2.771 在 x 0.0625 中 x 5.000（W x H x L）。
   2. 添加与测试区域中每个测试台位置相匹配的透孔。将第一个 0.105 在正方形直通孔中绘制，以与第一个测试板的位置重叠:从幻灯片的左右边缘绘制 1.096，从顶部边缘绘制 0.960，从底部边缘绘制 1.681。根据需要添加更多通孔（通常总共 10 个），以选择选定的油尺品牌。通过测量油尺上测试板之间的距离，将每个下一个透孔进行空间测量。
      注意:为了将正确的液体体积沉入油尺垫上，透孔的大小非常重要。对于我们的油尺品牌，我们创建了孔，将 15 ul 沉积到每个油尺垫上。
   3. 使用激光切割机从一块透明丙烯酸中切割滑梯。擦去剩余的灰尘或碎屑。
   4. 用疏水喷雾喷洒滑梯前部。在幻灯片上涂上几件外套（6-8倍）底漆。喷洒时，将罐体保持在离滑梯约 8 -12 的地方。
   5. 等待 30 分钟，然后再多次涂抹上衣（8-12 倍）。使用前，让幻灯片干燥 12 小时。
   6. 从在线 QR 代码生成器下载 QR 代码，并在纸上打印所需的代码，并带有粘性胶粘剂背衬。将 QR 代码 0.17 从第一个通孔的右侧与所有通孔沿同一行放置。
      注:只要 QR 代码与通孔相邻，准确放置并不重要。
   7. 使用透明胶带覆盖 QR 代码并将其固定到幻灯片上。
5. 组装入口和板套（图1D）。
   1. 使用丙烯酸水泥将入口盖粘在入口孔所在的顶部板上，从而制造入口。等待 24-48 小时，以确保将碎片粘合在一起。
   2. 一旦入口盖牢固地粘合到顶部板上，用疏水喷雾喷洒顶部板的背面。将顶部板倒置。多次涂抹第一套底大衣（4-8倍）。
   3. 将喷雾剂保持在离顶部板 8-12 英寸的地方，等待 30 分钟才能干燥。多次涂抹上衣（6-8倍）。使用前，让顶部的盘子干燥12小时。
   4. 将完成的顶板粘合到基板的窗台上，用丙烯酸水泥将板套（组合顶部板和底板）组装起来。两块通过目视检查很容易对齐，因为顶部板的底部边缘将与底板的边线对齐。根据制造商的说明，在底板窗台上涂上夹子，在干燥过程中将其固定，等待 24-48 小时后再使用。
6. 创建图表贴纸。
   1. 从制造商的网站上下载油尺品牌的颜色图表。
   2. 打开图形编辑器软件中下载的文件。
   3. 打开图形编辑器软件中以前用于激光切割机（本协议的第 1.2 步）的顶板模板的数字文件。
   4. 通过匹配制造商颜色图表中的彩色框，为图表贴纸创建彩色框。在制造商的图表上选择第一块颜色，在图形编辑器软件中使用滴入工具，然后使用框形工具在顶部板模板上以相同颜色在油尺垫所在的同一行中制作一个框形。对于对应于每个垫行的每个颜色块，重复此步骤。
   5. 删除与顶部板模板相关的图层。
   6. 将图表贴纸打印为带有在线贴纸打印服务的乙烯基贴纸。将图表贴纸放在板套上，并与每个通孔对齐。
7. 制作盒子（图1E）。
   1. 将 CAD 软件中的两个长边框件（部分"a"和"b"）绘制为矩形，尺寸为 4.92（x 6.63（W x L）。将切口添加到以底部边缘为中心的部分"a"，尺寸为 0.2 英寸 x 6.11 英寸（W x L）。
   2. 将 CAD 软件中的两个窄面框件（部分"d"和"e"）绘制为矩形，尺寸为 1.805 英寸 x 6.63 英寸（W x L）。
   3. 将框顶部（部分"c"）绘制为长方形，尺寸为 1.805 x 6.63 （W x L）。在顶部绘制"成像透孔":0.74 在 x 0.910 在 （W x L）， 位置 3.17 从底部， 2.53 从顶部， 0.65 在从右边缘， 和 0.42 从左边缘。
      注:成像透孔的确切位置应根据用于分析的手机进行选择。
   4. 绘制每个框件，以具有联锁边缘的模式，将允许所有框侧在图 1D中描述的每一个边缘上一起捕捉。要制作联锁边缘模式，在长边缘上交替挤压/入侵模式，在 （W x L） 突起中以 0.135 比 1.17 交替。在盒子的每一侧绘制两个长边的挤压。使用相同的挤压/入侵模式为短边缘，但入侵测量为0.135英寸×0.460英寸（W x L）。
   5. 用激光切割机切割五件，或用 3D 打印机打印。
      注:使用丙烯酸片的激光切割部件制造成本低廉，可平整，便于运输。使用黑色丙烯酸，因为它有助于吸收测试过程中的散射光。
   6. 在盒内添加黑色构造纸，以防止在图像分析过程中从闪光灯中散射，如果盒子材料具有光泽表面。

2. 准备测试

1. 从 GitHub （https://github.com/Iftak/UrineTestApp） 下载尿测试移动应用程序。
2. 将应用程序安装到手机上。
   注:对于给定手机的所有未来用途，此步骤只需完成一次。如果需要，启用手机上的开发人员状态来实现此问题。
3. 在手机中启动尿测试应用程序 （图 2A）。
4. 阅读更改分析名称和读取时间（图 2B）的说明，以匹配感兴趣的油尺（基于制造商的规格），并通过屏幕上的文本持有人窗口插入新的输入（图 2C）。
   注:每个油尺垫所需的读出时间将取决于使用的油尺品牌。
5. 将各种组件组装在一起，并将油尺插入板套下方的通孔（图1F）中。
6. 将板套放在盒子内，使其档次与盒子间隙对齐。
7. 将滑梯放在板套内，使其通孔与入口对齐。
8. 将手机放在盒子的顶部，后置摄像头镜头面向透孔查看，以便进行成像。通过在测试前检查手机屏幕上的图像，确保摄像机的可见性不被遮挡。该应用程序将自动启用手机上手电筒。
9. 阅读手机对齐指令（图 2D），并相应地对齐手机，使油尺与屏幕上黑色矩形叠加的边界重合 （图 2E）。
10. 单击应用窗口上的 "开始" 按钮即可开始测试。
    注意:这将打开手机摄像头，在查看一次时读取QR码（图2F）。

3. 进行测试

1. 将尿液放入入口孔中，用一次性聚乙烯输送管道，内含约0.5mL的尿液（图3）。
   注:液体的确切量并不重要，但至少应为 0.5 mL，以确保所有通孔都获得足够的尿液。添加液体后，观察液体穿过入口，并沉积在幻灯片的每个通孔中。
2. 通过将滑梯推入板套启动测试，直到滑梯被底板停止。
   注意:当 QR 码位于手机视线中时，尿液应与油尺垫接触。读取 QR 代码后，应用程序将打开一个窗口来分析颜色变化 （图 2G），并在同一窗口内自动显示结果 （图 2H）。
3. 适当丢弃尿液，清洁板套，用10%的漂白液滑动，用去离子水再次冲洗。允许它在额外使用前干燥。

结果

图4演示尿在尿分析测试期间如何转移到油尺上。在典型的测试中，尿液的转移是无法观察到的，因为盒子遮挡了视图。一旦样品使用移液器（步骤3.1）沉积在入口中，它将填补幻灯片上的孔（图4A）。图4B和图4C分别显示尿液在板套上和滑梯与停止接触后的渐进运动。请注意，尿液与油尺的接触会导致油尺垫...

讨论

传统的油尺尿分析是负担得起的和方便的，但需要手动注意细节，以产生准确的结果。手动油尺尿透析受可变照明条件、单个颜色感知差异和交叉污染的影响。许多诊所和医院已经拥有了自动尿油尺分析的仪器，但这些仪器通常体积大，价格昂贵，并且仍然依赖于浸湿方法的正确性能。此外，这些仪器需要每年校准和维护才能获得准确的结果。

该协议自动和控制与油尺尿透?...

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