Analyse d’urine dipstick à faible coût et contrôlée par le volume pour les tests à domicile

Résumé

L’analyse d’urine dipstick est une méthode rapide et abordable pour évaluer son état de santé personnel. Nous présentons une méthode pour effectuer une analyse d’urine précise et peu coûteux qui élimine les principales sources d’erreur associées aux protocoles traditionnels de trempette et d’effacement et est assez simple pour être effectuée par les utilisateurs laïcs à la maison.

Résumé

L’analyse d’urine dipstick fournit des estimations rapides et abordables de multiples conditions physiologiques, mais nécessite une bonne technique et une bonne formation à utiliser avec précision. Les performances manuelles de l’analyse d’urine dipstick reposent sur une bonne vision des couleurs humaines, un bon contrôle de l’éclairage et des comparaisons sensibles au temps et sujettes aux erreurs par rapport aux couleurs des graphiques. En automatisant les étapes clés du test d’analyse d’urine dipstick, les sources potentielles d’erreur peuvent être éliminées, ce qui permet l’auto-test à la maison. Nous décrivons les étapes nécessaires à la création d’un dispositif personnalisable pour effectuer des tests automatisés d’analyse d’urine dans n’importe quel environnement. L’appareil est bon marché à fabriquer et simple à assembler. Nous décrivons les étapes clés impliquées dans la personnalisation du dipstick de choix et pour personnaliser une application de téléphonie mobile pour analyser les résultats. Nous démontrons son utilisation pour effectuer l’analyse d’urine et discutons des mesures critiques et des étapes de fabrication nécessaires pour assurer le fonctionnement robuste. Nous comparons ensuite la méthode proposée à la méthode de trempette et d’effacement, la technique d’étalon-or pour l’analyse d’urine dipstick.

Introduction

L’urine est une source non invasive d’indicateurs métaboliques multiples de la maladie ou de la santé. L’analyse d’urine, l’analyse physique et/ou chimique de l’urine, peut être exécutée rapidement pour détecter la maladie rénale, la maladie urinaire, la maladie hépatique, le diabète sucré, et l’hydratation^{générale 1.} Les dipsticks d’urine sont des outils diagnostiques semi-quantitatifs abordables qui reposent sur des changements colorimétriques pour indiquer des niveaux physiologiques approximatifs. Chaque dipstick peut effectuer une grande variété d’analyses, y compris des tests pour le pH, l’osmolalité, l’hémoglobine / myoglobine, hématurie, esterase leucocyte, glucose, proteinuria, nitrite, cétone, et bilirubine². Le principe de l’analyse d’urine dipstick repose sur l’apparition d’une réaction urbrée par laquelle un changement de couleur sur la garniture dipstick peut être comparé à un graphique pour déterminer la concentration d’analyte³. Compte tenu de leur abordabilité et de leur facilité d’utilisation, les dipsticks sont l’un des outils les plus courants pour l’analyse d’urine dans le domaine des soins de santé.

Traditionnellement, l’analyse d’urine dipstick s’appuie sur une infirmière ou un technicien médical qualifié pour insérer manuellement le dipstick dans une tasse d’échantillon d’urine, essuyer l’excès d’urine, et comparer les garnitures de couleur aux couleurs de diagramme à des moments spécifiques. Bien que la méthode de immersion et d’effacement soit l’étalon-or pour l’analyse des dipsticks, sa dépendance à l’égard de l’évaluation visuelle humaine limite l’information quantitative qui peut être obtenue. En outre, les deux étapes manuelles de l’analyse d’urine dipstick - l’étape dip-wipe et la comparaison des résultats colorimétriques - nécessitent une technique précise, ce qui limite la possibilité de tests fiables dans les milieux familiaux par les patients directement. La contamination croisée des tampons d’échantillon due à l’essuyage peut causer des changements de couleur inexacts. En outre, des volumes incohérents résultant de l’absence de contrôle du volume pendant l’essuyage peuvent entraîner une mesure incorrecte des concentrations d’analyte. Fait important, le temps entre le trempage de l’urine (c.-à-d. le début de l’analyse) et la comparaison avec un graphique est essentiel pour une analyse précise des résultats et est une énorme source potentielle d’erreur humaine. La difficulté dans la comparaison colorimétrique manuelle est que de nombreux pads doivent être lus en même temps, tandis que certains pads sont lus à des moments différents. Même les comparaisons de couleurs parfaitement alitées dépendent encore de l’acuité visuelle du lecteur humain, qui peut souffrir de daltonisme ou percevoir différentes couleurs dans différents environnements^{d’éclairage 4}. Ces défis soulignent pourquoi les cliniciens ne peuvent compter que sur l’analyse d’urine dipstick effectuée par du personnel qualifié. Toutefois, un système automatisé d’analyse d’urine pourrait répondre à toutes les préoccupations susmentionnées en éliminant la nécessité d’étapes manuelles d’effacement des trempettes, en incorporant des contrôles de synchronisation et en permettant des comparaisons simultanées de couleurs avec des références de couleurs calibrées. Ceci, à son tour, réduirait l’erreur de l’utilisateur, permettant une adoption possible dans les paramètres à la maison.

Au cours des 20 dernières années, des analyseurs automatiques ont été utilisés pour lire les résultats des tests d’urine de dipstick avec la même précision que ou dépassant l’analyse^{visuelle 5}. De nombreuses cliniques et cabinets de médecins utilisent ces machines pour analyser et imprimer rapidement les résultats traditionnels des dipsticks. La plupart des machines d’analyse d’urine minimisent des erreurs visuelles d’inspection et assurent la cohérence dans^{les résultats 6.} Ils sont faciles à utiliser et plus efficaces que l’inspection manuelle, mais exigent toujours de l’utilisateur d’effectuer la méthode dip-wipe correctement. Par conséquent, ces machines ont une capacité limitée d’être exploitées par des personnes non entraînées telles que les utilisateurs à domicile; en outre, ils sont extrêmement chers.

Récemment, les téléphones cellulaires ont émergé comme un outil ingénieux pour diverses mesures colorimétriques^{biologiques 7,8,9,10}, y compris pour l’analyse^{d’urine 11,12,13}. Compte tenu de leurs capacités de télédétection et de leur haute résolution d’imagerie, les téléphones cellulaires sont devenus des dispositifs d’analyse^{de soins de santé efficaces 14,15}. En effet, la FDA a autorisé plusieurs tests d’urine à domicile à base de smartphones^16,17,18. Certains des nouveaux produits commerciaux basés sur smartphone intègrent des dipsticks d’analyse d’urine établis, tandis que d’autres disposent de pads colorimétriques propriétaires. Tous ces produits disposent de méthodes propriétaires pour calibrer les différentes conditions d’éclairage entre différents types de téléphones. Néanmoins, un problème avec ces solutions est que l’utilisateur doit prendre manuellement une photo au bon moment en plus d’effectuer une méthode manuelle appropriée de nettoyage des trempettes (c.-à-d. sans contamination croisée). Notamment, aucun de ces tests ne contrôle le volume déposé sur les dipsticks, qui, nous l’avons trouvé, peut affecter le changement de couleur¹⁹ et interprété le résultat physiologique. Les lacunes et les coûts actuels dans les flux de travail de ces dispositifs suggèrent un besoin supplémentaire de permettre une procédure de dépôt d’urine sans humain et contrôlée en volume et une photographie de dipstick mains libres.

Nous décrivons un protocole pour l’analyse d’urine automatisée de dipstick commandée en volume sans avoir besoin d’une étape manuelle de dip-wipe. La clé du processus automatisé est un dispositif^{19 dont le principe} sous-jacent est basé sur le SlipChip^{20 et} qui transfère le liquide entre différentes couches en utilisant des effets de chimie de surface. En bref, le revêtement hydrophobe sur la glissière de transfert et le manchon de plaque environnant forcent le liquide à se déplacer sans effort à travers l’appareil et à se libérer sur le tampon de dipstick une fois que la glissière est dans sa position finale, à quel point la barrière hydrophobe inférieure est remplacée par de l’air. En outre, la boîte coordonnée de blocage de la lumière normalise les conditions d’éclairage, l’angle de vue de la caméra et la distance de mise au point de la caméra afin d’assurer des résultats précis et reproductibles qui ne sont pas influencés par les conditions d’éclairage ambiant. Une application logicielle d’accompagnement automatise la capture d’images et l’analyse colorimétrique. Après la description du protocole, nous fournissons des résultats représentatifs du test d’analyse d’urine dans différentes conditions. Les comparaisons avec la méthode standard d’essuie-glace démontrent la fiabilité de la méthode proposée.

Protocole

1. Fabriquer et assembler le dispositif d’analyse d’urine

1. Fabriquer la plaque de base (Figure 1A).
   1. Utilisez un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO) pour dessiner une zone rectangulaire avec des dimensions 2.1641 en x 0.0547 en x 6.3828 dans (W x H x L) à l’aide de l’outil polyliné.
   2. Mesurer la zone d’essai (zone rectangulaire englobant la distance entre le premier et le dernier coussin et la largeur des coussinets) sur le dipstick.
      REMARQUE : Ces informations sont nécessaires pour dessiner les trous qui tiennent le dipstick en place et séparer le liquide entre les plaquettes (pour éviter la contamination croisée).
   3. Ajoutez des trous qui imitent la taille et la position de chaque bloc d’essai dans la zone d’essai.
   4. Dessinez deux corniches latérales surélevées qui mesurent 2,1641 en x 0,6797 dans (W x L).
   5. Faites un arrêt (0,1172 par 0,2109 dans (W x L)) à l’aide de l’outil polyliné pour faciliter l’alignement entre la plaque de base et la glissière. L’arrêt doit être perpendiculaire aux corniches et empêche physiquement la glissade de se déplacer passé les tampons dipstick urine.
   6. Sélectionnez les lignes pour l’arrêt et le rebord pour faire une région en utilisant le commandement région. Utilisez la commande Extrude pour élever la région jusqu’à une hauteur de 0,0703. Répétez cette étape de l’autre côté de l’appareil.
   7. Créer un cran (0,1895 par 0,3500 dans (W x L)) sur les deux corniches pour faciliter l’alignement avec la boîte. Placez-le 0,466 à partir du bord inférieur du rebord. Utilisez la commande Région pour créer un rectangle et faire entrer la hauteur d’extrusion 0,1250.
   8. Utilisez la commande Solid Subtract, sélectionnez l’appareil, appuyez sur Entrez,sélectionnez la région d’encoche et appuyez sur Entrez. Répétez l’répétition de l’autre côté de l’appareil.
      REMARQUE : La forme sera retirée de l’appareil.
   9. Imprimez la plaque de base sur une imprimante 3D et poncez la surface supérieure entre les corniches avec du papier de verre pour brouillonner la surface.
      REMARQUE : Le ponçage est important pour que le revêtement hydrophobe puisse adhérer solidement à la plaque de base.
   10. Tapisser les corniches de ruban adhésif (pour éviter de pulvériser les corniches) et vaporiser la plaque de base d’un spray hydrophobe. Appliquer plusieurs (4-8) couches de la couche de base sur la plaque de base. Tenez la canœur à environ 8-12 pouces de la plaque de base lors de la pulvérisation. L’appareil doit avoir un aspect blanc laiteuse lors du séchage.
       ATTENTION : Suivez les instructions du fabricant pour l’emplacement approprié et l’EPI pour la pulvérisation.
   11. Attendez 30 minutes avant d’appliquer le topcoat plusieurs fois (6-8x). Laisser sécher la plaque de base pendant 12 heures avant l’utilisation. Retirez le ruban des corniches.
2. Fabriquez la plaque supérieure (Figure 1B).
   1. Dessinez une zone rectangulaire pour mesurer 2,05 en x 5,470 dans (W x L) dans un logiciel CAO à l’aide de l’outil polyliné.
   2. Ajouter un trou rectangulaire (le « trou de visionnement ») légèrement plus grand que la taille de la zone d’essai du dipstick (p. ex., 0,230 x 3,147 dans (W x L)). Placez-le 0.921 par le haut, 1.165 par la gauche, et 1.165 par les bords droit de la plaque supérieure.
   3. Dessinez un deuxième trou à travers (le « Trou d’entrée ») de taille 0,075 en x 3.146 dans (W x L). Placez-le 0,236 à partir du bord inférieur, 1,737 du bord supérieur et 1,162 des bords gauche et droit de la plaque supérieure.
   4. Couper la plaque supérieure à partir d’un morceau d’acrylique clair à l’aide d’un coupeur laser. Essuyez toute poussière ou débris restant.
3. Fabriquer la couverture d’entrée (Figure 1B).
   1. Dessinez une zone rectangulaire avec des dimensions 0.247 en x 3.3378 dans (W x L) dans un logiciel CAO utilisant l’outil polyliné. Ajouter deux trous circulaires d’un diamètre de 0,127 dans environ 0,073 à partir des deux bords du couvercle de l’entrée, un de chaque côté.
   2. Couper le couvercle de l’entrée à partir d’un morceau d’acrylique clair à l’aide d’un coupeur laser.
4. Fabriquer la diapositive (Figure 1C)
   1. Dessinez une zone rectangulaire dans le logiciel CAO qui mesure la mesure 2.771 en x 0.0625 en x 5.000 dans (W x H x L) en utilisant l’outil polyliné.
   2. Ajouter des trous qui correspondent à la position de chaque plaquette d’essai dans la zone d’essai. Dessinez le premier 0.105 dans le trou carré pour chevaucher avec le placement du premier bloc-essai: 1.096 dans les bords gauche et droit de la diapositive, 0.960 dans le bord supérieur, et 1.681 dans le bord inférieur. Ajoutez plus de trous au besoin (généralement 10 au total) pour la marque de dipstick sélectionnée de choix. Espacez chaque trou suivant en mesurant la distance entre les plaquettes d’essai sur le dipstick.
      REMARQUE : La taille des trous intermédiaires est importante afin de déposer le volume correct de liquide sur la garniture de dipstick. Pour notre marque de dipstick, nous avons créé des trous qui déposent 15 ul sur chaque tampon dipstick.
   3. Couper la diapositive à partir d’un morceau d’acrylique clair à l’aide d’un coupeur laser. Essuyez toute poussière ou débris restant.
   4. Vaporiser l’avant de la toboggan d’un spray hydrophobe. Appliquer plusieurs couches (6-8x) de manteau de base sur la lame. Tenez la canœur à environ 8-12 à l’écart de la glissière lors de la pulvérisation.
   5. Attendez 30 minutes avant d’appliquer le topcoat plusieurs fois (8-12x). Laissez sécher la lame pendant 12 heures avant l’utilisation.
   6. Téléchargez un code QR à partir d’un générateur de code QR en ligne et imprimez le code désiré sur papier avec un support adhésif collant. Placez le code QR 0,17 à partir de la droite du premier trou le long de la même rangée que tous les trous.
      REMARQUE : Tant que le code QR est adjacent aux trous de passage, le placement précis n’est pas important.
   7. Utilisez du ruban adhésif clair pour couvrir le code QR et le fixer à la diapositive.
5. Assembler le manchon d’entrée et deplaque ( Figure 1D).
   1. Fabriquez l’entrée en utilisant du ciment acrylique pour coller le couvercle de l’entrée sur la plaque supérieure où se trouve le trou d’entrée. Attendez 24-48 heures pour lier les morceaux en toute sécurité.
   2. Vaporiser l’arrière de la plaque supérieure avec un spray hydrophobe une fois que le couvercle de l’entrée est solidement collé à la plaque supérieure. Placez la plaque supérieure à l’envers. Appliquer le premier manteau de base plusieurs fois (4-8x).
   3. Tenez le jet 8-12 pouces loin de la plaque supérieure et attendez 30 minutes pour qu’il sèche. Appliquer le topcoat plusieurs fois (6-8x). Laisser sécher la plaque supérieure pendant 12 heures avant l’utilisation.
   4. Assembler le manchon de plaque (plaque supérieure combinée et plaque de base) en collant la plaque supérieure terminée sur les rebords de la plaque de base avec du ciment acrylique. Les deux pièces sont faciles à aligner par inspection visuelle, car le bord inférieur de la plaque supérieure s’alignera sur celui de la plaque de base. Appliquez une pince sur les rebords de la plaque de base pour la fixer pendant le séchage et attendre 24-48 heures avant l’utilisation, selon les instructions du fabricant.
6. Créez l’autocollant graphique.
   1. Téléchargez le tableau des couleurs de la marque de dipstick à partir du site Web du fabricant.
   2. Ouvrez le fichier téléchargé dans un logiciel d’éditeur graphique.
   3. Ouvrez le fichier numérique pour le modèle de plaque supérieure précédemment utilisé pour le coupeur laser (étape 1.2 de ce protocole) dans un logiciel d’éditeur graphique.
   4. Créez les boîtes de couleur pour l’autocollant de diagramme en assortissant des boîtes de couleur du diagramme de couleur de fabricant. Sélectionnez le premier bloc de couleur sur le graphique du fabricant avec l’outil dropper dans le logiciel éditeur graphique, puis utilisez l’outil de forme de la boîte pour faire une forme de boîte dans la même couleur sur le modèle de plaque supérieure, dans la même rangée où le tampon dipstick sera situé. Répétez cette demande pour chaque bloc de couleur correspondant à chaque ligne de pad.
   5. Supprimez les couches associées au modèle de plaque supérieure.
   6. Imprimez l’autocollant du graphique sous forme d’autocollant en vinyle avec un service d’impression d’autocollants en ligne. Placez l’autocollant du tableau sur le manchon de la plaque et alignez-le avec chaque trou.
7. Fabriquez la boîte (Figure 1E).
   1. Dessinez les deux pièces de boîte à long face (parties « a » et « b ») dans le logiciel CAO sous forme de rectangles avec des dimensions de 4,92 en x 6,63 en (W x L). Ajouter une découpe à la partie « a » centrée sur le bord inférieur mesurant 0,2 en x 6,11 en (W x L).
   2. Dessinez les deux pièces de boîte à face étroite (parties « d » et « e ») dans le logiciel CAO sous forme de rectangles dont les dimensions mesurent 1,805 x 6,63 (W x L).
   3. Dessinez le dessus de la boîte (partie « c ») comme un rectangle avec des dimensions 1.805 en x 6.63 (W x L). Dessinez le « trou d’imagerie » sur le dessus: 0,74 en x 0,910 dans (W x L), positionné 3,17 par le bas, 2,53 par le haut, 0,65 dans le bord droit, et 0,42 dans le bord gauche.
      REMARQUE : La position exacte du trou d’imagerie doit être choisie en fonction des téléphones cellulaires qui seront utilisés pour l’analyse.
   4. Dessinez chaque pièce de boîte pour comporter un modèle de bords imbriqués qui permettront à tous les côtés de boîte de s’enclencher ensemble sur chaque bord tel que décrit dans la figure 1D. Pour faire un modèle de bord de verrouillage, alternez un modèle d’extrusion/intrusion sur le bord long avec 0.135 par 1.17 dans (W x L) saillies. Dessinez deux extrusions sur chaque long bord pour chaque côté de la boîte. Utilisez le même modèle d’extrusion/intrusion pour le bord court, mais avec des intrusions mesurant 0,135 par 0,460 dans (W x L).
   5. Coupez les cinq pièces à l’aide d’un coupeur laser ou imprimez-les à l’aide d’une imprimante 3D.
      REMARQUE : Un composant découpé au laser utilisant des pièces acryliques sera bon marché à fabriquer et peut être aplati pour une expédition facile. Utilisez l’acrylique noir car il est utile d’absorber la lumière éparse pendant les essais.
   6. Ajoutez du papier de construction de couleur noire à l’intérieur de la boîte pour éviter la dispersion du flash pendant l’analyse d’image si le matériau de la boîte a une finition brillante.

2. Préparer le test

1. Téléchargez l’application mobile UrineTest à partir de GitHub (https://github.com/Iftak/UrineTestApp).
2. Installez l’application sur un téléphone mobile.
   REMARQUE : Cette étape ne doit être effectuée qu’une seule fois pour toutes les utilisations futures d’un téléphone donné. Si nécessaire, activez l’état du développeur sur le téléphone pour ce faire.
3. Lancez l’application UrineTest dans le téléphone( Figure 2A).
4. Lisez les instructions pour modifier les noms d’analyte et les horaires de lecture (figure 2B) pour correspondre à ceux du dipstick d’intérêt (basé sur les spécifications du fabricant) et insérer de nouvelles entrées via la fenêtre du support de texte sur l’écran (Figure 2C).
   REMARQUE : Le temps de lecture nécessaire pour chaque tampon de jauge dépendra de la marque du dipstick utilisé.
5. Assemblez les différents composants ensemble et insérez le dipstick dans les trous sous le manchon de laplaque ( Figure 1F).
6. Placez le manchon de plaque à l’intérieur de la boîte de sorte que son encoche soit alignée avec l’écart de boîte.
7. Placez la glissière à l’intérieur de la manche de la plaque afin que ses trous s’alignent avec l’entrée.
8. Placez le téléphone sur le dessus de la boîte avec l’objectif de la caméra arrière face au trou de visualisation pour permettre l’imagerie. Assurez-vous que la visibilité de la caméra n’est pas obcluse en vérifiant l’image sur l’écran du téléphone avant le test. L’application activera automatiquement la lampe de poche du téléphone.
9. Lisez l’instruction pour l’alignement du téléphone (Figure 2D) et alignez le téléphone en conséquence de sorte que le dipstick coïncide avec les limites de la superposition rectangulaire noire à l’écran (Figure 2E).
10. Cliquez sur le bouton Démarrer sur la fenêtre de l’application pour commencer le test.
    REMARQUE: Cela ouvrira la caméra du téléphone pour lire le code QR une fois en vue (Figure 2F).

3. Effectuer le test

1. Déposer l’urine dans le trou d’entrée avec un tuyau de transfert de polyéthylène jetable contenant environ 0,5 mL d’urine (figure 3).
   REMARQUE : La quantité exacte de liquide n’est pas importante, mais elle doit être d’au moins 0,5 mL pour s’assurer que tous les trous reçoivent suffisamment d’urine. Lors de l’ajout du liquide, observez qu’il se déplace à travers l’entrée et est déposé dans chaque trou de la glissière.
2. Lancez le test en poussant la glissière dans le manchon de la plaque jusqu’à ce qu’elle soit arrêtée par l’arrêt de la plaque de base.
   REMARQUE : L’urine doit entrer en contact avec le tampon dipstick lorsque le code QR est dans le champ de vision du téléphone cellulaire. Après avoir lu le code QR, l’application ouvrira une fenêtre pour analyser les changements de couleur (Figure 2G) et afficher les résultats automatiquement dans la même fenêtre (Figure 2H).
3. Jeter l’urine de façon appropriée et nettoyer le manchon de la plaque et glisser avec une solution d’eau de Javel à 10% et rincer à nouveau avec de l’eau désionisée. Laissez sécher avant une utilisation supplémentaire.

Résultats

La figure 4 montre comment l’urine est transférée à la jauge lors d’un test d’analyse d’urine. Lors d’un test typique, le transfert d’urine n’est pas observable parce que la boîte occluse la vue. Une fois que l’échantillon est déposé dans l’entrée à l’aide d’une pipette (étape 3.1), il comblera les trous sur la diapositive (figure 4A). La figure 4B et la figure 4C,respect...

Discussion

L’analyse d’urine traditionnelle de dipstick est accessible et commode mais exige l’attention manuelle aux détails pour donner des résultats précis. L’analyse manuelle des urinalyses à dipstick est soumise à des conditions d’éclairage variables, à des différences individuelles de perception des couleurs et à une contamination croisée. De nombreuses cliniques et hôpitaux ont déjà des instruments pour automatiser l’analyse des dipsticks d’urine, mais les instruments sont généralement encombrant...

matériels

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