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

Riepilogo

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

Abstract

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

Introduzione

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

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

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

Recentemente, i telefoni cellulari sono emersi come uno strumento pieno di risorse per varie misurazioni colorimetriche^{biologiche 7,8,9,10,}anche per l'analisi^{delle urinarie 11,12,13}. Date le loro capacità di telerilevamento e l'alta risoluzione di imaging, i telefoni cellulari sono diventati efficaci dispositivi^{analitici sanitari 14,15}. In effetti, la FDA ha autorizzato diversi test delle urine a casa basati su smartphone^16,17,18. Alcuni dei nuovi prodotti commerciali basati su smartphone incorporano dipsticks di analisi delle urinazioni consolidati, mentre altri sono dotati di pad colorimetrici proprietari. Tutti questi prodotti sono dotati di metodi proprietari per calibrare per diverse condizioni di illuminazione tra diversi tipi di telefoni. Tuttavia, un problema con queste soluzioni è che l'utente deve scattare manualmente una foto al momento giusto oltre a eseguire un metodo di dip-wipe manuale adeguato (cioè senza contaminazione incrociata). In particolare, nessuno di questi test controlla il volume depositato sui dipsticks, che abbiamo trovato possa influenzare il cambiamento di colore^{19 e} interpretare il risultato fisiologico. Le attuali lacune e costi nei flussi di lavoro di questi dispositivi suggeriscono un'ulteriore necessità di consentire una procedura di deposizione delle urine senza uso umano e controllata dal volume e una fotografia a mani libere.

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

Protocollo

1. Fabbricare e assemblare il dispositivo di analisi delle orinatoie

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

2. Preparare il test

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

3. Condurre la prova

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

Risultati

La figura 4 mostra come l'urina viene trasferita all'apstick durante un test di analisi delle urine. Durante un test tipico, il trasferimento di urina non è osservabile perché la scatola occlude la vista. Una volta depositato il campione nell'ingresso utilizzando una pipetta (Passaggio 3.1), riempirà i fori sullo scivolo (Figura 4A). La figura 4B e la figura 4C, rispettivamente, mostrano il movimento...

Discussione

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

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