Разработка портативного спектрометра на базе смартфона для высокоразрешённого анализа мочи

Проверка состояния почек прямо в кармане

Заболевания почек часто развиваются тихо, проявляя мало симптомов, пока не наступит серьёзное повреждение. Регулярные лабораторные тесты позволяют выявлять проблемы на ранних стадиях, но они требуют клиник, оборудования и подготовленного персонала, до которых многим просто недоступны. В этом исследовании представлен SpectraPhone — тонкое дополнение для смартфона, превращающее его камеру и вспышку в мини-лабораторию, способную измерять ключевые маркёры в моче, указывающие на нарушения работы почек. Сделав высококачественный анализ мочи таким же простым, как снимок, устройство может обеспечить ранний скрининг почек в домах, сельских клиниках и отдалённых сообществах по всему миру.

Почему проблемы с почками трудно заметить

Хронические заболевания почек поражают примерно каждого десятого взрослого в мире, но большинство пациентов не знают о болезни, пока она не достигла продвинутой стадии и варианты лечения ограничены. Стандартные тесты зависят от хорошо оснащённых лабораторий, которые могут с высокой точностью измерять состав крови и мочи. Существуют более простые средства, такие как тест-полоски, меняющие цвет при погружении в мочу, но они дают лишь грубые ответы «да/нет». Авторы показывают, что ни визуальная оценка цвета мочи, ни коммерческие тест-полоски не позволяют различить низкие и высокие уровни крови в моче — симптом, называемый гематурией. Даже очень маленькие количества крови могут сделать тест-полоску похожей на тяжёлый случай, что затрудняет отслеживание тонких изменений во времени.

Превращая телефон в крошечную лабораторию

Система SpectraPhone превращает обычный смартфон в компактный спектрометр — прибор, который изучает, как образец влияет на разные цвета света. Приставка увеличивает толщину телефона всего на несколько сантиметров и содержит недорогие элементы: акриловые световоды, небольшие линзы, зеркало, дифракционную решётку и 3D-печатный корпус. Свет от вспышки телефона направляется через небольшой прозрачный контейнер с мочой, раскладывается решёткой в спектр и попадает на сенсор камеры. Тщательная оптическая разработка блокирует паразитный свет и фиксирует все элементы на местах, делая устройство достаточно прочным для повседневного использования. Сопровождающее приложение записывает необработанное высокоразрешающее видео, позволяя системе захватывать более двух тысяч отдельных цветовых каналов от глубокого фиолетового до красного с очень низким уровнем шума.

Чтение скрытых сигналов в моче

Сам по себе спектр мочи не даёт очевидной информации о количестве эритроцитов или уровне белка — тонкие сдвиги скрыты среди тысяч точек данных. Чтобы извлечь эти скрытые сигналы, исследователи применили статистические методы, которые ищут закономерности одновременно по множеству длин волн. Для образцов, наполненных известными количествами эритроцитов, они вычисляли вторые производные спектров, чтобы выделить небольшие изменения формы, а затем подгоняли регрессионную модель, связывающую эти паттерны с подсчётом клеток. Эта модель могла оценивать уровни крови с погрешностью всего в несколько десятков клеток на микролитр в диапазоне до 3200 клеток, что соответствует клиническим потребностям и значительно превосходит простую цветовую проверку.

Измерение белка с красителем и без

Команда применила аналогичный подход к альбумину — ключевому белку, присутствие которого в моче (альбуминурия) сигнализирует о повреждении почек. Сырые спектры снова выглядели достаточно без особенностей, но после математической нормализации между уровнями концентрации проявлялись устойчивые различия. Обучающий алгоритм затем выявил длины волн, наиболее информативные для альбумина, что позволило получить высокоточные предсказания в широком диапазоне клинически значимых значений. Чтобы ещё больше повысить точность, исследователи добавили распространённый краситель бромфеноловый синий, который сильнее окрашивается при связывании с альбумином. С этим простым дополнительным реагентом ошибки системы снизились до нескольких миллиграммов на децилитр — лучше, чем у многих существующих точечных инструментов, и в пределах клинических стандартов для обнаружения настораживающих уровней белка.

От прототипа к повседневному инструменту

Проще говоря, исследование демонстрирует, что недорогая приставка к телефону может достичь лабораторной точности для двух ключевых маркёров мочи, важных для диагностики заболеваний почек, используя лишь камеру и вспышку телефона. SpectraPhone преодолевает неточности тест-полосок, предоставляя конкретные числовые оценки вместо неопределённых цветовых блоков, и делает это в формате, который помещается в карман. Авторы отмечают, что необходима дополнительная работа с реальными образцами пациентов и на более широком наборе моделей телефонов, но их результаты указывают на будущее, где проверять здоровье почек можно так же просто, как сделать фото — позволяя выявлять проблемы достаточно рано, чтобы предотвратить или замедлить прогрессирование серьёзной болезни.

Цитирование: Song, K., Mandel, I., Cobb, J. et al. Development of a smartphone based spectrometer for high-resolution urinalysis. Sci Rep 16, 8517 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38307-y

Ключевые слова: заболевание почек, анализ мочи, здоровье со смартфона, спектроскопия, диагностика на месте оказания помощи