基于智能手机的高分辨率尿液分析光谱仪的开发

从口袋中检查肾脏健康

肾脏疾病常常悄然发生，在严重损伤出现之前很少有明显症状。定期的实验室检测可以及早发现问题，但这些检测需要诊所、设备和受过训练的人员，许多人难以获得。本研究介绍了SpectraPhone——一种轻薄的智能手机附件，将手机的摄像头和闪光灯变成微型实验仪器，能够测量尿液中提示肾脏问题的关键标志物。通过让高质量的尿检像拍照一样简单，该设备可能把早期肾脏筛查带到家庭、乡镇诊所和偏远社区。

为什么肾脏问题难以发现

慢性肾脏病约影响全球十分之一的成年人，但大多数患者在疾病发展到晚期、可用治疗有限之前并不知道自己患病。标准检测依赖配备良好的实验室，能够高精度测量血液和尿液化学成分。也存在更简单的工具，例如浸入尿液后变色的试纸条，但这些仅提供粗略的阳性或阴性答案。作者表明，凭肉眼判断尿色或使用市售试纸条都无法区分尿中血量的高低——这一预警信号称为血尿。即使极少量的血也能让试纸条呈现像严重情况的反应，使得随时间追踪细微变化变得不可能。

把手机变成微型实验室

SpectraPhone 系统将普通智能手机变成紧凑型分光仪——一种检查样品如何影响不同光色的设备。该附件仅增加手机几厘米的厚度，包含廉价部件：丙烯酸光导、小透镜、一面镜子、衍射光栅和一个 3D 打印外壳。手机闪光灯发出的光被引导通过一个小型透明尿液容器，经光栅分散成彩虹并被相机传感器捕捉。精心的光学设计阻挡杂散光并将所有组件固定到位，使设备足够坚固可供日常使用。配套应用录制未经处理的高分辨率视频，使系统能够在深紫到红色之间捕捉两千多种不同颜色且噪声极低。

读取尿液中的隐含信号

单看尿液的光谱并不能明显显示有多少红细胞或蛋白质——微小的变化隐藏在数千个数据点中。为提取这些隐含信号，研究人员使用了统计技术，在多种颜色上同时寻找模式。对于加入已知数量红细胞的样本，他们计算了光谱的二阶导数以突出细微形状变化，然后拟合回归模型将这些模式与细胞计数关联。该模型在最高达 3200 个细胞的范围内能够以每微升仅几十个细胞的误差估算血量，符合临床需求并远超简单的颜色检测。

有染料与无染料的蛋白质测量

团队对白蛋白（一种关键蛋白，其在尿中出现称为白蛋白尿，提示肾脏损伤）采用了类似方法。原始光谱看起来相当平坦，但在做了数学归一化处理后，不同浓度水平之间出现了稳定差异。随后学习算法识别出对白蛋白最有信息量的波长，在广泛的临床相关值范围内实现了高度准确的预测。为了进一步提高性能，研究者加入了一种常见染料——溴酚蓝，该染料与白蛋白结合时会呈现更强的颜色。借助这一简单的额外试剂，系统的误差降至每分升仅几毫克——优于许多现有的床旁工具，并完全达到检测可疑蛋白水平的临床标准。

从原型走向日常工具

简单来说，这项研究表明，一种低成本的手机附件仅使用手机自身的摄像头和闪光灯，就能在两种关键尿液标志物上达到实验室级的精度。SpectraPhone 克服了试纸条的模糊性，提供具体的数值估计而非笼统的颜色区块，并以可放入口袋的形式实现。作者指出仍需在真实患者样本和更多机型上做进一步工作，但他们的结果暗示了这样一种未来：无论身处何地，人们都能像拍照一样轻松检查肾脏健康——足以在早期发现问题，从而预防或减缓严重疾病的发展。

引用: 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

关键词: 肾脏疾病, 尿液检测, 智能手机健康, 光谱学, 床旁诊断