Feasibility study of a portable nephelometer for diagnosing kidney stones in space

The global rise in kidney stone formation, or urolithiasis, represents a significant global health concern and poses a considerable challenge to the advancement of human space exploration. This thesis presents a feasibility study for a new portable nephelometer designed to help prevent this disease. Such a device could accelerate space exploration by increasing its safety, while advancing our understanding of urolithiasis and kidney metabolism both on Earth and in space. Additionally, it could benefit millions of people by improving healthcare and by doing so reducing medical expenses. The instrument is designed to utilize light scattering. When light strikes the crystals present in urine, it scatters, and by measuring the change in light intensity, it is possible to determine the concentration of crystals in the urine. Of all the chemical species present in urine the instrument goal will be measuring the concentration of calcium oxalate (CaOx), as it is the primary constituent of kidney stones. Specifically, the concentrations tested will be within the physiological range typical for humans. This thesis will also explore potential applications in space missions and the adaptations needed for the instrument to function effectively in the space environment. This will be taken further, proposing testing methods that could be used for future development. The results obtained are promising; the instrument effectively detected varying CaOx concentrations in urine, with improved resolution at lower concentrations. However, inconsistencies were observed in urine samples collected at different times of day. Therefore, the study was considered a success having achieved the desired repeatability and accuracy but further testing is required before the design is finalized.

L'incremento globale dell'incidenza della formazione di calcoli renali, o urolitiasi, rappresenta una rilevante sfida per la salute pubblica e un ostacolo significativo per l'esplorazione spaziale. Questa tesi presenta uno studio di fattibilità per lo sviluppo di un nuovo nefelometro portatile finalizzato alla prevenzione di questa patologia. Un dispositivo di questo tipo potrebbe migliorare la sicurezza delle missioni spaziali, contribuendo al progresso dell'esplorazione umana dello spazio, oltre a favorire una maggiore comprensione dell'urolitiasi e del metabolismo renale sia sulla Terra che in ambiente extraterrestre. Inoltre, tale strumento potrebbe apportare benefici a milioni di persone, migliorando l'assistenza sanitaria e riducendo i costi medici associati. Il principio di funzionamento del dispositivo si basa sulla diffusione della luce: quando un fascio luminoso incide sui cristalli presenti nelle urine, esso viene diffuso in modo proporzionale alla concentrazione dei cristalli stessi. Misurando la variazione dell'intensità luminosa, è possibile determinare la concentrazione delle specie cristalline presenti. L'obiettivo principale dello strumento è la quantificazione dell'ossalato di calcio (CaOx), il principale costituente dei calcoli renali. Le misurazioni effettuate sono state condotte su campioni con concentrazioni di CaOx comprese nell'intervallo fisiologico tipico per l'essere umano. La ricerca analizza, inoltre, le potenziali applicazioni del dispositivo nelle missioni spaziali e le modifiche necessarie affinché esso possa operare efficacemente in un ambiente a microgravità. Vengono proposti metodi di test per lo sviluppo futuro dello strumento, al fine di migliorarne ulteriormente l'affidabilità e le prestazioni. I risultati ottenuti sono promettenti: il dispositivo ha rilevato con successo variazioni di concentrazione di CaOx nelle urine, mostrando una risoluzione migliorata per basse concentrazioni. Tuttavia, sono emerse alcune discrepanze nei campioni raccolti in diversi momenti della giornata. Nel complesso, lo studio ha raggiunto l'obiettivo prefissato in termini di ripetibilità e accuratezza delle misurazioni, sebbene siano necessari ulteriori test prima della definizione finale del design dello strumento.