Неинвазивный контроль уровня содержания метаболитов в крови
Способ неинвазивного контроля содержания метаболитов в крови, включающий многократное измерение с помощью матрицы датчиков показаний электромагнитного импеданса в эпидермальном слое пациента и в одном из слоев, включающих кожный слой или подкожный слой пациента, пока разность между показаниями не превысит пороговую величину; вычисление величины импеданса, отображающей указанную разность, с использованием модели эквивалентной схемы и данных индивидуального поправочного коэффициента, характерных для физиологической характеристики пациента; и определение уровня содержания метаболитов в крови пациента на основании величины импеданса и алгоритма определения уровня содержания метаболитов в крови, в котором данные уровня содержания метаболитов в крови сопоставляются с соответствующим значением данных электромагнитного импеданса пациента. Также предложена система контроля уровня содержания по меньшей мере одного из веществ: глюкозы, электролита или искомого вещества. Изобретение обеспечивает возможность без чрезмерного экспериментирования легко адаптировать его для контроля содержания метаболитов в крови пациента. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 14 ил.
Перекрестная ссылка на родственные заявки
Настоящая заявка является частично родственной по отношению к патентной заявке US 12/258509, поданной 27 октября 2008 г., и предварительной патентной заявке US 61/185258, поданной 9 июня 2009 г., которые в порядке ссылки включены в настоящую заявку.
Область техники
Настоящее изобретение относится к неинвазивному контролю (мониторингу) уровня содержания метаболитов в крови пациента. Более точно, настоящее изобретение относится к решениям задачи неинвазивпого контроля уровня содержания метаболитов в крови пациента с использованием матрицы датчиков и электромагнитной импедансной томографии.
Уровень техники
Уровень содержания метаболитов в крови, включая содержание глюкозы, молочной кислоты и уровень гидратации, является важным показателем здоровья и физического состояния пациента. В системах неинвазивного контроля содержания метаболитов в крови измерения биологических показателей осуществляются на поверхности (в эпидермальном слое) тела пациента. Результаты этих измерений более чувствительны к изменениям в организме, чем в случае измерений, проводимых в нижележащих слоях (например, в кожном слое или подкожных слоях). Колебания температуры, дыхания, содержания влаги и т.д. способны вызывать быстрые и резкие изменения биологических показателей пациента. При попытке определения биологических показателей (т.е. содержания метаболитов в крови) через эпидермальный слой (с использованием датчиков на коже) возникают сложности с вводом поправок на эти изменения.
Раскрытие изобретения
В изобретении предложены решения, позволяющие осуществлять неинвазивный контроль уровня содержания метаболитов в крови пациента. В одном из вариантов осуществления предложен способ, в котором с помощью матрицы датчиков многократно измеряют множество показаний электромагнитного импеданса в эпидермальном слое пациента и в одном из слоев, включающих кожный слой или подкожный слой пациента, пока разность между показаниями не превысит пороговую величину; вычисляют величину импеданса, отображающую разность, с использованием модели эквивалентной схемы и данных индивидуального поправочного коэффициента, характерных для физиологической характеристики пациента; и определяют уровень содержания метаболитов в крови пациента на основании величины импеданса и алгоритма определения уровня содержания метаболитов в крови, в котором данные уровня содержания метаболитов в крови сопоставлены с соответствующим значением данных электромагнитного импеданса пациента.
Согласно первой особенности изобретения предложен способ, в котором с помощью матрицы датчиков многократно измеряют множество показаний электромагнитного импеданса в эпидермальном слое пациента и в одном из слоев, включающих кожный слой или подкожный слой пациента, пока разность между показаниями не превысит пороговую величину; вычисляют величину импеданса, отображающую разность с использованием модели эквивалентной схемы и данных индивидуального поправочного коэффициента, характерных для физиологической характеристики пациента; и определяют уровень содержания метаболитов в крови пациента на основании величины импеданса и алгоритма определения уровня содержания метаболитов в крови, в котором данные уровня содержания метаболитов в крови сопоставлены с соответствующим значением данных электромагнитного импеданса пациента.
Согласно второй особенности изобретения предложена система контроля уровня содержания метаболитов в крови, содержащая матрицу датчиков для многократного измерения множества показаний электромагнитного импеданса в эпидермальном слое пациента и в одном из слоев, включающих кожный слой или подкожный слой пациента, пока разность между показаниями не превысит пороговую величину; вычислитель для вычисления отображающей разность величины импеданса, содержащий модель эквивалентной схемы и данные индивидуального поправочного коэффициента, характерные для физиологической характеристики пациента; и определитель для определения уровня содержания метаболитов в крови пациента на основании величины импеданса и алгоритма определения уровня содержания метаболитов в крови.
Согласно третьей особенности изобретения предложен программный продукт, хранящийся на машиночитаемом носителе, который при его выполнении осуществляет следующее: получает множество показаний электромагнитного импеданса эпидермального слоя пациента и одного из слоев, включающих кожный слой или подкожный слой пациента; анализирует показания электромагнитного импеданса с целью определения разности; вычисляет величину импеданса, отображающую разность, с использованием модели эквивалентной схемы и данных индивидуального поправочного коэффициента, характерных для физиологической характеристики пациента; и определяет уровень содержания метаболитов в крови пациента на основании величины импеданса и алгоритма определения уровня содержания метаболитов в крови, в котором данные уровня содержания метаболитов в крови сопоставлены с соответствующим значением данных электромагнитного импеданса пациента.
Согласно четвертой особенности изобретения предложена система контроля содержания метаболитов в крови, содержащая устройство, которое определяет уровень содержания метаболитов в крови пациента на основании множества показаний электромагнитного импеданса, измеренных у пациента на протяжении одного цикла контроля содержания метаболитов в крови пациента.
Согласно пятой особенности изобретения предложен способ контроля уровня содержания метаболитов в крови пациента, в котором определяют уровень содержания метаболитов в крови пациента на основании множества показаний электромагнитного импеданса, измеренных у пациента на протяжении одного цикла контроля содержания метаболитов в крови пациента.
Согласно шестой особенности изобретения предложен программный продукт, хранящийся на машиночитаемом носителе, который при его выполнении осуществляет следующее: определяет уровень содержания метаболитов в крови пациента на основании множества показаний электромагнитного импеданса, собранных у пациента на протяжении одного цикла контроля содержания метаболитов в крови пациента.
Согласно седьмой особенности изобретения предложена система контроля содержания метаболитов в крови, содержащая генератор сигналов для передачи электромагнитного сигнала; матрицу датчиков для приема электромагнитного сигнала от генератора сигналов и воздействия электромагнитным сигналом на пациента; и для неинвазивного измерения множества показаний электромагнитного импеданса в эпидермальном слое пациента и в одном из слоев, включающих кожный слой или подкожный слой пациента; компаратор для сравнения разности между множеством показаний электромагнитного импеданса с пороговой величиной; и контроллер для управления генератором сигналов и компаратором, передающий команды повторного осуществления передачи, неинвазивного измерения и сравнения, если разность оказывается меньше, чем пороговая величина.
Согласно восьмой особенности изобретения предложен программный продукт, хранящийся на машиночитаемом носителе, который при его выполнении осуществляет следующее: передает электромагнитный сигнал матрице датчиков; принимает от матрицы датчиков множество показаний электромагнитного импеданса, которые собраны в эпидермальном слое пациента и в одном из слоев, включающих кожный слой или подкожный слой пациента; сравнивает разность между множеством показаний электромагнитного импеданса с пороговой величиной; и передает команды повторного осуществления передачи, приема и сравнения, если разность оказывается меньше, чем пороговая величина.
Согласно девятой особенности изобретения предложен способ контроля уровня содержания метаболитов в крови пациента, в котором передают электромагнитный сигнал матрице датчиков; принимают от матрицы датчиков множество показаний электромагнитного импеданса, собранных в эпидермальном слое пациента и в одном из слоев, включающих кожный слой или подкожный слой пациента; сравнивают разность между множеством показаний электромагнитного импеданса с пороговой величиной; и повторно осуществляют передачу, прием и сравнение, если разность оказывается меньше, чем пороговая величина.
Краткое описание чертежей
Эти и другие признаки изобретения будут легче поняты из следующего далее подробного описания различных особенностей изобретения в сочетании с сопровождающими его чертежами, на которых представлены различные варианты осуществления изобретения, на которых:
на фиг.1 показана блок-схема наглядной среды и вычислительной инфраструктуры для реализации одного из вариантов осуществления изобретения,
на фиг.2 - блок-схема шагов контроля уровня содержания глюкозы у пациента согласно вариантам осуществления изобретения,
на фиг.3 - вид снизу монитора для контроля содержания глюкозы согласно одному из вариантов осуществления изобретения,
на фиг.4 - вид снизу монитора для контроля содержания глюкозы согласно другому варианту осуществления изобретения,
на фиг.5 - блок-схема монитора для контроля содержания глюкозы согласно вариантам осуществления изобретения,
на фиг.6 - вид снизу монитора для контроля содержания глюкозы согласно одному из альтернативных вариантов осуществления изобретения,
на фиг.7 - диаграмма модели эквивалентной схемы согласно вариантам осуществления изобретения,
на фиг.8 - вид сверху монитора для контроля содержания глюкозы согласно одному из вариантов осуществления изобретения,
на фиг.9 - блок-схема наглядной среды и вычислительной инфраструктуры для реализации одного вариантов осуществления изобретения,
на фиг.10 - схематический вид сбоку матрицы датчиков согласно одному из вариантов осуществления изобретения,
на фиг.11 - таблица, содержащая тестовые комбинации, использованные в вариантах осуществления изобретения,
на фиг.12 - схематические виды сбоку матрицы датчиков в соответствии с тестовыми комбинациями, проиллюстрированными на фиг.11,
на фиг.13 - таблица, содержащая величины электромагнитного импеданса, полученные во время испытаний согласно вариантам осуществления изобретения,
на фиг.14 - модель эквивалентной схемы, использованная во время испытаний согласно вариантам осуществления изобретения.
Следует отметить, что чертежи выполнены не в масштабе. Чертежи имеют целью лишь представить характерные особенности изобретения и, соответственно, не должны считаться ограничивающими объем изобретения. Одинаковые элементы обозначены на чертежах одинаковыми позициями.
Подробное описание осуществления изобретения
В изобретении предложены и описаны решения задачи неинвазивного контроля уровня содержания метаболитов в крови пациента. Подразумевается, что данные уровня содержания метаболитов в крови могут использоваться для распознавания множества физических состояний пациента. Хотя описанные в изобретении решения позволяют контролировать уровни содержания в крови других метаболитов, такие как уровень гидратации и уровень содержания молочной кислоты, в качестве основного наглядного примера используется контроль уровня содержания глюкозы. Подразумевается, что эти решения без чрезмерного экспериментирования могут быть легко адаптированы к осуществлению контроля уровня гидратации, содержания молочной кислоты и т.д. у пациента. Например, система 106 контроля содержания глюкозы, определитель 126 глюкозы и монитор 140 для контроля содержания глюкозы, которые показаны на фиг.1 и описаны в изобретении, в качестве альтернативы могут быть сконфигурированы на контроль, в частности, уровней гидратации и(или) содержания молочной кислоты у пациента.
На фиг.1 проиллюстрирована наглядная среда 100 для контроля уровня содержания глюкозы у пациента. Показано, что среда 100 содержит вычислительную инфраструктуру 102, рассчитанную на выполнение различных описанных в изобретении процессов. В частности, показано, что в вычислительную инфраструктуру 102 входит вычислительное устройство 104, которое содержит систему 106 контроля содержания глюкозы, позволяющую вычислительному устройству 104 осуществлять контроль уровня содержания глюкозы у пациента путем выполнения шагов способов согласно изобретению.
Показано, что вычислительное устройство 104 содержит память 112, процессор (PU) 114, интерфейс 116 ввода-вывода (I/O) и шину 118. Кроме того, показано, что вычислительное устройство 104 связано с монитором 140 для контроля содержания глюкозы и запоминающей системой 122. Процессор 114 обычно выполняет компьютерный программный код, такой как система 106 контроля содержания глюкозы, который хранится в памяти 112 и(или) запоминающей системе 122. При выполнении компьютерного программного кода процессор 114 способен считывать и(или) записывать данные, такие как показания 144 электромагнитного импеданса, из памяти 112/в память 112, из запоминающей системы 122/в запоминающую систему 122, и(или) из интерфейса 116 ввода-вывода (I/O)/в интерфейс 116 ввода-вывода (I/O). Шина 118 обеспечивает канал связи между каждым из компонентов вычислительного устройства 104.
В любом случае вычислительное устройство 104 может представлять собой любое вычислительное изделие общего назначения, способное выполнять компьютерный программный код, установленный пользователем (например, персональный компьютер, сервер, карманное устройство и т.д.). Вместе с тем подразумевается, что вычислительное устройство 104 и система 106 контроля содержания глюкозы являются лишь примерами различных возможных эквивалентных вычислительных устройств, которые могут осуществлять различные шаги способов согласно изобретению. Соответственно, в других вариантах осуществления вычислительным устройством 104 может являться любое вычислительное изделие специального назначения, содержащее аппаратное обеспечение и(или) компьютерный программный код для выполнения конкретных функций, любое вычислительное изделие, содержащее комбинацию аппаратного/программного обеспечения специального назначения и общего назначения, и т.д. В каждом случае программный код и(или) аппаратное обеспечение может создаваться с использованием стандартных методов программирования и проектирования, соответственно.
Аналогичным образом, вычислительная инфраструктура 102 является лишь примером компьютерных инфраструктур различных типов для реализации изобретения. Например, в одном из вариантов осуществления в компьютерную инфраструктуру 102 входят два или более вычислительных устройства (например, кластер серверов), которые поддерживают связь по каналу проводной и(или) беспроводной связи любого типа, такому как сеть связи, совместно используемая память и т.п., для выполнения различных шагов способов согласно изобретению. Когда канал связи представляет собой сеть, сетью может являться любая комбинация сетей одного или нескольких типов (например, сети Интернет, глобальной вычислительной сети, локальной вычислительной сети, виртуальной частной сети и т.д.). В любом случае для связи между вычислительными устройствами могут методы передачи различных типов в любом сочетании.
Как упоминалось ранее и будет дополнительно описано далее, система 106 контроля содержания глюкозы позволяет вычислительной инфраструктуре 102 определять уровень содержания глюкозы у пациента. Соответственно, показано, что система 106 контроля содержания глюкозы содержит компаратор 110, вычислитель 124, определитель 126 и необязательно калибратор 128. На фиг.1 также показан монитор 140 для контроля содержания глюкозы, который может содержать матрицу 142 датчиков. Матрица 142 датчиков может служить для получения показаний 144 электромагнитного импеданса у пациента, которым может являться, например, человек. Монитор 140 для контроля содержания глюкозы может передавать показания 144 электромагнитного импеданса системе 106 контроля содержания глюкозы и(или) запоминающей системе 122. Действие каждого из этих компонентов дополнительно рассмотрено далее. Вместе с тем подразумевается, что некоторые из различных функций, проиллюстрированных на фиг.1, могут быть реализованы независимо, в сочетании и(или) могут храниться в памяти одного или нескольких отдельных вычислительных устройств, которые входят в вычислительную инфраструктуру 102. Кроме того, подразумевается, что некоторые из систем и(или) функциональных возможностей могут быть не реализованы, или что в состав среды 100 могут быть включены дополнительные системы и(или) функциональные возможности.
Далее со ссылкой на фиг.2, а также на фиг.1, будут описаны варианты осуществления способа контроля уровня содержания глюкозы у пациента. На шаге S1 матрица 142 датчиков многократно измеряет множество показаний 144 электромагнитного импеданса в эпидермальном слое пациента и в одном из слоев, включающих кожный слой или подкожный слой пациента, пока разность между показаниями не превысит пороговую величину. Показания 144 электромагнитного импеданса могут содержать данные, собранные путем измерения импеданса (или "комплексного" импеданса) части тела пациента относительно электромагнитного сигнала, такого как, например, сигнал переменного тока. Показания 144 электромагнитного импеданса могут содержать спектральные данные импеданса, которые могут быть получены путем измерения импеданса части тела пациента в определенном диапазоне частот. Диапазоном частот может, например, являться диапазон от 100 Гц до 10 МГц. В одном из вариантов осуществления диапазоном частот является диапазон от 100 кГц до 10 МГц. Подразумевается, что диапазоны частот могут регулироваться, например, генератором сигналов, который может передавать электромагнитные сигналы матрице 142 датчиков. В этом случае генератор сигналов может представлять собой один из компонентов системы 106 контроля содержания глюкозы, монитора 140 для контроля содержания глюкозы или вообще отдельный компонент. Дополнительно подразумевается, что показания 144 электромагнитного импеданса (например, разности потенциалов) могут измеряться анализатором сигнала. Например, показания электромагнитного импеданса могут измеряться анализатором импеданса, который может представлять собой один из компонентов системы 106 контроля содержания глюкозы, монитора 140 для контроля содержания глюкозы или вообще отдельный компонент.
Как показано на фиг.2, шаг S1 может содержать две части: 1) измерение множества показаний 144 электромагнитного импеданса в эпидермальном слое пациента с помощью матрицы 142 датчиков; и 2) измерение множества показаний 144 электромагнитного импеданса в одном из слоев, включающих кожный слой или подкожный слой пациента, с помощью матрицы 142 датчиков. Подразумевается, что множество показаний 144 электромагнитного импеданса в одном из слоев, включающих кожный слой или подкожный слой пациента, заведомо содержат данные эпидермального слоя пациента. Поскольку все описанные в изобретении показания 144 получают на поверхности (в эпидермальном слое) кожи пациента, такие показания будут всегда содержать некоторые данные эпидермального слоя. Например, показание 144, полученное в подкожном слое и вблизи подкожного слоя пациента, содержит данные электромагнитного импеданса подкожного слоя, кожного слоя (над подкожным слоем) и эпидермального слоя (над кожным слоем).
Далее со ссылкой на фиг.3-6, на которых проиллюстрированы примеры матрицы 142, 143, 144 датчиков, содержащей множество датчиков 240, 242, 250, будет пояснена матрица 142 датчиков. Как показано на фиг.3, матрица 142 датчиков может содержать токопередающие датчики 240, 242, токоприемные датчики 240, 242 и датчики 250 напряжения. В изобретении описано действие каждого из этих элементов. Несмотря на то, что проиллюстрировано и описано несколько конфигураций, компоновки матрицы 142 датчиков и датчиков 240, 242, 250 являются лишь пояснительными. Компоновка токопередающих датчиков 240, 242, токоприемных датчиков 240, 242 и датчиков 250 напряжения в матрице 142 датчиков может отличаться от показанной на фиг.3. Например, датчики 250 напряжения могут линейно располагаться между токопередающими датчиками 240, 242 и токоприемными датчиками 240, 242 (фиг.4-5). Тем не менее токопередающие датчики 240, 242 и токоприемные датчики 240, 242 могут линейно располагаться, например, между датчиками 250 напряжения. Кроме того, расположению матрицы 142 датчиков и датчиков 240, 242, 250 могут быть приданы другие конфигурации, например, такие как круговое расположение и расположение по дуге. На фиг.4-6 показаны альтернативные варианты осуществления матрицы 142 датчиков. Как показано на фиг.3, матрица 142 датчиков содержит 16 датчиков. Тем не менее матрица 142 датчиков может содержать меньшее или большее число датчиков 240, 242, 250, чем показано. Например, матрица 143 датчиков на фиг.4 содержит 8 датчиков 240, 242, 250, а матрица 144 датчиков на фиг.6 содержит 10 датчиков 240, 242, 250. Матрица 142 датчиков и датчики 240, 242, 250 могут изготавливаться из проводящих материалов, включая, например, серебро/хлорид серебра, платину или углерод. Тем не менее матрица 142 датчиков и датчики 240, 242, 250 могут изготавливаться из других проводящих материалов, которые неизвестны или будут созданы впоследствии. В одном из вариантов осуществления датчиками 240, 242, 250 могут являться обычные электроды, способные выполнять описанные в изобретении функции.
В любом случае датчики 240, 242, 250 матрицы 142 датчиков могут являться функционально взаимозаменяемыми. Взаимная замена датчиков 240, 242, 250 может осуществляться без их физического извлечения и перемещения путем перепрограммирования матрицы 142 датчиков с помощью системы 106 контроля содержания глюкозы. Например, матрица 142 датчиков может быть перепрограммирована пользователем посредством системы 106 контроля содержания глюкозы таким образом, чтобы токопередающий датчик 242 стал токоприемным датчиком. Кроме того, матрица 142 датчиков может быть перепрограммирована пользователем таким образом, чтобы токопередающий датчик 242 стал датчиком напряжения. Эта взаимозаменяемость будет дополнительно пояснена далее со ссылкой на фиг.4-6.
Возвращаясь к фиг.2 и шагу S1, матрица 142 датчиков может многократно измерять множество показаний 144 электромагнитного импеданса в эпидермальном слое и одном из слоев, включающих кожный слой или подкожный слой пациента, пока разность между показаниями не превысит пороговую величину. Множество показаний 144 электромагнитного импеданса в эпидермальном слое может измеряться преимущественно одновременно или последовательно. Кроме того, множество показаний 144 электромагнитного импеданса в одном из слоев, включающих кожный слой или подкожный слой, могут измеряться преимущественно одновременно или последовательно. Помимо этого, множество показаний 144 электромагнитного импеданса в эпидермальном слое и кожном слое или подкожном слое может измеряться преимущественно одновременно. В одном из вариантов осуществления множество показаний 144 электромагнитного импеданса в эпидермальном слое одном из слоев, включающих кожный слой или подкожный слой, может измеряться в интервале менее приблизительно шести минут с целью обеспечения точных измерений содержания глюкозы у пациента. Как известно, обычный цикл превращений глюкозы (клеточные колебания глюкозного обмена) у людей длится приблизительно от двух до шести минут. У некоторых пациентов цикл превращений глюкозы может длиться до десяти минут. В этом случае множество показаний 144 электромагнитного импеданса может измеряться в интервале приблизительно десяти минут. За счет измерения множество показаний 144 электромагнитного импеданса в течение одного цикла превращений глюкозы у пациента обеспечивается точное измерение уровня содержания глюкозы у этого пациента.
Дополнительно подразумевается, что показания 144 электромагнитного импеданса в эпидермальном слое и в одном из слоев, включающих кожный слой или подкожный слой, используются в качестве "поверхностных" и "глубинных" показаний, соответственно. В контексте настоящего изобретения эпидермальный слой означает наружный слой кожи, покрывающий наружную поверхность тела пациента. Кожный слой означает слой кожи под эпидермальным слоем, который включает сосочковый кожный слой и ретикулярный кожный слой. Кожный слой также содержит мелкие кровеносные сосуды (капиллярный слой) и специализированные клетки, включающие клетки эккринных (потовых) желез и сальных (жировых) желез. Подкожный слой означает слой кожи под эпидермальным слоем и кожным слоем, содержащий жировую ткань и крупные кровеносные сосуды. Хотя кожный слой и подкожные слои описаны в изобретении применительно к "глубинным" показаниям, подразумевается, что другие слои ткани под эпидермальным слоем также могут служить источником достаточно "глубинных" показаний.
Как описано со ссылкой на фиг.4, матрица 143 датчиков способна пропускать множество сигналов переменного тока через различные слои тканей пациента. В одном из вариантов осуществления генератор сигналов (не показан) способен генерировать электромагнитный сигнал и передавать этот сигнал матрице 143 датчиков. В этом случае генератором сигналов может являться любой обычный генератор сигналов, известный из техники. В другом варианте осуществления матрица 143 датчиков может содержать генератор сигналов, генерирующий электромагнитный сигнал. В другом варианте осуществления токопередающий датчик 240 может содержать или может быть электрически связан с обычным генератором сигналов, способным генерировать электромагнитный сигнал. В любом случае токопередающий датчик 240 и токоприемный датчик 242 создают электромагнитную цепь, в которой слой(и) тканей пациента используется в качестве проводящей среды. Как описано в изобретении, токопередающий датчик 240 способен генерировать сигнал переменного тока, проходящий через слой(и) тканей пациента и принимаемый токоприемным датчиком 242. Сигнал переменного тока может иметь частоту, находящуюся в диапазоне частот, в котором извлечение данных содержания глюкозу у пациента доведено до максимума. Эта частота может находиться в диапазоне частот от около 100 Гц до около 10 МГц. При прохождении сигнала через слой ткани пациента в этом слое может быть измерена разность напряжений. Датчики 250 напряжения определяют эту разность напряжений в слой ткани пациента, а монитор 140 для контроля содержания глюкозы способен передавать эту разность напряжений системе 106 контроля содержания глюкозы. Подразумевается, что число датчиков 250 напряжения является лишь пояснительным, и матрица 143 датчиков или другие матрицы 142, 144 датчиков могут содержать до 12 датчиков напряжения.
Рассмотрим фиг.5, на которой показана блок-схема монитора 140 для контроля содержания глюкозы, содержащая матрицу 143 датчиков, проиллюстрированную на фиг.4. На фиг.5 показан токопередающий датчик 240, токоприемный датчик 242 и шесть датчиков 250 напряжения (некоторые обозначения опущены). Сигнал переменного тока, передаваемый от токопередающего датчика 240 токоприемному датчику 242, обозначен линиями 270 распределения тока. Также показаны линии 272 эквипотенциальных поверхностей, которыми обозначены поверхности постоянного скалярного потенциала (напряжения). Кроме того, показаны линия измерения тока ("I") и линии измерения напряжения "V1", "V2" и "V3", иллюстрирующие, что ток и напряжение могут измеряться датчиками 240, 242, 250, соответственно. Как показано на фиг.4, датчики 250 напряжения линейно расположены между токопередающими датчиками 240, 242 и токоприемные датчиками 240, 242. На примере измерений V1, V2 и V3 напряжения проиллюстрированы три "комплекта" датчиков 250 напряжения. Связь между положениями датчиков 240, 242, 250 и свойствами нижележащих тканей (или "испытуемого материала") диктует глубину, на которой может измеряться напряжение. В этом наглядном примере различные глубины, на которых может измеряться напряжение, могут отображать точки 280 пересечения, в которых линии 272 эквипотенциальных поверхностей пересекаются с линиями 270 распределения тока. Точки 280 пересечения указывают, что датчики 250 напряжения, наиболее удаленные от токопередающего датчика 240 и токоприемного датчика 242, способны измерять уровни напряжения в самых глубинных слоях тканей. В этом случае V1 может отображать показание напряжения в эпидермальном слое кожи пациента. V2 отображает показания, измеренные в более глубоких слоях, чем V1, и может содержать данные кожного слоя. V3 отображает показания, измеренные в более глубоких слоях, чем V2, и может содержать данные подкожных слоев пациента. Как можно понять из фиг.5, благодаря взаимозаменяемости датчиков 240, 242, 250 можно осуществлять измерения в различных слоях тканей путем манипуляции типами датчиков.
На фиг.6 показан другой альтернативный вариант осуществления монитора 140 для контроля содержания глюкозы, содержащего матрицу 144 датчиков. В этом варианте осуществления показаны две линии по 5 датчиков 240, 242, 250 в каждом. В каждой линии могут находиться токопередающий датчик 240, 242, токоприемный датчик 240, 242 и три датчика 250 напряжения. Датчики 250 напряжения могут линейного располагаться между токопередающим датчиком 240, 242 и токоприемным датчиком 240, 242. Монитор 140 для контроля содержания глюкозы может измерять показания 144 электромагнитного импеданса в различных слоях (т.е. в эпидермальном слое, кожном слое, подкожном слое) с использованием различных сочетаний датчиков 250 напряжения в линии или между линиями. Как аналогичным образом описано со ссылкой фиг.3-5, датчики 240, 242, 250 различных типов в матрице 144 датчиков могут заменять друг друга в одном ряду или различных рядах, что позволяет осуществлять измерения в различных слоях тканей.
Возвращаясь к фиг.2, на шаге S2 компаратор 110 сравнивает разность между показаниями электромагнитного импеданса с пороговой разностью. Пороговой разностью может являться, например, отдельное значение импеданса или диапазон импеданса, устанавливающий, что разность (величин импеданса) содержит достаточно информации о глубинном показании для определения уровня содержания глюкозы у пациента. Пороговая разность может определяться местоположением датчиков 240, 242, 250, используемых для измерения показаний электромагнитного импеданса, отношением сигнал-шум электронных компонентов (не показанных) монитора 140 для контроля содержания глюкозы и характеристиками испытуемого материала (ткани пациента). С целью компенсации колебаний показаний 144 электромагнитного импеданса в эпидермальном слое разность должна быть достаточно большой для обеспечения достаточной информации об уровне содержания глюкозы в одном из слоев, включающих кожный слой или подкожный слой.
Если разность оказывается меньше, чем пороговая разность, на шаге S3A повторяют операции измерения и сравнения, пока разность не превысит пороговую разность. Хотя эта величина описана в изобретении как "разность", она может представлять собой комплексную математическую величину и(или) комплексное уравнение. Разность может вычисляться путем процесса последовательных приближений показаний 144 измерений в различных слоях тканей пациента и корректировки последующих показаний 144, исходя из известных зависимостей между слоями. Например, в одном из вариантов осуществления не известно, проникнет ли сигнал переменного тока за пределы эпидермального слоя пациента. В этом случае путем корректировки положений датчиков 240, 242, 250 и диапазонов частот могут быть получены отличающиеся показания 144 электромагнитного импеданса. Исходя из этих отличающихся показаний 144 электромагнитного импеданса и известных зависимостей между слоями кожи пациента, можно определить проницаемость различных слоев. В другом варианте осуществления разность может быть вычислена одним или несколькими методами математической оценки, такими как метод Найквиста или метод нейронных сетей. Тем не менее подразумевается, что также может использоваться любой другой известный математический метод.
Если установлено, что разность по меньшей мере равна пороговой разности, на шаге S3 вычислитель 124 вычисляет величину импеданса, отображающую разность, с использованием модели эквивалентной схемы и данных индивидуального поправочного коэффициента. Модель эквивалентной схемы может походить на традиционное уравнение мостовой цепи переменного тока (АС), в которой импедансы четырех элементов цепи уравновешены, когда измеренное на выходе показание равно нолю. В этом случае в модели эквивалентной схемы используется множество показаний 144 импеданса в эпидермальном слое множество показаний 144 импеданса в одном из слоев, включающих кожный слой или подкожный слой, в качестве "элементов" моста переменного тока. На фиг.7 проиллюстрирован один из примеров модели 300 цепи переменного тока согласно одному из вариантов осуществления изобретения. В этом случае уравновешивающим уравнением для модели эквивалентной схемы может являться:
D=((ZK/(ZJ+ZK))-(ZM/(ZL+ZM)).
В примере, проиллюстрированном на фиг.7, ZJ означает первое показание электромагнитного импеданса в эпидермальном слое, ZK означает первое показание электромагнитного импеданса в одном из слоев, включающих кожный слой или подкожный слой, ZM означает второе показание электромагнитного импеданса в эпидермальном слое, ZL означает второе показание электромагнитного импеданса в одном из слоев, включающих кожный слой или подкожный слой, а D означает величину импеданса, отображающую разность. Конкретные датчики 240, 242, 250 матрицы датчиков 140, используемые для получения показаний ZJ, ZM, ZK и ZL, выбираются компаратором 110. С помощью этого уравнения вычислитель 124 может вычислять величину импеданса, отображающую разность. Подразумевается, что величиной импеданса, отображающей разность между показаниями в эпидермальном слое и в одном из слоев, включающих кожный слой или подкожный слой, является величина импеданса, отображающая один из слоев, включающих кожный слой или подкожный слой. Соответственно, величина импеданса D содержит информацию о кожном слое или подкожном слое пациента и может использоваться для определения уровня содержания глюкозы у этого пациента, как описано в изобретении.
На шаге S4 определитель 126 определяет уровень содержания глюкозы у пациента на основании величины импеданса, отображающей разность, и алгоритма определения содержания глюкозы. В алгоритме определения содержания глюкозы может содержаться зависимость между электромагнитным импедансом и уровнем содержания глюкозы. Например, алгоритм определения содержания глюкозы может выводиться из опытных данных, собранных среди пациентов, и соответствующих величин электромагнитного импеданса, соответствующих этим опытным данным. В этом случае может быть проведено исследование с участием множества пациентов традиционными методами определения содержания глюкозы, такими как классический метод забора крови из пальца с помощью ланцета (дополнительно описанный далее). После этого из результатов измерений уровня содержания глюкозы, полученных традиционным способом, и величин электромагнитного импеданса могут быть составлены пары, и могут быть проведены дополнительные исследования с целью оценки этих пар. Посредством этого итерационного процесса диапазон величин электромагнитного импеданса может быть сопоставлен с диапазоном уровней содержания глюкозы для групп пациентов с конкретным набором характеристик. Например, для определенной группы пациентов может быть установлен набор характеристик согласно следующему примеру: женщины европеоидной расы в возрасте 45-50 лет, весящие 120-130 фунтов, с содержанием телесного жира 15-18% и т.д. Если пациент относится к группе пациентов с этим набором характеристик, уровень содержания глюкозы у пациента может быть определен с использованием величины импеданса, отображающей разность между показаниями, измеренными (в эпидермальном слое и кожном/подкожном слое) у пациента, и алгоритма определения содержания глюкозы, адаптированного к набору характеристик. В другом варианте осуществления алгоритм определения содержания глюкозы может быть специально адаптирован к одному пациенту. В этом случае алгоритм определения содержания глюкозы может выводиться из опытных данных, полученных только от одного пациента. В отличие от множества показаний электромагнитного импеданса, собираемых при определении уровня содержания глюкозы у пациента, эти опытные данные (данные уровня содержания глюкозы и данные электромагнитного импеданса) могут собираться за период, длящийся дольше, чем один цикл превращений глюкозы у пациента. Этот характерный для пациента алгоритм определения содержания глюкозы может обеспечивать более точные результаты определения уровня содержания глюкозы у пациента, чем алгоритм определения содержания глюкозы для группы пациентов с общим набором характеристик. В любом случае определитель 126 определяет уровень содержания глюкозы у пациента на основании величины импеданса, отображающей разность, алгоритма определения содержания глюкозы.
На необязательном шаге S5 калибратор 128 может калибровать матрицу 142 датчиков путем сравнения уровня содержания глюкозы у пациента с известным уровнем содержания глюкозы у пациента. Известный уровень содержания глюкозы у пациента может быть определен, например, классическим методом забора крови из пальца с помощью ланцета. В этом случае, чтобы взять кровь у пациента, прокалывают кожу на кончике его пальца и собирают кровь, например, в пробирку. Затем кровь может быть исследована традиционными методами измерения содержания глюкозы, чтобы определить уровень содержания глюкозы. Забор крови из пальца является лишь одним из примеров традиционного метода, которым может быть определен известный уровень содержания глюкозы у пациента. Известный уровень содержания глюкозы у пациента может быть определен рядом других способов, известных из техники. В любом случае известный уровень содержания глюкозы может затем сравниваться с уровнем содержания глюкозы, измеренным с помощью определителя 126. Если известный уровень содержания глюкозы и измеренный уровень содержания глюкозы неодинаковы, калибратор 128 может калибровать монитор 140 для контроля содержания глюкозы путем корректировки режимов и видов работы датчиков. Например, в показанной на фиг.4 матрице 143 датчиков калибратор 128 может передать монитору 140 для контроля содержания глюкозы команды преобразовать пару датчиков 250 напряжения в токопередающий датчик 240 и токоприемный датчик 242, соответственно. Калибратор 128 может дополнительно передать монитору 140 для контроля содержания глюкозы команду использовать определенную пару датчиков 250 напряжения для получения данных электромагнитного импеданса пациента. Калибровка может осуществляться без повторного запуска системы 106 контроля содержания глюкозы, а на участке дисплея 342 (фиг.8) может указываться время ожидания калибровки в очереди.
Подразумевается, что калибровка матрицы 142 датчиков может осуществляться отдельно от описанных шагов. Например, калибровка матрицы 142 датчиков может осуществляться до шага S1 измерения и может зависеть от набора характеристик пациента (в которые могут входить данные, типичные для физиологической характеристики пациента). Этот набор характеристик пациента может содержать такую информацию, как вес тела пациента, процентное содержание телесного жира, возраст, пол и т.д. В набор характеристик пациента может дополнительно входить характерная для пациента информация, такая как, например, данные толщины кожи и точки проведения исследования (например, область предплечья, запястье, спина и т.д.). Используя набор характеристик пациента, калибратор 128 может передавать монитору 140 для контроля содержания глюкозы команды использовать один или несколько датчиков напряжения и один или несколько комплектов токопередающих датчиков 240 и токоприемных датчиков 242 для получения данных электромагнитного импеданса пациента.
Рассмотрим на фиг.8, на которой показан вид сверху монитора 140 для контроля содержания глюкозы. Монитор 140 для контроля содержания глюкозы может содержать дисплей 342 и множество органов 344 управления. На дисплее 342 могут отображаться показания 346 содержания глюкозы ("уровень содержания глюкозы: 500 мг/дл"), который может видеть пациент и другие лица, смотрящие на дисплей 342. Показания 346 содержания глюкозы могут отображаться при срабатывании органов 344 управления. В некоторых случаях показания 346 содержания глюкозы могут содержать данные содержания глюкозы за прошлый период с возможностью для пациента просматривать данные содержания глюкозы на протяжении множества временных интервалов. Кроме того, показания 346 содержания глюкозы могут обеспечивать наглядное представление данных содержания глюкозы при срабатывании органов 344 управления. Помимо этого данные содержания глюкозы могут сохраняться и(или) переноситься в запоминающую систему 122 и(или) вычислительное устройство 104. Также подразумевается, что монитор 140 для контроля содержания глюкозы и матрицы 142, 143, 144 датчиков могут находиться в различных местах. Например, матрица 142, 143, 144 датчиков может собирать показания 144 электромагнитного импеданса на пульсе, спине, бедрах и т.д. пациента и передавать показания 144 электромагнитного импеданса монитору 140 для контроля содержания глюкозы. Монитор 140 для контроля содержания глюкозы может передавать показания 144 электромагнитного импеданса, например, системе 106 контроля содержания глюкозы с использованием постоянного проводного или беспроводного соединения.
На фиг.9 проиллюстрирована наглядная среда 500 для контроля уровня содержания глюкозы у пациента согласно другому варианту осуществления изобретения. Показано, что среда 500 содержит вычислительную инфраструктуру 502, рассчитанную на выполнение различных описанных в изобретении процессов. В частности, показано, что в вычислительную инфраструктуру 502 входит вычислительное устройство 504, которое содержит систему 506 контроля содержания глюкозы, позволяющую вычислительному устройству 504 осуществлять контроль уровня содержания глюкозы у пациента путем выполнения шагов способов согласно изобретению. Подразумевается, что компоненты, общие с наглядной средой 100, проиллюстрированной на фиг.1 (например, память, вычислитель, запоминающая система и т.д.), могут функционировать, как описано в изобретении со ссылкой на фиг.1.
Как показано на фиг.9, система 506 контроля содержания глюкозы может содержать компаратор 510 (необязательно), вычислитель 524, определитель 526 глюкозы и калибратор 528 (необязательно). Показано, что система 506 контроля содержания глюкозы связана с запоминающей системой 522 и(или) монитором 540 для контроля содержания глюкозы посредством вычислительного устройства 504. Монитор 540 для контроля содержания глюкозы может содержать компаратор 510 (необязательно), контроллер 541, генератор 543 сигналов и передатчик 546. Показано, что монитор 540 для контроля содержания глюкозы связан с матрицей 542 датчиков, которая позволяет получать показания 544 электромагнитного импеданса пациента (не показана).
В этом варианте осуществления матрица 542 датчиков может представлять собой компонент, отдельный от монитора 540 для контроля содержания глюкозы и системы 506 контроля содержания глюкозы. Например, матрица 542 датчиков может представлять собой сменную матрицу электродов, которой придана описанная в изобретении конфигурация. Как описано в изобретении, матрица 542 датчиков позволяет неинвазивным путем получать показания 544 электромагнитного импеданса части тела пациента. Матрица 542 датчиков может быть соединена с монитором 540 для контроля содержания глюкозы постоянными проводными или беспроводными средствами. В любом случае матрица 542 датчиков способна обмениваться сигналами с монитором 540 для контроля содержания глюкозы и(или) пациентом. В одном из вариантов осуществления контроллер 541 может передавать генератору 543 сигналов команду генерирования электрического сигнала (например, сигнала переменного тока) и передавать передатчику 546 команду передачи электрического сигнала матрице 542 датчиков. Генератором 543 сигналов и передатчиком 546 могут являться любые обычные генератор сигналов и передатчик, известные из техники. В любом случае после приема электрического сигнала от передатчика 546 матрица 542 датчиков может измерять у пациента множество показаний 544 электромагнитного импеданса. Измерение показаний 544 электромагнитного импеданса может осуществляться любым способом, описанным в изобретении или известным из техники. От матрицы 542 датчиков показания 544 электромагнитного импеданса любыми обычными способами (например, посредством передатчика, расположенного в матрице 542 датчиков) могут поступать в монитор 540 для контроля содержания глюкозы. Тем не менее, если матрица 542 датчиков и монитор 540 для контроля содержания глюкозы имеют постоянное проводное соединение друг с другом, для обмена электрическими сигналами могут не требоваться передатчик 546 и передатчик в матрице 542 датчиков. В любом случае матрица 542 датчиков может передавать показания 544 электромагнитного импеданса монитору 540 для контроля содержания глюкозы.
В одном из вариантов осуществления компаратор 510 представляет собой компонент монитора 540 для контроля содержания глюкозы. В этом случае компаратор 510 может действовать преимущественно аналогично компаратору 110, показанному на фиг.1. После приема команды от контроллера 541 компаратор 510 сравнивает показания 544 электромагнитного импеданса, чтобы установить, превышает ли разность между показаниями 544 пороговую величину. Если разность превышает пороговую величину, контроллер 541 может передать передатчику 546 команду передачи показаний 544 электромагнитного импеданса, отображающих разность, системе 506 контроля содержания глюкозы. Если разность не превышает пороговую величину, контроллер 541 может передать генератору 543 сигналов и передатчику 546 (необязательно) команду передачи дополнительных электрических сигналов матрице 542 датчиков для измерения дополнительных показаний 544 электромагнитного импеданса. Контроллер 541 и компаратор 510 могут повторять этот процесс, пока разность между показаниями 544 не превысит пороговую разность.
Монитор 540 для контроля содержания глюкозы и система 506 контроля содержания глюкозы могут быть соединены постоянными проводными или беспроводными средствами. В одном из вариантов осуществления, в котором монитор 540 для контроля содержания глюкозы имеет беспроводное соединение с системой 506 контроля содержания глюкозы, передатчик 546 может передавать показания 544 электромагнитного импеданса системе 506 контроля содержания глюкозы с использованием высокочастотной (ВЧ) беспроводной связи. В любом случае монитор 540 для контроля содержания глюкозы передает показания 544 электромагнитного импеданса системе 506 контроля содержания глюкозы, которая может действовать преимущественно аналогично системе 106 контроля содержания глюкозы, показанной на фиг.1.
В одном из альтернативных вариантов осуществления компаратор 510 может представлять собой компонент системы 506 контроля содержания глюкозы (проиллюстрированный и описанный применительно к системе 106 контроля содержания глюкозы, показанной на фиг.1). В этом случае компаратор 510 может поддерживать связь с монитором 540 для контроля содержания глюкозы, в частности, с контроллером 541 для получения показаний 544 электромагнитного импеданса, отображающих пороговую разность. После получения этих показаний 544 они могут быть обработаны, как описано со ссылкой на фиг.1 (например, с использованием вычислителя 524, определителя 526 глюкозы и т.д.).
В другом альтернативном варианте осуществления (представленным сквозным изображением) монитор 540 для контроля содержания глюкозы и его компоненты могут входить в систему 506 контроля содержания глюкозы (и(или) вычислительное устройство 504). В этом случае наглядная среда 500 содержит два компонента: вычислительное устройство 504 и матрицу 542 датчиков. В данном случае вычислительное устройство 504 может иметь постоянное проводное или беспроводное соединение с матрицей 542 датчиков, а все функции устройства 540 для контроля содержания глюкозы могут выполняться системой 506 контроля содержания глюкозы. В любом случае система 506 контроля содержания глюкозы, монитор 540 для контроля содержания глюкозы и матрица 542 датчиков обеспечивают неинвазивный контроль уровня содержания метаболитов (например, глюкозы) в крови пациента.
Примеры
Далее приведены конкретные примеры описанных в изобретении вариантов осуществления.
Пример 1
Идентификация слоев тканей
Далее приведен наглядный пример результатов экспериментальных исследований, полученных с использованием монитора 140 для контроля содержания глюкозы с матрицей 143 датчиков, показанной на фиг.4. В качестве всех датчиков в этом эксперименте использовали одноразовые электроды BIOPAC® (BIOPAC® является зарегистрированным товарным знаком компании BIOPAC Systems Inc., Голета, штат Калифорния, США) диаметром 10,5 мм каждый. На фиг.10 показан схематический вид сбоку матрицы 143 датчиков, использованной в этом эксперименте. Как описано в изобретении, каждому электроду в матрице 143 датчиков был присвоен номер (1-8). Матрицу 143 датчиков сконфигурировали таким образом, что расстояние между электродами (между центрами) составляло X, а расстояние от центра электрода 1 до центра электрода 8 составляло 7Х (при равном расстоянии между электродами). В этом примере результаты измерений были получены с использованием комплектов из четырех электродов, включающих один токопередающий электрод, один токоприемный электрод и два электрода-датчика напряжения. На фиг.11 показана таблица, иллюстрирующая девять тестовых комбинаций (A-I), использованных в эксперименте. Как показано на фиг.11, позицией "А" обозначен токопередающий электрод, позицией "В" обозначен токоприемный электрод, а позициями "М" и "N" обозначены электроды-датчики напряжения. Подразумевается, что во всех конфигурациях токопередающий электрод "А" является взаимозаменяемым с токоприемным электродом "В". При пояснении как токопередающий электрод "А", так и токоприемный электрод "В" будут именоваться "токопроводящими электродами А и В".
Этот эксперимент был проведен в слое кожной ткани животного и во множестве слоев мышечной ткани животного. Сначала поместили кожную ткань животного над множеством слоев мышечной ткани животного и воздействовали электрическим током. На различных стадиях этого эксперимента кожную ткань животного помещали между слоями мышечной ткани животного, чтобы определить глубину измерения. Для измерения разности потенциалов между двумя электродами-датчиками напряжения (М и N) при прохождении электрического тока между токопроводящими электродами А и В использовали анализатор импеданса Agilent HP 4192A (далее - "анализатор импеданса"). Для проведения этого эксперимента было выбрано ограниченное число комбинаций расположения электродов. По существу, были заданы два условия:
1) токопроводящий электроды А и В должны были находиться снаружи электродов-датчиков напряжения М и N; и 2) расстояние между электродами А и М должно было быть равным расстоянию между электродами N и В в каждой конфигурации. С учетом этих условий, использовали девять возможных комбинаций (A-I) (фиг.11). С помощью анализатора импеданса на частоте 100 кГц собрали данные электромагнитного импеданса при каждой комбинации расположения электродов (A-I) для каждой конфигурации кожной ткани и мышечной ткани. Эти исследования показали, что глубина, на которой могут быть получены результаты измерений, зависит от удельного сопротивления (т.е. 1/удельная проводимость) испытуемого материала (т.е. кожной ткани), а также конфигурации четырех активных электродов, использованных для проведения измерений. Известно, что при одинаковом расстоянии между всеми электродами (А, В, М и N) глубина измерений равна расстоянию между электродами. При использовании матрицы 143 датчиков, показанной на фиг.4, в двух случаях D(A-M)=D(N-B)=D(M-N). Этот имеет место при использовании комбинаций А и Е, проиллюстрированных на фиг.10. Если используется комбинация A, D(A-M)=D(N-B)=D(M-N)=11,75 мм, а если используется комбинация Е, D(A-M)=D(N-B)=D(M-N)=23,5 мм. Исходя из этой теории, комбинация А электродов позволяла бы определять характеристики ткани на глубине 11,75 мм, а комбинация Е электродов позволяла бы определять характеристики ткани на глубине 23,5 мм. Тем не менее при проведении этого эксперимента с использованием комбинаций А и Е были получены несколько отличающиеся результаты. Комбинация А электродов позволяла проводить измерения на глубине 9,5 мм, а комбинация Е электродов позволяла проводить измерения на глубине 18,75 мм. Величина отклонений составляла 19% и 20%, соответственно. Позднее эти отклонения были использованы для калибровки матрицы 143 датчиков и определения различных глубин измерения в зависимости от испытуемого материала и электродов, используемых в матрице 143 датчиков.
Пример 2
Устранение влияния объема ткани
На фиг.12 показана концептуальная модель измеренных объемов тканей и их измеренных импедансов. Согласно этой модели ZA отображает измерение импеданса и измеренный объем с помощью комбинации А, a ZE, отображает измерение импеданса и измеренный объем с помощью комбинации Е. В этом исследовании расстояние между электродами у комбинации Е вдвое превышало расстояние между электродами у комбинации А (2Х по сравнению с X). Соответственно, при вычитании ZA из ZE (определении разности между ZA и ZE) величина Z1 равна ZA в ряду ZA, то есть Z1=ZA+ZA (Уравнение 1 ниже). Поскольку ZE является параллельной комбинацией Z1 и Z2, уравнением для параллельной комбинации является ZE=(Z1Z2)/(Z1+Z2). Путем подстановки результатов для Z1 получаем уравнение ZE=(ZA+ZA)*Z2/((ZA+ZA)+Z2), при этом Z1 означает величину импеданса ткани от поверхности на глубину X, а Z2 означает величину импеданса ткани от глубины Х до глубины 2Х. В одном из исследований величина Х составляла приблизительно 11,75 мм. Поскольку задача устранения влияния объема ткани заключалась в вычитании Z1 из ZE, из уравнения для ZE (смотри выше), было выведено Уравнение 2, содержащее решение для Z2.
Для подтверждения модели было проведено второе исследование, на этот раз сосредоточенное на комбинациях А и Е, и с использованием только мышечной ткани животного средней толщиной 24,61 мм. Измерили ZA и ZE, и вычислили Z1 и Z2 с использованием описанных выше Уравнений 1 и 2. Эти величины амплитуд и фаз представлены в таблице на фиг.13. Эти величины амплитуд и фаз помогают охарактеризовать результаты при измерениях только в мышечной ткани. Как показано на фиг.13, предельными величинами для мышечной ткани являются: Z1=180 Ω и 0,03°, Z2=437 Ω и -1,03°. Так, когда Z1 и Z2 превышают 180 Ω и 437 Ω, соответственно, измеряется комбинация кожи и мышц. Поскольку Z1 и Z2 приближались к этим предельным величинам, стало ясно, что Z1 и Z2 не позволяют устанавливать различие между мышечной и кожной тканями.
Пример 3
Дифференциация объема ткани
Были проведены дополнительные исследования с целью определения разности между показаниями измерений в эпидермальном слое и в одном из слоев, включающих кожный слой или подкожный слой пациента. С помощью матрицы 143 датчиков измерили показания электромагнитного импеданса в стандартном растворе хлорида натрия с концентрацией 140 ммол/л. С учетом однородного объема раствора хлорида натрия опытным путем вывели зависимость между объемами, измеренными с помощью различных пар электродов (фиг.11) на одной частоте, согласно уравнениям:
,
в которых Z означает импеданс, измеренный при использовании комбинаций (I, G, С), a kIC, kIC и kGC были вычислены с использованием стандартного раствора хлорида натрия с концентрацией 140 ммоль/л.
Чтобы проверить, распространяются ли эти выведенные опытным путем зависимости на ткани животных, были проведены два исследования. Исследование А провели на мышечной ткани животного толщиной 35 мм, при этом значения k для однородной мышечной ткани соответствовали значениям, полученным при исследовании с использованием хлорида натрия (выше). Исследование В провели на фрагменте кожной ткани животного толщиной 1,35 мм, который поместили над той же мышечной тканью животного, которую использовали в исследовании А. При использовании Уравнения 3 импеданс ZI "отличался" от импедансов ZG и ZC. При использовании Уравнения 4 импеданс ZG не "отличался" от импеданса ZC. Электромагнитные импедансы (Z) считались "отличающимися", если разность измеренных электромагнитных импедансов превышала 10%. Полученные в исследовании В величины разности измеренного электромагнитного импеданса составляли:
1) Разность в процентах между ZI и ZG ~29%,
2) Разность в процентах между ZI и ZC ~37% и
3) Разность в процентах между ZG и ZC ~7%.
Пример 4
Дифференциация и устранение влияния объема (VDR) ткани
После того, как было установлено, что возможно по отдельности осуществлять дифференциацию объема ткани и устранение влияние объема ткани, можно было осуществить дифференциацию и устранение влияние объема (VDR). Для этого провели измерения четырех показаний электромагнитного импеданса для каждого случая VDR. В частности, измерения двух показаний электромагнитного импеданса могут осуществляться в верхнем объеме (т.е. в эпидермальном слое), измерения двух показаний электромагнитного импеданса могут осуществляться в нижнем объеме (т.е. в кожном или подкожном слое). После идентификации тканей различных объемов, описанных выше, результаты четырех измерений могут использоваться в модели эквивалентной схемы для вычисления величин электромагнитного импеданса, отображающих разность между объемами. В одном из вариантов осуществления два из четырех измерений осуществляются в поверхностном объеме (в кожной ткани животного), а два других в глубинном объеме (кожной ткани животного & мышечной ткани животного). На фиг.14 показана модель эквивалентной схемы, которая походит на традиционную модель мостовой цепи переменного тока (АС), в которой импедансы "уравновешены" относительно нулевого показания (D). В одном из вариантов осуществления, проиллюстрированном на фиг.14, электромагнитные импедансы ZJ, ZM отображают поверхностный объем (кожной ткани животного), а электромагнитные импедансы ZK, ZL отображают общий объем (т.е. поверхностный/глубинный объемы). Из модели моста переменного тока было выведено следующее уравнение модели эквивалентной схемы:
в котором "D" означает величину электромагнитного импеданса, отображающую разность между поверхностным объемом и глубинным объемом.
Путем установки D на ноль и измерения электромагнитного импеданса в поверхностном объеме и в глубинном объеме были определены соотношения между величинами импеданса. В другом варианте осуществления каждая из величин ZJ, ZK, ZL и ZM может отображать электромагнитные импедансы в нескольких объемах. Например, ZJ может отображать данные электромагнитного импеданса в эпидермальном слое и кожном слое пациента, а ZK может отображать данные электромагнитного импеданса в кожном слое и эпидермальном слое пациента. В этом случае для определения разности D необходима дополнительная дифференциация показаний импеданса (ZJ, ZK). В этом случае величины ZJ и ZK импеданса могут быть разделены на составные части (т.е. действительные и мнимые части), и может осуществляться дифференциация.
В другом случае для облегчения определения разности D могут быть сделаны допущения в отношении величин импеданса и их взаимных зависимостей. Как показано на фиг.12-13, для упрощения определения разности D могут быть сделаны допущения в отношении Z2, ZJ и ZK. В этом случае Z2 отображает разность D, а ZJ и ZK в каждом случае отображают определенную алгебраическую комбинацию ZA и ZE. С математической точки зрения этими допущениями являются: D=Z2 (фиг.11); ZJ=ZM; и ZK=ZL. С помощью этих допущений и путем подстановки в Уравнение 5 получаем:
Z2=((Z1*ZE)/(Z1-ZE)); и
ZK=ZJ*(Z1*ZE+Z1-ZE)/(Z1-ZE-Z1*ZE).
Хотя для нахождения решения для ZK в предыдущем уравнении необходимы дополнительные преобразования (допущения и(или) подстановки), эти преобразования находятся в пределах компетенции специалистов в данной области техники.
Хотя в изобретении проиллюстрированы и описаны способ и система контроля уровня содержания метаболитов в крови (более точно, уровня содержания глюкозы) у пациента, подразумевается, что в изобретении дополнительно предусмотрены различные альтернативные варианты осуществления. Иными словами, в изобретении может быть предусмотрен вариант осуществления целиком на основе аппаратного обеспечения или вариант осуществления с использованием элементов как аппаратного, так и программного обеспечения. В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретение реализовано в форме программного обеспечения, включая без ограничения аппаратно-реализованное программное обеспечение, резидентное программное обеспечение, набор микрокоманд и т.д. В одном из вариантов осуществления изобретение может быть реализовано в форме компьютерного программного продукта, доступного с использованием применимого в компьютерах или машиночитаемого носителя, содержащего программный код для использования компьютером или в связи с компьютером или любой системой выполнения команд, который при его выполнении обеспечивает вычислительную инфраструктуру для определения уровня содержания глюкозы у пациента. С точки зрения настоящего описания применимым в компьютерах или машиночитаемым носителем может являться любое устройство, способное содержать, хранить или переносить программу для использования системой, оборудованием или устройством для выполнения команд или в связи с системой, оборудованием или устройством для выполнения команд. Носителем может являться электронная, магнитная, оптическая, электромагнитная, инфракрасная или полупроводниковая система (или оборудование или устройство). Примеры машиночитаемого носителя включают полупроводниковую или твердотельную память, такую как запоминающая система 122, магнитную ленту, съемную компьютерную дискету, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), ленту, жесткий магнитный диск и оптический диск. Существующие примеры оптических дисков включают постоянное запоминающее устройство на компакт-диске (CD-ROM), компакт диск с оперативной записью/считыванием (CD-R/W) и DVD.
Система обработки данных, применимая для хранения и(или) выполнения программного кода, содержит по меньшей мере один процессор 114, прямо или косвенно связанный с запоминающими элементами посредством системной шины 118. Запоминающие элементы могут включать локальную память, например память 112, используемую во время фактического выполнения программного кода, запоминающее устройство большого объема (например, запоминающую систему 122) и кэш-памяти, которые обеспечивают временное хранение по меньшей мере части программного кода с целью сокращения необходимого числа извлечений кода из запоминающего устройства большого объема во время выполнения.
В другом варианте осуществления предложен способ формирования системы для контроля уровня содержания глюкозы у пациента. В этом случае может быть получена (например, создана, сохранена или предоставлена в распоряжение и т.д.) вычислительная инфраструктура, такая как вычислительная инфраструктура 102, 502 (фиг.1, 9), и может быть получена (например, создана, приобретена, использована, модифицирована и т.д.) и применена в вычислительной инфраструктуре одна или несколько систем для осуществления описанного в изобретении процесса. Соответственно, применение каждой системы может включать одно или несколько из следующего: (1) установку программного кода в вычислительном устройстве, таком как вычислительное устройство 104, 504 (фиг.1, 9) с машиночитаемого носителя; (2) дополнение вычислительной инфраструктуры одним или несколькими вычислительными устройствами; и (3) объединение и(или) модификацию одной или нескольких существующих систем вычислительной инфраструктуры, чтобы позволить вычислительной инфраструктуре выполнять стадии процесса согласно изобретению.
В еще одном варианте осуществления предложен способ ведения деятельности, в котором выполняется описанный в изобретении процесс на основе подписки, в порядке рекламы и(или) на платной основе. Иными словами, поставщик услуг, такой как поставщик приложений, может предлагать услугу определения уровня содержания глюкозы у животного, как описано в изобретении. В этом случае поставщик услуг может управлять (например, создавать, обеспечивать, поддерживать и т.д.) вычислительную инфраструктуру, такую как вычислительная инфраструктура 102, 502 (фиг.1, 9), которая выполняет описанный в изобретении процесс для одного или нескольких клиентов. В ответ поставщик услуг может получать плату от клиента(-ов) на основании соглашения о подписке и(или) платеже, получать плату за продажу рекламы одному или нескольким третьим лицам и(или) т.п.
В контексте настоящего изобретения подразумевается, что термины "программный код" и "компьютерный программный код" являются синонимами и на любом языке означают кодовое обозначение или запись набора команд, которые побуждают вычислительное устройство, обладающее способностью к обработке данных, выполнять конкретную функцию непосредственно или после любой комбинации из следующего: (а) перевода на другой язык, код или систему записи; (б) воспроизведение в другой материальной форме; и(или) (в) разуплотнение. Соответственно, программный код может быть воплощен в форме программных продуктов одного или нескольких типов, таких как приложение/программа системы программного обеспечения, компонентное программное обеспечение/библиотека функций, операционная система, базовая система/драйвер ввода-вывода для конкретного вычислительного устройства и(или) устройства ввода-вывода и т.п.
Изложенное выше описание различных особенностей изобретения приведено в качестве иллюстрации. Оно не имеет целью исчерпывающе раскрыть изобретение или ограничить его точной раскрытой формой, и очевидно, что возможно множество изменений и вариантов. Предполагается, что такие изменения и варианты, которые будут ясны специалистам в данной области техники, входят в объем изобретения, охарактеризованного в прилагаемой формуле изобретения.
1. Способ неинвазивного контроля уровня содержания метаболитов в крови, в котором:
с помощью матрицы датчиков многократно измеряют множество показаний электромагнитного импеданса в эпидермальном слое пациента и в одном из слоев, включающих кожный слой или подкожный слой пациента, пока разность между показаниями не превысит пороговую величину;
вычисляют величину импеданса, отображающую указанную разность, с использованием модели эквивалентной схемы и данных индивидуального поправочного коэффициента, характерных для физиологической характеристики пациента; и
определяют уровень содержания метаболитов в крови пациента на основании величины импеданса и алгоритма определения уровня содержания метаболитов в крови, в котором данные уровня содержания метаболитов в крови сопоставляются с соответствующим значением данных электромагнитного импеданса пациента.
2. Способ по п.1, в котором дополнительно калибруют матрицу датчиков, исходя из уровня содержания метаболитов в крови пациента и известного уровня содержания метаболитов в крови пациента.
3. Способ по п.1, в котором уровнем содержания метаболитов в крови является одно из следующего: уровень содержания глюкозы, электролита или исследуемого вещества.
4. Способ по п.1, в котором данные индивидуального поправочного коэффициента включают сведения по меньшей мере об одном из следующего: весе пациента, поле пациента, процентом содержании телесного жира у пациента, частоте сердечных сокращения у пациента, возрасте пациента и расовой принадлежности пациента.
5. Способ по п.1, в котором многократные измерения осуществляют в течение от приблизительно одной минуты до приблизительно 6 минут.
6. Способ по п.1, в котором многократные измерения в одном из слоев, включающих кожный слой или подкожный слой пациента, осуществляют в течение одного цикла превращений глюкозы у пациента.
7. Способ по п.1, в котором многократные измерения включают измерения множества показаний электромагнитного импеданса в эпидермальном слое, кожном слое и подкожном слое пациента.
8. Способ по п.1, в котором матрица датчиков содержит расположенные на равном расстоянии электроды.
9. Способ по п.1, в котором модель эквивалентной схемы включает следующее уравнение для модели эквивалентной схемы:
D=((ZK/(ZJ+ZK))-(ZM/(ZM+ZL)),
где ZJ означает первое показание электромагнитного импеданса в эпидермальном слое,
ZM означает второе показание электромагнитного импеданса в эпидермальном слое,
ZK означает первое показание электромагнитного импеданса в одном из слоев, включающих кожный слой или подкожный слой,
ZL означает второе показание электромагнитного импеданса в одном из слоев, включающих кожный слой или подкожный слой,
а D означает величину импеданса, отображающую упомянутую разность.
10. Система контроля уровня содержания по меньшей мере одного из веществ, включающих глюкозу, электролит или исследуемое вещество, содержащая:
матрицу датчиков для многократного измерения множества показаний электромагнитного импеданса в эпидермальном слое пациента и в одном из слоев, включающих кожный слой или подкожный слой пациента, пока разность между показаниями не превысит пороговую величину;
вычислитель для вычисления величины импеданса, отображающей указанную разность, с использованием модели эквивалентной схемы и данных индивидуального поправочного коэффициента, характерных для физиологической характеристики пациента; и
определитель для определения уровня содержания по меньшей мере одного из веществ, включающих глюкозу, электролит или исследуемое вещество, на основании величины импеданса и по меньшей мере одного из алгоритмов, включающих алгоритм определения содержания глюкозы, алгоритм определения содержания электролита или алгоритм определения содержания исследуемого вещества.
11. Система контроля по п.10, дополнительно содержащая генератор сигналов для генерирования электромагнитных сигналов и передачи электромагнитных сигналов матрице датчиков.
12. Система контроля по п.11, дополнительно содержащая анализатор сигналов для анализа электромагнитных сигналов и генерирования показания электромагнитного импеданса.
13. Система контроля по п.10, в которой получение показаний электромагнитного импеданса происходит на частоте между приблизительно 10 Гц и 10 МГц.
14. Система контроля по п.10, в которой матрица датчиков содержит по меньшей мере семь датчиков.
15. Система контроля по п.14, в которой по меньшей мере семь датчиков образуют преимущественно линейное расположение.
16. Система контроля по п.10, в которой матрица датчиков содержит токопередающий электрод, токоприемный электрод и два электрода-датчика напряжения, образующих линейное расположение на эпидермальном слое пациента.
17. Система контроля по п.16, в которой токопередающий электрод, токоприемный электрод и два электрода-датчика напряжения расположены на равных расстояниях друг от друга в матрице датчиков.
