Неинвазивный способ определения концентрации глюкозы в крови



Неинвазивный способ определения концентрации глюкозы в крови
Неинвазивный способ определения концентрации глюкозы в крови
Неинвазивный способ определения концентрации глюкозы в крови
Неинвазивный способ определения концентрации глюкозы в крови
Неинвазивный способ определения концентрации глюкозы в крови
Неинвазивный способ определения концентрации глюкозы в крови
Неинвазивный способ определения концентрации глюкозы в крови
Неинвазивный способ определения концентрации глюкозы в крови
Неинвазивный способ определения концентрации глюкозы в крови
Неинвазивный способ определения концентрации глюкозы в крови
Неинвазивный способ определения концентрации глюкозы в крови
Неинвазивный способ определения концентрации глюкозы в крови
Неинвазивный способ определения концентрации глюкозы в крови
Неинвазивный способ определения концентрации глюкозы в крови
Неинвазивный способ определения концентрации глюкозы в крови
Неинвазивный способ определения концентрации глюкозы в крови
Неинвазивный способ определения концентрации глюкозы в крови

 


Владельцы патента RU 2607494:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный технический университет"(ФГБОУ ВО "ТГТУ") (RU)

Изобретение относится к медицине, а именно к эндокринологии, и может быть использовано для неинвазивного определения концентрации глюкозы в крови. Для этого накладывают термисторы над поверхностной веной головы испытуемого и измеряют температуру и концентрацию глюкозы в крови. При этом определяют концентрацию глюкозы крови по двум калибровочным характеристикам: глюкограмме и термограмме, параметры которых априори отождествляют с верхней и нижней границами адаптивного диапазона двух известных пациентов с нормированными параметрами. Расчет проводят по определенным математическим формулам. Способ обеспечивает повышение точности и метрологической эффективности неинвазивного определения концентрации глюкозы за счет исключения методической и динамической погрешностей для автоматизации компьютерных анализаторов глюкозы в адаптивном диапазоне нормируемых мер при повышении оперативности. 8 ил., 4 табл.

 

Изобретение относится к области медицины, в частности к эндокринологии, и может быть использовано для мониторинга концентрации глюкозы в крови.

Известен способ неинвазивного определения концентрации глюкозы в крови [см. Патент №2198586 (РФ), А61В 5/022, №2000123186 / Эльбаев А.Д.; Акаева С.А.; Курданов Х.А. - 2003], в котором измеряют систолическое и диастолическое артериальное давление натощак и после приема пищи. Рассчитывают содержание глюкозы в крови в ммоль/л натощак (Р) и после приема пищи (Р1) по формулам: P=0,37⋅Е1,65⋅K, где E - постоянная, Е=2,71828, P1=0,65⋅El,5⋅K1, где Е - постоянная, Е=2,71828, К и К1 - коэффициенты корреляции, которые определяют как отношение среднеарифметического значения систолического артериального давления к среднеарифметическому значению диастолического артериального давления, измеренным на обеих руках пациента натощак (К) и после приема пищи (К1).

Недостаток: способ не позволяет достичь желаемой точности и не позволяет осуществлять непрерывный мониторинг концентрации глюкозы в крови.

Известен способ для неинвазивного определения глюкозы в частях человеческого тела [см. патент 5795305 (US), 60/549/ Ok-Kyung Cho, Birgit Holzgreve, 18.08.98]. Используют высокоточные измерения температуры участка тела, инфракрасного излучения данного участка и теплопроводности кожи на данном участке для определения концентрации глюкозы. Анализ основан на математических методах экстраполяции и не принимает в расчет воздействия внешних факторов на изменение температуры тела.

Недостатком этого способа является отсутствие математической модели углеводного обмена. Алгоритм связывает только текущую концентрацию глюкозы в крови с текущей температурой, а значит, способ не предназначен для длительного мониторинга, а также не учитывает влияния индивидуальных факторов на изменение температуры.

За прототип принят способ неинвазивного контроля уровня глюкозы в крови [см. патент 2180514 (РФ), А61В 5/01 №2001101121/14 / Шмелев В.М., Бобылев В.М. - 20.03.2002], в котором определяют концентрацию глюкозы в крови с помощью измерительного устройства, при этом проводят непрерывный мониторинг концентрации глюкозы в крови путем измерения в области поверхностных вен головы тепловых потоков датчиком измерительного устройства, а концентрацию глюкозы (Xg*) определяют по формуле Xg*=X1*+X2*, где X1*=Wmn(s)XT*, X2*=КПWmn(s)XП*, где ХТ* - безразмерное отклонение температуры от установившегося значения, ХП* - безразмерное отклонение теплового потока от установившегося значения, Wmn(s)=1/(TТПs+1) - передаточная функция концентрации глюкозы в крови по температуре и тепловому потоку, ТТП - экспериментально определяемая постоянная времени переходного процесса, КП - экспериментально определяемый безразмерный коэффициент, s=d/dt - оператор дифференцирования.

Недостатком прототипа является низкая метрологическая эффективность из-за высокой погрешности в широком диапазоне информативных параметров измерения, обусловленной фиксированной статистической градуировочной характеристикой.

Технической задачей способа является повышение метрологической эффективности за счет исключения методической и динамической погрешностей для автоматизации компьютерных анализаторов глюкозы в адаптивном диапазоне нормируемых мер.

Техническая задача достигается неинвазивным определением концентрации глюкозы крови по глюкограмме, калибруемой в нормированных границах адаптивного диапазона оптимальными максимальными температурами термограмм известных пациентов.

1. В неинвазивном способе определения концентрации глюкозы в крови, заключающемся в том, что накладывают термисторы над поверхностной веной головы испытуемого и измеряют температуру и концентрацию глюкозы в крови, в отличие от прототипа определяют концентрацию глюкозы крови по двум калибровочным характеристикам: глюкограмме и термограмме, параметры которых априори отождествляют с верхней и нижней границами адаптивного диапазона двух известных пациентов с нормированными параметрами, параметры термограммы: постоянную времени Т и максимальную температуру Е, находят по измеренным избыточным температурам Ui для i=1, 2 в два момента времени t1 и бинарный t2=2t1, параметрами глюкограммы служат: предельная температура E0 и предельная концентрация глюкозы P0 крови, которые регистрируют по измеренным концентрациям глюкозы Pj, где j=1, 2 для двух максимальных температур E1 и кратной E2=nE1 термограммы U(t)

с тождественными границам диапазона параметрами: постоянной времени T и максимальной температурой E

2. В способе по п.1, в отличие от прототипа, глюкограмма

отражает физику натурного эксперимента с тождественными границам диапазона параметрами: предельной температурой Е0 и предельной глюкозой Р0

Сущность предлагаемого способа поясняется на фиг.1-8.

Предлагаемый способ перед измерением включает 2 этапа: 1 - калибровку параметров термограммы и 2 - калибровку параметров глюкограммы.

1 этап

а) При обследовании пациента натощак накладывают термисторы над поверхностной веной головы и измеряют значение температуры (фиг. 1, правая шкала) в начальный момент времени. Избыточные температуры (фиг. 1, левая шкала), с учетом начальной температуры , определяются соотношением:

б) После принятия пациентом глюкозосодержащей пищи регистрируют изменение температуры Ui для i=1, 2 в течение времени t1 и бинарного t2=2t1, по которым рассчитывают предельные параметры термограммы (фиг. 1).

в) Предельные параметры находят априори для известных пациентов с нормированными границами адаптивного диапазона калибровочной характеристики температуры U от времени t (термограмме):

с учетом параметров: Е - максимальная температура и Т - постоянная времени.

Закономерности параметров Е и Т тождественны оптимальным эквивалентам (фиг. 1, прямые 2, 3) термограммы (2), которые интегрируют переменные температуры U и времени t:

что доказывают предельные решения

Постоянную времени T термограммы (2) находят из системы уравнений:

Поделим второе уравнение системы (3) на первое, учитывая, что t2=2t1:

После сокращения на знаменатель и логарифмирования находим параметр термограммы Т - постоянную времени:

Максимальную температуру Е термограммы (1) определяют из инверсной относительно (3) системы уравнений:

После деления второго уравнения системы (5) на первое

учитывая бинарность интервалов , получим логарифмическое уравнение:

что соответствует после экспоненцирования квадратному уравнению:

Раскрывая скобки и сокращая единицы и знаменатель Е, находим алгоритм оптимизации второго параметра калибровочной характеристики термограммы E - максимальную температуру:

Максимальные температуры (6) термограммы (2) служат на 2 этапе нормированными границами адаптивного диапазона исследуемой глюкограммы для ее отождествления с эквивалентом натурного эксперимента за счет нахождения оптимальных параметров эталонной глюкограммы.

2 этап

а) Определяют концентрацию Р глюкозы крови через максимальную температуру Е по калибровочной характеристике глюкограммы, ммоль/л:

с учетом информативных параметров: Р0 - предельная глюкоза крови и Е0 - предельная температура (см. фиг 2).

Закономерности параметров Р0 (фиг. 2, прямая 2) и Е0 (фиг. 2, прямая 3) тождественны оптимальному эквиваленту глюкограммы (7):

что доказывают предельные решения

б) Калибровочную характеристику (7) вводят априори для двух известных пациентов с нормированными границами адаптивного диапазона концентрации глюкозы P1, P2 крови, для которых определяют максимальные температуры E1, E2 на первом этапе. По двум известным концентрациям глюкозы и регистрируемым максимальным температурам P1, E1 и P2, E2 находят предельную глюкозу Р0 крови и предельную температуру Е0 (фиг. 2).

Параметр глюкограммы (7) предельную температуру Е0 находят из системы уравнений

Поделим второе уравнение системы (8) на первое

и после логарифмирования находим предельную температуру Е0 глюкограммы:

Предельную глюкозу Р0 определяют из инверсной относительно (8) системы уравнений

после деления второго уравнения системы (10) на первое

Принимая во внимание кратность отношения , получим логарифмическое уравнение

что соответствует после экспоненцирования степенному уравнению

После деления на знаменатель понижают на единицу степень

и находят второй параметр глюкограммы Р0 - предельную глюкозу

К преимуществам предлагаемого способа диагностики по сравнению с прототипом относится повышение точности способа за счет исключения методической и динамической погрешностей посредством калибровки глюкограммы в нормированных границах адаптивного диапазона оптимальными максимальными температурами термограмм известных пациентов.

Докажем метрологическую эффективность предлагаемого способа относительно прототипа по достоверности измерений в адаптивном диапазоне для исследуемой зависимости.

1. Оценка методической погрешности

а) Термограмма (фиг. 1 и фиг. 3, кривые 1, 2)

Для первого пациента найдем по бинарным интервалам t1=1800, t2=3600 измеренные температуры , (фиг. 1), с учетом начальной температуры избыточные температуры Ui=0,422, 0,578 по алгоритмам (4) и (6) оптимальные параметры Е1=0,668, Т=1800 термограммы (фиг. 3).

По найденным параметрам Е1 и Т для первого пациента находим из (2) калибровочную характеристику Uj:

Для второго пациента найдем по бинарным интервалам t1=1800, t2=3600 измеренные температуры и , (фиг. 1) с учетом начальной температуры Ui=36° избыточные температуры Ui=0,495, 0,677 по алгоритмам (4) и (6) оптимальные параметры Е2=0,783, Т=1800 термограммы.

По найденным параметрам Е2 и T для второго пациента находим (фиг. 3, кривая 2) из (2) калибровочную характеристику Uj:

Оценим достоверность (фиг.4) эталонной (экспериментальной) Uэ (фиг. 3 кривая 1) относительно калибровочной характеристики Ui (фиг. 3 кривая 2) по относительной погрешности εi:

Систематизируем результаты в табл.1 для анализа методической погрешности термограммы инновации (u) и прототипа (n) по эффективности

Табл. 1 показывает, что параметры инновации Eju и Tju однозначно определяют термограммы с минимальной погрешностью не более 0,12% и 0,06% (фиг. 4), а у прототипа Ejn и Тjn погрешность определения 5%. Тогда эффективность (12а) калиброванной термограммы предлагаемого решения отличается в 42-83 раза, т.е. на два порядка выше прототипа, регламентированного статистическим анализом множества ненормированных переменных по жесткой градуировочной характеристике среднестатистического фантома.

б) Глюкограмма

Найдем для известных значений Р1=3,1, Р2=4,7 и определенных максимальных значений температуры Е1=0,668, Е2=0,783 по алгоритмам (9) и (11) оптимальные параметры Е0=0,276 и Р0=0,276 глюкограммы (фиг. 5, кривая 1).

По найденным параметрам Е0 и Р0 находим из (7) калибровочную характеристику Pj (фиг. 5, кривая 2):

Оценим достоверность (фиг.6) глюкограмм эталонной (экспериментальной) Рз (фиг.5, кривая 1) относительно калибровочной характеристики (фиг.5, кривая 2) и прототипа Р (фиг.5, кривая 3) по относительной погрешности εj:

Для анализа глюкограмм систематизируем данные в табл. 2.

Табл. 2 показывает, что параметры Е0 и Р0 однозначно определяют эталонную и откалиброванную глюкограммы с минимальной методической погрешностью не более 0,035% (тождественно фиг. 4), тогда как у прототипа погрешность определения 5% в диапазоне (Е12) здорового пациента и 500% в группах риска (фиг. 6) из-за статистического анализа с линейной аппроксимацией (фиг. 5, график 3).

2. Оценка динамической погрешности

a) Термограмма

Динамическая погрешность (фиг. 7) определяется нелинейностью η1 термограмм, регламентируемой отношением интервалов времени переменных t прототипа и нормированной постоянной времени предлагаемого решения T (фиг. 1, 3):

Нелинейность (14) заявляемого решения η1u тождественна единичному эквиваленту (фиг. 7, кривая 1), т.к.

В прототипе используются ненормированные переменные времени t:

а нелинейности термограмм (фиг. 1) прототипа изменяются по логарифмическому закону

Воспроизводимость результатов термограммы (фиг. 3) представлена в табл. 3.

Из табл. 3 видно, что в предлагаемой инновации параметры Е, T=const (фиг. 1) нормированы границами адаптивного диапазона известных пациентов. Нелинейность предлагаемого решения регламентирована единичному эквиваленту (фиг. 7, прямая 1) в отличие от переменной нелинейности прототипа, изменяющейся по логарифмическому закону из-за множества ненормированных переменных термограмм ti, Ui (фиг. 7, кривая 2).

б) Глюкограмма

Динамическая погрешность определяется нелинейностью η2 глюкограмм (фиг. 5), определяемой отношением концентраций глюкозы Р прототипа и нормированной предельной глюкозы предлагаемого решения Р0.

Нелинейность (15) заявленного решения η2u тождественна единичному эквиваленту (фиг. 8, прямая 1), т.к.

В прототипе используются ненормированные значения концентраций глюкозы Р:

а нелинейности прототипа изменяются по экспоненциальному закону (фиг. 8, кривая 2)

Воспроизводимость результатов термограммы представлена в табл.4.

Из табл. 4 следует, что в предлагаемой инновации параметры E0, P0=const нормированы границами адаптивного диапазона известных пациентов. Нелинейность предлагаемого решения регламентирована единичному эквиваленту (фиг. 8, прямая 1) в отличие от переменной нелинейности прототипа, изменяющейся по экспоненциальному закону (фиг. 8, кривая 2) из-за множества ненормированных переменных термограмм Еi, Рi.

3. Оценка ширины диапазона

Эффективность по диапазону ηD - это отношение диапазона Du предлагаемой инновации к диапазону Dn прототипа (см. фиг. 5, графики 2, 3):

Из формулы (16) видно, что эффективность по диапазону предлагаемой инновации минимум в 5 раз превосходит эффективность по диапазону прототипа.

4. Оценка оперативности

Повышение оперативности предлагаемой инновации доказывает эффективность времени измерения t. В предлагаемом способе t≤Т измерения не превышает постоянную времени (фиг. 1), а для прототипа в 3-5 раз больше tn=(3-5)Т для определения максимальной температуры с погрешностью 5-1%.

Из эффективности по времени для погрешности (5-1)% следует, что оперативность предлагаемого способа в 3-5 раз выше известных способов.

Таким образом, неинвазивное определение концентрации глюкозы крови по глюкограмме, калибруемой в нормированных границах адаптивного диапазона оптимальными максимальными температурами термограмм известных пациентов, в отличие от известных решений снижает методическую и динамическую погрешности на несколько порядков при увеличении оперативности не менее чем в 3 раза, что в итоге повышает метрологическую эффективность определения концентрации глюкозы по температуре с априори заданной точностью для автоматизации компьютерных анализаторов в адаптивном диапазоне нормируемых мер.

Неинвазивный способ определения концентрации глюкозы в крови, заключающийся в том, что накладывают термисторы над поверхностной веной головы испытуемого и измеряют температуру и концентрацию глюкозы в крови, отличающийся тем, что определяют концентрацию глюкозы крови по двум калибровочным характеристикам: глюкограмме и термограмме, параметры которых априори отождествляют с верхней и нижней границами адаптивного диапазона двух известных пациентов с нормированными параметрами, параметры термограммы: постоянную времени Т и максимальную температуру Е, находят по измеренным избыточным температурам Ui для i=1, 2 в два момента времени t1 и бинарный t2=2t1, параметрами глюкограммы служат: предельная температура Е0 и предельная концентрация глюкозы Р0 крови, которые регистрируют по измеренным концентрациям глюкозы Pj, где j=1, 2 для двух максимальных температур E1 и кратной E2=nE1 термограммы U(t)

,

с тождественными границам диапазона параметрами: постоянной времени Т и максимальной температурой Е

, ,

а глюкограмму

калибруют с тождественными границам диапазона параметрами: предельной температурой Е0 и предельной глюкозой Р0

, , где .



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к медицине, а именно к функциональной диагностике, и может быть использовано для инфракрасной оценки устойчивости пояснично-крестцового мышечного и суставного комплекса пациента к сгибательно-разгибательной нагрузке.

Изобретение относится к области термометрии и может быть использован для медицинского применения. Предложен цифровой термометр из противомикробной меди, внешняя конструкция которого состоит из корпуса (1), крышки (2) батарейного отсека, то есть удаляемой части, посредством которой батарея вставляется в термометр, кнопки (3) питания, т.е.

Изобретения относятся к медицинской технике. Измеритель влагосодержания (1) пациента содержит блок импедансного типа (30) для измерения влагосодержания или блок электростатического емкостного типа для измерения влагосодержания.

Изобретение относится к медицине, а именно к хирургии, и может быть использовано для раннего прогнозирования развития нагноений послеоперационных ран в доклинической фазе.

Изобретение относится к медицине, а именно к инфекционным болезням, и может быть использовано для прогнозирования тяжести течения трихинеллеза. Определяют максимальную температуру тела, наличие миокардита, отеков лица, боли при движении языка, уровень эозинофилии.

Изобретение относится к ветеринарной медицине, а именно к способам диагностики патологии молочной железы. Проводят измерения поверхностной температуры кожи молочной железы.
Изобретение относится к медицине, а именно к судебной медицине, и может быть использовано для инфракрасной диагностики ушибов мягких тканей, нанесенных твердыми тупыми предметами.

Изобретение относится к медицинской технике. Устройство для измерения температуры тела человека содержит два датчика температуры и контактную поверхность, прилегающую к телу, температуру которого измеряют.

Изобретение относится к медицине, электротехнике и может быть использовано для получения данных о состоянии потовых желез человека. Для этого на участок тела человека осуществляют тепловое воздействие от плотно прилегающего к поверхности кожи человека эластичного электронагревателя.
Изобретение относится к медицине и может быть использовано для инфракрасной оценки устойчивости пальцев рук к повторному охлаждению. Для этого осуществляют регистрацию с помощью тепловизора динамики локальной температуры оголенной ладони и подушечек пальцев правой руки через 30 мин после адаптации человека к температуре 25°C в помещении до и после опускания кисти на 2 мин в воду с тающим снегом.
Наверх