Способ и устройство для определения антропологического типа человека для уточнения оценки его физиологических параметров
Группа изобретений относится к медицинской технике, в частности к способам и устройствам для мониторинга состояния организма. Предлагается устройство для определения антропологического типа человека, содержащее: спектральный оптический сенсор, содержащий светодиоды и фотодетекторы, датчик толщины, базу данных смоделированных данных, которая содержит наборы образцов кожи, соответствующих определенному антропологическому типу человека, блок сравнения, содержащий машинный алгоритм сравнения данных. Изобретения позволяют определять антропологический тип пользователя для последующего использования данных об антропологическом типе пользователя в определении физиологических параметров пользователя. 4 н. и 8 з.п. ф-лы, 6 ил.
Область техники
Настоящее изобретение относится к области мониторинга состояния здоровья, а именно к используемым в фитнесе способам или устройствам для мониторинга состояния организма.
Описание предшествующего уровня техники
В настоящее время фитнес является популярным и востребованным видом физической активности для поддержания здоровья и хорошей физической формы человека. Поддержание общей физической формы достигается за счет правильного питания, отдыха и умеренных физических нагрузок.
Популярным видом мониторинга состояния здоровья является использование носимых устройств, таких, например, как фитнес-браслеты или смарт-часы. Известные носимые устройства могут оценивать пульс, давление, температуру, потерю жидкости пользователем и т.п. Поскольку, посещая фитнес, пользователь вовлекается в определение состояния своего здоровья, то желательно обеспечить точное определение параметров, связанных с определением здоровья пользователя, при этом необходимо учитывать в том числе антропологический тип пользователя, поскольку параметры нормы для разных антропологических типов различаются. Поскольку существуют различия между разными антропологическими типами, такие как, в частности, распределение потовых желез, распределение мышц, пропорции тела и т.п., то антропологический тип пользователя является важным параметром, например, для расчета необходимой физической нагрузки, а также для подбора необходимого количества калорий питания. Однако, в настоящее время считается неэтичным задавать пользователю прямые вопросы, касающиеся его принадлежности к тому или иному антропологическому типу, такие прямые вопросы могут негативно восприниматься некоторыми пользователями, вплоть до отказа пользователя от применения устройства, задающего подобные вопросы. Поэтому есть необходимость в создании устройства, которое будет самостоятельно определять антропологический тип пользователя. Такое определение может быть сделано, например, на основе анализа концентрации меланина в коже и толщины кожи пользователя.
Из уровня техники, см. документ US20060210154 (дата публикации 21.09.2006), известно устройство оценки тона кожи. Устройство включает в себя измерительную головку, располагающуюся напротив кожи. Измерительная головка включает в себя выходное окно, через которое свет должен попадать в кожу; и окно обнаружения, сконфигурированное для приема света, излучаемого через выходное окно. Расстояние между выходным окном и окном обнаружения может быть выбрано таким образом, чтобы по меньшей мере основная часть света, излучаемого из выходного окна, проходила через кожу на расстоянии по меньшей мере 1 мм до достижения окна обнаружения. Недостатком известного устройства является невозможность получить какую-либо иную информацию о пользователе, кроме тона кожи, в том числе с помощью этого известного устройства не может быть получена информация о составе хромофоров, необходимая для прогнозирования антропологического типа человека.
Из уровня техники, см. документ US8861847 (дата публикации 14.10.2014), известна система адаптивного определения тона кожи по одному или нескольким изображениям. Система включает в себя модуль обработки изображения, сконфигурированный для приема изображения и обеспечения повышения контрастности изображения, чтобы компенсировать фоновую засветку в изображении. Модуль обработки изображения дополнительно сконфигурирован для обнаружения и идентификации областей изображения с повышенной контрастностью, содержащих оттенок кожи человека, на основе использования множества цветовых пространств и адаптивно сгенерированных пороговых значений для каждого цветового пространства. Недостатком известного устройства является невозможность его использования в носимых устройствах. Не может быть получена информация о составе хромофоров, необходимая для прогнозирования антропологического типа пользователя.
Таким образом, необходимо создать компактное носимое устройство, которое сможет автоматически определять антропологический тип пользователя, и с помощью которого пользователь сможет определять свои физиологические параметры, с учетом своего антропологического типа.
Сущность изобретения
Предлагается устройство для определения антропологического типа человека, содержащее: спектральный оптический сенсор, содержащий светодиоды и фотодетекторы, причем спектральный оптический сенсор выполнен с возможностью получения значения интенсивности рассеяния кожей человека излучения от каждого из светодиодов; датчик толщины, выполненный с возможностью определения толщины кожи человека; блок расчета, выполненный с возможностью расчета значения общей концентрации меланинов и значения соотношения концентраций меланинов в коже человека по значениям интенсивности и значению толщины; базу данных заранее смоделированных данных, которая содержит наборы образцов кожи, причем каждый набор соответствует конкретному цвету кожи, причем каждый конкретный цвет кожи каждого набора образцов кожи соответствует конкретным значениям интенсивностей рассеяния, полученным от светодиодов, причем каждый набор образцов кожи содержит образцы кожи, имеющие одинаковый цвет кожи, но разную толщину кожи, причем каждый конкретный образец кожи соответствует конкретному значению общей концентрации меланинов и конкретному значению соотношения концентраций меланинов, причем каждому конкретному значению общей концентрации меланинов и соотношению концентраций меланинов конкретного образца кожи соответствует конкретный антропологический тип человека; блок сравнения, выполненный с возможностью, на основе машинного алгоритма сравнения данных, сравнения данных полученных от спектрального оптического сенсора и от датчика толщины, с данными, хранящимися в базе данных смоделированных данных, и определения антропологического типа человека на основании сравнения. Соотношение концентраций меланинов может представлять собой соотношение концентраций эумеланина и феомеланина. Упомянутые светодиоды выполнены таким образом, что в каждый момент времени излучает только один из упомянутых светодиодов. Светодиоды могут представлять собой красный светодиод, зеленый светодиод, инфракрасный светодиод. Причем датчик толщины может представлять собой датчик биоимпеданса. Датчик толщины может являться ультразвуковым датчиком. Датчик толщины может являться оптическим датчиком.
Также предлагается способ работы предлагаемого устройства для определения антропологического типа человека, содержащий этапы, на которых: воздействуют на кожу человека светодиодами спектрального оптического сенсора; получают значение интенсивности рассеяния кожей человека излучения каждого из светодиодов, посредством фотодетекторов спектрального оптического сенсора, определяют толщину кожи человека посредством датчика толщины; рассчитывают, посредством блока расчета, значение общей концентрации меланинов и значение соотношения концентраций меланинов в коже человека по полученным значениям интенсивности и полученному значению толщины; сравнивают, посредством машинного алгоритма сравнения данных блока сравнения:
- полученные значения интенсивности рассеяния со значениями интенсивности рассеяния, соответствующими конкретному цвету кожи из базы данных смоделированных данных, выбирая из базы данных смоделированных данных наиболее близкий набор образцов с одинаковым конкретным цветом кожи,
- полученные от датчика толщины кожи человека данные о толщине кожи человек с данными о толщине кожи из базы данных смоделированных данных, выбирая в выбранном наборе образцы, имеющие толщину кожи, наиболее близкую к толщине кожи, полученной от датчика толщины кожи человека;
- рассчитанные значения общей концентрации меланинов и соотношения концентраций меланинов в коже человека с данными об общей концентрации меланинов и соотношении концентраций меланинов из базы данных смоделированных данных, выбирая из базы данных смоделированных данных образец, имеющий наиболее близкие значения общей концентрации меланинов и соотношения концентраций меланинов, которому соответствует один из антропологических типов человека;
присваивают человеку антропологический тип в соответствии с выбранным образцом.
Причем соотношения концентраций меланинов представляют собой соотношения концентраций феомеланина и эумеланина. Для определения толщины кожи дополнительно используют данные о росте, весе, возрасте и поле человека.
Также предлагается смарт-браслет, определяющий физиологические параметры пользователя, содержащий предлагаемое устройство определения антропологического типа пользователя, в котором данные об антропологическом типе пользователя учитываются при определении физиологических параметров пользователя.
Предлагается вычислительное устройство, содержащее процессор и память, хранящую инструкции для выполнения этапов предлагаемого способа.
Краткое описание чертежей
Вышеописанные и другие признаки и преимущества настоящего изобретения поясняются в последующем описании, иллюстрируемом чертежами, на которых представлено следующее:
Фиг. 1 иллюстрирует схему определения антропологического типа человека через оптический спектр и толщину кожи.
Фиг. 2(а) иллюстрирует расположение датчика фотоплетизмограммы (ФПГ) в смарт-браслете и работу датчика ФПГ; (b) схематически иллюстрирует работу датчика ФПГ.
Фиг. 3 (а) показаны химические формулы эумеланина, феомеланина; (b) иллюстрирует спектры поглощения эумеланина и феомеланина.
Фиг. 4 иллюстрирует алгоритм определения цвета кожи для двух разных пользователей.
Фиг. 5 иллюстрирует определение антропологического типа человека по общей концентрации меланинов и соотношению эумеланина и феомеланина.
Фиг. 6 схематично показано действие смарт-браслета для измерения физиологических параметров.
Подробное описание изобретения
Предлагаемое изобретение позволяет, например, с помощью смарт-браслета определять антропологический тип пользователя, для последующего использования данных об антропологическом типе пользователя в определении физиологических параметров пользователя. Устройство является компактным и легким в обращении, устройство позволяет определять антропологический тип пользователя, например, с помощью смарт-браслета.
Антропологический тип человека - исторически сложившийся комплекс наследственно устойчивых признаков физического строения, которые характеризуют группы людей на определенной территории. Антропологический тип обозначает как большие расы, так и их подгруппы.
Под составом тела человека подразумевается количество жировой ткани, количество мышечной ткани. Причем известно, что среднестатистические данные состава тела человека зависят от антропологического типа, к которому принадлежит человек. Как известно, все антропологические типы объединяются в три большие группы: экваториальный, европеоидный и монголоидный.
Из уровня техники известно, что в антропологическом типе человека заложены следующие параметры: концентрация меланинов в коже, соотношение между концентрациями различных меланинов, телосложение, распределение потовых желез, распределение мышц, пропорции тела и т.п.
Известные из уровня техники расчеты состава тела на основе импеданса, специфичны для различных групп людей, в типе которых содержится определенный набор параметров (генетических особенностей), поскольку в разных таких группах наблюдаются различия в телосложении, такие, как, например, относительная длина рук и ног.
Предлагаемое изобретение может использоваться в любом подходящем пользовательском вычислительном устройстве, содержащем процессор и память, хранящую инструкции для выполнения процессором этапов предлагаемого способа. Таким устройством может быть, но без ограничения, смартфон, смарт-часы и другие подходящие носимые пользователем устройства, которые далее будут называться смарт-браслет. Память может представлять собой любую среду для хранения данных, в частности компьютерно-читаемый носитель данных.
Изобретение основано на анализе индивидуальных данных пользователя, полученных от датчиков, используемых в смарт-браслете. Датчики могут быть инерционными, оптическими, электрическими, температурными и т.д., наличие набора таких датчиков достаточно для реализации предлагаемого изобретения.
При сборе данных используются следующие необходимые датчики: спектральный оптический сенсор, такой как, например, оптический датчик пульса (фотоплетизмограф), датчик определения толщины кожи. Кроме данных от датчиков используют индивидуальные данные пользователя, такие как возраст, пол пользователя, его вес и рост. Из уровня техники известно, что рост, вес, возраст и пол пользователя влияют на толщину кожи, например, публикация Shuster S, Black MM, McVitie E. The influence of age and sex on skin thickness, skin collagen and density. Br J Dermatol. 1975 Dec;93(6):639-43. doi: 10.1111/j.1365-2133.1975.tb05113.x. PMID: 1220811 и публикация Black MM, Bottoms E, Shuster S. Skin collagen and thickness in simple obesity. Br Med J. 1971 Oct 16;4(5780):149-50. doi: 10.1136/bmj.4.5780.149. PMID: 5113017; PMCID: PMC1799028.
Фиг. 1 иллюстрирует схему определения антропологического типа пользователя, используя оптический спектр излучения от кожи и толщину кожи. Смарт-браслет содержит спектральный оптический сенсор. Такие сенсоры известны из уровня техники, например, Pulse Oximeter and Heart-Rate Sensor IC for Wearable Health: https://www.maximintegrated.com/en/products/sensors/MAX30100.html. Смарт-браслет также содержит датчик для определения толщины кожи, методика определения толщины кожи с помощью оптического датчика приведена, например, в Wissel T, Bruder R, Schweikard A, Ernst F. Estimating soft tissue thickness from light-tissue interactions--a simulation study. Biomed Opt Express. 2013 Jun 14;4(7):1176-87. doi: 10.1364/BOE.4.001176. PMID: 23847741; PMCID: PMC3704097. Данные, полученные от спектрального оптического сенсора и датчика толщины, сравниваются с данными, находящимися в базе данных, содержащей заранее смоделированные данные кожи разных антропологических типов. Из базы данных выбираются образцы, имеющие цвет кожи и толщину кожи, которые соответствуют цвету кожи и толщине кожи пользователя.
Следует отметить, что люди с разной толщиной кожи могут иметь одинаковый цвет кожи, что обусловлено разной концентрацией хромофоров, включающих в себя меланины и другие вещества. Концентрация меланинов в единице объема является параметром, непосредственно связанным с антропологическим типом человека. Однако, кожа людей с одинаковым цветом кожи и одинаковой толщиной может иметь разное соотношение концентраций меланинов и принадлежать людям с различным антропологическим типом.
База данных моделируется (формируется) заранее на основании известных из уровня техники данных соответствия цвета, толщины кожи и соотношения концентраций меланинов определенному антропологическому типу, см. например, Huang WS, Wang YW, Hung KC, Hsieh PS, Fu KY, Dai LG, Liou NH, Ma KH, Liu JC, Dai NT. High correlation between skin color based on CIELAB color space, epidermal melanocyte ratio, and melanocyte melanin content. PeerJ. 2018 May 24;6: e4815. doi: 10.7717/peerj.4815. PMID: 29844968; PMCID: PMC5971097. База данных смоделированных данных включает в себя наборы образцов кожи, где каждый образец соответствует определенному антропологическому типу. Каждый набор соответствует определенному одному цвету кожи, причем каждый такой набор содержит образцы, имеющие различные значения толщины кожи при одном и том же цвете кожи. При этом каждый образец, имеющий определенный цвет и определенную толщину кожи, имеет свое уникальное значение соотношения концентраций меланинов и их общую концентрацию, которые рассчитываются в блоке расчета на основании полученных данных от спектрального оптического сенсора, причем каждое упомянутое уникальное значение соответствует своему антропологическому типу. Причем в блоке расчета производится расчет значения общей концентрации меланинов и значения соотношения концентраций меланинов в коже человека по значениям интенсивности, полученным от каждого светодиода и значению толщины, полученной от датчика толщины.
Коже известного антропологического типа человека соответствует известное содержание меланинов, определяющих цвет кожи, некоторая толщина кожи и заранее определенное соотношение концентраций меланинов и общая концентрация меланинов. Содержание меланинов соответствует известному спектру рассеяния, а именно пикам рассеяния кожей излучения, падающего на кожу, полученным спектральным оптическим сенсором. Таким образом, в базу данных заносят данные пиков рассеяния от кожи, соответствующие конкретному цвету кожи с известной толщиной кожи, с известной общей концентрацией меланинов известным соотношением концентраций меланинов, что соответствует принадлежности к конкретному антропологическому типу, таким образом формируются наборы образцов кожи.
Определение цвета кожи пользователя осуществляется с помощью спектральных измерений с использованием спектрального оптического сенсора в виде, например, датчика фотоплетизмограммы (датчик ФПГ). Каждому из диапазонов значений интенсивностей, полученных от спектрального оптического сенсора, соответствует конкретный цвет кожи, то есть соответствует свой набор образцов с одинаковым цветом кожи, но с разными значениями толщины кожи. Когда по значениям, полученным от спектрального оптического сенсора, выбран набор образцов из базы данных с одним цветом кожи, сравнивают данные о толщине кожи, полученные от датчика толщины, с данными толщины кожи образцов выбранного набора, поскольку одному и тому же цвету кожи может соответствовать разная толщина кожи у разных антропологических типов. Например, если пользователь, относящийся к европеоидному антропологическому типу, загорит, то его цвет кожи может совпасть с цветом кожи человека экваториального антропологического типа, однако, толщина кожи, а также соотношение концентраций меланинов будет соответствовать именно европеоидному антропологическому типу.
На фиг. 2 (а) показано расположение спектрального оптического сенсора на стороне смарт-браслета, обращенной к коже пользователя. Спектральный оптический сенсор состоит из фотодетекторов (PD) и светодиодов (LEDs). Используются красные светодиоды (R), зеленые светодиоды (G), инфракрасные светодиоды (IR). Как показано на фиг. 2(b), cсветодиоды (LED) по очереди испускают излучение, которое попадает на кожу пользователя, излучение рассеивается и отражается кожей, такая конструкция известна из уровня техники и не является предметом изобретения. На фиг. 2 (b) показаны пики рассеяния излучений красного, зеленого и инфракрасного светодиодов кожей. По соотношению значений интенсивностей в пиках рассеяния можно получить информацию о цвете кожи, а зная значение толщины кожи возможно получить информацию об общей концентрации меланинов в коже пользователя и соотношению концентраций меланинов, что определяет антропологический тип. В коже присутствуют два вида меланинов, эумеланин, феомеланин, их химические формулы показаны на фиг. 3 (а). Разные вещества по-разному поглощают излучение на разных длинах волн (свет разного цвета), на этом явлении основан принцип действия всех спектральных приборов, в данном случае определяют излучение, рассеиваемое меланинами. Известно, что у разных антропологческих типов соотношение концентраций эумеланина и феомеланина в коже различается. Спектры поглощения эумеланина и феомеланина показаны на фиг. 3 (b), видно, что эумеланин (кривая I) и феомеланин (кривая II) поглощают излучение по-разному, а также видно, что отношение поглощения эумеланина I к поглощению феомеланина II на одной длине волны отличается от отношения поглощения эумеланина I к поглощению феомеланина II на другой длине волны.
Облучая эумеланин и феомеланин, находящиеся в коже пользователя, последовательно излучением на длинах волн спектрального оптического сенсора, то есть излучением от красного светодиода, зеленого светодиода и инфракрасного светодиода, получают три значения интенсивности рассеяния излучения, соответствующие пикам спектральной кривой на этих длинах волн (фиг. 2b), причем каждое соотношение интенсивностей этих трех пиков соответствует конкретной соотношению концентраций эумеланина и феомеланина и зависит от толщины кожи. То есть по соотношениям интенсивностей пиков рассеяния и толщине кожи в блоке расчета рассчитывают соотношение концентраций эумеланина и феомеланина и общую концентрацию меланинов, такие методики известны из уровня техники.
Далее с помощью алгоритма машинного обучения, который реализуется в блоке сравнения, перебирается база данных смоделированных данных, разделенная на наборы. Каждый набор соответствует конкретному цвету кожи, причем каждый конкретный цвет кожи каждого набора образцов кожи соответствует конкретным значениям интенсивностей рассеяния, полученным от светодиодов.
Каждый из наборов содержит образцы, имеющие один и тот же цвет кожи, но разные значения толщины кожи. С помощью алгоритма находят в базе данных смоделированных данных набор с общей концентрацией меланинов, максимально близкой к рассчитанной по значениям интенсивностей рассеяния общей концентрации меланинов, которому соответствует конкретный цвет кожи. Далее, имея информацию о толщине кожи пользователя, полученную от датчика толщины, выбирают из выбранного набора образцы, в которых толщина кожи максимально близка к толщине кожи пользователя. Каждому из образцов соответствует свое уникальное значение концентраций феомеланина и эумеланина, то есть уникальное значение соотношение феомеланина и эумеланина. Уникальное значение соотношения концентраций меланинов, рассчитанное на основании данных от спектрального оптического сенсора и на основании данных о толщине, соответствует одному из образцов в базе данных смоделированных данных, принадлежность такого образца к одному из антропологических типов известна. В публикации Alaluf S, Atkins D, Barrett K, Blount M, Carter N, Heath A. Ethnic variation in melanin content and composition in photoexposed and photoprotected human skin. Pigment Cell Res. 2002 Apr;15(2):112-8. doi: 10.1034/j.1600-0749.2002.1o071. x. PMID: 11936268 описано каким образом по соотношению концентраций эумеланина и феомеланина определяют антропологический тип человека. Затем по выбранным значениям пользователю присваивается антропологический тип.
Как показано на фиг. 2 (а), свет от светодиодов рассеивается кожей пользователя, рассеянное излучение попадает на фотодетекторы. Количество рассеянного излучения становится меньше, если оно взаимодействует с меланином кожи, поскольку излучение частично поглощается меланином. Кожа является своего рода фильтром для излучения в зависимости от концентрации конкретных хромофоров меняется интенсивность прошедшего через нее излучения на длинах волн, характерных для этих хромофоров. Соотношение в пиках рассеяния от рассеянного кожей излучения красного, зеленого и инфракрасного светодиодов несет в себе информацию о цвете кожи и об антропологическом типе, зависящем от общей концентрации меланинов, соотношения концентраций меланинов и от толщины кожи.
Оценка цвета кожи производится с помощью алгоритма машинного обучения, в котором в качестве входных данных используются данные сигналов оптического рассеяния на рабочих длинах волн, а в качестве выходных данных получают цвет кожи. Алгоритм машинного обучения для определения цвета кожи обучен на наборе данных, полученном на компьютерной модели кожи, которая позволяет определять спектр рассеяния кожи в зависимости от ее параметров, таких как концентрация меланинов и толщина кожи. То есть имеется смоделированный набор спектров (пиков рассеяния), каждому спектру соответствует своя общая концентрация меланинов, то есть свой цвет кожи.
На фиг. 4 проиллюстрирован способ определения антропологического типа для двух пользователей разных антропологических типов. Пользователь надевает смарт-браслет, излучение R, G, IR известной интенсивности от светодиодов, включаемых последовательно (то есть в один момент времени включен только один светодиод), проникает в кожу пользователя, рассеивается, и фотодетекторы фиксируют значения интенсивностей рассеянного излучения для R, G и IR. Необходимо отметить, что излучение на всех длинах волн взаимодействуют со всеми хромофорами кожи, но в разной степени, аналитически выразить концентрации через интенсивности рассеянного излучения не представляется возможным, для этого и применяется база данных смоделированных данных и алгоритм машинного обучения, в котором используются значения интенсивностей рассеяния именно для R, G и IR светодиодов.
Данные, то есть три значения интенсивности, полученные фотодетекторами, вводятся в алгоритм машинного обучения, посредством которого происходит определение - какому цвету кожи соответствует полученная интенсивность каждого излучения из R, G и IR, как было описано выше.
Фиг. 5 иллюстрирует определение антропологического типа человека по общей концентрации меланинов и соотношению эумеланина и феомеланина, как представлено, например, в документе Alaluf S, Atkins D, Barrett K, Blount M, Carter N, Heath A. Ethnic variation in melanin content and composition in photoexposed and photoprotected human skin. Pigment Cell Res. 2002 Apr;15(2):112-8. doi: 10.1034/j.1600-0749.2002.1o071. x. PMID: 11936268. Люди с одинаковым цветом кожи могут иметь разную общую концентрацию меланинов и разное соотношение между концентрациями эумеланина и феомеланина в коже, по которому и будет определяться антропологический тип. Если в коже слой хромофоров толще, то и общая концентрация меланинов ниже по сравнению с более тонким слоем того же цвета.
Для определения толщины кожи возможно использовать любой подходящий датчик толщины. Информацию о толщине кожи можно также оценить с меньшей точностью по профилю пользователя, зная данные о весе, росте, поле пользователя, как указывалось выше, способы определения толщины кожи известны из уровня техники. Измерение толщины может осуществляться с помощью ультразвукового датчика толщины, известного из уровня техники. Измерение толщины может осуществляться с помощью биоимпеданса Birgersson, U., Birgersson, E. and Ollmar, S. "Estimating electrical properties and the thickness of skin with electrical impedance spectroscopy: Mathematical analysis and measurements" Journal of Electrical Bioimpedance, vol.3, no.1, 2012, pp.51-60. https://doi.org/10.5617/jeb.400, датчик биоимпеданса также может быть встроен в смарт-браслет. Биоимпеданс - это сопротивление биологических тканей тела при прохождении электрического тока через них. Для определения толщины кожи используется метод электро импедансной спектроскопии. При измерении через образец ткани пропускается электрический ток на разных частотах 1 кГц - 1 МГц, форма спектральной импедансной кривой меняется в зависимости от толщины кожи, причем, проанализировав заранее определенный набор кривых для разных толщин, можно оценить толщину исследуемой кожи.
Измерение толщины кожи также может осуществляться с использованием спектрального оптического сенсора, в который дополнительно встроен лазер, как описано в документе Wissel T, Bruder R, Schweikard A, Ernst F. Estimating soft tissue thickness from light-tissue interactions--a simulation study. Biomed Opt Express. 2013 Jun 14;4(7):1176-87. doi: 10.1364/BOE.4.001176. PMID: 23847741; PMCID: PMC3704097. Толщину кожи при измерении таким способом можно определить при нормальном падении излучения лазера ближнего ИК-диапазона с длиной волны 850 нм путем анализа рассеянного сигнала со стандартным отклонением 0,1 мкм.
Для достижения лучших характеристик при спектральных измерениях предпочтительно использовать светодиоды, работающие на длинах волн, специально подобранных для определения эумеланина и феомеланина. Выбираются длины волн, для которых поглощение в эумеланине и феомеланине максимально различается, чтобы возможно было определить соотношения концентраций эумеланина и феомеланина с минимальной погрешностью. Например, можно использовать светодиоды, излучающие на длине волны 1450 nm. При использовании оптического датчика с добавленным светодиодом, излучающим на длине волны 1450 нм, использующейся для измерения содержания воды в коже, а также при использовании светодиода, работающего на длине волны 970 нм, производительность алгоритма оценки типа человека увеличивается.
Алгоритмы машинного обучения, определяющие цвет кожи, толщину кожи, общую концентрацию меланинов и соотношение концентраций меланинов, определяющих тип пользователя, можно объединить в один алгоритм машинного обучения, на вход которого подаются значения интенсивностей, полученных после облучения кожи пользователя светодиодами.
Определение антропологического типа человека может применяться для повышения точности оценки потоотделения пользователя во время занятий спортом и фитнесом, для предотвращения обезвоживания организма пользователя и информирования пользователя о количестве воды, необходимом для приема, поскольку, например, согласно проведенным исследования люди, относящиеся к монголоидному антпропологическому типу, потеют меньше, чем люди, относящиеся к европеоидному антпропологическому типу. Таким образом, без определения типа пользователя прогнозы потери пота для пользователей, относящихся к монголоидному антпропологическому типу будут завышены, а для пользователей, относящихся к европеоидному антпропологическому типу, будут занижены. То есть, добавление функции «антопологический тип» к алгоритму потери пота значительно улучшает его точность.
Таким образом, функция определения антропологического, типа пользователя повышает точность оценки потери потоотделения и позволяет избежать ситуации риска для здоровья пользователя, связанные с обезвоживанием или гипергидратацией, вызванных неточными оценками потоотделения.
Предлагаемое изобретение может применяться для определения состава тела пользователя. Анализ биоэлектрического импеданса (BIA) тела человека основан на свойствах проводимости тканями тела электрического тока. Это функция умных часов предназначена для предоставления пользователю информации о составе тела (количестве жира/мышц/межклеточной жидкости). На основе анализа биоэлектрического импеданса возможно определять состав тела пользователя, а именно количество жира, мышц, межклеточной жидкости. Согласно исследованию Jakicic JM, Wing RR, Lang W. Bioelectrical impedance analysis to assess body composition in obese adult women: the effect of ethnicity. Int J Obes Relat Metab Disord. 1998 Mar; 22(3):243-9. doi: 10.1038/sj.ijo.0800576. PMID: 9539193., состав тела, зависит от антропологического типа человека. В указанной работе приведено этническое уравнение для определения мышечной массы тела для женщин с избыточным весом:
Мышечная масса тела (LBM)=2.68+0.20 Ht2/R50+0.19 weight+2.55 ethnicity+0.1157 height,
Ht2/R50 - импеданс;
Weight - вес;
Ethnicity - коэффициент для антропологического типа (для экваториального типа 1, для европеоидного типа 0);
Height - рост.
То есть мышечная масса тела (LBM) будет посчитана неточно без учета антропологического типа человека.
На фиг. 6 схематично показано действие смарт-браслета для измерения физиологических параметров. Смарт-браслеты, в том числе фитнес-браслеты, для определения физиологических параметров являются очень популярными среди пользователей, например, смарт - часы Samsung Galaxy Watch 4 https://www.samsung.com/ru/watches/galaxy-watch/galaxy-watch4-green-bt-sm-r870nzgacis/ могут оценивать состав тела человека биоимпедансным методом, смарт-часы Garmin Vivo Active 4 https://www.garmin.com/en-GB/p/643382/pn/010-02174-02 имеют функцию оценки потери пота. Добавление в приведенные устройства функции определения антропологического типа улучшит точность измерений соотношения мышечной и жировой массы и количества теряемой с потом жидкости соответственно. При любом взаимодействии пользователя со смарт-браслетом осуществляется определение цвета кожи пользователя, измеряется толщина кожи и осуществляется определение антропологического типа пользователя. При последующем использовании данных для определения, например, состава тела или оценки потерь жидкости с потом при выполнении упражнений, полученные результаты определения антропологического типа используются для уточнения физиологических параметров пользователя.
Учет антропологического типа человека при определении физиологических параметров известен из уровня техники, однако, обычный подход, известный из уровня техники, для учета антропологического типа при определении физиологических параметров включает в себя передачу алгоритму определения физиологического параметра антропологического типа пользователя, определенного с помощью прямого анкетирования пользователя, что вызывает дискомфорт пользователя и может привести к отказу от использования устройства в целом. Предлагаемое изобретение позволяет определять антропологический тип незаметно для пользователя, не вызывая при этом дискомфорт.
Еще одним примером положительного эффекта добавления функции «определение антропологического типа» является использование ее в алгоритме определения потерь жидкости с потом во время выполнения физических упражнений. При разработке данного алгоритма был проведен ряд экспериментов по определению количества потерянной жидкости у людей, принадлежащих к разным антропологическим типам, было выявлено, что включение антропологического типа в набор параметров алгоритма определения потерь жидкости значительно улучшает качество определения потерь жидкости, поскольку люди с разными антропологическими типами при одних и тех же условиях теряют разное количество пота. Без функции «определение антропологического типа» прогнозы состава тела, например, для пользователей экваториального антропологического типа будут в основном занижены, а для пользователей европеоидного антропологического типа - в основном завышены. Добавление функции «определение антропологического типа» в алгоритм определения состава тела улучшает его точность примерно на 10%.
Функция «определение антропологического типа» повышает точность оценки состава тела на основе BIA и позволяет избежать неправильных действий пользователей при коррекции веса, вызванных неточными результатами.
Как показано на фиг. 6, каждый раз, когда пользователь инициирует измерение и измеряется цвет кожи, алгоритм машинного обучения вычисляет антропологический тип пользователя. Алгоритм машинного обучения измерения физиологических параметров использует поправки для расчетов, то есть включает в себя разные коэффициенты для пользователей с разным антропологическим типом, такие подходы известны из уровня техники.
Польза для пользователя смарт-браслета очевидна: улучшается производительность алгоритмов оценки физиологических параметров, таких как оценка потери потоотделения или оценка мышечной массы и т.п.
Если смарт-браслет надевает другой пользователь, то смарт-браслет, имеющий функцию определения типа пользователя, определяет, что тип человека, надевшего смарт-браслет, отличается от типа предыдущего пользователя, и система смарт-браслета может, например, заблокировать его работу.
Хотя изобретение описано с некоторыми иллюстративными вариантами осуществления, следует понимать, что сущность изобретения не ограничивается этими конкретными вариантами осуществления. Напротив, предполагается, что сущность изобретения включает в себя все альтернативы, коррекции и эквиваленты, которые могут быть включены в сущность и объем формулы изобретения.
Кроме того, изобретение включает в себя все эквиваленты заявляемого изобретения, даже если пункты формулы изобретения изменяются в процессе рассмотрения.
1. Устройство для определения антропологического типа человека, содержащее:
спектральный оптический сенсор, содержащий светодиоды и фотодетекторы, причем спектральный оптический сенсор выполнен с возможностью получения значения интенсивности рассеяния кожей человека излучения от каждого из светодиодов;
датчик толщины, выполненный с возможностью определения толщины кожи человека;
блок расчета, выполненный с возможностью расчета значения общей концентрации меланинов и значения соотношения концентраций меланинов в коже человека по значениям интенсивности и значению толщины;
базу данных заранее смоделированных данных, которая содержит
наборы образцов кожи, причем каждый набор соответствует конкретному цвету кожи, причем каждый конкретный цвет кожи каждого набора образцов кожи соответствует конкретным значениям интенсивностей рассеяния, полученным от светодиодов,
причем каждый набор образцов кожи содержит образцы кожи, имеющие одинаковый цвет кожи, но разную толщину кожи,
причем каждый конкретный образец кожи соответствует конкретному значению общей концентрации меланинов и конкретному значению соотношения концентраций меланинов,
причем каждому конкретному значению общей концентрации меланинов и соотношению концентраций меланинов конкретного образца кожи соответствует конкретный антропологический тип человека;
блок сравнения, выполненный с возможностью, на основе машинного алгоритма сравнения данных, сравнения данных, полученных от спектрального оптического сенсора и от датчика толщины, с данными, хранящимися в базе данных смоделированных данных, и определения антропологического типа человека на основании сравнения.
2. Устройство по п. 1, в котором соотношение концентраций меланинов представляет собой соотношение концентраций эумеланина и феомеланина.
3. Устройство по п. 1, причем упомянутые светодиоды выполнены таким образом, что в каждый момент времени излучает только один из упомянутых светодиодов.
4. Устройство по п. 1, в котором светодиоды представляют собой красный светодиод, зеленый светодиод, инфракрасный светодиод.
5. Устройство по п. 1, в котором датчик толщины представляет собой датчик биоимпеданса.
6. Устройство по п. 1, в котором датчик толщины является ультразвуковым датчиком.
7. Устройство по п. 1, в котором датчик толщины является оптическим датчиком.
8. Способ работы устройства для определения антропологического типа человека по любому из пп. 1-7, содержащий этапы, на которых:
воздействуют на кожу человека светодиодами спектрального оптического сенсора;
получают значение интенсивности рассеяния кожей человека излучения каждого из светодиодов, посредством фотодетекторов спектрального оптического сенсора;
определяют толщину кожи человека посредством датчика толщины;
рассчитывают, посредством блока расчета, значение общей концентрации меланинов и значение соотношения концентраций меланинов в коже человека по полученным значениям интенсивности и полученному значению толщины;
сравнивают, посредством машинного алгоритма сравнения данных блока сравнения:
- полученные значения интенсивности рассеяния со значениями интенсивности рассеяния, соответствующими конкретному цвету кожи из базы данных смоделированных данных, выбирая из базы данных смоделированных данных наиболее близкий набор образцов с одинаковым конкретным цветом кожи;
- полученные от датчика толщины кожи человека данные о толщине кожи человек с данными о толщине кожи из базы данных смоделированных данных, выбирая в выбранном наборе образцы, имеющие толщину кожи, наиболее близкую к толщине кожи, полученной от датчика толщины кожи человека;
- рассчитанные значения общей концентрации меланинов и соотношения концентраций меланинов в коже человека с данными об общей концентрации меланинов и соотношении концентраций меланинов из базы данных смоделированных данных, выбирая из базы данных смоделированных данных образец, имеющий наиболее близкие значения общей концентрации меланинов и соотношения концентраций меланинов, которому соответствует один из антропологических типов человека;
присваивают человеку антропологический тип в соответствии с выбранным образцом.
9. Способ по п. 8, в котором соотношения концентраций меланинов представляют собой соотношения концентраций феомеланина и эумеланина.
10. Способ по п. 8, в котором для определения толщины кожи дополнительно используют данные о росте, весе, возрасте и поле человека.
11. Смарт-браслет, определяющий физиологические параметры пользователя, содержащий устройство определения антропологического типа пользователя по п. 1, в котором данные об антропологическом типе пользователя учитываются при определении физиологических параметров пользователя.
12. Вычислительное устройство, содержащее процессор и память, хранящую инструкции для выполнения этапов способа по п. 8.
