Неинвазивный детектор биожидкостей и портативная сенсорная приемопередающая система - RU2712078C2
Код документа: RU2712078C2
Чертежи
Описание
ПРАВИТЕЛЬСТВЕННАЯ ПОДДЕРЖКА
[0001] Настоящее изобретение создано при правительственной поддержке Соединенных Штатов Америки (США) по AID-OAA-F-13-00006, присужденной Агентством международного развития [USAID] США. Правительство США обладает определенными правами на настоящее изобретение.
ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0002] Данная заявка притязает на преимущество предварительной патентной заявки США № 62/147772, поданной 15 апреля 2015 г., которая полностью включается в этот документ посредством ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0003] Настоящее изобретение в целом относится к медицинскому обследованию. Настоящее изобретение относится, в частности, к устройству и способу для определения уровней гемоглобина в крови.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] Анемия является состоянием, характеризующимся низким количеством эритроцитов, или содержанием гемоглобина, в крови, что приводит к пониженной способности крови переносить кислород. Умеренная и тяжелая анемия особенно опасна во время беременности как для матери, так и для ребенка. Каждый год анемией объясняют 100000 материнских смертей и 600000 смертей новорожденных во всем мире. Распространенность анемии в развивающихся странах ужасающая и по оценкам ВОЗ достигает 50% среди беременных женщин и 65% среди детей. В этом общем количестве случаев имеется подгруппа тяжело анемичных беременных женщин, которые находятся под угрозой опасных для жизни осложнений во время беременности и особенно во время родов; умеренно-тяжелая анемия ассоциируется с повышенным риском перинатальных осложнений, например, послеродового кровотечения - основной причиной материнской смерти. В итоге анемия оценивается как прямая или косвенная причина 26% материнских смертей в Индии. В дополнение к этой расплате миллионы младенцев во всем мире подвергаются воздействию материнской анемии через патологические нарушения: от низкого веса при рождении, недостаточной секреции молока, неонатального сепсиса до нарушенного интеллектуального развития.
[0005] За последние десятилетия некоторое количество развивающихся стран, особенно Индия, провели программы с государственной поддержкой препаратов железа и пищевых добавок. Эффективность этих программ не подтверждена документально, а выгоды, которые они обеспечивают, часто являются предметом спора. Причина этого отсутствия явных выгод непонятна. Одним из возможных факторов является отсутствие соответствия людей в группе риска. Большинство нельзя обследовать на предмет анемии, и соответственно, они не знают о серьезности их состояния и потребности в добавках. Также имеется недостаток грамотности в вопросах анемии и эффективной общественной просветительской работы, затрагивающей препараты железа.
[0006] Одним ключевым шагом к повышению соблюдения и эффективности программ против анемии является реализация системы для отслеживания хода заданного воздействия путем масштабного собирания уровней гемоглобина у беременных женщин. Соответственно, имеется потребность в устройстве, которое можно повсеместно и дешево использовать для обследования на предмет анемии, с целью стимулирования существующих программ в Индии и других странах путем выявления тех, кто находится в группе наибольшего риска, в особенности беременных на поздних сроках с умеренно-тяжелой анемией, чтобы забрать их "с улицы" в существующие структуры здравоохранения. Кроме того, при возможности отслеживать данные пациентов географически и во времени такое устройство упростило бы крупномасштабную политику общественного здравоохранения путем направления мероприятий здравоохранения в нуждающиеся области и путем предоставления обратной связи о воздействиях. В конечном счете такая система повысила бы подотчетность тех программ, позволяя более эффективно применять ограниченные ресурсы.
[0007] Действующий стандарт лечения для обнаружения анемии включает в себя клиническую проверку на бледность и цветную шкалу ВОЗ. Анализы крови выполняются только в оснащенных лабораториях и больницах, заведомо недоступных для рядового гражданина развивающейся страны. В результате полностью обследуются немногие, а те, кто обследуются, осуществляют это способами, которые недостаточно объективны. Неинвазивная проверка на бледность основывается на цвете ткани конъюнктивы глаза, полагаясь на оценку и опыт работника здравоохранения, которые часто ограничены, чтобы определить, есть ли у пациента анемия.
[0008] Цветная шкала ВОЗ является инвазивным исследованием, которое требует помещения капли крови на специальный лист бумаги и ее высыхания. Затем цвет сравнивается с образцом. Это исследование также довольно переменчиво в зависимости от условий окружающей среды (освещение, влажность), в которых выполняется исследование, и результаты опять подвержены переменной оценке и опыту. Кроме того, это исследование инвазивное и создает неудобство и опасность инфекции.
[0009] В данной области техники хорошо известны пульсоксиметры. Теория обнаружения гемоглобина основывается на способности гемоглобина в крови поглощать свет. Гемометры на основе пульсоксиметрии используют более 7 длин волн для обнаружения концентраций всех видов гемоглобина, включая метгемоглобин и карбоксигемоглобин, при заявленных точностях±1 г/дл. Хотя эти типы устройств весьма точны, они не адаптируются к непрофессиональным пользователям и часто слишком дороги и чрезмерно сложны для реализации в развивающихся странах в качестве инструмента обследования. Известны научные попытки, предпринятые в обнаружении гемоглобина на основе пульсоксиметрии, но эти попытки добились лучшей точности, чем необходима для целей использования в развивающихся странах и при гораздо большей стоимости и сложности.
[0010] В данной области техники известна связь на основе частотной модуляции между датчиком и смартфоном. Устройство Project Hijack, созданное студентами Мичиганского университета, ориентировано на iPhone™ и iPad™ и использует способ частотного аналого-цифрового преобразования для осуществления связи с телефоном. В таком случае телефон способен декодировать этот частотный цифровой сигнал. Его недостатком является сложность схем при их проектировании и сложность схемы частотной модуляции.
[0011] Поэтому было бы полезно предоставить устройство, которое уменьшает изменчивость стандарта лечения простым в использовании и рентабельным способом.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0012] В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения система для определения уровня гемоглобина в крови человека включает в себя мобильное устройство связи и сенсорную систему. Сенсорная система включает в себя светоизлучающий диод (светодиод), сконфигурированный для пропускания света через ткань человека с четырьмя длинами волн. Фотодатчик конфигурируется для приема и измерения света, пропущенного через ткань человека с помощью светодиода. Более того, плата связи конфигурируется для побуждения светодиода передавать свет, конфигурируется для приема информации, связанной со светом, принятым фотодатчиком, и дополнительно конфигурируется для осуществления связи с мобильным устройством связи.
[0013] В соответствии с аспектом настоящего изобретения система также включает в себя светодиодный драйвер и таймер, соединенный со светодиодным драйвером. Для предоставления питания сенсорной системе включается источник питания, и он может принимать вид батареи или мобильного устройства связи. Плата связи дополнительно содержит усилитель, и усилитель может принимать вид устройства AM или BFSK. Мобильное устройство связи может принимать вид сотового телефона, у которого есть входное гнездо и выходное гнездо. Светодиод может принимать вид двух светодиодов. Длина волны света, излученного первым светодиодом из двух светодиодов, может составлять 660 нм, а длина волны света, излученного вторым светодиодом из двух светодиодов, может составлять 810 нм.
[0014] В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения сенсорная система для обнаружения гемоглобина в крови человека включает в себя пальцевой зажим, сконфигурированный для размещения на кончике пальца человека. Система также включает в себя светоизлучающий диод (светодиод), сконфигурированный для пропускания света через ткань человека и расположенный на первой поверхности пальцевого зажима рядом с кончиком пальца человека. Более того, система включает в себя фотодатчик, сконфигурированный для приема и измерения света, пропущенного через ткань человека с помощью светодиода, и расположенный на второй поверхности пальцевого зажима напротив первой поверхности пальцевого зажима. Плата связи конфигурируется для побуждения светодиода передавать свет и конфигурируется для приема информации, связанной со светом, принятым фотодатчиком.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0015] Прилагаемые чертежи обеспечивают визуальные представления, которые будут использоваться для более полного описания показательных вариантов осуществления, раскрытых в этом документе, и могут использоваться специалистами в данной области техники для лучшего понимания их и присущих им преимуществ. На этих чертежах одинаковые номера ссылок идентифицируют соответствующие элементы и:
[0016] Фиг. 1 иллюстрирует схематическое представление устройства для измерения гемоглобина в крови в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
[0017] Фиг. 2 и 3 иллюстрируют виды в перспективе пальцевого зажима в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
[0018] Фиг. 4 иллюстрирует принципиальную схему главной платы датчика в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
[0019] Фиг. 5 иллюстрирует примерную принципиальную схему платы связи BFSK в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
[0020] Фиг. 6 иллюстрирует изображение сотового телефона, отображающего сигнал, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
[0021] Фиг. 7 иллюстрирует графический вид способа корреляции наклона, используемого в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
[0022] Фиг. 8A иллюстрирует схематическое представление системы в соответствии с настоящим изобретением, а фиг. 8B иллюстрирует предпочтительный вариант осуществления устройства в соответствии с настоящим изобретением.
[0023] Фиг. 9 иллюстрирует размещение светодиодов для пальцевого зажима в соответствии с устройством из настоящего изобретения.
[0024] Фиг. 10 иллюстрирует исполнение пальцевого зажима в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
[0025] Фиг. 11A-11E иллюстрируют снимки экрана из приложения. Конкретнее, фиг. 11A иллюстрирует смартфон. Фиг. 11B иллюстрирует сбор данных, отображающий плетизмограмму. Фиг. 11C иллюстрирует сбор данных пациентов и интерфейс пользователя. Фиг. 11D иллюстрирует информацию о пациенте, расположенную на карте на основе компьютерного приложения, а фиг. 11E иллюстрирует тепловую карту, показывающую тяжелые и умеренные случаи анемии из обследования на местах в Восточной Индии.
[0026] Фиг. 12A иллюстрирует вид в разрезе корпуса, показывающий размещение батареи и контрольно-измерительной аппаратуры, а фиг. 12B иллюстрирует вид корпуса в перспективе сверху.
[0027] Фиг. 13 иллюстрирует графические виды подробностей для четырехканального алгоритма возбуждения.
[0028] Фиг. 14 иллюстрирует диаграмму, показывающую подробности кодирования данных для этого протокола связи.
[0029] Фиг. 15 иллюстрирует графический вид распределения гемоглобина из исследовательских центров в Непале и Индии.
[0030] Фиг. 16 иллюстрирует графический вид примера вывода из заказного программного обеспечения, написанного в MATLAB, для автоматизированного выделения признаков из сигнала фотоплетизмограммы в реальном масштабе времени.
[0031] Фиг. 17-18 иллюстрируют графические виды, когда линейная регрессия не смогла предсказать гемоглобин в достаточной мере.
[0032] Фиг. 19 иллюстрирует гестационный возраст, предсказанный из сигналов PPG.
[0033] Фиг. 20 иллюстрирует матричное представление эффективности основанного на SVM алгоритма для пациентов в каждой категории иерархической классификации анемии.
[0034] Фиг. 21 иллюстрирует графический вид оценки пациента в соответствии с каждым способом.
[0035] Фиг. 22 иллюстрирует отображение в реальном масштабе времени данных распространенности анемии в облако во время июльского обследования на местах. Телемедицинский аспект устройства представляет собой изменение образа мышления в направлении возможности более эффективных программ распределения ресурсов.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0036] Раскрытый в настоящее время предмет изобретения теперь будет полнее описываться ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показаны некоторые, но не все варианты осуществления изобретения. По всему тексту одинаковые цифры ссылаются на одинаковые элементы. Раскрытый в настоящее время предмет изобретения можно воплотить во многих различных видах, и его не следует толковать как ограниченный вариантами осуществления, изложенными в этом документе; точнее, эти варианты осуществления предоставляются для того, чтобы данное раскрытие изобретения соблюдало установленные законные требования. Конечно, у специалиста в данной области техники, к которой принадлежит раскрытый в настоящее время предмет изобретения, возникнут многие модификации и другие варианты осуществления раскрытого в настоящее время предмета изобретения, изложенные в этом документе, с пользой от идей, представленных в предшествующих описаниях и на ассоциированных чертежах. Поэтому нужно понимать, что раскрытый в настоящее время предмет изобретения не должен ограничиваться конкретными раскрытыми вариантами осуществления, и что модификации и другие варианты осуществления предназначены для включения в объем прилагаемой формулы изобретения.
[0037] Настоящее изобретение ориентировано на детектор биожидкостей, например, детектор гемоглобина, с возможностью приема, хранения и передачи информации о здоровье, использующий портативные передатчик и приемник, включая электронные PDA, например, сотовые телефоны. Кроме того, настоящее изобретение использует неинвазивный детектор гемоглобина, который подключается к портативному приемопередатчику, например, PDA, включая, но не только, сотовые телефоны.
[0038] Настоящее изобретение дополнительно направлено на неинвазивный гемоглобинометр с возможностью телемедицины, у которого есть потенциал смены парадигм обследования на предмет анемии. Стоимость и функциональные возможности устройства упрощают обследование общинными медицинскими работниками (CHW) в отдаленных областях, распространяя качественное лечение на матерей, проживающих вдали от традиционных услуг здравоохранения. Устройство собирает физиологические данные с помощью пальцевого зажима и преобразует оптические сигналы в оценку гемоглобина с использованием алгоритма категорийной классификации на основе нелинейного машинного обучения. Результаты отображаются на экране сотового телефона на цветокодированном пиктографическом представлении, что позволяет малограмотным общинным медицинским работникам давать советы беременным женщинам на следующих этапах подходящим образом. Система выгодно использует повсеместность мобильных телефонов для сообщения результатов центральному серверу, как проиллюстрировано на фиг. 8A и фиг. 8B. Фиг. 8A иллюстрирует схематическое представление системы в соответствии с настоящим изобретением, а фиг. 8B иллюстрирует предпочтительный вариант осуществления устройства в соответствии с настоящим изобретением. Ассоциированная интернет-платформа предоставляет возможность программной гарантии качества, индивидуального наблюдения за пациентами, масштабного надзора за анемией и эффективного государственного распределения ресурсов.
[0039] Основной принцип оптического обнаружения гемоглобина основывается на спектроскопии и законе Ламберта-Бера:
ε=коэффициент ослабления материала i при длине волны λ,
δ=оптическая длина,
c=концентрация материала i,
I0=сила падающего света,
I=сила проходящего света.
[0040] В соответствии с уравнением (1) в идеальных условиях сила проходящего через раствор света может быть связана с его составом. В лабораторных условиях гемолизованную кровь часто анализируют соответствующим образом при нескольких длинах волн, чтобы определить точные концентрации разных типов гемоглобина; иногда это используется для определения уровней карбоксигемоглобина в крови во время посмертного расследования гибелей, связанных с пожаром или угарным газом.
[0041] Фотоплетизмография используется для получения данных о поглощательной способности из крови без необходимости взятия пробы крови. Свет при конкретных длинах волн, в этом случае при изобестической длине волны для дезокси- и оксигемоглобина 810 нм, проходит через ткань, часто палец или мочку уха, и регистрируется проходящий свет. Во время пропускания часть света проходит через артерию в пальце и поглощается гемоглобином в крови. Эта составляющая поглощения у крови меняется со временем в соответствии с меняющимся диаметром артерии во время систолы и диастолы. Поэтому в силе проходящего света обнаруживается пульсирующая составляющая, чья величина связана непосредственно с величиной поглощения у артериальной крови.
[0042] Одной из проблем, которая возникает при прохождении света через ткань, является непредсказуемое рассеивание и поглощение света вследствие неоднородности ткани и светового пути; это можно компенсировать логометрическим подходом:
0.D=оптическая плотность,
AC=пульсирующая составляющая сигнала, в этом случае полная величина (от пика к пику),
DC=неизменяющаяся составляющая сигнала.
[0043] В рамках составляющей DC знаменатель и числитель являются составляющими, приписываемыми толщине, непрозрачности и геометрии ткани независимо от используемой конкретной длины волны света; поэтому эти составляющие компенсируются в (2), а то, что осталось, является надежным измерением отношения AC. Удобно то, что если знаменатель содержит опорную длину волны, не зависящую от Hb, то отношение становится устойчивым к колебаниям объема крови, и надежность измерения увеличивается.
[0044] Рассматриваемое измерение является просто оптической плотностью или поглощением вследствие крови в артерии при 810 нм. Величина этой плотности или поглощения в сущности коррелирует с концентрацией гемоглобина, так как гемоглобин является главным поглощающим компонентом крови в диапазоне NIR. Использование света 810 нм, для которого коэффициенты ослабления окси- и дезоксигемоглобина равны, обеспечивает отношение, не подверженное воздействию меняющихся уровней насыщения кислородом, между общей концентрацией дезокси/оксигемоглобина, вместе составляющих 90-95% нормального содержания гемоглобина в крови, и поглощением 810 нм кровью. Таким образом, оценка этого поглощения приводит непосредственно к оценке содержания гемоглобина.
[0045] Одним заключительным предостережением является то, что рассеивание света дискообразными цельными клетками крови вносит в систему небольшую степень нелинейности. Уравнение Тверски (3) является общепринятой характеризацией этого нелинейного соотношения. Важно, что в физических областях было показано, что соотношение между гематокритным числом и поглощением света почти линейное; следовательно, можно утверждать, что соотношение между концентрацией гемоглобина и поглощением можно приблизительно выразить как почти линейное в физической области, особенно если предельная точность не является требованием, как в настоящем изобретении.
Уравнение Тверски:
где ε, δ, c такие же, как и раньше,
a=постоянная, зависимая от размера RBC, показателя преломления и длины волны,
h=дробное гематокритное число,
q=постоянная, зависимая от размера RBC, показателя преломления, длины волны и угловой апертуры фотодетектора.
[0046] Фиг. 1 иллюстрирует схематическое представление устройства для измерения гемоглобина в крови в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Как проиллюстрировано на фиг. 1, устройство 10 включает в себя сотовый телефон 12 с выходным звуковым передатчиком 14 и входным портом 16. Сенсорная система 18, принимающая вид пальцевого зажима, не проиллюстрированного на схематическом представлении, соединяется с сотовым телефоном 12 через входной порт 16. Сенсорная система 18 включает в себя монтажную плату (не показана), называемую платой связи, включающую в себя устройство 20 связи для передачи связи от сенсорной системы 18 к сотовому телефону 12. Сенсорная система 18 также включает в себя светодиод 22 и светодиодный драйвер 24. Светодиодный драйвер 24 соединяется с ключом 26 активизации, а также таймером 28, чтобы активизировать светодиод для снятия показания гемоглобина. Светодиод 22 используется для передачи света фотодатчику 29, чтобы определить количество света, прошедшего от светодиода через ткань человека к фотодатчику 29. Фотодатчик 29 передает информацию о свете, управляемому напряжением, операционному усилителю 30 тока, который конфигурируется для передачи сотовому телефону 12 информации о свете. Для питания системы может использоваться внешнее батарейное питание 32 вместо более ограниченного питания, которое можно привлечь из гнезда самого сотового телефона. Поэтому также может понадобиться устройство 33 стабилизации/преобразования напряжения. Также при использовании маломощных светодиодов и схем возможно полностью питаемое сотовым телефоном устройство.
[0047] Сенсорная система 18 может включать в себя маломощный, сверхдешевый датчик, чтобы удержать стоимость на низком уровне для использования в развивающихся странах. Сенсорная система 18 подключается и осуществляет связь с бюджетными сотовыми телефонами 12 через входной порт 16, почти универсальную деталь у сотовых телефонов. Вычисление может обеспечиваться апплетом на самом сотовом телефоне, а питание может обеспечиваться либо небольшой батареей, либо самим сотовым телефоном. Вычисление также может осуществляться в MATLAB на переносном компьютере, используя гнезда микрофона и наушников компьютера в качестве замены гнезда гарнитуры сотового телефона.
[0048] Как обсуждалось выше по отношению к фиг. 1, сенсорная система 18 включает в себя монтажную плату и пальцевой зажим, содержащий светодиоды 22 и фотодатчик 29 либо фотодиод. Фиг. 2 и 3 иллюстрируют виды в перспективе пальцевого зажима в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Пальцевой зажим 34 включает в себя нижнюю часть 36 для удержания фотодатчика 29, верхнюю часть 38, содержащую светодиоды 22, и пружину 40 кручения. Пальцевой зажим можно образовать из пластмассы, резины или любого другого подходящего материала, известного специалисту в данной области техники. Пружина 40 кручения конфигурируется для удержания вместе нижней части 36 и верхней части 38, а также удержания зажима закрытым, чтобы уменьшить помехи от внешнего света. Весь пальцевой зажим 34 предпочтительно покрывается матовой черной краской, чтобы уменьшить шум от рассеивания и отражения света внутри датчика.
[0049] Сенсорная система 18 включает в себя светодиоды 22 с длинами волн, выбранными из группы 522, 569, 570, 590, 660, 810, 940, 1050 и 1070 нм. Светодиоды конфигурируются так, чтобы сформированный свет просвечивал палец, указательный либо средний, и собирался фотодатчиком 29. В предпочтительном варианте осуществления используются светодиоды с четырьмя отличными длинами волн в 569, 660, 810 и 940 нм. Однако также могло бы использоваться любое количество светодиодов, создающих любое количество длин волн света, что известно или понятно специалисту в данной области техники. Группа длин волн, используемых в предпочтительном варианте осуществления, основывается на результатах испытаний и спектрах поглощения оксигемоглобина, дезоксигемоглобина, воды и жировой ткани. Светодиоды центрированы относительно ногтя, когда система размещается на пальце пациента. Кремниевый фотодиод располагается соосно со светодиодами на обратной стороне пальца. Когда активизируется каждый светодиод, монохроматический свет проходит через палец. Часть того света рассеивается, часть поглощается компонентами крови, а остальное передается фотодиоду, который преобразует световую энергию в ток. Диод создает форму волны в виде плетизмограммы, которая передается контрольно-измерительной аппаратуре системы. В предпочтительном варианте осуществления изобретения в любое заданное время применяется только одна длина волны, и светодиоды последовательно пульсируют с помощью микроконтроллера при функциональном управлении светодиодами.
[0050] Устройство последовательно перебирает длины волн в течение заранее установленного периода времени. Например, длины волн можно перебирать циклически каждые 20 мс. Вычислительное устройство, ассоциированное с системой, знает, какая длина волны применяется, и поэтому учитывает эту информацию при вычислениях. Контрольно-измерительная аппаратура, которая управляется микроконтроллером PIC, в предпочтительном варианте осуществления последовательно перебирает каждый канал, один за другим на 40 Гц (то есть 40 Гц на каждом канале). Когда включается некий канал, вывод управляемого током усилителя направляется в схемы фильтрации канала с помощью аналогового ключа, а другие каналы отключаются. После нескольких сотен микросекунд выполняется два 12-разрядных аналоговых считывания в каждом канале. Одним из них является необработанная плетизмограмма после управляемого током усилителя; другим является отфильтрованная и дополнительно усиленная плетизмограмма, которая центрируется на виртуальной "земле" в 2,5 вольт. Потом текущий канал отключается, значение ШИМ следующего канала записывается в вывод ШИМ, и процесс повторяется. Фиг. 13 иллюстрирует графические виды подробностей для четырехканального алгоритма возбуждения.
[0051] В конце полного цикла (по всем четырем каналам) данные кодируются и сбрасываются в мобильный телефон. Каждая порция данных отправляется с помощью трех байтов: кодовое слово для обозначения допустимой точки данных; второй байт, содержащий ID канала, тип точки данных и четыре старших разряда точки данных; и третий байт, который является младшим байтом точки данных. Фиг. 14 иллюстрирует диаграмму, показывающую подробности кодирования данных для этого протокола связи.
[0052] Свет с меньшими длинами волн (в этом случае 569 нм) не может гарантированно пройти через палец, пока не будет использоваться свет высокой интенсивности. Хотя никакой продаваемый светодиод не соответствует потребностям данного прототипа, было обнаружено, что два светодиода средней интенсивности 569 нм могли бы создать надежный сигнал при параллельной активизации. Поэтому в предпочтительном варианте осуществления изобретения использовались пять светодиодов (обладающих четырьмя уникальными длинами волн). Результирующая площадь проекции точечных источников в этих светодиодах составила 3,0 мм x 3,5 мм, что вполне меньше ограничения 4 мм x 6 мм, выведенного из измерения площади ногтя у небольшой женщины, как проиллюстрировано на фиг. 9. Фиг. 9 иллюстрирует размещение светодиодов для пальцевого зажима в соответствии с устройством из настоящего изобретения. Светодиоды устанавливаются на 3-мерную напечатанную опорную поверхность или любую другую подходящую плату, сконфигурированную для установки и вмещения монтажной платы, удерживающей светодиоды и фотодиоды. Опорная поверхность крепится к корпусу датчика, значительно уменьшая артефакт движения и обеспечивая, что размещение светодиодов относительно пальца постоянно.
[0053] Зонды включают в себя подложки в качестве меры для снятия напряжения, как проиллюстрировано на фиг. 10. Фиг. 10 иллюстрирует исполнение пальцевого зажима в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Каналы, возбуждающие светодиоды, экранируются и изолируются отдельно от несущих форму волны, сформированную фотодиодом, в попытке исключить шум из возбуждающей схемы. Зонды подключаются посредством стандартного 9-контактного соединителя D-Sub. Проверка изменчивости датчика проводится с помощью идентичных протоколов для оценки изменчивости между зондами и внутри зонда, влияния уровня заряда батареи на полученные сигналы и влияний размещения пальца в устройстве.
[0054] На основе закона Ламберта-Бера сила света, поглощенного фотодатчиками, связана с поглощением веществ в среде, через которую проходит луч. Фотоплетизмография является способом, который использует эти данные о поглощательной способности для извлечения информации конкретно о содержимом крови. Поскольку поглощение у артериальной крови увеличивается и уменьшается, когда есть изменение в объеме крови во время систолы и диастолы, в результирующем сигнале имеется небольшая пульсирующая волна, называемая плетизмограммой. Свойства этого импульсного сигнала, включающие в себя амплитудное и временное изменение, можно предположить связанными с изменениями только в артериальной составляющей крови.
[0055] При использовании света, прошедшего через ткань, будет иметь место непредсказуемое рассеивание и отражение света. Чтобы уменьшить влияние непредсказуемого рассеивания и отражения света, вызванных компонентами ткани, например, геометрией и непрозрачностью, используется логометрический подход, где вычисляется параметрический наклон временных производных форм волн при двух длинах волн. Этот способ приблизительно эквивалентен обычному способу вычисления отношения отношений AC, или меняющейся составляющей, к DC, неизменяющейся составляющей, при двух длинах волн, используемых в пульсоксиметрии, но ожидается более надежным в изменяющихся условиях благодаря использованию большего объема доступной информации о форме волны и опоре на отношения дисперсии времени, а не чистой амплитуды, у форм волн. Фиг. 7 иллюстрирует графический вид способа корреляции наклона, используемого в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Наклон линейного интерполянта dAλ1 по отношению к dAλ2 является параметрическим наклоном, или способом корреляции наклона, представленным уравнениями ниже.
Представляет постоянные составляющие ткани
[0056] AC-составляющая содержит информацию об артериальной крови, тогда как DC-составляющая содержит поглощение от формы и траектории ткани. Чтобы получить данные для обеих длин волн света, два света нужно включить в разные моменты, чтобы получить данные для каждой конкретной длины волны. В настоящем изобретении импульс записывается из одной длины волны в течение 10 секунд, а затем светодиоды переключаются вручную, и получаются данные из второй. Процесс переключения также можно автоматизировать посредством частотно-зависимого ключа, управляемого тональными сигналами, воспроизводимыми сотовым телефоном. Кроме того, светодиоды в конечном счете могут пульсировать с большими скоростями, используя таймеры 555, как при пульсоксиметрии; это обладает преимуществом уменьшения оптического шума и допускает одновременный, а не последовательный сбор форм волн при 2 длинах волн, увеличивая надежность измерений. В конечном счете, поскольку настоящее изобретение будет измерять одно значение Hb, а не значения в непрерывном режиме, как при пульсоксиметрии или в серийных гемометрах на основе плетизмографии, из данных, которые усреднены по времени, то можно ожидать, что способ будет более помехоустойчивым. Дополнительную помехоустойчивость можно обеспечить использованием выявляющих и подавляющих помехи способов (автокорреляция) для подавления блуждающих импульсов, вызванных артефактами движения или другими источниками шума; в данном исполнении это не реализуется.
[0057] Отбрасывание плохих образцов выполнялось путем оценки на основе форм волн во время начальной проверки. Также имеется проблема отличающегося среднего пропускания света между людьми, вызванная рядом факторов; кто-то мог зачастую заполнять фотодиод либо, наоборот, не давать достаточно сильного сигнала. Эта проблема исправляется с использованием компонента автоматической регулировки усиления, который настраивает напряжение, возбуждающее светодиоды, если среднее выходное напряжение слишком высокое или слишком низкое, чтобы постоянное напряжение, которое тот выравнивает, составляло около 2-2,5 В (из максимального рабочего диапазона 0-3,3 В или 5 В), где виден импульс. Подстройка регулировки усиления занимает приблизительно 2-8 секунд для стабилизации. Устройство можно настраивать вручную с использованием подстроечных резисторов переменного сопротивления.
[0058] Другим важным аспектом настоящего изобретения является плата связи. Фиг. 4 иллюстрирует принципиальную схему главной платы датчика в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Плата связи предпочтительно может принимать вид отдельного, небольшого самодостаточного устройства, которое подключается к сотовому телефону через гнездо и действует как средство коммуникации между различными датчиками - включая фотодатчик - и сотовым телефоном. Эти датчики также могли бы принимать форму взаимозаменяемых периферийных устройств. Разносторонность такого устройства была бы неоценима, позволяя собирать и передавать удаленно через сотовый телефон данные большого диапазона типов; например, среди прочих, pH почвы и воды, снятия показаний ЭКГ, загрязнение воздуха. Можно использовать два возможных способа связи для реализации настоящего изобретения. Однако также мог бы использоваться любой другой способ связи, известный или понятный специалисту в данной области техники. Одним таким способом является амплитудная модуляция (AM), а другим таким способом является двоичная частотная манипуляция (BFSK).
[0059] Фиг. 5 иллюстрирует примерную принципиальную схему платы связи BFSK в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. BFSK в этом документе обсуждается как предпочтительное устройство для связи благодаря его разносторонности и помехоустойчивости, и возможности передавать сообщения без изменений вследствие его цифровой сущности. Амплитудная модуляция проще, но также, возможно, такая же сложная или сложнее для демодуляции, и подвержена потере информации и узкому диапазону работы. Ключевым ограничением для любого способа связи является то, что гнездо для наушников сотового телефона AC связано по переменному току, и поэтому любой переданный в него сигнал должен иметь частоту в приемлемом диапазоне, приблизительно 300 Гц - 3 кГц. Если кратко, AM умножает низкочастотный сигнал на несущую (синусоиду) высокой частоты. Результирующий сигнал можно передать в гнездо для наушников и демодулировать в телефоне с помощью алгоритма обнаружения огибающей.
[0060] Контрольно-измерительная аппаратура содержит аппаратные компоненты и программные алгоритмы, разработанные для сбора и обработки данных из пальцевого зажима. Это компонент, который управляет светодиодами и принимает электрические сигналы от фотодиода. Электрический сигнал фильтруется, усиливается и обрабатывается для получения приемлемого сигнала. Полученные из пальца пульсирующие плетизмографические (PPG) сигналы очень слабые и шумные, составляя лишь 2%-3% всего сигнала. В результате необходимы обширная постобработка, фильтрация и усиление для удаления электрического шума и усиления сигнала PPG. Батарея и контрольно-измерительная аппаратура размещаются в заказном корпусе, проиллюстрированном на фиг. 12A и фиг. 12B. Фиг. 12A иллюстрирует вид в разрезе корпуса, показывающий размещение батареи и контрольно-измерительной аппаратуры, а фиг. 12B иллюстрирует вид корпуса в перспективе сверху. Корпус подключается между вычислительным устройством или смартфоном и пальцевым зажимом. Батарея в корпусе обеспечивает питание электронных компонентов пальцевого зажима, а также контрольно-измерительной аппаратуры. Контрольно-измерительная аппаратура осуществляет проводную или беспроводную связь с вычислительным устройством, смартфоном, сервером или другим устройством. Контрольно-измерительная аппаратура также может быть связана в сеть с другими устройствами, ассоциированным сервером или другой связанной с вычислениями системой.
[0061] Аппаратура использует встроенный микроконтроллер, чтобы формировать, получать и передавать в сотовый телефон как необработанные плетизмограммы, так и обработанные данные. Микроконтроллер программируется с помощью постоянного машиночитаемого носителя, который одновременно 1) модулирует последовательность ключей, которые чередуют распределение энергии каждому из четырех передающих каналов, и 2) считывает каналы обнаружения сигнала. Широтно-импульсный модулятор используется для подачи саморегулирующихся уровней тока в светодиоды датчика. Переданный сигнал, принятый от фотодиода, усиливается посредством заказного управляемого током усилителя. Аналого-цифровой преобразователь микроконтроллера считывает и сохраняет выходное напряжение со скоростью 40 Гц для каждого из четырех каналов. Затем сигналы пропускаются через последовательность фильтров: режекторный фильтр для исключения электрического шума на 50 Гц, а также активный и пассивный фильтры верхних и нижних частот, что приводит к эффективной полосе пропускания 0,8-5,0 Гц.
[0062] Фотоплетизмограмма, соответствующая каждому отдельному светодиоду, может быть изолирована, и измерены максимальное и минимальное напряжения у пульсирующей составляющей. Это используется для получения отношения отношений, называемого R, которое вычисляется при двух длинах волн и может коррелировать с концентрацией гемоглобина. Более сложный анализ может давать значения R для трех или более длин волн, и дополнительные длины волн могут усилить корреляцию между R-значением и результирующим значением гемоглобина. Здесь VAC и VDC являются соответственно значениями для светодиодов 1 и 2 переменного и постоянного базового уровня.
[0063] Одной из проблем является то, что сжатие автоматически выполняется телефоном при обращении к входному порту. Поэтому может быть сложно получить форму волны полного спектра в чистом виде; низкие частоты - то есть исследуемый сигнал - можно отфильтровать автоматически аппаратными средствами в телефоне в попытке изолировать тональные гармонические частоты для использования при передаче редкой речевой информации. С другой стороны, если эти конкретные частоты известны, то значительным преимуществом обладает способ, использующий только одну или две из них. BFSK является простым способом цифровой связи, восходящим к 1950-м годам, когда он использовался телефонными модемами Bell 202; он просто представляет двоичные 1 и 0 как две четко разделенные частоты.
[0064] Тогда можно использовать эффективный алгоритм для вычисления степени наличия заданной частоты, алгоритм Герцеля для декодирования сигнала, представляющего собой поток двоичных сигналов. Избегая вычисления быстрых преобразований Фурье по всем частотам, алгоритм дает возможность реализации обнаружения тональных сигналов в слабом вычислительном окружении - например, на бюджетном сотовом телефоне. Преобразование сигнала напряжения в цифровой сигнал осуществляется аналого-цифровым преобразователем (ADC). Затем этот цифровой сигнал кодируется в BFSK с помощью специальной схемы. Настоящее изобретение используется в сочетании с программным приложением сотового телефона, предпочтительно кодированным на языке Java. Также мог бы использоваться любой другой язык кодирования или программное приложение, известные или понятные специалисту в данной области техники. Графическое отображение уровня анемии может предоставляться работнику здравоохранения посредством GUI, а численное значение можно регистрировать и обращаться к нему. Дополнительно, численное значение гемоглобина можно отправлять центральному серверу посредством SMS. Сценарий MATLAB на персональном компьютере, планшете или ином вычислительном устройстве может использоваться для получения реальных данных, их отображения и анализа либо в реальном масштабе времени, либо в более поздний момент времени.
[0065] Несущая частота для амплитудной модуляции (AM) предоставляется тональным сигналом, воспроизводимым телефоном на определенной частоте и выводимым через выходной канал. Если у сотового телефона есть возможность воспроизведения стерео, то доступно два отдельных канала. Если доступно два канала, то один может использоваться либо для сбора энергии посредством выпрямительной и повышающей схемы, либо для предоставления частотных команд системе, например, частотно-зависимому светодиодному драйверу, где разные частоты вызывают включение разного светодиода аналогично тому, что происходит в светомузыке. Если у сотового телефона есть только возможность воспроизведения моно, то этот канал можно выделить несущей частоте, пока передаются сигналы. Однако между периодами сбора данных, во время которых одиночный светодиод будет включен заданное время, и данные будут записываться, этот канал может временно использоваться для управления схемой "переключения" длин волн, используя частотно-зависимый ключ. Это устраняет необходимость любого вида микроконтроллера на внешней плате датчика, максимизируя то, что выполняется сотовым телефоном, и минимизируя сложность и стоимость всего устройства.
[0066] Соответственно, сотовый телефон сможет получать сигналы от датчика путем модулирования сигнала плетизмографа на несущей и ввода результирующей формы волны во вход гнезда. С помощью AM сигнал можно представить путем манипулирования амплитуды несущей волны.
[0067] Если имеется несущая волна, представленная функцией:
[0068] где Ac - амплитуда, ∅c - начальная фаза, то частоту (Гц) волны можно выразить как we, и сигнал, который нужно выразить несущей волной, имеет вид функции:
[0069] где As - амплитуда, ∅s - начальная фаза, и частоту (Гц) волны можно выразить как
где AS - амплитуда, ∅s - начальная фаза, и частоту (Гц) волны можно выразить как
[0070] AM широко применяется для передачи радиоволн на большие расстояния и является менее устойчивым к шуму, но более простым способом, нежели частотная модуляция (FM). В этом устройстве AM, использующая несущую волну в голосовом диапазоне (1-10 кГц), необходима, чтобы связанный по переменному току микрофонный вход сотового телефона обнаружил сигнал. Как только сигнал AM захвачен сотовым телефоном, для извлечения исходного сигнала используется экономный в вычислительном отношении способ обнаружения огибающей, который включает в себя отыскание локальных максимумов у сигнала AM. С учетом того, что пульсирующий сигнал имеет гораздо меньшую частоту, нежели несущая, можно сохранить почти всю информацию в исходном сигнале.
[0071] После этого все вычисления выполняются апплетом на сотовом телефоне. Фиг. 6 иллюстрирует изображение сотового телефона, отображающего сигнал, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Предполагаемая концентрация гемоглобина преобразуется в легко интерпретируемую визуальную пиктограмму в графическом интерфейсе пользователя на экране сотового телефона. Эта пиктограмма может состоять из графического изображения и/или цвета, выражающего анемичное состояние пациента. Предпочтительно, чтобы данные для отображения представлялись простым способом, чтобы их можно было отображать в GUI элементарного телефона, и не нужно использовать смартфон, пока тот не будет доступен. Во время инициализации устройства экран будет отображать обратную связь, чтобы оповестить пользователя, правильно ли подключен датчик, и получаются ли приемлемые сигналы от пациента. Во время сбора данных на части экрана будет отображаться отображение реального масштаба времени формы волны плетизмографа, как проиллюстрировано на фиг. 6. Вместе с тем система меню в апплете позволит медицинскому работнику ввести имя и другую важную информацию. Эта информация будет сохранена и в конечном счете передана, вместе со снятием показания гемоглобина и состоянием анемии, в постоянную базу данных посредством SMS. Важно, что эта передача сообщения позволяет определить местоположение снятия показания посредством местоположений вышек сотовых телефонов и записать его. Вся эта информация неоценима для местных отделов здравоохранения при планировании общественного здравоохранения и отслеживании опасно анемичных беременных женщин для последующего наблюдения.
[0072] В другом варианте осуществления настоящего изобретения вместо двух используется одна длина волны света, 810 нм. Это подразумевает очень простую плату датчика, включающую в себя только светодиод и схему обнаружения света, и систему AM.
[0073] Другой вариант осуществления настоящего изобретения использует три длины волн света. Две из тех длин волн являются длинами волн, широко применяемыми в пульсоксиметрии, 660 нм (красный) и 930-940 нм (ИК), и 810 нм. Это к тому же позволит использовать устройство в качестве пульсоксиметра, и апплет сотового телефона будет содержать варианты для пульсоксиметрии и/или обнаружения гемоглобина.
[0074] В другом альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения частотная модуляция (FM) используется вместо AM для осуществления связи с сотовым телефоном. В частности, двоичная частотная манипуляция (BFSK) является более помехоустойчивым и, кроме того, довольно простым способом связи с использованием частоты. Эти частоты нужно будет формировать в датчике, что требует аналого-цифрового преобразования и увеличивает сложность и стоимость устройства. Однако оцифровка данных позволяет передавать гораздо большее многообразие данных, а не только напряжение. К тому же для передачи данных сотовому телефону BFSK более надежная и, в конечном счете, более чувствительная, чем AM. BFSK состоит из двух тональных сигналов, каждый из которых представляет 1 или 0. Декодирование на стороне сотового телефона может выполняться довольно легко, что, в свою очередь, предусматривает более высокие скорости передачи.
[0075] Анализ данных раскрыл нелинейное поведение физиологической плетизмограммы пациентов с более низкими значениями гемоглобина по сравнению с поведением пациентов с более высокими значениями гемоглобина. Чтобы должным образом оценить нелинейное входное пространство, устройство использует метод опорных векторов (SVM) для анализа данных пациентов. SVM является невероятностным двоичным линейным классификатором. Это дает возможность разделения данных на две дискретные группы. SVM были выбраны потому, что классификация лучше подходит в целях предотвращения "неприятностей с размерностью", позволяя им быть эффективными несмотря на нехватку данных, извлеченных из анемичных пациентов. Первый SVM использовался для классификации пациентов на "анемичных" или "здоровых" на основе того, обнаруживалось ли значение больше или меньше 10,5 г/дл. После этого пациенты в анемичной группе изолировались, и второй SVM использовался для классификации "легкой" анемии в виде пациентов со значениями гемоглобина между 9-10,5 г/дл и "умеренной и тяжелой" анемии в виде пациентов ниже 9 г/дл. В конечном счете важно отметить, что результатом SVM является матрица постоянных, позволяющая выполнять все вычисление на мобильном телефоне. Классификаторы обучаются независимо, а затем объединяются для увеличения точности. Это методика комитетов для обучения классификаторов. Как отмечалось выше, обученная матрица находится на постоянном машиночитаемом носителе в устройстве со стороны пациента. Устройство можно дополнительно связать в сеть с сервером и/или облачным сервером для обновления матрицы. Результаты вычисления комитетов классификаторов затем возвращаются в устройство со стороны пациента.
[0076] Датчик с пальцевым зажимом подключается к мобильному телефону с телефонным приложением, предназначенным для использования с настоящим изобретением. После того, как концентрация гемоглобина определяется и сообщается пользователю, приложение отправляет защищенному центральному серверу индивидуальные данные. Данные с привязкой к местности собираются для вывода тепловой карты распространенности анемии на картах Google в реальном масштабе времени. В итоге данные станут безопасно доступны некоммерческим организациям, а также министерствам здравоохранения в соответствующих странах.
[0077] Устройство из настоящего изобретения предусматривает классификацию пациентов на четыре классификации анемии (нормальная, легкая, умеренная, тяжелая). Таким образом, технология предназначена для использования в качестве инструмента обследования в областях без местных организаций здравоохранения. Предоставление информации о категорийном интервале, в который входит женщина, могло бы помочь ей принять решения касательно необходимости поиска лечения. Кроме того, этот вариант использования предоставляет государству способ для улучшения отчетности в труднодоступных областях. Программное обеспечение отображения значений в реальном масштабе времени было бы очень полезно для обеспечения повсеместного сбора данных.
[0078] Целью проектирования интерфейса является упрощение процесса обследования на предмет анемии для работника здравоохранения. Простой интерфейс "зеленый, желтый, оранжевый, красный" предупредит медицинского работника об "отсутствии, легком, умеренном и тяжелом" уровнях анемии. Затем программное обеспечение направит работника здравоохранения к подходящему плану действий, то есть:
1. Отсутствует (зеленый): "Соблюдайте диету и схему приема железа/фолиевой кислоты. Систематически посещайте лечебное учреждение".
2. Легкий (желтый): "Соблюдайте диету и схему приема железа/фолиевой кислоты. Систематически посещайте лечебное учреждение".
3. Умеренный (оранжевый): "Если вы прекратили прием железа/фолиевой кислоты, то возобновите его. Как можно быстрее запишитесь на прием в лечебное учреждение.
4. Тяжелый (красный): "Немедленно посетите лечебное учреждение для надлежащего лечения". В этом случае работник здравоохранения даже мог бы упростить немедленный визит пациента в поликлинику или больницу.
[0079] Внутренняя инструментальная панель отслеживает серьезность анемии на основе отдельных случаев с возможностью отслеживания до координат GPS и номера телефона вызывающего устройства. Инструментальная панель собирает временную и пространственную статистику серьезности анемии на макроскопическом (штат), мезоскопическом (локальная область) и микроскопическом (отдельный пациент) уровне. В итоге все данные передаются центральному серверу (или серверам), которые хранят геолокацию снятия показания, уровни гемоглобина и идентификаторы CHW, к которым затем можно обращаться с помощью любого компьютера с доступом в Интернет. Для сохранения конфиденциальности пациента могли бы использоваться разные уровни протоколов безопасности. Сервер централизованно хранит данные и формирует наглядные признаки и тепловые карты для указания тяжелых и умеренных случаев анемии.
[0080] В предпочтительном варианте осуществления было разработано заказное Android-приложение для работы в качестве интерфейса пользователя. Также могло бы использоваться любое другое подходящее компьютерное приложение или платформа, и изобретение не ограничивается Android, сотовым телефоном или форматом "app". У пользователя есть возможность ввести имя пациента, возраст, гестационный возраст и местоположение. Сотовый телефон принимает и сохраняет форму волны, переданную контрольно-измерительной аппаратурой. Затем приложение идентифицирует сегменты формы волны, где никакой артефакт перемещения или другой шум не мешает сигналу плетизмограммы, и отправляет сигнал в алгоритм классификации. Этот алгоритм определяет, согласуется ли форма волны со свойствами анемичных либо неанемичных форм волн, и классифицирует пациента по "интервалам" тяжелой/умеренной анемии, легкой анемии или отсутствию анемии. Посредством соединения с облаком или через SMS оценка гемоглобина и данные пациентов отправляются центральному серверу и добавляются в базу данных. Эта база данных позволяет врачам обращаться к медицинским картам, а государственным служащим - отображать распределение тяжелой, умеренной, легкой анемии в нужной области.
[0081] Операционная система принимает ввод от пользователя и устройства и обновляет картографическое приложение. Фиг. 11A-11E иллюстрируют снимки экрана из компьютерного приложения в настоящем изобретении. Конкретнее, фиг. 11A иллюстрирует смартфон. Фиг. 11B иллюстрирует сбор данных, отображающий плетизмограмму. Фиг. 11C иллюстрирует сбор данных пациентов и интерфейс пользователя. Фиг. 11D иллюстрирует информацию о пациенте, расположенную на карте на основе компьютерного приложения, а фиг. 11E иллюстрирует примерную тепловую карту, показывающую тяжелые и умеренные случаи анемии из обследования на местах в Восточной Индии. Изобретение также можно реализовать с использованием элементарного или традиционного телефона для большего распространения.
[0082] В крупном масштабе устройство с возможностями географического и хронологического отслеживания данных пациентов упростит развитие политики общественного здравоохранения в развивающихся странах. Такая платформа позволит министерствам здравоохранения и неправительственным организациям выявлять области с неодинаковыми показателями распространенности анемии и обеспечивать целевые инициативы здравоохранения. К тому же такая система увеличит подотчетность программ здравоохранения, предусматривая оптимальное распределение ограниченных ресурсов. Платформа сотового телефона из настоящего изобретения дает возможность прозрачного сообщения данных пациентов на уровне области, штата и нации.
[0083] Настоящее изобретение также обладает возможностью расширения до платформы сбора данных mHealth. После проверки инструмента контроля анемии с пальцевым зажимом к арсеналу инструментов обследования пациента у CHW можно добавить другие недорогие инструменты диагностики/обследования на основе датчиков, например, прибор для наблюдения за кровяным давлением или 2-канальную электрокардиограмму. Независимо от датчика платформа с поддержкой телемедицины обладает возможностью изменить глобальное здравоохранение.
[0084] На управление параметрами устройства (используемые длины волн, сила света, длительность импульса, используемый для классификации алгоритм) могут влиять индивидуальные профили пациентов, расположенные в "облаке" или на другом удаленном сервере. Когда устройство обращается к серверу в облаке, оно может обновлять профили пациентов информацией о параметрах. Либо с целью защитить секретность пациента в облаке может храниться только информация о профилях, но к ней обращаются в начале исследования. Например,
1. медицинский работник вводит идентифицирующую пациента информацию в устройство,
2. устройство обращается к персонализированному профилю пациента в интернете в защищенной базе данных,
3. устройство извлекает индивидуальные параметры на основе предыдущей калибровки и сохраненной информации анализа крови,
4. устройство использует индивидуальные параметры для калибровки,
5. медицинский работник проводит исследование,
6. устройство отправляет необработанные данные исследования в базу данных в интернете,
7. окончательные вычисления могут выполняться в облаке (базе данных в интернете), чтобы сохранить энергию и память на устройстве,
8. устройство сообщает медицинскому работнику/пациенту результаты окончательных вычислений,
где "устройство" относится к датчику, физическому пульту управления и телефону либо другому мобильному устройство.
[0085] Так как картографическое программное обеспечение развивается, вопросы секретности и конфиденциальности будут самой большой проблемой. Во время этапов реализации интернет-платформа будет структурирована с отличающимися уровнями доступа в зависимости от разрешения. Например, высокоспециализированные врачи могут видеть только свою соответствующую географическую область, тогда как руководитель министерства здравоохранения может иметь доступ к общегосударственной статистике. Протоколы связи между телефонами и сервером также понадобится шифровать перед любой масштабной реализацией.
[0086] Данное исполнение содержит "жестко определенные" калибровочные кривые, которые используются для оценки диапазонов гемоглобина. Однако имеется не "зашитая" версия этого, при помощи которой группа разработки сможет удаленно обращаться к калибровочной кривой и обновлять ее. Устройства периодически будут извлекать новую калибровочную кривую из облака вместо ее жесткого определения. Это даст возможность более частой итерации во всей системе из настоящего изобретения.
[0087] Реализация в элементарном или традиционном телефоне также предусматривает большее распространение системы из настоящего изобретения. Выбор создания Java-приложения основывается на недавнем обзоре из Непала, показывающем, что у двух третей работников здравоохранения есть телефоны с поддержкой Java. Элементарные телефоны не предусматривают связи по micro-USB или USB, поэтому протокол связи между датчиком и телефоном перерабатывается. Поэтому система также может конфигурироваться для передачи данных через гнездо для наушников в элементарных телефонах.
[0088] Следует отметить, что компьютерное приложение программируется на постоянном машиночитаемом носителе, который можно считывать и исполнять с помощью любых вычислительных устройств, упомянутых в этой заявке. Постоянный машиночитаемый носитель может принимать любой подходящий вид, известный специалисту в данной области техники. Под постоянным машиночитаемым носителем понимается любое изделие, считываемое компьютером. Такие постоянные машиночитаемые носители включают в себя, но не ограничиваются, магнитные носители, например дискету, гибкий диск, жесткий диск, катушечную ленту, ленту в картридже, кассетные ленты или карты, оптические носители, например CD-ROM, DVD, Blu-ray, записываемые компакт-диски, магнитооптические носители в виде диска, ленты или карты, и бумажные носители, например перфокарты или бумажную ленту. С другой стороны, программа для исполнения способа и алгоритмов из настоящего изобретения может находиться на удаленном сервере или другом сетевом устройстве. Любые базы данных, ассоциированные с настоящим изобретением, можно разместить в центральном вычислительном устройстве, сервере (серверах), в облачном хранилище или любом другом подходящем средстве, известном или понятном специалисту в данной области техники. Вся информация, ассоциированная с приложением, передается либо по проводной, либо по беспроводной связи по сети, через Интернет, по сотовой телефонной сети, RFID или любому другому подходящему средству передачи данных, известному или понятному специалисту в данной области техники.
[0089] ПРИМЕРНЫЕ РЕАЛИЗАЦИИ
[0090] Нижеследующие примеры включаются просто в качестве иллюстрации и не подразумеваются ограничивающими. Также могла бы использоваться любая реализация, понятная специалисту в данной области техники.
[0091] Были проведены исследования. Заключительный статистический анализ пытался выявить соотношение между снятиями показаний гемоглобина с устройства из настоящего изобретения и общепринятым стандартом. Исследования также использовались для выявления возможных усовершенствований в механической конструкции пальцевых зажимов, электрических компонентах устройства и удобстве использования GUI.
[0092] Были собраны данные 120 пациентов. В течение пяти дней пациенты подвергались клинически приемлемому забору крови, как предписано врачами в поликлинике для лечения анемии, и принимали участие в использовании прототипа. Набор зондов с двумя длинами волн использовался для сбора сигналов PPG от указательного пальца правой руки каждого пациента. Возраст пациента, цвет кожи и гестационный возраст (где уместно) записывались во время регистрации на исследование, когда пациентам назначался идентификационный номер. Анализ крови проводился автоанализатором в стороннем учреждении. Гематологические данные, включая уровень гемоглобина, общий анализ крови и гликированный гемоглобин, составлялись и обезличивались сотрудничающими клиницистами, а затем сообщались исследовательскому коллективу. Распределение гемоглобина из забора крови по общепринятому стандарту в обоих исследовательских центрах изображено на фиг. 15. Фиг. 15 иллюстрирует графический вид распределения гемоглобина из исследовательских центров.
[0093] Данные предварительно обрабатывались с использованием последовательности фильтров, и сохранялись сегменты данных, где можно было извлечь чистые сигналы PPG. Для всех приемлемых файлов данных минимумы, максимумы, отношения и значения R у каждой длины волны вычислялись и записывались с использованием заказного программного обеспечения Matlab, как проиллюстрировано на фиг. 16. Фиг. 16 иллюстрирует графический вид примера вывода из заказного программного обеспечения, написанного в MATLAB, для автоматизированного выделения признаков из сигнала фотоплетизмограммы в реальном масштабе времени. Проводилась предварительная обработка данных для извлечения максимумов и минимумов для каждой длины волны, чтобы можно было вычислять отношения и значения R (здесь показано 590 нм). Красные точки указывают максимумы, зеленые точки указывают минимумы. Медианный фильтр с перестраиваемыми параметрами использовался для подавления артефактов движения. После обработки осталось 104 и 182 файла из исследований в Непале и Индии соответственно. 167 из исходных 453 файлов данных были непригодны по ряду причин, включая артефакт перемещения во время сбора данных, приглушенные сигналы, вызванные неправильным размещением пальцевого зажима, и слабые сигналы от наименьших длин волн, которые испытывают сложность в прохождении через палец.
[0094] Оставшийся набор данных 286 пациентов был достаточно большим, чтобы прилагать усилия для нахождения калибровочной кривой. Первым прогоном на данных было обучение 80:20 с использованием линейной регрессии с собранными значениями R. Это означает, что выбирались произвольные 80% данных в попытке откалибровать линейную модель предсказания гемоглобина с использованием этих значений R. Это было опробовано с каждым из 2-светодиодных пальцевых зажимов и различными сочетаниями длин волн, полученными путем объединения данных от разных пальцевых зажимов. Такие же прогоны выполнялись с данными от каждого из центров. В качестве выборочных результатов фиг. 17-18 иллюстрируют графические виды, когда линейная регрессия не смогла предсказать гемоглобин в достаточной мере. Фиг. 17 и 18 иллюстрируют графические виды результата обучения 80:20 на наборе данных со значениями R из 590 и 810 нм (фиг. 17) и 1050 и 810 (фиг. 18).
[0095] Этот набор данных также использовался для исследования результатов других возможных искажающих переменных. Хотя цвет кожи и смещение устройства не оказывают влияние на калибровку, оказалось, что калибровка сильно зависела от гестационного возраста. Гестационный возраст пациентов предсказывался из их сигналов PPG, как показано на фиг. 19. Фиг. 19 иллюстрирует гестационный возраст, предсказанный из сигналов PPG. По этой причине гестационный возраст включался в качестве переменной во всю калибровочную работу в перспективе.
[0096] Далее выполнялась более строгая предварительная обработка в попытке справиться с малым объемом пациентов в диапазоне от умеренной до тяжелой анемии, собранным во время двух обследований на местах. По этой причине входное пространство значений гемоглобина отделялось на значениях гемоглобина в 10 г/дл, и повторялось обучение 80:20. Это проводилось для изучения, вели ли себя низкие значения гемоглобина иначе в уравнении регрессии, чем высокие значения гемоглобина. Результаты показывают, что регрессия могла выявлять такие разницы в значениях гемоглобина с довольно высокими коэффициентами корреляции.
[0097] Улучшенный R2 из этого разделения данных указывает, что, скорее всего, было отличие в поведении плетизмограммы пациентов с более низкими значениями гемоглобина по сравнению с поведением пациентов с более высокими значениями гемоглобина. Чтобы воспользоваться этой нелинейностью во входном пространстве, использовались более строгие алгоритмы машинного обучения на данных. Опробовано три разных подхода, а именно перцептрон с единичным нейроном; многослойные нейронные сети прямого распространения и метод опорных векторов (SVM) с линейными базисными функциями, а также с радиальными базисными функциями (rbf). Наилучшие результаты были получены в SVM с rbf и здесь сообщаются в таблицах ниже.
[0098] SVM является невероятностным двоичным линейным классификатором. Это означает, что он может разделить данные на две дискретные группы. К тому же SVM невосприимчивы к "неприятностям с размерностью", позволяя им быть эффективными несмотря на нехватку данных, извлеченных из анемичных пациентов. В случае данных этого исследования SVM использовались в попытке классифицировать анемию на основе значений R, выведенных из пальцевых зажимов. Первый SVM использовался для классификации пациентов на "анемичных" или "здоровых" на основе того, обнаруживалось ли значение больше или меньше 10. После этого пациенты в анемичной группе изолировались, и второй SVM использовался, чтобы попытаться классифицировать "легкую" анемию в виде пациентов со значениями гемоглобина между 9-10 г/дл и "умеренную и тяжелую" анемию в виде пациентов ниже 9 г/дл. Таблица ниже показывает чувствительность и специфичность этой нелинейной иерархической классификации. Важно отметить, что результатом SVM, известных как "опорные векторы", является матрица постоянных, которая используется мобильным телефоном. Как ранее отмечалось на гистограммах распределения анемии, не было достаточного количества пациентов с тяжелой анемией, и поэтому вследствие ограничений алгоритма машинного обучения пришлось сложить две категории: умеренная+тяжелая. Также следует отметить, что эти пороговые величины можно подстраивать под разные уровни в зависимости от потребностей местной программы общественного здравоохранения (то есть уровни пороговых величин меняются, но этап начальной калибровки потребовал бы достаточного количества пациентов в каждом интервале для "обучения" алгоритма устройства).
[0099] Матрица неточностей формировалась для явного выявления достоинств и недостатков используемых алгоритмов машинного обучения. Матрица неточностей показывает процентное отношение правильных предсказаний, а также показывает точные типы ошибок, которые допускает алгоритм в каждой области классификации анемии (фиг. 20). Фиг. 20 иллюстрирует матричное представление эффективности основанного на SVM алгоритма для пациентов в каждой категории иерархической классификации анемии. Например, если забор крови пациента сообщает, что пациент находится в "здоровом диапазоне", и алгоритм также выводит, что пациент находится в этом диапазоне, то значение в зеленом квадрате на пересечении третьего столбца слева ("здорового" столбца) и третьей строки сверху ("здоровой" строки) увеличивается на единицу. С другой стороны, если алгоритм сообщил, что тот же пациент был анемичным "от умеренного до тяжелого", то значение в красном квадрате на пересечении 3-го столбца слева ("здорового" столбца) и первой строки (строки "умеренная и тяжелая") увеличивается на единицу. Нижняя серая строка и крайний правый серый столбец сообщают совокупную статистику по каждой строке и столбцу, тогда как синий квадрат в нижнем правом углу сообщает общую совокупную статистику.
[00100] Как иллюстрирует фиг. 20, алгоритм очень эффективен для пациентов в легком и здоровом диапазонах, но обладает довольной низкой эффективностью в умеренном и тяжелом диапазоне. Этот результат, скорее всего, является функцией распределения пациентов, которые использовались для обучения алгоритмов. Другими словами, из-за малого количества полученных точек данных по умеренной и тяжелой анемии алгоритм нельзя хорошо обучить в этом диапазоне, что приводит к этой низкой эффективности. Это основная причина того, что коллектив продолжил пытаться собрать больше данных на местах от пациентов с низкими уровнями гемоглобина.
[00101] Во втором исследовании коллектив собрал данные от 176 пациентов за пятидневный период. Набор пациентов включал в себя преимущественно беременных женщин, которые пришли на дородовые приемы в женскую консультацию в больнице. Состояние гемоглобина у участников исследования оценивалось с помощью устройства из настоящего изобретения, автоанализатора (общепринятый стандарт), устройства HemoCue и устройства Massimo. Фиг. 21 иллюстрирует графический вид оценки пациента в соответствии с каждым способом.
[00102] Устройства HemoCue и Masimo недооценили количество гемоглобина по сравнению с забором крови (показан ниже).
[00103] Коллектив собрал плетизмографические данные с использованием шести разных датчиков с пальцевым зажимом с двумя обычными светодиодами 810 нм на основе компьютера. Всего было собрано 12 PPG от каждого пациента, 6 из которых были получены из 810 нм. Чтобы обработать данные, извлеченные из пальцевых зажимов, выполнялись этапы предварительной обработки для обеспечения правильности результата зажимов. Сначала данные пропускались через полосовой фильтр, и выявлялись "чистые" пики. Затем вычислялось отношение Vmax:Vmin для чистых пиков при каждой длине волны, и это значение сообщалось в качестве значения "r". Значение R, используемое для каждого пациента в уравнениях регрессии, было медианой значений R из плетизмограммы каждого пациента.
[00104]
[00105] SVM использовались в попытке классифицировать анемию на основе значений R, выведенных из пальцевых зажимов. Среднее значение всех r810 использовалось в качестве масштабированного значения для r для 810 нм. Все другие длины волн масштабировались подходящим образом, чтобы нормализовать данные по всем пальцевым зажимам. Опубликованный анализ данных в качестве входных параметров использовал длины волн 590 нм, 660 нм, 810 нм и 940 нм. Аналогичные моделирования проводились с другими сочетаниями, но это сочетание превзошло остальные. Хотя замена длины волны 569 нм длиной 590 нм формирует аналогичные по точности результаты. Длины волн включались как независимые переменные, хотя уровень гемоглобина из автоанализатора по общепринятому стандарту был зависимой переменной. Когда гестационный возраст используется в качестве одной из независимых переменных, использовались месяцы гестационного возраста (1-9 месяцев).
[00106] Во время второго исследования не было много пациентов с очень низким гемоглобином (ниже 9 г/дл). Двадцать из 176 пациентов имели гемоглобин ниже 9 г/дл. Меньшая концентрация людей с умеренной и тяжелой анемией влияла на вычисления и стремилась к очень низкой точности. По существу, для этих пациентов данные повторно отбирались из разных точек на PPG (было собрано около 30 секунд данных PPG). Таким образом, точки данных утраивались от пациентов с концентрацией гемоглобина ниже 9 г/дл. Затем выделенные признаки сравнивались с общепринятым стандартом (автоанализатор и гемоглобинцианидные способы) для получения корреляции. Таблица ниже показывает результаты точности, сообщенные из данных второго исследования. Эти результаты показывают, что SVM с радиальными базисными функциями могут категоризировать пациентов на три интервала (на основе трех пороговых величин). В идеале последний интервал был бы ниже 7 г/дл или меньше, но вследствие очень ограниченного количества пациентов, записанных ниже тех цифр, анализ ограничился доказыванием жизнеспособности категоризации на "три интервала" (то есть нормальный, легко анемичный, умеренно/тяжело анемичный). На основе этих результатов следующее исследование нацелено на существующие лагери по анемии в отдаленных сельских областях, где предполагается записать больше данных распространенности анемии.
[00107] При 11,0 г/дл и 10,0 г/дл получаются высокие чувствительность и специфичность, что позволяет потенциально установить пороговые величины интервалов в этих характерных точках гемоглобина (Таблица 10). Это подкрепляет гипотезу о том, что устройство полезно в качестве инструмента обследования, потому что 10,0 г/дл может использоваться в качестве предела между здоровым и анемичным, а 9,0 г/дл в качестве предела между легкой и умеренной/тяжелой анемией.
[00108] Статистический анализ указал, что гемодинамика для беременных женщин на поздних сроках беременности отличается от таковой на ранних гестационных сроках. Это приписывалось таким факторам, как повышенная задержка жидкости. Коллектив повторно провел статистический анализ второго исследования, чтобы включить гестационный возраст во входное пространство в качестве независимой переменной. Однако на этот раз не наблюдалось значительное увеличение или уменьшение точности в таблице ниже. Таблица показывает результаты точности, сообщенные из данных второго исследования с гестационным возрастом, включенным в качестве независимой переменной. В этом исследовании, в отличие от данных третьего исследования, не наблюдалось никаких значительных отличий при использовании гестационного возраста в качестве дополнительной входной переменной в алгоритм классификации.
[00109] Был предложен другой алгоритм (который, хотя и сложнее в вычислительном отношении, может использоваться на платформе телефона или посредством способов облачных вычислений). Известная как выделение ансамбля, методика использует ансамбль (или комитет) независимо обученных классификаторов для предсказания исхода путем проведения голосования среди участников комитета, чтобы оценить окончательное предсказанное значение. Увеличение количества классификаторов, или участников комитета, в ансамбле может помочь увеличить чувствительность и специфичность классификации. Проводились эксперименты с ансамблями, состоящими из 3, 11 и 51 участников комитета, как показано в таблице ниже. Таблица показывает точность устройства при использовании методики анализа данных "выделение ансамбля" с отличающимся количеством участников комитета. Отметим, что результирующая точность классификации на четыре категории (по трем пороговым величинам) повышается на основе количества участников ансамбля. Отдельные участники обучались независимо и могут обладать немного разной внутренней структурой. Отметим, что три выбранные пороговые величины являются ограничением данных, собранных в исследовании, и им можно переназначить меньшие значения в будущих анализах беспристрастности.
[00110] Участник комитета из 11 участников превзошел комитет из 3 и 51 участника. Коллектив продолжит экспериментировать с выделением ансамбля, так как набор данных пациентов увеличивается, и разработка алгоритма уточняется. Одним возможным недостатком методики является объем вычислительной мощности, необходимый для прогона моделирования. Могли бы потребоваться облачные вычисления, чтобы сделать эту методику осуществимой. Коллектив заинтересован этим подходом из-за возможности улучшить точность, и облачные вычисления обсуждаются в разделе «Продолжение разработки».
[00111] В четвертом исследовании коллектив собрал данные от 345 пациентов за 3-дневное обследование на местах. Все датчики с пальцевым зажимом и контрольно-измерительная аппаратура из настоящего изобретения, используемые на местах, выдержали длительность работы по сбору данных (>300 использований каждый). Опять автоанализатор общепринятого стандарта использовался в качестве эталона для сигналов PPG, собранных устройствами. Данные анализируются в настоящее время, чтобы сделать выводы об алгоритме устройства.
[00112] Фиг. 22 - снимок экрана из четвертого исследования. Фиг. 22 иллюстрирует отображение в реальном масштабе времени данных распространенности анемии в облако во время июльского обследования на местах. Телемедицинский аспект устройства представляет собой изменение образа мышления в направлении возможности более эффективных программ распределения ресурсов. Так как к платформе добавляются датчики, местные администраторы медучреждений могли бы видеть аналогичные карты для принятия государственных решений в области здравоохранения по некоторому количеству стадий заболевания пациентов (анемия, гипертония, преэклампсия и т.п.). Примечательно, что в сельских поликлиниках не было доступного Интернета, поэтому устройство работало, как и предполагалось, путем сохранения данных до тех пор, пока не устанавливалось Интернет-соединение, а затем выгружало все данные пациентов в облако. Имена заменялись идентификационными номерами пациентов, чтобы обезличить все данные пациентов. Показанная тепловая карта демонстрирует экран, который увидели бы министерства здравоохранения на уровне штата или нации. Так как к устройству привыкают по всей стране, тепловая карта будет приспосабливаться, показывая наиболее нуждающиеся географические области. На основе этой информации могли бы приниматься решения о распределении ресурсов. По сравнению с действующим стандартом лечения, который собирает данные каждые 5 лет, эта система работает в реальном масштабе времени.
[00113] Хотя настоящее изобретение описано применительно к его предпочтительным вариантам осуществления, специалистам в данной области техники будет понятно, что можно проводить добавления, удаления, изменения и замены, не описанные специально, без отклонения от сущности и объема изобретения, которые заданы в прилагаемой формуле изобретения.
Реферат
Изобретение относится к медицинской технике и ориентировано на детектор биожидкостей, например детектор гемоглобина с возможностью приема, хранения и передачи информации о здоровье, использующий портативные передатчик и приемник, включая электронные PDA, например сотовые телефоны. Кроме того, настоящее изобретение использует неинвазивный детектор гемоглобина, который подключается к портативному приемопередатчику, например, PDA, включая, но не только, сотовые телефоны. 19 з.п. ф-лы, 22 ил., 6 табл.
