Способ определения концентрации глюкозы в крови человека - RU2518134C2

Чертежи

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к способам медицинского обследования человека нехирургическими методами, а именно к определению концентрации глюкозы в крови человека на основе измерения электрического сопротивления части тела.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известны неинвазивные методы измерения концентрации глюкозы в крови человека, основанные на измерении полного электрического сопротивления (импеданса) части тела человека или составляющих импеданса.

Например, известен способ индикации содержания сахара в крови [патент RU 2073242, G01N 33/4, 1997], при котором об уровне содержания сахара в крови пациента судят по изменению диэлектрической проницаемости пальца, помещенного в электрическое поле преобразователя.

Известен также способ контроля количества сахара в крови человека [патент RU 2088927, G01N 33/49, 1997], при котором измерение производят посредством изменения реактивного сопротивления колебательных контуров, включенных во вторичные цепи высокочастотного генератора, путем непосредственного воздействия человеком на элементы колебательных контуров. При этом количество сахара в крови определяют по изменению тока во вторичных цепях высокочастотного генератора.

Известен способ [патент US 5792668, G01N 27/00, 1998], при котором осуществляют спектральный анализ отраженного от тела человека или проходящего через него высокочастотного излучения. Измеряемым параметром является фазовый сдвиг между падающей и отраженной или прошедшей волнами, который характеризует реактивную составляющую сопротивления тела. По измеренным параметрам фазового спектра судят о концентрации находящихся в крови веществ, в частности концентрации глюкозы.

Известен способ, реализуемый устройством, описанным в свидетельстве на полезную модель RU 9703, А61В 5/00, 1999. В данном устройстве измерение концентрации глюкозы в крови основано на измерении полного сопротивления участка тела человека на двух частотах, определении емкостной составляющей сопротивления тела человека и преобразовании полученного значения емкостной составляющей в значение концентрации глюкозы в крови больного.

Известен способ измерения концентрации глюкозы в крови неинвазивным методом [патент US 6517482, А61В 5/00, 2003]. Способ основан на измерении сопротивления между двумя электродами на множестве частот и последующем определении концентрации глюкозы на основе измеренных значений.

Известен способ определения концентрации глюкозы в крови неинвазивным методом путем измерения электрических передаточных функций посредством двух пар четырехэлектродных датчиков [патент RU 2342071, А61В 5/053, 2008]. Концентрация глюкозы в крови определяется по предварительно заданной математической модели.

Известен также способ определения концентрации глюкозы в крови [патент US 7050847, А61В 5/00, 2006], при котором измеряют импеданс участка тела человека с помощью датчиков на различных частотах. На высоких частотах значение импеданса связано с объемом жидкости в тканях организма, а на низких частотах - с объемом внеклеточной жидкости. По измеренным значениям определяют параметры биологических жидкостей в организме, по которым судят о концентрации глюкозы в крови.

Однако рассмотренные способы обладают общим недостатком: получаемая оценка концентрации глюкозы в крови человека значительно уступает точности измерений, проведенных прямыми - инвазивными методами. В то же время инвазивные методы, требующие взятия пробы крови, явно уступают неинвазивным с точки зрения удобства и безопасности.

Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание неинвазивного способа непрерывного определения концентрации глюкозы в крови человека, обладающего более высокой точностью в сравнении с известными неинвазивными способами.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Заявляемый способ определения концентрации глюкозы в крови человека характеризуется тем, что последовательно через заданные интервалы времени:

измеряют значения импеданса участка тела человека на высокой частоте и низкой частоте с использованием закрепленных на теле человека и разнесенных относительно друг друга электродов,

на основе измеренного значения импеданса на высокой частоте получают оценку объема жидкости, содержащейся в тканях участка тела человека между электродами,

на основе измеренного значения импеданса на низкой частоте получают оценку объема внеклеточной жидкости, содержащейся в тканях участка тела человека между электродами,

затем определяют величину приращения метаболической составляющей упомянутого объема внеклеточной жидкости, связанной с синтезом и утилизацией энергоносителей в организме человека, путем определения приращения упомянутой оценки объема жидкости, содержащейся в тканях участка тела человека между электродами, по сравнению с предыдущим измерением, определения приращения упомянутой оценки объема внеклеточной жидкости, содержащейся в тканях участка тела человека между электродами, по сравнению с предыдущим измерением и последующего вычисления разницы между упомянутым приращением оценки объема жидкости, содержащейся в тканях участка тела человека между электродами, и упомянутым приращением оценки объема внеклеточной жидкости, содержащейся в тканях участка тела человека между электродами,

определяют величину приращения концентрации глюкозы в крови человека путем нормировки упомянутой величины упомянутого приращения метаболической составляющей объема внеклеточной жидкости,

а концентрацию глюкозы в крови человека определяют путем суммирования упомянутой величины приращения концентрации глюкозы со значением концентрации глюкозы в крови, определенном на предыдущем этапе измерений,

при этом концентрацию глюкозы на первом интервале времени определяют путем суммирования упомянутого приращения концентрации глюкозы в крови человека, полученного на первом интервале времени, с начальным значением концентрации глюкозы.

Физическая основа способа заключается в измерении объема жидкости участка тела человека. Вода в организме человека составляет до 70% его веса. При этом она не образует единого пространства, а распределена в тканях организма. Границами раздела жидкости являются стенки сосудов и мембраны клеток, из которых состоят все ткани организма. Принято различать три водных пространства: внутриклеточную жидкость, внутрисосудистую жидкость (жидкость плазмы крови) и межклеточную жидкость (жидкость, которая заполняет межклеточное пространство).

Внутриклеточная жидкость или жидкость, заключенная внутри клеток тканей и эритроцитов крови, составляет примерно 30-40% массы тела человека.

Внутрисосудистая и межклеточная жидкости образуют пространство внеклеточной жидкости, которая составляют около 20% массы тела человека.

В каждой из этих жидкостей присутствуют вещества, предназначенные для поддержания жизни клеток или продукты их жизнедеятельности, которые подлежат удалению или переработке внутри организма. Эти вещества в процессе жизнедеятельности организма перемещаются через клеточную мембрану из одного пространства в другое. Одной из движущих сил этого переноса является осмотическое давление, которое зависит от перепада концентрации веществ по разные стороны мембраны.

В состоянии покоя наблюдается динамическое равновесие процессов обмена в организме. Появление градиента концентрации осмотического давления, например, с поступлением глюкозы из желудочно-кишечного тракта после приема пищи заставляет воду перемещаться через клеточную мембрану в направлении пространства с более высокой концентрацией растворенных в нем веществ. При этом объемы водных секторов изменяются. Но затем включаются регуляторные механизмы, которые стремятся восстановить нарушенное равновесие между этими пространствами. То есть изменение объемов водных пространств организма имеет характерные (циклические) особенности. Эти особенности можно использовать в качестве индикатора характера метаболических процессов в организме, например увеличение концентрации глюкозы в крови после приема пищи.

Основа способа заключается в формировании оценки увеличения или уменьшения концентрации глюкозы в крови по динамике объемов его водных пространств, которую оценивают в ходе периодических измерений значений импеданса участка тела человека.

В частных случаях реализации способа выполняют следующие операции.

В начале измерений производится определение начального значения концентрации глюкозы в крови, которое производят другим - альтернативным методом, неинвазивным или инвазивным. Это абсолютное значение индивидуально для каждого человека и определяет не только характер динамики изменения концентрации глюкозы, но и ее абсолютные значения в разные периоды жизнедеятельности человека.

В частности, для измерения импеданса участка тела человека могут быть использованы по меньшей мере два электрода, установленных на некотором расстоянии друг от друга, причем предпочтительно установить электроды на периферийных участках тела, например на руке или на пальце.

Измерения импеданса участка тела человека на высокой и низкой частотах производят с интервалом времени от 1 секунды до 10 минут, при этом для удобства аппаратной реализации способа интервалы времени выбирают одинаковыми.

Дополнительно во время измерений фиксируют момент приема пищи, и этот факт используют для коррекции показателей динамики поступления глюкозы в организм человека.

В частности, при осуществлении настоящего способа на основе значений импеданса участка тела человека, измеренных на высокой и низкой частотах периодически в моменты времени t_k, определяют следующие параметры:

1) объем жидкости, содержащейся в тканях участка тела человека между электродами W_sum(t_k), определяют по формуле:

где: L - расстояние между электродами;

Z_HF(t_k) - значение импеданса участка тела человека, измеренного на высокой частоте HF в момент времени;

A - калибровочный коэффициент, определяемый по формуле:

A=V_sum·Z_HF/L²,

где: V_sum - предварительно полученное значение объема жидкости, содержащейся в тканях участка тела человека между электродами;

Z_HF - предварительно полученное значение импеданса участка тела человека на высокой частоте HF;

2) объем внеклеточной жидкости, содержащейся в тканях участка тела человека между электродами W_out(t_k), определяют по формуле:

W_out(t_k)=B·L²/Z_LF(t_k),

где: Z_LF(t_k) - значение импеданса участка тела человека, измеренного на низкой частоте LF в момент времени t_k.

B - калибровочный коэффициент, определяемый по формуле:

B=V_out·Z_LF/L²;

где: V_out - предварительно полученное значение объема внеклеточной жидкости, содержащейся в участке тела человека между электродами;

Z_LF - предварительно полученное значение импеданса участка тела человека на низкой частоте LF;

3) величину приращения метаболической составляющей объема внеклеточной жидкости ΔW_osm(t_k) определяют по формуле:

ΔW_osm(t_k)=[W_sum(t_k-1)-W_sum(t_k)]-K_a[w_out(t_k-1)-W_out(t_k)],

где: W_sum(t_k-1) - объем жидкости, содержащейся в тканях участка тела человека между электродами, для предыдущего измерения в момент времени t_k-1;

W_out(t_k-1) - объем внеклеточной жидкости, содержащейся в тканях участка тела человека между электродами, для предыдущего измерения в момент времени t_k-1;

К_а - коэффициент, зависящий от значения гематокрита человека и который выбирают в диапазоне от 1,2 до 2,1;

4) величину приращения концентрации глюкозы в крови человека ΔG(t_k) определяют как:

ΔG(t_k)=ΔW_osm(t_k)-K_E·K_PR/K_g,

где: K_g - коэффициент нормировки, который выбирают в диапазоне от 0,005 л² ммоль^-1 до 0,006 л² ммоль^-1.

К_Е - коэффициент, зависящий от приема пищи, причем при определении концентрации глюкозы в крови человека до приема пищи значение К_Е выбирают в диапазоне от 0,23 до 0,4, а при определении концентрации глюкозы в крови человека после приема пищи значение К_Е выбирают в диапазоне от 0,6 до 1,0;

K_PR - коэффициент, используемый при определении концентрации глюкозы в крови человека в период времени от 20 минут до 45 минут после приема пищи и принимающий значения "1" или "-1" в зависимости от знака величины упомянутого приращения метаболической составляющей объема внеклеточной жидкости по следующему правилу:

K_PR=1, если упомянутое приращение метаболической составляющей объема внеклеточной жидкости ΔW_osm(t_k) больше 0,

K_PR=-1, если упомянутое приращение метаболической составляющей объема внеклеточной жидкости ΔW_osm(t_k) меньше 0.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение поясняется следующими графическими материалами.

На Фиг.1 приведены результаты определения концентрации глюкозы в крови для первого волонтера.

На Фиг.2 приведены результаты определения концентрации глюкозы в крови для второго волонтера.

На Фиг.3 приведены результаты определения концентрации глюкозы в крови для третьего волонтера.

При этом на Фиг.1а, Фиг.2а и Фиг.3а приведены графики изменения концентрации глюкозы, определяемые различными способами, в том числе и способом по изобретению, а на Фиг.1b, Фиг.2b и Фиг.3b приведены графики измеренных значений импеданса и температуры.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ осуществляется следующим образом.

На участке тела человека закрепляют разнесенные друг от друга на расстояние L два электрода. Наиболее эффективно электроды устанавливать на периферийных участках тела человека, например на руке, в частности на предплечье или пальце. Лучший результат будет достигнут, если это будут кольцевые электроды, охватывающие предплечье или палец.

Поскольку способ в соответствии с настоящим изобретением основан на вычислении значений приращения концентрации глюкозы в крови человека с последующим суммированием этих значений, то перед началом измерений импеданса производят измерение концентрации глюкозы в крови любым другим доступным способом, инвазивным или неинвазивным, значение которой принимают за начальное.

Измерение импеданса участка тела человека между электродами ведут на двух частотах: высокой частоте HF и низкой частоте LF. Высокая частота HF выбирается в диапазоне от 200 кГц до 2 МГц, низкая частота LF выбирается в диапазоне от 20 кГц до 80 кГц. Измерение полного электрического сопротивления или составляющих полного электрического сопротивления участка тканей человека может производится одним из известных способов, в частности с помощью излучения высокочастотных колебаний и измерения сопротивления с помощью емкостных датчиков. Измеряют импеданс участка тела человека через выбранные интервалы времени в диапазоне от 1 с до 10 мин.

Во время проведения измерений фиксируют момент времени приема пищи, характеризующий поступление глюкозы в организм человека извне, чтобы определить приращение метаболической составляющей объема внеклеточной жидкости, связанной с глюкозой, с учетом времени, прошедшего после зафиксированного в ходе измерений момента начала приема пищи.

На основе начального значения концентрации глюкозы в крови, текущих последовательных измерений импеданса участка тела человека на высокой и низкой частотах и с учетом момента времени очередного приема пищи концентрацию глюкозы в крови человека определяют следующим образом.

1. По значению импеданса участка тела человека, измеренного на высокой частоте HF в момент времени t_k-Z_HF(t_k), и с учетом расстояния L между электродами вычисляют объем жидкости, содержащейся в тканях участка тела человека между электродами W_sum(t_k), как:

W_sum(t_k)=A·L²/Z_HF(t_k),

где: A - калибровочный коэффициент, определяемый по формуле:

A=V_sum-Z_HF/L².

Здесь V_sum - предварительно полученное значение объема жидкости, содержащейся в тканях участка тела человека между электродами. Это значение может быть получено, например, расчетным путем на основе анатомических соотношений выбранного для измерения импеданса участка тела человека. Также для определения калибровочного коэффициента A используется значение импеданса участка тела человека на высокой частоте Z_HF, полученное предварительно до начала измерений, связанных с определением концентрации глюкозы в крови человека в соответствии с настоящим изобретением.

2. По значению импеданса участка тела человека, измеренного на низкой частоте LF в момент времени t_k- Z_LF (t_k), и с учетом расстояния L между электродами вычисляют объем внеклеточной жидкости, содержащейся в тканях участка тела человека между электродами W_out(t_k), как:

W_out(t_k)=B·L²/Z_LF(t_k),

где: В - калибровочный коэффициент, определяемый по формуле:

B=V_out, Z_LF/L².

Здесь V_out - предварительно полученное значение объема внеклеточной жидкости, содержащейся в участке тела человека между электродами. Это значение может быть получено, например, расчетным путем на основе анатомических соотношений выбранного для измерения импеданса участка тела человека. Также для определения калибровочного коэффициента В используется значение импеданса участка тела человека на низкой частоте Z_LF, полученное предварительно до начала измерений, связанных с определением концентрации глюкозы в крови человека в соответствии с настоящим изобретением.

3. Далее полученные значения объема жидкости, содержащейся в тканях участка тела человека между электродами, и объема внеклеточной жидкости, содержащейся в тканях участка тела человека между электродами, используют для вычисления приращения метаболической составляющей объема внеклеточной жидкости ΔW_osm(t_k). При этом используют значения объемов жидкости, полученные для измерения импеданса в момент времени t_k и для предыдущего измерения в момент времени t_k-1. Значение приращения метаболической составляющей объема внеклеточной жидкости определяют по формуле:

ΔW_osm(t_k)=[W_sum(t_k-1)-W_sum(t_k)]-K_a[w_out(t_k-1)-W_out(t_k)],

где: W_sum(t_k) - объем жидкости, содержащейся в тканях участка тела человека между электродами, для текущего измерения в момент времени t_k;

W_sum(t_k-1) - объем жидкости, содержащейся в тканях участка тела человека между электродами, для предыдущего измерения в момент времени t_k-1;

W_out(t_k) - объем внеклеточной жидкости, содержащейся в тканях участка тела человека между электродами, для текущего измерения в момент времени t_k;

W_out(t_k-1) - объем внеклеточной жидкости, содержащейся в тканях участка тела человека между электродами, для предыдущего измерения в момент времени t_k-1;

K_a - коэффициент, зависящий от значения гематокрита человека и который выбирают в диапазоне от 1,2 до 2,1.

4. На основе полученного значения ΔW_osm(t_k) и с учетом момента приема пищи определяют величину приращения концентрации глюкозы в крови человека:

ΔG(t_k)=ΔW_osm(t_k)·K_E·K_PR/K_g,

где: K_g - коэффициент нормировки, который выбирают в диапазоне от 0,005 л² ммоль^-1 до 0,006 л² ммоль^-1.

К_Е - коэффициент, зависящий от приема пищи, причем при определении концентрации глюкозы в крови человека до приема пищи значение К_Е выбирают в диапазоне от 0,23 до 0,4, а при определении концентрации глюкозы в крови человека после приема пищи значение К_Е выбирают в диапазоне от 0,6 до 1,0;

K_PR - коэффициент, используемый при определении концентрации глюкозы в крови человека в период времени от 20 минут до 45 минут после приема пищи и принимающий значения "1" или "-1" в зависимости от знака величины упомянутого приращения метаболической составляющей объема внеклеточной жидкости по следующему правилу:

K_PR=1, если упомянутое приращение метаболической составляющей объема внеклеточной жидкости ΔW_osm(t_k) больше 0,

K_PR=-1, если упомянутое приращение метаболической составляющей объема внеклеточной жидкости ΔW_osm(t_k) меньше 0.

5. Итоговое значение концентрации глюкозы в крови человека к моменту времени t_k определяют следующим образом:

где: G₀ - начальное значение концентрации глюкозы в крови человека;

ΔG(t_i) - значения всех приращений концентрации глюкозы в крови человека, полученных с начала измерений до момента времени t_k, причем i={1,k}.

Таким образом, зная начальное значение концентрации глюкозы в крови человека G₀ и производя периодически измерения импеданса участка тела человека на высокой и низкой частотах - Z_HF(t_k) и Z_LF(t_k), можно определять текущее значение концентрации глюкозы в крови человека. Настоящее изобретение может быть реализовано в виде достаточно простого измерительного устройства с возможностью вычисления указанных параметров, характеризующих изменение объемов водных пространств в тканях человека, и в итоге - текущее значение концентрации глюкозы в крови человека, в том числе с учетом его индивидуальных физиологических особенностей и моментов приема пищи.

ПРИМЕРЫ

Пример 1. Обработка результатов измерений здорового Волонтера 1.

Мужчина 38 лет, здоровый, принял пищевую нагрузку в виде 300 г сладкого напитка (Пепси Кола). На Фиг.lb показаны графики изменения значений импеданса Z_HF и Z_LF и температуры Т°C, снятые с датчика, расположенного на предплечье, а на Фиг.1а показан график изменения концентрации глюкозы в крови Волонтера 1. Точками отмечены значения проб крови, взятых в процессе измерений (использовался глюкометр Accu-Chek Active компании Roche). Средняя погрешность на интервале измерений 150 минут составила 6,8%.

Пример 2. Обработка результатов измерений здорового Волонтера 2.

Мужчина 45 лет, здоровый, принял пищевую нагрузку в виде двух стаканов по 200 г сладкого напитка (Пепси Кола). На Фиг.2b показаны графики изменения значений импеданса Z_HF и Z_LF и температуры Т°C, снятые с датчика, расположенного на предплечье, а на Фиг.2а - график изменения концентрации глюкозы в крови Волонтера 2. Точками отмечены значения проб крови, взятых в процессе измерений (использовался глюкометр Accu-Chek Active компании Roche). Средняя погрешность на интервале измерений 140 минут составила 7,2%.

Пример 3. обработка результатов измерений здорового Волонтера 3.

Мужчина 42 лет, здоровый, принял комбинированную пищевую нагрузку в виде одного банана и 200 г сладкого напитка (Пепси Кола). На Фиг.3b показаны изменения значений импеданса Z_HF и Z_LF и температуры Т°C, снятые с датчика, расположенного на предплечье, а на Фиг.3а - график изменения концентрации глюкозы в крови Волонтера 3. Точками отмечены значения проб крови, взятых в процессе измерений (использовался глюкометр Accu-Chek Active компании Roche). Средняя погрешность на интервале измерений 150 минут составила 9,5%.

Проведенные испытания показали, что заявляемый способ может обеспечить меньшую погрешность определения концентрации глюкозы в крови человека в сравнении с известными неинвазивными методами.

Реферат

Изобретение относится к области медицины. Для определения концентрации глюкозы в крови человека, последовательно, через заданные интервалы времени измеряют значения импеданса участка тела человека на высокой частоте и низкой частоте с использованием закрепленных на теле человека и разнесенных относительно друг друга электродов. На основе измеренного значения импеданса на высокой частоте получают оценку объема жидкости, содержащейся в тканях участка тела человека между электродами, а на основе измеренного значения импеданса на низкой частоте получают оценку объема внеклеточной жидкости, содержащейся в тканях участка тела человека между электродами. Определяют величину приращения метаболической составляющей упомянутого объема внеклеточной жидкости, связанной с синтезом и утилизацией энергоносителей в организме человека, путем определения приращения упомянутой оценки объема жидкости, содержащейся в тканях участка тела человека между электродами, по сравнению с предыдущим измерением, определения приращения упомянутой оценки объема внеклеточной жидкости, содержащейся в тканях участка тела человека между электродами, по сравнению с предыдущим измерением и последующего вычисления разницы между упомянутым приращением оценки объема жидкости, содержащейся в тканях участка тела человека между электродами, и упомянутым приращением оценки объема внеклеточной жидкости, содержащейся в тканях участка тела человека между электродами. Определяют величину приращения концентрации глюкозы в крови человека путем нормировки упомянутой величины упомянутого приращения метаболической составляющей объема

Формула