RU2821143C1 - Wearable device, method and system for measuring blood parameters - Google Patents
Wearable device, method and system for measuring blood parameters Download PDFInfo
- Publication number
- RU2821143C1 RU2821143C1 RU2023117067A RU2023117067A RU2821143C1 RU 2821143 C1 RU2821143 C1 RU 2821143C1 RU 2023117067 A RU2023117067 A RU 2023117067A RU 2023117067 A RU2023117067 A RU 2023117067A RU 2821143 C1 RU2821143 C1 RU 2821143C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- blood
- wearable device
- paragraphs
- user
- ppg
- Prior art date
Links
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 title claims abstract description 353
- 239000008280 blood Substances 0.000 title claims abstract description 353
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 83
- 210000003743 erythrocyte Anatomy 0.000 claims abstract description 68
- 210000003850 cellular structure Anatomy 0.000 claims abstract description 53
- 238000005534 hematocrit Methods 0.000 claims abstract description 43
- 108010054147 Hemoglobins Proteins 0.000 claims description 176
- 102000001554 Hemoglobins Human genes 0.000 claims description 176
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 claims description 64
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 61
- 238000013186 photoplethysmography Methods 0.000 claims description 39
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 37
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 36
- 210000002381 plasma Anatomy 0.000 claims description 30
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 28
- 238000010801 machine learning Methods 0.000 claims description 24
- 238000011005 laboratory method Methods 0.000 claims description 22
- 230000006870 function Effects 0.000 claims description 21
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 claims description 18
- 210000003722 extracellular fluid Anatomy 0.000 claims description 15
- 210000002977 intracellular fluid Anatomy 0.000 claims description 12
- 238000013528 artificial neural network Methods 0.000 claims description 11
- 210000000707 wrist Anatomy 0.000 claims description 11
- 210000001124 body fluid Anatomy 0.000 claims description 9
- 239000010839 body fluid Substances 0.000 claims description 9
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 9
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 9
- 238000007670 refining Methods 0.000 claims description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract description 24
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 12
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 abstract description 11
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 83
- 239000000306 component Substances 0.000 description 63
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 26
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 24
- 230000008859 change Effects 0.000 description 23
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 22
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 22
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 22
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 21
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 20
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 19
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 17
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 16
- 238000012549 training Methods 0.000 description 16
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 13
- XUMBMVFBXHLACL-UHFFFAOYSA-N Melanin Chemical compound O=C1C(=O)C(C2=CNC3=C(C(C(=O)C4=C32)=O)C)=C2C4=CNC2=C1C XUMBMVFBXHLACL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 208000007502 anemia Diseases 0.000 description 12
- 210000000265 leukocyte Anatomy 0.000 description 12
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 12
- 210000003205 muscle Anatomy 0.000 description 11
- 230000037081 physical activity Effects 0.000 description 11
- 230000004044 response Effects 0.000 description 11
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 10
- 238000006213 oxygenation reaction Methods 0.000 description 9
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 8
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 8
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 8
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 7
- 210000000056 organ Anatomy 0.000 description 7
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 7
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 7
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 6
- 238000011871 bio-impedance analysis Methods 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 6
- 238000004820 blood count Methods 0.000 description 6
- 210000001772 blood platelet Anatomy 0.000 description 6
- 230000001413 cellular effect Effects 0.000 description 6
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 6
- 230000036541 health Effects 0.000 description 6
- 108010064719 Oxyhemoglobins Proteins 0.000 description 5
- 210000000601 blood cell Anatomy 0.000 description 5
- 239000012503 blood component Substances 0.000 description 5
- 238000009534 blood test Methods 0.000 description 5
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 206010016256 fatigue Diseases 0.000 description 5
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 5
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 5
- 230000017531 blood circulation Effects 0.000 description 4
- 210000004204 blood vessel Anatomy 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 4
- 230000003205 diastolic effect Effects 0.000 description 4
- 230000003862 health status Effects 0.000 description 4
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 4
- 210000004072 lung Anatomy 0.000 description 4
- 235000018102 proteins Nutrition 0.000 description 4
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 4
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 4
- 238000002106 pulse oximetry Methods 0.000 description 4
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 4
- 208000000059 Dyspnea Diseases 0.000 description 3
- 206010013975 Dyspnoeas Diseases 0.000 description 3
- 208000019693 Lung disease Diseases 0.000 description 3
- 206010047700 Vomiting Diseases 0.000 description 3
- 210000001367 artery Anatomy 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 3
- 230000000747 cardiac effect Effects 0.000 description 3
- 238000004737 colorimetric analysis Methods 0.000 description 3
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 3
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 3
- 230000018044 dehydration Effects 0.000 description 3
- 238000006297 dehydration reaction Methods 0.000 description 3
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 3
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 3
- 150000003278 haem Chemical class 0.000 description 3
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 3
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 3
- 210000004698 lymphocyte Anatomy 0.000 description 3
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 3
- 208000013220 shortness of breath Diseases 0.000 description 3
- 238000010183 spectrum analysis Methods 0.000 description 3
- 230000002792 vascular Effects 0.000 description 3
- 206010012735 Diarrhoea Diseases 0.000 description 2
- 206010018873 Haemoconcentration Diseases 0.000 description 2
- 208000032843 Hemorrhage Diseases 0.000 description 2
- 206010060374 Hydraemia Diseases 0.000 description 2
- 206010021143 Hypoxia Diseases 0.000 description 2
- 206010024264 Lethargy Diseases 0.000 description 2
- 208000000112 Myalgia Diseases 0.000 description 2
- 208000002193 Pain Diseases 0.000 description 2
- 208000008601 Polycythemia Diseases 0.000 description 2
- 208000001871 Tachycardia Diseases 0.000 description 2
- 208000036142 Viral infection Diseases 0.000 description 2
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 description 2
- 210000002565 arteriole Anatomy 0.000 description 2
- 230000000740 bleeding effect Effects 0.000 description 2
- 210000000748 cardiovascular system Anatomy 0.000 description 2
- 210000000170 cell membrane Anatomy 0.000 description 2
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 2
- 238000003066 decision tree Methods 0.000 description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 208000035475 disorder Diseases 0.000 description 2
- 210000000624 ear auricle Anatomy 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 208000014951 hematologic disease Diseases 0.000 description 2
- 230000002489 hematologic effect Effects 0.000 description 2
- 230000023597 hemostasis Effects 0.000 description 2
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 2
- 238000002847 impedance measurement Methods 0.000 description 2
- 230000004054 inflammatory process Effects 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 210000003093 intracellular space Anatomy 0.000 description 2
- 208000032839 leukemia Diseases 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 2
- 230000005906 menstruation Effects 0.000 description 2
- 230000000877 morphologic effect Effects 0.000 description 2
- 208000013465 muscle pain Diseases 0.000 description 2
- 125000004433 nitrogen atom Chemical group N* 0.000 description 2
- 235000016709 nutrition Nutrition 0.000 description 2
- 230000035764 nutrition Effects 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 2
- 235000004252 protein component Nutrition 0.000 description 2
- 230000002685 pulmonary effect Effects 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 238000007430 reference method Methods 0.000 description 2
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 2
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 2
- 210000003491 skin Anatomy 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 229940124530 sulfonamide Drugs 0.000 description 2
- 150000003456 sulfonamides Chemical class 0.000 description 2
- 238000012706 support-vector machine Methods 0.000 description 2
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 2
- 230000006794 tachycardia Effects 0.000 description 2
- 230000008719 thickening Effects 0.000 description 2
- 210000001685 thyroid gland Anatomy 0.000 description 2
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 2
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 2
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 2
- 230000009385 viral infection Effects 0.000 description 2
- 230000008673 vomiting Effects 0.000 description 2
- INGWEZCOABYORO-UHFFFAOYSA-N 2-(furan-2-yl)-7-methyl-1h-1,8-naphthyridin-4-one Chemical compound N=1C2=NC(C)=CC=C2C(O)=CC=1C1=CC=CO1 INGWEZCOABYORO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 206010002080 Anaemia vitamin B12 deficiency Diseases 0.000 description 1
- 208000025721 COVID-19 Diseases 0.000 description 1
- 108010003320 Carboxyhemoglobin Proteins 0.000 description 1
- 206010010356 Congenital anomaly Diseases 0.000 description 1
- 206010014561 Emphysema Diseases 0.000 description 1
- 206010053487 Exposure to toxic agent Diseases 0.000 description 1
- CWYNVVGOOAEACU-UHFFFAOYSA-N Fe2+ Chemical group [Fe+2] CWYNVVGOOAEACU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 206010016717 Fistula Diseases 0.000 description 1
- 206010016803 Fluid overload Diseases 0.000 description 1
- 208000018522 Gastrointestinal disease Diseases 0.000 description 1
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 description 1
- 206010018910 Haemolysis Diseases 0.000 description 1
- 206010019233 Headaches Diseases 0.000 description 1
- 206010061598 Immunodeficiency Diseases 0.000 description 1
- 208000029462 Immunodeficiency disease Diseases 0.000 description 1
- 206010022971 Iron Deficiencies Diseases 0.000 description 1
- 208000015710 Iron-Deficiency Anemia Diseases 0.000 description 1
- 208000011200 Kawasaki disease Diseases 0.000 description 1
- 108010061951 Methemoglobin Proteins 0.000 description 1
- 206010028665 Myxoedema Diseases 0.000 description 1
- 206010028980 Neoplasm Diseases 0.000 description 1
- 206010030113 Oedema Diseases 0.000 description 1
- 208000012641 Pigmentation disease Diseases 0.000 description 1
- 206010041349 Somnolence Diseases 0.000 description 1
- 206010042496 Sunburn Diseases 0.000 description 1
- JQRLYSGCPHSLJI-UHFFFAOYSA-N [Fe].N1C(C=C2N=C(C=C3NC(=C4)C=C3)C=C2)=CC=C1C=C1C=CC4=N1 Chemical class [Fe].N1C(C=C2N=C(C=C3NC(=C4)C=C3)C=C2)=CC=C1C=C1C=CC4=N1 JQRLYSGCPHSLJI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 208000017733 acquired polycythemia vera Diseases 0.000 description 1
- 230000001154 acute effect Effects 0.000 description 1
- 238000005273 aeration Methods 0.000 description 1
- 230000000259 anti-tumor effect Effects 0.000 description 1
- 239000002246 antineoplastic agent Substances 0.000 description 1
- 210000000709 aorta Anatomy 0.000 description 1
- 210000001765 aortic valve Anatomy 0.000 description 1
- 238000013473 artificial intelligence Methods 0.000 description 1
- 208000006673 asthma Diseases 0.000 description 1
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 1
- 108010081087 azidohemoglobin Proteins 0.000 description 1
- 230000001580 bacterial effect Effects 0.000 description 1
- 238000005842 biochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000036765 blood level Effects 0.000 description 1
- 238000010241 blood sampling Methods 0.000 description 1
- 230000037396 body weight Effects 0.000 description 1
- 210000001185 bone marrow Anatomy 0.000 description 1
- 210000004556 brain Anatomy 0.000 description 1
- 230000003925 brain function Effects 0.000 description 1
- 239000007853 buffer solution Substances 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 230000010267 cellular communication Effects 0.000 description 1
- 230000007969 cellular immunity Effects 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 125000003636 chemical group Chemical group 0.000 description 1
- 238000001311 chemical methods and process Methods 0.000 description 1
- 230000001684 chronic effect Effects 0.000 description 1
- 208000020832 chronic kidney disease Diseases 0.000 description 1
- 208000019425 cirrhosis of liver Diseases 0.000 description 1
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000002790 cross-validation Methods 0.000 description 1
- 239000000824 cytostatic agent Substances 0.000 description 1
- 238000013480 data collection Methods 0.000 description 1
- 238000013479 data entry Methods 0.000 description 1
- 238000013135 deep learning Methods 0.000 description 1
- 108010002255 deoxyhemoglobin Proteins 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 230000037213 diet Effects 0.000 description 1
- 235000005911 diet Nutrition 0.000 description 1
- 208000002173 dizziness Diseases 0.000 description 1
- 230000002526 effect on cardiovascular system Effects 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 208000001780 epistaxis Diseases 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 210000001723 extracellular space Anatomy 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 230000003890 fistula Effects 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 102000018146 globin Human genes 0.000 description 1
- 108060003196 globin Proteins 0.000 description 1
- 239000008103 glucose Substances 0.000 description 1
- 238000011478 gradient descent method Methods 0.000 description 1
- 231100000869 headache Toxicity 0.000 description 1
- 230000005802 health problem Effects 0.000 description 1
- 230000008588 hemolysis Effects 0.000 description 1
- 208000006454 hepatitis Diseases 0.000 description 1
- 231100000283 hepatitis Toxicity 0.000 description 1
- 235000003642 hunger Nutrition 0.000 description 1
- 208000003532 hypothyroidism Diseases 0.000 description 1
- 230000002989 hypothyroidism Effects 0.000 description 1
- 208000018875 hypoxemia Diseases 0.000 description 1
- 230000007954 hypoxia Effects 0.000 description 1
- 230000008105 immune reaction Effects 0.000 description 1
- 230000008629 immune suppression Effects 0.000 description 1
- 210000000987 immune system Anatomy 0.000 description 1
- 230000007813 immunodeficiency Effects 0.000 description 1
- 238000001727 in vivo Methods 0.000 description 1
- 208000015181 infectious disease Diseases 0.000 description 1
- 230000000297 inotrophic effect Effects 0.000 description 1
- 208000003243 intestinal obstruction Diseases 0.000 description 1
- 230000003834 intracellular effect Effects 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 1
- -1 is measured Substances 0.000 description 1
- 208000028867 ischemia Diseases 0.000 description 1
- 210000003734 kidney Anatomy 0.000 description 1
- 238000009533 lab test Methods 0.000 description 1
- 206010024378 leukocytosis Diseases 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 150000002632 lipids Chemical class 0.000 description 1
- 210000002751 lymph Anatomy 0.000 description 1
- 238000007726 management method Methods 0.000 description 1
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000007620 mathematical function Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000002483 medication Methods 0.000 description 1
- 230000009245 menopause Effects 0.000 description 1
- 208000001725 mucocutaneous lymph node syndrome Diseases 0.000 description 1
- 230000004118 muscle contraction Effects 0.000 description 1
- 208000010125 myocardial infarction Diseases 0.000 description 1
- 208000003786 myxedema Diseases 0.000 description 1
- 150000002826 nitrites Chemical class 0.000 description 1
- 229940021182 non-steroidal anti-inflammatory drug Drugs 0.000 description 1
- 230000000771 oncological effect Effects 0.000 description 1
- 230000002746 orthostatic effect Effects 0.000 description 1
- 230000007170 pathology Effects 0.000 description 1
- 230000001991 pathophysiological effect Effects 0.000 description 1
- 230000010412 perfusion Effects 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 1
- 150000003904 phospholipids Chemical class 0.000 description 1
- 230000004962 physiological condition Effects 0.000 description 1
- 239000000049 pigment Substances 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 208000037244 polycythemia vera Diseases 0.000 description 1
- 229920001451 polypropylene glycol Polymers 0.000 description 1
- 150000004032 porphyrins Chemical class 0.000 description 1
- 230000035935 pregnancy Effects 0.000 description 1
- 230000010349 pulsation Effects 0.000 description 1
- 239000001397 quillaja saponaria molina bark Substances 0.000 description 1
- 238000007637 random forest analysis Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000000241 respiratory effect Effects 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 229930182490 saponin Natural products 0.000 description 1
- 150000007949 saponins Chemical class 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 1
- 201000002859 sleep apnea Diseases 0.000 description 1
- 230000000391 smoking effect Effects 0.000 description 1
- 238000002798 spectrophotometry method Methods 0.000 description 1
- 230000037351 starvation Effects 0.000 description 1
- 230000005654 stationary process Effects 0.000 description 1
- 238000007619 statistical method Methods 0.000 description 1
- 230000009469 supplementation Effects 0.000 description 1
- 210000004243 sweat Anatomy 0.000 description 1
- 208000024891 symptom Diseases 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 230000001732 thrombotic effect Effects 0.000 description 1
- 230000008359 toxicosis Effects 0.000 description 1
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 description 1
- 235000018648 unbalanced nutrition Nutrition 0.000 description 1
- 230000006442 vascular tone Effects 0.000 description 1
- 210000001835 viscera Anatomy 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
- 230000004580 weight loss Effects 0.000 description 1
- 230000005186 women's health Effects 0.000 description 1
- 239000012224 working solution Substances 0.000 description 1
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
[0001] Настоящее изобретение относится к устройствам и системам неинвазивного мгновенного или непрерывного, персонального контроля за состоянием здоровья человека, в частности, определения параметров крови, таких как концентрация гемоглобина (cHb), общая масса гемоглобина (tHb), показатель гематокрита (НСТ), общий объем эритроцитов (tEV), средней концентрации гемоглобина в эритроцитах (МСНС), объем плазмы (PV), в том числе при краевых значениях параметра, с помощью носимых устройств, таких как современные умные часы и фитнес-браслеты.[0001] The present invention relates to devices and systems for non-invasive instant or continuous personal monitoring of human health, in particular, determination of blood parameters such as hemoglobin concentration (cHb), total hemoglobin mass (tHb), hematocrit index (HCT), total erythrocyte volume (tEV), mean erythrocyte hemoglobin concentration (MCHC), plasma volume (PV), including at extreme parameter values, using wearable devices such as modern smart watches and fitness bracelets.
Кроме того, изобретение относится к способу определения параметров крови, реализуемому в носимых устройствах.In addition, the invention relates to a method for determining blood parameters implemented in wearable devices.
Предпосылки изобретенияBACKGROUND OF THE INVENTION
[0002] Параметры крови являются маркерами состояния здоровья человека и их своевременный контроль делает возможным предотвращение, своевременное обнаружение и контроль протекания болезни, а также других нарушений в работе организма. Поэтому необходим непрерывный (постоянный) контроль параметров крови, из которых основными являются концентрация гемоглобина, гематокрит, общий объем эритроцитов, средняя концентрация гемоглобина в эритроцитах, объем крови, объем плазмы и т.п.[0002] Blood parameters are markers of a person’s health status and their timely monitoring makes it possible to prevent, timely detect and control the course of the disease, as well as other disorders in the functioning of the body. Therefore, continuous (constant) monitoring of blood parameters is necessary, of which the main ones are hemoglobin concentration, hematocrit, total erythrocyte volume, average hemoglobin concentration in erythrocytes, blood volume, plasma volume, etc.
[0003] Ниже приведены условные обозначения некоторых основных параметров крови, используемые в настоящем описании:[0003] Below are the conventions of some basic blood parameters used in the present description:
[0004] RBC - красные кровяные тельца (эритроциты). Это форменные элементы крови, содержащие гемоглобин. Эритроциты представляют собой высокоспециализированные клетки крови, основная функция которых - участие в газообмене благодаря способности эритроцитов связывать кислород и углекислый газ и транспортировать их в кровотоке. Связывание кислорода обеспечивается за счет высокого содержания в эритроцитах гемоглобина. Эритроциты участвуют в гемостазе, поддержании кислотно-основного равновесия, иммунных реакциях и представляют собой самую многочисленную популяцию клеток крови. В физиологических условиях у мужчин число циркулирующих эритроцитов 4,1-5,2×1012 клеток на литр, у женщин - 3,6-4,6×1012 клеток на литр. Повышаться концентрация эритроцитов может из-за потери жидкости с потом, рвотой, поносом, то есть когда сгущается кровь. Снижение показателя обычно является признаком анемии, чаще всего железодефицитной.[0004] RBC - red blood cells (erythrocytes). These are the formed elements of blood containing hemoglobin. Red blood cells are highly specialized blood cells whose main function is to participate in gas exchange due to the ability of red blood cells to bind oxygen and carbon dioxide and transport them in the bloodstream. Oxygen binding is ensured by the high content of hemoglobin in erythrocytes. Red blood cells are involved in hemostasis, maintaining acid-base balance, immune reactions and represent the largest population of blood cells. Under physiological conditions, in men the number of circulating red blood cells is 4.1-5.2 × 10 12 cells per liter, in women - 3.6-4.6 × 10 12 cells per liter. The concentration of red blood cells can increase due to loss of fluid through sweat, vomiting, diarrhea, that is, when the blood thickens. A decrease in the indicator is usually a sign of anemia, most often iron deficiency.
[0005] Hb - гемоглобин (концентрация гемоглобина в цельной крови). Это основной дыхательный пигмент и главный компонент эритроцитов крови, выполняющий важные функции в организме человека: перенос вдыхаемого кислорода из легких в биологические ткани и органы, а углекислого газа из тканей и органов в легкие, где он выдыхается. Этопроисходит за счет способности кислорода обратимо связываться железом, атомы которого «встроены» в гемоглобин. При взаимодействии с биологическими тканями и органами эритроциты «освобождаются» от кислорода и «забирают» углекислый газ. Гемоглобин также играет существенную роль в поддержании кислотно-основного равновесия крови. Буферная система, создаваемая гемоглобином, способствует сохранению рН крови в определенных пределах. Именно гемоглобин, а точнее его железо, окрашивает эритроциты в красный цвет.[0005] Hb - hemoglobin (hemoglobin concentration in whole blood). This is the main respiratory pigment and the main component of red blood cells, which performs important functions in the human body: transferring inhaled oxygen from the lungs to biological tissues and organs, and carbon dioxide from tissues and organs to the lungs, where it is exhaled. This occurs due to the ability of oxygen to reversibly bind with iron, the atoms of which are “embedded” in hemoglobin. When interacting with biological tissues and organs, red blood cells are “freed” from oxygen and “take up” carbon dioxide. Hemoglobin also plays a significant role in maintaining the acid-base balance of the blood. The buffer system created by hemoglobin helps maintain blood pH within certain limits. It is hemoglobin, or rather its iron, that colors red blood cells red.
[0006] НСТ - гематокрит (гематокритное число, показатель гематокрита). Это соотношение объема форменных элементов и плазмы крови. Считается, что гематокрит отражает соотношение объема эритроцитов и объема плазмы крови, так как в основном объем форменных элементов крови составляют эритроциты. Кровь на 40-45% состоит из форменных элементов (эритроцитов, тромбоцитов, лейкоцитов) и на 60-55% из плазмы. Гематокрит зависит от количества RBC и значения MCV (среднего объема эритроцитов) и соответствует произведению RBC×MCV. В норме показатель гематокрита составляет 40-50% у мужчин и 35-44% у женщин.[0006] NCT - hematocrit (hematocrit number, hematocrit indicator). This is the ratio of the volume of formed elements and blood plasma. It is believed that hematocrit reflects the ratio of the volume of erythrocytes and the volume of blood plasma, since the volume of blood cells consists mainly of erythrocytes. Blood consists of 40-45% formed elements (erythrocytes, platelets, leukocytes) and 60-55% plasma. Hematocrit depends on the number of RBCs and the MCV value (mean erythrocyte volume) and corresponds to the product RBC×MCV. Normal hematocrit is 40-50% in men and 35-44% in women.
[0007] Величина НСТ широко используют для суждения о степени анемии, при которой, как правило, обнаруживается уменьшение гематокрита до 20-25%, которое при анемии происходит параллельно с уменьшением количества эритроцитов. НСТ отражает лишь объем эритроцитов в крови, а не их общую массу в организме. Так, у пациентов с шоком за счет гемоконцентрации НСТ может быть нормальным или даже высоким, хотя общая масса эритроцитов значительно снижена в связи с потерей крови. Поэтому НСТ не может быть надежным параметром при оценке степени анемии сразу после кровопотери или гемотрансфузии.[0007] The value of NCT is widely used to judge the degree of anemia, in which, as a rule, a decrease in hematocrit of up to 20-25% is detected, which in anemia occurs in parallel with a decrease in the number of red blood cells. NBT reflects only the volume of red blood cells in the blood, and not their total mass in the body. Thus, in patients with shock due to hemoconcentration, NBT may be normal or even high, although the total mass of red blood cells is significantly reduced due to blood loss. Therefore, NST cannot be a reliable parameter for assessing the degree of anemia immediately after blood loss or blood transfusion.
[0008] Увеличение НСТ до 55-65% и выше характерно для истинной полицитемии, менее резкое увеличение до 50-55% наблюдается при симптоматических эритроцитозах. При гипергидратации (гидремии) объем плазмы увеличивается, а объем эритроцитов (в процентах) уменьшается, а значит, НСТ понижается.[0008] An increase in NCT to 55-65% and higher is characteristic of polycythemia vera; a less sharp increase to 50-55% is observed with symptomatic erythrocytosis. With overhydration (hydremia), the plasma volume increases, and the volume of erythrocytes (in percentage) decreases, which means the NBT decreases.
[0009] Соотношение между объемами эритроцитов и плазмы меняется при дегидратации (токсикозы, поносы, рвота), когда кровь сгущается, т.е. объем плазмы уменьшается, а объем эритроцитов в процентном отношении увеличивается, а значит, гематокрит повышается.[0009] The ratio between the volumes of erythrocytes and plasma changes during dehydration (toxicosis, diarrhea, vomiting), when the blood thickens, i.e. the plasma volume decreases, and the volume of red blood cells increases as a percentage, which means the hematocrit increases.
Величина НСТ (в комплексе с другими показателями) используется для оценки степени острой кровопотери, а также для расчета эритроцитарных индексов и ряда биохимических показателей.The value of NBT (in combination with other indicators) is used to assess the degree of acute blood loss, as well as to calculate erythrocyte indices and a number of biochemical indicators.
[0010] PLT - это абсолютное содержание кровяных пластинок (тромбоцитов) - форменных элементов крови, участвующих в гемостазе. Тромбоциты - это элементы крови, ответственные за формирование тромботического сгустка при кровотечениях. В норме значение PLT составляет 178-318×109 клеток на литр. Превышение нормальных значений может свидетельствовать о физическом перенапряжении, анемии, воспалительных процессах, а может говорить о более серьезных проблемах в организме, среди которыхонкологические заболевания и болезни крови. А значительное их снижение может быть признаком гематологических заболеваний крови, вплоть до лейкозов. Также значение может снижаться на фоне приема противоопухолевых и цитостатических препаратов, гипофункции щитовидной железы.[0010] PLT is the absolute content of blood platelets (platelets) - the formed elements of blood involved in hemostasis. Platelets are blood elements responsible for the formation of a thrombotic clot during bleeding. The normal PLT value is 178-318×10 9 cells per liter. Exceeding normal values may indicate physical stress, anemia, inflammatory processes, or may indicate more serious problems in the body, including oncological diseases and blood diseases. And a significant decrease in them can be a sign of hematological blood diseases, including leukemia. Also, the value may decrease due to the use of antitumor and cytostatic drugs, hypothyroidism.
[0011] WBC - белые кровяные тельца (лейкоциты). Это основные защитники нашего организма, представители клеточного звена иммунитета. Повышение общего количества лейкоцитов чаще всего свидетельствует о наличии воспалительного процесса, преимущественно бактериальной природы. Также может оказаться признаком так называемого физиологического лейкоцитоза (под воздействием боли, холода, физической нагрузки, стресса, во время менструации, загара). В норме содержание лейкоцитов у мужчин и женщин обычно составляет 4,5-11,0×109 клеток на литр.[0011] WBC - white blood cells (leukocytes). These are the main defenders of our body, representatives of the cellular immunity. An increase in the total number of leukocytes most often indicates the presence of an inflammatory process, predominantly of a bacterial nature. It may also be a sign of so-called physiological leukocytosis (under the influence of pain, cold, physical activity, stress, during menstruation, sunburn). The normal white blood cell count in men and women is usually 4.5-11.0 x 10 9 cells per liter.
[0012] Снижение лейкоцитов - признак подавления иммунитета. Причиной чаще всего являются перенесенные вирусные инфекции, прием некоторых лекарств (в том числе нестероидных противовоспалительных и сульфаниламидов), похудение, гораздо реже -иммунодефициты и лейкозы.[0012] A decrease in white blood cells is a sign of immune suppression. The cause most often is previous viral infections, taking certain medications (including non-steroidal anti-inflammatory drugs and sulfonamides), weight loss, and much less often - immunodeficiencies and leukemia.
[0013] Эритроцитарные индексы: MCV, МСН, МСНС:[0013] Red blood cell indices: MCV, MCH, MCHC:
[0014] MCV - средний объем эритроцитов. Эта величина измеряется в кубических микрометрах или фемтолитрах (фл) и в норме составляет 81-95 фл для мужчин и 82-98 фл для женщин. MCV эритроцитов уменьшается при железодефицитной анемии и повышается при В12 дефицитной анемии, при гепатитах, снижении функции щитовидной железы.[0014] MCV is the average volume of red blood cells. This value is measured in cubic micrometers or femtoliters (fl) and is normally 81-95 fl for men and 82-98 fl for women. MCV of erythrocytes decreases with iron deficiency anemia and increases with B12 deficiency anemia, hepatitis, and decreased thyroid function.
[0015] МСН - среднее содержание гемоглобина в отдельном эритроците в абсолютных единицах. Эта величина, составляющая в норме 26-32 пг, пропорциональна отношению «гемоглобин/количество эритроцитов». Повышается этот показатель редко, а вот снижение является признаком анемии или снижения функции щитовидной железы.[0015] MCH is the average hemoglobin content in an individual red blood cell in absolute units. This value, which is normally 26-32 pg, is proportional to the hemoglobin/red blood cell count ratio. This indicator rarely increases, but a decrease is a sign of anemia or decreased thyroid function.
[0016] МСНС - средняя концентрация Нb в эритроцитах, составляющая в норме 300-380 г/л, отражает степень насыщения эритроцита гемоглобином. Снижение МСНС наблюдается при заболеваниях с нарушением синтеза гемоглобина. Тем не менее это наиболее стабильный гематологический показатель. Любая неточность, связанная с определением Нb, НСТ, MCV, приводит к увеличению МСНС, поэтому этот параметр используется как индикатор ошибки прибора или ошибки, допущенной при подготовке пробы к исследованию. В отличие от МСН, МСНС не зависит от клеточного объема и является чувствительным тестом при нарушении процессов гемоглобинообразования.[0016] MCHC - the average concentration of Hb in erythrocytes, which is normally 300-380 g/l, reflects the degree of saturation of the erythrocyte with hemoglobin. A decrease in MSHC is observed in diseases with impaired hemoglobin synthesis. However, this is the most stable hematological indicator. Any inaccuracy associated with the determination of Hb, NCT, MCV leads to an increase in MSHC, therefore this parameter is used as an indicator of instrument error or error made when preparing the sample for research. Unlike MCH, MSHC does not depend on cell volume and is a sensitive test for disorders of hemoglobin formation.
[0017] Кроме того, кровь характеризуют другие параметры, такие как различные тромбоцитарные индексы, лейкоцитарные индексы, эритроцитарные индексы и т.д.[0017] In addition, blood is characterized by other parameters, such as various platelet indices, leukocyte indices, erythrocyte indices, etc.
[0018] Одним из самых важных параметров крови является гемоглобин, представляющий собой сложный белок, относящийся к группе гемопротеинов, белковый компонент в котором представлен глобином, небелковый - простетической группой. Простетическая группа в молекуле гемоглобина представлена 4-мя одинаковыми железопорфириновыми соединениями, которые называются темами. Молекула гема состоит из порфирина IX, связанного с железом двумя атомами азота ковалентными идвумя другими атомами азота координационными связями. Атом железа (II) расположен в центре гема и придает крови характерный красный цвет, степень его окисления не изменяется независимо от присоединения или отдачи кислорода.[0018] One of the most important blood parameters is hemoglobin, which is a complex protein belonging to the group of hemoproteins, the protein component of which is represented by globin, and the non-protein component by the prosthetic group. The prosthetic group in the hemoglobin molecule is represented by 4 identical iron porphyrin compounds, which are called themes. The heme molecule consists of porphyrin IX linked to iron by two nitrogen atoms covalently and two other nitrogen atoms by coordination bonds. The iron (II) atom is located in the center of the heme and gives the blood its characteristic red color; its oxidation state does not change regardless of the addition or release of oxygen.
[0019] Необходимо отметить, что концентрация НЬ в крови, как и всех других составных частей, зависит от количества воды в крови (гидремии). При сгущении крови (потере жидкости) может наступить относительное повышение концентрации Hb, маскирующее его абсолютное понижение. Это приводит к ошибкам в определении Hb. Например, в начальном периоде острой анемии вследствие кровопотери концентрация Hb будет сравнительно удовлетворительной благодаря сгущению крови, вызванному потерей жидкости. В сущности, в этом случае имеется тяжелая анемия, так как на самом деле абсолютное количество Hb в организме значительно уменьшено.[0019] It should be noted that the concentration of Hb in the blood, like all other components, depends on the amount of water in the blood (hydremia). With blood thickening (loss of fluid), a relative increase in Hb concentration may occur, masking its absolute decrease. This leads to errors in determining Hb. For example, in the initial period of acute anemia due to blood loss, the Hb concentration will be relatively satisfactory due to blood thickening caused by fluid loss. In essence, in this case there is severe anemia, since in fact the absolute amount of Hb in the body is significantly reduced.
Таким образом, при определении Hb необходимо учитывать множество дополнительных факторов, особенно количества жидкости в организме (или воды в крови).Thus, when determining Hb, many additional factors must be taken into account, especially the amount of fluid in the body (or water in the blood).
[0020] Как обсуждено выше, наиболее характерным свойством гемоглобина является обратимое присоединение газов, таких как O2, CO2 и др. В крови гемоглобин существует по меньшей мере в четырех формах: оксигемоглобин, дезоксигемоглобин, карбоксигемоглобин, метгемоглобин. В эритроцитах молекулярные формы гемоглобина способны к взаимопревращению, их соотношение определено индивидуальными особенностями организма.[0020] As discussed above, the most characteristic property of hemoglobin is the reversible addition of gases such as O 2 , CO 2 , etc. In the blood, hemoglobin exists in at least four forms: oxyhemoglobin, deoxyhemoglobin, carboxyhemoglobin, methemoglobin. In erythrocytes, the molecular forms of hemoglobin are capable of interconversion; their ratio is determined by the individual characteristics of the organism.
[0021] Нормальные величины концентрации гемоглобина: у мужчин 130-165 г/л, у женщин 120-150 г/л, у детей 110-155 г/л, у беременных 110-120 г/л. Диагностически значимое снижение нижнего порога нормальных уровней гемоглобина встречается у мужчин возрастной группы 65-74 года. Концентрация гемоглобина повышается при увеличении количества эритроцитов и снижается, если их становится меньше. Снижение количества эритроцитов, а значит, пониженная концентрация гемоглобина в крови (низкий гемоглобин) может быть обусловлена уменьшением образования эритроцитов в костном мозге, их потери в результате кровотечения или разрушения внутри организма, несбалансированного питания, вредных привычек, нарушения синтеза гемоглобина, заболеваний желудочно-кишечного тракта, хронических болезней почек, цирроза печени, микседемы, гемолиза и т.п. Последствиями низкого гемоглобина являются сбои иммунной системы, ухудшение состояния кожи, негативное влияние на способность к материнству, тахикардия, одышка, провоцирование инсульта и сердечного приступа. При этом человек часто находится в состоянии анемии, когда организм не получает достаточно кислорода, что вызывает слабость, сонливость и быструю утомляемость.[0021] Normal values for hemoglobin concentration: in men 130-165 g/l, in women 120-150 g/l, in children 110-155 g/l, in pregnant women 110-120 g/l. A diagnostically significant decrease in the lower threshold of normal hemoglobin levels occurs in men in the age group 65-74 years. The hemoglobin concentration increases as the number of red blood cells increases and decreases as the number of red blood cells decreases. A decrease in the number of red blood cells, and therefore a reduced concentration of hemoglobin in the blood (low hemoglobin) may be due to a decrease in the formation of red blood cells in the bone marrow, their loss as a result of bleeding or destruction within the body, unbalanced nutrition, bad habits, impaired hemoglobin synthesis, gastrointestinal diseases tract, chronic kidney disease, liver cirrhosis, myxedema, hemolysis, etc. The consequences of low hemoglobin are disruptions of the immune system, deterioration of the skin, a negative impact on the ability to motherhood, tachycardia, shortness of breath, provoking a stroke and heart attack. In this case, a person is often in a state of anemia, when the body does not receive enough oxygen, which causes weakness, drowsiness and fatigue.
[0022] Повышенная концентрация Нb свидетельствует о полицитемии, гемоконцентрации при дегидратации, ожогах, кишечной непроходимости, упорной рвоте, пребывания на больших высотах, чрезмерной физической нагрузки; сердечно-сосудистой патологии, обычно врожденной, приводящей к значительному венозному сбросу; заболеваниях легких, приводящих к снижению легочной перфузии, плохой аэрации легких, легочной артериальной фистуле; хроническом химическом воздействии нитритов, сульфонамидов, вызывающих образование мет- и сульфогемоглобина.[0022] An increased concentration of Hb indicates polycythemia, hemoconcentration due to dehydration, burns, intestinal obstruction, persistent vomiting, exposure to high altitudes, excessive physical activity; cardiovascular pathology, usually congenital, leading to significant venous discharge; lung diseases leading to decreased pulmonary perfusion, poor lung aeration, pulmonary arterial fistula; chronic chemical exposure to nitrites, sulfonamides, causing the formation of meth- and sulfohemoglobin.
[0023] С концентрацией гемоглобина связано насыщение крови кислородом (оксигенация или SpO2), которое представляет собой процентное содержание оксигемоглобина в крови, то есть отношение количества оксигемоглобина к общему количеству гемоглобина. Например, оксигенация 95-100% является нормальной, но может варьироваться, если у человека есть заболевания легких. Оксигенация <90% считается низкой и это называется гипоксемией, при этом организму требуется кислородная добавка. Причинами низкого насыщения крови кислородом являются анемия, апноэ во сне, курение, заболевания легких (астма, эмфизема легких и др.), вирусные инфекции (COVID-19 и др.), качество воздуха, пониженная емкость сердца, сильные обезболивающие. Последствиями низкой оксигенации являются головные боли, тахикардия, одышка, повреждение сердца и головного мозга. Следует отметить, что уровень оксигенации отражает степень насыщения крови оксигемоглобином, но не характеризует общее содержание гемоглобина в крови.[0023] Related to hemoglobin concentration is blood oxygen saturation (oxygenation or SpO 2 ), which is the percentage of oxyhemoglobin in the blood, that is, the ratio of the amount of oxyhemoglobin to the total amount of hemoglobin. For example, oxygenation of 95-100% is normal, but may vary if a person has lung disease. Oxygenation <90% is considered low and is called hypoxemia, and the body requires oxygen supplementation. The causes of low blood oxygen saturation are anemia, sleep apnea, smoking, lung diseases (asthma, emphysema, etc.), viral infections (COVID-19, etc.), air quality, reduced cardiac capacity, strong painkillers. The consequences of low oxygenation include headaches, tachycardia, shortness of breath, and damage to the heart and brain. It should be noted that the level of oxygenation reflects the degree of blood saturation with oxyhemoglobin, but does not characterize the total hemoglobin content in the blood.
[0024] Таким образом, обсужденные выше параметры крови являются важными и значимыми показателями состояния здоровья человека и требуют непрерывного контроля.[0024] Thus, the blood parameters discussed above are important and significant indicators of human health and require continuous monitoring.
[0025] Для определения параметров крови используют инвазивные и неинвазивные методы. Инвазивные методы представляют собой лабораторные методы, к которым относятся химические, спектрофотометрические, колориметрические методы. Например, для определения гемоглобина используют сапониновый метод, метод Сали, когда анализируют производные гемоглобина, образовавшиеся в процессе его окисления и присоединения к гему различных химических групп, приводящих к изменению валентности железа и окраски раствора. Химические и спектрофотометрические методы имеют высокую точность и рекомендуются в качестве эталонных, но из-за трудоемкости и значительной стоимости анализа для рутинных определений не применяются. Для рутинных лабораторных исследований наиболее предпочтительны колориметрические методы, как наиболее дешевые, простые и быстрые в исполнении.[0025] Invasive and non-invasive methods are used to determine blood parameters. Invasive methods are laboratory methods, which include chemical, spectrophotometric, colorimetric methods. For example, to determine hemoglobin, the saponin method, Sali's method, is used, when hemoglobin derivatives formed during its oxidation and the addition of various chemical groups to the heme, leading to a change in the valence of iron and the color of the solution, are analyzed. Chemical and spectrophotometric methods are highly accurate and are recommended as reference methods, but due to the laboriousness and significant cost of analysis, they are not used for routine determinations. For routine laboratory tests, colorimetric methods are most preferred, as they are the cheapest, simplest and fastest to perform.
[0026] Вместе с тем лабораторные методы оценки параметров крови связаны с венопункцией или взятием крови из пальца, могут вызывать боль и создавать потенциальный риск инфекции для пациентов. Кроме того, в этом случае необходим квалифицированный персонал и лабораторное оборудование для проведения анализов, а также необходимо утилизировать отходы. Более того, лабораторные методы не подходят для непрерывного контроля параметров крови.[0026] However, laboratory methods for assessing blood parameters involve venipuncture or finger pricking, can cause pain and create a potential risk of infection for patients. In addition, in this case, qualified personnel and laboratory equipment are needed to carry out tests, and waste must be disposed of. Moreover, laboratory methods are not suitable for continuous monitoring of blood parameters.
[0027] На сегодняшний день существует множество устройств для неинвазивного измерения показателей крови, снижающих дискомфорт для пациентов. Однако они не всегда применимы для непрерывного контроля параметров крови.[0027] Today, there are many devices for non-invasive measurement of blood parameters that reduce discomfort for patients. However, they are not always applicable for continuous monitoring of blood parameters.
[0028] В настоящее время для неинвазивного определения гематокрита все чаще используется биоимпедансометрия (BIA). При снижении уровня гематокрита отмечается изменение составляющих импеданса крови и сдвиг частотной характеристики импеданса в область более высоких частот. С помощью BIA-датчика, встроенного в носимое устройство, можно оценивать количество жировой, костной, мышечной тканей, содержание жидкости в организме, индекс массы тела и т.п.[0028] Currently, bioimpedance measurement (BIA) is increasingly being used to non-invasively determine hematocrit. As the hematocrit level decreases, a change in the components of the blood impedance and a shift in the frequency response of the impedance to higher frequencies are noted. Using a BIA sensor built into a wearable device, you can estimate the amount of fat, bone, muscle tissue, fluid content in the body, body mass index, etc.
[0029] Преимуществами измерения параметров крови с помощью носимых устройств, в частности, современных умных часов или фитнес-браслетов, являются мгновенное или непрерывное измерение, простота использования, возможность долгосрочного контроля параметров крови. В то же время оценка параметров крови с помощью носимых устройств недостаточно точная, особенно при измерении краевых значений параметров.[0029] The advantages of measuring blood parameters using wearable devices, in particular modern smart watches or fitness bracelets, are instant or continuous measurement, ease of use, and the possibility of long-term monitoring of blood parameters. At the same time, the assessment of blood parameters using wearable devices is not accurate enough, especially when measuring the edge values of parameters.
[0030] К неинвазивным методам оценки гемоглобина, оксигенации крови относится, например, пульсоксиметрия, обеспечивающая контроль процентного содержания гемоглобина, насыщенного кислородом, с помощью оценки тканей на пропускание оптического излучения (по амплитуде пульса) и частоты сердечных сокращений (ЧСС). Для неинвазивного определения оксигенации крови в рабочую область фотоплетизмографического (PPG) датчика помещают участок биологических тканей, содержащий артериальные сосуды. Традиционные оксиметры обычно имеют форму «прищепки» для помещения на палец, мочку уха пациента, то есть там, где возможно пропускание излучения через участок ткани, и анализируют излучение, проходящее сквозь палец, мочку уха, то есть измеряют участок биологической ткани на пропускание. В тканях, костях, венозной крови и артериальной крови человека происходит поглощение, отражение и рассеивание излучения, которое при исследовании кровотока определяется размером сосудов или объемом крови, проходящим через исследуемый участок тканей. Сужение и расширение сосуда под действием артериальной пульсации кровотока, которая обусловлена преимущественно изменением кровотока в артериях и артериолах, вызывают соответствующее изменение амплитуды сигнала, получаемого с выхода фотоприемника. Методика пульсоксиметрии основана на использовании принципов фотоплетизмографии. Гемоглобин служит своего рода фильтром для светового потока, причем «цвет» и «толщина» его могут меняться. «Цвет» фильтра зависит от процентного содержания оксигемоглобина. На этом базируется способность пульсоксиметра устанавливать степень оксигенации крови. На изменение «толщины» фильтра влияет рост объема крови в артериях и артериолах при каждой пульсовой волне. После измерения частоты пульса и амплитуды пульсовой волны, с помощью микропроцессора анализируют соотношение степени поглощения излучения разных длин волн, например, ИК- и красных волн, затем рассчитывают насыщение пульсирующего потока артериальной крови кислородом.[0030] Non-invasive methods for assessing hemoglobin and blood oxygenation include, for example, pulse oximetry, which provides control of the percentage of hemoglobin saturated with oxygen by assessing tissue for the transmission of optical radiation (by pulse amplitude) and heart rate (HR). To non-invasively determine blood oxygenation, a section of biological tissue containing arterial vessels is placed in the working area of a photoplethysmographic (PPG) sensor. Traditional oximeters usually have the form of a “clothespin” to be placed on the patient’s finger or earlobe, that is, where radiation can be transmitted through an area of tissue, and analyze the radiation passing through the finger or earlobe, that is, they measure an area of biological tissue for transmission. In human tissues, bones, venous blood and arterial blood, radiation is absorbed, reflected and scattered, which, when studying blood flow, is determined by the size of the vessels or the volume of blood passing through the tissue area being examined. The narrowing and expansion of the vessel under the influence of arterial pulsation of blood flow, which is caused primarily by changes in blood flow in the arteries and arterioles, cause a corresponding change in the amplitude of the signal received from the output of the photodetector. The pulse oximetry technique is based on the principles of photoplethysmography. Hemoglobin serves as a kind of filter for light flux, and its “color” and “thickness” can change. The “color” of the filter depends on the percentage of oxyhemoglobin. This is the basis for the ability of a pulse oximeter to determine the degree of blood oxygenation. The change in the “thickness” of the filter is affected by the increase in blood volume in the arteries and arterioles with each pulse wave. After measuring the pulse rate and pulse wave amplitude, the ratio of the degree of absorption of radiation of different wavelengths, for example, IR and red waves, is analyzed using a microprocessor, then the saturation of the pulsating flow of arterial blood with oxygen is calculated.
[0031] При этом сигнал с выхода датчика, пропорциональный поглощению света, проходящего через ткани, включает две составляющие: переменную (АС) составляющую, обусловленную изменением объема артериальной крови при каждом сердечном сокращении, и постоянную (DC) составляющую, определяемую оптическими свойствами кожи, костей, венозной крови и других тканей исследуемого участка, совокупное поглощение которых не изменяется в процессе распространения пульсовой волны.[0031] In this case, the signal from the output of the sensor, proportional to the absorption of light passing through the tissue, includes two components: a variable (AC) component, due to changes in arterial blood volume with each heartbeat, and a constant (DC) component, determined by the optical properties of the skin, bones, venous blood and other tissues of the area under study, the total absorption of which does not change during the propagation of the pulse wave.
[0032] Это традиционный подход для анализа сигнала в пульсоксиметрии, основанный на разделении постоянной и переменной составляющих временных рядов (DC-и АС-составляющих во временной области или компонент постоянного и переменного токов) PPG-сигнала (пульсового сигнала). При этом традиционно измеряют интегральную площадь кривой сигнала, а форму сигнала обычно не учитывают. Вместе с тем DC-составляющую используют для нормирования сигнала, поскольку пропускание сигнала зависит не только от коэффициентов поглощения/отражения/рассеивания кожи, костей, крови и других тканей, составляющих «фильтр» для сигнала, но и от толщины самого «фильтра».[0032] This is a traditional approach for signal analysis in pulse oximetry, based on separating the DC and AC components of the time series (DC and AC components in the time domain or DC and AC components) of the PPG signal (pulse signal). In this case, the integral area of the signal curve is traditionally measured, and the signal shape is usually not taken into account. At the same time, the DC component is used to normalize the signal, since signal transmission depends not only on the absorption/reflection/scattering coefficients of skin, bones, blood and other tissues that make up the “filter” for the signal, but also on the thickness of the “filter” itself.
[0033] Большинство известных методов описывает теорию и работу пульсоксиметров в режиме пропускания, поэтому в предшествующем уровне техники такие подходы описаны, исходя из соответствующих законов и уравнений, в частности, закона Бугера-Ламберта-Бера, определяющего ослабление параллельного монохроматического пучка света при распространении его в поглощающей среде. Однако в уровне техники недостаточно сведений, касающихся применения вышеописанного метода с AC/DC-составляющими в пульсоксиметре в режиме отражения. При этом очевидно, что работа устройства в режиме отражения требует иных подходов, в том числе дополнительно требует анализа формы пульсовой волны.[0033] Most known methods describe the theory and operation of pulse oximeters in transmission mode, therefore, in the prior art, such approaches are described based on the relevant laws and equations, in particular, the Bouguer-Lambert-Beer law, which determines the attenuation of a parallel monochromatic beam of light as it propagates in an absorbing environment. However, there is not enough information in the prior art regarding the application of the above method with AC/DC components in a pulse oximeter in reflection mode. It is obvious that operation of the device in reflection mode requires other approaches, including additional analysis of the pulse waveform.
[0034] Однако существуют определенные трудности анализа АС-составляющих PPG-сигнала, состоящие в том, что АС-составляющая имеет сложную форму, которая зависит от длины волны и несет информацию о спектральных свойствах ткани.[0034] However, there are certain difficulties in analyzing the AC components of a PPG signal, consisting in the fact that the AC component has a complex shape, which depends on the wavelength and carries information about the spectral properties of the tissue.
[0035] Биоимпедансный анализ (BIA) - это контактный метод измерения электрической проводимости биологических тканей, дающий возможность оценки широкого спектра морфологических и физиологических параметров организма. В биоимпедансном анализе измеряют активное и реактивное сопротивления тела человека и/или его участков на различных частотах. На их основе рассчитывают показатели состава тела, такие как, например, количество жировой, костной, мышечной тканей, масса, объем и распределение жидкости в организме, индекс массы тела.[0035] Bioimpedance analysis (BIA) is a contact method for measuring the electrical conductivity of biological tissues, making it possible to assess a wide range of morphological and physiological parameters of the body. Bioimpedance analysis measures the active and reactive resistance of the human body and/or its parts at various frequencies. Based on them, body composition indicators are calculated, such as, for example, the amount of fat, bone, muscle tissue, mass, volume and distribution of fluid in the body, body mass index.
[0036] В основе BIA лежит определение электрического импеданса биологических объектов. Импедансом называют комплексное (полное) электрическое сопротивление. Эта величина имеет два компонента: активное и реактивное сопротивления. Активное, или омическое, сопротивление характеризует способность биологических тканей к тепловому рассеянию электрического тока. Реактивное сопротивление характеризуется смещением фазы тока относительно напряжения за счет емкостных свойств клеточных мембран, способных накапливать электрический заряд на своей поверхности. Физическая сущность метода биоимпедансометрии заключается в измерении полного электрического сопротивления организма при помощи биоимпедансного анализатора. Поскольку разные ткани имеют различное сопротивление, можно точно измерять и определять содержание в организме жидкости, жировой, костной и мышечной тканей. При этом используют две пары электродов и зондирующий синусоидальный ток постоянной частоты и небольшой мощности (не более 500-800 мкА).[0036] BIA is based on determining the electrical impedance of biological objects. Impedance is called complex (total) electrical resistance. This quantity has two components: active and reactance. Active, or ohmic, resistance characterizes the ability of biological tissues to thermally dissipate electric current. Reactance is characterized by a phase shift of the current relative to the voltage due to the capacitive properties of cell membranes, which are capable of accumulating electrical charge on their surface. The physical essence of the bioimpedance measurement method is to measure the total electrical resistance of the body using a bioimpedance analyzer. Because different tissues have different resistances, the fluid, fat, bone and muscle tissue content of the body can be accurately measured and determined. In this case, two pairs of electrodes and a probing sinusoidal current of constant frequency and low power (no more than 500-800 μA) are used.
[0037] Электрический ток может протекать, огибая клетки и сквозь клетки. Границыклеток образованы мембранами, которые по своим электрическим свойствам являются конденсаторами, зависящими от частоты переменного тока. Эквивалентная схема биообъекта содержит сопротивление внеклеточной жидкости, сопротивление клеточной жидкости и емкость мембран.[0037] Electrical current can flow around and through cells. The cell boundaries are formed by membranes, which, in their electrical properties, are capacitors that depend on the frequency of alternating current. The equivalent circuit of a biological object contains the resistance of the extracellular fluid, the resistance of the cellular fluid and the membrane capacitance.
[0038] Удельное сопротивление биологических тканей, определяемое для заданной частоты тока, может существенно изменяться под влиянием физиологических и патофизиологических факторов: почки и легкие изменяют электропроводность при различном крове- и воздухонаполнении, мышечные ткани - при различной степени сокращения мышц, кровь и лимфа - при изменении концентрации белков и электролитов, очаги повреждения (по сравнению с нормальной тканью) - в результате отеков или ишемий различной природы, опухолей и других причин. Это позволяет использовать биоимпедансометрию для количественной оценки состояния органов и систем организма при различных заболеваниях, а также для выявления изменений в тканях, вызываемых лекарственными, ортостатическими, физическими и другими нагрузками.[0038] The specific resistance of biological tissues, determined for a given current frequency, can change significantly under the influence of physiological and pathophysiological factors: kidneys and lungs change electrical conductivity with different blood and air filling, muscle tissue with different degrees of muscle contraction, blood and lymph with changes in the concentration of proteins and electrolytes, foci of damage (compared to normal tissue) - as a result of edema or ischemia of various natures, tumors and other causes. This allows the use of bioimpedansometry to quantitatively assess the state of organs and body systems in various diseases, as well as to identify changes in tissues caused by medicinal, orthostatic, physical and other stresses.
[0039] BIA состава тела заключается в первую очередь в оценке количества жидкости в организме, поскольку именно жидкая среда создает активную составляющую проводимости. Оценку объема жидкости в организме по импедансу осуществляют с использованием физических и/или эмпирических моделей (см., например, Гайворонский И.В. и др., Биоимпедансометрия как метод оценки компонентного состава тела человека (обзор литературы), Вестник СПбГУ, Медицина, 2017, том 12, выпуск 4).[0039] Body composition BIA is primarily an assessment of the amount of fluid in the body, since it is the fluid medium that creates the active component of conductivity. The volume of fluid in the body is assessed by impedance using physical and/or empirical models (see, for example, Gaivoronsky I.V. et al., Bioimpedansometry as a method for assessing the component composition of the human body (literature review), Vestnik St. Petersburg State University, Medicine, 2017 , volume 12, issue 4).
[0040] Существующие устройства для неинвазивного оптического измерения параметров крови, например гемоглобина, имеют достаточно высокую точность для пользователей с нормальным уровнем гемоглобина и низкую точность определения низкого и высокого уровня гемоглобина, особенно для женщин. В то же время именно люди с низким и высоким уровнем гемоглобина нуждаются в наиболее частом контроле гемоглобина.[0040] Existing devices for non-invasive optical measurement of blood parameters, such as hemoglobin, have fairly high accuracy for users with normal hemoglobin levels, but low accuracy for determining low and high hemoglobin levels, especially for women. At the same time, it is people with low and high hemoglobin levels who need the most frequent hemoglobin monitoring.
[0041] В патенте US 10231657 В2 (Masimo Corporation) раскрыт датчик скрининга общего гемоглобина. Индексная система общего гемоглобина выводит значение общей массы гемоглобина (tHb) с использованием излучателя с индексным набором светодиодов. Пациент не проходит тест индекса tHb, если значения измерений tHb имеют тенденцию к снижению и/или значения tHb падают ниже заданного порогового значения индекса. Если пациент не проходит тест индекса tHb, датчик с высоким разрешением выводит конкретное значение измерения tHb, используя набор светодиодов с высоким разрешением. При этом количество светодиодов с высоким разрешением в таком наборе больше количества светодиодов индексного набора.[0041] US Pat. No. 10231657 B2 (Masimo Corporation) discloses a total hemoglobin screening sensor. The total hemoglobin index system displays the total hemoglobin mass (tHb) value using an index LED emitter. A patient fails a tHb index test if tHb measurements are trending downward and/or tHb values fall below a predetermined index threshold. If the patient fails the tHb index test, the high-resolution sensor displays a specific tHb measurement value using a set of high-resolution LEDs. Moreover, the number of high-resolution LEDs in such a set is greater than the number of LEDs in the index set.
Недостатками такого решения являются: использование только PPG-датчика в конфигурации на пропускание, отсутствие учета клеточного строения крови (содержания жидкости, состава тела), кроме того, устройство не является носимым.The disadvantages of this solution are: the use of only a PPG sensor in a transmission configuration, the lack of taking into account the cellular structure of the blood (fluid content, body composition), in addition, the device is not wearable.
[0042] В заявке на патент US 2011/0080181 A1 (Tanita Seisakusho КК) раскрыто устройство для биометрических измерений. Устройство измеряет импеданс различныхчастей тела и осуществляет оценку гематокрита путем анализа разностей импеданса на двух различных частотах и детектированной частоты пульса.[0042] Patent application US 2011/0080181 A1 (Tanita Seisakusho KK) discloses a device for biometric measurements. The device measures the impedance of various parts of the body and estimates the hematocrit by analyzing the impedance differences at two different frequencies and the detected pulse rate.
Недостатками такого решения являются: проведение только биоимпедансного анализа, оценка только гематокрита, отсутствие учета воды и молекулярного строения крови, высокая частота (более 10 МГц) и необходимость детектирования пульса для корректировки частоты.The disadvantages of this solution are: conducting only bioimpedance analysis, assessing only hematocrit, lack of accounting for water and the molecular structure of blood, high frequency (more than 10 MHz) and the need to detect the pulse to adjust the frequency.
[0043] В заявке на патент US 2015/0260705 A1 (Kwangju Institute of Science & Technology) раскрыты способ и устройство для измерения гематокрита крови. Устройство измеряет импеданс части тела в двух точках вдоль кровотока и осуществляет оценку гематокрита текущей крови путем анализа разностей импеданса в этих двух точках.[0043] Patent application US 2015/0260705 A1 (Kwangju Institute of Science & Technology) discloses a method and apparatus for measuring blood hematocrit. The device measures the impedance of a body part at two points along the bloodstream and estimates the hematocrit of the flowing blood by analyzing the impedance differences at these two points.
Недостатками такого решения являются: проведение только биоимпедансного анализа, оценка только гематокрита, отсутствие учета воды и молекулярного строения крови, необходимость детектирования кровотока, специфическое размещение электродов.The disadvantages of this solution are: conducting only bioimpedance analysis, assessing only hematocrit, lack of accounting for water and the molecular structure of blood, the need to detect blood flow, and specific placement of electrodes.
[0044] В заявке на патент US 2022/0265178 A1 (Bao Tran) раскрыты умные часы, предназначенные для детектирования пользовательской активности и соответствующей корректировки оценки уровня глюкозы.[0044] Patent application US 2022/0265178 A1 (Bao Tran) discloses a smartwatch designed to detect user activity and adjust glucose assessment accordingly.
Недостатками такого решения являются: наличие множества PPG- и BIA-датчиков, осуществление только распознавания активности и характера активности, отсутствие конкретного учета воды или строения крови, отсутствие определения параметров крови.The disadvantages of this solution are: the presence of many PPG and BIA sensors, only recognition of activity and the nature of activity, lack of specific accounting of water or blood structure, lack of determination of blood parameters.
[0045] В заявке на патент US 2019/0209056 A1 (Lo Chien-Ming) раскрыты способ и устройство для оптического детектирования болезни Кавасаки и результата лечения. При этом проводят анализ оптического сигнала на трех различных длинах волн, оценку и сравнение характеристик сигнала и уровней гемоглобина у испытуемого и здорового пациентов.[0045] Patent application US 2019/0209056 A1 (Lo Chien-Ming) discloses a method and apparatus for optical detection of Kawasaki disease and treatment outcome. This involves analyzing the optical signal at three different wavelengths, assessing and comparing the signal characteristics and hemoglobin levels in the test subject and healthy patients.
Недостатками такого решения являются: использование только PPG-сигнала, фокусирование только на детектировании болезни, недостаточный учет жидкости, отсутствие учета клеточного строения крови, а значит, плохая эффективность при определении краевых значений.The disadvantages of this solution are: the use of only the PPG signal, focusing only on disease detection, insufficient consideration of fluid, lack of consideration of the cellular structure of the blood, and therefore poor efficiency in determining edge values.
[0046] В заявке на патент US 2021/0000397 A1 (Robert Ricky Steuer) раскрыты способ и устройство для неинвазивной фотометрической диагностики составляющих крови. При этом раскрыты способ и устройство, использующие только одну длину волны (800 нм, изобестическая) или добавляющие еще две длины волны для определения фотооптических параметров in vivo и расчета параметров крови, таких как НСТ, Hb, PV и т.д.[0046] Patent application US 2021/0000397 A1 (Robert Ricky Steuer) discloses a method and apparatus for non-invasive photometric diagnosis of blood constituents. In this case, a method and device are disclosed that use only one wavelength (800 nm, isosbestic) or add two more wavelengths to determine photo-optical parameters in vivo and calculate blood parameters such as NBT, Hb, PV, etc.
Недостатками такого решения являются: использование только PPG-сигнала, использование от 1 до 3 длин волн, недостаточный учет воды, отсутствие учета клеточного строения крови, а значит, плохая эффективность при определении краевых значений.The disadvantages of this solution are: the use of only the PPG signal, the use of 1 to 3 wavelengths, insufficient consideration of water, lack of consideration of the cellular structure of the blood, and therefore poor efficiency in determining edge values.
[0047] В недавних публикациях, таких как WO 2023/003980 А1 и WO 2023/287789 A1 (Masimo Corporation), раскрыты носимые устройства в виде умных часов для контроля физиологических параметров пользователя, которые могут размещаться на запястье, при этом группы источников и детекторов излучения расположены на одной стороне устройств. Вместе с тем при описании физических принципов работы PPG-датчика, авторы публикаций ссылаются на закон Бугера-Ламберта-Бера, как отмечено выше в отношении других решений уровня техники. Однако при работе в режиме отражения такой подход не работает и дает некорректный результат. Кроме того, обработка сигнала выполняется методами традиционной обработки сигналов пульсоксиметрии, т.е. основное внимание в этих публикациях уделено устройству датчика, без описания конкретных методов обработки сигналов, тем более в отношении измерения специфических компонентов крови, таких как гемоглобин. В стандартном режиме, когда датчик находится в часах на руке, как правило, возможно измерение частоты пульса, вариабельности частоты и оксигенации крови. Для измерения специфических параметров может использоваться внешний датчик, подключаемый к порту часов и размещаемый, например, на пальце руки пользователя. Таким образом, в указанных публикациях не раскрыты особенности обработки сигналов, полученных в режиме на отражение, позволяющие измерять специфические параметры крови, такие как концентрация гемоглобина. Т.е. в этих публикациях нет сведений о формах PPG-сигнала на разных длинах волн, разности в оптических путях излучения на этих длинах волн, разности в типах сосудов и тканей, с которыми преимущественно взаимодействует излучение разных длин волн и, соответственно, о способе учета отличий в оптических путях и типах сосудов и тканей через форму PPG-сигнала и способе описания формы этого сигнала посредством амплитудно-фазовых характеристик гармоник.[0047] Recent publications such as WO 2023/003980 A1 and WO 2023/287789 A1 (Masimo Corporation) disclose wearable devices in the form of smart watches for monitoring physiological parameters of the user, which can be placed on the wrist, with groups of sources and detectors radiation are located on one side of the devices. At the same time, when describing the physical principles of operation of the PPG sensor, the authors of the publications refer to the Bouguer-Lambert-Beer law, as noted above in relation to other solutions of the prior art. However, when working in reflection mode, this approach does not work and gives incorrect results. In addition, signal processing is performed using traditional pulse oximetry signal processing methods, i.e. These publications focus on the design of the sensor, without describing specific signal processing methods, especially in relation to the measurement of specific blood components, such as hemoglobin. In standard mode, when the sensor is worn on the wrist, it is usually possible to measure heart rate, heart rate variability and blood oxygenation. To measure specific parameters, an external sensor can be used, connected to the watch port and placed, for example, on the user’s finger. Thus, these publications do not disclose the features of processing signals received in reflection mode, which make it possible to measure specific blood parameters, such as hemoglobin concentration. Those. these publications do not contain information about the shapes of the PPG signal at different wavelengths, the differences in the optical paths of radiation at these wavelengths, the differences in the types of vessels and tissues with which radiation of different wavelengths predominantly interacts and, accordingly, about the method of taking into account differences in optical paths and types of vessels and tissues through the shape of the PPG signal and a method for describing the shape of this signal through the amplitude-phase characteristics of harmonics.
Недостатками такого решения являются: использование только PPG-сигнала, отсутствие учета жидкости в организме и клеточного строения крови, а значит, плохая эффективность при измерении краевых значений.The disadvantages of this solution are: the use of only the PPG signal, the lack of taking into account the fluid in the body and the cellular structure of the blood, and therefore poor efficiency when measuring edge values.
[0048] Таким образом, основная проблема данной области техники заключается в отсутствии способа и удобного для использования носимого устройства для мгновенного или непрерывного контроля параметров крови, таких как гемоглобин, гематокрит, объем эритроцитов, объем плазмы, объем крови и т.д., в котором осуществляется коррекция определяемых значений параметров крови на основе молекулярного и клеточного строения крови.[0048] Thus, the main problem in the art is the lack of a method and easy-to-use wearable device for instantaneous or continuous monitoring of blood parameters such as hemoglobin, hematocrit, red blood cell volume, plasma volume, blood volume, etc., in which corrects the determined values of blood parameters based on the molecular and cellular structure of blood.
[0049] Следовательно, существует потребность в носимом устройстве и способе определения параметров крови, обеспечивающих точное измерение даже краевых значений и подходящих для непрофессионального применения. Иными словами, требуется устройство для неинвазивного, ненавязчивого, мгновенного или непрерывного контроля различных параметров крови.[0049] Therefore, there is a need for a wearable device and method for determining blood parameters that provides accurate measurement even of edge values and is suitable for non-professional use. In other words, a device is required for non-invasive, unobtrusive, instantaneous or continuous monitoring of various blood parameters.
[0050] Возможные продукты, в которых используется способ по изобретению, представляют собой носимые электронные устройства, такие как умные часы или смарт-браслеты, стационарные диагностические приборы, бытовые приборы и гаджеты для персонального медицинского контроля.[0050] Possible products that use the method of the invention are wearable electronic devices such as smart watches or smart bracelets, stationary diagnostic devices, household appliances, and personal health monitoring gadgets.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
[0051] Принимая во внимание изложенные выше технические проблемы, далее со ссылкой на описание и представленные ниже чертежи предлагаемое изобретение будетописано в качестве примера, а не ограничения.[0051] In view of the technical problems set forth above, the present invention will now be described by way of example and not by way of limitation with reference to the description and drawings below.
[0052] Данное краткое изложение сущности изобретения предшествует подробному описанию конкретных примерных вариантов осуществления, чтобы дать общее представление аспектов заявленного изобретения, которые будут дополнительно объяснены далее, и никоим образом не предназначено для определения или ограничения объема настоящего изобретения.[0052] This summary of the invention precedes the detailed description of specific exemplary embodiments in order to provide a general understanding of aspects of the claimed invention that will be further explained below, and is in no way intended to define or limit the scope of the present invention.
[0053] Задачей настоящего изобретения является создание носимых устройств с функцией определения параметров крови пользователя на основе данных, собираемых от датчиков носимых устройств. В частности, в настоящем изобретении используются PPG- и BIA-датчики. Принципы измерения биоимпеданса, используемые для этого электронные устройства, электрические схемы, включающие в себя модули конфигурирования цепей тока-напряжения, модули измерения тока-напряжения, BIA-датчики подробно описаны в публикациях международных патентных заявок WO2020/138667 A1 («Electronic device configured to compensate for error in bioimpedance value» (Электронное устройство, выполненное с возможностью компенсации ошибки в значении биоимпеданса)) от 02.07.2020 г. и WO2022/265446 A1 («Device and method for human body impedance analysis insensitive to high contact impedance and parasitic effects» (Устройство и способ для анализа импеданса тела человека, нечувствительные к высокому импедансу контакта и к паразитным эффектам)) от 22.12.2022 г. того же заявителя, как и у настоящей заявки, содержимое которых включено в настоящий документ посредством ссылки во всей своей полноте.[0053] The objective of the present invention is to create wearable devices with the function of determining the user's blood parameters based on data collected from the sensors of the wearable devices. In particular, PPG and BIA sensors are used in the present invention. The principles of bioimpedance measurement, the electronic devices used for this, electrical circuits including current-voltage circuit configuration modules, current-voltage measurement modules, BIA sensors are described in detail in the publications of international patent applications WO2020/138667 A1 (“Electronic device configured to compensate for error in bioimpedance value" (Electronic device designed to compensate for errors in bioimpedance value)) dated 07/02/2020 and WO2022/265446 A1 (“Device and method for human body impedance analysis insensitive to high contact impedance and parasitic effects” (Device and method for analyzing the impedance of the human body, insensitive to high contact impedance and parasitic effects)) dated 12/22/2022 by the same applicant as this application, the contents of which are incorporated herein by reference in their entirety.
[0054] В рамках настоящего изобретения проведено обширное исследование корреляции между электрическими (извлеченными из зарегистрированных ВIА-сигналов) и оптическими (извлеченными из PPG-сигналов) характеристиками и параметрами крови. Решение задачи прогнозирования параметров крови с учетом молекулярного и клеточного строения крови пользователя было основано на выявлении эмпирических закономерностей в обучающих данных, помещенных в общую базу данных, машинным способом. База данных может постоянным образом обновляться, и, кроме того, происходит уточнение прогнозирующей модели (алгоритма прогнозирования) путем машинного обучения. В настоящем изобретении прогнозирующая модель создана для носимого на запястье устройства, поскольку обучение прогнозирующей модели было основано на данных, снятых датчиками носимого на запястье устройства.[0054] Within the scope of the present invention, an extensive study of the correlation between electrical (extracted from recorded BIA signals) and optical (extracted from PPG signals) characteristics and blood parameters was carried out. The solution to the problem of predicting blood parameters taking into account the molecular and cellular structure of the user's blood was based on identifying empirical patterns in the training data placed in a common database using a machine method. The database can be constantly updated, and, in addition, the predictive model (forecasting algorithm) is refined through machine learning. In the present invention, a prediction model is created for a wrist-worn device, since the training of the prediction model was based on data captured by sensors of the wrist-worn device.
[0055] BIA-датчик детектирует электрическую проводимость биологических тканей, давая возможность оценки широкого спектра морфологических и физиологических параметров организма. Импеданс - комплексное электрическое сопротивление цепи переменному току. Для биологического объекта импеданс носит составной (комплексный) характер Z=R+i*X, где R - активная омическая составляющая, X - реактивная емкостная составляющая импеданса. Импеданс характеризуется модулем и фазовым углом. В емкостную составляющую импеданса вносит вклад и область контакта электродов с биологической тканью. Импеданс контакта (контакта электрода с биологической тканью) учитывает физические и химические процессы, протекающие в области контакта электродов с биологической тканью (например, поляризацию электрода, состояние кожи (влажная или сухая) и др.).[0055] The BIA sensor detects the electrical conductivity of biological tissues, making it possible to assess a wide range of morphological and physiological parameters of the body. Impedance is the complex electrical resistance of a circuit to alternating current. For a biological object, the impedance is of a composite (complex) nature Z=R+i*X, where R is the active ohmic component, X is the reactive capacitive component of the impedance. Impedance is characterized by modulus and phase angle. The area of contact between the electrodes and biological tissue also contributes to the capacitive component of the impedance. Contact impedance (electrode contact with biological tissue) takes into account the physical and chemical processes occurring in the area of contact of electrodes with biological tissue (for example, electrode polarization, skin condition (wet or dry), etc.).
[0056] Из уровня техники известно, что при прохождении постоянного электрического тока через участок мышечной ткани электрическое сопротивление зависит лишь от проводимости внеклеточной среды. С точки зрения биофизики, это легко объяснимо, так как клеточные мембраны, состоящие из фосфолипидов, обладают весьма низкой проводимостью. Переменный синусоидальный ток распространяется и по внутриклеточному пространству, с повышением частоты плотность тока во внеклеточном и внутриклеточном пространствах стремится выровняться.[0056] It is known from the prior art that when a direct electric current passes through an area of muscle tissue, the electrical resistance depends only on the conductivity of the extracellular environment. From the point of view of biophysics, this is easily explained, since cell membranes consisting of phospholipids have very low conductivity. The alternating sinusoidal current also spreads throughout the intracellular space; with increasing frequency, the current density in the extracellular and intracellular spaces tends to level out.
[0057] В области низких частот переменного тока импеданс практически совпадает с величиной активного сопротивления, а реактивное сопротивление близко к нулю. При увеличении частоты тока реактивное сопротивление возрастает до определенного максимума, соответствующего характеристической частоте fc. При дальнейшем увеличении частоты реактивное сопротивление уменьшается, и в пределе импеданс будет снова равен активному сопротивлению. При изменении частоты синусоидального тока меняется угол между векторами импеданса и активного сопротивления. Этот угол получил название фазового угла, вычисляется как арктангенс отношения реактивного и активного сопротивлений: ϕ(град)=(180/π)arctg (X/R) и зависит лишь от проводимости внеклеточной среды.[0057] In the region of low frequencies of alternating current, the impedance practically coincides with the value of the active resistance, and the reactance is close to zero. As the frequency of the current increases, the reactance increases to a certain maximum corresponding to the characteristic frequency fc. With a further increase in frequency, the reactance decreases, and in the limit the impedance will again be equal to the active resistance. When the frequency of the sinusoidal current changes, the angle between the impedance and active resistance vectors changes. This angle is called the phase angle, is calculated as the arctangent of the ratio of reactive and active resistance: ϕ(deg)=(180/π)arctg (X/R) and depends only on the conductivity of the extracellular environment.
[0058] Из уровня техники известно, что переменная составляющая сопротивления тела человека определяется в основном электропроводностью крови, а также степенью кровенаполнения сосудов (Полищук В.И., Терехова А.Г. Техника и методика реографии и реоплетизмографии, Москва, Медицина, 1983, 176 с.). Степень кровенаполнения не зависит от частоты зондирующего тока, а так как используется отношение амплитуд переменных составляющих сопротивления на частотах 20-40 кГц и 200-300 кГц, то это отношение будет определяться электрическими свойствами крови. Переменный ток частотой ниже 40 кГц распространяется преимущественно по сосудам, клетки являются для него непроводящей средой, так как их удельное сопротивление значительно выше удельного сопротивления жидких сред на этих частотах. Таким образом, электропроводность крови определяется электропроводностью плазмы, эритроциты являются непроводящей средой. На частотах ниже 20 кГц увеличивается сопротивление кожи, выше 40 кГц - часть тока, проходящего через клетки, что искажает результат. На частотах 200-300 кГц эритроциты начинают принимать участие в актах проводимости (Иванов Г.Г., Мещеряков Г.Н., Кравченко И.Р. и др., Биоимпедансметрия в оценке водных секторов организма, Анестезиология и реаниматология, 1999, 3, с. 59). Верхний предел ограничения обуславливается тем, что свыше 300 кГц изменений электропроводности не наблюдается.[0058] It is known from the prior art that the variable component of the resistance of the human body is determined mainly by the electrical conductivity of the blood, as well as the degree of blood filling of the vessels (Polishchuk V.I., Terekhova A.G. Technique and methodology of rheography and rheoplethysmography, Moscow, Medicine, 1983, 176 p.). The degree of blood filling does not depend on the frequency of the probing current, and since the ratio of the amplitudes of the variable resistance components at frequencies of 20-40 kHz and 200-300 kHz is used, this ratio will be determined by the electrical properties of the blood. Alternating current with a frequency below 40 kHz spreads mainly through vessels; cells are a non-conducting medium for it, since their resistivity is significantly higher than the resistivity of liquid media at these frequencies. Thus, the electrical conductivity of blood is determined by the electrical conductivity of plasma; red blood cells are a non-conducting medium. At frequencies below 20 kHz, the skin resistance increases, above 40 kHz - part of the current passing through the cells, which distorts the result. At frequencies of 200-300 kHz, red blood cells begin to take part in conduction acts (Ivanov G.G., Meshcheryakov G.N., Kravchenko I.R. et al., Bioimpedancemetry in assessing the water sectors of the body, Anesthesiology and Reanimatology, 1999, 3, p. 59). The upper limit of the limitation is determined by the fact that above 300 kHz no changes in electrical conductivity are observed.
[0059] Оптические характеристики биологической ткани получают с помощью PPG-сигналов на по меньшей мере двух длинах волн. PPG-датчик детектирует свет на упомянутых по меньшей мере двух длинах волн с получением набора детектированных PPG-сигналов во временной области. Затем с помощью встроенного в умные часы процессора, который используется и для последующих этапов обработки оптических сигналов, выбирают опорный PPG-сигнал на определенной длине волны. Опорный PPG-сигнал выбирают среди всех доступных сигналов на разных длинах волн на основе наилучшего отношения сигнал/шум, самой высокой амплитуды и минимальных шумов (чаще всего это сигнал на длине волны зеленого света). Затем PPG-сигналы преобразуют из временной области в частотную область, используя преобразование Фурье или другие частотные преобразования, например, преобразование Гильберта-Хуанга и др.[0059] Optical characteristics of biological tissue are obtained using PPG signals at at least two wavelengths. The PPG sensor detects light at the at least two wavelengths to produce a set of detected PPG signals in the time domain. Then, using the processor built into the smartwatch, which is also used for subsequent stages of optical signal processing, a reference PPG signal at a certain wavelength is selected. The reference PPG signal is selected from among all available signals at different wavelengths based on the best signal-to-noise ratio, highest amplitude, and minimum noise (most often a signal at the green light wavelength). The PPG signals are then converted from the time domain to the frequency domain using the Fourier transform or other frequency transforms such as the Hilbert-Huang transform, etc.
[0060] В частотной области определяют положение первой гармоники (основной составляющей) f0 по опорному PPG-сигналу и используют его для анализа сигналов на других длинах волн. Исходя из положения первой гармоники f0, определяют амплитудно-фазовые характеристики гармоник всех полученных оптических сигналов. Таким образом для всех комбинаций длин волн PPG-сигнала и гармоник получают набор характеристик который однозначно описывает форму пульсовой волны на каждой длине волны X.[0060] In the frequency domain, the position of the first harmonic (fundamental component) f 0 is determined from the reference PPG signal and used to analyze signals at other wavelengths. Based on the position of the first harmonic f 0 , the amplitude-phase characteristics of the harmonics of all received optical signals are determined. Thus, for all combinations of wavelengths of the PPG signal and harmonics, a set of characteristics is obtained which uniquely describes the shape of the pulse wave at each wavelength X.
[0061] Таким образом, в результате обработки зарегистрированных PPG- и BIA-датчиками сигналов формируют набор характеристик молекулярного и клеточного строения (структуры) крови, который используют для прогнозирования параметров крови (гемоглобина, гематокрита, общего объема эритроцитов, объема плазмы, числа эритроцитов и т.п.). Указанный набор характеристик включает в себя по меньшей мере один параметр импеданса тела пользователя, например, величины (Z) модуля импеданса тела пользователя, фазового угла (ϕ) импеданса тела пользователя на определенных частотах (по меньшей мере на двух частотах из диапазонов 20-40 кГц и 200-300 кГц соответственно), общего количества воды (объема жидкости) в организме (TBW), отношения количества внутриклеточной жидкости (ICW) к количеству внеклеточной жидкости (ECW), величину первой гармоники (f0), величину амплитудно-фазовых характеристик (tλ 0) гармоник (по меньшей мере амплитуда и полная энергия по меньшей мере двух гармоник в пределах спектральной полосы, заданной относительно центральной частоты, положение которой определяется опорной частотой, соответствующей ЧСС) по меньшей мере двух PPG-сигналов с различными длинами волн.[0061] Thus, as a result of processing the signals registered by PPG and BIA sensors, a set of characteristics of the molecular and cellular structure (structure) of blood is formed, which is used to predict blood parameters (hemoglobin, hematocrit, total volume of red blood cells, plasma volume, number of red blood cells and etc.). The specified set of characteristics includes at least one parameter of the user's body impedance, for example, the value (Z) of the user's body impedance module, the phase angle (ϕ) of the user's body impedance at certain frequencies (at least at two frequencies from the ranges of 20-40 kHz and 200-300 kHz, respectively), the total amount of water (fluid volume) in the body (TBW), the ratio of the amount of intracellular fluid (ICW) to the amount of extracellular fluid (ECW), the value of the first harmonic (f 0 ), the value of amplitude-phase characteristics ( t λ 0 ) harmonics (at least the amplitude and total energy of at least two harmonics within a spectral band specified relative to the central frequency, the position of which is determined by the reference frequency corresponding to the heart rate) of at least two PPG signals with different wavelengths.
[0062] Под молекулярным строением подразумевается наличие и концентрация молекул красителя (гемоглобина, или другого компонента) в крови. Под клеточным строением подразумевается пространственное распределение молекул красителя в потоке крови. Поскольку краситель (в частности, гемоглобин) не распределен однородно по всему объему ткани, а локализован в структуре определенных клеток крови (эритроцитов), характер взаимодействия красителя с зондирующим излучением (как оптическим, так и электрическим), зависит как от концентрации красителя, так и от его пространственного распределения. Оптический сигнал PPG-датчика преимущественно чувствителен к молекулярному строению крови, т.е. концентрации красителя. При этом характер обратно рассеянного излучения (в первую очередь, но не только, угловое распределение), детектируемого PPG-датчиком, зависит от пространственного распределения красителя. Но поскольку PPG-датчик не обладает угловой селективностью, разделить влияние молекулярного и клеточного строения крови на сигнал PPG-датчика в явном виде не представляется возможным. При этом сигнал BIA-датчика преимущественно чувствителен к клеточному строению крови при практическом полном отсутствии чувствительности к ее молекулярному строению. Таким образом, учет характеристик клеточного строения крови (неоднородности пространственного распределения красителя) через сигнал BIA-датчика позволяет корректно определять концентрацию красителя (молекулярное строение крови). Иными словами, можно сформулировать следующее утверждение, что набор характеристик, извлекаемых из оптического сигнала PPG-датчика, описывает как молекулярное, так и клеточное строение крови, а набор характеристик, выделяемых из электрического сигнала BIA-датчика, описывает клеточное строение крови.[0062] By molecular structure we mean the presence and concentration of dye molecules (hemoglobin or other component) in the blood. Cellular structure refers to the spatial distribution of dye molecules in the blood stream. Since the dye (in particular, hemoglobin) is not distributed uniformly throughout the entire tissue volume, but is localized in the structure of certain blood cells (erythrocytes), the nature of the interaction of the dye with the probing radiation (both optical and electrical) depends on both the concentration of the dye and on its spatial distribution. The optical signal of the PPG sensor is predominantly sensitive to the molecular structure of the blood, i.e. dye concentration. In this case, the nature of the backscattered radiation (primarily, but not only, the angular distribution) detected by the PPG sensor depends on the spatial distribution of the dye. But since the PPG sensor does not have angular selectivity, it is not possible to explicitly separate the influence of the molecular and cellular structure of the blood on the PPG sensor signal. At the same time, the signal from the BIA sensor is predominantly sensitive to the cellular structure of the blood with an almost complete lack of sensitivity to its molecular structure. Thus, taking into account the characteristics of the cellular structure of the blood (heterogeneity of the spatial distribution of the dye) through the signal of the BIA sensor allows one to correctly determine the concentration of the dye (the molecular structure of the blood). In other words, we can formulate the following statement that the set of characteristics extracted from the optical signal of the PPG sensor describes both the molecular and cellular structure of blood, and the set of characteristics extracted from the electrical signal of the BIA sensor describes the cellular structure of blood.
[0063] Предлагаемые носимое устройство, способ и система обеспечивают возможность персонального, непрофессионального применения и возможность мгновенного или непрерывного определения параметров крови, например, концентрации гемоглобина (cHb), общей массы гемоглобина (tHb), гематокрита (НСТ), общего объема крови (BV), объема плазмы (PV), средней концентрации гемоглобина в эритроцитах (МСНС) и т.д. с высокой точностью даже при оценке краевых значений определяемых параметров.[0063] The proposed wearable device, method and system provide the possibility of personal, non-professional use and the ability to instantaneously or continuously determine blood parameters, for example, hemoglobin concentration (cHb), total hemoglobin mass (tHb), hematocrit (HBT), total blood volume (BV ), plasma volume (PV), mean erythrocyte hemoglobin concentration (MCHC), etc. with high accuracy even when estimating the marginal values of the parameters being determined.
Краткое описание чертежейBrief description of drawings
[0064] Вышеописанные и другие признаки и преимущества настоящего изобретения будут пояснены в последующем описании со ссылкой на прилагаемые чертежи. Приведенные конкретные примерные варианты осуществления заявленного изобретения, рассматриваемые вместе с чертежами, не предназначены для ограничения объема изобретения. Исходя из изучения представленного описания, специалистам будут очевидны дополнительные варианты осуществления, модификации или эквиваленты настоящего изобретения, и все такие варианты осуществления, модификации и эквиваленты считаются включенными в настоящее изобретение.[0064] The above and other features and advantages of the present invention will be explained in the following description with reference to the accompanying drawings. The following specific exemplary embodiments of the claimed invention, taken in conjunction with the drawings, are not intended to limit the scope of the invention. Upon examination of the present description, additional embodiments, modifications or equivalents of the present invention will be apparent to those skilled in the art, and all such embodiments, modifications and equivalents are deemed to be included in the present invention.
[0065] Чертежи предоставлены исключительно для помощи в понимании описания, и их не следует никоим образом рассматривать в качестве ограничения объема изобретения. На чертежах изображено следующее:[0065] The drawings are provided solely to assist in understanding the specification and should not be construed in any way as limiting the scope of the invention. The drawings show the following:
Фиг. 1 схематично иллюстрирует зависимость формы PPG-сигнала от длины волны и пользователя.Fig. 1 schematically illustrates the dependence of the PPG signal waveform on wavelength and user.
Фиг. 2А схематично иллюстрирует спектры поглощения цельной крови при разных концентрациях гемоглобина; фиг. 2Б схематично иллюстрирует спектры поглощения биологической ткани (кровь+другие компоненты) при одинаковой концентрации гемоглобина.Fig. 2A schematically illustrates the absorption spectra of whole blood at different hemoglobin concentrations; fig. 2B schematically illustrates the absorption spectra of biological tissue (blood + other components) at the same hemoglobin concentration.
Фиг. 3А схематично иллюстрирует первый традиционный подход к обработке PPG-сигнала; фиг. 3Б схематично иллюстрирует второй традиционный подход к обработке PPG-сигнала.Fig. 3A schematically illustrates a first conventional approach to processing a PPG signal; fig. 3B schematically illustrates a second conventional approach to processing a PPG signal.
Фиг.4А иллюстрирует эффект использования первого традиционного подхода к обработке PPG-сигнала применительно к определению концентрации гемоглобина по фиг. 3А; фиг. 4Б иллюстрирует эффект использования второго традиционного подхода к обработке PPG-сигнала применительно к определению концентрации гемоглобина по фиг. 3Б. На фиг. 4Б термин «критическая точка» означает набор критических точек для формы кривой сигнала на каждой из указанных длин волн.FIG. 4A illustrates the effect of using the first conventional PPG signal processing approach to determine the hemoglobin concentration of FIG. 3A; fig. 4B illustrates the effect of using the second conventional PPG signal processing approach as applied to the determination of hemoglobin concentration in FIG. 3B. In fig. 4B, the term “critical point” means a set of critical points for the waveform of a signal at each of the specified wavelengths.
Фиг. 5 схематично иллюстрирует этап преобразования PPG-сигнала из временной в частотную область.Fig. 5 schematically illustrates the step of converting a PPG signal from time to frequency domain.
Фиг. 6 иллюстрирует ключевые этапы преобразования PPG-сигнала.Fig. 6 illustrates the key stages of PPG signal conversion.
Фиг. 7 иллюстрирует ключевую особенность этапа преобразования по фиг.5.Fig. 7 illustrates a key feature of the conversion step of FIG. 5.
Фиг. 8 иллюстрирует особенность преобразования PPG-сигнала в частотную область.Fig. 8 illustrates the feature of converting a PPG signal into the frequency domain.
Фиг. 9 иллюстрирует особенности анализа сигнала в частотной области.Fig. 9 illustrates the features of signal analysis in the frequency domain.
Фиг. 10А, Б иллюстрируют блок-схему и схематическое изображение носимого устройства с функцией определения параметров крови. Фиг. 10В иллюстрирует расположение электродов BIA-датчика в часах Samsung.Fig. 10A, B illustrate a block diagram and a schematic diagram of a wearable device with a blood parameter detection function. Fig. 10B illustrates the location of the BIA sensor electrodes in a Samsung watch.
Фиг. 11 иллюстрирует примерную схему для измерения BIA-сигналов в носимом устройстве по фиг.10.Fig. 11 illustrates an exemplary circuit for measuring BIA signals in the wearable device of FIG. 10.
Фиг. 12 иллюстрирует график отклонений значений гемоглобина, измеренных неинвазивными устройствами уровня техники для множества волонтеров, от уровней гемоглобина, измеренного с помощью лабораторного анализа, в зависимости от среднего значения этих попарных измерений.Fig. 12 illustrates a graph of the deviation of hemoglobin values measured by non-invasive devices of the prior art for a plurality of volunteers from hemoglobin levels measured by laboratory analysis as a function of the average of these pairwise measurements.
Фиг. 13 иллюстрирует графики значений гемоглобина, измеренных неинвазивными устройствами уровня техники для множества волонтеров с низким гемоглобином (верхний график) и с нормальным гемоглобином (нижний график).Fig. 13 illustrates graphs of hemoglobin values measured by non-invasive devices of the prior art for a variety of volunteers with low hemoglobin (upper graph) and with normal hemoglobin (lower graph).
Фиг. 14 иллюстрирует ключевые особенности (КО) определения параметров крови согласно настоящему раскрытию.Fig. 14 illustrates the key features (KO) of determining blood parameters according to the present disclosure.
Фиг. 15 подробнее иллюстрирует КO1 согласно настоящему раскрытию.Fig. 15 illustrates KO1 according to the present disclosure in more detail.
Фиг. 16 подробнее иллюстрирует КО2 согласно настоящему раскрытию.Fig. 16 illustrates CO2 according to the present disclosure in more detail.
Фиг. 17 подробнее иллюстрирует построение прогнозирующей модели по К02 согласно настоящему раскрытию.Fig. 17 illustrates in more detail the construction of a predictive model for K02 according to the present disclosure.
Фиг. 18 иллюстрирует результаты определения уровня гемоглобина с использованием прогнозирующей модели согласно настоящему раскрытию.Fig. 18 illustrates the results of determining a hemoglobin level using a predictive model according to the present disclosure.
Фиг. 19 иллюстрирует вариант осуществления 1 согласно настоящему раскрытию.Fig. 19 illustrates Embodiment 1 according to the present disclosure.
Фиг. 20 иллюстрирует вариант осуществления 2 согласно настоящему раскрытию.Fig. 20 illustrates embodiment 2 according to the present disclosure.
Фиг. 21 иллюстрирует потенциальный вариант осуществления 3 согласно настоящему раскрытию.Fig. 21 illustrates a potential embodiment 3 according to the present disclosure.
Фиг. 22 иллюстрирует результаты определения уровня гемоглобина в течение дня для волонтера с низким гемоглобином с помощью устройства уровня техники (верхний график) и с помощью носимого устройства, использующего прогнозирующую модельсогласно настоящему раскрытию (нижний график).Fig. 22 illustrates the results of determining hemoglobin levels throughout the day for a volunteer with low hemoglobin using a prior art device (upper graph) and using a wearable device using the predictive model of the present disclosure (lower graph).
Фиг. 23 иллюстрирует относительное изменение объема крови, объема плазмы и объема эритроцитов у спортсмена в зависимости от количества дней тренировок.Fig. 23 illustrates the relative change in blood volume, plasma volume and red blood cell volume in an athlete depending on the number of days of training.
Фиг. 24 схематично иллюстрирует особенности использования PPG- и В1А-датчиков в носимом устройстве.Fig. 24 schematically illustrates the features of using PPG and B1A sensors in a wearable device.
Подробное описание вариантов осуществления изобретенияDetailed Description of Embodiments of the Invention
[0066] Предлагаемое изобретение представляет собой носимое устройство с функцией определения по меньшей мере одного параметра крови пользователя, содержащее по меньшей мере один фотоплетизмографический (PPG) датчик, выполненный с возможностью облучать ткань пользователя излучением по меньшей мере двух различных длин волн и регистрировать по меньшей мере два оптических PPG-сигнала на упомянутых по меньшей мере двух различных длинах волн в режиме отражения, биоимпедансный (BIA) датчик, содержащий две пары электродов и выполненный с возможностью пропускать переменный ток через тело пользователя и регистрировать соответствующие электрические сигналы, при этом носимое устройство выполнено с возможностью извлекать из зарегистрированных упомянутыми датчиками сигналов характеристики молекулярного и клеточного строения крови и формировать набор характеристик строения крови, определяющих состояние строения крови, определять значение по меньшей мере одного параметра крови пользователя, исходя из полученного набора характеристик молекулярного и клеточного строения крови и информации из заранее скомпилированной базы данных.[0066] The present invention is a wearable device with the function of determining at least one parameter of the user's blood, containing at least one photoplethysmographic (PPG) sensor configured to irradiate the user's tissue with radiation of at least two different wavelengths and record at least two optical PPG signals at said at least two different wavelengths in a reflective mode, a bioimpedance (BIA) sensor comprising two pairs of electrodes and configured to pass alternating current through the user's body and detect corresponding electrical signals, wherein the wearable device is configured with the ability to extract characteristics of the molecular and cellular structure of blood from the signals registered by the mentioned sensors and form a set of characteristics of the structure of blood that determine the state of the structure of the blood, determine the value of at least one parameter of the user’s blood based on the obtained set of characteristics of the molecular and cellular structure of blood and information from pre-compiled Database.
[0067] Согласно варианту осуществления, носимое устройство дополнительно содержит корпус, процессор, батарею и запоминающее устройство, размещенные в корпусе.[0067] According to an embodiment, the wearable device further comprises a housing, a processor, a battery and a storage device housed in the housing.
[0068] Согласно варианту осуществления, упомянутый по меньшей мере один параметр крови представляет собой концентрацию гемоглобина (cHb), общую массу гемоглобина (tHb), гематокрит (НСТ), общий объем эритроцитов (tEV), объем плазмы (PV).[0068] According to an embodiment, the at least one blood parameter is hemoglobin concentration (cHb), total hemoglobin mass (tHb), hematocrit (HCT), total red blood cell volume (tEV), plasma volume (PV).
[0069] Согласно варианту осуществления, определение значений параметров крови основано на сравнении сформированного набора характеристик строения крови с наборами характеристик строения крови из базы данных с помощью обученной прогнозирующей модели; при этом база данных представляет собой базу данных, в которой наборы характеристик строения крови сопоставлены с конкретными опорными значениями по меньшей мере одного параметра крови для множества пользователей, определенными лабораторным методом.[0069] According to an embodiment, the determination of blood parameter values is based on comparing the generated set of blood structure characteristics with sets of blood structure characteristics from the database using a trained predictive model; wherein the database is a database in which sets of blood structure characteristics are compared with specific reference values of at least one blood parameter for a plurality of users, determined by a laboratory method.
[0070] Согласно варианту осуществления, обучение прогнозирующей модели проводят по скомпилированной базе данных с помощью алгоритма машинного обучения или нейронной сети.[0070] In an embodiment, the predictive model is trained on a compiled database using a machine learning algorithm or a neural network.
[0071] Согласно варианту осуществления, скомпилированная база данных содержит данные профиля множества пользователей.[0071] According to an embodiment, the compiled database contains profile data of a plurality of users.
[0072] Согласно варианту осуществления, носимое устройство выполнено свозможностью, при обработке PPG-сигналов и извлечении характеристик молекулярного строения крови, преобразовывать упомянутые по меньшей мере два PPG-сигнала из временной области в частотную область или частотно-временную область, выбирать из всех PPG-сигналов наиболее значимый сигнал и использовать его в качестве опорного сигнала, извлекать из опорного сигнала гармоники и использовать их в качестве координат, осуществлять разложение всех PPG-сигналов по упомянутым координатам с получением набора амплитудно-фазовых характеристик гармоник, описывать преобразованные PPG-сигналы относительно гармоник с получением набора характеристик молекулярного строения крови.[0072] According to an embodiment, the wearable device is configured to, when processing PPG signals and extracting characteristics of the molecular structure of blood, convert the at least two PPG signals from the time domain to the frequency domain or time-frequency domain, select from all PPGs signals the most significant signal and use it as a reference signal, extract harmonics from the reference signal and use them as coordinates, decompose all PPG signals along the mentioned coordinates to obtain a set of amplitude-phase characteristics of harmonics, describe the converted PPG signals relative to harmonics with obtaining a set of characteristics of the molecular structure of blood.
[0073] Согласно варианту осуществления, носимое устройство выполнено с возможностью, при обработке PPG-сигналов и извлечении характеристик молекулярного строения крови, определять величину основной (первой) гармоники (f0), величину амплитудно-фазовых характеристик (tλ 0) гармоник по меньшей мере двух PPG-сигналов с различными длинами волн.[0073] According to an embodiment, the wearable device is configured to, when processing PPG signals and extracting characteristics of the molecular structure of blood, determine the value of the fundamental (first) harmonic (f 0 ), the value of the amplitude-phase characteristics (t λ 0 ) of harmonics at least at least two PPG signals with different wavelengths.
[0074] Согласно варианту осуществления, носимое устройство выполнено с возможностью, при обработке BIA-сигналов и извлечении характеристик клеточного строения крови, регистрировать падение напряжения на электродах с получением по меньшей мере одного параметра импеданса тела пользователя, такого как величина (Z) модуля импеданса тела пользователя, фазовый угол (ϕ) импеданса тела пользователя на разных частотах, и рассчитывать общее количество жидкости в организме (TBW), отношение количества внутриклеточной жидкости (ICW) к количеству внеклеточной жидкости (ECW).[0074] According to an embodiment, the wearable device is configured, when processing BIA signals and extracting blood cellular characteristics, to detect a voltage drop across the electrodes to obtain at least one body impedance parameter of the user, such as a body impedance modulus (Z) value user, the phase angle (ϕ) of the user's body impedance at different frequencies, and calculate the total body fluid (TBW), the ratio of the amount of intracellular fluid (ICW) to the amount of extracellular fluid (ECW).
[0075] Согласно варианту осуществления, упомянутые разные частоты находятся в диапазонах 20-40 кГц и 200-300 кГц соответственно.[0075] According to an embodiment, said different frequencies are in the ranges of 20-40 kHz and 200-300 kHz, respectively.
[0076] Согласно варианту осуществления, упомянутый по меньшей мере один PPG-датчик содержит по меньшей мере один источник излучения, содержащий два или более с вето излучающих диода, и по меньшей мере один приемник излучения, предпочтительно представляющий собой широкополосный фотоприемник.[0076] According to an embodiment, said at least one PPG sensor comprises at least one radiation source comprising two or more veto-emitting diodes, and at least one radiation receiver, preferably a broadband photodetector.
[0077] Согласно варианту осуществления, упомянутые различные длины волн могут находиться в диапазонах видимого излучения (приблизительно 400-800 нм), ближнего ИК-излучения (приблизительно 800-1700 нм) и коротковолнового ИК-излучения (приблизительно 1700-2500 нм). В варианте осуществления одна из упомянутых различных длин волн предпочтительно находится в диапазоне 495-570 нм, а более предпочтительно составляет 530 нм.[0077] According to an embodiment, said different wavelengths may be in the ranges of visible radiation (approximately 400-800 nm), near-infrared radiation (approximately 800-1700 nm) and short-wave infrared radiation (approximately 1700-2500 nm). In an embodiment, one of said different wavelengths is preferably in the range of 495-570 nm, and more preferably is 530 nm.
[0078] Согласно варианту осуществления, преобразование PPG-сигналов из временной области в частотную область содержит преобразование Фурье или преобразование Гильберта-Хуанга, а преобразование в частотно-временную область содержит вейвлет-преобразование, наиболее значимый сигнал характеризуется наилучшим отношением сигнал/шум, самой высокой амплитудой и/или наименьшими шумами, извлечение гармоник из опорного сигнала включает определение координаты основнойгармоники и вычисление координат других гармоник, описание PPG-сигналов относительно гармоник включает измерение для каждой гармоники амплитуды, площади кривой, ширины на половине высоты пика и/или отношения сигнал/шум с получением набора амплитудно-фазовых характеристик гармоник.[0078] According to an embodiment, the transformation of PPG signals from the time domain to the frequency domain comprises a Fourier transform or a Hilbert-Huang transform, and the transformation to the time-frequency domain comprises a wavelet transform, the most significant signal having the best signal-to-noise ratio, the highest amplitude and/or least noise, extracting harmonics from a reference signal involves determining the coordinates of the fundamental harmonic and calculating the coordinates of other harmonics, describing PPG signals relative to harmonics includes measuring for each harmonic the amplitude, curve area, peak width at half height, and/or signal-to-noise ratio with obtaining a set of amplitude-phase characteristics of harmonics.
[0079] Согласно варианту осуществления, носимое устройство дополнительно содержит запоминающее устройство, выполненное с возможностью хранить базу данных.[0079] According to an embodiment, the wearable device further includes a storage device configured to store a database.
[0080] Согласно варианту осуществления, носимое устройство дополнительно выполнено с возможностью коррелировать определенное значение параметра крови с использованием значения параметра крови, полученного лабораторным методом, обновлять базу данных и уточнять прогнозирующую модель с использованием алгоритма машинного обучения или нейронной сети.[0080] According to an embodiment, the wearable device is further configured to correlate a determined blood parameter value using a laboratory-derived blood parameter value, update the database, and refine the predictive model using a machine learning algorithm or neural network.
[0081] Согласно варианту осуществления, носимое устройство дополнительно содержит устройство ввода и вывода, выполненное с возможностью вводить данные профиля пользователя и отображать определенное значение параметра крови, и модуль связи, выполненный с возможностью обмениваться информацией с удаленным сервером и/или облачным хранилищем.[0081] According to an embodiment, the wearable device further comprises an input and output device configured to input user profile data and display a determined blood parameter value, and a communication module configured to exchange information with a remote server and/or cloud storage.
[0082] Согласно варианту осуществления, носимое устройство выполнено с возможностью размещаться на запястье.[0082] According to an embodiment, the wearable device is configured to be placed on the wrist.
[0083] Согласно варианту осуществления, носимое устройство представляет собой смарт-устройство, предпочтительно умные часы или фитнес-браслет.[0083] According to an embodiment, the wearable device is a smart device, preferably a smart watch or a fitness tracker.
[0084] Предлагаемое изобретение также относится к способу определения по меньшей мере одного параметра крови пользователя, включающему этапы, на которых облучают ткань пользователя излучением по меньшей мере двух различных длин волн, детектируют фотоплетизмографические (PPG) сигналы во временной области на упомянутых по меньшей мере двух различных длинах волн в режиме отражения, преобразуют детектированные PPG-сигналы из временной области в частотную область, описывают преобразованные PPG-сигналы относительно гармоник с извлечением набора характеристик молекулярного строения крови, пропускают переменный ток через тело пользователя, регистрируют соответствующие биоимпедансные (BIA) электрические сигналы, вызванные пропусканием переменного тока, описывают зарегистрированные BIA-сигналы с извлечением набора характеристик клеточного строения крови, формируют набор характеристик молекулярного и клеточного строения крови, определяющих состояние строения крови, определяют значение по меньшей мере одного параметра крови пользователя, исходя из полученного набора характеристик молекулярного и клеточного строения крови и информации заранее скомпилированной базы данных.[0084] The present invention also relates to a method for determining at least one blood parameter of a user, comprising the steps of irradiating the user's tissue with radiation of at least two different wavelengths, detecting photoplethysmographic (PPG) signals in the time domain at the at least two different wavelengths in reflection mode, convert the detected PPG signals from the time domain to the frequency domain, describe the converted PPG signals with respect to harmonics to extract a set of characteristics of the molecular structure of blood, pass alternating current through the user’s body, record the corresponding bioimpedance (BIA) electrical signals, caused by the passage of alternating current, describe the registered BIA signals with extracting a set of characteristics of the cellular structure of blood, form a set of characteristics of the molecular and cellular structure of blood that determine the state of the blood structure, determine the value of at least one parameter of the user’s blood based on the obtained set of molecular and cellular characteristics blood structure and information from a pre-compiled database.
[0085] Согласно варианту осуществления способа, на этапе описания PPG-сигналов и извлечения характеристик молекулярного строения крови выбирают из всех PPG-сигналов наиболее значимый сигнал и используют его в качестве опорного сигнала, извлекают из опорного сигнала гармоники и используют их в качестве координат, раскладывают все PPG-сигналы по упомянутым координатам и определяют величинуосновной гармоники (f0), величину амплитудно-фазовых характеристик гармоник по меньшей мере двух PPG-сигналов с различными длинами волн, на этапе описания BIA-сигналов и извлечении характеристик клеточного строения крови получают по меньшей мере один параметр импеданса тела пользователя, такой как величина (Z) модуля импеданса тела пользователя, фазовый угол (ϕ) импеданса тела пользователя на разных частотах, и рассчитывают общее количество жидкости в организме (TBW), отношение количества внутриклеточной жидкости (ICW) к количеству внеклеточной жидкости (ECW).[0085] According to an embodiment of the method, at the stage of describing PPG signals and extracting characteristics of the molecular structure of blood, the most significant signal is selected from all PPG signals and used as a reference signal, harmonics are extracted from the reference signal and used as coordinates, and laid out all PPG signals at the mentioned coordinates and determine the value of the fundamental harmonic (f 0 ), the magnitude of the amplitude-phase characteristics of the harmonics of at least two PPG signals with different wavelengths, at the stage of describing the BIA signals and extracting the characteristics of the cellular structure of the blood are obtained at least one parameter of the user's body impedance, such as the magnitude (Z) of the user's body impedance modulus, the phase angle (ϕ) of the user's body impedance at different frequencies, and calculate the total body fluid (TBW), the ratio of the amount of intracellular fluid (ICW) to the amount of extracellular fluid liquids (ECW).
[0086] Согласно варианту осуществления способа, на этапе определения значения параметров крови сравнивают сформированный набор характеристик строения крови с наборами характеристик строения крови из заранее скомпилированной базы данных, каждый из которых соответствует конкретному опорному значению по меньшей мере одного параметра крови для множества пользователей, определенному лабораторным методом, с помощью обученной прогнозирующей модели.[0086] According to an embodiment of the method, at the stage of determining the value of blood parameters, the generated set of blood structure characteristics is compared with sets of blood structure characteristics from a pre-compiled database, each of which corresponds to a specific reference value of at least one blood parameter for a plurality of users, determined by the laboratory method using a trained predictive model.
[0087] Согласно варианту осуществления способа, облучение осуществляют с помощью по меньшей мере одного источника излучения, представляющего собой два или более светоизлучающих диода, а детектирование PPG-сигналов осуществляют с помощью по меньшей мере одного приемника излучения, предпочтительно представляющего собой широкополосный фотоприемник.[0087] According to an embodiment of the method, irradiation is carried out using at least one radiation source, which is two or more light-emitting diodes, and detection of PPG signals is carried out using at least one radiation receiver, preferably a broadband photodetector.
[0088] Согласно варианту осуществления способа, преобразование PPG-сигналов из временной области в частотную область осуществляют путем преобразования Фурье или преобразования Гильберта-Хуанга, а преобразование в частотно-временную область осуществляют путем вейвлет-преобразования, наиболее значимый сигнал характеризуется наилучшим отношением сигнал/шум, самой высокой амплитудой и/или наименее затронут шумами, извлечение гармоник из опорного сигнала включает определение координаты основной гармоники и вычисление координат других гармоник, описание PPG-сигналов относительно гармоник включает измерение для каждой гармоники амплитуды, площади кривой, ширины на половине высоты пика и/или отношения сигнал/шум с получением набора амплитудно-фазовых характеристик гармоник.[0088] According to an embodiment of the method, the conversion of PPG signals from the time domain to the frequency domain is carried out by the Fourier transform or the Hilbert-Huang transform, and the conversion to the time-frequency domain is carried out by the wavelet transform, the most significant signal having the best signal-to-noise ratio , highest amplitude and/or least affected by noise, extracting harmonics from a reference signal involves determining the coordinate of the fundamental harmonic and calculating the coordinates of other harmonics, describing PPG signals relative to harmonics includes measuring for each harmonic amplitude, curve area, peak width at half height, and/or or signal-to-noise ratio to obtain a set of amplitude-phase characteristics of harmonics.
[0089] Согласно варианту осуществления, способ дополнительно включает осуществление корреляции определенного значения упомянутого по меньшей мере одного параметра крови с использованием значения параметра крови, полученного лабораторным методом, обновление базы данных и уточнение прогнозирующей модели с помощью алгоритма машинного обучения или нейронной сети.[0089] According to an embodiment, the method further includes correlating the determined value of the at least one blood parameter using a laboratory-derived blood parameter value, updating the database, and refining the predictive model using a machine learning algorithm or neural network.
[0090] Предлагаемое изобретение дополнительно относится к системе для определения значения по меньшей мере одного параметра крови пользователя, содержащей вышеупомянутое носимое устройство и удаленный сервер и/или облачное хранилище, при этом система содержит средства обмена информацией между носимым устройством и удаленным сервером и/или облачным хранилищем.[0090] The present invention further relates to a system for determining the value of at least one parameter of a user's blood, comprising the aforementioned wearable device and a remote server and/or cloud storage, wherein the system contains means for exchanging information between the wearable device and the remote server and/or cloud storage storage.
[0091] Согласно варианту осуществления системы, база данных предназначена для хранения на запоминающем устройстве, удаленном сервере и/или в облачном хранилище ивыполнена с возможностью доступа к данным пользователя с внешних устройств через удаленный сервер и/или облачное хранилище.[0091] According to an embodiment of the system, the database is designed to be stored on a storage device, a remote server and/or cloud storage and is configured to access user data from external devices through the remote server and/or cloud storage.
[0092] Согласно варианту осуществления системы, на запоминающем устройстве, удаленном сервере и/или в облачном хранилище хранятся данные профиля пользователя и результаты предыдущих определений значения упомянутого по меньшей мере одного параметра крови.[0092] According to an embodiment of the system, user profile data and the results of previous determinations of the value of the at least one blood parameter are stored on the storage device, remote server and/or cloud storage.
[0093] Согласно варианту осуществления, система дополнительно содержит средства для доступа к данным профиля пользователя и результатам предыдущих определений значения упомянутого по меньшей мере одного параметра крови с других электронных устройств.[0093] According to an embodiment, the system further includes means for accessing user profile data and the results of previous determinations of the value of the at least one blood parameter from other electronic devices.
[0094] Предлагаемые носимое устройство, способ и система обеспечивают возможность неинвазивного, точного мгновенного или непрерывного контроля различных параметров крови, таких как, например, концентрация гемоглобина (cHb), общая масса гемоглобина (tHb), гематокрит (НСТ), общий объем эритроцитов (tEV), объем крови (BV), объем плазмы (PV) даже при краевых значениях контролируемых параметров и подходят для непрофессионального применения.[0094] The proposed wearable device, method and system provide the ability to non-invasively, accurately, instantaneously or continuously monitor various blood parameters, such as, for example, hemoglobin concentration (cHb), total hemoglobin mass (tHb), hematocrit (HCT), total red blood cell volume ( tEV), blood volume (BV), plasma volume (PV) even at the extreme values of the controlled parameters and are suitable for non-professional use.
[0095] Далее со ссылкой на чертежи будут описаны особенности настоящего раскрытия и примерные варианты осуществления изобретения. Специалистам в данной области техники будет понятно, что различные примерные варианты осуществления не следует истолковывать как ограничивающие объем заявляемого изобретения, и что специалистами могут быть применены другие материальные и технические средства, эквивалентные или аналогичные перечисленным ниже, для выполнения различных операций, функций, этапов способа и т.п., описанных ниже. Настоящее подробное описание не предназначено для ограничения объема заявленного изобретения, который определяется только прилагаемой формулой изобретения.[0095] Features of the present disclosure and exemplary embodiments of the invention will now be described with reference to the drawings. Those skilled in the art will appreciate that the various exemplary embodiments should not be construed as limiting the scope of the claimed invention, and that other material and technical means equivalent or similar to those listed below may be employed by those skilled in the art to perform the various operations, functions, method steps and etc. described below. This detailed description is not intended to limit the scope of the claimed invention, which is defined only by the appended claims.
[0096] Следует отметить, что далее для объяснения принципов настоящего изобретения в основном приведены примеры измерения уровня гемоглобина. Однако, настоящее изобретение не ограничивается этим и может использоваться для определения множества параметров крови (гемоглобина, гематокрита, общего объема эритроцитов, объема плазмы крови, числа эритроцитов и т.п.) пользователя путем прогнозирования на основании введенных характеристик молекулярного и клеточного строения крови (см. таблицу 1), которые включают в себя по меньшей мере один параметр импеданса тела пользователя, такой как величина (Z) модуля импеданса тела пользователя, фазовый угол (ϕ) импеданса тела пользователя на определенных частотах (по меньшей мере на двух частотах, таких как 20-40 кГц и 200-300 кГц), общее количество жидкости в организме (TBW), отношение количества внутриклеточной жидкости (ICW) к количеству внеклеточной жидкости (ECW), величину первой гармоники (f0), величину амплитудно-фазовых характеристик (tλ 0) гармоник (по меньшей мере амплитуда и полная энергия по меньшей мере двух гармоник в пределах спектральной полосы заданной относительно центральной частоты, положение которой определяется опорной частотой, соответствующей ЧСС) по меньшей мере двух PPG-сигналов с различными длинами волн (I).[0096] It should be noted that in the following, examples of hemoglobin level measurement are mainly given to explain the principles of the present invention. However, the present invention is not limited to this and can be used to determine many blood parameters (hemoglobin, hematocrit, total red blood cell volume, blood plasma volume, red blood cell count, etc.) of the user by predicting the molecular and cellular structure of the blood based on the entered characteristics (see . table 1), which include at least one parameter of the user's body impedance, such as the magnitude (Z) of the user's body impedance modulus, the phase angle (ϕ) of the user's body impedance at certain frequencies (at least at two frequencies, such as 20-40 kHz and 200-300 kHz), the total amount of fluid in the body (TBW), the ratio of the amount of intracellular fluid (ICW) to the amount of extracellular fluid (ECW), the value of the first harmonic (f 0 ), the value of amplitude-phase characteristics (t λ 0 ) harmonics (at least the amplitude and total energy of at least two harmonics within the spectral band specified relative to the central frequency, the position of which is determined by the reference frequency corresponding to the heart rate) of at least two PPG signals with different wavelengths (I).
[0097] Амплитудно-фазовые характеристики представляют собой исходные характеристики, извлекаемые из PPG-сигнала на каждой используемой для измерения длине волны, а именно:[0097] Amplitude-phase characteristics represent the original characteristics extracted from the PPG signal at each wavelength used for measurement, namely:
полная мощность (например, площадь под кривой) гармоник на частотах соответственно, где f0 - опорная частота, соответствующая ЧСС; амплитуды гармоник на соответствующих частотах apparent power (e.g. area under the curve) of harmonics at frequencies respectively, where f 0 is the reference frequency corresponding to the heart rate; amplitudes of harmonics at corresponding frequencies
р0 - мощность постоянной составляющей.p 0 - power of the constant component.
Кроме того, для определения параметров крови используют различные производные характеристики (признаки):In addition, to determine blood parameters, various derived characteristics (signs) are used:
[0098] Знание вышеуказанных параметров и характеристик, определяемых по PPG-и BIA-сигналам, обеспечивает возможность точного определения ряда важных параметров крови, например, концентрации гемоглобина (cHb), общей массы гемоглобина (tHb), гематокрита (НСТ), общего объема эритроцитов (tEV), объема крови (BV), объема плазмы (PV) и т.д., в том числе краевых значений указанных параметров.[0098] Knowledge of the above parameters and characteristics determined by PPG and BIA signals makes it possible to accurately determine a number of important blood parameters, for example, hemoglobin concentration (cHb), total hemoglobin mass (tHb), hematocrit (HCT), total red blood cell volume (tEV), blood volume (BV), plasma volume (PV), etc., including the boundary values of these parameters.
[0099] В таблице 1 ниже показан пример совокупности входных данных, используемых для определения параметров крови, и источник их определения. [0099] Table 1 below shows an example of a set of input data used to determine blood parameters and the source of their determination.
[0100] Далее со ссылками на чертежи будут обсуждены особенности измерения PPG- и В1А-сигналов.[0100] Features of measuring PPG and B1A signals will now be discussed with reference to the drawings.
[0101] На фиг. 1 схематично проиллюстрирована зависимость формы PPG-сигнала от длины волны и пользователя. Хорошо видно, что форма волны пульсового сигнала зависит не только от длины волны первичного излучения, но также и от конкретного пользователя. Основными факторами, влияющими на форму PPG-сигнала, являются поглощение и рассеивание излучения в ткани, в том числе крови, гидродинамика кровеносных сосудов, механическая деформация в ткани. При этом, например, концентрацию гемоглобина в крови пациента определяют по поглощению излучения в ткани, а точнее, как будет обсуждено далее, по пульсирующей (АС) составляющей поглощения в артериальной крови, а вклад, вносимый в сигнал за счет рассеивания излучения в ткани, гидродинамики кровеносных сосудов и механической деформации, является источником ошибок и должен быть устранен. С учетом особенностей процессов распространения оптического излучения в биологической ткани, которые будут обсуждаться далее, вышеуказанные процессы в качестве источников ошибок приводят к существенному изменению формы пульсовой волны в зависимости от длины волны, и при этом форма волны специфична в отношении оптических свойств ткани каждого индивидуального пользователя. Таким образом, для корректного измерения концентрации гемоглобина в крови (определяемой поглощением излучения в артериальной крови) необходимо анализировать форму PPG-сигнала. Здесь важными моментами являются следующие: необходимость спектроскопических измерений на множестве длин волн, необходимость учитывать, что на некоторых длинах волн PPG-сигнал может быть очень слабым, сигнал может иметь трудную для обработки форму, необходимость измерять слабый PPG-сигнал, имеющий сложную форму.[0101] In FIG. Figure 1 schematically illustrates the dependence of the PPG signal shape on the wavelength and user. It can be clearly seen that the waveform of the pulse signal depends not only on the wavelength of the primary radiation, but also on the specific user. The main factors influencing the shape of the PPG signal are absorption and scattering of radiation in tissue, including blood, hydrodynamics of blood vessels, and mechanical deformation in tissue. In this case, for example, the concentration of hemoglobin in the patient’s blood is determined by the absorption of radiation in the tissue, or more precisely, as will be discussed below, by the pulsating (AC) component of absorption in arterial blood, and the contribution made to the signal due to the scattering of radiation in the tissue is hydrodynamics blood vessels and mechanical deformation is a source of error and must be eliminated. Taking into account the characteristics of the propagation of optical radiation in biological tissue, which will be discussed below, the above processes as sources of error lead to a significant change in the pulse waveform depending on the wavelength, and the waveform is specific to the optical properties of the tissue of each individual user. Thus, to correctly measure the hemoglobin concentration in the blood (determined by the absorption of radiation in arterial blood), it is necessary to analyze the shape of the PPG signal. The important points here are the following: the need for spectroscopic measurements at multiple wavelengths, the need to take into account that at some wavelengths the PPG signal can be very weak, the signal can have a shape that is difficult to process, the need to measure a weak PPG signal that has a complex shape.
[0102] Следует также отметить различие в механизмах рассеивания и поглощения излучения в исследуемом объеме биологической ткани в режиме пропускания и в режиме отражения. В режиме пропускания, используемом в медицинских и лабораторных применениях, излучение от источника света до детектора света на двух разных длинах волн λ1 и λ2 проходит приблизительно одинаковый оптический путь через ткань пациента и взаимодействует с одними и теми же участками ткани, поэтому PPG-сигнал в этом режиме имеет похожую форму на разных длинах волн, например, 530 нм и 655 нм. В режиме отражения, используемом в носимых устройствах, например, в умных часах и фитнес-браслетах, излучение от источника света до детектора света на двух разных длинах волн λ1 и λ2 проходит различный путь и взаимодействует с разными участками ткани пациента. Например, излучение с длиной волны λ1 взаимодействует только с кожей пациента и частично с мышечной тканью, включающей капиллярные кровеносные сосуды, в то время как излучение с длиной волны λ2 взаимодействует с кожей пациента, с мышечной тканью, включая не только капиллярные кровеносные сосуды, но также венозные и артериальные сосуды, поэтому PPG-сигнал в режиме отражения имеет очень разную форму на разных длинах волн. Однако, для правильного измерения параметров крови требуется одинаковый исследуемый объем ткани, что трудно обеспечить в режиме отражения.[0102] It should also be noted that there is a difference in the mechanisms of scattering and absorption of radiation in the studied volume of biological tissue in transmission mode and in reflection mode. In the transmission mode used in medical and laboratory applications, radiation from the light source to the light detector at two different wavelengths λ 1 and λ 2 travels approximately the same optical path through the patient's tissue and interacts with the same areas of tissue, so the PPG signal in this mode has a similar shape at different wavelengths, for example, 530 nm and 655 nm. In the reflection mode used in wearable devices, such as smart watches and fitness bracelets, the radiation from the light source to the light detector at two different wavelengths λ 1 and λ 2 travels a different path and interacts with different areas of the patient's tissue. For example, radiation with wavelength λ 1 interacts only with the patient's skin and partly with muscle tissue, including capillary blood vessels, while radiation with wavelength λ 2 interacts with the patient's skin, with muscle tissue, including not only capillary blood vessels, but also venous and arterial vessels, so the PPG signal in reflection mode has very different shapes at different wavelengths. However, to correctly measure blood parameters, the same volume of tissue being examined is required, which is difficult to achieve in reflection mode.
[0103] Принимая во внимание вышесказанное, основными проблемами спектрального анализа PPG-сигнала являются следующие:[0103] Taking into account the above, the main problems of spectral analysis of a PPG signal are the following:
- АС-составляющая пульсового сигнала имеет сложную форму, то есть это не гармонический и не синусоидальный сигнал;- The AC component of the pulse signal has a complex shape, that is, it is not a harmonic or sinusoidal signal;
- форма АС-составляющей зависит от длины волны излучения, то есть форма пульсового сигнала несет информацию в том числе о спектральных свойствах биологической ткани;- the shape of the AC component depends on the wavelength of the radiation, that is, the shape of the pulse signal carries information, including about the spectral properties of biological tissue;
- ограниченность работы в режиме отражения.- limited operation in reflection mode.
[0104] При поиске решения важно учитывать значительно разные оптические пути для разных длин волн, что менее важно в режиме пропускания и критично для режима отражения (например, для умных часов), необходимость измерения одного и того же участка ткани, разную форму импульса, обусловленную разницей в рассеянии и поглощении излучения. Таким образом, для режима отражения предпочтительно анализировать форму PPG-сигнала.[0104] When searching for a solution, it is important to consider the significantly different optical paths for different wavelengths, which is less important in the transmission mode and critical for the reflection mode (for example, for smart watches), the need to measure the same tissue area, the different pulse shape due to difference in scattering and absorption of radiation. Thus, for reflection mode, it is preferable to analyze the PPG waveform.
[0105] На фиг. 2А схематично проиллюстрированы спектры поглощения цельной крови при разных концентрациях гемоглобина, полученные с помощью фотоплетизмографии (PPG) на некоторых длинах волн излучения. Штриховыми линиями изображены непрерывные спектры поглощения цельной крови при двух разныхконцентрациях гемоглобина, а кружками - поглощение, измеренное в нескольких дискретных точках. Из фиг. 2А видно, что в идеальных условиях, когда имеется цельная кровь в кювете, концентрацию гемоглобина можно определить путем измерения пропускания оптического излучения на любой одной длине волны. Однако, случай цельной крови является идеальным, и в реальных случаях невозможно осуществить измерения на цельной крови неинвазивным образом.[0105] In FIG. Figure 2A schematically illustrates the absorption spectra of whole blood at different hemoglobin concentrations obtained using photoplethysmography (PPG) at several wavelengths. Dashed lines show continuous absorption spectra of whole blood at two different hemoglobin concentrations, and circles show absorption measured at several discrete points. From fig. 2A shows that under ideal conditions, when there is whole blood in the cuvette, the hemoglobin concentration can be determined by measuring the transmittance of optical radiation at any one wavelength. However, the whole blood case is ideal, and in real cases it is not possible to perform measurements on whole blood in a non-invasive manner.
[0106] На фиг. 2Б схематично проиллюстрированы спектры поглощения при одинаковой концентрации гемоглобина, но при наличии в одном случае других компонентов крови или других тканей, включая меланин, липиды, белки и т.д. Из фиг. 2Б видно, что на некоторых длинах волн, например, на λm, происходит заметное поглощение оптического излучения за счет наличия других компонентов крови или других тканей. Таким образом, другие компоненты крови или другие ткани могут поглощать на тех же длинах волн, что и гемоглобин. Следовательно, невозможно определенно сказать, поглощение на длине волны λm изменилось из-за гемоглобина или чего-то еще.[0106] In FIG. Figure 2B schematically illustrates the absorption spectra at the same hemoglobin concentration, but in the presence in one case of other blood components or other tissues, including melanin, lipids, proteins, etc. From fig. 2B shows that at some wavelengths, for example, at λ m , noticeable absorption of optical radiation occurs due to the presence of other components of blood or other tissues. Thus, other blood components or other tissues may absorb at the same wavelengths as hemoglobin. Therefore, it is impossible to say definitively whether the absorption at wavelength λ m has changed due to hemoglobin or something else.
[0107] Как видно из фиг. 2А и 2Б, идеальным случаем при анализе крови является измерение только поглощения крови, когда поглощение на любой длине волны соответствует изменениям концентрации гемоглобина крови. В реальном случае на практике измеряют поглощение целой биологической ткани, включающей кровь, при этом другие компоненты также могут поглощать излучение на тех же длинах волн, оказывая влияние на пульсовый сигнал. Следовательно, измерение поглощения на единственной длине волны может приводить к некорректному результату. Поэтому в данном случае необходим спектроскопический подход к измерениям, т.е. для корректного определения концентрации гемоглобина необходимо измерять спектр поглощения на нескольких длинах волн.[0107] As can be seen from FIG. 2A and 2B, the ideal case in blood testing is to measure blood absorbance only, where absorbance at any wavelength corresponds to changes in blood hemoglobin concentration. In actual practice, the absorption of entire biological tissue, including blood, is measured, and other components may also absorb radiation at the same wavelengths, affecting the pulse signal. Therefore, measuring absorption at a single wavelength may lead to incorrect results. Therefore, in this case, a spectroscopic approach to measurements is necessary, i.e. To correctly determine the hemoglobin concentration, it is necessary to measure the absorption spectrum at several wavelengths.
[0108] На фиг. 3А схематично проиллюстрирован первый традиционный подход к обработке PPG-сигнала, состоящий в измерении площади под кривой (AUC) АС-составляющей PPG-сигнала, т.е. определении интегральной площади формы PPG-сигнала. Считается, что измеренная таким образом интенсивность АС-составляющей пропорциональна оптическому пропусканию измеряемого объема ткани и может быть пересчитана в поглощение на этом участке согласно закону Бугера-Ламберта-Бера. Это самый простой подход к измерениям, применяемый обычно в режиме пропускания. Отображенные на фиг. 3А сигналы имеют примерно одинаковую интегральную площадь, но разные формы кривых. Поскольку при данном подходе информация о форме импульса не принимается во внимание, измерение оптического пропускания и поглощения в режиме отражения выполняется с большой ошибкой.[0108] In FIG. 3A schematically illustrates the first traditional approach to processing a PPG signal, which consists of measuring the area under the curve (AUC) of the AC component of the PPG signal, i.e. determining the integral area of the PPG signal shape. It is believed that the intensity of the AC component measured in this way is proportional to the optical transmittance of the measured volume of tissue and can be converted into absorption in this area according to the Bouguer-Lambert-Beer law. This is the simplest measurement approach, usually used in transmission mode. Shown in FIGS. 3A signals have approximately the same integral area, but different curve shapes. Since this approach does not take into account information about the pulse shape, the measurement of optical transmission and absorption in the reflection mode is carried out with a large error.
[0109] На фиг. 3Б схематично проиллюстрирован второй традиционный подход к обработке PPG-сигнала, состоящий в оценке формы кривой PPG-сигнала. Первый пик пульсовой волны, соответствующий анакротическому периоду пульсовой волны, образуется в период систолы («систолический пик» обозначен как SIS). Амплитудное значение анакротической фазы носит также название амплитуды пульсовой волны исоответствует ударному объему крови при сердечном выбросе, предоставляя таким образом косвенные сведения о степени инотропного эффекта. Второй пик пульсовой волны, соответствующий дикротическому периоду пульсовой волны, образуется за счет отражения объема крови от аорты и крупных магистральных сосудов и частично соответствует диастолическому периоду сердечного цикла («диастолический пик» обозначен как DIA). Дикротическая фаза предоставляет информацию о тонусе сосудов. Вершина пульсовой волны соответствует наибольшему объему крови, а ее противолежащая часть -наименьшему объему крови в исследуемом участке ткани. На нисходящем фронте каждой волны заметна впадина - дикротическая инцизура, которая соответствует закрытию аортального клапана («дикротическая вырезка» обозначена как DN). Характер пульсовой волны зависит от эластичности сосудистой стенки, частоты пульса, объема исследуемого участка ткани, ширины просвета сосудов и т.д. Считается, что частота и продолжительность пульсовой волны зависит от особенностей работы сердца, а величина и форма ее пиков - от состояния сосудистой стенки. Если на пульсовой волне отчетливо выражены систолический и диастолический пики, а также впадина между ними (верхний PPG-сигнал на фиг. 3Б, редкий случай идеальной кривой, характерной для молодых, здоровых людей с сильной сердечно-сосудистой системой), подход к определению оптических свойств ткани по форме кривой PPG-сигнала работает хорошо. В большинстве случаев указанные особенности пульсовой волны выражены нечетко (средний график на фиг. 3Б, характерно для взрослых относительно здоровых людей), такой подход во многих случаях работает, но подвержен ошибкам, поскольку требует индивидуальной настройки алгоритма для каждой кривой, а значит, трудно оптимизировать обработку. Однако, у некоторых пациентов систолический и диастолический пики, а также впадина между ними могут быть трудны для определения или вообще неразличимы (нижний график на фиг. 3Б, редкий случай плохой кривой, характерной для пожилых людей со слабой сердечно-сосудистой системой или молодых нездоровых людей). В этом случае форма кривой волнового сигнала характеризуется теми же параметрами, имеющими ясный физиологический смысл, как описано выше, но формализация алгоритма для нахождения этих точек затруднена и поэтому форма характеризуется неточно.[0109] In FIG. 3B schematically illustrates the second traditional approach to PPG signal processing, which consists of estimating the shape of the PPG signal curve. The first peak of the pulse wave, corresponding to the anacrotic period of the pulse wave, is formed during systole (the “systolic peak” is designated SIS). The amplitude of the anacrotic phase is also called the amplitude of the pulse wave and corresponds to the stroke volume of blood during cardiac output, thus providing indirect information about the degree of inotropic effect. The second peak of the pulse wave, corresponding to the dicrotic period of the pulse wave, is formed due to the reflection of blood volume from the aorta and large great vessels and partially corresponds to the diastolic period of the cardiac cycle (“diastolic peak” is designated as DIA). The dicrotic phase provides information about vascular tone. The top of the pulse wave corresponds to the largest volume of blood, and its opposite part corresponds to the smallest volume of blood in the tissue area under study. On the descending front of each wave there is a noticeable depression - the dicrotic incisura, which corresponds to the closure of the aortic valve (the "dicrotic incision" is designated DN). The nature of the pulse wave depends on the elasticity of the vascular wall, pulse rate, volume of the tissue area being examined, width of the lumen of the vessels, etc. It is believed that the frequency and duration of the pulse wave depends on the characteristics of the heart, and the size and shape of its peaks depend on the condition of the vascular wall. If the pulse wave has clearly defined systolic and diastolic peaks, as well as a valley between them (the upper PPG signal in Fig. 3B, a rare case of an ideal curve, characteristic of young, healthy people with a strong cardiovascular system), an approach to determining the optical properties tissue based on the PPG signal curve shape works well. In most cases, these features of the pulse wave are not clearly expressed (the middle graph in Fig. 3B, typical for relatively healthy adults); this approach works in many cases, but is prone to errors, since it requires individual adjustment of the algorithm for each curve, which means it is difficult to optimize processing. However, in some patients, the systolic and diastolic peaks and the trough between them may be difficult to detect or even indistinguishable (bottom graph in Fig. 3B, a rare case of a poor curve, characteristic of older people with weak cardiovascular systems or young unhealthy people ). In this case, the shape of the wave signal curve is characterized by the same parameters that have a clear physiological meaning, as described above, but the formalization of the algorithm for finding these points is difficult and therefore the shape is characterized inaccurately.
[0110] Дополнительно на фиг. 4А проиллюстрирован эффект использования первого традиционного подхода (определение AUC) к обработке PPG-сигнала по фиг. 3А на примере определения концентрации гемоглобина. На фиг. 4А штриховыми кривыми показаны спектры поглощения цельной крови с разной концентрацией X и Y гемоглобина, то есть зависимости поглощения от длины волны излучения, кружками обозначены значения поглощения, определенные по площадям PPG-сигнала, то есть по интегральным площадям АС-составляющих сигнала. При этом кружки для различных концентраций на представленных графиках расположены близко друг к другу и заметно смещены от истинных значений поглощения. Это означает, что определение концентрации гемоглобина по площадям АС-составляющей PPG-сигнала дает в результате некорректное значение концентрации. Более того, при таком подходе зачастую невозможно различить дверазличные концентрации гемоглобина крови.[0110] Additionally, in FIG. 4A illustrates the effect of using the first conventional approach (AUC determination) to process the PPG signal of FIG. 3A using the example of determining hemoglobin concentration. In fig. 4A the dashed curves show the absorption spectra of whole blood with different concentrations X and Y of hemoglobin, that is, the dependence of absorption on the radiation wavelength, the circles indicate absorption values determined from the areas of the PPG signal, that is, from the integral areas of the AC components of the signal. At the same time, the circles for different concentrations on the presented graphs are located close to each other and are noticeably shifted from the true absorption values. This means that determining the hemoglobin concentration from the areas of the AC component of the PPG signal results in an incorrect concentration value. Moreover, with this approach it is often impossible to distinguish between two different blood hemoglobin concentrations.
[0111] Что касается использования второго традиционного подхода к обработке PPG-сигнала применительно к определению концентрации гемоглобина с использованием критических точек пульсового сигнала, как показано на фиг. 4Б, в одном случае при концентрации гемоглобина Y (верхняя кривая) подход позволяет осуществлять достаточно точные измерения, однако, в других случаях (нижняя кривая) вообще нельзя определить поглощение излучения на некоторых длинах волн вследствие невозможности различить критические точки на кривой PPG-сигнала, а значит, невозможно определить концентрацию гемоглобина по форме кривой пульсового сигнала.[0111] Regarding the use of the second traditional approach to processing the PPG signal in relation to determining the hemoglobin concentration using the critical points of the pulse signal, as shown in FIG. 4B, in one case, at the hemoglobin concentration Y (upper curve), the approach allows for fairly accurate measurements, however, in other cases (lower curve), it is generally impossible to determine the absorption of radiation at some wavelengths due to the inability to distinguish critical points on the PPG signal curve, and This means that it is impossible to determine the hemoglobin concentration from the shape of the pulse signal curve.
[0112] В отличие от рассмотренных подходов, способ по настоящему изобретению можно применять при любой форме пульсового сигнала, как будет описано далее.[0112] Unlike the approaches discussed, the method of the present invention can be applied to any pulse waveform, as will be described below.
[0113] Для получения и последующей обработки PPG-сигнала сначала облучают ткань пользователя на по меньшей мере двух длинах волн с помощью источника света, например, светодиода или лазерного диода. Одна из упомянутых по меньшей мере двух различных длин волн предпочтительно находится в диапазоне 495-570 нм, то есть светодиод излучает зеленый свет, поскольку обычно именно зеленый свет обеспечивает наиболее информативный сигнал при определении, например, концентрации гемоглобина. Однако настоящее изобретение не ограничивается указанным диапазоном излучения и упомянутые различные длины волн могут находиться в любом из диапазонов видимого излучения (приблизительно 400-800 нм), ближнего ИК-излучения (приблизительно 800-1700 нм) и коротковолнового ИК-излучения (приблизительно 1700-2500 нм). Используют рефлектометрический метод, то есть облучают ткань пользователя и затем детектируют PPG-сигналы от ткани пользователя на упомянутых по меньшей мере двух различных длинах волн в режиме отражения. В примере, проиллюстрированном на фиг. 5, сигналы детектируют на шести длинах волн. Однако, число PPG-сигналов на различных длинах волн не ограничивается особым образом. При этом детектированные сигналы представлены во временной области (временные ряды). Вообще возможны несколько представлений сигнала: во временной области, когда f(t) выражается как функция времени, в частотной области, когда определен спектр (т.е. амплитуды различных гармоник), или частотно-временной области. Сигналы могут быть преобразованы из временной в частотную/частотно-временную область с помощью различного вида преобразований. Согласно варианту осуществления изобретения, инструментом, позволяющим представлять детектированный сигнал экспоненциальными составляющими, служит преобразование Фурье. Функция F(ω) есть прямое преобразование Фурье сигнала f(t). F(ω) представляет сигнал f(t) в частотной области. Временное представление определяет некоторый сигнал в каждый момент времени, тогда как частотное представление характеризует относительные амплитуды частотных составляющих сигнала, т.е. гармоник.[0113] To obtain and subsequently process the PPG signal, the user's tissue is first irradiated at at least two wavelengths using a light source, such as an LED or laser diode. One of the at least two different wavelengths is preferably in the range 495-570 nm, that is, the LED emits green light, since it is usually green light that provides the most informative signal when determining, for example, hemoglobin concentration. However, the present invention is not limited to this range of radiation and the various wavelengths mentioned may be in any of the ranges of visible radiation (approximately 400-800 nm), near-infrared radiation (approximately 800-1700 nm) and short-wave infrared radiation (approximately 1700-2500 nm). nm). A reflectometric method is used, that is, the user's tissue is irradiated and then PPG signals from the user's tissue are detected at the at least two different wavelengths in the reflection mode. In the example illustrated in FIG. 5, signals are detected at six wavelengths. However, the number of PPG signals at different wavelengths is not particularly limited. In this case, the detected signals are presented in the time domain (time series). In general, several representations of a signal are possible: in the time domain, when f(t) is expressed as a function of time, in the frequency domain, when the spectrum (i.e., the amplitudes of the various harmonics) is defined, or in the time-frequency domain. Signals can be converted from time to frequency/time-frequency domain using various types of transformations. According to an embodiment of the invention, the tool for representing the detected signal in exponential terms is the Fourier transform. The function F(ω) is the direct Fourier transform of the signal f(t). F(ω) represents the signal f(t) in the frequency domain. The temporal representation defines a certain signal at each moment in time, while the frequency representation characterizes the relative amplitudes of the frequency components of the signal, i.e. harmonics
[0114] При выполнении преобразования Фурье на основе характеристик сигнала во временной области можно получить его амплитудно-фазовые характеристики гармоник (мгновенный спектр, спектральную плотность и т.д.). Например, преобразование Фурьепозволяет преобразовать каждый PPG-импульс в набор амплитуд и фаз, таким образом полученный набор характеристик содержит всю информацию, необходимую для модели машинного обучения, используемой для определения концентрации гемоглобина. При этом для расчетов набор характеристик сигнала удобно описать комплексными числами. Любое из указанных представлений полностью определяет сигнал. Вместе с тем, как было подробно объяснено в разделе «Предпосылки изобретения», обработка PPG-сигнала в частотной области позволяет избежать ряда недостатков предшествующего уровня техники.[0114] By performing a Fourier transform based on the time domain characteristics of a signal, its harmonic amplitude-phase characteristics (instantaneous spectrum, spectral density, etc.) can be obtained. For example, the Fourier transform allows each PPG pulse to be converted into a set of amplitudes and phases, so the resulting set of features contains all the information necessary for the machine learning model used to determine the hemoglobin concentration. In this case, for calculations, it is convenient to describe a set of signal characteristics using complex numbers. Any of these representations completely defines the signal. However, as explained in detail in the "Background of the Invention" section, processing the PPG signal in the frequency domain avoids several disadvantages of the prior art.
[0115] Однако изобретение не ограничивается применением преобразования Фурье и могут использоваться другие преобразования. Например, преобразование сигналов из временной в частотную область также может быть выполнено путем преобразования Гильберта-Хуанга, а в частотно-временную область - путем вейвлет-преобразования или билинейного частотно-временного распределения.[0115] However, the invention is not limited to the use of the Fourier transform and other transforms can be used. For example, transforming signals from the time domain to the frequency domain can also be done using the Hilbert-Huang transform, and to the time-frequency domain using the wavelet transform or bilinear time-frequency distribution.
[0116] Преобразование Гильберта-Хуанга (ННТ) представляет собой метод эмпирической модовой декомпозиции (EMD) нелинейных и нестационарных процессов, т.е. декомпозиции на амплитудно-временные составляющие, и последующий спектральный анализ Гильберта (HSA). ННТ представляет собой частотно-временной анализ сигналов и не требует априорного функционального базиса преобразования. Функции базиса получают адаптивно непосредственно из данных процедурами отсеивания функций «эмпирических мод». Мгновенные частоты вычисляют по производным фазовым функциям Гильбертовым преобразованием функций базиса. Основными информативными признаками преобразования Гильберт-Хуанга являются амплитуда, мгновенная частота и фаза эмпирических мод.[0116] The Hilbert-Huang transform (HHT) is a method of empirical mode decomposition (EMD) of nonlinear and non-stationary processes, i.e. decomposition into amplitude-time components, and subsequent Hilbert spectral analysis (HSA). NNT is a time-frequency analysis of signals and does not require an a priori functional basis for the transformation. The basis functions are obtained adaptively directly from the data by screening procedures for “empirical mode” functions. Instantaneous frequencies are calculated from the derivatives of phase functions by the Hilbert transform of basis functions. The main informative features of the Hilbert-Huang transform are the amplitude, instantaneous frequency and phase of the empirical modes.
[0117] Вейвлет-преобразование (WT) - это интегральное преобразование, которое представляет собой свертку вейвлет-функции с сигналом. Вейвлет-преобразование переводит сигнал из временного представления в частотно-временное и является обобщением спектрального анализа, типичный представитель которого - классическое преобразование Фурье. Термин «wavelet» в переводе с английского означает «маленькая (короткая) волна». Вейвлеты - это обобщенное название семейств математических функций определенной формы, которые локальны во времени и по частоте, и в которых все функции получают из одной базовой (порождающей) посредством ее сдвигов и растяжений по оси времени. Алгоритмы вейвлет-преобразования позволяют учитывать локальные изменения PPG-сигналов и нести информацию в трехмерном формате - амплитуда, частота, время. Как правило, вейвлет-преобразования подразделяют на дискретное (DWT) и непрерывное (CWT). DWT используют для преобразований и кодирования сигналов, CWT - для анализа сигналов. Вейвлет-преобразования в настоящее время все чаще используют для огромного числа разнообразных применений, нередко заменяя обычное преобразование Фурье.[0117] The Wavelet Transform (WT) is an integral transform that is the convolution of a wavelet function with a signal. The wavelet transform converts a signal from a time representation to a time-frequency representation and is a generalization of spectral analysis, a typical representative of which is the classical Fourier transform. The term “wavelet” translated from English means “small (short) wave.” Wavelets are a generalized name for families of mathematical functions of a certain form, which are local in time and frequency, and in which all functions are obtained from one base (generating) through its shifts and stretches along the time axis. Wavelet transform algorithms make it possible to take into account local changes in PPG signals and carry information in three-dimensional format - amplitude, frequency, time. Typically, wavelet transforms are divided into discrete (DWT) and continuous (CWT). DWT is used for signal conversion and coding, CWT is used for signal analysis. Wavelet transforms are now increasingly being used for a huge variety of applications, often replacing the conventional Fourier transform.
[0118] Билинейные частотно-временные распределения или квадратичные частотно-временные распределения возникают в подобласти анализа и обработки сигналов, называемой обработкой сигналов время-частота, а также при статистическом анализеданных временных рядов. Такие методы используют в случаях, когда частотный состав сигнала может меняться во времени. Такой анализ раньше назывался частотно-временным анализом сигналов, а теперь чаще называется частотно-временной обработкой сигналов из-за прогресса в использовании этих методов для решения широкого круга задач обработки сигналов. По сравнению с другими методами частотно-временного анализа, такими как, например, кратковременное преобразование Фурье, билинейное преобразование может не иметь большей ясности для большинства практических сигналов, но оно обеспечивает альтернативную основу для исследования новых определений и новых методов. Все билинейные распределения взаимно конвертируемы друг в друга.[0118] Bilinear time-frequency distributions or quadratic time-frequency distributions arise in a subfield of signal analysis and processing called time-frequency signal processing, as well as in the statistical analysis of time series data. Such methods are used in cases where the frequency composition of the signal can change over time. Such analysis was formerly called time-frequency signal analysis and is now more commonly called time-frequency signal processing due to advances in the use of these techniques to solve a wide range of signal processing problems. Compared to other time-frequency analysis methods, such as the short-time Fourier transform, the bilinear transform may not have greater clarity for most practical signals, but it provides an alternative basis for exploring new definitions and new methods. All bilinear distributions are mutually convertible to each other.
[0119] В нижней части фиг. 5 проиллюстрированы PPG-сигналы на двух разных длинах волн во временной и частотной областях.[0119] At the bottom of FIG. Figure 5 illustrates PPG signals at two different wavelengths in the time and frequency domains.
[0120] Настоящее изобретение позволяет охарактеризовать точную форму пульсовой волны по PPG-сигналам, включая слабые и/или сложные сигналы. Ключевыми этапами обработки PPG-сигналов, проиллюстрированными на фиг.6, являются:[0120] The present invention allows the precise pulse waveform to be characterized from PPG signals, including weak and/or complex signals. The key processing steps for PPG signals, illustrated in FIG. 6, are:
- преобразование детектированных PPG-сигналов из временной области (временных рядов) в частотную (или частотно-временную) область;- conversion of detected PPG signals from the time domain (time series) to the frequency (or time-frequency) domain;
- выбор из всех детектированных PPG-сигналов на разных длинах волн в частотной области наиболее значимого сигнала, который характеризуется наилучшим отношением сигнал/шум, самой высокой амплитудой и который наименее затронут шумами, и использование выбранного сигнала в качестве опорного сигнала;- selecting from all detected PPG signals at different wavelengths in the frequency domain the most significant signal, which is characterized by the best signal-to-noise ratio, the highest amplitude and which is least affected by noise, and using the selected signal as a reference signal;
- извлечение из опорного сигнала основной гармоники (основной составляющей) и на ее основе других гармоник опорного сигнала и использование их в качестве координат, по которым раскладывают остальную часть PPG-сигналов, то есть получают амплитудно-фазовые характеристики гармоник.- extracting the fundamental harmonic (fundamental component) from the reference signal and, on its basis, other harmonics of the reference signal and using them as coordinates along which the rest of the PPG signals are laid out, that is, the amplitude-phase characteristics of the harmonics are obtained.
[0121] На фиг. 7 проиллюстрирована ключевая особенность этапа преобразования PPG-сигнала по фиг.5, состоящая в том, что при преобразовании PPG-сигнала из временной в частотную область информация о периодичности временного сигнала переносится в положение первой гармоники частотной области, а информация о форме сигнала (пики, впадины, вырезки) переносится в гармоники более высоких порядков. В конечном итоге получают наборы данных для каждой длины волны пульсового сигнала в частотной области, каждый из которых характеризуется конкретными характеристиками (например, амплитуды а10, a11…a1n на частотах гармоник f0, f1,…fn), как показано в нижней части фиг. 6. При этом положение, число, амплитуда, ширина полученных гармоник, которые являются легко измеряемыми характеристиками, полностью описывают пульсовую волну в частотной области. Таким образом, преобразование PPG-сигналов в частотную область позволяет извлекать амплитудно-фазовые характеристики гармоник сигналов.[0121] In FIG. 7 illustrates a key feature of the PPG signal conversion step of FIG. 5, which is that when converting a PPG signal from the time to frequency domain, information about the periodicity of the time signal is transferred to the position of the first harmonic of the frequency domain, and information about the shape of the signal (peaks, depressions, notches) is transferred to harmonics of higher orders. Ultimately, data sets are obtained for each wavelength of the pulse signal in the frequency domain, each of which is characterized by specific characteristics (for example, amplitudes a 10 , a 11 ...a 1n at harmonic frequencies f 0 , f 1 , ... f n ), as shown at the bottom of Fig. 6. In this case, the position, number, amplitude, width of the resulting harmonics, which are easily measured characteristics, completely describe the pulse wave in the frequency domain. Thus, converting PPG signals into the frequency domain makes it possible to extract the amplitude-phase characteristics of the signal harmonics.
[0122] Принимая во внимание вышесказанное, обработка PPG-сигналов в частотной области приводит к следующим преимуществам по сравнению с обработкой во временной области:[0122] Taking into account the above, processing PPG signals in the frequency domain results in the following advantages over processing in the time domain:
- конечное количество характеристик вместо непрерывных данных временныхрядов;- a finite number of characteristics instead of continuous time series data;
- однозначная связь между характеристиками и формой PPG-сигнала;- unambiguous connection between the characteristics and the shape of the PPG signal;
- наличие новой системы координат (частоты гармоник), определенной по одному из сигналов, которая позволяет разложить все сигналы единообразно по единой системе координат.- the presence of a new coordinate system (harmonic frequencies), determined from one of the signals, which allows all signals to be decomposed uniformly according to a single coordinate system.
[0123] Если пытаться анализировать форму пульсовой волны по критическим точкам, то каждый сигнал придется обрабатывать независимо. В этом случае положение критических точек может «плавать», тем самым нарушается однозначность в описании формы сигнала на разных длинах волн. Кроме того, в случае слабых сигналов и сигналов с высоким уровнем шумов нахождение критических точек может быть в принципе невозможно. Благодаря вышеупомянутой системе координат (частоты и их положения), можно найти характеристики (например, амплитуды) этих частот даже в спектре сигнала с высоким уровнем шумов.[0123] If you try to analyze the pulse waveform by critical points, then each signal will have to be processed independently. In this case, the position of the critical points may “float”, thereby disrupting the unambiguity in the description of the signal shape at different wavelengths. In addition, in the case of weak signals and signals with a high level of noise, finding critical points may in principle be impossible. Thanks to the above-mentioned coordinate system (frequencies and their positions), it is possible to find the characteristics (for example, amplitudes) of these frequencies even in the spectrum of a signal with a high noise level.
[0124] На фиг. 8 проиллюстрирована особенность преобразования PPG-сигнала в частотную область. Здесь показан опорный PPG-сигнал высокого качества на длине волны λ2. и обычный PPG-сигнал низкого качества на других длинах волн λ1, λ3 и т.д. После преобразования сигнала высокого качества в частотную область положение и характеристики основной гармоники f0 могут быть легко измерены. При аналогичном преобразовании сигнала низкого качества невозможно надежно определить положение основной гармоники f0 в частотной области. Более того, интенсивные ложные пики, показанные на графике справа прерывистыми окружностями, скрывают необходимые характеристики. Однако преимуществом настоящего изобретения является устойчивость, а точнее говоря, независимость опорного PPG-сигнала от помех и сигналов низкого качества. После осуществления преобразования Фурье основная гармоника f0 сигнала в частотной области представляет собой первую гармонику, соответствующую периодичности PPG-сигнала, т.е. ЧСС. В случае других частотно-временных преобразований основной составляющей является, например, частотная составляющая наибольшей мощности и наиболее стабильная во времени, не имеющая прямого отношения к физиологическим параметрам. Причем положение основной гармоники f0 сигнала высокого качества в частотной области соответствует положению основной гармоники f0 сигналов низкого качества.[0124] In FIG. 8 illustrates the feature of converting a PPG signal into the frequency domain. Shown here is a high quality PPG reference signal at wavelength λ 2 . and the usual low-quality PPG signal at other wavelengths λ 1, λ 3 , etc. After converting the high quality signal into the frequency domain, the position and characteristics of the fundamental harmonic f 0 can be easily measured. With a similar conversion of a low-quality signal, it is impossible to reliably determine the position of the fundamental harmonic f 0 in the frequency domain. Moreover, the intense false peaks, shown in the graph on the right with broken circles, hide the necessary characteristics. However, the advantage of the present invention is the stability, or more precisely, the independence of the PPG reference signal from interference and low quality signals. After performing the Fourier transform, the fundamental harmonic f 0 of the signal in the frequency domain is the first harmonic corresponding to the periodicity of the PPG signal, i.e. Heart rate. In the case of other time-frequency transformations, the main component is, for example, the frequency component of the greatest power and the most stable over time, which is not directly related to physiological parameters. Moreover, the position of the fundamental harmonic f 0 of a high-quality signal in the frequency domain corresponds to the position of the fundamental harmonic f 0 of low-quality signals.
[0125] Дополнительно следует отметить еще одну особенность PPG-сигнала во временной области, которая влияет на необходимость выбора подходящей длины волны для измерений. Согласно уровню техники, наилучший PPG-сигнал получают при использовании зеленого света (-530 нм). Однако это не всегда так. Пульсовый сигнал сильно зависит от цвета кожи человека, его национальности, загара, пигментации кожи и т.п. Выбор PPG-сигнала более высокого качества основан, как правило, на определении наибольшего отношения сигнал-шум. Например, для светлокожего человека наилучший PPG-сигнал действительно получают в зеленом свете, и используют его в качестве опорного сигнала. Однако темнокожие люди имеют свои особенности, главная из которыхсвязана с тем, что зеленый свет проникает на небольшую глубину в биологические ткани пациента. Поскольку в темной коже зеленый свет почти полностью поглощается меланином, он не достигает кровеносных сосудов. В то же время красный/ИК-свет проникает глубже в ткани, поскольку меланин намного меньше поглощает красный/ИК-свет по сравнению с зеленым светом и не влияет на PPG-сигнал. Следовательно, для темнокожих людей лучший результат даст использование в качестве опорного сигнала PPG-сигнала, полученного с помощью красного/ИК-света, а не зеленого света, как для светлокожих людей.[0125] Additionally, another feature of the PPG signal in the time domain should be noted, which affects the need to select an appropriate wavelength for measurements. According to the prior art, the best PPG signal is obtained using green light (-530 nm). However, this is not always the case. The pulse signal greatly depends on the color of a person’s skin, his nationality, tan, skin pigmentation, etc. The selection of a higher quality PPG signal is usually based on determining the highest signal-to-noise ratio. For example, for a fair-skinned person, the best PPG signal is actually obtained in green light, and is used as a reference signal. However, dark-skinned people have their own characteristics, the main of which is related to the fact that green light penetrates to a shallow depth into the patient’s biological tissue. Because green light in dark skin is almost completely absorbed by melanin, it does not reach the blood vessels. At the same time, red/IR light penetrates deeper into tissue because melanin absorbs red/IR light much less than green light and does not affect the PPG signal. Therefore, for dark-skinned people, the best result will be to use the PPG signal obtained with red/IR light as a reference signal, rather than using green light as for light-skinned people.
[0126] Таким образом, необходимы индивидуальные настройки для работы с PPG-датчиком, и соответствующую опорную длину волны желательно определять для каждого пользователя носимого устройства индивидуально.[0126] Thus, individual settings for operation with the PPG sensor are necessary, and the appropriate reference wavelength should preferably be determined individually for each user of the wearable device.
[0127] На фиг. 9 дополнительно проиллюстрированы особенности анализа сигнала в частотной области. В качестве опорного PPG-сигнала выбран сигнал с длиной волны λ2. На верхнем графике фиг. 9 отмечены характеристики первой f0 и второй f1 гармоник PPG-сигнала на длине волны λ2, а именно амплитуды а20 и a21 указанных гармоник. Еще раз отметим, что в частотной области положения гармоник идентичны для сигналов всех длин волн видимого спектра излучения. Иными словами, положения гармоник анализируемого PPG-сигнала с длиной волны λ1, показанного на нижнем графике, совпадают с положениями гармоник опорного PPG-сигнала с длиной волны λ2. Следовательно, PPG-сигналы на всех длинах волн могут анализироваться одинаково и одновременно как только по опорному PPG-сигналу будут определены гармоники. При этом положения гармоник более высокого порядка однозначно связаны с положением основной гармоники следующими соотношениями: f1=2f0; f2=3f0 и т.д. Таким образом, зная положения гармоник опорного сигнала, можно легко определить положения, а значит, и амплитуды соответствующих гармоник анализируемого PPG-сигнала с длиной волны λ1, например, амплитуды а10 и а11 первой и второй гармоник.[0127] In FIG. Figure 9 further illustrates the features of signal analysis in the frequency domain. A signal with wavelength λ 2 was selected as the reference PPG signal. In the top graph of Fig. Figure 9 shows the characteristics of the first f 0 and second f 1 harmonics of the PPG signal at wavelength λ 2 , namely the amplitudes a 20 and a 21 of these harmonics. Let us note once again that in the frequency domain the positions of the harmonics are identical for signals of all wavelengths of the visible radiation spectrum. In other words, the harmonic positions of the analyzed PPG signal with wavelength λ 1 shown in the lower graph coincide with the harmonic positions of the reference PPG signal with wavelength λ 2 . Consequently, PPG signals at all wavelengths can be analyzed equally and simultaneously as soon as the harmonics are determined from the reference PPG signal. In this case, the positions of higher order harmonics are uniquely related to the position of the fundamental harmonic by the following relationships: f 1 =2f 0 ; f 2 =3f 0 , etc. Thus, knowing the positions of the harmonics of the reference signal, you can easily determine the positions, and therefore the amplitudes, of the corresponding harmonics of the analyzed PPG signal with wavelength λ 1 , for example, the amplitudes a 10 and a 11 of the first and second harmonics.
[0128] По вышеописанной методике, исходя из положения основной гармоники f0 опорного PPG-сигнала, определяют характеристики, в частности, амплитуды всех PPG-сигналов на других длинах волн. Преимуществом такой методики является простая параметризация формы волны PPG-сигнала одновременно на всех длинах волн излучения.[0128] Using the method described above, based on the position of the fundamental harmonic f 0 of the reference PPG signal, the characteristics, in particular, the amplitudes of all PPG signals at other wavelengths, are determined. The advantage of this technique is the simple parameterization of the PPG signal waveform simultaneously at all radiation wavelengths.
[0129] Следует также отметить, что анализ сигнала в частотной области делает алгоритм определения характеристик молекулярного строения крови до некоторой степени устойчивым к артефактам движения при условии, что частота и длительность этих артефактов не совпадает с основным сигналом. Частота артефактов может совпадать с частотой PPG-сигнала, но артефакты движения нестационарны, т.е. их характеристики изменяются со временем, поэтому при накоплении сигнала возможно усилить по существу стационарные составляющие PPG-сигнала и подавить вклад артефактов движения в общий спектр сигнала.[0129] It should also be noted that frequency domain signal analysis makes the blood molecular characterization algorithm somewhat robust to motion artifacts, provided that the frequency and duration of these artifacts are not the same as the underlying signal. The frequency of artifacts may coincide with the frequency of the PPG signal, but motion artifacts are non-stationary, i.e. their characteristics change over time, so by accumulating the signal it is possible to enhance the essentially stationary components of the PPG signal and suppress the contribution of motion artifacts to the overall signal spectrum.
[0130] Далее со ссылкой на фиг. 10А, 10Б будет показано схематическое изображение носимого устройства 201 с функцией определения параметров кровипользователя.[0130] Next, with reference to FIG. 10A, 10B will show a schematic diagram of a wearable device 201 with a function for detecting the user's blood parameters.
[0131] Со ссылкой на фиг. 10А будет описана блок-схема предпочтительного варианта осуществления носимого устройства 201, содержащего корпус 202, процессор (например, микропроцессор) 203, батарею 204, по меньшей мере один PPG-датчик 208, устройство 209 ввода, устройство 210 вывода, дисплей 211, запоминающее устройство 212, модуль 213 связи, включающий в себя модуль 223 беспроводной связи и модуль 224 проводной связи, и блок 218 биоимпедансных измерений. Устройство 209 ввода и устройство 210 вывода могут быть выполнены в виде единого устройства ввода и вывода. Носимое устройство 201 может содержать дополнительные датчики, например, инерционные датчики перемещения, гироскопы, акселерометры, датчик измерения электрокардиограммы (ЭКГ), датчик атмосферного давления, датчик влажности, датчик Холла, датчик внешней освещенности и т.д. В вариантах осуществления носимое устройство 201 может представлять собой смарт-устройство, в частности, умные часы или фитнес-браслет, медицинское носимое устройство для мониторинга состояния здоровья с функцией определения концентрации гемоглобина и др. Носимое устройство представляет собой электронное носимое устройство и может быть выполнено с возможностью установления проводного или беспроводного канала связи с внешними устройствами, например, устройствами 225, 226, такими как смартфоны, носимые фитнес-браслеты, голосовые помощники, смарт-телевизоры, умные часы и т.п., или сервером 227 и с возможностью передачи данных через сеть 228 или облачное хранилище 229.[0131] With reference to FIG. 10A, a block diagram of a preferred embodiment of a wearable device 201 will be described, comprising a housing 202, a processor (e.g., microprocessor) 203, a battery 204, at least one PPG sensor 208, an input device 209, an output device 210, a display 211, a storage device. 212, a communication module 213 including a wireless communication module 223 and a wired communication module 224, and a bioimpedance measurement unit 218. The input device 209 and the output device 210 may be configured as a single input and output device. The wearable device 201 may include additional sensors, such as inertial motion sensors, gyroscopes, accelerometers, an electrocardiogram (ECG) measurement sensor, an atmospheric pressure sensor, a humidity sensor, a Hall sensor, an ambient light sensor, etc. In embodiments, the wearable device 201 may be a smart device, in particular, a smart watch or fitness bracelet, a medical wearable device for monitoring health status with the function of determining hemoglobin concentration, etc. The wearable device is an electronic wearable device and can be configured with the ability to establish a wired or wireless communication channel with external devices, for example, devices 225, 226, such as smartphones, wearable fitness bracelets, voice assistants, smart TVs, smart watches, etc., or a server 227 and with the ability to transmit data via network 228 or cloud storage 229.
[0132] Носимое устройство 201 с PPG-датчиком 208 в режиме отражения способно детектировать свет, обратно-рассеянный и/или обратно-отраженный от биологических тканей пользователя, включая кожу, кости, кровь, кровеносных сосуды.[0132] The wearable device 201 with the PPG sensor 208 in reflection mode is capable of detecting light backscattered and/or backreflected from biological tissues of the user, including skin, bones, blood, blood vessels.
[0133] В носимых устройствах с PPG-датчиком используется режим отражения с целью удобного размещения устройства, например, на руке пользователя. При ношении на руке или другой части тела пользователя PPG-датчик находится в контакте с кожей. Однако на PPG-датчик, проводящий измерения в режиме отражения, могут влиять артефакты движения и колебания давления. Любое движение, например, физическая активность, может привести к артефактам движения, которые искажают PPG-сигнал и ограничивают точность измерения физиологических параметров. Колебания давления, воздействующие на датчик, такие как сила контакта между PPG-датчиком и местом измерения, то есть сила, с которой устройство прижимается к коже пользователя, могут деформировать геометрию артерии за счет сжатия. Таким образом, в режиме отражения на амплитуду переменной составляющей PPG-сигнала может влиять давление, оказываемое на кожу. Более подробно такие влияния на измерение PPG-сигнала описаны в статье Toshiyo Tamura, Current Progress of Photoplethysmography and Sp02 for Health Monitoring, Biomedical Engineering Letters (2019) 9, cc. 21-36 (https://doi.org/10.1007/sl3534-019-00097-w).[0133] Wearable devices with a PPG sensor use a reflection mode to conveniently place the device, for example, on the user's hand. When worn on the user's arm or other part of the body, the PPG sensor is in contact with the skin. However, a PPG sensor measuring in reflective mode can be affected by motion artifacts and pressure fluctuations. Any movement, such as physical activity, can result in motion artifacts that distort the PPG signal and limit the accuracy of physiological parameter measurements. Pressure fluctuations applied to the sensor, such as the contact force between the PPG sensor and the measurement site, that is, the force with which the device is pressed against the user's skin, can deform the geometry of the artery due to compression. Thus, in reflection mode, the amplitude of the variable component of the PPG signal can be influenced by the pressure applied to the skin. Such influences on PPG signal measurements are described in more detail in Toshiyo Tamura, Current Progress of Photoplethysmography and Sp02 for Health Monitoring, Biomedical Engineering Letters (2019) 9, cc. 21-36 (https://doi.org/10.1007/sl3534-019-00097-w).
[0134] Электрическая схема PPG-датчика может содержать усилитель, фильтр верхних частот (около 0,1 Гц) для отсекания постоянной составляющей и получения пульсирующих изменений сигнала, фильтр нижних частот (около 30 Гц) для устранениявысокочастотного шума, а также микропроцессор. Используемый диапазон частот зависит от конструкции схемы. PPG-датчик может иметь беспроводной модуль для передачи данных на внешнее устройство.[0134] The PPG sensor circuitry may include an amplifier, a high-pass filter (about 0.1 Hz) to cut off the DC component and produce pulsating changes in the signal, a low-pass filter (about 30 Hz) to eliminate high-frequency noise, and a microprocessor. The frequency range used depends on the circuit design. The PPG sensor may have a wireless module for transmitting data to an external device.
[0135] Блок 218 биоимпедансных измерений (BIA-датчик) может включать в себя биоконтактную схему (цепь контакта с телом пользователя), содержащую 4 электрода, модуль измерения импеданса, содержащий модуль измерения тока-напряжения, модуль конфигурирования пути (цепи) тока-напряжения, модуль расчета импеданса, по меньшей мере один модуль компенсации токов утечки и, необязательно, микропроцессор.[0135] The bioimpedance measurement unit (BIA sensor) 218 may include a biocontact circuit (contact circuit with the user's body) containing 4 electrodes, an impedance measurement module containing a current-voltage measurement module, a current-voltage path (circuit) configuration module , an impedance calculation module, at least one leakage current compensation module, and optionally a microprocessor.
[0136] В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, проиллюстрированном на фиг. 10Б, носимое устройство 201 выполнено в виде умных часов, которые предназначены для размещения на запястье пользователя. В других вариантах осуществления настоящего изобретения носимое устройство 201 может быть выполнено размещаемым на других частях тела пользователя, например, на пальце руки.[0136] In the preferred embodiment of the present invention illustrated in FIG. 10B, the wearable device 201 is in the form of a smart watch that is designed to be placed on the user's wrist. In other embodiments of the present invention, the wearable device 201 may be configured to be placed on other parts of the user's body, such as a finger.
[0137] На фиг. 10Б проиллюстрировано носимое устройство 201 на виде сверху и виде снизу. Согласно этому варианту осуществления, корпус 202 носимого устройства 201 включает первую сторону 214 (или переднюю поверхность), вторую сторону (или заднюю поверхность) 215 и боковую поверхность 216, окружающую пространство между первой стороной 214 и второй стороной 215, и элементы 217 крепления, предназначенные для отсоединяемого крепления носимого устройства 201 на запястье, например, с помощью часового ремешка. Кроме того, носимое устройство, проиллюстрированное на фиг. 10Б, имеет четыре электрода BIA-датчика, два из которых 251, 253 интегрированы в кнопки управления устройства, а два других 252, 254 расположены на задней стороне 215 носимого устройства. На фиг. 10В проиллюстрировано реальное носимое устройство Samsung на виде со стороны задней крышки.[0137] In FIG. 10B illustrates the wearable device 201 in a top view and a bottom view. According to this embodiment, the body 202 of the wearable device 201 includes a first side 214 (or front surface), a second side (or rear surface) 215, and a side surface 216 surrounding the space between the first side 214 and the second side 215, and fastening members 217 for for detachably attaching the wearable device 201 to the wrist, for example, using a watch strap. In addition, the wearable device illustrated in FIG. 10B has four BIA sensor electrodes, two of which 251, 253 are integrated into the control buttons of the device, and the other two 252, 254 are located on the back side 215 of the wearable device. In fig. 10B illustrates an actual Samsung wearable device as seen from the back cover.
[0138] Фиг. 11 иллюстрирует примерную функциональную схему измерения BIA-сигналов в носимом устройстве 201 по настоящему изобретению, которую не следует рассматривать в качестве ограничения.[0138] FIG. 11 illustrates an exemplary functional diagram for measuring BIA signals in a wearable device 201 of the present invention, which should not be construed as limiting.
[0139] Носимое устройство 201 выполнено с возможностью определять параметры импеданса тела пользователя и их производные, например, величину (Z) модуля импеданса тела пользователя, фазовый угол (ϕ) импеданса тела пользователя на определенных частотах (по меньшей мере на двух частотах в пределах 20-40 кГц и 200-300 кГц соответственно), общее количество жидкости в организме (TBW), отношение количества внутриклеточной жидкости (ICW) к количеству внеклеточной жидкости (ECW), а также корректировать ошибку в значениях биоимпеданса, вызванную утечкой электрического сигнала вследствие паразитной составляющей (компонента).[0139] The wearable device 201 is configured to determine the user's body impedance parameters and their derivatives, for example, the magnitude (Z) of the user's body impedance modulus, the phase angle (ϕ) of the user's body impedance at certain frequencies (at least at two frequencies within 20 -40 kHz and 200-300 kHz respectively), total body fluid (TBW), intracellular fluid (ICW) to extracellular fluid (ECW) ratio, and correct the error in bioimpedance values caused by electrical signal leakage due to parasitic component (component).
[0140] На фиг. 11 проиллюстрирована схема измерения биоимпедансных сигналов, включающая в себя блок 218 биоимпедансных измерений и процессор 203 носимого устройства 201. Кроме того, блок 218 биоимпедансных измерений может содержать отдельный процессор. Более конкретно, обращаясь к фиг.11, носимое устройство 201 включает в себя биоконтактную схему 235, модуль 240 измерения тока-напряжения, модуль250 конфигурирования цепи тока-напряжения и процессор 203. По меньшей мере одно из биоконтактной схемы 235, модуля 240 измерения тока-напряжения или модуля 250 конфигурирования цепи тока-напряжения может быть элементом (например, биометрическим датчиком), включенным в блок 218 биоимпедансных измерений по фиг. 10А.[0140] In FIG. 11 illustrates a bioimpedance measurement circuit including a bioimpedance measurement unit 218 and a processor 203 of the wearable device 201. Additionally, the bioimpedance measurement unit 218 may include a separate processor. More specifically, referring to FIG. 11, the wearable device 201 includes a biocontact circuit 235, a current-voltage measurement module 240, a current-voltage circuit configuration module 250, and a processor 203. At least one of the biocontact circuit 235, a current-voltage measurement module 240, and a processor 203. voltage or current-voltage loop configuration module 250 may be an element (eg, a biometric sensor) included in the bioimpedance measurement unit 218 of FIG. 10A.
[0141] Согласно различным вариантам осуществления, биоконтактная схема 235 может включать в себя четыре электрода 251, 252, 253 и 254, четыре порта (разъема ввода/вывода) 236, 237, 238 и 239 и четыре элемента 231, 232, 233 и 234 схемы.[0141] According to various embodiments, biocontact circuit 235 may include four electrodes 251, 252, 253, and 254, four I/O ports 236, 237, 238, and 239, and four elements 231, 232, 233, and 234 scheme.
[0142] Электроды 251, 252, 253 и 254 расположены на поверхности корпуса носимого устройства 201 для вступления в контакт с биологическим телом, и таким образом могут электрически соединяться друг с другом через биологическое тело. Первый электрод 251 может быть электрически соединен с первым портом 236 через первый элемент 231 схемы. Второй электрод 252 может быть электрически соединен со вторым портом 237 через второй элемент 232 схемы. Третий электрод 253 может быть электрически соединен с третьим портом 238 через третий элемент 233 схемы. Четвертый электрод 254 может быть электрически соединен четвертым портом 239 через четвертый элемент 234 схемы.[0142] Electrodes 251, 252, 253 and 254 are located on the surface of the body of the wearable device 201 to come into contact with the biological body, and thus can be electrically coupled to each other through the biological body. The first electrode 251 may be electrically coupled to the first port 236 through the first circuit element 231. The second electrode 252 may be electrically coupled to the second port 237 through the second circuit element 232. The third electrode 253 may be electrically coupled to the third port 238 through the third circuit element 233. The fourth electrode 254 may be electrically coupled to the fourth port 239 via the fourth circuit element 234.
[0143] Каждый из элементов 231, 232, 233 и 234 схемы может включать в себя электронные компоненты (например, емкости и резисторы) для удаления постоянной составляющей тока из электрического сигнала, протекающего от соответствующего порта в соответствующий электрод (или наоборот). Каждый из элементов 231, 232, 233 и 234 схемы может иметь ZS1, ZS2, ZS3 и ZS4 в качестве составляющих импеданса, заданных при проектировании схемы, и эти составляющие импеданса могут называться характеристическими импедансами. Составляющие ZC1, ZC2, ZC3 и ZC4 импеданса могут возникать между биологическим телом и электродами 251, 252, 253 и 254, соответственно, и могут называться импедансами контакта. Импедансы контакта могут изменяться согласно состоянию поверхности (состоянию кожи) биологического тела. Импеданс контакта может также изменяться в зависимости от частоты приложенного электрического сигнала. Составляющая ZB импеданса, существующая между импедансами контакта, представляет собой компонент, подлежащий получению, и ZB может называться биоимпедансом. Составляющие Zp1, Zp2, Zp3 и Zp4 импеданса, которые не предусмотрены при проектировании схемы, могут быть паразитными между электродами 251, 252, 253, 254 и землей (например, заземлением носимого устройства 201), соответственно, и составляющие импеданса могут называться паразитными импедансами. Электрические сигналы (например, ток и/или напряжение) могут утекать из биоконтактной схемы 235 к земле из-за паразитных составляющих, и как результат, вследствие утечки электрического сигнала может возникать ошибка в измеряемом биоимпедансе. Значение паразитного импеданса может быть получено с помощью устройства анализа импеданса.[0143] Each of the circuit elements 231, 232, 233 and 234 may include electronic components (eg, capacitances and resistors) to remove a DC component of current from the electrical signal flowing from the corresponding port to the corresponding electrode (or vice versa). Each of the circuit elements 231, 232, 233 and 234 may have Z S1 , Z S2 , Z S3 and Z S4 as impedance components specified in the circuit design, and these impedance components may be called characteristic impedances. Impedance components Z C1 , Z C2 , Z C3 and Z C4 may occur between the biological body and the electrodes 251, 252, 253 and 254, respectively, and may be referred to as contact impedances. Contact impedances can vary according to the surface condition (skin condition) of the biological body. The contact impedance may also vary depending on the frequency of the applied electrical signal. The impedance component Z B existing between the contact impedances is the component to be received, and Z B may be called bioimpedance. Impedance components Zp 1 , Zp 2 , Zp 3 , and Zp 4 that are not provided for in the circuit design may be parasitic between electrodes 251, 252, 253, 254 and ground (eg, the ground of wearable device 201), respectively, and the impedance components may called parasitic impedances. Electrical signals (eg, current and/or voltage) may leak from the biocontact circuit 235 to ground due to parasitic components, and as a result, an error in the measured bioimpedance may occur due to the electrical signal leakage. The parasitic impedance value can be obtained using an impedance analysis device.
[0144] Согласно различным вариантам осуществления, модуль 240 измерения тока-напряжения может включать в себя запитывающий порт 245, порт 246 для измерения тока, первый порт 247 для измерения напряжения, второй порт 248 для измерения напряжения, генератор 241 сигнала переменного тока, амперметр 242 и вольтметр 243.[0144] According to various embodiments, current-voltage measurement module 240 may include a power supply port 245, a current measurement port 246, a first voltage measurement port 247, a second voltage measurement port 248, an AC signal generator 241, an ammeter 242 and voltmeter 243.
[0145] Запитывающий порт 245 и порт 246 для измерения тока могут быть электрически соединены с биоконтактной схемой 235 через модуль 250 конфигурирования цепи тока-напряжения.[0145] Power port 245 and current sensing port 246 may be electrically coupled to biocontact circuit 235 via current-voltage loop configuration module 250.
[0146] Генератор 241 сигнала переменного тока может генерировать электрический сигнал и может подавать этот электрический сигнал на биоконтактную схему 235 через запитывающий порт 245.[0146] The AC signal generator 241 may generate an electrical signal and may supply the electrical signal to biocontact circuit 235 via power port 245.
[0147] Амперметр 242 может принимать электрический сигнал с биоконтактной схемы 235 через порт 246 для измерения тока, измерять ток принятого электрического сигнала и передавать значение измерения тока на процессор 203.[0147] Ammeter 242 may receive an electrical signal from biocontact circuit 235 through current measurement port 246, measure the current of the received electrical signal, and transmit the current measurement value to processor 203.
[0148] Первый порт 247 для измерения напряжения и второй порт 248 для измерения напряжения могут быть электрически соединены с биоконтактной схемой 235 через модуль 250 конфигурирования цепи то ка-напряжения.[0148] The first voltage sensing port 247 and the second voltage sensing port 248 may be electrically coupled to the biocontact circuit 235 via a current-voltage loop configuration module 250 .
[0149] Вольтметр 243 может измерять напряжение между первым портом 247 для измерения напряжения и вторым портом 248 для измерения напряжения и может передавать значение измерения напряжения на процессор 203.[0149] Voltmeter 243 may measure the voltage between the first voltage measurement port 247 and the second voltage measurement port 248 and may transmit the voltage measurement value to the processor 203.
[0150] Согласно различным вариантам осуществления, модуль конфигурирования цепи тока-напряжения (здесь далее - модуль конфигурирования цепи) 250 может электрически соединять порты 236, 237, 238 и 239 биоконтактной схемы 235 с модулем 240 измерения то ка-напряжения под управлением процессора 203.[0150] According to various embodiments, a current-voltage circuit configuration module (hereinafter referred to as a circuit configuration module) 250 may electrically connect ports 236, 237, 238, and 239 of biocontact circuit 235 to a current-voltage measurement module 240 under the control of processor 203.
[0151] Согласно различным вариантам осуществления, процессор 203 может управлять модулем 250 конфигурирования цепи для конфигурирования цепи тока, устанавливаемой от одного из электродов 251, 252, 253, 254 до другого электрода. Процессор 203 может управлять модулем 250 конфигурирования цепи для конфигурирования цепи напряжения, устанавливаемой от одного из электродов 251, 252, 253 и 254 до другого электрода.[0151] According to various embodiments, processor 203 may control circuit configuration module 250 to configure a current path established from one of the electrodes 251, 252, 253, 254 to the other electrode. The processor 203 may control the circuit configuration module 250 to configure a voltage circuit established from one of the electrodes 251, 252, 253 and 254 to the other electrode.
[0152] Процессор 203 может управлять модулем 250 конфигурирования цепи для конфигурирования цепи напряжения таким образом, чтобы один из двух электродов цепи напряжения совпадал с одним из двух электродов цепи тока, причем упомянутый другой из двух электродов цепи напряжения отличается от упомянутого другого из двух электродов цепи тока, и в цепь напряжения не включен биоимпеданс ZB. Например, процессор 203 может конфигурировать цепь тока-напряжения в биоконтактной схеме 235 таким образом, чтобы первый электрод 251 был включен в цепь тока и цепь напряжения, а в цепь напряжения не был включен биоимпеданс ZB.[0152] The processor 203 may control the circuit configuration module 250 to configure the voltage circuit such that one of the two voltage circuit electrodes matches one of the two current circuit electrodes, wherein said other of the two voltage circuit electrodes is different from said other of the two circuit electrodes. current, and the bioimpedance Z B is not included in the voltage circuit. For example, the processor 203 may configure the current-voltage circuit in the biocontact circuit 235 such that the first electrode 251 is included in the current circuit and the voltage circuit, and the bioimpedance Z B is not included in the voltage circuit.
[0153] Процессор 203 может принимать от амперметра 242 или вольтметра 243 значение тока или напряжения, измеренное в состоянии, в котором цепь тока-напряжения составляет биоконтактную схему 235. Процессор 203 может измерять импеданс первого электрода 251 (в том числе ошибку, вызванную паразитным импедансом Zp1 между первым электродом 251 и землей) в цепи тока/напряжения путем использования принятых значений тока/напряжения. Процессор 203 может измерять импедансы остальных электродов 252, 253 и 254 таким же образом, как описано выше.[0153] The processor 203 may receive from the ammeter 242 or voltmeter 243 a current or voltage value measured in a state in which the current-voltage circuit constitutes the biocontact circuit 235. The processor 203 may measure the impedance of the first electrode 251 (including an error caused by parasitic impedance Zp 1 between the first electrode 251 and ground) in the current/voltage circuit by using the accepted current/voltage values. Processor 203 may measure the impedances of the remaining electrodes 252, 253, and 254 in the same manner as described above.
[0154] Согласно варианту осуществления, процессор 203 может передавать первый управляющий сигнал (например, включение биоимпеданса (в схему) ВЫКЛ, переключение полярности ВЫКЛ, и переключение то ка-напряжения ВЫКЛ) модулю 250 конфигурирования цепи для того, чтобы измерить импеданс контакта второго электрода 252. Например, в случае «включение биоимпеданса ВЫКЛ», биоимпеданс ZB может быть не включен в цепь напряжения. Когда сигнал переключения полярности изменяется с состояния ВЫКЛ на состояние ВКЛ, в цепи тока могут меняться местами начальный электрод и конечный электрод. Например, в состоянии, в котором цепь тока установлена от первого электрода 251 до второго электрода 252, если сигнал переключения полярности изменяется с состояния ВЫКЛ на состояние ВКЛ, цепь тока может изменяться на цепь тока, установленную от второго электрода 252 до первого электрода 251. Когда сигнал переключения тока-напряжения изменяется с состояния ВЫКЛ на состояние ВКЛ, в цепи напряжения могут меняться местами начальный электрод и конечный электрод. Например, в состоянии, в котором цепь напряжения установлена от четвертого электрода 254 до второго электрода 252, если сигнал переключения тока-напряжения изменяется с состояния ВЫКЛ на состояние ВКЛ, цепь напряжения может изменяться с цепи напряжения, установленной от второго электрода 252 до четвертого электрода 254. Цепи, установленные согласно различным комбинациям включения биоимпеданса ВКЛ/ВЫКЛ, переключения полярности ВКЛ/ВЫКЛ и переключения тока-напряжения ВКЛ/ВЫКЛ, можно резюмировать, как показано в таблице 2 ниже.[0154] According to an embodiment, processor 203 may provide a first control signal (eg, bioimpedance switch OFF, polarity switch OFF, and current-voltage switch OFF) to circuit configuration module 250 to measure the contact impedance of the second electrode 252. For example, in the case of "bioimpedance ON OFF", the bioimpedance Z B may not be included in the voltage circuit. When the polarity switching signal changes from the OFF state to the ON state, the start electrode and the end electrode may change places in the current circuit. For example, in a state in which a current path is established from the first electrode 251 to the second electrode 252, if the polarity switching signal changes from the OFF state to the ON state, the current path may change to a current path installed from the second electrode 252 to the first electrode 251. When The current-voltage switching signal changes from the OFF state to the ON state, the starting electrode and the ending electrode can be swapped in the voltage circuit. For example, in a state in which the voltage circuit is installed from the fourth electrode 254 to the second electrode 252, if the current-voltage switching signal changes from the OFF state to the ON state, the voltage circuit may change from the voltage circuit installed from the second electrode 252 to the fourth electrode 254 The circuits installed according to various combinations of ON/OFF bioimpedance switching, ON/OFF polarity switching and ON/OFF current-voltage switching can be summarized as shown in Table 2 below.
[0155] Модуль 250 конфигурирования цепи может соединять первый порт 236 с записывающим портом 245 и соединять второй порт 237 с портом 246 для измерения тока в ответ на первый управляющий сигнал. Соответственно, в биоконтактной схеме 235 может быть сформирована первая цепь тока, установленная от первого электрода 251 до второго электрода 252. Модуль 250 конфигурирования цепи может соединять четвертый порт 239 с первым портом 247 для измерения напряжения и соединять второй порт 237 со вторым портом 248 для измерения напряжения в ответ на первый управляющий сигнал. Соответственно, в биоконтактной схеме 235 может быть сформирована первая цепь напряжения, установленная от четвертого электрода 254 до второго электрода 252. Процессор 203 может принимать от амперметра 242 и вольтметра 243 значения тока/напряжения, измеренные в состоянии, в котором биоконтактную схему 235 составляет первая цепь тока-напряжения, включающая в себя первую цепь тока и первую цепь напряжения. Процессор 203 может измерять импеданс второго электрода 252 (в том числе ошибку, вызванную паразитным импедансом Zp2 между вторым электродом 252 и землей) путем использования принятых значений тока/напряжения.[0155] Circuit configuration module 250 may connect first port 236 to recording port 245 and connect second port 237 to port 246 to measure current in response to the first control signal. Accordingly, in the biocontact circuit 235, a first current circuit may be formed from the first electrode 251 to the second electrode 252. The circuit configuration module 250 may connect the fourth port 239 to the first voltage measurement port 247 and connect the second port 237 to the second measurement port 248 voltage in response to the first control signal. Accordingly, biocontact circuit 235 may be formed by a first voltage circuit extending from fourth electrode 254 to second electrode 252. Processor 203 may receive from ammeter 242 and voltmeter 243 current/voltage values measured in the state in which biocontact circuit 235 constitutes the first circuit. current-voltage, including a first current circuit and a first voltage circuit. The processor 203 may measure the impedance of the second electrode 252 (including the error caused by the parasitic impedance Zp 2 between the second electrode 252 and ground) by using the received current/voltage values.
[0156] Процессор 203 может изменять цепь тока-напряжения для того, чтобы измерить импеданс контакта четвертого электрода 254. Например, процессор 203 может передавать второй управляющий сигнал (например, включение биоимпеданса ВЫКЛ, переключение полярности ВЫКЛ и переключение тока-напряжения ВКЛ) на модуль 250конфигурирования цепи. Модуль 250 конфигурирования цепи может соединять третий порт 238 с запитывающим портом 245, соединять четвертый порт 239 с портом 246 для измерения тока и соединять второй порт 237 с первым портом 247 для измерения напряжения, и соединять четвертый порт 239 со вторым портом 248 для измерения напряжения в ответ на второй управляющий сигнал. Соответственно, в биоконтактной схеме 235 может быть сформирована вторая цепь то ка-напряжения, которая включает в себя вторую цепь тока, установленную от третьего электрода 253 до четвертого электрода 254, и вторую цепь напряжения, установленную от второго электрода 252 до четвертого электрода 254. Процессор 203 может принимать измеренные значения тока/напряжения от амперметра 242 и вольтметра 243 в состоянии, в котором биоконтактную схему 235 составляет вторая цепь тока-напряжения. Процессор 203 может измерять импеданс четвертого электрода 254 (в том числе ошибку, вызванную паразитным импедансом Zp4 между четвертым электродом 254 и землей) путем использования принятых значений тока/напряжения.[0156] The processor 203 may vary the current-voltage circuit to measure the contact impedance of the fourth electrode 254. For example, the processor 203 may provide a second control signal (eg, bio-impedance switch OFF, polarity switch OFF, and current-voltage switch ON) to the module 250circuit configuration. Circuit configuration module 250 may connect third port 238 to power port 245, connect fourth port 239 to current measurement port 246, and connect second port 237 to first voltage measurement port 247, and connect fourth port 239 to second voltage measurement port 248. response to the second control signal. Accordingly, in the biocontact circuit 235, a second current-voltage circuit may be formed that includes a second current circuit installed from the third electrode 253 to the fourth electrode 254, and a second voltage circuit installed from the second electrode 252 to the fourth electrode 254. Processor 203 may receive measured current/voltage values from ammeter 242 and voltmeter 243 in a state in which biocontact circuit 235 constitutes a second current-voltage circuit. The processor 203 may measure the impedance of the fourth electrode 254 (including the error caused by the parasitic impedance Zp 4 between the fourth electrode 254 and ground) by using the received current/voltage values.
[0157] Процессор 203 может изменять полярность тока для того, чтобы измерить импеданс контакта первого электрода 251. Например, процессор 203 может передавать третий управляющий сигнал (например, включение биоимпеданса ВЫКЛ, переключение полярности ВКЛ и переключение тока-напряжения ВЫКЛ) на модуль 250 конфигурирования цепи. Модуль 250 конфигурирования цепи может соединять второй порт 237 с запитывающим портом 245, соединять первый порт 236 с портом 246 для измерения тока и соединять третий порт 238 с первым портом 247 для измерения напряжения, и соединять первый порт 236 со вторым портом 248 для измерения напряжения в ответ на третий управляющий сигнал. Соответственно, в биоконтактной схеме 235 может быть сформирована третья цепь тока-напряжения, которая включает в себя третью цепь тока, установленную от второго электрода 252 до первого электрода 251, и третью цепь напряжения, установленную от третьего электрода 253 до первого электрода 251. Процессор 203 может принимать от амперметра 242 и вольтметра 243 значения тока/напряжения, измеренные в состоянии, в котором биоконтактную схему 235 составляет третья цепь тока-напряжения. Процессор 203 может измерять импеданс первого электрода 251 (в том числе ошибку, вызванную паразитным импедансом Zp1 между первым электродом 251 и землей) путем использования принятых значений тока/напряжения.[0157] The processor 203 may reverse the polarity of the current in order to measure the contact impedance of the first electrode 251. For example, the processor 203 may provide a third control signal (eg, bioimpedance switch OFF, polarity switch ON, and current-voltage switch OFF) to the configuration module 250 chains. Circuit configuration module 250 may connect second port 237 to power port 245, connect first port 236 to current measurement port 246, and connect third port 238 to first voltage measurement port 247, and connect first port 236 to second voltage measurement port 248. response to the third control signal. Accordingly, a third current-voltage circuit may be formed in the biocontact circuit 235, which includes a third current circuit installed from the second electrode 252 to the first electrode 251, and a third voltage circuit installed from the third electrode 253 to the first electrode 251. Processor 203 can receive from ammeter 242 and voltmeter 243 current/voltage values measured in a state in which the third current-voltage circuit constitutes the biocontact circuit 235. The processor 203 may measure the impedance of the first electrode 251 (including the error caused by the parasitic impedance Zp 1 between the first electrode 251 and ground) by using the received current/voltage values.
[0158] Процессор 203 может изменять полярность тока и цепь тока-напряжения для того, чтобы измерить импеданс контакта третьего электрода 253. Например, процессор 203 может передавать четвертый управляющий сигнал (например, включение биоимпеданса ВЫКЛ, переключение полярности ВКЛ и переключение тока-напряжения ВКЛ) на модуль 250 конфигурирования цепи. В ответ на четвертый управляющий сигнал процессор 203 может соединять четвертый порт 239 с запитывающим портом 245, соединять третий порт 238 с портом 246 для измерения тока, соединять первый порт 236 с первым портом 247 для измерения напряжения и соединять третий порт 238 со вторым портом 248 для измерения напряжения. Соответственно, в биоконтактной схеме 235 может быть сформированачетвертая цепь то ка-напряжения, которая включает в себя четвертую цепь тока, установленную от четвертого электрода 254 до третьего электрода 253, и четвертую цепь напряжения, установленную от первого электрода 251 до третьего электрода 253. Процессор 203 может принимать от амперметра 242 и вольтметра 243 значения тока/напряжения, измеренные в состоянии, в котором биоконтактную схему 235 составляет четвертая цепь тока-напряжения. Процессор 203 может измерять импеданс третьего электрода 253 (в том числе ошибку, вызванную паразитным импедансом ZP3 между третьим электродом 253 и землей) путем использования принятых значений тока/напряжения.[0158] The processor 203 may change the current polarity and the current-voltage circuit in order to measure the contact impedance of the third electrode 253. For example, the processor 203 may transmit a fourth control signal (e.g., bio-impedance switch OFF, polarity switch ON, and current-voltage switch ON ) to the circuit configuration module 250. In response to the fourth control signal, processor 203 may connect fourth port 239 to power port 245, connect third port 238 to port 246 to sense current, connect first port 236 to first port 247 to sense voltage, and connect third port 238 to second port 248 to voltage measurements. Accordingly, a fourth current-voltage circuit may be formed in the biocontact circuit 235, which includes a fourth current circuit installed from the fourth electrode 254 to the third electrode 253, and a fourth voltage circuit installed from the first electrode 251 to the third electrode 253. Processor 203 can receive from ammeter 242 and voltmeter 243 current/voltage values measured in a state in which the fourth current-voltage circuit constitutes the biocontact circuit 235. The processor 203 may measure the impedance of the third electrode 253 (including the error caused by the parasitic impedance Z P3 between the third electrode 253 and ground) by using the received current/voltage values.
[0159] 235 Согласно различным вариантам осуществления, процессор 203 может корректировать значение измерения импеданса путем использования паразитных импедансов Zp1, Zp2, Zp3 и Zp4 и характеристических импедансов Zs1, Zs2, Zs3 и Zs4 (например, исключать ошибку измеренного значения, вызванную паразитным импедансом) для получения импедансов ZC1, ZC2, ZC3 и ZC4 контакта.[0159] 235 According to various embodiments, processor 203 may correct the impedance measurement value by using parasitic impedances Zp 1 , Zp 2 , Zp 3 , and Zp 4 and characteristic impedances Zs 1 , Zs 2 , Zs 3 , and Zs 4 (e.g., eliminating error measured value caused by parasitic impedance) to obtain the impedances of Z C1 , Z C2 , Z C3 and Z C4 contacts.
[0160] Согласно различным вариантам осуществления, процессор 203 может управлять модулем 250 конфигурирования цепи для конфигурирования цепи тока и цепи напряжения таким образом, чтобы один из двух электродов цепи напряжения совпадал с одним из двух электродов цепи тока, другой из двух электродов цепи напряжения отличался от другого из двух электродов цепи тока, а биоимпеданс ZB был включен в обе из цепи тока и цепи напряжения. Процессор 203 может принимать от амперметра 242 и вольтметра 243 значения тока/напряжения, измеренные в состоянии, в котором биоконтактную схему 235 составляет цепь тока-напряжения. Процессор 203 может вычислять биоимпеданс ZB путем использования принятых значений тока/напряжения, характеристических импедансов ZS1, ZS2, ZS3 и ZS4, паразитных импедансов Zp1 ZP2, ZP3 и ZP4 и импедансов ZC1, ZC2, ZC3 и Zc4 контакта.[0160] According to various embodiments, the processor 203 may control the circuit configuration module 250 to configure the current circuit and the voltage circuit such that one of the two voltage circuit electrodes is the same as one of the two current circuit electrodes, the other of the two voltage circuit electrodes is different from the other of the two electrodes of the current circuit, and the bioimpedance Z B was included in both the current circuit and the voltage circuit. The processor 203 may receive from the ammeter 242 and voltmeter 243 current/voltage values measured in a state in which the biocontact circuit 235 constitutes a current-voltage circuit. The processor 203 may calculate the bioimpedance Z B by using the received current/voltage values, the characteristic impedances Z S1 , Z S2 , Z S3 and Z S4 , the parasitic impedances Zp 1 Z P2 , Z P3 and Z P4 , and the impedances Z C1 , Z C2 , Z C3 and Zc 4 pins.
[0161] Согласно варианту осуществления, процессор 203 может конфигурировать цепь тока-напряжения в биоконтактной схеме 235 таким образом, чтобы второй электрод 252 и биоимпеданс ZB были включены в цепь тока и цепь напряжения. Например, процессор 203 может передавать пятый управляющий сигнал (например, включение биоимпеданса ВКЛ, переключение полярности ВЫКЛ и переключение то ка-напряжения ВЫКЛ) на модуль 250 конфигурирования цепи. В ответ на пятый управляющий сигнал модуль 250 конфигурирования цепи может соединять первый порт 236 с запитывающим портом 245, соединять второй порт 237 с портом 246 для измерения тока, соединять третий порт 238 с первым портом 247 для измерения напряжения и соединять второй порт 237 со вторым портом 248 для измерения напряжения. Соответственно, в био контактной схеме 235 может быть сформирована пятая цепь тока-напряжения, которая включает в себя пятую цепь тока, установленную от первого электрода 251 до второго электрода 252, и пятую цепь напряжения, установленную от третьего электрода 253 до второго электрода 252. Процессор 203 может принимать от амперметра 242 и вольтметра 243 значения тока/напряжения, измеренные в состоянии, в котором биоконтактную схему 235 составляет пятая цепь тока-напряжения. Процессор 203 может вычислять первый биоимпеданс ZB1путем использования значения тока/напряжения, значение характеристического импеданса, значение паразитного импеданса и значение импеданса контакта, которые измеряют с помощью пятой цепи то ка-напряжения.[0161] According to an embodiment, the processor 203 may configure the current-voltage circuit in the biocontact circuit 235 such that the second electrode 252 and the bioimpedance Z B are included in the current circuit and the voltage circuit. For example, processor 203 may transmit a fifth control signal (eg, bioimpedance switch ON, polarity switch OFF, and current-voltage switch OFF) to circuit configuration module 250. In response to the fifth control signal, circuit configuration module 250 may connect first port 236 to power port 245, connect second port 237 to current sensing port 246, connect third port 238 to first voltage sensing port 247, and connect second port 237 to the second port. 248 for voltage measurement. Accordingly, in the bio contact circuit 235, a fifth current-voltage circuit may be formed, which includes a fifth current circuit installed from the first electrode 251 to the second electrode 252, and a fifth voltage circuit installed from the third electrode 253 to the second electrode 252. Processor 203 can receive from ammeter 242 and voltmeter 243 current/voltage values measured in a state in which biocontact circuit 235 constitutes a fifth current-voltage circuit. The processor 203 may calculate the first bioimpedance Z B1 by using the current/voltage value, the characteristic impedance value, the parasitic impedance value, and the contact impedance value, which are measured using the fifth current-voltage circuit.
[0162] Согласно варианту осуществления, процессор 203 может изменять цепь тока-напряжения таким образом, чтобы четвертый электрод 254 и биоимпеданс ZB были включены в цепь тока и цепь напряжения. Например, процессор 203 может передавать шестой управляющий сигнал (например, включение биоимпеданса ВКЛ, переключение полярности ВЫКЛ и переключение тока-напряжения ВКЛ) на модуль 250 конфигурирования цепи. Модуль 250 конфигурирования цепи может управлять в ответ на шестой управляющий сигнал модулем 250 конфигурирования цепи для соединения третьего порта 238 с запитывающим портом 245, соединять четвертый порт 239 с портом 246 для измерения тока, соединять первый порт 236 с первым портом 247 для измерения напряжения и соединять четвертый порт 239 со вторым портом 248 для измерения напряжения. Соответственно, в биоконтактной схеме 235 может быть сформирована шестая цепь тока-напряжения, которая включает в себя вторую цепь тока, установленную от третьего электрода 253 до четвертого электрода 254, и шестую цепь напряжения, установленную от первого электрода 251 до четвертого электрода 254. Процессор 203 может принимать от амперметра 242 и вольтметра 243 значения тока/напряжения, измеренные в состоянии, в котором биоконтактную схему 235 составляет шестая цепь тока-напряжения. Процессор 203 может вычислять второй биоимпеданс ZB2 путем использования значения тока/напряжения, значения характеристического импеданса, значения паразитного импеданса и значения импеданса контакта, которые измеряют с помощью шестой цепи тока-напряжения.[0162] According to an embodiment, the processor 203 may change the current-voltage path such that the fourth electrode 254 and the bioimpedance Z B are included in the current path and the voltage path. For example, processor 203 may transmit a sixth control signal (eg, bioimpedance switch ON, polarity switch OFF, and current-voltage switch ON) to circuit configuration module 250. The circuit configuration module 250 may control, in response to the sixth control signal, the circuit configuration module 250 to connect the third port 238 to the power supply port 245, connect the fourth port 239 to the current sensing port 246, connect the first port 236 to the first voltage sensing port 247, and connect a fourth port 239 with a second port 248 for voltage measurement. Accordingly, a sixth current-voltage circuit may be formed in the biocontact circuit 235, which includes a second current circuit installed from the third electrode 253 to the fourth electrode 254, and a sixth voltage circuit installed from the first electrode 251 to the fourth electrode 254. Processor 203 can receive from ammeter 242 and voltmeter 243 current/voltage values measured in a state in which the sixth current-voltage circuit constitutes the biocontact circuit 235. The processor 203 may calculate the second bioimpedance Z B2 by using the current/voltage value, the characteristic impedance value, the parasitic impedance value, and the contact impedance value, which are measured using the sixth current-voltage circuit.
[0163] Согласно варианту осуществления, процессор 203 может изменять полярность тока таким образом, чтобы первый электрод 251 и биоимпеданс ZB были включены в цепь тока и цепь напряжения. Например, процессор 203 может передавать седьмой управляющий сигнал (например, включение биоимпеданса ВКЛ, переключение полярности ВКЛ и переключение тока-напряжения ВЫКЛ) на модуль 250 конфигурирования цепи. Модуль 250 конфигурирования цепи может управлять в ответ на седьмой управляющий сигнал модулем 250 конфигурирования цепи для соединения второго порта 237 с запитывающим портом 245, соединять первый порт 236 с портом 246 для измерения тока, соединять четвертый порт 239 с первым портом 247 для измерения напряжения и соединять первый порт 236 со вторым портом 248 для измерения напряжения. Соответственно, в биоконтактной схеме 235 может быть сформирована седьмая цепь тока-напряжения, которая включает в себя третью цепь тока, установленную от второго электрода 252 до первого электрода 251, и седьмую цепь напряжения, установленную от четвертого электрода 254 до первого электрода 251. Процессор 203 может принимать от амперметра 242 и вольтметра 243 значения тока/напряжения, измеренные в состоянии, в котором биоконтактную схему 235 составляет седьмая цепь тока-напряжения. Процессор 203 может вычислять третий биоимпеданс ZB3 путем использования значениятока/напряжения, значения характеристического импеданса, значения паразитного импеданса и значения импеданса контакта, которые измеряют с помощью седьмой цепи тока-напряжения.[0163] According to an embodiment, the processor 203 may change the polarity of the current so that the first electrode 251 and the bioimpedance Z B are included in the current path and the voltage path. For example, processor 203 may transmit a seventh control signal (eg, bioimpedance switch ON, polarity switch ON, and current-voltage switch OFF) to circuit configuration module 250. The circuit configuration module 250 may control, in response to the seventh control signal, the circuit configuration module 250 to connect the second port 237 to the power port 245, connect the first port 236 to the current sensing port 246, connect the fourth port 239 to the first voltage sensing port 247, and connect first port 236 with second port 248 for voltage measurement. Accordingly, a seventh current-voltage circuit may be formed in the biocontact circuit 235, which includes a third current circuit installed from the second electrode 252 to the first electrode 251, and a seventh voltage circuit installed from the fourth electrode 254 to the first electrode 251. Processor 203 can receive from ammeter 242 and voltmeter 243 current/voltage values measured in a state in which the seventh current-voltage circuit constitutes the biocontact circuit 235. The processor 203 may calculate the third bioimpedance Z B3 by using the current/voltage value, the characteristic impedance value, the parasitic impedance value, and the contact impedance value, which are measured by the seventh current-voltage circuit.
[0164] Согласно варианту осуществления, процессор 203 может изменять полярность тока и цепь тока-напряжения таким образом, чтобы третий электрод 253 и биоимпеданс ZB были включены в цепь тока и цепь напряжения. Например, процессор 203 может передавать восьмой управляющий сигнал (например, включение биоимпеданса ВКЛ, переключение полярности ВКЛ и переключение тока-напряжения ВКЛ) на модуль 250 конфигурирования цепи. В ответ на восьмой управляющий сигнал модуль 250 конфигурирования цепи может соединять четвертый порт 239 с запитывающим портом 245, соединять третий порт 238 с портом 246 для измерения тока, соединять второй порт 237 с первым портом 247 для измерения напряжения и соединять третий порт 238 со вторым портом 248 для измерения напряжения. Соответственно, в биоконтактной схеме 235 может быть сформирована восьмая цепь тока-напряжения, которая включает в себя четвертую цепь тока, установленную от четвертого электрода 254 до третьего электрода 253, и восьмую цепь напряжения, установленную от второго электрода 252 до третьего электрода 253. Процессор 203 может принимать от амперметра 242 и вольтметра 243 значения тока/напряжения, измеренные в состоянии, в котором биоконтактную схему 235 составляет восьмая цепь тока-напряжения. Процессор 203 может вычислять четвертый биоимпеданс ZB4 путем использования значения тока/напряжения, значения характеристического импеданса, значения паразитного импеданса и значения импеданса контакта, которые измеряют с помощью восьмой цепи тока-напряжения.[0164] According to an embodiment, the processor 203 can change the polarity of the current and the current-voltage path so that the third electrode 253 and the bioimpedance Z B are included in the current path and the voltage path. For example, processor 203 may transmit an eighth control signal (eg, bioimpedance ON, polarity ON, and current-voltage ON) to circuit configuration module 250. In response to the eighth control signal, circuit configuration module 250 may connect fourth port 239 to power port 245, connect third port 238 to current sensing port 246, connect second port 237 to first voltage sensing port 247, and connect third port 238 to the second port. 248 for voltage measurement. Accordingly, an eighth current-voltage circuit may be formed in the biocontact circuit 235, which includes a fourth current circuit installed from the fourth electrode 254 to the third electrode 253, and an eighth voltage circuit installed from the second electrode 252 to the third electrode 253. Processor 203 can receive from ammeter 242 and voltmeter 243 current/voltage values measured in a state in which the eighth current-voltage circuit constitutes the biocontact circuit 235. The processor 203 may calculate the fourth bioimpedance Z B4 by using the current/voltage value, the characteristic impedance value, the parasitic impedance value, and the contact impedance value that are measured by the eighth current-voltage circuit.
[0165] Первая-восьмая цепи тока-напряжения, которые могут быть сконфигурированы в биоконтактной схеме 235, как описано выше, могут быть резюмированы в таблице 2 ниже. [0165] The first to eighth current-voltage circuits that may be configured in biocontact circuit 235 as described above may be summarized in Table 2 below.
[0166] Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, процессор 203 выполнен с возможностью получать упомянутые по меньшей мере два PPG-сигнала от упомянутого по меньшей мере одного PPG-датчика 208, сохранять их на запоминающем устройстве 212 и загружать их из запоминающего устройства 212 для выполнения операций обработки.[0166] According to an embodiment of the present invention, the processor 203 is configured to receive the at least two PPG signals from the at least one PPG sensor 208, store them in the storage device 212, and load them from the storage device 212 to perform operations processing.
[0167] Процессор 203 выполнен с возможностью выполнять фильтрацию упомянутых по меньшей мере двух PPG-сигналов с различными длинами волн от артефактов движения, разделять упомянутые по меньшей мере два PPG-сигнала с различными длинами волн на АС- и DC-составляющие временных рядов и преобразовывать эти временные ряды (сигнал во временной области) в частотную область или частотно-временную область с последующим извлечением их амплитудно-фазовых характеристик гармоник, причем преобразование упомянутых временных рядов в частотную область может содержать преобразование Фурье или преобразование Гильберта-Хуанга, а преобразование упомянутых временных рядов в частотно-временную область может содержать вейвлет-преобразование или билинейное частотно-временное распределение.[0167] The processor 203 is configured to filter the at least two PPG signals of different wavelengths from motion artifacts, separate the at least two PPG signals of different wavelengths into AC and DC components of the time series, and convert these time series (time domain signal) into the frequency domain or time-frequency domain and then extracting their amplitude-phase harmonic characteristics, wherein the transformation of said time series into the frequency domain may comprise a Fourier transform or a Hilbert-Huang transform, and the transformation of said time series into the time-frequency domain may contain a wavelet transform or a bilinear time-frequency distribution.
[0168] Процессор 203 выполнен с возможностью получать дополнительные данные (например, данные с упомянутых дополнительных датчиков носимого устройства 201), сохранять их на запоминающем устройстве 212 носимого устройства 201, а также загружать их из запоминающего устройства 212 для выполнения операций, при необходимости.[0168] The processor 203 is configured to receive additional data (eg, data from said additional sensors of the wearable device 201), store it on the storage device 212 of the wearable device 201, and load it from the storage device 212 to perform operations, if necessary.
[0169] Процессор 203 носимого устройства 201 выполнен с возможностью передавать информацию о значениях параметров крови пользователя, определенной на основании показаний датчиков 208, на устройство 210 вывода для информирования пользователя.[0169] The processor 203 of the wearable device 201 is configured to transmit information about the values of the user's blood parameters determined based on the readings of the sensors 208 to the output device 210 to inform the user.
[0170] Процессор 203 выполнен с возможностью загружать данные, принятые с помощью модуля 213 связи в запоминающее устройство 212, и/или загружать данные из запоминающего устройства 212 в модуль 213 связи для передачи их на внешнее устройство (например, устройства 225, 226, сервер 227 или облачное хранилище 229).[0170] The processor 203 is configured to load data received by the communication module 213 into the storage device 212, and/or load data from the storage device 212 into the communication module 213 for transferring it to an external device (e.g., devices 225, 226, server 227 or cloud storage 229).
[0171] Батарея 204 выполнена с возможностью подавать питание на по меньшей мере один компонент носимого устройства 201.[0171] The battery 204 is configured to supply power to at least one component of the wearable device 201.
[0172] Со ссылкой на фиг. 10Б проиллюстрировано, что упомянутый по меньшей мере один PPG-датчик 208 носимого устройства 201 расположен на его задней поверхности. Таким образом, при работе поверхность излучения PPG-датчика соприкасается с запястьем руки пользователя. В носимом устройстве 201 может быть предусмотрено несколько PPG-датчиков.[0172] With reference to FIG. 10B illustrates that the at least one PPG sensor 208 of the wearable device 201 is located on its rear surface. Thus, during operation, the radiation surface of the PPG sensor comes into contact with the user’s wrist. The wearable device 201 may include multiple PPG sensors.
[0173] Упомянутый по меньшей мере один PPG-датчик 208 выполнен с возможностью измерения по меньшей мере двух PPG-сигналов с различными длинами волн. В варианте осуществления настоящего изобретения, показанном на фиг. 10Б, упомянутый по меньшей мере один PPG-датчик 208 размещен со стороны задней поверхности 215 корпуса 202 (поверхности, обращенной к коже пользователя). В одном варианте осуществления настоящего изобретения (не показан) носимое устройство 201 может содержать два PPG-датчика 208, каждый из которых содержит по одному источнику 236 излучения и одному приемнику 237 излучения, причем источники 236 излучения этих двух PPG-датчиков излучают свет различных длин волн. В этом варианте осуществления настоящего изобретения два PPG-датчика 208 способны обеспечить снятие по меньшей мере двух PPG-сигналов с различными длинами волн. В варианте осуществления настоящего изобретения, показанном на фиг. 10Б, носимое устройство 201 содержит один PPG-датчик 208, содержащий два источника 236 излучения и два приемника 237 излучения, причем эти источники 236 излучения излучают свет различных длин волн. В этом варианте осуществления настоящего изобретения один PPG-датчик 208 способен обеспечить снятие по меньшей мере двух PPG-сигналов различных длин волн. В варианте осуществления настоящего изобретения источник 236 излучения может содержать светоизлучающий диод (светодиод). Между источниками и/или приемниками излучения могут быть предусмотрены фотобарьеры для уменьшения шумов и исключения перекрестных помех.[0173] The at least one PPG sensor 208 is configured to measure at least two PPG signals with different wavelengths. In the embodiment of the present invention shown in FIG. 10B, the at least one PPG sensor 208 is located on the rear surface 215 of the housing 202 (the surface facing the user's skin). In one embodiment of the present invention (not shown), the wearable device 201 may include two PPG sensors 208, each of which contains one radiation source 236 and one radiation receiver 237, the radiation sources 236 of the two PPG sensors emitting light of different wavelengths. . In this embodiment of the present invention, two PPG sensors 208 are capable of capturing at least two PPG signals of different wavelengths. In the embodiment of the present invention shown in FIG. 10B, the wearable device 201 includes one PPG sensor 208 containing two radiation sources 236 and two radiation receivers 237, the radiation sources 236 emitting light of different wavelengths. In this embodiment of the present invention, one PPG sensor 208 is capable of capturing at least two PPG signals of different wavelengths. In an embodiment of the present invention, the radiation source 236 may comprise a light-emitting diode (LED). Photobarriers may be provided between radiation sources and/or receivers to reduce noise and eliminate crosstalk.
[0174] Устройство 209 ввода выполнено с возможностью принимать данные, которые могут использоваться другим компонентом (например, процессором 203) носимого устройства 201, вводимые извне (например, пользователем носимого устройства 201). В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения устройство 209 ввода может быть выполнено с возможностью ввода профиля пользователя. Процессор 203 носимого устройства 201 может получать профиль пользователя от устройства 209 ввода, сохранять профиль пользователя в запоминающем устройстве 212, считывать его из запоминающего устройства 212 и использовать при необходимости. Также в носимом устройстве 201 может быть предусмотрен голосовые ввод и вывод данных.[0174] Input device 209 is configured to receive data that can be used by another component (eg, processor 203) of wearable device 201, input from externally (eg, a user of wearable device 201). In one embodiment of the present invention, input device 209 may be configured to input a user profile. The processor 203 of the wearable device 201 may receive the user profile from the input device 209, store the user profile in the storage device 212, read it from the storage device 212, and use it as needed. The wearable device 201 may also provide voice input and output.
[0175] Данные профиля пользователя могут включать пол, возраст, рост, вес пользователя. Также устройство ввода и вывода может содержать экран для отображения информации, например, определенной концентрации гемоглобина. Экран может быть выполнен с возможностью использования экранной клавиатуры для ввода данных.[0175] User profile data may include gender, age, height, weight of the user. Also, the input and output device may include a screen for displaying information, for example, a certain hemoglobin concentration. The screen may be configured to use an on-screen keyboard for data entry.
[0176] Устройство 210 вывода может быть выполнено с возможностью выводитьинформацию пользователю на первой стороне 214 носимого устройства 201. Устройство 210 вывода может включать в себя дисплей 211, который может быть выполнен с возможностью отображать выводимую информацию и расположен на первой стороне 214 носимого устройства 201. Дополнительно, дисплей 211 может быть выполнен с возможностью использования экранной клавиатуры для ввода данных, например, профиля пользователя.[0176] The output device 210 may be configured to display information to the user on a first side 214 of the wearable device 201. The output device 210 may include a display 211 that may be configured to display output information and located on the first side 214 of the wearable device 201. Additionally, the display 211 may be configured to use an on-screen keyboard to enter data, such as a user profile.
[0177] Запоминающее устройство 212 в предпочтительном варианте осуществления может быть выполнено с возможностью хранения:[0177] Storage device 212 in a preferred embodiment may be configured to store:
базы данных с наборами характеристик строения крови, включающих характеристики молекулярного и клеточного строения крови, сопоставленными с различными параметрами крови, измеренными лабораторными методами;databases with sets of blood structure characteristics, including characteristics of the molecular and cellular structure of blood, compared with various blood parameters measured by laboratory methods;
данных профиля пользователя;user profile data;
наборов измерительных данных, содержащих характеристики молекулярного и клеточного строения крови и включающих:sets of measurement data containing characteristics of the molecular and cellular structure of blood and including:
величину первой гармоники (f1), величину амплитудно-фазовых характеристик (tλ 0) гармоник по меньшей мере двух PPG-сигналов с различными длинами волн,the magnitude of the first harmonic (f 1 ), the magnitude of the amplitude-phase characteristics (t λ 0 ) of the harmonics of at least two PPG signals with different wavelengths,
по меньшей мере один параметр импеданса тела пользователя, такой как величина (Z) модуля импеданса тела пользователя, фазовый угол (ϕ) импеданса тела пользователя на разных частотах, общее количество жидкости в организме (TBW), отношение количества внутриклеточной жидкости (ICW) к количеству внеклеточной жидкости (ECW);at least one parameter of the user's body impedance, such as a magnitude (Z) of the user's body impedance modulus, a phase angle (ϕ) of the user's body impedance at different frequencies, total body fluid (TBW), intracellular fluid (ICW) to extracellular fluid (ECW);
даты сбора каждого набора измерительных данных;dates of collection of each set of measurement data;
времена сбора каждого набора измерительных данных;collection times of each set of measurement data;
параметры крови, определенные посредством процессора для каждого набора измерительных данных, и т.д.blood parameters determined by the processor for each set of measurement data, etc.
[0178] Также запоминающее устройство 212 может хранить различные дополнительные данные, например, снимаемые с дополнительных датчиков носимого устройства 201. Кроме того, запоминающее устройство 212 может хранить различные инструкции, которые, при исполнении на процессоре 203, побуждают процессор 203 управлять компонентами носимого устройства 201, связанными с процессором 203, и выполнять различные обработки данных или вычисления.[0178] Also, the memory device 212 may store various additional data, such as that collected from additional sensors of the wearable device 201. In addition, the memory device 212 may store various instructions that, when executed on the processor 203, cause the processor 203 to control components of the wearable device 201 associated with the processor 203 and perform various data processing or calculations.
[0179] Для передачи данных от носимого устройства или к нему может использоваться модуль 213 связи. Согласно варианту осуществления, модуль 213 связи может включать в себя модуль 223 беспроводной связи (например, модуль сотовой связи, модуль беспроводной связи ближнего действия или модуль связи глобальной навигационной спутниковой системы (GNSS)) или модуль 224 проводной связи (например, модуль связи локальной сети (LAN) или модуль связи по линии электропередачи). Таким образом, модуль 213 связи может поддерживать установление беспроводного канала связи между носимым устройством 201 и внешним устройством (например, устройством 225, устройством 226, сервером 227 или облачным хранилищем 228) и осуществление связи через установленный канал связи. Модуль 213 связи может включать в себя один или болеепроцессоров связи, которые работают независимо от процессора 203 и поддерживают прямую (например, проводную) связь или беспроводную связь. Соответствующий один из этих модулей связи может осуществлять связь с внешним электронным устройством через первую сеть 228 (например, сеть связи ближнего действия, такую как Bluetooth™, беспроводная связь (Wi-Fi) или передача данных по стандарту в инфракрасном диапазоне (IrDA)) или вторую сеть 229 (например, сеть связи на большие расстояния, такая как сотовая сеть, Интернет или компьютерная сеть, например, локальная сеть или глобальная сеть (WAN)). Эти различные типы модулей связи могут быть реализованы в виде единого компонента (например, одной микросхемы) или могут быть многокомпонентными (например, множеством микросхем).[0179] A communication module 213 may be used to transmit data from or to the wearable device. According to an embodiment, communications module 213 may include a wireless communications module 223 (e.g., a cellular communications module, a short-range wireless communications module, or a global navigation satellite system (GNSS) communications module) or a wired communications module 224 (e.g., a local area network communications module (LAN) or power line communication module). Thus, the communication module 213 may support establishing a wireless communication channel between the wearable device 201 and an external device (eg, device 225, device 226, server 227, or cloud storage 228) and communicating through the established communication channel. Communications module 213 may include one or more communications processors that operate independently of processor 203 and support direct (eg, wired) communications or wireless communications. A respective one of these communication modules may communicate with an external electronic device via a first network 228 (e.g., a short-range communication network such as Bluetooth™, wireless (Wi-Fi), or infrared data transmission (IrDA)) or a second network 229 (eg, a long-distance communications network, such as a cellular network, the Internet, or a computer network, such as a local area network or wide area network (WAN)). These various types of communication modules may be implemented as a single component (eg, a single chip) or may be multi-component (eg, multiple chips).
[0180] На фиг. 12 показан график отклонений значений гемоглобина, измеренных различными неинвазивными устройствами уровня техники для множества волонтеров (прибором фирмы Massimo Corp.или носимым устройством Samsung), от уровней гемоглобина, измеренных лабораторным методом с помощью забора венозной крови (опорные значения), в зависимости от среднего значения этих попарных измерений. Данные получены на основе 840 измерений, выполненных на 140 волонтерах, среди которых были мужчины и женщины с разным уровнем гемоглобина. Указанные данные собирали в медицинском центре, а протокол сбора данных был рассмотрен и одобрен этической комиссией Саратовского государственного медицинского университета (Россия). Как видно из фиг. 12, ошибка измерения уровня гемоглобина неинвазивными устройствами возрастает при высоком и низком уровнях гемоглобина, причем при низких уровнях гемоглобина неинвазивные устройства выдают завышенные результаты измерения, а при высоких уровнях гемоглобина - заниженные результаты по сравнению с полученными при лабораторном анализе образцов венозной крови.[0180] In FIG. 12 shows a graph of the deviations of hemoglobin values measured by various non-invasive devices of the prior art for a plurality of volunteers (a device from Massimo Corp. or a wearable device from Samsung) from hemoglobin levels measured by a laboratory method using venous blood sampling (reference values), depending on the average value these pairwise measurements. The data is based on 840 measurements performed on 140 volunteers, including men and women with different hemoglobin levels. These data were collected at the medical center, and the data collection protocol was reviewed and approved by the ethical commission of Saratov State Medical University (Russia). As can be seen from Fig. 12, the error in measuring hemoglobin levels with non-invasive devices increases at high and low hemoglobin levels, and at low hemoglobin levels, non-invasive devices produce overestimated measurement results, and at high hemoglobin levels, underestimated results compared to those obtained from laboratory analysis of venous blood samples.
[0181] На фиг. 13 показаны графики значений уровня гемоглобина, измеренных указанными устройствами уровня техники для множества волонтеров с низким гемоглобином (верхний график) и с нормальным гемоглобином (нижний график). Здесь сплошными кружками показаны опорные данные уровней гемоглобина, полученные лабораторным методом. Очевидно, что при нормальном уровне гемоглобина результаты измерений неинвазивными устройствами уровня техники достаточно корректны, однако, при проведении измерений на волонтерах с низким уровнем гемоглобина ошибка измерения значительно возрастает, при этом значения, получаемые неинвазивными устройствами, завышены. Аналогичная ситуация возникает при проведении измерений на волонтерах с высоким уровнем гемоглобина, при этом в данном случае значения, получаемые неинвазивными устройствами, занижены.[0181] In FIG. 13 shows graphs of hemoglobin levels measured by these prior art devices for a variety of volunteers with low hemoglobin (upper graph) and with normal hemoglobin (lower graph). Here, solid circles show reference data for hemoglobin levels obtained by laboratory methods. It is obvious that with a normal hemoglobin level, the measurement results with non-invasive devices of the state of the art are quite correct, however, when measuring on volunteers with low hemoglobin levels, the measurement error increases significantly, and the values obtained by non-invasive devices are overestimated. A similar situation arises when taking measurements on volunteers with high hemoglobin levels, and in this case the values obtained by non-invasive devices are underestimated.
[0182] Проблема состоит в том, что именно люди с высоким и низким гемоглобином нуждаются в частом, а иногда и непрерывном контроле его уровня. Таким образом, очевидна необходимость корректировки уровней гемоглобина, измеряемых неинвазивными устройствами, особенно при высоких и низких уровнях гемоглобина в крови пользователей таких устройств.[0182] The problem is that it is people with high and low hemoglobin who need frequent and sometimes continuous monitoring of their levels. Thus, there is a clear need to adjust hemoglobin levels measured by non-invasive devices, especially at high and low levels of hemoglobin in the blood of users of such devices.
[0183] На фиг. 14 показаны ключевые особенности (КО) измерения параметров крови в соответствии с настоящим раскрытием. Как обсуждено выше на примере определения гемоглобина, использование только оптических методов не обеспечивает возможность точного измерения параметров крови при краевых значениях. Поэтому для более полного учета строения крови используют также биоимпедансный анализ. Таким образом, первой ключевой особенностью (КO1) настоящего раскрытия является одновременное использование биоимпедансного (BIA) и фотоплетизмографического (PPG) датчиков, с помощью которых получают сигналы, характеризующие молекулярное и клеточное строение крови. Такой подход позволяет всесторонне описать биофизическое состояние крови неинвазивно: характеристики клеточного строения - с помощью сигналов биоимпеданса, характеристики молекулярного строения - с помощью оптических сигналов. Результатом КO1 является регистрация сигналов BIA- и PPG-датчиков для дальнейшего определения характеристик молекулярного и клеточного строения крови.[0183] In FIG. 14 shows the key features (KO) of measuring blood parameters in accordance with the present disclosure. As discussed above with the example of hemoglobin determination, the use of optical methods alone does not provide the ability to accurately measure blood parameters at extreme values. Therefore, to more fully take into account the structure of the blood, bioimpedance analysis is also used. Thus, the first key feature (CO1) of the present disclosure is the simultaneous use of bioimpedance (BIA) and photoplethysmography (PPG) sensors, with the help of which signals characterizing the molecular and cellular structure of blood are obtained. This approach makes it possible to comprehensively describe the biophysical state of blood non-invasively: characteristics of the cellular structure using bioimpedance signals, characteristics of the molecular structure using optical signals. The result of CO1 is the registration of signals from BIA and PPG sensors for further determination of the characteristics of the molecular and cellular structure of blood.
[0184] Второй ключевой особенностью (КO2) настоящего раскрытия является извлечение из зарегистрированных упомянутыми датчиками сигналов характеристик молекулярного и клеточного строения крови для компилирования базы данных. Сбор обучающего набора данных осуществляют по разнообразной популяции с широким диапазоном вариаций параметров крови. База данных включает в себя набор характеристик молекулярного и клеточного строения крови, определенных с помощью BIA- и PPG-датчиков, сопоставленных с опорными параметрами крови, определенными лабораторными методами анализа. Таким образом формируют базу данных.[0184] The second key feature (CO2) of the present disclosure is the extraction of molecular and cellular characteristics of blood from the signals recorded by said sensors to compile a database. The training data set is collected from a diverse population with a wide range of variations in blood parameters. The database includes a set of characteristics of the molecular and cellular structure of blood, determined using BIA and PPG sensors, compared with reference blood parameters determined by laboratory analysis methods. In this way a database is formed.
[0185] Третьей ключевой особенностью (КО3) настоящего раскрытия является точная оценка НЬ и других параметров крови с использованием прогнозирующей модели, которая строится и обучается с использованием скомпилированной базы данных. Используя прогнозирующую модель, можно точно оценить параметры крови для пользователей, не включенных в обучающий набор данных.[0185] The third key feature (KO3) of the present disclosure is the accurate estimation of Hb and other blood parameters using a predictive model that is built and trained using a compiled database. Using a predictive model, blood parameters can be accurately estimated for users not included in the training dataset.
[0186] В результате с помощью настоящего раскрытия возможна автоматическая, точная и неинвазивная оценка параметров крови (например, Hb, НСТ, tEV, МСНС, BV, PV и т.д.) во всем диапазоне измерений, включая крайние случаи пониженного или повышенного значения параметра крови.[0186] As a result, the present disclosure makes it possible to automatically, accurately, and noninvasively estimate blood parameters (e.g., Hb, HCT, tEV, MCHC, BV, PV, etc.) over the entire measurement range, including extreme cases of low or high values. blood parameter.
[0187] На фиг.15 показана КO1 настоящего раскрытия. Сначала с помощью носимого устройства со встроенными BIA- и PPG-датчиками одновременно регистрируют электрические BIA-сигналы, характеризующие клеточное строение крови, и оптические PPG-сигналы, характеризующие молекулярное строение крови конкретного пользователя. Оценка значения параметра крови, например, уровня гемоглобина только с помощью оптического датчика выполняется с ошибкой, особенно при краевых значениях, поэтому необходим дополнительный учет характеристик клеточного строения крови, например, количества плазмы, вне- и внутриклеточной жидкости, пространственного распределения гемоглобина и т.п.[0187] FIG. 15 shows CO1 of the present disclosure. First, using a wearable device with built-in BIA and PPG sensors, electrical BIA signals characterizing the cellular structure of the blood and optical PPG signals characterizing the molecular structure of the blood of a particular user are simultaneously recorded. Estimating the value of a blood parameter, for example, the level of hemoglobin, only using an optical sensor is carried out with an error, especially with marginal values, therefore, additional consideration is required for the characteristics of the cellular structure of the blood, for example, the amount of plasma, extra- and intracellular fluid, spatial distribution of hemoglobin, etc. .
[0188] Далее из зарегистрированных BIA- и PPG-датчиками сигналов извлекаютхарактеристики молекулярного и клеточного строения крови и определяют текущее состояние строения крови пользователя. Таким образом, конкретный набор свойств крови, содержащий характеристики молекулярного и клеточного строения крови, соответствует конкретному значению параметра крови (BPV), например, Hb, НСТ, tEV, МСНС, BV, PV и т.д.[0188] Next, the characteristics of the molecular and cellular structure of blood are extracted from the signals recorded by the BIA and PPG sensors and the current state of the user’s blood structure is determined. Thus, a specific set of blood properties, containing characteristics of the molecular and cellular structure of blood, corresponds to a specific blood parameter value (BPV), for example, Hb, HCT, tEV, MCHC, BV, PV, etc.
[0189] На фиг. 16 показана KO2 настоящего раскрытия, состоящая в компилировании базы данных для неинвазивного, персонального контроля параметров крови. В настоящем изобретении это обеспечивается следующим образом. В результате машинного обучения нейронной сети заранее создается прогнозирующая модель. Для обучения прогнозирующей модели, позволяющей определять различные параметры крови, компилируют базу данных. Для этого, как было описано со ссылкой на фиг. 15, для каждого из множества пользователей носимого устройства получают конкретный набор свойств крови, содержащий характеристики молекулярного и клеточного строения крови, который соответствует конкретному значению параметра крови (BPV). Дополнительно для каждого из множества пользователей опорным методом определяют опорное значение параметра крови, например, проводя анализ крови каким-либо лабораторным методом. После этого коррелируют соответствующие определенные с помощью носимого устройства наборы свойств крови множества пользователей с опорными значениями параметра крови, определенными лабораторным методом, и компилируют базу данных, в которой для каждого пользователя набор свойств крови включает состояние строения крови, зарегистрированное PPG- и BIA-датчиками, вместе с профилем пользователя и опорным значением параметра крови. Таким образом компилируют базу данных, в которой, как показано на фиг. 16, каждому набору свойств крови (А, В,…N), т.е. молекулярному и клеточному строению крови, закодированному в характеристиках, соответствует опорное значение(я) параметра крови (BPVA, BPVB,…BPVN). Таким образом, база данных содержит все возможные комбинации наборов свойств крови с конкретными опорными значениями параметров крови. Скомпилированную таким образом базу данных используют для машинного обучения прогнозирующей модели. Прогнозирующая модель, используемая в процессоре носимого устройства, обеспечивает определение параметров крови пользователя на основе наборов свойств, характеризующих молекулярное и клеточное строение крови, получаемых при обработке PPG- и BIA-сигналов для конкретного пользователя носимого устройства.[0189] In FIG. 16 shows KO2 of the present disclosure, which consists of compiling a database for non-invasive, personal monitoring of blood parameters. In the present invention, this is achieved as follows. As a result of machine learning of a neural network, a predictive model is created in advance. To train a predictive model that can determine various blood parameters, a database is compiled. To do this, as has been described with reference to FIG. 15, for each of a plurality of wearable device users, a specific set of blood properties is obtained, containing characteristics of the molecular and cellular structure of blood, which corresponds to a specific blood parameter value (BPV). Additionally, for each of the plurality of users, the reference value of the blood parameter is determined by the reference method, for example, by performing a blood test by some laboratory method. After this, the corresponding sets of blood properties of multiple users determined using a wearable device are correlated with the reference values of the blood parameter determined by the laboratory method, and a database is compiled in which for each user the set of blood properties includes the state of the blood structure recorded by PPG and BIA sensors, along with the user profile and blood parameter reference value. In this way, a database is compiled in which, as shown in FIG. 16, each set of blood properties (A, B,...N), i.e. The molecular and cellular structure of the blood, encoded in the characteristics, corresponds to the reference value(s) of the blood parameter (BPV A , BPV B ,…BPV N ). Thus, the database contains all possible combinations of sets of blood properties with specific reference values of blood parameters. The database compiled in this way is used for machine learning of the predictive model. The predictive model used in the processor of the wearable device provides determination of the user's blood parameters based on sets of properties characterizing the molecular and cellular structure of blood obtained by processing PPG and BIA signals for a specific user of the wearable device.
Таким образом, могут быть выровнены ошибки, допускаемые при неинвазивном измерении значения параметра крови.In this way, errors made during non-invasive measurement of a blood parameter can be leveled out.
[0190] На фиг. 17 и 18 показана КО3 настоящего раскрытия, состоящая в точной оценке НЬ и других параметров крови с использованием прогнозирующей модели. Построение прогнозирующей модели, как показано на фиг. 17, осуществляют на основе заранее скомпилированной базы данных, содержащей наборы характеристик молекулярного и клеточного строения крови, соотнесенные с опорными данными, т.е. значениями параметров крови, измеренными лабораторными методами. При сбореопорных данных, например, при определении концентрации гемоглобина используют лабораторный анализ капиллярной крови колориметрическим методом на основе гемоглобиназидного анализа. Для построения прогнозирующей модели может использоваться любой подходящий метод машинного обучения, например, регрессионная модель машинного обучения, а именно метод градиентного спуска и k-fold кросс-валидация для оценки эффективности прогнозирования. При этом минимизируют ошибку модели по базе данных и находят наилучшие параметры модели wbest.[0190] In FIG. 17 and 18 show OB3 of the present disclosure, which is to accurately estimate Hb and other blood parameters using a predictive model. Building a predictive model as shown in FIG. 17 are carried out on the basis of a pre-compiled database containing sets of characteristics of the molecular and cellular structure of blood, correlated with reference data, i.e. values of blood parameters measured by laboratory methods. When collecting basic data, for example, when determining hemoglobin concentration, a laboratory analysis of capillary blood is used using a colorimetric method based on hemoglobinazide analysis. To build a predictive model, any suitable machine learning method can be used, for example, a machine learning regression model, namely the gradient descent method and k-fold cross-validation to evaluate the prediction performance. At the same time, the model error is minimized using the database and the best model parameters w best are found.
[0191] Полученные данные наглядно демонстрируют, что параметры крови, в частности, концентрация гемоглобина, как показано на фиг. 18, в крови пользователя носимого устройства может быть спрогнозирована на основании по меньшей мере набора измерительных данных, снимаемых с датчиков носимого устройства, с высокой точностью относительно показаний, полученных лабораторным методом. Очевидно, что точность прогнозирования будет возрастать как по мере уточнения прогнозирующей модели, так и по мере накопления в базе данных информации с результатами измерений на пользователях. Таким образом, предполагается, что с помощью носимого устройства по изобретению можно будет определять значения параметров крови пользователей с высокой точностью (в пределах 1-3%).[0191] The data obtained clearly demonstrate that blood parameters, in particular hemoglobin concentration, as shown in FIG. 18, the blood level of the user of the wearable device can be predicted based on at least a set of measurement data taken from the sensors of the wearable device, with high accuracy relative to the readings obtained by a laboratory method. It is obvious that the accuracy of forecasting will increase both as the forecasting model is refined and as information with the results of measurements on users is accumulated in the database. Thus, it is expected that the wearable device of the invention will be able to determine the blood parameters of users with high accuracy (within 1-3%).
[0192] Решение задачи прогнозирования значений параметров крови пользователя основано на выявлении эмпирических закономерностей в обучающих данных, помещенных в общую базу данных, машинным способом.[0192] The solution to the problem of predicting the values of the user's blood parameters is based on identifying empirical patterns in the training data placed in a common database using a machine method.
[0193] В варианте осуществления настоящего изобретения прогнозирующая модель создана для носимого устройства, расположенного на запястье, поскольку обучение прогнозирующей модели было основано на данных, снятых датчиками носимого устройства, расположенного на запястье. В других вариантах осуществления настоящего изобретения возможно обучение прогнозирующей модели с учетом размещения носимого устройства на других частях тела, например, на пальце. Описанная здесь прогнозирующая модель может быть реализована в виде программного обеспечения, включающего одну или более инструкций, которые могут исполняться процессором 203 носимого устройства 201 или внешними процессорами/устройствами обработки.[0193] In an embodiment of the present invention, a predictive model is created for a wearable device located on the wrist, since training of the predictive model was based on data captured by sensors of the wearable device located on the wrist. In other embodiments of the present invention, it is possible to train a predictive model based on placement of the wearable device on other parts of the body, such as a finger. The predictive model described herein may be implemented as software including one or more instructions that may be executed by the processor 203 of the wearable device 201 or by external processors/processing devices.
[0194] В вышеописанном процессе обучения прогнозирующей модели использовались данные профилей других пользователей (тестируемых субъектов), наборы измерительных данных, заранее измеренных у других пользователей, и наборы опорных данных, заранее измеренных лабораторным методом, как подробно описано выше.[0194] The above-described process for training the predictive model used profile data from other users (test subjects), measurement data sets previously measured from other users, and reference data sets previously measured by a laboratory method, as described in detail above.
[0195] Как обсуждено далее, база данных может постоянным образом обновляться, и, кроме того, происходит уточнение прогнозирующей модели путем машинного обучения.[0195] As discussed below, the database may be continually updated and, in addition, the prediction model may be refined through machine learning.
В процессе машинного обучения могут быть использованы методы селекции и обработки характеристик и соответствующих дискретных частот:In the process of machine learning, methods for selecting and processing characteristics and corresponding discrete frequencies can be used:
- в методе Relief-F вычисляется и нормализуется вектор весов признаков (характеристик), а затем отбираются признаки, вес которых превышает значение заданного порога;- in the Relief-F method, the vector of weights of features (characteristics) is calculated and normalized, and then features are selected whose weight exceeds the value of a given threshold;
- метод Correlation-based Feature Selection (CFS) сочетает оценочную формулу с соответствующей корреляционной мерой и эвристической стратегией поиска;- the Correlation-based Feature Selection (CFS) method combines an evaluation formula with an appropriate correlation measure and a heuristic search strategy;
- метод Fast Correlation Based Filter начинает работать с полным множеством признаков, использует меру симметричной неопределенности для определения зависимостей между признаками и позволяет выбрать подмножество путем поиска и последовательного исключения малоинформативных признаков;- the Fast Correlation Based Filter method begins to work with the full set of features, uses a measure of symmetric uncertainty to determine dependencies between features and allows you to select a subset by searching and sequentially eliminating uninformative features;
- метод Sequential Forward Feature Selection (SFFS) на каждой итерации добавляет к набору признак, обеспечивающий наилучшую для данной итерации эффективность распознавания;- the Sequential Forward Feature Selection (SFFS) method at each iteration adds to the set a feature that provides the best recognition efficiency for a given iteration;
- метод взаимной информации (Mutual Information) определяет нелинейную корреляционную зависимость взамен вычисления корреляции Пирсона «признак-признак» и «признак-метка»;- the mutual information method determines the nonlinear correlation dependence instead of calculating the Pearson correlation “feature-feature” and “feature-label”;
- базовые алгоритмы машинного обучения (искусственного интеллекта);- basic machine learning (artificial intelligence) algorithms;
- в качестве рабочего решения может использоваться комбинация указанных методов регрессии и любые производные методы регрессии, в основу которых входит базовый алгоритм:- as a working solution, a combination of the specified regression methods and any derivative regression methods, which are based on the basic algorithm, can be used:
- деревья решений (Decision Tree) / случайный лес (Rnom Forests);- decision trees (Decision Tree) / random forest (Rnom Forests);
- метод опорных векторов (Support Vector Machines);- support vector machines (Support Vector Machines);
- линейный анализ (Linear Analysis);- Linear Analysis;
- методы глубокого обучения - искусственные нейросети.- deep learning methods - artificial neural networks.
[0196] Преимущественные эффекты от использования метода машинного обучения состоят в возможности определения параметров крови для пользователя, данные которого не включены в базу данных, и повышении точности определения параметров крови.[0196] The advantageous effects of using a machine learning method are the ability to determine blood parameters for a user whose data is not included in the database and improve the accuracy of blood parameter determination.
[0197] После построения прогнозирующей модели, ее можно использовать для прогнозирования значений параметров крови, таких как, например, уровень гемоглобина (Hb), гематокрит (НСТ), объем плазмы (PV), объем крови (BV), общий объем эритроцитов (tEV), средняя концентрация гемоглобина в эритроцитах (МСНС) и т.д. При этом, согласно настоящему раскрытию, для прогнозирования свойств крови используют данные, относящиеся как к молекулярному, так и к клеточному строению крови. В результате возможна более точная оценка параметров крови (cHb, tHb, НСТ, PV, BV, tEV, МСНС и т.д.), чем в традиционных методах уровня техники. В качестве примера на фиг. 18 показаны результаты измерения уровня гемоглобина носимым устройством, содержащим только оптический (PPG) датчик (верхний график), и носимым устройством, содержащим как PPG-датчик, так и BIA-датчик по настоящему изобретению (нижний график). На графиках по фиг. 18 по оси абсцисс показаны средние между двумя значениями гемоглобина, одно из которых определено лабораторным методом, а другое - носимым устройством уровня техники, а по оси ординат - разность между этими двумя значениями. Из верхнего графика по фиг.18 видно, что при определении уровня гемоглобина традиционным неинвазивным методом при низком гемоглобине у пользователя определяемые значения завышены, в то время как при высоком гемоглобине определяемые значения занижены. Таким образом, краевые значения уровня гемоглобина в этом случае определяются некорректно (показатель МАЕ=12,37, МАЕ (Mean Absolute Error) - средняя абсолютная ошибка, представляющая собой меру ошибок между парными измерениями одного и то же явления, то есть в данном случае между фактическими значениями концентрации гемоглобина, измеренными лабораторным методом, и прогнозируемыми значениями, полученными с помощью носимого устройства; МАЕ рассчитывается как сумма абсолютных ошибок, деленная на размер выборки). Из нижнего графика по фиг.18 видно, что использование носимого устройства по настоящему изобретению существенно снижает ошибки при определении высокого и низкого гемоглобина (показатель МАЕ=6,67).[0197] Once the predictive model is built, it can be used to predict the values of blood parameters such as, for example, hemoglobin (Hb), hematocrit (HCT), plasma volume (PV), blood volume (BV), total red blood cell volume (tEV) ), average hemoglobin concentration in erythrocytes (MCHC), etc. Moreover, according to the present disclosure, data related to both the molecular and cellular structure of blood are used to predict the properties of blood. As a result, a more accurate assessment of blood parameters (cHb, tHb, NCT, PV, BV, tEV, MCHC, etc.) is possible than in traditional methods of the state of the art. As an example, in FIG. 18 shows the results of hemoglobin level measurement by a wearable device containing only an optical (PPG) sensor (upper graph) and a wearable device containing both a PPG sensor and a BIA sensor of the present invention (lower graph). In the graphs of Fig. 18, the x-axis shows the average between two hemoglobin values, one of which is determined by a laboratory method and the other by a wearable device of the prior art, and the y-axis shows the difference between these two values. From the top graph of Fig. 18 it can be seen that when determining the hemoglobin level using the traditional non-invasive method, when the user's hemoglobin is low, the determined values are overestimated, while when the user has high hemoglobin, the determined values are underestimated. Thus, the marginal values of the hemoglobin level in this case are determined incorrectly (MAE indicator = 12.37, MAE (Mean Absolute Error) is the average absolute error, which is a measure of errors between paired measurements of the same phenomenon, that is, in this case, between actual values of hemoglobin concentration measured by a laboratory method and predicted values obtained using a wearable device; MAE is calculated as the sum of absolute errors divided by the sample size). From the lower graph of Fig. 18, it can be seen that the use of a wearable device according to the present invention significantly reduces errors in determining high and low hemoglobin (MAE value = 6.67).
[0198] Суммируя вышеизложенное, способ определения параметров крови осуществляют с помощью носимого устройства по настоящему изобретению следующим образом:[0198] To summarize the above, a method for determining blood parameters is carried out using a wearable device according to the present invention as follows:
- с помощью PPG- и BIA-датчиков одновременно регистрируют соответственно оптические и электрические сигналы, т.е. фототок и импеданс, для множества пользователей;- using PPG and BIA sensors, optical and electrical signals are simultaneously recorded, respectively, i.e. photocurrent and impedance, for multiple users;
- осуществляют сбор набора данных опорных значений параметров крови (BPV), определяемых с помощью исследования крови, для множества пользователей;- collect a data set of reference blood parameter values (BPV), determined using a blood test, for a plurality of users;
из зарегистрированных упомянутыми датчиками сигналов извлекают характеристики молекулярного и клеточного строения крови и сопоставляют их с различными значениями параметров крови (состояниями строения крови), определенными для множества пользователей;characteristics of the molecular and cellular structure of blood are extracted from the signals recorded by the mentioned sensors and compared with different values of blood parameters (states of blood structure) defined for a variety of users;
- компилируют базу данных, включающую в себя i) опорные значения параметров крови; ii) характеристики молекулярного строения крови; iii) характеристики клеточного строения крови и, необязательно, iv) данные фенотипа пользователей;- compile a database including i) reference values of blood parameters; ii) characteristics of the molecular structure of blood; iii) blood cellular characteristics and, optionally, iv) user phenotype data;
- осуществляют построение и обучение прогнозирующей модели с использованием скомпилированной базы данных;- construct and train a predictive model using a compiled database;
- точно прогнозируют параметры крови, например, уровня гемоглобина для новых пользователей без проведения исследования крови, путем сравнения набора характеристик молекулярного и клеточного строения крови нового пользователя, полученного с помощью упомянутых датчиков носимого устройства, с наборами из заранее скомпилированной базы данных.- accurately predict blood parameters, for example, hemoglobin level for new users without performing a blood test, by comparing a set of characteristics of the molecular and cellular structure of the new user's blood, obtained using the mentioned sensors of the wearable device, with sets from a pre-compiled database.
[0199] Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает возможность неинвазивной мгновенной или непрерывной точной оценки значений различных параметров крови (например, cHb, tHb, НСТ, tEV, BV, PV и т.д.), в том числе при краевых значениях оцениваемого параметра.[0199] Thus, the present invention provides the possibility of non-invasive instantaneous or continuous accurate assessment of the values of various blood parameters (for example, cHb, tHb, NCT, tEV, BV, PV, etc.), including at the edge values of the estimated parameter.
Вариант осуществления 1Embodiment 1
[0200] Настоящий вариант осуществления, показанный на фиг. 19, относится к дополнительному использованию метода машинного обучения (machine leaning, ML) в заявленном способе. Как и в вышеописанном варианте осуществления сначала регистрируют PPG- и BIA-сигналы у пользователя с неизвестным значением параметракрови, например, cHb, tHb, НСТ, tEV, BV, PV, затем из зарегистрированных упомянутыми датчиками сигналов извлекают набор характеристик, описывающих молекулярное и клеточное строение крови пользователя. После этого путем сравнения полученного набора характеристик с наборами, входящими в базу данных, определяют требуемое значение параметра крови. В отличие от вышеописанного варианта осуществления, может возникнуть ситуация, когда при сравнении полученного набора характеристик с наборами, входящими в базу данных, невозможно будет однозначно определить значение параметра крови, поскольку полученный набор не будет однозначно соответствовать какому-либо набору из базы данных. В таком случае проводят лабораторный анализ крови пользователя и вносят полученный результат в базу данных, коррелируя его с полученным набором характеристик, и дополнительно с помощью метода машинного обучения уточняют прогнозирующую модель. Более того, в этом варианте осуществления в базу данных вносят также данные профиля пользователя, такие как история предыдущих измерений параметров крови, масса тела, мышечная масса, возраст и т.п., что позволяет дополнительно уточнить прогнозирующую модель. Преимущественный эффект состоит в улучшенной точности определения параметров крови для пользователя, данные которого не включены в базу данных.[0200] The present embodiment shown in FIG. 19 refers to the additional use of machine learning (ML) in the claimed method. As in the above-described embodiment, PPG and BIA signals are first recorded from a user with an unknown blood parameter value, for example, cHb, tHb, NCT, tEV, BV, PV, then a set of characteristics describing the molecular and cellular structure is extracted from the signals recorded by the mentioned sensors user's blood. After this, by comparing the resulting set of characteristics with the sets included in the database, the required value of the blood parameter is determined. In contrast to the above-described embodiment, a situation may arise where, when comparing the resulting set of characteristics with the sets included in the database, it will not be possible to unambiguously determine the value of the blood parameter, since the resulting set will not uniquely correspond to any set from the database. In this case, a laboratory analysis of the user’s blood is carried out and the result is entered into the database, correlating it with the obtained set of characteristics, and additionally, using the machine learning method, the predictive model is refined. Moreover, in this embodiment, user profile data such as history of previous blood parameter measurements, body weight, muscle mass, age, etc. are also entered into the database, allowing the prediction model to be further refined. The advantageous effect is improved accuracy of blood parameter determination for a user whose data is not included in the database.
Вариант осуществления 2Embodiment 2
[0201] Настоящий вариант осуществления, показанный на фиг. 20, относится к дополнительному использованию информации о морфологии тела пользователя. Как обсуждено выше, молекулярное строение крови характеризуют по ВIА-сигналу, детектируемому у пользователя. В качестве характеристик такого сигнала используют величину импеданса тела (активную и реактивную составляющие), фазу импеданса тела, величину импеданса контакта, амплитуду переменной составляющей частоты и сопротивления тела человека. Клеточное строение крови характеризуют по PPG-сигналу, используя параметры формы волны детектируемого PPG-сигнала. В этом варианте осуществления, в отличие от варианта осуществления 1, вносимый в базу данных профиль пользователя может содержать различную информацию, включая количество жира и мышечной массы. Преимущественный эффект от использования такой информации о профиле пользователя состоит в улучшенной точности определения параметров крови для пользователя, данные которого не включены в базу данных.[0201] The present embodiment shown in FIG. 20 refers to the additional use of information about the user's body morphology. As discussed above, the molecular structure of blood is characterized by the BIA signal detected in the user. The characteristics of such a signal are the magnitude of the body impedance (active and reactive components), the phase of the body impedance, the magnitude of the contact impedance, the amplitude of the variable frequency component and the resistance of the human body. The cellular structure of blood is characterized by the PPG signal using the waveform parameters of the detected PPG signal. In this embodiment, unlike Embodiment 1, the user profile entered into the database may contain various information, including amount of fat and muscle mass. The advantageous effect of using such user profile information is improved accuracy in determining blood parameters for a user whose data is not included in the database.
Вариант осуществления 3Embodiment 3
[0202] Настоящий вариант осуществления, показанный на фиг. 21, относится к потенциальному применению носимого устройства с локальным BIA-датчиком. В носимых устройствах уровня техники, использующих тетраполярную схему измерения, два электрода расположены со стороны задней крышки, а два электрода расположены на кнопках управления на боковой поверхности корпуса носимого устройства, как показано на фиг. 10В в отношении умных часов Samsung. Таким образом, при измерении с помощью BIA-датчика (время измерения составляет, как правило, около 15 секунд) два электрода контактируют с запястьем одной руки пользователя, а пальцы другой руки пользователяконтактируют с электродами на боковой поверхности, а значит, измерительный контур, по которому протекает ток, включает обе руки пользователя и верхнюю часть тела. В настоящем варианте осуществления все четыре электрода BIA-датчика могут быть расположены на задней крышке корпуса носимого устройства, т.е. контур протекания тока, подаваемого BIA-датчиком, примерно совпадает с путем распространения оптических сигналов от/до PPG-датчика, т.е. измерению подвергается одна и та же часть тела пользователя. Гетерогенность в структурных элементах клеток, биологических тканей, органов и всего человеческого организма, изменчивость в молекулярном составе, возникающая в результате динамики биохимических реакций, вклад компонентов, таких как ионы, белки и поляризованные мембраны, сильно влияют на интерпретацию результатов биоимпедансного анализа. Измерение параметров одного и того же объема биологической ткани пользователя при помощи BIA- и PPG-датчиков приводит к повышению точности определения параметров крови пользователя, что является преимущественным эффектом этого варианта осуществления. Эффект использования заявленного изобретения[0202] The present embodiment shown in FIG. 21 relates to the potential application of a wearable device with a local BIA sensor. In prior art wearable devices using a tetrapolar sensing circuit, two electrodes are located on the back cover side, and two electrodes are located on control buttons on the side surface of the body of the wearable device, as shown in FIG. 10B in relation to Samsung smartwatches. Thus, when measuring with a BIA sensor (measurement time is usually about 15 seconds), two electrodes are in contact with the wrist of one hand of the user, and the fingers of the other hand of the user are in contact with the electrodes on the side surface, and therefore the measuring circuit along which the current flowing includes both of the user's arms and upper body. In the present embodiment, all four electrodes of the BIA sensor may be located on the back cover of the body of the wearable device, i.e. The current path supplied by the BIA sensor approximately coincides with the path of optical signals from/to the PPG sensor, i.e. The same part of the user's body is measured. Heterogeneity in the structural elements of cells, biological tissues, organs and the entire human body, variability in molecular composition resulting from the dynamics of biochemical reactions, and the contribution of components such as ions, proteins and polarized membranes strongly influence the interpretation of the results of bioimpedance analysis. Measuring the same volume of the user's biological tissue using BIA and PPG sensors results in increased accuracy in determining the user's blood parameters, which is an advantageous effect of this embodiment. Effect of using the claimed invention
[0203] На фиг. 18 и 22 в качестве примера показаны результаты определения уровня гемоглобина у пользователей носимого устройства. Для построения графика на фиг. 18 использовали 30 измерений, выполненных на 10 пользователях (5 мужчин и 5 женщин). При этом верхний график по фиг. 18 построен на основе измерений, выполненных носимым устройством, имеющим только PPG-датчик, а нижний график - на основе измерений, выполненных носимым устройством по изобретению, имеющим как PPG-датчик, так и ВIА-датчик.[0203] In FIG. 18 and 22 show the results of determining the hemoglobin level of wearable device users as an example. To plot the graph in Fig. 18 used 30 measurements performed on 10 users (5 men and 5 women). In this case, the upper graph in Fig. 18 is based on measurements taken by a wearable device having only a PPG sensor, and the bottom graph is based on measurements taken by a wearable device according to the invention having both a PPG sensor and a BIA sensor.
[0204] Как уже отмечалось, из верхнего графика по фиг.18 понятно, что при определении уровня гемоглобина носимым устройство, имеющим только PPG-датчик (традиционный способ), при низком гемоглобине у пользователя определяемые значения завышены, в то время как при высоком гемоглобине определяемые значения занижены. Таким образом, краевые значения уровня гемоглобина в данном случае определяются некорректно (показатель МАЕ=12,37). Из нижнего графика по фиг. 18 видно, что использование носимого устройства по настоящему изобретению приводит к существенному снижению ошибки при определении высокого и низкого гемоглобина, т.е. при определении краевых значений (показатель МАЕ=6,67).[0204] As already noted, from the top graph in Fig. 18 it is clear that when determining the hemoglobin level with a wearable device having only a PPG sensor (traditional method), when the user’s hemoglobin is low, the determined values are overestimated, while when the hemoglobin is high the determined values are underestimated. Thus, the marginal values of hemoglobin level in this case are determined incorrectly (MAE indicator = 12.37). From the bottom graph of Fig. 18 it can be seen that the use of a wearable device according to the present invention leads to a significant reduction in the error in determining high and low hemoglobin, i.e. when determining marginal values (MAE indicator = 6.67).
[0205] На фиг. 22 показаны графики изменения значений уровня гемоглобина для пользователя с низким гемоглобином в течение дня. Кроме того, для этого пользователя проводили исследование крови лабораторным методом для получения опорного (корректного) значения параметра крови, в данном случае - уровня гемоглобина. Опорные значения уровня гемоглобина отмечены на фиг. 22 сплошными кружками. Из верхнего графика по фиг. 22 понятно, что определение уровня гемоглобина при использовании традиционного способа измерения с помощью только оптического датчика носимого устройства проводится с ошибкой, причем определяемые значения завышены по сравнению с опорными значениями, полученными лабораторным методом. В то же времяиспользование для определения гемоглобина носимого устройства по настоящему изобретению приводит к существенному снижению ошибки определения даже при измерении краевых значений параметра (см. нижний график по фиг. 22).[0205] In FIG. Figure 22 shows graphs of changes in hemoglobin values for a user with low hemoglobin throughout the day. In addition, for this user, a blood test was performed using a laboratory method to obtain a reference (correct) value of a blood parameter, in this case, the hemoglobin level. Reference values for hemoglobin levels are marked in Fig. 22 solid circles. From the top graph of FIG. 22 it is clear that the determination of hemoglobin level when using the traditional measurement method using only the optical sensor of a wearable device is carried out with an error, and the determined values are overestimated compared to the reference values obtained by the laboratory method. At the same time, the use of a wearable device according to the present invention to determine hemoglobin leads to a significant reduction in the determination error even when measuring the edge values of the parameter (see the lower graph of Fig. 22).
[0206] В таблице 3, в качестве примера, приведены результаты измерения параметров крови, таких как концентрация гемоглобина (cHb), общая масса гемоглобина (общий гемоглобин) (tHb), гематокрит (НСТ), общий объем крови (BV), объем плазмы (PV), в том числе при краевых значениях параметров, в соответствии с принципами настоящего раскрытия с учетом молекулярного и клеточного строения крови для двух разных волонтеров с различными физиологическими параметрами (волонтер №1: вес 68 кг, рост 182 см, пол мужской; волонтер №2: вес 48 кг, рост 167 см, пол женский). Зная точные значения концентрации гемоглобина (cHb) и гематокрита (НСТ), можно вычислить среднюю концентрацию гемоглобина в эритроцитах (МСНС):[0206] Table 3, as an example, shows the measurement results of blood parameters such as hemoglobin concentration (cHb), total hemoglobin mass (total hemoglobin) (tHb), hematocrit (HBT), total blood volume (BV), plasma volume (PV), including at marginal values of parameters, in accordance with the principles of this disclosure, taking into account the molecular and cellular structure of blood for two different volunteers with different physiological parameters (volunteer No. 1: weight 68 kg, height 182 cm, gender male; volunteer No. 2: weight 48 kg, height 167 cm, gender female). Knowing the exact values of hemoglobin concentration (cHb) and hematocrit (HCT), you can calculate the average hemoglobin concentration in erythrocytes (MCHC):
МСНС=(cHb×100)/НСТMCHC=(cHb×100)/NST
Референсные измерения уровня гемоглобина для определения опорных (эталонных) значений проводились по образцу капиллярной крови при помощи анализатора для определения гемоглобина модели HemoCue Hb 201+, который имеет высокую корреляцию с лабораторным анализом крови. Значения концентрации гемоглобина (cHb), полученные при помощи HemoCue Hb 201+для волонтера 1 и волонтера 2, составляют 148 г/л и 102 г/л соответственно.Reference measurements of hemoglobin levels to determine reference (reference) values were carried out on a capillary blood sample using a hemoglobin analyzer model HemoCue Hb 201+, which has a high correlation with a laboratory blood test. Hemoglobin concentration (cHb) values obtained using HemoCue Hb 201+ for Volunteer 1 and Volunteer 2 are 148 g/L and 102 g/L, respectively.
Референсные измерения общего количества жидкости в организме и отношение количества внутриклеточной жидкости (ICW) к количеству внеклеточной жидкости (ECW) проводились при помощи анализатора состава тела InBody 770. Значения общего количества жидкости в организме (TBW) и отношение количеств внутриклеточной и внеклеточной жидкостей (ICW/ECW), полученные при помощи InBody 770 для волонтера 1 и волонтера 2, составляют 42,9 л, 1,65 и 28,3 л, 1,62 соответственно. Из уровня техники известно, что плазма крови в среднем составляет 20% от внеклеточной жидкости. Следовательно, исходя из показателей TBW и ICW/ECW, можно рассчитать объем плазмы (PV), который для волонтера 1 и волонтера 2 составляет 3,24 л и 2,16 л соответственно.Reference measurements of total body fluid and intracellular fluid (ICW) to extracellular fluid ratio (ECW) were obtained using the InBody 770 body composition analyzer. Total body fluid (TBW) values and intracellular to extracellular fluid ratio (ICW/ The ECW) obtained with the InBody 770 for Volunteer 1 and Volunteer 2 are 42.9 L, 1.65 and 28.3 L, 1.62, respectively. It is known from the prior art that blood plasma on average makes up 20% of the extracellular fluid. Therefore, based on the TBW and ICW/ECW, plasma volume (PV) can be calculated, which for Volunteer 1 and Volunteer 2 is 3.24 L and 2.16 L, respectively.
Примеры использования изобретенияExamples of use of the invention
[0207] Изобретение может быть использовано для мгновенного измерения или непрерывного контроля параметров крови у пользователя носимого устройства, такого какумные часы или фитнес-браслет. При непрерывном контроле показателей крови у пользователя можно обнаруживать как кратковременные, так и долговременные отклонения от диапазона нормальных значений показателей крови. Кратковременные отклонения не критичны и могут быть устранены лично пользователем на основе выдаваемых рекомендаций. Например, при краткосрочном снижении концентрации гемоглобина, свидетельствующем чаще всего об анемии, может быть рекомендовано изменить диету, увеличить физическую активность, находиться чаще на свежем воздухе и т.п. В то же время долговременные отклонения могут свидетельствовать о серьезных проблемах со здоровьем и необходимости обращения к врачу. При этом полученные данные могут быть отправлены врачу дистанционно для сбора первичного анамнеза.[0207] The invention can be used to instantly measure or continuously monitor blood parameters of the user of a wearable device, such as a smart watch or fitness bracelet. By continuously monitoring the user's blood counts, both short- and long-term deviations from the normal range of blood counts can be detected. Short-term deviations are not critical and can be eliminated personally by the user based on the recommendations provided. For example, with a short-term decrease in hemoglobin concentration, which most often indicates anemia, it may be recommended to change the diet, increase physical activity, spend more time in the fresh air, etc. At the same time, long-term deviations may indicate serious health problems and the need to see a doctor. In this case, the obtained data can be sent to the doctor remotely to collect a primary medical history.
[0208] В качестве примера, при непрерывном контроле показателей крови пользователя, в частности, гемоглобина, алгоритм машинного обучения анализирует поступающие от датчиков данные и, с учетом данных профиля пользователя, могут выдаваться рекомендации по образу жизни пользователя, включая советы по питанию, физической активности. Такие рекомендации могут выдаваться в следующих случаях:[0208] As an example, when continuously monitoring the user's blood parameters, in particular hemoglobin, a machine learning algorithm analyzes the data received from the sensors and, taking into account the user's profile data, recommendations can be made on the user's lifestyle, including advice on nutrition, physical activity . Such recommendations may be issued in the following cases:
- контроль состояния здоровья, когда в течении многих месяцев уровень гемоглобина варьировался в ограниченных пределах, а затем начинает прослеживаться тенденция к повышению/снижению гемоглобина, что может быть вызвано переутомлением, болезнью и т.п.;- monitoring of health status, when for many months the hemoglobin level has varied within limited limits, and then a tendency to increase/decrease in hemoglobin begins to be observed, which can be caused by fatigue, illness, etc.;
- отслеживание течения болезни; в этом случае в течение срока болезни уровень гемоглобина существенно снижается, но стремится к нормальным значениям при наступлении выздоровления, поэтому возможен контроль процесса выздоровления;- tracking the course of the disease; in this case, during the course of the illness, the hemoglobin level decreases significantly, but tends to normal values upon recovery, so it is possible to control the recovery process;
- контроль женского здоровья; при менструации уровень гемоглобина снижается, поэтому возможен контроль сроков и продолжительности менопаузы; при беременности уровень гемоглобина подвержен резким и частым изменениям, поэтому непрерывный контроль гемоглобина помогает беременным устанавливать оптимальный режим физической активности и отдыха, например, при низком гемоглобине нежелательны физические нагрузки.- control of women's health; During menstruation, the hemoglobin level decreases, so it is possible to control the timing and duration of menopause; During pregnancy, hemoglobin levels are subject to sudden and frequent changes, so continuous monitoring of hemoglobin helps pregnant women establish an optimal regime of physical activity and rest; for example, with low hemoglobin, physical activity is undesirable.
[0209] Другим примером использования изобретения может служить контроль физической активности спортсменов. Как отмечено выше, основной функцией гемоглобина является связывание и транспорт кислорода к внутренним органам. Отклонение значения Hb от нормы приводит к снижению выносливости при занятиях спортом. Низкий Hb приводит к кислородному голоданию мышц (гипоксии или низкому количеству эритроцитов), результатом чего являются: вялость, периодические головокружения, усталость, боль в мышцах, одышка, учащенное сердцебиение. Высокий Hb приводит к обезвоживанию организма или большому количеству эритроцитов, результатом чего являются: вялость, носовые кровотечения, усталость, боль в мышцах. Такие состояния тяжело переносятся, особенно при физической нагрузке. Мышцам нужен кислород, чтобы получить достаточно энергии, при этом дефицит кислорода влечет за собой неспособность волокон адекватно сокращаться. Спортсмены могут не сразу заметить симптомыначавшейся анемии, что связано с повышенной выносливостью организма. Следовательно, необходимо знать концентрацию гемоглобина перед тренировкой, а лучше непрерывно контролировать ее. Поэтому динамика изменений показателей крови очень важна для планирования и анализа тренировок спортсменов и при тенденции, например, к повышению/снижению гемоглобина могут выдаваться персональные рекомендации в выборе режима спортивных тренировок, что актуально для начинающих спортсменов, атлетов после длительного перерыва в тренировках, триатлонистов, спортсменок и при проведении тренировок на высоте.[0209] Another example of the use of the invention can be monitoring the physical activity of athletes. As noted above, the main function of hemoglobin is to bind and transport oxygen to internal organs. Deviation of the Hb value from the norm leads to a decrease in endurance during sports. Low Hb leads to oxygen starvation of the muscles (hypoxia or low number of red blood cells), resulting in: lethargy, periodic dizziness, fatigue, muscle pain, shortness of breath, rapid heartbeat. High Hb leads to dehydration or a high number of red blood cells, resulting in: lethargy, nosebleeds, fatigue, muscle pain. Such conditions are difficult to tolerate, especially during physical activity. Muscles need oxygen to get enough energy, and a lack of oxygen results in the inability of fibers to contract adequately. Athletes may not immediately notice the symptoms of onset anemia, which is associated with increased endurance of the body. Therefore, it is necessary to know the hemoglobin concentration before training, and it is better to continuously monitor it. Therefore, the dynamics of changes in blood parameters is very important for planning and analyzing the training of athletes, and if there is a tendency, for example, to increase/decrease hemoglobin, personal recommendations can be given in choosing a sports training regimen, which is important for beginner athletes, athletes after a long break from training, triathletes, and female athletes and during training at altitude.
[0210] Так, эффективность физической активности пользователя отчасти определяется высокой способностью крови к переносу кислорода, анализ показателей крови помогает в определении причины усталости, состояния перетренированности и выдаче рекомендаций для быстрого восстановления и эффективных тренировок, а также помогает в правильном управлении питанием.[0210] Thus, the effectiveness of the user's physical activity is partly determined by the high oxygen-carrying capacity of the blood, analysis of blood parameters helps in determining the cause of fatigue, overtraining conditions and issuing recommendations for quick recovery and effective training, and also helps in proper nutrition management.
[0211] Спортсмен, использующий умные часы, переключает их в режим измерения показателя крови, например, гемоглобина. Учитывая поступающие непрерывно данные, профиль пользователя и геолокацию, алгоритм машинного обучения анализирует данные от датчика гемоглобина, которые затем предоставляются пользователю в виде показания концентрации гемоглобина. Исходя из контролируемой концентрации гемоглобина, могут быть предоставлены персональные рекомендации для тренировок, такие как режим, продолжительность, уровень нагрузки и т.д.[0211] An athlete using a smartwatch switches it to a mode for measuring a blood value, such as hemoglobin. Given continuously incoming data, the user's profile and geolocation, a machine learning algorithm analyzes the data from the hemoglobin sensor, which is then provided to the user in the form of a hemoglobin concentration reading. Based on the controlled hemoglobin concentration, personalized training recommendations can be provided, such as mode, duration, load level, etc.
[0212] Кроме того, анализ показателей крови важен для контроля общего состояния здоровья человека. Например, кислородное голодание чревато последствиями для всех людей, поскольку недостаток кислорода в крови может негативно отражаться на работе мозга. В частности, гематокрит, уровень гемоглобина в крови, общая масса гемоглобина характеризуют общее количество кислорода, которое может доставляться в ткани организма, а общий объем эритроцитов и объем плазмы характеризуют общее количество кислорода, которое может транспортироваться кровью. Поэтому высокие значения этих показателей позволяют организму перераспределять кислород к наиболее нуждающимся органам и тканям при сохранении основного снабжения кислородом менее активных органов и тканей.[0212] In addition, blood count analysis is important for monitoring a person's overall health. For example, oxygen deprivation has consequences for all people, since a lack of oxygen in the blood can negatively affect brain function. Specifically, hematocrit, hemoglobin level in the blood, and total hemoglobin mass characterize the total amount of oxygen that can be delivered to the body's tissues, while total red blood cell volume and plasma volume characterize the total amount of oxygen that can be transported by the blood. Therefore, high values of these indicators allow the body to redistribute oxygen to the organs and tissues most in need while maintaining the main supply of oxygen to less active organs and tissues.
[0213] В качестве примера оценена динамика относительного (%) изменения объема крови (средняя линия), объема плазмы (верхняя линия) и объема эритроцитов (нижняя линия) в зависимости от количества дней тренировок, что отражено на фиг. 23. Каждая точка представляет собой среднее изменение, зарегистрированное в группе субъектов в результате одного исследования. Данные были получены на основе 18 исследований, в которых сообщалось обо всех трех упомянутых васкулярных объемах (V. A. Convertino, «Blood Volume Response to Physical Activity and Inactivity)) (Реакция объема крови на физическую активность и ее отсутствие), Symposium on blood volume in clinical medicine, том 334, тема 1, cc. 72-79, июль 2007).[0213] As an example, the dynamics of the relative (%) changes in blood volume (middle line), plasma volume (upper line) and red blood cell volume (lower line) are assessed depending on the number of days of training, as shown in FIG. 23. Each point represents the average change recorded in a group of subjects from one study. The data were based on 18 studies that reported all three vascular volumes mentioned (V. A. Convertino, “Blood Volume Response to Physical Activity and Inactivity”), Symposium on blood volume in clinical medicine, volume 334, topic 1, cc. 72-79, July 2007).
[0214] Как показано на фиг.24, оптические свойства клеток крови определяют спомощью PPG-датчика, который чувствителен к количеству Hb, меланина, лейкоцитов, лимфоцитов, однако обладает низкой чувствительностью к плазме и компонентам крови, таким как красные и белые кровяные тельца, тромбоциты, в то время как электрические свойства определяют с помощью BIA-датчика, который, наоборот, обладает высокой чувствительностью к плазме и компонентам крови и низкой чувствительностью к количеству Hb, меланина, лейкоцитов, лимфоцитов. Поэтому содержание Hb, меланина, лейкоцитов, лимфоцитов можно оценивать по соответствующим спектрам оптического поглощения в видимом диапазоне. В то же время путем варьирования частоты тока можно оценивать количество вне- и внутриклеточной жидкости, распределения жидкости в организме.[0214] As shown in Fig. 24, the optical properties of blood cells are determined using a PPG sensor, which is sensitive to the amount of Hb, melanin, leukocytes, lymphocytes, but has low sensitivity to plasma and blood components such as red and white blood cells, platelets, while electrical properties are determined using a BIA sensor, which, on the contrary, has high sensitivity to plasma and blood components and low sensitivity to the amount of Hb, melanin, leukocytes, and lymphocytes. Therefore, the content of Hb, melanin, leukocytes, and lymphocytes can be assessed using the corresponding optical absorption spectra in the visible range. At the same time, by varying the frequency of the current, it is possible to estimate the amount of extra- and intracellular fluid and the distribution of fluid in the body.
[0215] Таким образом, заявленное изобретение обеспечивает качественное определение параметров крови за счет одновременного использования PPG- и BIA-датчиков.[0215] Thus, the claimed invention provides a qualitative determination of blood parameters through the simultaneous use of PPG and BIA sensors.
[0216] Дополнительными преимуществами использования заявленного изобретения являются низкое энергопотребление носимых устройств, а значит, длительный период непрерывного контроля параметров крови, и ненавязчивое взаимодействие с пользователем.[0216] Additional advantages of using the claimed invention are the low power consumption of wearable devices, which means a long period of continuous monitoring of blood parameters, and unobtrusive interaction with the user.
[0217] Настоящее изобретение расширяет функционал приложения Samsung Health в умных часах, предоставляя дополнительные параметры для комплексного анализа состояния здоровья пользователя. Умные часы могут выдавать следующие показатели: суточные колебания, текущие значения, непрерывный результат измерения в течение дня, средние значения за заданный период концентрации гемоглобина (cHb), общей массы гемоглобина (tHb), гематокрита (НСТ), общего объема эритроцитов (tEV), объема крови (BV), объема плазмы (PV) и других параметров крови.[0217] The present invention enhances the functionality of the Samsung Health application in smart watches by providing additional parameters for a comprehensive analysis of the user's health status. Smart watches can provide the following indicators: daily fluctuations, current values, continuous measurement results throughout the day, average values for a given period of hemoglobin concentration (cHb), total hemoglobin mass (tHb), hematocrit (HCT), total red blood cell volume (tEV), blood volume (BV), plasma volume (PV) and other blood parameters.
[0218] Хотя изобретение описано с некоторыми иллюстративными вариантами осуществления, следует понимать, что сущность изобретения не ограничивается этими конкретными вариантами осуществления. Напротив, предполагается, что сущность изобретения включает в себя все альтернативы, модификации и эквиваленты, которые могут быть включены в сущность и объем формулы изобретения.[0218] Although the invention has been described with certain illustrative embodiments, it should be understood that the invention is not limited to these specific embodiments. On the contrary, the spirit of the invention is intended to include all alternatives, modifications and equivalents that may be included within the spirit and scope of the claims.
[0219] Кроме того, изобретение включает в себя все эквиваленты заявляемого изобретения, даже если пункты формулы изобретения изменятся в процессе рассмотрения.[0219] In addition, the invention includes all equivalents of the claimed invention, even if the claims change during the course of examination.
Claims (86)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2821143C1 true RU2821143C1 (en) | 2024-06-17 |
Family
ID=
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2021016622A1 (en) * | 2019-07-25 | 2021-01-28 | True Wearables, Inc. | Monitoring devices and methods |
RU2798199C1 (en) * | 2022-10-19 | 2023-06-19 | Самсунг Электроникс Ко., Лтд. | Method for determining optimum strap tension of portable device for measuring physiological parameters and portable device with function of measuring physiological parameters |
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2021016622A1 (en) * | 2019-07-25 | 2021-01-28 | True Wearables, Inc. | Monitoring devices and methods |
RU2798199C1 (en) * | 2022-10-19 | 2023-06-19 | Самсунг Электроникс Ко., Лтд. | Method for determining optimum strap tension of portable device for measuring physiological parameters and portable device with function of measuring physiological parameters |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Rachim et al. | Wearable-band type visible-near infrared optical biosensor for non-invasive blood glucose monitoring | |
JP3242346U (en) | Devices and systems for non-invasive monitoring of physiological measurements | |
Kavsaoğlu et al. | Non-invasive prediction of hemoglobin level using machine learning techniques with the PPG signal's characteristics features | |
US8509866B2 (en) | Device and method for monitoring body fluid and electrolyte disorders | |
Soller et al. | Oxygen saturation determined from deep muscle, not thenar tissue, is an early indicator of central hypovolemia in humans | |
Lemay et al. | Application of optical heart rate monitoring | |
US20100004517A1 (en) | Non-invasive method and apparatus for determining a physiological parameter | |
US20110230744A1 (en) | System and apparatus for the non-invasive measurement of glucose levels in blood | |
US20100234701A1 (en) | Medical measurement device for bioelectrical impedance measurement | |
Manurung et al. | Non-invasive blood glucose monitoring using near-infrared spectroscopy based on internet of things using machine learning | |
Lee et al. | A noninvasive blood glucose estimation system using dual-channel PPGs and pulse-arrival velocity | |
Gohlke et al. | An IoT based low-cost heart rate measurement system employing PPG sensors | |
RU2821143C1 (en) | Wearable device, method and system for measuring blood parameters | |
Lemay et al. | Applications of optical cardiovascular monitoring | |
RU2805810C1 (en) | Wearable device with function of determining hemoglobin concentration, method and system for determining hemoglobin concentration | |
US20240268720A1 (en) | Wearable device with function of determining hemoglobin concentration, method and system for determining hemoglobin concentration | |
Turja et al. | Noninvasive in-vivo estimation of glycated hemoglobin using digital volume pulse signal based on modified beer-lambert law | |
CN112932475A (en) | Method and device for calculating blood oxygen saturation, electronic equipment and storage medium | |
Haroon et al. | Design and development of non-invasive prototype to measure pulse rate, blood glucose and oxygen saturation level in arterial blood | |
Johnson et al. | A Review of Photoplethysmography-based Physiological Measurement and Estimation, Part 1: Single Input Methods | |
RU2832523C1 (en) | Wearable device, method and system for determining level of glycated haemoglobin | |
US20240138724A1 (en) | Method and apparatus for non-invasively measuring blood circulatory hemoglobin accounting for hemodynamic confounders | |
RU2842560C1 (en) | Wearable device and method for determining level of glycated haemoglobin | |
Tatiparti et al. | Smart non-invasive hemoglobin measurement using portable embedded technology | |
Manosueb et al. | Non-Invasive Blood Sugar Level Meter Based on Light Diffuse Reflection Ratio of 2-PPG Signals |