RU2832523C1 - Wearable device, method and system for determining level of glycated haemoglobin - Google Patents
Wearable device, method and system for determining level of glycated haemoglobin Download PDFInfo
- Publication number
- RU2832523C1 RU2832523C1 RU2024101931A RU2024101931A RU2832523C1 RU 2832523 C1 RU2832523 C1 RU 2832523C1 RU 2024101931 A RU2024101931 A RU 2024101931A RU 2024101931 A RU2024101931 A RU 2024101931A RU 2832523 C1 RU2832523 C1 RU 2832523C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- features
- wearable device
- ppg signals
- ppg
- rapidly
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Область техникиField of technology
[0001] Настоящее изобретение относится к носимому устройству и системе для неинвазивного непрерывного, персонального и/или выполняемого по требованию контроля параметров крови, в частности гликированного гемоглобина. Кроме того, изобретение относится к способу определения уровня гликированного гемоглобина, реализуемому в носимых устройствах, таких как современные умные часы и фитнес-браслеты, и в упомянутой системе.[0001] The present invention relates to a wearable device and a system for non-invasive continuous, personal and/or on-demand monitoring of blood parameters, in particular glycated hemoglobin. In addition, the invention relates to a method for determining the level of glycated hemoglobin, implemented in wearable devices, such as modern smart watches and fitness bracelets, and in the said system.
Предпосылки изобретенияBackground of the invention
[0002] Средняя продолжительность жизни в мире постепенно увеличивается благодаря развитию медицины. На увеличение средней продолжительности жизни влияет не только развитие медицины, но и рост интереса населения к проверке своего здоровья и управлению им.[0002] The average life expectancy in the world is gradually increasing due to the development of medicine. The increase in average life expectancy is influenced not only by the development of medicine, but also by the growing interest of the population in checking their health and managing it.
[0003] Было разработано множество персональных медицинских приборов, которые позволяют людям проверять свое здоровье, не посещая больницы. Заболевания взрослых, которые можно контролировать, включают цереброваскулярные заболевания, гипертоническую болезнь, диабет, заболевания печени и т.д. Например, во многих местах, таких как общественные здания, доступны автоматические сфигмоманометры. В качестве еще одного примера, чтобы проверить наличие заболевания печени, берут пробу крови для измерения индекса функции печени. В качестве другого примера, многие пациенты с диабетом часто проверяют свой уровень сахара в крови с помощью компактного тестера, не посещая больницы. Диабет - это группа метаболических заболеваний, при которых человек имеет высокий уровень глюкозы в крови (сахара крови) либо из-за недостаточной выработки инсулина, либо из-за того, что клетки организма не реагируют должным образом на инсулин, либо и того, и другого. Больные диабетом могут проверять уровень сахара в крови несколько раз в день, чтобы убедиться в достаточном уровне инсулина.[0003] Many personal health devices have been developed that allow people to check their health without visiting a hospital. Adult diseases that can be monitored include cerebrovascular disease, hypertension, diabetes, liver disease, etc. For example, automatic sphygmomanometers are available in many places such as public buildings. As another example, to check for liver disease, a blood sample is taken to measure the liver function index. As another example, many diabetic patients frequently check their blood sugar levels with a compact tester without visiting a hospital. Diabetes is a group of metabolic diseases in which a person has high blood glucose (blood sugar) levels either because they do not produce enough insulin, because the body's cells do not respond properly to insulin, or both. Diabetic patients may check their blood sugar levels several times a day to ensure that they have sufficient insulin levels.
[0004] 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 постоянный контроль параметров крови, в частности уровня гликированного гемоглобина.[0004] Blood parameters are markers of a person's health status and their timely monitoring makes it possible to prevent, timely detect and control the progression of a disease, as well as other disorders in the body. Therefore, constant monitoring of blood parameters is necessary, in particular the level of glycated hemoglobin.
[0005] Гемоглобин представляет собой 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. Гемоглобин - это сложный белок, относящийся к группе гемопротеинов, белковый компонент в котором представлен глобином, небелковый - простетической группой. Простетическая группа в молекуле гемоглобина представлена четырьмя одинаковыми железопорфириновыми соединениями, которые называются темами. Молекула гема состоит из порфирина IX, связанного с железом двумя атомами азота ковалентными и двумя 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[0005] Hemoglobin is the main respiratory pigment and the main component of red blood cells, performing important functions in the human body: transporting inhaled oxygen from the lungs to biological tissues and organs, and carbon dioxide from tissues and organs to the lungs, where it is exhaled. Hemoglobin is a complex protein belonging to the group of hemoproteins, the protein component of which is represented by globin, the non-protein component is a prosthetic group. The prosthetic group in the hemoglobin molecule is represented by four identical iron-porphyrin compounds called hemes. The heme molecule consists of porphyrin IX, bound to iron by two nitrogen atoms by covalent and two other nitrogen atoms by coordination bonds. The iron (II) atom is located in the center of the heme and gives the blood a characteristic red color, the degree of its oxidation does not change regardless of the addition or release of oxygen
[0006] Гликированный (гликозилированный) гемоглобин или гликогемоглобин (условное обозначение: гемоглобин A1c, HbA1c) - это биохимический показатель крови, отражающий среднее содержание сахара в крови за длительный период (два-три месяца), в отличие от измерения глюкозы крови, которое дает представление об уровне глюкозы в крови только на момент исследования.[0006] Glycated (glycosylated) hemoglobin or glycohemoglobin (symbol: hemoglobin A1c, HbA1c) is a biochemical blood indicator that reflects the average blood sugar level over a long period (two to three months), in contrast to blood glucose measurement, which gives an idea of the blood glucose level only at the time of the test.
[0007] Гликированный гемоглобин отражает процент гемоглобина крови, необратимо соединенного с молекулами глюкозы. Гликированный гемоглобин образуется в результате реакции Майяра между гемоглобином и глюкозой в крови, эта реакция гликозилирования необратима. Повышение уровня глюкозы в крови при сахарном диабете значительно ускоряет данную реакцию, что приводит к повышению уровня гликированного гемоглобина в крови. Другими словами, гликированный гемоглобин - это интегральный показатель гликемии примерно за два-три месяца. Чем выше уровень гликированного гемоглобина, тем чаще была гликемия, то есть повышенный уровень глюкозы за последние три месяца и, соответственно, больше риск развития осложнений сахарного диабета. Таким образом, уровень гликированного гемоглобина на сегодняшний день является общепризнанным показателем выраженности и степени компенсации нарушений углеводного обмена.[0007] Glycated hemoglobin reflects the percentage of blood hemoglobin irreversibly bound to glucose molecules. Glycated hemoglobin is formed as a result of the Maillard reaction between hemoglobin and glucose in the blood, this glycosylation reaction is irreversible. An increase in blood glucose levels in diabetes mellitus significantly accelerates this reaction, which leads to an increase in the level of glycated hemoglobin in the blood. In other words, glycated hemoglobin is an integral indicator of glycemia for approximately two to three months. The higher the level of glycated hemoglobin, the more frequent the glycemia, that is, the elevated glucose level over the past three months and, accordingly, the greater the risk of developing complications of diabetes mellitus. Thus, the level of glycated hemoglobin today is a generally recognized indicator of the severity and degree of compensation of carbohydrate metabolism disorders.
[0008] Исследование уровня гликированного гемоглобина применяется в эндокринологии для долгосрочного наблюдения за течением сахарного диабета, контроля достаточности и эффективности проводимой терапии. При высоком уровне гликированного гемоглобина следует провести коррекцию лечения (назначение инсулинотерапии или таблетированных сахароснижающих препаратов) и диетотерапии.[0008] The study of the level of glycated hemoglobin is used in endocrinology for long-term monitoring of the course of diabetes mellitus, control of the adequacy and effectiveness of the therapy. With a high level of glycated hemoglobin, it is necessary to correct the treatment (prescribe insulin therapy or oral hypoglycemic drugs) and diet therapy.
[0009] Гемоглобин представляет собой тетрамерный белок, молекула которого образована различными типами полипептидных цепей, обозначаемых как α, β, γ, ε, ξ. В состав молекулы входят по 2 полипептидных цепи двух разных типов, каждая из которых связывает один гем, следовательно, в молекуле гемоглобина имеются четыре участка связывания кислорода. В крови взрослого человека основным гемоглобином является гемоглобин А (НbА), на его долю приходится 96-98% от общего количества гемоглобина в организме, и его структура описывается формулой α2β2. Минорными компонентами являются гемоглобин А2 (HbA2), на долю которого приходится примерно 2,5% общего количества гемоглобина и структура которого описывается формулой α2δ2, и гемоглобин A3 (HbA3), содержание которого менее 1% от общего количества гемоглобина. Кроме того, в крови взрослого человека имеется фетальный гемоглобин F (HbF), имеющий структуру α2γ2, но в норме он составляет менее 1-1,5% от общего количества гемоглобина крови взрослого человека. Однако, у плода эта форма гемоглобина является доминирующей, основной. Гемоглобин F обладает повышенным сродством к кислороду и позволяет сравнительно небольшому объему крови плода более эффективно выполнять функции снабжения кислородом. Однако, HbF обладает меньшей стойкостью к разрушению и меньшей стабильностью в физиологически широком интервале рН и температур. В течение последнего триместра беременности и вскоре после рождения ребенка HbF постепенно, в течение первых нескольких недель или месяцев жизни, параллельно увеличению объема крови, замещается «взрослым» HbA, менее активным транспортером кислорода, но более стойким к разрушению и более стабильным при различных значениях рН крови и температуры тела. Такое замещение происходит вследствие постепенного снижения продукции γ-цепей глобина и постепенного увеличения синтеза β-цепей созревающими эритроцитами, α-цепь, общая для всех типов гемоглобинов, содержит 141 аминокислотный остаток, β-, γ-, δ-цепи содержат по 146 остатков с очень схожей последовательностью аминокислот. Хотя аминокислотные последовательности α- и β-цепей различны, они имеют практически одинаковые третичные пространственные структуры. Молекула гемоглобина имеет почти правильную форму шара диаметром 55Å, причем четыре цепи расположены в виде тетраэдра.[0009] Hemoglobin is a tetrameric protein, the molecule of which is formed by different types of polypeptide chains, designated as α, β, γ, ε, ξ. The molecule consists of 2 polypeptide chains of two different types, each of which binds one heme, therefore, there are four oxygen binding sites in the hemoglobin molecule. In the blood of an adult, the main hemoglobin is hemoglobin A (HbA), it accounts for 96-98% of the total amount of hemoglobin in the body, and its structure is described by the formula α2β2. Minor components are hemoglobin A2 (HbA2), which accounts for approximately 2.5% of the total amount of hemoglobin and the structure of which is described by the formula α2δ2, and hemoglobin A3 (HbA3), the content of which is less than 1% of the total amount of hemoglobin. In addition, in the blood of an adult there is fetal hemoglobin F (HbF), which has the α2γ2 structure, but normally it makes up less than 1-1.5% of the total amount of hemoglobin in the blood of an adult. However, in the fetus this form of hemoglobin is dominant, the main one. Hemoglobin F has an increased affinity for oxygen and allows the relatively small volume of fetal blood to more effectively perform the functions of oxygen supply. However, HbF has less resistance to destruction and less stability in a physiologically wide range of pH and temperatures. During the last trimester of pregnancy and soon after birth, HbF is gradually, during the first few weeks or months of life, in parallel with the increase in blood volume, replaced by "adult" HbA, a less active oxygen transporter, but more resistant to destruction and more stable at various values of blood pH and body temperature. This substitution occurs due to a gradual decrease in the production of γ-chains of globin and a gradual increase in the synthesis of β-chains by maturing erythrocytes, the α-chain, common to all types of hemoglobin, contains 141 amino acid residues, β-, γ-, δ-chains contain 146 residues with a very similar amino acid sequence. Although the amino acid sequences of the α- and β-chains are different, they have almost identical tertiary spatial structures. The hemoglobin molecule has an almost regular shape of a sphere with a diameter of 55 Å, with four chains arranged in a tetrahedron.
[0010] В артериальной крови практически весь (93-95%) гемоглобин HbA связан с кислородом, т.е. находится в оксигенированной форме, и служит для переноса кислорода. Остальная часть HbA (5-7%) представляет собой гликированный гемоглобин и имеется по меньшей мере три его варианта: HbA1a, HbA1b, HbA1c, но только вариант HbA1c, представляющий собой гемоглобин А, модифицированный ковалентным присоединением к нему глюкозы, количественно преобладает (4-6% от общего гемоглобина) и дает более тесную корреляцию со степенью выраженности сахарного диабета.[0010] In arterial blood, almost all (93-95%) hemoglobin HbA is bound to oxygen, i.e. is in the oxygenated form, and serves to transport oxygen. The remaining part of HbA (5-7%) is glycated hemoglobin and there are at least three of its variants: HbA1a, HbA1b, HbA1c, but only the HbA1c variant, which is hemoglobin A modified by the covalent attachment of glucose to it, quantitatively predominates (4-6% of total hemoglobin) and gives a closer correlation with the degree of diabetes mellitus.
[0011] Каждый эритроцит содержит около 270 миллионов молекул гемоглобина, которые в ходе медленной неферментативной реакции гликирования связываются с глюкозой, содержащейся в плазме крови. Гликированный гемоглобин - это гемоглобин, в котором углеводный остаток конденсируется с N-концевым валином в β-цепи молекулы НЬА. Гликирование - неферментативный процесс и протекает медленно, в течение всей жизни эритроцита. Процесс гликирования необратим, и его скорость пропорциональна уровню гликемии. Установлено, что оно осуществляется через стадию образования альдимина, сравнительно нестойкого, «обратимого» соединения, затем альдимин путем химического преобразования превращается в относительно стойкое, «необратимое» соединение кетоамин. Образовавшийся кетоамин остается присоединенным к белку на весь период его жизни. Как отмечалось, гликированный гемоглобин разделяется на подтипы в зависимости от присоединенного углевода (HbA1a, HbA1b, HbA1c). HbA1c содержит одну молекулу глюкозы, он является основным подтипом гликогемоглобина и составляет 70-90% гликированной фракции, остальное количество приходится на HbA1a (имеет форму 1 - с фруктозо-1,6-бифосфатом и форму 2 - с глюкозо-6-фосфатом) и HbA1b (углеводный остаток, точно не идентифицирован). HbA1c преобладает в венозной крови и связан с уровнем гипергликемии. Образование и исчезновение гемоглобина А1с - беспрерывный процесс, так как ежедневно в кровеносное русло на смену старым погибшим приходят новые молодые эритроциты. Степень насыщения HbA глюкозой и скорость их соединения друг с другом находится в прямой зависимости от усредненного содержания ее в кровотоке за прошедшие 90-120 суток, причем указанный период обусловлен временем жизни содержащих гемоглобин эритроцитов (красных кровяных телец), которое составляет примерно 120-125 суток. Таким образом, результат определения уровня гликированного гемоглобина отражает уровень гликемии за срок от 60 до 120 суток.[0011] Each red blood cell contains about 270 million hemoglobin molecules, which are bound to glucose in the blood plasma by a slow, non-enzymatic glycation reaction. Glycated hemoglobin is hemoglobin in which the carbohydrate residue is condensed with the N-terminal valine in the β-chain of the HbA molecule. Glycation is a non-enzymatic process and occurs slowly throughout the life of the red blood cell. The glycation process is irreversible and its rate is proportional to the level of glycemia. It has been established that it occurs through the formation of aldimine, a relatively unstable, "reversible" compound, then aldimine is converted by chemical transformation into a relatively stable, "irreversible" compound, ketoamine. The resulting ketoamine remains attached to the protein for its entire life. As noted, glycated hemoglobin is divided into subtypes depending on the attached carbohydrate (HbA1a, HbA1b, HbA1c). HbA1c contains one glucose molecule, it is the main subtype of glycated hemoglobin and makes up 70-90% of the glycated fraction, the rest is HbA1a (has form 1 - with fructose-1,6-biphosphate and form 2 - with glucose-6-phosphate) and HbA1b (carbohydrate residue, not precisely identified). HbA1c predominates in venous blood and is associated with the level of hyperglycemia. The formation and disappearance of hemoglobin A1c is a continuous process, since new young erythrocytes daily replace old dead ones in the bloodstream. The degree of saturation of HbA with glucose and the rate of their connection with each other are directly dependent on the average content of it in the bloodstream over the past 90-120 days, and this period is determined by the lifespan of hemoglobin-containing erythrocytes (red blood cells), which is approximately 120-125 days. Thus, the result of determining the level of glycated hemoglobin reflects the level of glycemia for a period of 60 to 120 days.
[0012] Нормальными считаются значения HbA1c от 4% до 5,7%, значения от 5,7% до 6,4% сигнализируют о предрасположенности к диабету. При диабете уровень HbA1c составляет 6,5% и выше, что свидетельствует о большем риске развития ретинопатии, нефропатии и других осложнений. Международная федерация диабета рекомендует удерживать уровень HbA1c ниже 6,5%, а значение HbA1c, превышающее 8%, означает, что диабет контролируется неудовлетворительно и следует изменить терапию.[0012] Normal HbA1c values are considered to be from 4% to 5.7%, values from 5.7% to 6.4% indicate a predisposition to diabetes. In diabetes, the HbA1c level is 6.5% and higher, which indicates a higher risk of developing retinopathy, nephropathy and other complications. The International Diabetes Federation recommends keeping the HbA1c level below 6.5%, and an HbA1c value exceeding 8% means that diabetes is poorly controlled and therapy should be changed.
[0013] Суммируя вышесказанное, уровень HbA1c пропорционален среднему уровню глюкозы в крови за последние 6-12 недель и постоянный контроль этого уровня необходим для предотвращения развития осложнений и для прогнозирования развития и фазы микрососудистых осложнений, связанных с диабетом. Доказано, что гипергликемия способствует развитию и прогрессированию микро-, макроангиопатии, полинейропатии с повреждением, дисфункцией и последующей недостаточностью жизненно важных органов и систем организма. Поражение сосудов сетчатой оболочки глаз с быстрой потерей зрения, гломерулосклероз с развитием хронической почечной недостаточности, диабетическая стопа, артериальная гипертензия, острая/хроническая ишемическая болезнь сердца, мозга и их последствия (инфаркт миокарда, сердечная недостаточность, инсульт, атрофия коры мозга со снижением когнитивных функций и развитием слабоумия) - таков далеко не полный перечень ассоциированных с сахарным диабетом болезней и синдромов.[0013] To summarize the above, the HbA1c level is proportional to the average blood glucose level over the past 6-12 weeks, and constant monitoring of this level is necessary to prevent complications and to predict the development and phase of microvascular complications associated with diabetes. It has been proven that hyperglycemia contributes to the development and progression of micro-, macroangiopathy, polyneuropathy with damage, dysfunction and subsequent failure of vital organs and systems of the body. Damage to the vessels of the retina with rapid loss of vision, glomerulosclerosis with the development of chronic renal failure, diabetic foot, arterial hypertension, acute / chronic ischemic heart disease, brain and their consequences (myocardial infarction, heart failure, stroke, cerebral cortex atrophy with a decrease in cognitive functions and the development of dementia) - this is not a complete list of diseases and syndromes associated with diabetes mellitus.
Таким образом, можно выделить следующие целевые группы, для которых необходим контроль уровня гликированного гемоглобина:Thus, the following target groups can be identified for which monitoring of glycated hemoglobin levels is necessary:
- здоровые люди с целью профилактического контроля;- healthy people for the purpose of preventive control;
- дети, больные диабетом;- children with diabetes;
- больные диабетом с аномальным почечным порогом глюкозы;- patients with diabetes with abnormal renal glucose threshold;
- пациенты с сахарным диабетом I типа, инсулинозависимым;- patients with type I diabetes mellitus, insulin-dependent;
- беременные женщины с диабетом II типа;- pregnant women with type II diabetes;
- другие люди при изменении рациона питания или других привычек.- other people when changing their diet or other habits.
Следовательно, уровень гликированного гемоглобина является важным и значимым показателем состояния здоровья человека и требует непрерывного контроля.Therefore, the level of glycated hemoglobin is an important and significant indicator of human health and requires continuous monitoring.
[0014] Для определения уровня гликированного гемоглобина используют инвазивные и неинвазивные методы. Инвазивные методы представляют собой лабораторные методы, к которым относятся ионообменная хроматография низкого давления, метод капиллярного электрофореза, иммунотурбидиметрический способ, высокоэффективная жидкостная хроматография, колориметрический метод. Для анализа крови на гликированный гемоглобин не требуется специальная подготовка. На итоги исследования не влияют прием пищи, курение, употребление алкоголя, интенсивность занятий спортом, состав употребляемых накануне продуктов. Кровь на гликированный гемоглобин можно сдать в процедурном кабинете поликлиники, пункте забора биологического материала лабораторий. Образцы биоматериала берут из периферической вены или пальца и доставляют в лабораторию.[0014] Invasive and non-invasive methods are used to determine the level of glycated hemoglobin. Invasive methods are laboratory methods, which include low-pressure ion exchange chromatography, capillary electrophoresis, immunoturbidimetric method, high-performance liquid chromatography, and colorimetric method. No special preparation is required to test blood for glycated hemoglobin. The results of the study are not affected by food intake, smoking, alcohol consumption, intensity of exercise, or the composition of foods consumed the day before. Blood for glycated hemoglobin can be donated in the procedure room of a clinic, or at a biological material collection point in laboratories. Biomaterial samples are taken from a peripheral vein or finger and delivered to the laboratory.
[0015] Колориметрический метод является самым распространенным, достаточно недорогим и точным. Его суть заключается в том, что в стабильной форме HbA1c содержится 1-дезокси-1-фруктоза. При добавлении в образец крови фосфорной кислоты происходит ее дегидратация до 5-оксиметил-2-фуральдегида. Данное соединение, взаимодействуя с 2-тиобарбитуровой кислотой, образует вещество, обладающее максимальной абсорбцией. С помощью спектрофотометра на длине волны 443 нм определяют оптическую плотность полученного раствора и проводят расчеты.[0015] The colorimetric method is the most common, fairly inexpensive and accurate. Its essence lies in the fact that the stable form of HbA1c contains 1-deoxy-1-fructose. When phosphoric acid is added to the blood sample, it is dehydrated to 5-hydroxymethyl-2-furaldehyde. This compound, interacting with 2-thiobarbituric acid, forms a substance with maximum absorption. Using a spectrophotometer at a wavelength of 443 nm, the optical density of the resulting solution is determined and calculations are made.
[0016] Вместе с тем, что касается непосредственного анализа крови, следует отметить, что регулярный забор проб крови может быть болезненным и создать психологическую нагрузку. Кроме того, поскольку частые заборы крови могут создавать потенциальный риск инфекции для человека, частое проведение анализов на уровень сахара в крови нежелательно. При лабораторных методах для проведения анализов крови необходим квалифицированный персонал и дорогое лабораторное оборудование, а также необходимо утилизировать отходы. Более того, лабораторные методы не подходят для непрерывного контроля уровня гликированного гемоглобина, и пациенты не могут осуществлять их самостоятельно.[0016] However, regarding direct blood testing, it should be noted that regular blood sampling may be painful and create psychological stress. In addition, since frequent blood sampling may create a potential risk of infection for a person, frequent blood sugar testing is not advisable. Laboratory methods for performing blood tests require qualified personnel and expensive laboratory equipment, and waste disposal is necessary. Moreover, laboratory methods are not suitable for continuous monitoring of glycated hemoglobin levels, and patients cannot do them themselves.
[0017] Также следует отметить, что содержание HbA1c составляет 4-6% от общего количества гемоглобина в крови, а значит, необходима очень высокая чувствительность устройства, применяемого для метода измерения HbA1c. Кроме того, при оптических методах измерения в диапазоне видимого и ближнего инфракрасного излучения необходимо учитывать, что спектры поглощения/отражения для оксигенированного, гликированного и общего гемоглобина накладываются друг на друга, а значит, их трудно разделить, что в дальнейшем будет рассмотрено для указанного диапазона области спектра.[0017] It should also be noted that the HbA1c content is 4-6% of the total amount of hemoglobin in the blood, which means that a very high sensitivity of the device used for the HbA1c measurement method is required. In addition, in optical measurement methods in the visible and near infrared range, it is necessary to take into account that the absorption/reflectance spectra for oxygenated, glycated and total hemoglobin overlap each other, which means that they are difficult to separate, which will be discussed below for the specified range of the spectrum.
[0018] В настоящее время популярность начали завоевывать высокоскоростные сверхкомпактные портативные анализаторы для исследования гликированного гемоглобина, но из-за высокой стоимости данный метод пока не нашел достаточно широкого применения.[0018] Currently, high-speed, ultra-compact portable analyzers for studying glycated hemoglobin have begun to gain popularity, but due to the high cost, this method has not yet found sufficiently wide application.
[0019] На сегодняшний день для неинвазивного измерения гликированного гемоглобина разработан ряд устройств, снижающих дискомфорт для пациентов. Однако, они не всегда применимы для непрерывного контроля. Более того, на рынке нет носимых устройств, таких как умные часы или фитнес-браслеты, предназначенных для определения гликированного гемоглобина неинвазивным методом, с помощью которых пользователю проще самостоятельно осуществлять контроль.[0019] To date, a number of devices have been developed for non-invasive measurement of glycated hemoglobin, reducing discomfort for patients. However, they are not always applicable for continuous monitoring. Moreover, there are no wearable devices on the market, such as smart watches or fitness bracelets, designed to determine glycated hemoglobin non-invasively, which make it easier for the user to monitor themselves.
[0020] В заявке на патент US 20160061810 Al (Samsung Electronics Со.) раскрыты неинвазивное устройство и способ диагностики гликированного гемоглобина. Устройство включает в себя первое светоизмерительное устройство, выполненное с возможностью излучения первого света, который является видимым светом или находится в ближней ИК-области спектра, на объект и детектирования первой информации о первом свете, отраженном от объекта, второе светоизмерительное устройство, выполненное с возможностью излучения второго света, который является лазерным излучением, на объект и детектирования второй информации о втором свете, отраженном от объекта, устройство извлечения данных, выполненное с возможностью извлечения из первой информации первых данных, относящихся к гемоглобину, и из второй информации вторых данных, относящихся к глюкозе, и процессор обработки данных, выполненный с возможностью определения информации, относящейся к гликированному гемоглобину, по первым и вторым данным. Фотодетектором первого светоизмерительного устройства является абсорбционный спектрофотометр, а второго светоизмерительного устройства - спектрофотометр комбинационного (рамановского) рассеяния.[0020] Patent application US 20160061810 Al (Samsung Electronics Co.) discloses a non-invasive device and method for diagnosing glycated hemoglobin. The device includes a first light measuring device configured to emit a first light, which is visible light or is in the near IR region of the spectrum, onto an object and detect first information about the first light reflected from the object, a second light measuring device configured to emit a second light, which is laser radiation, onto the object and detect second information about the second light reflected from the object, a data extracting device configured to extract first data related to hemoglobin from the first information and second data related to glucose from the second information, and a data processor configured to determine information related to glycated hemoglobin from the first and second data. The photodetector of the first light-measuring device is an absorption spectrophotometer, and the photodetector of the second light-measuring device is a Raman scattering spectrophotometer.
[0021] В патенте US 9885698 В2 (Omni Medsci) раскрыты устройства и способы, использующие лазеры ближнего инфракрасного диапазона для неинвазивного контроля глюкозы, кетонов, HbA1c и других компонентов крови. Носимое устройство для использования со смартфоном или планшетным ПК, которое является вспомогательным, включает в себя измерительное устройство, имеющее источник света со множеством светодиодов, предназначенное для измерения физиологических параметров и выполненное с возможностью создания оптического луча с длинами волн, включающими длину волны ближнего ИК-света от 700 до 2500 нм. Измерительное устройство включает в себя линзы, выполненные с возможностью подведения оптического луча к образцу кожи или биологической ткани, который отражает оптический луч к приемнику, расположенному на первом расстоянии от одного из светодиодов и на отличающемся расстоянии от другого из светодиодов, и также выполнено с возможностью формирования выходного сигнала, представляющего неинвазивное измерение на крови, содержащейся в образце. Носимое устройство выполнено с возможностью осуществления связи со смартфоном или планшетным ПК, который принимает, обрабатывает, сохраняет и отображает выходной сигнал, причем обработанный выходной сигнал выполнен с возможностью передачи по линии беспроводной связи.[0021] Patent US 9885698 B2 (Omni Medsci) discloses devices and methods using near infrared lasers for non-invasive monitoring of glucose, ketones, HbA1c and other blood components. A wearable device for use with a smartphone or tablet PC, which is auxiliary, includes a measuring device having a light source with a plurality of light-emitting diodes, intended for measuring physiological parameters and configured to create an optical beam with wavelengths including a wavelength of near IR light from 700 to 2500 nm. The measuring device includes lenses configured to deliver the optical beam to a sample of skin or biological tissue, which reflects the optical beam to a receiver located at a first distance from one of the light-emitting diodes and at a different distance from the other of the light-emitting diodes, and is also configured to generate an output signal representing a non-invasive measurement on blood contained in the sample. The wearable device is designed with the possibility of communicating with a smartphone or tablet PC, which receives, processes, stores and displays the output signal, wherein the processed output signal is designed with the possibility of transmission via a wireless communication line.
[0022] В патенте US 11363973 В2 (Leman Micro Devices) раскрыт персональный ручной монитор (РННМ) для неинвазивного анализа крови, а именно для измерения концентрации аналита в крови. РННМ содержит устройство получения сигналов для получения сигналов, которые можно использовать для извлечения результатов измерения параметра, связанного со здоровьем пользователя, при этом устройство получения сигналов содержит фотодатчик крови, имеющий один или более фотоизлучателей для передачи света на часть тела пользователя, один или более фотодетекторов для обнаружения света, прошедшего через часть тела или рассеянного ею, и две или более оптические ячейки, по меньшей мере одна из которых содержит детектируемый аналит или которая имитирует спектр поглощения детектируемого аналита, через которую свет, который был или будет пропускаться через или отражаться частью тела, проходит до того, как он достигнет упомянутого фотодетектора или каждого из фотодетекторов, причем процессор РННМ предназначен для обработки сигналов.[0022] Patent US 11363973 B2 (Leman Micro Devices) discloses a personal handheld monitor (PHM) for non-invasive blood analysis, namely for measuring the concentration of an analyte in the blood. The PHM comprises a signal receiving device for receiving signals that can be used to extract the results of measuring a parameter related to the health of the user, wherein the signal receiving device comprises a blood photosensor having one or more photoemitters for transmitting light to a part of the user's body, one or more photodetectors for detecting light transmitted through the part of the body or scattered by it, and two or more optical cells, at least one of which contains the analyte to be detected or which simulates the absorption spectrum of the analyte to be detected, through which light that has been or will be transmitted through or reflected by the part of the body passes before it reaches said photodetector or each of the photodetectors, wherein the PHM processor is designed to process the signals.
[0023] Недостатками приведенных решений являются отсутствие разделения спектров оксигенированного, гликированного гемоглобина и других компонентов крови, отсутствие корректировки измерения гликированного гемоглобина вследствие влияния других компонентов крови.[0023] The disadvantages of the presented solutions are the lack of separation of the spectra of oxygenated, glycated hemoglobin and other blood components, the lack of correction of the measurement of glycated hemoglobin due to the influence of other blood components.
[0024] В международной публикации WO 2023038254 A1 (Korea I.T.S. Со.) раскрыты способ и устройство для неинвазивной оценки гликированного гемоглобина или глюкозы в крови с помощью машинного обучения. Для машинного обучения используют признаки биосигналов, получаемых устройством с PPG-датчиком и другими измерительными датчиками, а также пользовательские данные. Например, биосигналы могут включать в себя температуру тела, частоту пульса, кровяное давление, частоту дыхания, уровень сахара в крови, мозговые волны, электрокардиограмму и насыщение кислородом. Средство выделения признаков может извлекать различные признаки путем применения частотного анализа, статистического анализа, анализа формы сигнала и т.д. на основе полученных PPG-сигналов.[0024] International publication WO 2023038254 A1 (Korea I.T.S. Co.) discloses a method and device for non-invasively assessing glycated hemoglobin or glucose in blood using machine learning. For machine learning, features of biosignals obtained by a device with a PPG sensor and other measuring sensors, as well as user data, are used. For example, biosignals may include body temperature, pulse rate, blood pressure, respiratory rate, blood sugar level, brain waves, electrocardiogram and oxygen saturation. The feature extraction tool can extract various features by applying frequency analysis, statistical analysis, waveform analysis, etc. based on the obtained PPG signals.
[0025] Недостатком такого решения является отсутствие учета влияния других компонентов крови на уровень гликированного гемоглобина, а, кроме того, в указанной публикации не раскрыта возможность использования носимого устройства для неинвазивной оценки гликированного гемоглобина.[0025] The disadvantage of this solution is the lack of consideration of the influence of other blood components on the level of glycated hemoglobin, and, in addition, the said publication does not disclose the possibility of using a wearable device for non-invasive assessment of glycated hemoglobin.
[0026] Таким образом, основная проблема данной области техники заключается в отсутствии способа и удобного для использования носимого устройства для определения и непрерывного контроля такого параметра крови, как гликированный гемоглобин, с учетом влияния других компонентов крови. Вместе с тем, преимуществами измерения гликированного гемоглобина с помощью носимого устройства являются мгновенное или непрерывное измерение, простота использования, возможность долгосрочного контроля.[0026] Thus, the main problem of this technical field is the lack of a method and a convenient-to-use wearable device for determining and continuously monitoring such a blood parameter as glycated hemoglobin, taking into account the influence of other blood components. At the same time, the advantages of measuring glycated hemoglobin using a wearable device are instantaneous or continuous measurement, ease of use, and the possibility of long-term monitoring.
[0027] Следовательно, существует потребность в носимом устройстве и способе неинвазивного определения уровня гликированного гемоглобина, обеспечивающих точное измерение и подходящих для непрофессионального применения. Иными словами, требуется простое в использовании носимое устройство для неинвазивного, ненавязчивого, непрерывного контроля уровня гликированного гемоглобина. Однако, принципы настоящего раскрытия могут быть использованы не только в носимом устройстве. 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.[0027] Accordingly, there is a need for a wearable device and a method for non-invasively determining the level of glycated hemoglobin, providing an accurate measurement and suitable for non-professional use. In other words, an easy-to-use wearable device is needed for non-invasive, unobtrusive, continuous monitoring of the level of glycated hemoglobin. However, the principles of the present disclosure can be used not only in a wearable device. Possible products that use the method of the invention are wearable electronic devices, such as smart watches or smart bracelets, stationary diagnostic devices, home appliances and gadgets for personal medical monitoring.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
[0028] Принимая во внимание изложенные выше технические проблемы, далее со ссылкой на описание и представленные чертежи предлагаемое изобретение будет описано в качестве примера, а не ограничения.[0028] In view of the above technical problems, the present invention will be described hereinafter with reference to the description and the accompanying drawings by way of example and not limitation.
[0029] 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.[0029] This summary of the invention precedes the detailed description of specific exemplary embodiments in order to provide a general idea 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.
[0030] Задачей настоящего изобретения является создание носимого устройства с функцией определения параметров крови пользователя, в частности, уровня гликированного гемоглобина, на основе данных, собираемых от датчиков носимого устройства, с учетом влияния других компонентов крови. В частности, в настоящем изобретении используются главным образом PPG-датчики, а также могут использоваться другие вспомогательные датчики, например, гироскопический датчик, акселерометр, которые помогают распознавать периоды происходящих событий в повседневной деятельности (жизни) пользователя, например, периоды двигательной активности, отдыха или сна. Принципы измерения PPG-сигналов во временной и частотной областях подробно описаны в выданном на имя того же заявителя патенте RU 2805810 С1 от 24.10.2023 г., в котором раскрыты носимое устройство и способ определения уровня гемоглобина.[0030] The objective of the present invention is to create a wearable device with the function of determining the user's blood parameters, in particular, the level of glycated hemoglobin, based on data collected from the sensors of the wearable device, taking into account the influence of other blood components. In particular, the present invention mainly uses PPG sensors, and other auxiliary sensors can also be used, for example, a gyroscopic sensor, an accelerometer, which help to recognize periods of events occurring in the user's daily activities (life), for example, periods of motor activity, rest or sleep. The principles of measuring PPG signals in the time and frequency domains are described in detail in patent RU 2805810 C1 dated 24.10.2023 issued in the name of the same applicant, which discloses a wearable device and a method for determining the hemoglobin level.
[0031] В рамках настоящего изобретения проведено обширное исследование корреляции между признаками PPG-сигналов и параметрами крови, в частности, подтверждена возможность точной оценки уровня гликированного гемоглобина с помощью носимого устройства. Основным изобретательским замыслом является разделение признаков (характеристик) PPG-сигналов на быстро и медленно меняющиеся признаки и сопоставление их соответственно с быстро меняющимися параметрами компонентов крови, таких как, например, общий гемоглобин, оксигенированный гемоглобин, глюкоза в крови, и с медленно меняющимися параметрами компонентов крови, к которым относится, например, гликированный гемоглобин. Известно, что, например, уровень оксигенированного гемоглобина и глюкозы в крови быстро изменяется при физической активности, перемещении из помещения на свежий воздух, задержке дыхания или других видах повседневной деятельности, таких как сон, прием пищи и т.п., в то время как уровень гликированного гемоглобина при этом практически не изменяется. Следовательно, алгоритм оценки уровня гликированного гемоглобина с помощью носимого устройства согласно настоящему изобретению можно описать следующим образом:[0031] Within the framework of the present invention, an extensive study of the correlation between the features of PPG signals and blood parameters has been conducted, in particular, the possibility of accurately assessing the level of glycated hemoglobin using a wearable device has been confirmed. The main inventive concept is to separate the features (characteristics) of PPG signals into rapidly and slowly changing features and to compare them accordingly with rapidly changing parameters of blood components, such as, for example, total hemoglobin, oxygenated hemoglobin, blood glucose, and with slowly changing parameters of blood components, which include, for example, glycated hemoglobin. It is known that, for example, the level of oxygenated hemoglobin and glucose in the blood changes rapidly during physical activity, moving from a room to fresh air, holding your breath or other types of daily activities, such as sleeping, eating, etc., while the level of glycated hemoglobin remains virtually unchanged. Therefore, the algorithm for estimating the glycated hemoglobin level using the wearable device according to the present invention can be described as follows:
- непрерывное облучение биологических тканей пользователя излучением по меньшей мере двух различных длин волн с помощью PPG-датчиков носимого устройства во время повседневной деятельности пользователя;- continuous irradiation of the biological tissues of the user with radiation of at least two different wavelengths using PPG sensors of the wearable device during the user's daily activities;
- детектирование обратно рассеянных PPG-сигналов на упомянутых по меньшей мере двух различных длинах волн;- detecting backscattered PPG signals at said at least two different wavelengths;
- извлечение признаков (компонент) детектированных PPG-сигналов во временной и частотной областях;- extraction of features (components) of detected PPG signals in time and frequency domains;
- определение момента наступления триггерного события, при котором происходит изменение компонентов крови;- determination of the moment of occurrence of a trigger event, at which a change in blood components occurs;
- идентификация по детектированным PPG-сигналам быстро и медленно меняющихся признаков, характеризующих соответственно быстро и медленно меняющиеся параметры компонентов крови,- identification of rapidly and slowly changing features characterizing rapidly and slowly changing parameters of blood components according to detected PPG signals,
- извлечение из детектированных во время триггерного события PPG-сигналов быстро и медленно меняющихся признаков, характеризующих соответственно быстро и медленно меняющиеся параметры компонентов крови;- extraction from PPG signals detected during a trigger event of rapidly and slowly changing features characterizing, respectively, rapidly and slowly changing parameters of blood components;
- формирование набора быстро и медленно меняющихся признаков, характеризующих соответственно быстро и медленно меняющиеся параметры компонентов крови, и- formation of a set of rapidly and slowly changing features characterizing, respectively, rapidly and slowly changing parameters of blood components, and
- определение уровня гликированного гемоглобина в крови пользователя на основе сравнения полученного набора признаков и информации из заранее скомпилированной базы данных с помощью прогнозирующей модели.- determination of the level of glycated hemoglobin in the user's blood based on a comparison of the obtained set of features and information from a pre-compiled database using a predictive model.
Обработку сигналов, в том числе преобразование, осуществляют с помощью встроенного в носимое устройство микропроцессора, который используется также на всех других этапах обработки PPG-сигналов. Кроме того, обработка сигналов может осуществляться также на удаленном сервере или устройстве, который осуществляет связь с носимым устройством и может обмениваться с ним данными.Signal processing, including conversion, is performed using a microprocessor built into the wearable device, which is also used at all other stages of PPG signal processing. In addition, signal processing can also be performed on a remote server or device that communicates with the wearable device and can exchange data with it.
В контексте настоящего описания быстро меняющийся параметр компонента - это такой параметр компонента, значение которого изменяется более чем на 5% в течение 30-250 секунд после наступления триггерного события (например, в течение 30 секунд при задержке дыхания и 250 секунд при окклюзионном тесте), а медленно меняющийся параметр компонента - это такой параметр компонента, значение которого не изменяется более чем на 3% в течение 60-120 суток. Что касается признаков сигналов, расчет признаков по существу одинаков для быстро и медленно меняющихся характеристик сигналов (временных и частотных характеристик, показанных, например, в таблице 1 ниже). Отличие заключается в том, что для расчета быстро меняющихся характеристик берутся участки сигнала во время и после триггерного события, длительностью не более 250 секунд, а для медленно меняющихся - любые участки сигнала в пределах 60-120 суток. Быстро меняющиеся характеристики сигнала - характеристики, которые изменяются в течение не более 250 с во время и после триггерного события, а медленно меняющиеся характеристики сигнала во время данного временного участка не изменяются.In the context of the present description, a rapidly changing component parameter is a component parameter whose value changes by more than 5% within 30-250 seconds after the trigger event (e.g., within 30 seconds during a breath hold and 250 seconds during an occlusion test), and a slowly changing component parameter is a component parameter whose value does not change by more than 3% within 60-120 days. As for the signal features, the calculation of the features is essentially the same for rapidly and slowly changing signal characteristics (time and frequency characteristics, shown, for example, in Table 1 below). The difference is that for the calculation of rapidly changing characteristics, signal sections during and after the trigger event are taken, with a duration of no more than 250 seconds, and for slowly changing characteristics, any signal sections within 60-120 days. Rapidly changing signal characteristics are characteristics that change within no more than 250 s during and after the trigger event, while slowly changing signal characteristics do not change during this time period.
[0032] Таким образом, одним из преимущественных эффектов настоящего изобретения является учет влияния быстро меняющихся параметров компонентов крови на оценку уровня гликированного гемоглобина.[0032] Thus, one of the advantageous effects of the present invention is to take into account the influence of rapidly changing parameters of blood components on the assessment of the level of glycated hemoglobin.
[0033] Следует отметить, что детектирование (регистрация) сигналов с PPG-датчиков носимого устройства может происходить в непрерывном режиме во время повседневной деятельности пользователя и после наступления триггерного события или в течение заданных периодов времени согласно пожеланию пользователя. Непрерывная регистрация необходима для обеспечения возможности обнаружения момента времени наступления триггерного события. Регистрация сигналов после наступления триггерного события необходима для обеспечения возможности идентификации быстро и медленно меняющихся признаков PPG-сигналов. Например, после наступления триггерного события носимое устройство продолжает непрерывно детектировать PPG-сигналы, однако, для извлечения признаков сигналов, которые затем идентифицируют в качестве быстро и медленно меняющихся признаков, используют сигналы, которые детектируют, начиная, например, с 5 секунды, 10 секунды, 20 секунды, 30 секунды, 40 секунды, 50 секунды, 1 минуты и более после наступления триггерного события, но не ограничиваются этим, в течение нескольких циклов пульсовой волны, например, в течение 5 секунд, 10 секунд, 20 секунд, 30 секунд, 40 секунд, 50 секунд, 1 минуты и более, но не ограничиваются этим. При этом определение момента времени наступления триггерного события можно осуществить в простейшем случае по изменению пульса пользователя, поскольку PPG-сигнал является пульсовой волной и учащение пульса, например, при физических нагрузках, во время сна, прямо отразится на частоте повторения пульсового сигнала и может быть легко определено. Кроме того, в качестве примера, определение момента времени наступления триггерного события можно осуществить путем отслеживания дыхания пользователя, которое, также, как и пульс, изменяется при различных видах активности, как более подробно раскрыто в патентной заявке того же заявителя RU 2023125468 А1 от 04.10.2023 г.[0033] It should be noted that the detection (registration) of signals from the PPG sensors of the wearable device can occur in a continuous mode during the user's daily activities and after the occurrence of a trigger event or during specified periods of time according to the user's wishes. Continuous registration is necessary to ensure the possibility of detecting the moment of occurrence of the trigger event. Registration of signals after the occurrence of the trigger event is necessary to ensure the possibility of identifying rapidly and slowly changing features of the PPG signals. For example, after the trigger event occurs, the wearable device continues to continuously detect PPG signals, however, to extract the signal features that are then identified as fast and slowly changing features, signals are used that are detected starting, for example, from 5 seconds, 10 seconds, 20 seconds, 30 seconds, 40 seconds, 50 seconds, 1 minute and more after the trigger event occurs, but are not limited to this, during several pulse wave cycles, for example, for 5 seconds, 10 seconds, 20 seconds, 30 seconds, 40 seconds, 50 seconds, 1 minute and more, but are not limited to this. In this case, determining the time of the trigger event occurrence can be carried out in the simplest case by changing the user's pulse rate, since the PPG signal is a pulse wave and an increase in pulse rate, for example, during physical activity, during sleep, will directly affect the repetition rate of the pulse signal and can be easily determined. In addition, as an example, determining the time of occurrence of a trigger event can be done by monitoring the user's breathing, which, like the pulse, changes with different types of activity, as disclosed in more detail in the patent application of the same applicant RU 2023125468 A1 dated 04.10.2023.
[0034] Решение задачи оценки уровня гликированного гемоглобина с учетом влияния других компонентов крови основано на выявлении эмпирических закономерностей в обучающих данных, помещенных в общую базу данных, машинным способом. Обучающие данные включают в себя наборы признаков, измеренные с помощью раскрытого носимого устройства и сопоставленные с параметрами компонентов крови, измеренными лабораторными методами. 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, регистрируемых датчиками носимого на запястье устройства.[0034] The solution to the problem of assessing the level of glycated hemoglobin taking into account the influence of other blood components is based on identifying empirical patterns in training data placed in a common database using a machine method. The training data includes sets of features measured using the disclosed wearable device and compared with the parameters of blood components measured using laboratory methods. The database can be constantly updated, and, in addition, the predictive model (prediction algorithm) is refined using machine learning. In the present invention, the predictive model is created for a wrist-worn device, since the training of the predictive model was based on data recorded by the sensors of the wrist-worn device.
[0035] PPG-сигналы, получаемые с помощью носимого устройства, характеризуют биологическую ткань пользователя, через которую проходит излучение. Оптические характеристики биологической ткани получают с помощью PPG-сигналов на по меньшей мере двух длинах волн в диапазоне излучения от видимого света до ближней ИК-области спектра, то есть в диапазоне 400-1100 нм. Выбор конкретных длин волн излучения не ограничивается особым образом и может быть осуществлен в зависимости от различных факторов, таких как, например, цвет кожи пользователя и пигментация. PPG-датчик детектирует свет на упомянутых по меньшей мере двух длинах волн с получением набора детектированных PPG-сигналов во временной области. Затем осуществляют преобразование детектированных PPG-сигналов из временной области в частотную область с получением набора детектированных PPG-сигналов в частотной области.[0035] PPG signals obtained by the wearable device characterize the biological tissue of the user through which the radiation passes. Optical characteristics of the biological tissue are obtained using PPG signals at least at two wavelengths in the radiation range from visible light to the near IR region of the spectrum, i.e. in the range of 400-1100 nm. The selection of specific radiation wavelengths is not particularly limited and can be carried out depending on various factors, such as, for example, the user's skin color and pigmentation. The PPG sensor detects light at the at least two wavelengths to obtain a set of detected PPG signals in the time domain. Then, the detected PPG signals are converted from the time domain to the frequency domain to obtain a set of detected PPG signals in the frequency domain.
[0036] Более конкретно, методика измерений, используемая в настоящем раскрытии, основана на использовании принципов фотоплетизмографии (PPG). При облучении биологической ткани пользователя носимого устройства, в биологических тканях (эпителиальной, соединительной, нервной, мышечной), костях, венозной крови и артериальной крови 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 на выходе фотоприемника. Гемоглобин служит своего рода фильтром для светового потока, причем «цвет» и «толщина» его могут меняться. «Цвет» фильтра зависит главным образом от процентного содержания оксигемоглобина. В качестве примера отметим, что на этом базируется способность, например, 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, ПК- и красной области спектра, затем рассчитывают насыщение пульсирующего потока артериальной крови кислородом. В данном случае одновременное использование ПК- и красной области спектра связано с различием в поглощении излучения оксигемоглобином, который меньше поглощает излучение длиной волны 660 нм, и дезоксигемоглобином, который меньше поглощает излучение длиной волны 940 нм.[0036] More specifically, the measurement technique used in the present disclosure is based on the use of photoplethysmography (PPG) principles. When the biological tissue of the wearable device user is irradiated, absorption, reflection and scattering of radiation occurs in biological tissues (epithelial, connective, nervous, muscular), bones, venous blood and arterial blood, which, when studying blood flow, is determined by the size of the vessels or the volume of blood passing through the examined tissue area. The narrowing and expansion of the vessel under the action of arterial blood flow pulsation, which is caused mainly by a change in blood flow in the arteries and arterioles, causes a corresponding change in the amplitude of the signal obtained at the output of the photodetector. Hemoglobin serves as a kind of filter for the light flux, and its "color" and "thickness" can change. The "color" of the filter depends mainly on the percentage of oxyhemoglobin. As an example, we note that the ability of, for example, a pulse oximeter to determine the degree of blood oxygenation is based on this. The change in the "thickness" of the filter is affected by the growth of the blood volume in the arteries and arterioles with each pulse wave. After measuring the pulse rate and the amplitude of the pulse wave, the ratio of the absorption of radiation of different wavelengths, for example, the PC and red regions of the spectrum, is analyzed using a microprocessor, then the saturation of the pulsating flow of arterial blood with oxygen is calculated. In this case, the simultaneous use of the PC and red regions of the spectrum is associated with the difference in the absorption of radiation by oxyhemoglobin, which absorbs less radiation with a wavelength of 660 nm, and deoxyhemoglobin, which absorbs less radiation with a wavelength of 940 nm.
[0037] Традиционно устройства с PPG-датчиками работают в режиме измерения образца биологической ткани на пропускание, когда устройство (или его часть) помещают на палец, мочку уха, то есть там, где возможно пропускание излучения через образец ткани. Однако, в последние годы разработаны устройства, работающие в режиме на отражение, когда измеряют обратно рассеянное биологической тканью излучение. Режим на отражение также используется в носимом устройстве согласно настоящему раскрытию.[0037] Traditionally, devices with PPG sensors operate in the mode of measuring a biological tissue sample in transmission, when the device (or part of it) is placed on a finger, earlobe, i.e. where radiation can be transmitted through the tissue sample. However, in recent years, devices have been developed that operate in the reflection mode, when radiation backscattered by biological tissue is measured. The reflection mode is also used in the wearable device according to the present disclosure.
[0038] Процессы кровоснабжения биологической ткани ассоциируются с пульсовой волной, т.е. изменением количества крови в измеряемом объеме ткани. Соответственно, сигнал с выхода датчика, пропорциональный поглощению света, проходящего через ткани, включает две составляющие: слабую переменную составляющую (АС), обусловленную изменением объема артериальной крови при каждом сердечном сокращении, на фоне сильной постоянной составляющей (DC) сигнала, определяемой оптическими свойствами кожи, костей, венозной крови и других тканей исследуемого участка, совокупное поглощение которых не изменяется в процессе распространения пульсовой волны.[0038] The processes of blood supply to biological tissue are associated with a pulse wave, i.e. a change in the amount of blood in the measured volume of tissue. Accordingly, the signal from the sensor output, proportional to the absorption of light passing through the tissue, includes two components: a weak variable component (AC), caused by a change in the volume of arterial blood with each heartbeat, against the background of a strong constant component (DC) of the signal, 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.
[0039] Традиционный подход для анализа PPG-сигнала основан на разделении постоянной и переменной составляющих временных рядов (DC- и АС-составляющих во временной области или компонент постоянного и переменного токов) PPG-сигнала. При этом в случае работы в режиме на пропускание традиционно измеряют интегральную площадь кривой сигнала, а в случае работы в режиме на отражение анализируют форму сигнала. 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».[0039] The traditional approach to PPG signal analysis is based on separating the constant and variable components of the time series (DC and AC components in the time domain or DC and AC components) of the PPG signal. In this case, in the case of operation in the transmission mode, the integral area of the signal curve is traditionally measured, and in the case of operation in the reflection mode, the signal shape is analyzed. At the same time, the DC component is used to normalize the signal, since the transmission of the signal depends not only on the absorption/reflection/scattering coefficients of the skin, bones, blood and other tissues that make up the "filter" for the signal, but also on the thickness of the "filter" itself.
[0040] Извлечение признаков PPG-сигналов во временной области заключается в анализе формы кривой сигналов, т.е. их АС-составляющих. Для корректного измерения АС-составляющей PPG-сигнала требуется накопление нескольких циклов пульсовой волны, и процесс измерений или сбор данных занимает, как правило, несколько секунд или десятков секунд. Вместе с тем, анализ АС-составляющей PPG-сигнала может быть затруднен, поскольку АС-составляющая часто имеет сложную форму, которая зависит от длины волны и несет информацию о спектральных свойствах ткани.[0040] Extraction of PPG signal features in the time domain consists of analyzing the shape of the signal curve, i.e. their AC components. For correct measurement of the AC component of the PPG signal, accumulation of several pulse wave cycles is required, and the measurement process or data collection usually takes several seconds or tens of seconds. At the same time, analysis of the AC component of the PPG signal can be difficult, since the AC component often has a complex shape, which depends on the wavelength and carries information about the spectral properties of the tissue.
[0041] Набор признаков PPG-сигналов во временной области представляет собой набор спектрально-временных признаков (vλ1 tl, vλ2 tl, …, vλn tl, … vλ1 tk, … vλn tk) сигналов, характеризующих молекулярное строение крови, т.е. спектральные и динамические свойства компонентов крови, где[0041] The set of features of PPG signals in the time domain is a set of spectral-temporal features (v λ1 tl , v λ2 tl , …, v λn tl , … v λ1 tk , … v λn tk ) of signals characterizing the molecular structure of blood, i.e. the spectral and dynamic properties of blood components, where
λ1, λ2, …, λn - индекс, указывающий длину волны,λ 1 , λ 2 , …, λ n - index indicating the wavelength,
tl,…tk - индекс, указывающий временной признак, при этом спектрально-временной признак vtk λn соответствует временному признаку tk, измеренному на длине волны λn.t l ,…t k - index indicating the temporal feature, where the spectral-temporal feature v tk λn corresponds to the temporal feature t k , measured at the wavelength λ n .
[0042] Дополнительно PPG-сигналы преобразуют из временной области в частотную область, например, путем преобразования Фурье или Гильберта-Хуанга, и извлекают признаки PPG-сигналов в частотной области. Предварительно во временной области среди всех доступных сигналов на разных длинах волн выбирают опорный PPG-сигнал на определенной длине волны на основе наибольшего отношения сигнал/шум или самой высокой амплитуды (как правило, это сигнал на длине волны зеленого света - 495-570 нм).[0042] Additionally, the PPG signals are transformed from the time domain to the frequency domain, for example, by means of the Fourier or Hilbert-Huang transform, and the features of the PPG signals in the frequency domain are extracted. First, in the time domain, among all available signals at different wavelengths, a reference PPG signal is selected at a certain wavelength based on the highest signal-to-noise ratio or the highest amplitude (usually this is a signal at the wavelength of green light - 495-570 nm).
[0043] 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 спектрально-частотных признаков (ƒ0, а λ1 ƒ0, а λ2 ƒ0, а λn ƒ0, … а λn ƒk), который однозначно описывает форму пульсовой волны на каждой из используемых длин волн λ. Здесь следует отметить, что при преобразовании PPG-сигнала из временной в частотную область периодичность пульсового сигнала переносится в положение первой гармоники f0, а его форма, т.е. пики, впадины, вырезки переносятся в гармоники более высоких порядков.[0043] In the frequency domain, the position of the first harmonic (fundamental component) f 0 is determined based on the reference PPG signal and is 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 the obtained optical signals are determined. Thus, for all combinations of the wavelengths of the PPG signal and harmonics, a set of spectral-frequency features is obtained (ƒ 0 , a λ1 ƒ0 , a λ2 ƒ0 , a λn ƒ0 , … a λn ƒk ), which uniquely describes the shape of the pulse wave at each of the used wavelengths λ. It should be noted here that when converting a PPG signal from the time to the frequency domain, the periodicity of the pulse signal is transferred to the position of the first harmonic f 0 , and its shape, i.e. peaks, troughs, notches, are transferred to harmonics of higher orders.
[0044] Регистрация PPG-сигналов происходит в непрерывном режиме во время повседневной деятельности пользователя и во время триггерного события. После регистрации PPG-сигналов извлекают признаки сигналов во временной и частотной областях. При этом определение момента наступления триггерного события необходима, согласно настоящему раскрытию, для идентификации быстро и медленно меняющихся признаков PPG-сигналов путем сравнения признаков сигналов во время повседневной деятельности пользователя и триггерного события. Соответственно, набор спектрально-волновых признаков и набор спектрально-частотных признаков, полученные во время триггерного события, используют для формирования набора быстро и медленно меняющихся признаков, характеризующих быстро и медленно меняющиеся параметры компонентов крови.[0044] The PPG signals are recorded continuously during the user's daily activities and during the trigger event. After recording the PPG signals, the signal features are extracted in the time and frequency domains. In this case, determining the moment of occurrence of the trigger event is necessary, according to the present disclosure, for identifying the fast and slowly changing features of the PPG signals by comparing the features of the signals during the user's daily activities and the trigger event. Accordingly, a set of spectral-wave features and a set of spectral-frequency features obtained during the trigger event are used to form a set of fast and slowly changing features characterizing the fast and slowly changing parameters of the blood components.
[0045] Таким образом, в результате обработки зарегистрированных PPG-датчиками сигналов формируют набор быстро и медленно меняющихся признаков, характеризующих молекулярное строение крови, который используют для прогнозирования уровня гликированного гемоглобина с учетом влияния других компонентов крови. В данном случае, поскольку уровень гликированного гемоглобина характеризуется только медленно меняющимися признаками, а другие компоненты крови характеризуются быстро меняющимися признаками, возможен учет влияния других компонентов крови на точность измерения уровня гликированного гемоглобина.[0045] Thus, as a result of processing the signals recorded by the PPG sensors, a set of rapidly and slowly changing features is formed, characterizing the molecular structure of the blood, which is used to predict the level of glycated hemoglobin, taking into account the influence of other blood components. In this case, since the level of glycated hemoglobin is characterized only by slowly changing features, and other blood components are characterized by rapidly changing features, it is possible to take into account the influence of other blood components on the accuracy of measuring the level of glycated hemoglobin.
[0046] Как обсуждено выше, указанный набор быстро и медленно меняющихся признаков состоит из набора спектрально-временных признаков (vλ1 tl, vλ2 tl, …, vλn tl, … vλ1 tk, … vλn tk) и набора спектрально-частотных признаков (ƒ0, а λ1 ƒ0, а λ2 ƒ0, а λn ƒ0, … а λn ƒk), которые включают в себя, например, по меньшей мере амплитуды диастолического и систолического пиков, величину дикротической выемки (инцизуры) пульсовой волны, зарегистрированной у пользователя, величину первой гармоники (ƒ0), величины амплитудно-фазовых характеристик гармоник (по меньшей мере амплитуду и полную мощность (площадь под кривой) по меньшей мере двух гармоник в пределах спектральной полосы, заданной относительно центральной частоты, положение которой определяется опорной частотой, соответствующей частоте сердечных сокращений (ЧСС), по меньшей мере двух PPG-сигналов с различными длинами волн.[0046] As discussed above, said set of fast and slow changing features consists of a set of spectral-temporal features (v λ1 tl , v λ2 tl , …, v λn tl , … v λ1 tk , … v λn tk ) and a set of spectral-frequency features (ƒ 0 , a λ1 ƒ0 , a λ2 ƒ0 , a λn ƒ0 , … a λn ƒk ), which include, for example, at least the amplitudes of the diastolic and systolic peaks, the magnitude of the dicrotic notch (incisure) of the pulse wave recorded from the user, the magnitude of the first harmonic (ƒ 0 ), the magnitudes of the amplitude-phase characteristics of the harmonics (at least the amplitude and the total power (area under the curve) of at least two harmonics within the spectral a band specified relative to a central frequency, the position of which is determined by a reference frequency corresponding to the heart rate (HR), of at least two PPG signals with different wavelengths.
[0047] Под молекулярным строением подразумевается наличие и концентрация молекул красителя (гемоглобина или другого компонента) в крови. Оптический сигнал PPG-датчика преимущественно чувствителен к молекулярному строению крови, т.е. концентрации красителя. При этом формирование набора из быстро и медленно меняющихся признаков PPG-сигналов и соотнесение их соответственно с быстро и медленно меняющимися параметрами компонентов крови позволяет определять уровень медленно меняющегося параметра компонента крови, такого как, например, гликированный гемоглобин, с учетом других компонентов крови.[0047] Molecular structure refers to the presence and concentration of dye molecules (hemoglobin or other component) in the blood. The optical signal of the PPG sensor is predominantly sensitive to the molecular structure of the blood, i.e. the concentration of the dye. At the same time, the formation of a set of rapidly and slowly changing features of the PPG signals and their correlation with rapidly and slowly changing parameters of the blood components, respectively, makes it possible to determine the level of a slowly changing parameter of a blood component, such as, for example, glycated hemoglobin, taking into account other blood components.
[0048] Предлагаемые носимое устройство, способ и система обеспечивают возможность персонального, непрофессионального применения и возможность мгновенного или непрерывного определения с высокой точностью параметров крови, например, уровня гликированного гемоглобина (HbA1c).[0048] The proposed wearable device, method and system provide the possibility of personal, non-professional use and the possibility of instantaneous or continuous determination of blood parameters with high accuracy, for example, the level of glycated hemoglobin (HbA1c).
[0049] Вместе с тем, заявленное устройство:[0049] At the same time, the declared device:
- не требует использования дополнительных отдельных средств измерения, может использоваться в виде существующих носимых устройств (умные часы, фитнес-браслеты т.д.),- does not require the use of additional separate measuring instruments, can be used in the form of existing wearable devices (smart watches, fitness bracelets, etc.),
- обладает высокой точностью измерений уровня гликированного гемоглобина,- has high accuracy in measuring the level of glycated hemoglobin,
- обладает низким энергопотреблением,- has low energy consumption,
- способно осуществлять непрерывный контроль, не требующий участия пользователя.- capable of continuous monitoring without requiring user intervention.
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
[0050] Вышеописанные и другие признаки и преимущества настоящего раскрытия 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 раскрытия, и все такие варианты осуществления, модификации и эквиваленты считаются включенными в настоящее раскрытие.[0050] The above and other features and advantages of the present disclosure will become clearer in the following description with reference to the accompanying drawings. The specific exemplary embodiments of the claimed invention, when considered in conjunction with the drawings, are not intended to limit the scope of the invention. Additional embodiments, modifications, or equivalents of the present disclosure will become apparent to those skilled in the art from a study of the present description, and all such embodiments, modifications, and equivalents are intended to be included within the present disclosure.
[0051] Чертежи предоставлены исключительно для помощи в понимании описания, и их не следует никоим образом рассматривать в качестве ограничения объема изобретения. На чертежах изображено следующее:[0051] The drawings are provided solely to aid in understanding the description and should not be construed as limiting the scope of the invention in any way. The drawings illustrate the following:
[0052] Фиг. 1А иллюстрирует блок-схему носимого устройства с функцией определения гликированного гемоглобина.[0052] Fig. 1A illustrates a block diagram of a wearable device with a glycated hemoglobin determination function.
Фиг. 1Б иллюстрирует схематический вид носимого устройства.Fig. 1B illustrates a schematic view of the wearable device.
Фиг. 2А иллюстрирует спектр поглощения оксигенированного гемоглобина и гликированного гемоглобина в диапазоне видимого - ближнего инфракрасного излучения (VIS-NIR).Fig. 2A illustrates the absorption spectrum of oxygenated hemoglobin and glycated hemoglobin in the visible-near infrared (VIS-NIR) range.
Фиг. 2Б иллюстрирует теоретически рассчитанные спектры поглощения гликированного гемоглобина в диапазоне VIS-NIR при разном уровне HbA1c в растворителе.Fig. 2B illustrates theoretically calculated absorption spectra of glycated hemoglobin in the VIS-NIR range at different HbA1c levels in the solvent.
Фиг. 3А схематично иллюстрирует состав крови и основные компоненты крови. Фиг. 3Б схематично иллюстрирует графики изменения концентрации быстро меняющихся параметров компонентов крови и медленно меняющихся параметров компонентов крови в зависимости от времени.Fig. 3A schematically illustrates the composition of blood and the main components of blood. Fig. 3B schematically illustrates graphs of changes in the concentration of rapidly changing parameters of blood components and slowly changing parameters of blood components depending on time.
Фиг. 4 схематически иллюстрирует схему эксперимента с задержкой дыхания, при котором исследовали изменения различных физиологических сигналов в зависимости от времени.Fig. 4 schematically illustrates the setup of a breath-holding experiment in which changes in various physiological signals were investigated as a function of time.
Фиг. 5 иллюстрирует отфильтрованные высококачественные физиологические сигналы, полученные во время задержки дыхания и при обычном дыхании.Fig. 5 illustrates filtered high-quality physiological signals obtained during breath holding and normal breathing.
Фиг. 6А, 6Б иллюстрируют графики, подтверждающие возможности практической реализации измерения раздельных уровней HbO2 и HbA1c с использованием носимого устройства по настоящему изобретению.Fig. 6A, 6B illustrate graphs confirming the feasibility of practical implementation of measuring separate levels of HbO 2 and HbA1c using the wearable device of the present invention.
Фиг. 7 иллюстрирует первую ключевую особенность (KO1) настоящего изобретения.Fig. 7 illustrates the first key feature (KO1) of the present invention.
Фиг. 8 иллюстрирует вторую и третью ключевые особенности (КО2 и КО3) настоящего изобретения.Fig. 8 illustrates the second and third key features (KO2 and KO3) of the present invention.
Фиг. 9, 10А, 10Б, 10В более подробно иллюстрируют KO1 настоящего изобретения, состоящую в детектировании параметров PPG-сигналов.Fig. 9, 10A, 10B, 10C illustrate in more detail the KO1 of the present invention, which consists in detecting the parameters of PPG signals.
Фиг. 11 иллюстрирует график, схематично показывающий зависимость амплитуды от времени уровней медленно меняющихся признаков (характеристик) (f^(t)) PPG-сигнала и быстро меняющихся признаков (f*(t)) PPG-сигнала при непрерывном контроле PPG-сигналов.Fig. 11 illustrates a graph schematically showing the dependence of the amplitude on time of the levels of slowly changing features (characteristics) (f ^ (t)) of the PPG signal and rapidly changing features (f*(t)) of the PPG signal during continuous monitoring of the PPG signals.
Фиг. 12 более подробно иллюстрирует КО2 настоящего изобретения, состоящую в компилировании ссылочной базы данных.Fig. 12 illustrates in more detail the KO2 of the present invention, which consists in compiling a reference database.
Фиг. 13 более подробно иллюстрирует КО3 настоящего изобретения, характеризующую заключительный этап оценки уровня гликированного гемоглобина с учетом влияния других компонентов крови.Fig. 13 illustrates in more detail the KO3 of the present invention, which characterizes the final stage of assessing the level of glycated hemoglobin, taking into account the influence of other blood components.
Фиг. 14 иллюстрирует особенности определения происходящих событий в повседневной деятельности пользователя носимого устройства по настоящему изобретению.Fig. 14 illustrates the features of determining events occurring in the daily activities of the user of the wearable device according to the present invention.
Фиг. 15А схематично иллюстрирует варианты примерного отображения результатов измерения уровня HbA1c в течение суток и отклонения результатов измерения HbA1c в течение нескольких месяцев на экране носимого устройства по изобретению в приложении S-Health. Fig. 15A schematically illustrates variants of an exemplary display of the results of measuring the HbA1c level during the day and the deviation of the results of measuring the HbA1c over several months on the screen of the wearable device according to the invention in the S-Health application.
Фиг. 15Б схематично иллюстрирует отображаемый на экране носимого устройства в приложении S-Health график, позволяющий проводить контроль отклонения уровня гликированного гемоглобина от целевого значения.Fig. 15B schematically illustrates a graph displayed on the screen of a wearable device in the S-Health application, which allows monitoring the deviation of the glycated hemoglobin level from the target value.
Фиг. 16А иллюстрирует схему эксперимента с задержкой дыхания, при котором отслеживали изменения PPG-сигналов для разных пользователей в различных режимах и определяли уровень гликированного гемоглобина с помощью экспериментального образца заявленного носимого устройства.Fig. 16A illustrates a schematic diagram of a breath-holding experiment in which changes in PPG signals were monitored for different users in different modes and the level of glycated hemoglobin was determined using an experimental sample of the claimed wearable device.
Фиг. 16Б иллюстрирует результаты определения уровня гликированного гемоглобина в крови пользователя носимого устройства по ссылочной базе данных.Fig. 16B illustrates the results of determining the level of glycated hemoglobin in the blood of a wearable device user using a reference database.
Подробное описание вариантов осуществления изобретенияDetailed description of embodiments of the invention
[0053] Предлагаемое изобретение представляет собой носимое устройство с функцией определения уровня гликированного гемоглобина в крови пользователя, содержащее по меньшей мере один фотоплетизмографический (PPG) датчик, выполненный с возможностью облучения биологической ткани пользователя излучением по меньшей мере двух различных длин волн и детектирования обратно рассеянных PPG-сигналов на упомянутых по меньшей мере двух различных длинах волн, при этом носимое устройство выполнено с возможностью, во время повседневной деятельности пользователя, детектирования PPG-сигналов в режиме отражения, извлечения признаков детектированных PPG-сигналов, определения происходящего события в повседневной деятельности пользователя, при котором происходит изменение значений параметров компонентов крови, идентификации по детектированным PPG-сигналам быстро и медленно меняющихся признаков, характеризующих соответственно быстро и медленно меняющиеся параметры компонентов крови, извлечения из детектированных во время происходящего события PPG-сигналов быстро и медленно меняющихся признаков, характеризующих соответственно быстро и медленно меняющиеся параметры компонентов крови, и формирования из них набора быстро и медленно меняющихся признаков PPG-сигналов, и определения уровня гликированного гемоглобина в крови пользователя на основе сравнения сформированного набора признаков и информации из заранее скомпилированной базы данных с помощью прогнозирующей модели.[0053] The proposed invention is a wearable device with a function of determining the level of glycated hemoglobin in the blood of a user, comprising at least one photoplethysmographic (PPG) sensor configured to irradiate the biological tissue of the user with radiation of at least two different wavelengths and to detect backscattered PPG signals at said at least two different wavelengths, wherein the wearable device is configured to, during the user's daily activities, detect PPG signals in reflection mode, extract features of the detected PPG signals, determine an event occurring in the user's daily activities during which a change in the values of the parameters of blood components occurs, identify, from the detected PPG signals, rapidly and slowly changing features characterizing the rapidly and slowly changing parameters of the blood components, respectively, extract from the PPG signals detected during the occurring event rapidly and slowly changing features characterizing the rapidly and slowly changing parameters of the blood components, respectively, and form from them a set of rapidly and slowly changing features of the PPG signals, and determining the level of glycated hemoglobin in the user's blood based on a comparison of a generated set of features and information from a pre-compiled database using a predictive model.
[0054] Согласно варианту осуществления, носимое устройство дополнительно содержит корпус, процессор, батарею и запоминающее устройство, размещенные в корпусе, при этом запоминающее устройство выполнено с возможностью хранения базы данных.[0054] According to an embodiment, the wearable device further comprises a housing, a processor, a battery and a memory device located in the housing, wherein the memory device is configured to store a database.
[0055] Согласно варианту осуществления, носимое устройство дополнительно содержит устройство ввода и вывода, выполненное с возможностью ввода данных профиля пользователя и отображения определенного уровня гликированного гемоглобина, и модуль связи, выполненный с возможностью обмена информацией с удаленным сервером и/или облачным хранилищем.[0055] According to an embodiment, the wearable device further comprises an input and output device configured to input user profile data and display the determined glycated hemoglobin level, and a communication module configured to exchange information with a remote server and/or cloud storage.
[0056] Согласно варианту осуществления, упомянутый по меньшей мере один PPG-датчик носимого устройства обеспечивает излучение различных длин волн в диапазоне видимой (VIS) - ближней инфракрасной (NIR) (примерно 400-1100 нм) области спектра. В варианте осуществления одна из упомянутых различных длин волн предпочтительно находится в диапазоне 490-570 нм, а более предпочтительно составляет 530 нм.[0056] According to an embodiment, said at least one PPG sensor of the wearable device provides radiation of different wavelengths in the visible (VIS) - near infrared (NIR) (approximately 400-1100 nm) spectral region. In an embodiment, one of said different wavelengths is preferably in the range of 490-570 nm, and more preferably is 530 nm.
[0057] Согласно варианту осуществления, упомянутый по меньшей мере один PPG-датчик носимого устройства содержит по меньшей мере один источник излучения, содержащий два или более с вето излучающих диода.[0057] According to an embodiment, said at least one PPG sensor of the wearable device comprises at least one radiation source comprising two or more light-emitting diodes.
[0058] Согласно варианту осуществления, упомянутый по меньшей мере один PPG-датчик носимого устройства содержит по меньшей мере один приемник излучения, предпочтительно представляющий собой широкополосный фотоприемник.[0058] According to an embodiment, said at least one PPG sensor of the wearable device comprises at least one radiation receiver, preferably a broadband photodetector.
[0059] Согласно варианту осуществления, информация базы данных содержит матрицу признаков, включающую в себя наборы признаков, характеризующих быстро и медленно меняющиеся признаки PPG-сигналов, сопоставленные с опорными значениями быстро и медленно меняющихся параметров компонентов крови, определенными лабораторными методами для множества пользователей, и данные профилей множества пользователей, при этом упомянутые наборы признаков сформированы носимым устройством во время происходящих событий в повседневной деятельности пользователей и триггерных событий, связанных с изменением значений быстро меняющихся параметров компонентов крови.[0059] According to an embodiment, the database information comprises a feature matrix including sets of features characterizing fast and slowly changing features of PPG signals, compared with reference values of fast and slowly changing parameters of blood components, determined by laboratory methods for a plurality of users, and profile data of a plurality of users, wherein said sets of features are generated by the wearable device during events occurring in the daily activities of the users and trigger events associated with a change in the values of the fast changing parameters of blood components.
[0060] Согласно варианту осуществления, носимое устройство выполнено с возможностью идентификации быстро и медленно меняющихся признаков PPG-сигналов путем сравнения признаков сигналов во время повседневной деятельности пользователя и происходящего события в повседневной деятельности.[0060] According to an embodiment, the wearable device is configured to identify fast and slowly changing features of PPG signals by comparing the features of the signals during the user's daily activities and an ongoing event in the daily activities.
[0061] Согласно варианту осуществления, к компонентам крови с быстро меняющимися параметрами относятся общий гемоглобин, оксигенированный гемоглобин, уровень глюкозы, а к компонентам крови с медленно меняющимся параметрами относится гликированный гемоглобин.[0061] According to an embodiment, the blood components with rapidly changing parameters include total hemoglobin, oxygenated hemoglobin, glucose level, and the blood components with slowly changing parameters include glycated hemoglobin.
[0062] Согласно варианту осуществления, носимое устройство дополнительно выполнено с возможностью преобразования упомянутых по меньшей мере двух PPG-сигналов из временной области в частотную область и описания преобразованных PPG-сигналов относительно гармоник, при этом набор признаков, характеризующих быстро и медленно меняющиеся параметры компонентов крови, включает в себя признаки PPG-сигналов, определяемые во временной и частотной областях.[0062] According to an embodiment, the wearable device is further configured to convert said at least two PPG signals from the time domain to the frequency domain and describe the converted PPG signals with respect to harmonics, wherein the set of features characterizing rapidly and slowly changing parameters of blood components includes features of PPG signals determined in the time and frequency domains.
[0063] Согласно варианту осуществления, преобразование PPG-сигналов из временной области в частотную область содержит преобразование Фурье.[0063] According to an embodiment, the transformation of PPG signals from the time domain to the frequency domain comprises a Fourier transform.
[0064] Согласно варианту осуществления, носимое устройство выполнено с возможностью, при описании PPG-сигналов в частотной области, выбора из всех PPG-сигналов наиболее значимого сигнала, характеризуемого наибольшим отношением сигнал/шум или самой высокой амплитудой, и использования его в качестве опорного сигнала, извлечения из опорного сигнала гармоник, определения координаты основной гармоники (f0) и вычисления координат других гармоник (fl…fn), разложения всех PPG-сигналов по упомянутым координатам, измерения для каждой гармоники амплитуды, площади кривой, ширины на половине высоты пика и/или отношения сигнал/шум с получением набора амплитудно-фазовых характеристик (tλ 0) гармоник, представляющих собой признаки, определяемые в частотной области.[0064] According to an embodiment, the wearable device is configured to, when describing PPG signals in the frequency domain, select from all PPG signals the most significant signal characterized by the highest signal-to-noise ratio or the highest amplitude and use it as a reference signal, extract harmonics from the reference signal, determine the coordinate of the fundamental harmonic (f 0 ) and calculate the coordinates of other harmonics (f l ... f n ), decompose all PPG signals by said coordinates, measure for each harmonic the amplitude, the area of the curve, the width at half the peak height and/or the signal-to-noise ratio to obtain a set of amplitude-phase characteristics (t λ 0 ) of the harmonics, which are features determined in the frequency domain.
[0065] Согласно варианту осуществления, к признакам, определяемым во временной области, относятся критические точки формы волны PPG-сигналов, такие как амплитуда систолического пика, амплитуда диастолического пика, величина дикротической выемки, частота пульса.[0065] According to an embodiment, the features determined in the time domain include critical points of the PPG signal waveform, such as the amplitude of the systolic peak, the amplitude of the diastolic peak, the magnitude of the dicrotic notch, and the pulse rate.
[0066] Согласно варианту осуществления, к признакам, определяемым во временной области, дополнительно относятся начальные точки скользящего (адаптивного) временного окна PPG-сигналов, такие как длина шага окна, длина окна, длина сегмента.[0066] According to an embodiment, the features determined in the time domain additionally include starting points of the sliding (adaptive) time window of the PPG signals, such as the window step length, the window length, the segment length.
[0067] Согласно варианту осуществления, сравнение при определении уровня гликированного гемоглобина основано на использовании численного метода или алгоритма прогнозирования, а прогнозирующая модель предварительно обучена по скомпилированной базе данных с помощью алгоритма машинного обучения или нейронной сети.[0067] According to an embodiment, the comparison in determining the level of glycated hemoglobin is based on the use of a numerical method or a prediction algorithm, and the prediction model is pre-trained on a compiled database using a machine learning algorithm or a neural network.
[0068] Согласно варианту осуществления, носимое устройство выполнено с возможностью размещения на запястье.[0068] According to an embodiment, the wearable device is configured to be placed on the wrist.
[0069] Согласно варианту осуществления, носимое устройство представляет собой смарт-устройство, предпочтительно умные часы или фитнес-браслет.[0069] According to an embodiment, the wearable device is a smart device, preferably a smartwatch or a fitness bracelet.
[0070] Предлагаемое изобретение также относится к способу определения уровня гликированного гемоглобина в крови пользователя, включающему этапы, на которых во время повседневной деятельности пользователя носимого устройства облучают биологическую ткань пользователя излучением по меньшей мере двух различных длин волн, детектируют обратно рассеянные PPG-сигналы на упомянутых по меньшей мере двух различных длинах волн в режиме отражения, извлекают признаки детектированных PPG-сигналов, определяют происходящее событие в повседневной деятельности пользователя, при котором происходит изменение значений параметров компонентов крови, идентифицируют по детектированным PPG-сигналам быстро и медленно меняющиеся признаки, характеризующие соответственно быстро и медленно меняющиеся параметры компонентов крови, извлекают из детектированных во время происходящего события PPG-сигналов быстро и медленно меняющиеся признаки, характеризующие соответственно быстро и медленно меняющиеся параметры компонентов крови, и формируют из них набор быстро и медленно меняющихся признаков PPG-сигналов, и определяют уровень гликированного гемоглобина в крови пользователя на основе сравнения сформированного набора признаков и информации из заранее скомпилированной базы данных с помощью прогнозирующей модели.[0070] The proposed invention also relates to a method for determining the level of glycated hemoglobin in the blood of a user, comprising the steps of irradiating the biological tissue of the user with radiation of at least two different wavelengths during the daily activities of the user of the wearable device, detecting backscattered PPG signals at said at least two different wavelengths in reflection mode, extracting features of the detected PPG signals, determining an event occurring in the daily activities of the user during which a change in the values of the parameters of the blood components occurs, identifying rapidly and slowly changing features characterizing the rapidly and slowly changing parameters of the blood components, respectively, from the detected PPG signals, extracting rapidly and slowly changing features characterizing the rapidly and slowly changing parameters of the blood components, respectively, from the PPG signals detected during the occurring event, and forming a set of rapidly and slowly changing features of the PPG signals from them, and determining the level of glycated hemoglobin in the blood of the user based on a comparison of the formed set of features and information from a pre-compiled database using predictive model.
[0071] Согласно варианту осуществления способа, биологическую ткань пользователя облучают излучением различных длин волн в диапазоне видимой (VIS) -ближней инфракрасной (NIR) области спектра.[0071] According to an embodiment of the method, the biological tissue of the user is irradiated with radiation of various wavelengths in the visible (VIS) - near infrared (NIR) range of the spectrum.
[0072] Согласно варианту осуществления способа, биологическую ткань пользователя облучают с помощью по меньшей мере одного источника излучения, содержащего два или более светоизлучающих диода.[0072] According to an embodiment of the method, the biological tissue of the user is irradiated using at least one radiation source containing two or more light-emitting diodes.
[0073] Согласно варианту осуществления способа, обратно рассеянные PPG-сигналы детектируют с помощью по меньшей мере одного приемника излучения, предпочтительно представляющего собой широкополосный фотоприемник.[0073] According to an embodiment of the method, the backscattered PPG signals are detected using at least one radiation detector, preferably a broadband photodetector.
[0074] Согласно варианту осуществления способа, информация базы данных содержит матрицу признаков, включающую в себя наборы признаков, характеризующих быстро и медленно меняющиеся признаки PPG-сигналов, сопоставленные с опорными значениями быстро и медленно меняющихся параметров компонентов крови, определенными лабораторными методами для множества пользователей, и данные профилей множества пользователей, при этом наборы признаков сформированы носимым устройством во время происходящих событий в повседневной деятельности пользователей и триггерных событий, связанных с изменением значений быстро меняющихся параметров компонентов крови.[0074] According to an embodiment of the method, the database information contains a matrix of features including sets of features characterizing rapidly and slowly changing features of PPG signals, compared with reference values of rapidly and slowly changing parameters of blood components, determined by laboratory methods for a plurality of users, and profile data of a plurality of users, wherein the sets of features are generated by the wearable device during events occurring in the daily activities of users and trigger events associated with a change in the values of rapidly changing parameters of blood components.
[0075] Согласно варианту осуществления способа, быстро и медленно меняющиеся признаки PPG-сигналов идентифицируют путем сравнения признаков сигналов во время повседневной деятельности пользователя и происходящего события в повседневной деятельности.[0075] According to an embodiment of the method, fast and slow changing features of PPG signals are identified by comparing the features of the signals during the user's daily activities and an ongoing event in the daily activities.
[0076] Согласно варианту осуществления способа, к компонентам крови с быстро меняющимся параметрами относятся общий гемоглобин, оксигенированный гемоглобин, уровень глюкозы, а к компонентам крови с медленно меняющимся параметрами относится гликированный гемоглобин.[0076] According to an embodiment of the method, the blood components with rapidly changing parameters include total hemoglobin, oxygenated hemoglobin, and glucose level, and the blood components with slowly changing parameters include glycated hemoglobin.
[0077] Согласно варианту осуществления, способ дополнительно включает этапы, на которых преобразуют упомянутые по меньшей мере два PPG-сигнала из временной области в частотную область и описывают преобразованные PPG-сигналы относительно гармоник в частотной области, при этом набор признаков, характеризующих быстро и медленно меняющиеся параметры компонентов крови, включает в себя признаки, определяемые во временной области и в частотной области.[0077] According to an embodiment, the method further includes the steps of converting said at least two PPG signals from the time domain to the frequency domain and describing the converted PPG signals with respect to harmonics in the frequency domain, wherein the set of features characterizing rapidly and slowly changing parameters of blood components includes features determined in the time domain and in the frequency domain.
[0078] Согласно варианту осуществления способа, этап преобразования PPG-сигналов из временной области в частотную область осуществляют путем преобразования Фурье.[0078] According to an embodiment of the method, the step of converting PPG signals from the time domain to the frequency domain is carried out by means of a Fourier transform.
[0079] Согласно варианту осуществления способа, этап описании PPG-сигналов в частотной области осуществляют путем выбора из всех PPG-сигналов наиболее значимого сигнала, характеризуемого наибольшим отношением сигнал/шум или самой высокой амплитудой, и использования его в качестве опорного сигнала, извлечения из опорного сигнала гармоник, определения координаты основной гармоники (f0) и вычисления координат других гармоник (fl…fn), разложения всех PPG-сигналов по упомянутым координатам, измерения для каждой гармоники амплитуды, площади кривой, ширины на половине высоты пика и/или отношения сигнал/шум с получением набора амплитудно-фазовых характеристик (tλ 0) гармоник, представляющих собой признаки, определяемые в частотной области.[0079] According to an embodiment of the method, the step of describing the PPG signals in the frequency domain is carried out by selecting from all the PPG signals the most significant signal, characterized by the highest signal-to-noise ratio or the highest amplitude, and using it as a reference signal, extracting harmonics from the reference signal, determining the coordinate of the fundamental harmonic (f 0 ) and calculating the coordinates of the other harmonics (f l ... f n ), decomposing all the PPG signals according to the said coordinates, measuring for each harmonic the amplitude, the area of the curve, the width at half the peak height and/or the signal-to-noise ratio with the receipt of a set of amplitude-phase characteristics (t λ 0 ) of the harmonics, which represent features determined in the frequency domain.
[0080] Согласно варианту осуществления способа, к признакам, определяемым во временной области, относятся критические точки PPG-сигналов, такие как амплитуда систолического пика, амплитуда диастолического пика, величина дикротической выемки, частота пульса, и дополнительно относятся начальные точки скользящего временного окна PPG-сигналов, такие как длина шага окна, длина окна, длина сегмента.[0080] According to an embodiment of the method, the features determined in the time domain include critical points of the PPG signals, such as the amplitude of the systolic peak, the amplitude of the diastolic peak, the size of the dicrotic notch, the pulse rate, and additionally include the starting points of the sliding time window of the PPG signals, such as the step length of the window, the length of the window, the length of the segment.
[0081] Согласно варианту осуществления способа, этап сравнения осуществляют с использованием численного метода или алгоритма прогнозирования, а прогнозирующую модель предварительно обучают по скомпилированной базе данных с помощью алгоритма машинного обучения или нейронной сети.[0081] According to an embodiment of the method, the comparison step is carried out using a numerical method or a prediction algorithm, and the prediction model is pre-trained using a compiled database using a machine learning algorithm or a neural network.
[0082] Согласно варианту осуществления способа, база данных выполнена с возможностью храниться на запоминающем устройстве, удаленном сервере и/или в облачном хранилище.[0082] According to an embodiment of the method, the database is configured to be stored on a storage device, a remote server and/or in cloud storage.
[0083] Предлагаемое изобретение дополнительно относится к системе для определения уровня гликированного гемоглобина в крови пользователя, содержащая носимое устройство по любому из вышеупомянутых вариантов и удаленный сервер и/или облачное хранилище, при этом система содержит средства обмена информацией между носимым устройством и удаленным сервером и/или облачным хранилищем.[0083] The proposed invention further relates to a system for determining the level of glycated hemoglobin in the blood of a user, comprising a wearable device according to any of the above-mentioned variants and a remote server and/or cloud storage, wherein the system comprises means for exchanging information between the wearable device and the remote server and/or cloud storage.
[0084] Согласно варианту осуществления системы, база данных предназначена для хранения на запоминающем устройстве, удаленном сервере и/или в облачном хранилище и включает в себя данные профиля пользователя и результаты предыдущих определений уровня гликированного гемоглобина, при этом система дополнительно содержит средства для доступа к данным профиля пользователя и результатам предыдущих определений уровня гликированного гемоглобина с внешних устройств через удаленный сервер и/или облачное хранилище.[0084] According to an embodiment of the system, the database is intended for storage on a storage device, a remote server and/or in cloud storage and includes user profile data and results of previous determinations of the glycated hemoglobin level, wherein the system further comprises means for accessing the user profile data and results of previous determinations of the glycated hemoglobin level from external devices via the remote server and/or cloud storage.
[0085] Предлагаемые носимое устройство, способ и система обеспечивают возможность неинвазивного, точного непрерывного контроля уровня гликированного гемоглобина (HbA1c) и подходят для непрофессионального применения.[0085] The proposed wearable device, method and system provide the ability to non-invasively, accurately continuously monitor the level of glycated hemoglobin (HbA1c) and are suitable for non-professional use.
[0086] 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.[0086] Features of the present disclosure and exemplary embodiments of the invention will now be described with reference to the drawings. It will be understood by those skilled in the art 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 applied by those skilled in the art to perform the various operations, functions, method steps, 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.
[0087] Следует отметить, что принципы настоящего изобретения приведены в отношении измерения уровня гликированного гемоглобина. Однако, настоящее изобретение не ограничивается этим и может использоваться для определения других параметров крови пользователя, таких как, например, общий гемоглобин, оксигенированный гемоглобин, путем обучения и использования соответствующей прогнозирующей модели. Входными данными для прогнозирующей модели являются характеристики молекулярного строения крови (см. таблицу 1), которые включают в себя по меньшей мере набор спектрально-временных признаков (vλ1 tl, vλ2 tl, …, vλn tl, … vλ1 tk, … vλn tk) сигналов и набор спектрально-частотных признаков (а λ1 ƒ0, а λ2 ƒ0, а λn ƒ0, … а λn ƒk) сигналов.[0087] It should be noted that the principles of the present invention are given with respect to measuring the level of glycated hemoglobin. However, the present invention is not limited to this and can be used to determine other parameters of the user's blood, such as, for example, total hemoglobin, oxygenated hemoglobin, by training and using an appropriate predictive model. The input data for the predictive model are the characteristics of the molecular structure of the blood (see Table 1), which include at least a set of spectral-temporal features (v λ1 tl , v λ2 tl , ..., v λn tl , ... v λ1 tk , ... v λn tk ) signals and a set of spectral-frequency features ( a λ1 ƒ0 , a λ2 ƒ0 , a λn ƒ0 , ... a λn ƒk ) signals.
[0088] Набор спектрально-временных признаков для каждой из по меньшей мере двух длин волн представляет собой по меньшей мере одно из интенсивности рассеянного излучения, полной мощности сигнала, мощности в заданной полосе частот сигнала, критических точек формы волны сигнала, характеризующих динамику компонентов крови, и комбинации указанных спектрально-временных признаков, абсолютные значения указанных спектрально-временных признаков, относительные значения указанных спектрально-временных признаков, линейные комбинации указанных спектрально-временных признаков на различных длинах волн, нелинейные комбинации указанных спектрально-временных признаков на различных длинах волн.[0088] The set of spectral-temporal features for each of at least two wavelengths represents at least one of the intensity of scattered radiation, the total signal power, the power in a given frequency band of the signal, critical points of the signal waveform characterizing the dynamics of blood components, and combinations of said spectral-temporal features, absolute values of said spectral-temporal features, relative values of said spectral-temporal features, linear combinations of said spectral-temporal features at different wavelengths, nonlinear combinations of said spectral-temporal features at different wavelengths.
[0089] Набор спектрально-частотных признаков включает, например, амплитудно-фазовые характеристики гармоник (амплитуду и полную мощность по меньшей мере двух гармоник, включая величину основной гармоники (ƒ0), 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 (λ). Дополнительные входные данные могут представлять собой данные профиля пользователя, 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), полученные с помощью биоимпедансного (BIA) датчика, и т.п.[0089] The set of spectral-frequency features includes, for example, amplitude-phase characteristics of harmonics (amplitude and total power of at least two harmonics, including the magnitude of the fundamental harmonic (ƒ 0 ), 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 (λ). Additional input data may be user profile data, 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 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), obtained using a bioimpedance (BIA) sensor, etc.
[0090] Амплитудно-фазовые характеристики гармоник представляют собой исходные характеристики, извлекаемые из PPG-сигнала на каждой используемой для измерения длине волны, а именно:[0090] The amplitude-phase characteristics of the harmonics are the original characteristics extracted from the PPG signal at each wavelength used for measurement, namely:
а 0, a 1, а 2, ... a n - полная мощность (например, площадь под кривой) гармоник и/или амплитуды гармоник на соответствующих частотах ƒ0, ƒ1=2ƒ0, ƒ2=3ƒ0, …, где ƒ0 - опорная частота (основная гармоника), соответствующая ЧСС. a 0 , a 1 , a 2 , ... a n - the total power (e.g., the area under the curve) of harmonics and/or the amplitude of harmonics at the corresponding frequencies ƒ 0 , ƒ 1 =2ƒ 0 , ƒ 2 =3ƒ 0 , …, where ƒ 0 is the reference frequency (fundamental harmonic) corresponding to the heart rate.
Кроме того, для определения уровня гликированного гемоглобина могут использоваться различные производные характеристики вышеуказанных признаков.In addition, various derivative characteristics of the above-mentioned features can be used to determine the level of glycated hemoglobin.
[0091] Знание вышеуказанных наборов спектрально-временных и спектрально-частотных признаков, определяемых по PPG-сигналам во временной и частотной областях, а также наличие заранее скомпилированной базы данных, в которой наборы признаков, объединенные в матрицы, сопоставлены с конкретными компонентами крови (значениями параметров компонентов крови, в частности, уровня гликированного гемоглобина), измеренными лабораторными методами, обеспечивает возможность точного определения уровня гликированного гемоглобина с учетом влияния других компонентов крови. При этом в базе данных сопоставление конкретных значений параметров компонентов крови с матрицей признаков выполнено в виде функциональных зависимостей и значения входящих в них коэффициентов определяется в процессе калибровки по меньшей мере одним из регрессионных методов, включая линейную регрессию, логистическую регрессию, методов последовательных приближений, дифференциальных методов, включая градиентные методы, такие как градиентный спуск, стохастический градиентный спуск, и модификаций указанных методов, на основании значений параметров компонентов крови, заранее измеренных для множества субъектов.[0091] Knowledge of the above-mentioned sets of spectral-temporal and spectral-frequency features determined by PPG signals in the time and frequency domains, as well as the presence of a pre-compiled database in which the sets of features combined into matrices are compared with specific blood components (values of blood component parameters, in particular, the level of glycated hemoglobin), measured by laboratory methods, provides the ability to accurately determine the level of glycated hemoglobin taking into account the influence of other blood components. In this case, in the database, the comparison of specific values of blood component parameters with the matrix of features is performed in the form of functional dependencies and the values of the coefficients included in them are determined in the calibration process by at least one of the regression methods, including linear regression, logistic regression, successive approximation methods, differential methods, including gradient methods such as gradient descent, stochastic gradient descent, and modifications of the said methods, based on the values of the blood component parameters measured in advance for a plurality of subjects.
[0092] В таблице 1 ниже показан пример совокупности входных данных, используемых для определения уровня гликированного гемоглобина согласно настоящему изобретению, и источник их определения. Указанная совокупность входных данных приведена в качестве примера и не ограничивается этим.[0092] Table 1 below shows an example of a set of input data used to determine the level of glycated hemoglobin according to the present invention and the source of their determination. This set of input data is provided as an example and is not limited to this.
[0093] Далее со ссылками на чертежи будут обсуждены особенности определения уровней гликированного гемоглобина.[0093] The specifics of determining glycated hemoglobin levels will be discussed below with reference to the drawings.
[0094] Со ссылкой на фиг. 1А и 1Б схематически проиллюстрировано носимое устройство 201 с функцией определения гликированного гемоглобина.[0094] Referring to Fig. 1A and 1B, a wearable device 201 with a function for determining glycated hemoglobin is schematically illustrated.
[0095] На фиг. 1А схематично проиллюстрирована блок-схема предпочтительного варианта осуществления носимого устройства 201, содержащего корпус 202, процессор (например, микропроцессор) 203, батарею 204, по меньшей мере один PPG-датчик 208, модуль 209 ввода, модуль 210 вывода, модуль 211 отображения, включающий в себя дисплей, запоминающее устройство (ЗУ) 212, включающее в себя энергозависимое ЗУ и энергонезависимое ЗУ, модуль 213 связи, включающий в себя модуль 223 беспроводной связи и модуль 224 проводной связи, и модуль 218 датчиков. Модуль 209 ввода и модуль 210 вывода могут быть выполнены в виде единого модуля ввода и вывода. Модуль 218 датчиков носимого устройства 201 может содержать такие датчики, как биоимпедансный (BIA) датчик, инерционные датчики перемещения, гироскопические датчики, акселерометры (датчики ускорения), датчик измерения электрокардиограммы (ЭКГ), датчик атмосферного давления, датчик влажности, датчик температуры 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 гликированного 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, наушники и т.п., или сервером 227 и с возможностью передачи данных через сеть 228 или облачное хранилище 229. В некоторых вариантах осуществления из электронного устройства 201 может быть исключен по меньшей мере один из компонентов, или в электронное устройство 201 может быть добавлен один или более других компонентов.[0095] Fig. 1A schematically illustrates a block diagram of a preferred embodiment of a wearable device 201 comprising a housing 202, a processor (e.g., a microprocessor) 203, a battery 204, at least one PPG sensor 208, an input module 209, an output module 210, a display module 211 including a display, a memory (SRAM) 212 including a volatile SRAM and a non-volatile SRAM, a communication module 213 including a wireless communication module 223 and a wired communication module 224, and a sensor module 218. The input module 209 and the output module 210 may be implemented as a single input and output module. The sensor module 218 of the wearable device 201 may comprise sensors such as a bioimpedance (BIA) sensor, inertial displacement sensors, gyroscopic sensors, accelerometers (acceleration sensors), an electrocardiogram (ECG) measurement sensor, an atmospheric pressure sensor, a humidity sensor, a temperature sensor, etc. In embodiments, the wearable device 201 may be a smart device, in particular, a smart watch or a fitness bracelet, a medical wearable device for monitoring health status with a function for determining glycated hemoglobin, etc. The wearable device is an electronic wearable device and may be configured 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, headphones, etc., or a server 227 and with the ability to transmit data via a network 228 or cloud storage 229. In some embodiments, at least one of the components may be excluded from the electronic device 201, or one or more other components may be added to the electronic device 201.
[0096] Процессор 203 может исполнять программное обеспечение для управления по меньшей мере одним другим компонентом (например, модулем 218 датчиков) электронного устройства 201 и может выполнять различные обработки или вычисления данных. В качестве по меньшей мере части обработки или вычисления данных процессор 203 может загружать команду или данные, полученные от другого компонента (например, модуля 218 датчиков или модуля 213 связи), в энергозависимое ЗУ, обрабатывать команду или данные, хранящиеся в энергозависимом ЗУ, и сохранять полученные в результате данные в энергонезависимом ЗУ. Процессор 203 может включать в себя главный процессор (например, центральный процессор (CPU), процессор приложений (АР)), вспомогательный процессор и т.п., причем вспомогательный процессор может работать независимо от главного процессора или совместно с ним. Вспомогательный процессор может быть реализован отдельно от или как часть главного процессора.[0096] The processor 203 may execute software for controlling at least one other component (e.g., the sensor module 218) of the electronic device 201 and may perform various data processing or calculations. As at least part of the data processing or calculation, the processor 203 may load a command or data received from the other component (e.g., the sensor module 218 or the communication module 213) into a volatile memory, process the command or data stored in the volatile memory, and store the resulting data in a non-volatile memory. The processor 203 may include a main processor (e.g., a central processing unit (CPU), an application processor (AP)), an auxiliary processor, and the like, where the auxiliary processor may operate independently of the main processor or in conjunction with it. The auxiliary processor may be implemented separately from or as part of the main processor.
[0097] Процессор 203 носимого устройства 201 выполнен с возможностью передавать информацию о значениях параметров компонентов крови пользователя, определенную на основании показаний датчиков 208, на устройство 210 вывода для информирования пользователя.[0097] The processor 203 of the wearable device 201 is configured to transmit information about the values of the parameters of the components of the user's blood, determined based on the readings of the sensors 208, to the output device 210 to inform the user.
[0098] 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).[0098] The processor 203 is configured to download data received via the communication module 213 to the memory device 212 and/or download data from the memory device 212 to the communication module 213 for transmitting them to an external device (for example, devices 225, 226, server 227 or cloud storage 229).
[0099] Согласно варианту осуществления, главный процессор или вспомогательный процессор (например, устройство обработки данных в нейронной сети) может включать в себя аппаратную структуру, предназначенную для обработки модели искусственного интеллекта. Модель искусственного интеллекта может создаваться с помощью машинного обучения. Такое обучение может выполняться, например, в самом электронном устройстве 201, на котором выполняется модель искусственного интеллекта, или может выполняться через отдельный сервер (например, сервер 227). Алгоритмы обучения могут включать в себя, например, контролируемое обучение, неконтролируемое обучение, частично контролируемое обучение или обучение с подкреплением, но не ограничиваются этим. Модель искусственного интеллекта может включать в себя множество слоев искусственной нейронной сети. Искусственная нейронная сеть может быть любой из глубокой нейронной сети (DNN), сверточной нейронной сети (CNN), рекуррентной нейронной сети (RNN), ограниченной машины Больцмана (RBM), глубокой сети доверия (DBN), двунаправленной рекуррентной DNN (BRDNN), глубокой Q-сети или комбинации двух или более из вышеупомянутых сетей, но не ограничивается вышеупомянутыми примерами. В дополнение к аппаратной структуре модель искусственного интеллекта может дополнительно или альтернативно включать в себя программную структуру.[0099] According to an embodiment, the main processor or auxiliary processor (e.g., a data processing device in a neural network) may include a hardware structure designed to process an artificial intelligence model. The artificial intelligence model may be created using machine learning. Such training may be performed, for example, in the electronic device 201 itself, on which the artificial intelligence model is executed, or may be performed through a separate server (e.g., server 227). Learning algorithms may include, for example, supervised learning, unsupervised learning, semi-supervised learning, or reinforcement learning, but are not limited to this. The artificial intelligence model may include multiple layers of an artificial neural network. The artificial neural network may be any of a deep neural network (DNN), a convolutional neural network (CNN), a recurrent neural network (RNN), a restricted Boltzmann machine (RBM), a deep belief network (DBN), a bidirectional recurrent DNN (BRDNN), a deep Q-network, or a combination of two or more of the above networks, but is not limited to the above examples. In addition to the hardware structure, the artificial intelligence model may additionally or alternatively include a software structure.
[0100] В запоминающем устройстве 212 могут храниться различные данные, используемые по меньшей мере одним компонентом (например, процессором 203 или модулем 218 датчиков) электронного устройства 201. Различные данные могут включать в себя, например, программное обеспечение (например, программу) и входные данные или выходные данные для связанной с ними командой. Программа может храниться в запоминающем устройстве 212 как программное обеспечение и может включать в себя, например, операционную систему (OS), промежуточное программное обеспечение и/или приложения.[0100] The memory device 212 may store various data used by at least one component (e.g., the processor 203 or the sensor module 218) of the electronic device 201. The various data may include, for example, software (e.g., a program) and input data or output data for an associated command. The program may be stored in the memory device 212 as software and may include, for example, an operating system (OS), middleware, and/or applications.
[0101] Носимое устройство 201 с PPG-датчиком 208 способно детектировать в режиме отражения излучение, обратно рассеянное и/или обратно отраженное от биологических тканей пользователя, включая кожу, кости, кровь, кровеносные сосуды. Обнаружение и измерение обратно рассеянного и/или обратно отраженного излучения осуществляют с помощью по меньшей мере одного фото детектора, представляющего собой по меньшей мере один из фотодиода, фоторезистора, фототранзистора, прибора с зарядовой связью (ПЗС), или устройство на базе комплементарной структуры металл-оксид-полупроводник (КМОП), или иной светочувствительный элемент, и преобразователя фототок-напряжение.[0101] The wearable device 201 with the PPG sensor 208 is capable of detecting, in the reflection mode, radiation backscattered and/or backreflected from the biological tissues of the user, including skin, bones, blood, blood vessels. Detection and measurement of the backscattered and/or backreflected radiation is performed using at least one photodetector, which is at least one of a photodiode, a photoresistor, a phototransistor, a charge-coupled device (CCD), or a device based on a complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) structure, or another light-sensitive element, and a photocurrent-voltage converter.
[0102] В предпочтительном варианте осуществления фотодетектор представляет собой широкополосный фотоприемник, выполненный с возможностью детектирования и усиления по меньшей мере одного отклика обратно рассеянного и/или обратно отраженного излучения от динамических компонентов крови и статичных компонентов ткани, представляющего собой сигнал от каждого из по меньшей мере двух источников излучения.[0102] In a preferred embodiment, the photodetector is a broadband photodetector configured to detect and amplify at least one response of backscattered and/or backreflected radiation from dynamic blood components and static tissue components, representing a signal from each of at least two radiation sources.
[0103] 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 влиять на точность измерений вследствие артефактов 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 АС-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 SpO2 for Health Monitoring, Biomedical Engineering Letters (2019) 9, cc. 21-36 (https://doi.org/10.1007/sl3534-019-00097-w).[0103] In wearable devices with a PPG sensor, a reflective mode is used to conveniently place the device, for example, on the user's arm. When worn on the arm or other part of the user's body, the PPG sensor is in contact with the skin. However, a PPG sensor that takes measurements in the reflective mode can be affected by motion artifacts and pressure fluctuations. Any movement, such as physical activity, can affect the accuracy of measurements due to motion artifacts that distort the PPG signal and limit the accuracy of measuring physiological parameters. Pressure fluctuations acting on 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 the reflective mode, the amplitude of the AC component of the PPG signal can be affected by the pressure exerted on the skin. More detailed information on such influences on PPG signal measurement is provided in the article by Toshiyo Tamura, Current Progress of Photoplethysmography and SpO 2 for Health Monitoring, Biomedical Engineering Letters (2019) 9, pp. 21–36 (https://doi.org/10.1007/sl3534-019-00097-w).
[0104] 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 устранения высокочастотного шума, а также микропроцессор. Используемый диапазон частот зависит от конструкции схемы. PPG-датчик может иметь беспроводной модуль для передачи данных на внешнее устройство.[0104] The electrical circuit of the PPG sensor may include an amplifier, a high-pass filter (about 0.1 Hz) to cut off the constant component and obtain 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 design of the circuit. The PPG sensor may have a wireless module for transmitting data to an external device.
[0105] BIA-датчик (модуль биоимпедансных измерений) может включать в себя биоконтактную схему (цепь контакта с телом пользователя), содержащую 4 электрода, модуль измерения импеданса, содержащий модуль измерения тока-напряжения, модуль конфигурирования цепи тока-напряжения, модуль расчета импеданса, по меньшей мере один модуль компенсации токов утечки и, необязательно, микропроцессор.[0105] A BIA sensor (bioimpedance measurement module) may include a biocontact circuit (a circuit for contact with the user's body) containing 4 electrodes, an impedance measurement module containing a current-voltage measurement module, a current-voltage circuit configuration module, an impedance calculation module, at least one leakage current compensation module, and, optionally, a microprocessor.
[0106] В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, проиллюстрированном на фиг. 1Б, носимое устройство 201 выполнено в виде умных часов, которые предназначены для размещения на запястье пользователя. В других вариантах осуществления настоящего изобретения носимое устройство может быть выполнено размещаемым на других частях тела пользователя, например, на пальце руки.[0106] In a preferred embodiment of the present invention, illustrated in Fig. 1B, the wearable device 201 is made in the form of a smart watch, which is intended to be placed on the user's wrist. In other embodiments of the present invention, the wearable device can be made to be placed on other parts of the user's body, for example, on a finger.
[0107] На фиг. 1Б схематично 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, в качестве примера показано, что носимое устройство 201 может иметь 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.[0107] Fig. 1B schematically illustrates a 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 back surface) 215 and a side surface 216 surrounding the space between the first side 214 and the second side 215, and fastening elements 217 intended for detachably fastening the wearable device 201 to the wrist, for example, using a watch strap. In addition, as an example, it is shown that the wearable device 201 can have 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.
[0108] Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, процессор 203 выполнен с возможностью получения упомянутых по меньшей мере двух PPG-сигналов от упомянутого по меньшей мере одного PPG-датчика 208, сохранения их на запоминающем устройстве 212 и загрузки их из запоминающего устройства 212 для выполнения операций обработки.[0108] According to an embodiment of the present invention, the processor 203 is configured to receive said at least two PPG signals from said at least one PPG sensor 208, store them in the memory device 212 and load them from the memory device 212 to perform processing operations.
[0109] Процессор 203 выполнен с возможностью фильтрования упомянутых по меньшей мере двух PPG-сигналов различных длин волн от артефактов движения, разделения упомянутых по меньшей мере двух PPG-сигналов различных длин волн на АС- и DC-составляющие временных рядов и преобразования этих временных рядов (сигнала во временной области) в частотную область с последующим извлечением набора признаков PPG-сигналов во временной и частотной областях, характеризующих быстро и медленно меняющиеся параметры компонентов крови, причем в частотной области в качестве таких признаков выделяют амплитудно-фазовые характеристики гармоник. При этом преобразование упомянутых временных рядов в частотную область может содержать преобразование Фурье или преобразование Гильберта-Хуанга.[0109] The processor 203 is configured to filter said at least two PPG signals of different wavelengths from motion artifacts, separate said at least two PPG signals of different wavelengths into AC and DC components of time series and transform these time series (signal in the time domain) into the frequency domain with subsequent extraction of a set of features of the PPG signals in the time and frequency domains characterizing rapidly and slowly changing parameters of the blood components, wherein in the frequency domain, the amplitude-phase characteristics of the harmonics are distinguished as such features. In this case, the transformation of said time series into the frequency domain may comprise the Fourier transform or the Hilbert-Huang transform.
[0110] Батарея 204 выполнена с возможностью подавать питание на по меньшей мере один компонент носимого устройства 201. Батарея может представлять собой первичный элемент или вторичный (аккумуляторный) элемент и может быть встроенной в носимое устройство или заменяемой.[0110] The battery 204 is configured to supply power to at least one component of the wearable device 201. The battery may be a primary cell or a secondary (rechargeable) cell and may be built into the wearable device or replaceable.
[0111] Со ссылкой на фиг. 1Б 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.[0111] With reference to Fig. 1B, it is illustrated that said 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. Several PPG sensors may be provided in the wearable device 201.
[0112] 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. 1Б, 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 обеспечивать регистрацию по меньшей мере двух PPG-сигналов с различными длинами волн. В варианте осуществления настоящего изобретения, показанном на фиг.1Б, 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 обеспечивать детектирование по меньшей мере двух PPG-сигналов различных длин волн. В варианте осуществления настоящего изобретения источник 236 излучения может содержать с вето излучающий диод (светодиод). Между источниками и/или приемниками излучения могут быть предусмотрены фотобарьеры для уменьшения шумов и исключения перекрестных помех.[0112] 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. 1B, the at least one PPG sensor 208 is located on the side of the back 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 comprise two PPG sensors 208, each of which comprises one radiation source 236 and one radiation receiver 237, wherein the radiation sources 236 of these two PPG sensors emit light of different wavelengths. In this embodiment of the present invention, the two PPG sensors 208 are capable of providing registration of at least two PPG signals with different wavelengths. In the embodiment of the present invention shown in Fig. 1B, the wearable device 201 comprises one PPG sensor 208 comprising two radiation sources 236 and two radiation receivers 237, wherein these radiation sources 236 emit light of different wavelengths. In this embodiment of the present invention, one PPG sensor 208 is capable of providing detection of at least two PPG signals of different wavelengths. In the embodiment of the present invention, the radiation source 236 may comprise a veto-emitting diode (LED). Photo barriers may be provided between the radiation sources and/or receivers to reduce noise and eliminate crosstalk.
[0113] 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 могут быть предусмотрены голосовые ввод и вывод данных.[0113] The input device 209 is configured to receive data that can be used by another component (for example, the processor 203) of the wearable device 201, entered from the outside (for example, by a user of the wearable device 201). In one embodiment of the present invention, the input device 209 can be configured to enter a user profile. The processor 203 of the wearable device 201 can receive the user profile from the input device 209, store the user profile in the memory device 212, read it from the memory device 212 and use it if necessary. Also, voice input and output of data can be provided in the wearable device 201.
[0114] Данные профиля пользователя могут включать пол, возраст, рост, вес пользователя, данные значений параметров компонентов крови за предшествующие периоды. Устройство 210 вывода может быть выполнено с возможностью вывода информации пользователю на первой стороне 214 носимого устройства 201. Устройство 210 вывода может включать в себя дисплей 211, который может быть выполнен с возможностью отображения выводимой информации и расположен на первой стороне 214 носимого устройства 201. Дополнительно, дисплей 211 может быть выполнен с возможностью использования экранной клавиатуры для ввода данных, таких как, например, профиль пользователя.[0114] The user profile data may include the user's gender, age, height, weight, and data on the values of blood component parameters for previous periods. The output device 210 may be configured to output information to the user on the first side 214 of the wearable device 201. The output device 210 may include a display 211 that may be configured to display the output information and is 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, for example, a user profile.
[0115] Запоминающее устройство 212 в предпочтительном варианте осуществления может быть выполнено с возможностью хранения:[0115] The memory device 212 in a preferred embodiment may be configured to store:
базы данных с наборами признаков PPG-сигналов, характеризующих быстро и медленно меняющиеся параметры компонентов крови, сопоставленными с различными параметрами крови, измеренными лабораторными методами;databases with sets of PPG signal features characterizing rapidly and slowly changing parameters of blood components, compared with various blood parameters measured by laboratory methods;
данных профиля пользователя;user profile data;
наборов измерительных данных, содержащих наборы признаков, характеризующие быстро и медленно меняющиеся параметры компонентов крови, и включающих:sets of measurement data containing sets of features characterizing rapidly and slowly changing parameters of blood components, and including:
признаки по меньшей мере двух PPG-сигналов с различными длинами волн во временной области:features of at least two PPG signals with different wavelengths in the time domain:
признаки упомянутых по меньшей мере двух PPG-сигналов в частотной области, включая величину первой гармоники (f0) и величины амплитудно-фазовых характеристик (tλ 0) других гармоник;features of the mentioned at least two PPG signals in the frequency domain, including the magnitude of the first harmonic (f 0 ) and the magnitudes of the amplitude-phase characteristics (t λ 0 ) of other harmonics;
даты и времена сбора каждого набора измерительных данных;dates and times of collection of each set of measurement data;
значения гликированного гемоглобина, определенные для каждого набора измерительных данных, и т.д.glycated hemoglobin values determined for each set of measurement data, etc.
[0116] 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.[0116] Also, the memory device 212 can store various additional data, for example, taken from additional sensors of the wearable device 201. In addition, the memory device 212 can store various instructions that, when executed on the processor 203, cause the processor 203 to control the components of the wearable device 201 associated with the processor 203 and to perform various data processing or calculations.
[0117] Вышеуказанные данные, которые может хранить запоминающее устройство 212, также могут храниться на удаленном сервере и/или в облачном хранилище. 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 более процессоров 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, удаленным сервером или облачным хранилищем 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).[0117] The above-mentioned data that can be stored by the memory device 212 can also be stored on a remote server and/or in a cloud storage. A communication module 213 can be used to transmit data from or to the wearable device. According to an embodiment, the communication module 213 can include a wireless communication module 223 (for example, a cellular communication module, a short-range wireless communication module, or a global navigation satellite system (GNSS) communication module) or a wired communication module 224 (for example, a local area network (LAN) communication module or a power line communication module). Thus, the communication module 213 can support establishing a wireless communication channel between the wearable device 201 and an external device (for example, device 225, device 226, server 227, or cloud storage 228) and performing communication via the established communication channel. The communication module 213 may include one or more communication processors that operate independently of the processor 203 and support direct (e.g., wired) communication or wireless communication. A corresponding one of these communication modules may communicate with an external electronic device, a remote server or cloud storage via a first network 228 (e.g., a short-range communication network such as Bluetooth™, wireless communication (Wi-Fi) or data transmission via the infrared data acquisition standard (IrDA)) or a second network 229 (e.g., a long-range communication network such as a cellular network, the Internet or a computer network such as a local area network or a wide area network (WAN)). These different types of communication modules may be implemented as a single component (e.g., a single chip) or may be multi-component (e.g., a plurality of chips).
[0118] На фиг. 2А и Б проиллюстрированы спектры поглощения общего гемоглобина (tHb), оксигенированного гемоглобина (HbO2) и гликированного гемоглобина (HbA1c), а более конкретно, показаны зависимости молярного коэффициента поглощения (затухания) от длины волны излучения. При этом на фиг. 2А проиллюстрированы теоретически рассчитанные молярные коэффициенты поглощения tHb и HbO2, а на фиг.2Б - теоретически рассчитанные и полученные на практике молярные коэффициенты поглощения HbA1c при разных уровнях.[0118] Fig. 2A and B illustrate the absorption spectra of total hemoglobin (tHb), oxygenated hemoglobin (HbO 2 ) and glycated hemoglobin (HbA1c), and more specifically, the dependences of the molar absorption coefficient (attenuation) on the radiation wavelength are shown. In this case, Fig. 2A illustrates the theoretically calculated molar absorption coefficients of tHb and HbO 2 , and Fig. 2B illustrates the theoretically calculated and practically obtained molar absorption coefficients of HbA1c at different levels.
[0119] Графики приведены согласно публикациям Hossain S., Satter S., Kwon T.-H., Kim K.-D., Optical Measurement of Molar Absorption Coefficient of HbA1c: Comparison of Theoretical and Experimental Results (Оптическое измерение молярного коэффициента поглощения HbA1c: сравнение теоретических и экспериментальных результатов), Sensors 2022, 22, 8179, https://doi.org/10.3390/s22218179 /1/ и Hossain S., Kwon Т.-Н., Kim K.-D., Estimation of molar absorption coefficients of HbA1c in near UV-Vis-SW NIR light spectrum (Оценка молярного коэффициента поглощения HbA1c в ближней УФ-видимой-коротковолновой ближней ИК области спектра), JKICS 2021, 46, 1030-1039 121. Поскольку диабет - серьезная группа заболеваний, которая может вызвать множество сложных проблем, включая внезапную смертность, необходим надежный инструмент диагностики диабета, например, проведение анализов на гликированный гемоглобин. Для того, чтобы оптически оценить количество HbA1c, присутствующего в эритроцитах, необходимо знать молярный коэффициент поглощения HbA1c. В указанных публикациях рассчитан молярный коэффициент поглощения HbA1c на основе спектра пропускания гликированного гемоглобина, растворенного в воде, и откалиброваны значения диапазона с молярными коэффициентами поглощения гликированного гемоглобина при 535 нм (зеленый свет) и 593 нм (желтый свет). Молярный коэффициент поглощения в /1/ оценивали в диапазоне от 300 до 1100 нм и получили характерный пик HbA1c при 411 нм и еще два пика при 540 нм и 576 нм (см. фиг. 2А).[0119] The graphs are given according to the publications Hossain S., Satter S., Kwon T.-H., Kim K.-D., Optical Measurement of Molar Absorption Coefficient of HbA1c: Comparison of Theoretical and Experimental Results, Sensors 2022, 22, 8179, https://doi.org/10.3390/s22218179 /1/ and Hossain S., Kwon T.-H., Kim K.-D., Estimation of molar absorption coefficients of HbA1c in near UV-Vis-SW NIR light spectrum, JKICS 2021, 46, 1030-1039 121. Since diabetes is a serious group of diseases that can cause many complex problems including sudden death, a reliable diagnostic tool for diabetes, such as glycated hemoglobin testing, is needed. In order to optically estimate the amount of HbA1c present in red blood cells, it is necessary to know the molar absorption coefficient of HbA1c. In the referenced publications, the molar absorption coefficient of HbA1c was calculated based on the transmission spectrum of glycated hemoglobin dissolved in water, and the range values were calibrated with the molar absorption coefficients of glycated hemoglobin at 535 nm (green light) and 593 nm (yellow light). The molar absorption coefficient in /1/ was evaluated in the range from 300 to 1100 nm and a characteristic peak of HbA1c was obtained at 411 nm and two more peaks at 540 nm and 576 nm (see Fig. 2A).
[0120] Ниже показана таблица 2, в которой приведены молярные коэффициенты поглощения HbA1c, полученные согласно публикациям /1/ и /2/.[0120] Table 2 below shows the molar absorption coefficients of HbA1c obtained according to publications /1/ and /2/.
Характерные и вторичные пики, описанные в публикациях /1/, /2/ и /3/, подтверждены другими исследованиями, и рассчитанный молярный коэффициент поглощения в диапазоне от ближнего УФ до коротковолнового ближнего ИК-излучения способствует обеспечению возможности неинвазивной оценки HbA1c.The characteristic and secondary peaks described in publications /1/, /2/ and /3/ are confirmed by other studies, and the calculated molar absorption coefficient in the range from near UV to shortwave near IR radiation helps to ensure the possibility of non-invasive assessment of HbA1c.
[0121] Из фиг. 2А хорошо видно, что в диапазоне 500-600 нм молярные коэффициенты поглощения оксигемоглобина (HbO2) и общего гемоглобина (tHb) очень похожи. Из фиг. 2Б хорошо видно, что полосы поглощения видимого света - ближнего ИК-излучения (VIS-NIR) для HbO2 и гликированного гемоглобина (HbA1c) совпадают (см. пики при 545 нм и 579 нм для уровня 1, при 544 нм и 577 нм для уровня 2). Следовательно, имеется сильное взаимовлияние спектров поглощения оксигенированного и гликированного гемоглобина. Поэтому необходимы отдельные идентификаторы для HbO2 и HbA1c, они должны измеряться параллельно и развязываться во время обработки, а алгоритм оценки уровня гликированного гемоглобина должен иметь многовыходное прогнозирование, учитывающее гликированный гемоглобин, а также по меньшей мере оксигенированный гемоглобин и общий гемоглобин.[0121] It is clearly seen from Fig. 2A that in the range of 500-600 nm, the molar absorption coefficients of oxyhemoglobin (HbO 2 ) and total hemoglobin (tHb) are very similar. It is clearly seen from Fig. 2B that the visible light - near infrared (VIS-NIR) absorption bands of HbO 2 and glycated hemoglobin (HbA1c) coincide (see peaks at 545 nm and 579 nm for level 1, at 544 nm and 577 nm for level 2). Therefore, there is a strong mutual influence of the absorption spectra of oxygenated and glycated hemoglobin. Therefore, separate identifiers are needed for HbO2 and HbA1c, they must be measured in parallel and decoupled during processing, and the glycated hemoglobin estimation algorithm must have multi-output prediction that takes into account glycated hemoglobin as well as at least oxygenated hemoglobin and total hemoglobin.
[0122] На фиг. 3А проиллюстрирован состав крови и представлены примеры некоторых основных компонентов крови (рисунок взят из статьи, размещенной по Интернет-адресу https://www.cellgs.com/blog/what-is-in-blood-and-where-is-it-made.html). Внешний вид крови в пробирке после добавления антикоагулянта и центрифугирования показан в левой части фиг. 3А. Плазма желтоватого цвета находится поверх эритроцитов и отделена от эритроцитов слоем лейкоцитов, известным как лейкоцитарная пленка. Показанные компоненты расположены грубо в порядке размера, изменяющегося в диапазоне от клеток до небольших молекул, включая воду. На фиг. 3Б схематично проиллюстрированы графики изменения концентрации так называемых компонентов крови с быстро меняющимися параметрами (например, HbO2, глюкоза) и компонентов крови с медленно меняющимися параметрами (например, HbA1c). Из графиков видно, что заметное изменение концентрации первых происходит в течение минут, а последних - в течение недель. Следовательно, для обнаружения гликированного гемоглобина необходимо отделить признаки пульсовых сигналов, характеризующих быстро и медленно меняющиеся параметры компоненты крови. Отделение признаков пульсовых сигналов, характеризующих HbA1c, от признаков, характеризующих другие компоненты крови, с помощью фотоплетизмографического (PPG) устройства, работающего в диапазоне VIS-NIR, возможно только путем анализа реакции характеристик (признаков) PPG-сигналов на триггерные события.[0122] Figure 3A illustrates the composition of blood and provides examples of some of the major components of blood (figure taken from the article available at https://www.cellgs.com/blog/what-is-in-blood-and-where-is-it-made.html). The appearance of blood in a test tube after addition of an anticoagulant and centrifugation is shown in the left part of Figure 3A. The yellowish plasma is located on top of the red blood cells and is separated from the red blood cells by a layer of white blood cells known as the buffy coat. The components shown are arranged roughly in order of size, ranging from cells to small molecules including water. Figure 3B schematically illustrates graphs of changes in the concentration of the so-called fast-changing blood components (e.g., HbO 2 , glucose) and slowly changing blood components (e.g., HbA1c). The graphs show that a noticeable change in the concentration of the former occurs within minutes, and the latter within weeks. Therefore, to detect glycated hemoglobin, it is necessary to separate the features of pulse signals characterizing rapidly and slowly changing parameters of the blood component. Separation of the features of pulse signals characterizing HbA1c from those characterizing other blood components using a photoplethysmographic (PPG) device operating in the VIS-NIR range is possible only by analyzing the response of the characteristics (features) of PPG signals to trigger events.
[0123] Триггерное событие - это событие в повседневной деятельности человека, при котором изменяются некоторые параметры крови, например, уровень оксигенированного гемоглобина, уровень глюкозы, общий гемоглобин и т.д. Триггерные события могут быть намеренно создаваемыми и естественными. К намеренно создаваемым триггерным событиям можно отнести окклюзионный тест, задержку дыхания или очень тугую временную фиксацию ремешка носимого устройства на части тела пользователя. Окклюзионный тест представляет собой вид функциональной нагрузки, заключающейся в кратковременной блокировке артериального, и/или венозного кровотока в сосудах конечности с одновременным наблюдением их состояния до, во время и после окклюзии. Например, окклюзионный тест с манжетой на плече приводит к нарушению микроциркуляции крови, т.е. отсутствию микроциркуляции и увеличению частоты сердечных сокращений. К происходящим событиям в повседневной деятельности или так называемым естественным триггерным событиям можно отнести физическую активность, прием пищи, перемещение пользователя из помещения на свежий воздух, нахождение на большой высоте, сон и т.п.[0123] A trigger event is an event in a person's daily activities that changes some blood parameters, such as the level of oxygenated hemoglobin, glucose level, total hemoglobin, etc. Trigger events can be intentionally created or natural. Intentionally created trigger events include an occlusion test, holding your breath, or very tight temporary fixation of a strap of a wearable device on a part of the user's body. An occlusion test is a type of functional load that consists of a short-term blockade of arterial and/or venous blood flow in the vessels of a limb with simultaneous observation of their condition before, during, and after occlusion. For example, an occlusion test with a cuff on the arm leads to a disruption of blood microcirculation, i.e., the absence of microcirculation and an increase in heart rate. Events occurring in everyday activities or so-called natural trigger events can include physical activity, eating, moving the user from a room to fresh air, being at a high altitude, sleeping, etc.
[0124] На фиг. 4 проиллюстрирована схема эксперимента с намеренной задержкой дыхания. Этот эксперимент описан в публикации Michael Chan, Venu G. Ganti, J. Alex Heller, Calvin A. Abdallah, Mozziyar Etemadi and Omer T. Inan, Enabling Continuous Wearable Reflectance Pulse Oximetry at the Sternum (Обеспечение непрерывной отражательной пульсоксиметрии в носимом устройстве на грудине), Biosensors 2021, 11, 521, сс.1-19, https://doi.org/10.3390/bios11120521/4/, при этом исследовали задержку дыхания, проводимую с целью вызвать гипоксемию и существенные изменения SpO2. Одновременно с задержкой дыхания контролировали оксигенацию крови (датчик на указательном пальце правой руки), снимали PPG-сигналы, электрокардиограмму (ЭКГ) и сейсмокардиограмму (СКГ). Оксигенация крови или степень насыщения крови кислородом представляет собой процентное содержание оксигемоглобина в крови, то есть отношение количества оксигемоглобина к общему количеству гемоглобина. Оксигенация, равная 95-100%, является нормальной, но может варьироваться, если у человека есть заболевания легких. Оксигенация менее 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, прием сильных обезболивающих.[0124] Figure 4 illustrates the design of the intentional breath-hold experiment. This experiment is described in Michael Chan, Venu G. Ganti, J. Alex Heller, Calvin A. Abdallah, Mozziyar Etemadi and Omer T. Inan, Enabling Continuous Wearable Reflectance Pulse Oximetry at the Sternum, Biosensors 2021, 11, 521, pp. 1-19, https://doi.org/10.3390/bios11120521/4/, and investigated breath-holding to induce hypoxemia and significant changes in SpO 2 . While holding the breath, blood oxygenation was monitored (sensor on the index finger of the right hand), PPG signals, electrocardiogram (ECG) and seismocardiogram (SCG) were recorded. Blood oxygenation or the degree of blood oxygen saturation is the percentage of oxyhemoglobin in the blood, that is, the ratio of the amount of oxyhemoglobin to the total amount of hemoglobin. Oxygenation of 95-100% is normal, but may vary if a person has lung disease. Oxygenation of less than 90% is considered low and is called hypoxemia, in which case the body requires oxygen supplementation. The causes of low blood oxygen saturation are anemia, sleep apnea, smoking, lung diseases (asthma, pulmonary emphysema, etc.), viral infections (COVID-19, etc.), air quality, reduced heart capacity, taking strong painkillers.
[0125] В тесте с задержкой дыхания испытуемые выполняли 10 задержек дыхания на конце выдоха, сидя в вертикальном положении, с минутным перерывом между задержками дыхания. Было обнаружено, что одной минуты достаточно для того, чтобы SpO2 вернулся к исходному уровню. После сбора данных отмечались важные события оксигенации/дезоксигенации. На фиг. 4 проиллюстрирован пациент, проходящий тест на задержку дыхания. Изображены места размещения биосенсора носимого пластыря и основных датчиков Biopac для получения электрофизиологических показателей. Относительный размер биосенсора показан вместе с готовым электродом для ЭКГ и монетой, фотодиод (ФД) имеет площадь 4,5 мм2. ФД1 находится слева, а ФД2 - справа от субъекта. Параллельно биосенсор на носимом пластыре также прикрепляли к середине грудины субъекта и собирали ЭКГ по единственному выводу, а также использовали два набора многоволновых PPG-датчиков со светодиодами длин волн красного, ИК- и зеленого света, то есть 660 нм, 950 нм и 526 нм соответственно.[0125] In the breath-hold test, subjects performed 10 end-expiratory breath holds while sitting upright, with a one-minute rest between breath holds. One minute was found to be sufficient for SpO 2 to return to baseline. Important oxygenation/deoxygenation events were noted after data collection. Figure 4 illustrates a patient undergoing a breath-hold test. The locations of the wearable patch biosensor and the main Biopac sensors for obtaining electrophysiological data are shown. The relative size of the biosensor is shown with a pre-made ECG electrode and a coin, the photodiode (PD) has an area of 4.5 mm 2 . PD1 is on the left and PD2 is on the right of the subject. In parallel, a biosensor on a wearable patch was also attached to the middle of the subject's sternum and ECG was collected from a single lead, and two sets of multi-wavelength PPG sensors with LEDs of red, IR and green light wavelengths, i.e. 660 nm, 950 nm and 526 nm respectively, were used.
[0126] На фиг. 5, взятой из публикации /4/, проиллюстрированы отфильтрованные высококачественные физиологические сигналы, полученные во время задержки дыхания и при обычном дыхании. Как отмечено выше, анализировали следующую информацию: данные о дыхательном потоке, оксигенацию крови (SpO2), электрокардиограмму (ЭКГ), сейсмокардиограмму (СКГ), PPG-сигналы на разных длинах волн.[0126] Fig. 5, taken from publication /4/, illustrates filtered high-quality physiological signals obtained during breath holding and normal breathing. As noted above, the following information was analyzed: respiratory flow data, blood oxygenation (SpO 2 ), electrocardiogram (ECG), seismocardiogram (SCG), PPG signals at different wavelengths.
[0127] Следует отметить также, что события оксигенации/дезоксигенации не происходят одновременно в разных участках тела, и, например, уровень SpO2, измеряемый на пальце, обычно отстает от уровня SpO2, измеряемого на центральных участках тела. Эту задержку можно частично объяснить эффектом сохранения кислорода, вызванным задержкой дыхания. Подобно реакции на ныряние, задержка дыхания также приводит к брадикардии и периферической вазоконстрикции, что снижает потребление кислорода на периферии и перераспределяет поток крови к жизненно важным органам, таким как мозг и сердце. Комбинированный эффект приводит к задержке измерения дезоксигенации с помощью пальцевого пульсоксиметра по сравнению с пульсоксиметром, расположенным ближе к сердцу или мозгу. Именно поэтому при задержке дыхания уровень SpO2 падает не сразу, а на первом этапе после задержки возможен небольшой рост.Далее при задержке дыхания уровень насыщения крови кислородом определенное время не меняется. Концом этой фазы следует считать изменение насыщения на 1% («фаза устойчивости оксигенации»). Считается, что продолжительность этой фазы отражает интенсивность протекания окислительных процессов. Затем начинается гипоксемическая фаза, длящаяся с момента снижения на 1% до конца задержки дыхания, т.е. до первого вдоха, и характеризуемая прогрессивным снижением насыщения крови кислородом. Продолжительность этой фазы и глубина падения насыщения HbO2 характеризует устойчивость организма нарастающему снижению кислорода и повышению углекислого газа в крови. Отметим, что после начала вдоха насыщение крови кислородом не только не повышается, но даже некоторое время снижается. Это связано с тем, что после вдоха артериальная кровь не сразу достигает фотометрируемого участка, а только через несколько секунд, что соответствует скорости кровотока (см. график изменения Sp02 по фиг. 5).[0127] It should also be noted that oxygenation/deoxygenation events do not occur simultaneously at different sites in the body, and, for example, SpO 2 measured at a fingertip typically lags behind SpO 2 measured at central sites. This delay can be explained in part by the oxygen conservation effect of breath holding. Like the diving response, breath holding also results in bradycardia and peripheral vasoconstriction, which reduces peripheral oxygen consumption and redistributes blood flow to vital organs such as the brain and heart. The combined effect results in a delay in measuring deoxygenation with a fingertip pulse oximeter compared to a pulse oximeter located closer to the heart or brain. This is why SpO 2 does not immediately fall during a breath hold, but may initially rise slightly after the breath hold. Further, during the breath hold, the blood oxygen saturation level remains unchanged for a certain period of time. The end of this phase should be considered a change in saturation by 1% ("oxygenation stability phase"). It is believed that the duration of this phase reflects the intensity of the oxidative processes. Then the hypoxemic phase begins, lasting from the moment of a decrease by 1% until the end of breath holding, i.e. until the first inhalation, and characterized by a progressive decrease in blood oxygen saturation. The duration of this phase and the depth of the decrease in HbO 2 saturation characterize the body's resistance to an increasing decrease in oxygen and an increase in carbon dioxide in the blood. Note that after the start of inhalation, blood oxygen saturation not only does not increase, but even decreases for some time. This is due to the fact that after inhalation, arterial blood does not immediately reach the photometric area, but only after a few seconds, which corresponds to the blood flow velocity (see the graph of Sp0 2 changes in Fig. 5).
[0128] Из дыхательного потока (верхний сигнал на фиг. 5) легко различить сегменты обычного дыхания (колеблющаяся часть, сегменты справа и слева) и задержки дыхания (ровная часть, сегмент в центре). На основе фактического Sp02 (второй сигнал сверху в левой части фиг. 5) для каждого события дезоксигенации были записаны три отдельные временные метки: начало, самый низкий уровень и конец. Начало дезоксигенации определяется как точка, в которой SpO2 начинает резко падать (скорость снижения SpO2 превышает 0,5%/сердечный цикл в течение 3 последовательных сердечных циклов). Самый низкий уровень дезоксигенации определяется как самый низкий SpO2 в период дезоксигенации. Конец дезоксигенации определяется как точка, в которой SpO2 возвращается к исходному уровню. Обычно самый низкий уровень и конец дезоксигенации можно легко определить.[0128] From the respiratory flow (upper waveform in Fig. 5), the segments of normal breathing (oscillating part, segments on the right and left) and breath-holding (flat part, segment in the center) are easily distinguished. Based on the actual SpO 2 (second waveform from the top on the left side of Fig. 5), three separate time stamps were recorded for each deoxygenation event: the onset, the nadir, and the end. The onset of deoxygenation is defined as the point at which SpO 2 begins to fall sharply (the rate of decrease in SpO 2 exceeds 0.5%/cardiac cycle for 3 consecutive cardiac cycles). The nadir of deoxygenation is defined as the lowest SpO 2 during the deoxygenation period. The end of deoxygenation is defined as the point at which SpO 2 returns to the baseline level. In general, the nadir and the end of deoxygenation can be easily determined.
[0129] Приведенный пример теста с задержкой дыхания подтверждает возможность контролируемого воздействия на параметры крови, например, уровень SpO2. Одновременно с изменением параметров крови изменяются признаки сигналов, характеризующих параметры крови, в частности, в указанной публикации исследовано изменение PPG-сигналов при задержке дыхания.[0129] The given example of a breath-holding test confirms the possibility of a controlled effect on blood parameters, for example, the SpO 2 level. Simultaneously with the change in blood parameters, the signs of signals characterizing blood parameters change, in particular, the change in PPG signals during breath-holding was studied in the indicated publication.
[0130] Фиг. 6А, 6Б представлены для подтверждения возможности практической реализации носимого устройства для определения раздельных уровней HbO2 и HbA1c.[0130] Fig. 6A, 6B are presented to confirm the possibility of practical implementation of a wearable device for determining separate levels of HbO 2 and HbA1c.
[0131] На верхнем графике фиг. 6А схематично проиллюстрированы основные принципы проведения окклюзионного теста. Окклюзию при полном давлении как правило проводят в течение 60 секунд, затем давление снимают. На нижем графике фиг. 6А проиллюстрирован пример протокола тестирования с использованием сигнала, характеризующего уровень оксигенированного гемоглобина. Шкала оси Y представлена в единицах оптической плотности. С помощью звездочек * показаны примерные моменты времени, когда рассчитывали величину пульса в состоянии покоя, сразу после ишемии и во время реактивной гиперемии. Приведены данные из публикации А.А. Sann, K.K. McCully, Interpretation of Near-Infrared Spectroscopy (NIRS) Signals in Skeletal Muscle (Интерпретация сигналов ближней инфракрасной спектроскопии (NIRS) в скелетных мышцах), J. Funct. Morphol. Kinesiol. 2019, 4(2), 28, 2019.[0131] The top graph of Fig. 6A schematically illustrates the basic principles of performing an occlusion test. Occlusion at full pressure is typically maintained for 60 seconds, then the pressure is released. The bottom graph of Fig. 6A illustrates an example of a testing protocol using a signal characterizing the level of oxygenated hemoglobin. The y-axis scale is presented in optical density units. The asterisks * indicate the approximate times when the pulse value was calculated at rest, immediately after ischemia, and during reactive hyperemia. Data are given from the publication A. A. Sann, K. K. McCully, Interpretation of Near-Infrared Spectroscopy (NIRS) Signals in Skeletal Muscle, J. Funct. Morphol. Kinesiol. 2019, 4(2), 28, 2019.
[0132] На фиг. 6Б проиллюстрированы графики изменения (а) концентрации оксигенированного гемоглобина, (b) концентрации дезоксигенированного гемоглобина, (с) концентрации общего гемоглобина и (d) насыщения крови кислородом в зависимости от времени для типичного субъекта в соответствии с протоколом окклюзии и реактивной гиперемии предплечья. Данные взяты из публикации X. Chen, W. Lin, С. Wang, S. Chen, J. Sheng, B. Zeng, M Xu, In vivo real-time imaging of cutaneous hemoglobin concentration, oxygen saturation, scattering properties, melanin content, and epidermal thickness with visible spatially modulated light (Визуализация in vivo в режиме реального времени в отношении кожи концентрации гемоглобина, насыщения кислородом, рассеивающих свойств, содержания меланина и толщины эпидермиса с помощью видимого пространственно-модулированного света), Biomed Opt Express, 8, 8(12):5468-5482, 2017.[0132] Fig. 6B illustrates graphs of changes in (a) oxygenated hemoglobin concentration, (b) deoxygenated hemoglobin concentration, (c) total hemoglobin concentration, and (d) blood oxygen saturation as a function of time for a typical subject under a forearm occlusion and reactive hyperemia protocol. Data taken from X. Chen, W. Lin, C. Wang, S. Chen, J. Sheng, B. Zeng, M Xu, In vivo real-time imaging of cutaneous hemoglobin concentration, oxygen saturation, scattering properties, melanin content, and epidermal thickness with visible spatially modulated light, Biomed Opt Express, 8, 8(12):5468–5482, 2017.
Показанные графики по фиг. 6Б подтверждают, что такие параметры крови, как оксигенированный гемоглобин, дезоксигенированный гемоглобин, общий гемоглобин и насыщение крови кислородом значительно изменяются в период окклюзии, а значит, могут подвергаться контролируемому изменению таким же образом, как при задержке дыхания.The graphs shown in Fig. 6B confirm that blood parameters such as oxygenated hemoglobin, deoxygenated hemoglobin, total hemoglobin, and blood oxygen saturation change significantly during the occlusion period and therefore can be subject to controlled change in the same manner as during breath holding.
[0133] Далее будут раскрыты ключевые особенности заявленного изобретения.[0133] The key features of the claimed invention will be disclosed below.
[0134] На фиг. 7 проиллюстрирована первая ключевая особенность (KOI), состоящая в детектировании признаков PPG-сигналов, характеризующих быстро и медленно меняющиеся параметры компонентов крови. С помощью носимого устройства, оснащенного по меньшей мере одним PPG-датчиком, выполненным с возможностью облучения биологических тканей пользователя, включая кожу, кости, кровь, кровеносные сосуды, излучением по меньшей мере двух различных длин волн и детектирования по меньшей мере двух PPG-сигналов на упомянутых по меньшей мере двух различных длинах волн в режиме отражения, детектируют PPG-сигналы. Затем извлекают характерные признаки детектированных PPG-сигналов и определяют изменения признаков формы волны PPG-сигналов, характеризующих быстро и медленно меняющиеся параметры компонентов крови. Как было отмечено выше, медленно меняющиеся параметры компонентов крови - это параметры компонентов, заметное изменение уровня которых происходит в течение нескольких недель, и к ним относится, например, уровень гликированного гемоглобина. В то же время быстро меняющиеся параметры компонентов крови - это параметры компонентов, характеризуемые изменением их уровня в течение от нескольких секунд до нескольких минут, и к ним относятся, например, уровень глюкозы, уровень оксигенированного гемоглобина или оксигенация крови. Определение изменения признаков PPG-сигналов возможно благодаря непрерывному детектированию сигналов носимым устройством во время повседневной деятельности пользователя и происходящих событий, которые вызывают изменения быстро меняющихся параметров компонентов крови.[0134] Fig. 7 illustrates a first key feature (KOI) consisting in detecting features of PPG signals characterizing rapidly and slowly changing parameters of blood components. Using a wearable device equipped with at least one PPG sensor configured to irradiate biological tissues of the user, including skin, bones, blood, blood vessels, with radiation of at least two different wavelengths and detect at least two PPG signals at said at least two different wavelengths in a reflection mode, the PPG signals are detected. Then, characteristic features of the detected PPG signals are extracted and changes in the features of the waveform of the PPG signals characterizing rapidly and slowly changing parameters of the blood components are determined. As noted above, slowly changing parameters of the blood components are parameters of components whose level noticeably changes over several weeks, and these include, for example, the level of glycated hemoglobin. At the same time, rapidly changing parameters of blood components are the parameters of components characterized by a change in their level within a few seconds to several minutes, and include, for example, the glucose level, the oxygenated hemoglobin level or the oxygenation of the blood. The determination of the change in the signs of PPG signals is possible due to the continuous detection of signals by the wearable device during the user's daily activities and the events that occur that cause changes in the rapidly changing parameters of blood components.
[0135] На фиг. 8 проиллюстрированы вторая и третья ключевые особенности (КО2 и КО3), состоящие соответственно в компилировании базы данных на основе триггерных событий и оценке уровня гликированного гемоглобина на основе информации из базы данных с учетом влияния других компонентов крови. Компилирование базы данных включает сбор матрицы из наборов быстро и медленно меняющихся признаков формы волны PPG-сигналов, сопоставленных со значениями быстро и медленно меняющихся параметров компонентов крови. Для неинвазивной оценки уровня медленно меняющего параметра компонента крови, такого как гликированный гемоглобин, используют информацию из скомпилированной базы данных и наборы спектрально-временных и спектрально-частотных признаков PPG-сигналов, полученные с помощью носимого устройства по настоящему изобретению. Оценку уровня гликированного гемоглобина осуществляют с помощью прогнозирующей модели. При этом медленно меняющийся параметр компонента крови, такого как гликированный гемоглобин характеризуется одним набором признаков {zDC 0, zDC l…zDC n}, а быстро меняющийся параметр компонента крови, такого как оксигенированный гемоглобин характеризуется другим набором признаков {zAC 0, zAC l…zAC n}. Таким образом, изобретение обеспечивает раздельный учет быстро и медленно меняющихся параметров компонентов крови, а значит, оценка уровня гликированного гемоглобина проводится носимым устройством с учетом влияния других компонентов крови, например, как в данном случае, оксигенированного гемоглобина.[0135] Fig. 8 illustrates the second and third key features (KO2 and KO3), which consist, respectively, of compiling a database based on trigger events and estimating the level of glycated hemoglobin based on information from the database, taking into account the influence of other blood components. Compiling the database includes collecting a matrix of sets of rapidly and slowly changing features of the waveform of PPG signals, correlated with the values of rapidly and slowly changing parameters of blood components. For non-invasively estimating the level of a slowly changing parameter of a blood component, such as glycated hemoglobin, information from the compiled database and sets of spectral-temporal and spectral-frequency features of PPG signals obtained using the wearable device of the present invention are used. The level of glycated hemoglobin is estimated using a predictive model. In this case, a slowly changing parameter of a blood component, such as glycated hemoglobin, is characterized by one set of features {z DC 0 , z DC l …z DC n }, and a rapidly changing parameter of a blood component, such as oxygenated hemoglobin, is characterized by another set of features {z AC 0 , z AC l …z AC n }. Thus, the invention provides for separate accounting of rapidly and slowly changing parameters of blood components, which means that the level of glycated hemoglobin is assessed by a wearable device taking into account the influence of other blood components, for example, as in this case, oxygenated hemoglobin.
[0136] На фиг. 9, 10А, 10Б и 10Б более подробно проиллюстрирован первый этап KO1, состоящий в детектировании параметров PPG-сигналов, характеризующих быстро и медленно меняющиеся параметры компонентов крови.[0136] Fig. 9, 10A, 10B and 10B illustrate in more detail the first stage KO1, which consists of detecting the parameters of PPG signals characterizing the rapidly and slowly changing parameters of blood components.
[0137] Следует отметить, что облучение биологической ткани осуществляют непрерывно, например, в течение суток или более, три часа или более, два часа или более, 1 час или более, 1 минуту или более, но не ограничиваются этим. Соответственно детектирование PPG-сигналов разных длин волн (λn) в диапазоне VIS-NIR области спектра также выполняют непрерывно в режиме отражения с помощью носимого устройства, оснащенного по меньшей мере одним PPG-датчиком. Продолжительность облучения обуславливается необходимостью идентифицировать триггерное событие и зарегистрировать PPG-сигналы во время триггерного события с тем, чтобы разделить быстро и медленно меняющиеся признаки сигналов.[0137] It should be noted that the irradiation of biological tissue is carried out continuously, for example, for a day or more, three hours or more, two hours or more, 1 hour or more, 1 minute or more, but is not limited to this. Accordingly, the detection of PPG signals of different wavelengths (λ n ) in the VIS-NIR spectral region is also carried out continuously in the reflection mode using a wearable device equipped with at least one PPG sensor. The duration of irradiation is determined by the need to identify the trigger event and register PPG signals during the trigger event in order to separate rapidly and slowly changing signal features.
Более конкретно, носимое устройство по изобретению способно обеспечивать излучение нескольких длин волн в диапазоне 400-1100 нм, т.е. в диапазоне VIS-NIR. В частности, измеряют излучение, рассеянное/отраженное от анализируемого объема биологической ткани, на заданных целевых длинах волн, таких как 670 нм и 940 нм. В другом варианте осуществления длина волны излучения, используемого для облучения биологической ткани, находится в диапазоне 495-570 нм (зеленый свет). Однако, настоящее изобретение не ограничивается конкретными указанными значениями длин волн и в вариантах осуществления могут использоваться излучения нескольких длин волн в диапазоне 400-1100 нм. Таким образом, поскольку носимое устройство обеспечивает излучение и детектирование сигналов в непрерывном режиме во время обычной активности пользователя, возможно обеспечить снятие множества наборов сигналов на разных длинах волн в различные периоды времени.More specifically, the wearable device according to the invention is capable of providing radiation of several wavelengths in the range of 400-1100 nm, i.e. in the VIS-NIR range. In particular, the radiation scattered/reflected from the analyzed volume of biological tissue is measured at specified target wavelengths, such as 670 nm and 940 nm. In another embodiment, the wavelength of the radiation used to irradiate the biological tissue is in the range of 495-570 nm (green light). However, the present invention is not limited to the specific wavelengths indicated and in embodiments, radiation of several wavelengths in the range of 400-1100 nm can be used. Thus, since the wearable device provides radiation and detection of signals in a continuous mode during the user's normal activity, it is possible to ensure the removal of a plurality of sets of signals at different wavelengths in different periods of time.
[0138] На первом этапе извлекают признаки детектированных PPG-сигналов, представленных во временной области (временные ряды), получая набор спектрально-временных признаков сигналов. Один из традиционных подходов к обработке PPG-сигнала во временной области состоит в измерении площади под кривой 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. Однако, сигналы могут иметь 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, который обычно используется в носимом устройстве, выполняется с большой ошибкой.[0138] At the first stage, the features of the detected PPG signals presented in the time domain (time series) are extracted, obtaining a set of spectral-temporal features of the signals. One of the traditional approaches to processing the PPG signal in the time domain is to measure the area under the curve of the AC component of the PPG signal, i.e. to determine 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 tissue volume and can be recalculated into absorption in this area according to the Bouguer-Lambert-Beer law. This is the simplest approach to measurements, usually applied in the transmission mode. However, the signals can have approximately the same integral area, but different curve shapes. Since this approach does not take into account the information about the pulse shape, the measurement of optical transmittance and absorption in the reflection mode, which is usually used in a wearable device, is performed with a large error.
[0139] На фиг. 10А схематично проиллюстрирован второй традиционный подход к обработке PPG-сигнала во временной области, состоящий в оценке формы волны PPG-сигнала. На верхнем графике по фиг. 10А показана примерная форма пульсовой волны. Как правило, признаки, извлекаемые во временной области, соответствуют критическим точкам PPG-сигналов. Первый пик пульсовой волны, соответствующий анакротическому периоду пульсовой волны, образуется в период систолы (амплитуда «систолического пика» обозначена как X). Амплитудное значение анакротической фазы носит также название амплитуды пульсовой волны и соответствует 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 (амплитуда «диастолического пика» обозначена как Y). Дикротическая фаза предоставляет информацию о тонусе сосудов. Вершина пульсовой волны соответствует наибольшему объему крови, а ее противолежащая часть - наименьшему объему крови в исследуемом участке биологической ткани. На нисходящем фронте пульсовой волны заметна впадина -дикротическая инцизура, которая соответствует закрытию аортального клапана («дикротическая выемка», обозначена как Z). Кроме того, период повторения импульсов составляет значение (t5-t4). Характер пульсовой волны зависит от эластичности сосудистой стенки, частоты пульса, объема исследуемого участка биологической 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. Пульсовая волна, на которой отчетливо выражены систолический и диастолический пики, а также впадина между ними, характерна для молодых, здоровых людей с сильной сердечно-сосудистой системой. В большинстве случаев указанные особенности пульсовой волны выражены достаточно четко, как проиллюстрировано на фиг. 10А, и такая форма волны характерна для взрослых относительно здоровых людей. Однако, у некоторых пациентов систолический и диастолический пики, а также впадина между ними могут быть трудны для определения или вообще неразличимы, что характерно для пожилых людей со слабой сердечно-сосудистой системой или молодых нездоровых людей. Тем не менее, во всех случаях форма кривой волнового сигнала характеризуется теми же параметрами, имеющими ясный физиологический смысл, как описано выше.[0139] Fig. 10A schematically illustrates a second conventional approach to processing a PPG signal in the time domain, which consists of estimating the waveform of the PPG signal. The upper graph of Fig. 10A shows an exemplary pulse waveform. Typically, the features extracted in the time domain correspond to critical points of the PPG signals. The first peak of the pulse wave, corresponding to the anacrotic period of the pulse wave, is formed during the systole period (the amplitude of the "systolic peak" is designated as X). The amplitude value of the anacrotic phase is also called the pulse wave amplitude and corresponds to the stroke volume of blood during cardiac output, thus providing indirect information on the degree of the 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 the blood volume from the aorta and large trunk vessels and partially corresponds to the diastolic period of the cardiac cycle (the amplitude of the "diastolic peak" is designated as Y). The dicrotic phase provides information on the vascular tone. The peak of the pulse wave corresponds to the largest volume of blood, and its opposite part - to the smallest volume of blood in the examined area of biological tissue. On the descending front of the pulse wave, a depression is noticeable - a dicrotic incisure, which corresponds to the closure of the aortic valve ("dicrotic notch", designated as Z). In addition, the pulse repetition period is ( t5 -t4 ). The nature of the pulse wave depends on the elasticity of the vascular wall, pulse rate, volume of the examined area of biological tissue, the width of the lumen of the vessels, etc. It is believed that the frequency and duration of the pulse wave depend on the characteristics of the heart, and the size and shape of its peaks - on the state of the vascular wall. A pulse wave in which the systolic and diastolic peaks are clearly expressed, as well as a depression between them, is characteristic of young, healthy people with a strong cardiovascular system. In most cases, these features of the pulse wave are quite clearly expressed, as illustrated in Fig. 10A, and such a wave form is characteristic of relatively healthy adults. However, in some patients, the systolic and diastolic peaks, as well as the trough between them, may be difficult to determine or even indistinguishable, which is typical for elderly people with a weak cardiovascular system or young unhealthy people. Nevertheless, in all cases, the shape of the wave signal curve is characterized by the same parameters that have a clear physiological meaning, as described above.
[0140] Таким образом, в качестве примера, признаки детектированных PPG-сигналов, извлекаемые на первом этапе, представляют собой (см. фиг. 10А), но не ограничиваются этим:[0140] Thus, as an example, the features of the detected PPG signals extracted in the first stage are (see Fig. 10A), but are not limited to:
X - амплитуду систолического пика;X - amplitude of the systolic peak;
Y - амплитуду диастолического пика;Y - amplitude of the diastolic peak;
Z - дикротическую выемку;Z - dicrotic notch;
(t5-14) - период пульсового сигнала.(t 5 -1 4 ) - period of the pulse signal.
[0141] Затем детектированные PPG-сигналы преобразуют из временной области в частотную или частотно-временную область. 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 или 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. После преобразования Фурье и представления сигнала в частотной области можно получить его амплитудно-фазовые характеристики гармоник (мгновенный спектр, спектральную плотность и т.д.). Например, преобразование Фурье позволяет преобразовать каждый PPG-импульс в набор амплитуд и фаз, таким образом полученный набор признаков содержит информацию, необходимую для прогнозирующей модели, используемой для определения уровня гликированного гемоглобина. При этом для расчетов набор признаков сигнала удобно описать комплексными числами. Любое из указанных представлений полностью определяет сигнал. 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. Преобразование сигнала в частотную область необходима в том числе для преодоления вышеописанных проблем, которые могут возникать при обработке сигналов во временной области.[0141] The detected PPG signals are then transformed from the time domain to the frequency or time-frequency domain. In general, several representations of the 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 determined, or in the time-frequency domain. The signals can be transformed from the time to the frequency or time-frequency domain using various types of transformations. According to an embodiment of the invention, the tool for representing the detected signal by exponential components 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 time 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., the harmonics. After the Fourier transform and the representation of the signal in the frequency domain, its amplitude-phase characteristics of harmonics (instantaneous spectrum, spectral density, etc.) can be obtained. For example, the Fourier transform allows each PPG pulse to be transformed into a set of amplitudes and phases, so the resulting set of features contains information necessary for the predictive model used to determine the level of glycated hemoglobin. In this case, for calculations, the set of signal features can be conveniently described by complex numbers. Any of the specified representations completely determines the signal. However, the invention is not limited to the use of the Fourier transform and other transforms can be used. For example, the transformation of signals from the time to the frequency domain can also be performed by the Hilbert-Huang transform, and into the time-frequency domain - by the wavelet transform or bilinear time-frequency distribution. The transformation of the signal into the frequency domain is necessary, among other things, to overcome the above-described problems that may arise when processing signals in the time domain.
[0142] Таким образом, на втором этапе извлекают признаки детектированных PPG-сигналов в частотной области, которые представляют собой, например, амплитуды гармоник (см. фиг. 10Б), но не ограничиваются этим;[0142] Thus, in the second stage, the features of the detected PPG signals in the frequency domain are extracted, which are, for example, the amplitudes of the harmonics (see Fig. 10B), but are not limited to this;
I0Red, I0Green, I0IR - интенсивности необработанного оптического сигнала от PPG-датчика на заданной длине волны (красный, зеленый, ПК);I 0Red , I 0Green , I 0IR - intensities of the raw optical signal from the PPG sensor at a given wavelength (red, green, PC);
f0 - амплитуда PPG-сигнала на частоте сердечного ритма (т.е. 1-й пик в PPG-спектре или основная гармоника);f 0 - the amplitude of the PPG signal at the heart rate frequency (i.e. the 1st peak in the PPG spectrum or the fundamental harmonic);
f1 - амплитуда PPG-сигнала при удвоенной частоте пульса (2-й пик в спектре);f 1 - the amplitude of the PPG signal at double the pulse frequency (2nd peak in the spectrum);
f2 - амплитуда PPG-сигнала при утроенной частоте сердечных сокращений (3-ий пик в спектре).f 2 - the amplitude of the PPG signal at a triple heart rate (3rd peak in the spectrum).
[0143] Наконец, поскольку, как отмечалось ранее, детектирование сигнала осуществляют в непрерывном режиме, на третьем этапе можно извлекать начальные точки скользящего окна во временной области, как показано на фиг. 10В, которые представляют собой следующие признаки детектированных PPG-сигналов:[0143] Finally, since, as noted earlier, the signal detection is performed in a continuous mode, in the third stage it is possible to extract the starting points of the sliding window in the time domain, as shown in Fig. 10B, which represent the following features of the detected PPG signals:
S1 - длина шага окна;S 1 - window step length;
W1 - длина окна;W 1 - window length;
K1 - длина сегмента;K 1 - segment length;
Sn - длина шага окна;S n - window step length;
Wn - длина окна;W n - window length;
kn - длина сегмента.k n - segment length.
В частности, метод скользящего временного окна позволяет определять частоту пульса и обнаруживать изменения, в том числе аномалии пульсовой волны. Например, в публикации S. М. Isuru Niroshana, Satoshi Kuroda, Kazuyuki Tanaka, Wenxi Chen, Beat-wise segmentation of electrocardiogram using adaptive windowing and deep neural network (Сегментация электрокардиограммы по ритмам с использованием адаптивного окна и глубокой нейронной сети), Scientific Reports, 2023, 13:11039, https://doi.org/10.1038/s41598-023-37773-у /5/ описаны методы своевременного обнаружения аномалий и автоматической интерпретации электрокардиограммы (ЭКГ). Сегментация по ритмам является одним из важных шагов в обеспечении надежности и точности многих автоматических методов классификации ЭКГ. В указанной публикации раскрыт надежный метод сегментации ритмов ЭКГ с использованием модели сверточной нейронной сети (CNN) с алгоритмом адаптивного (скользящего) окна. Предлагаемый алгоритм адаптивного окна может распознавать события сердечного цикла и выполнять сегментацию, включая регулярные и нерегулярные сокращения, по сигналу ЭКГ с достаточно точными границами. За последние десятилетия были предложены и реализованы различные методы автоматической компьютерной классификации ЭКГ. Обычно осуществляют три этапа: (i) предварительная обработка, (ii) сегментация сердцебиений, (iii) классификация по сердечным ритмам. Автоматическое обнаружение и сегментация ритма ЭКГ с помощью R-пика (критического события при обнаружении одного сердечного ритма) является одним из важных этапов во многих алгоритмах на основе ЭКГ, включая диагностику сердца, анализ вариабельности сердечного ритма и аутентификацию на основе ЭКГ. Принципы, изложенные в публикации /5/, применимы к обработке PPG-сигналов по настоящему изобретению. Таким образом, за счет разбиения непрерывных циклов PPG-сигналов по сегментам с использованием скользящего окна возможно извлечение из сигналов начальных точек адаптивного окна, как показано на фиг. 10В, в разные периоды времени, т.е. на разных участках пульсового сигнала, а значит, возможно определение начала триггерного события.In particular, the sliding time window method makes it possible to determine the pulse rate and detect changes, including pulse wave anomalies. For example, in the publication of S. M. Isuru Niroshana, Satoshi Kuroda, Kazuyuki Tanaka, Wenxi Chen, Beat-wise segmentation of electrocardiogram using adaptive windowing and deep neural network, Scientific Reports, 2023, 13:11039, https://doi.org/10.1038/s41598-023-37773-у /5/, methods for timely detection of anomalies and automatic interpretation of the electrocardiogram (ECG) are described. Rhythm segmentation is one of the important steps in ensuring the reliability and accuracy of many automatic ECG classification methods. The publication discloses a robust method for ECG rhythm segmentation using a convolutional neural network (CNN) model with an adaptive (sliding) window algorithm. The proposed adaptive window algorithm can recognize cardiac cycle events and perform segmentation, including regular and irregular beats, from an ECG signal with sufficiently accurate boundaries. Over the past decades, various methods for automatic computer classification of ECG have been proposed and implemented. Typically, three stages are performed: (i) pre-processing, (ii) heartbeat segmentation, (iii) classification by heart rhythms. Automatic detection and segmentation of ECG rhythm using R-peak (a critical event in detecting one heart rhythm) is one of the important stages in many ECG-based algorithms, including cardiac diagnosis, heart rate variability analysis, and ECG-based authentication. The principles set forth in publication /5/ are applicable to the processing of PPG signals according to the present invention. Thus, by dividing continuous cycles of PPG signals into segments using a sliding window, it is possible to extract from the signals the starting points of the adaptive window, as shown in Fig. 10B, in different periods of time, i.e., in different sections of the pulse signal, and therefore it is possible to determine the beginning of the trigger event.
Длительность скользящего временного окна может подстраиваться в процессе работы, если, например, признаки, соответствующие медленно меняющимся параметрам компонентов, изменяются слишком медленно, или признаки, соответствующие быстро меняющимся параметрам компонентов, изменяется слишком быстро. В общем случае фотоплетизмографический сигнал поступает непрерывно, и скользящее временное окно движется вдоль этого сигнала, определяя наличие происходящих событий (триггерных событий) на каждом из участков, в течение которых можно разделить быстро и медленно меняющиеся признаки, соответствующие быстро и медленно меняющимся параметрам компонентов крови. Таким образом, можно отследить, как меняются признаки, соответствующие изменениям уровня гликированного гемоглобина, при переходе от одного временного окна (участка PPG-сигнала) к другому.The duration of the sliding time window can be adjusted during operation if, for example, the features corresponding to slowly changing component parameters change too slowly, or the features corresponding to rapidly changing component parameters change too quickly. In general, the photoplethysmographic signal is received continuously, and the sliding time window moves along this signal, determining the presence of events (trigger events) in each of the sections during which it is possible to separate the rapidly and slowly changing features corresponding to rapidly and slowly changing parameters of blood components. In this way, it is possible to track how the features corresponding to changes in the glycated hemoglobin level change when moving from one time window (PPG signal section) to another.
[0144] После извлечения признаков детектированных PPG-сигналов осуществляют второй этап КО1, состоящий в извлечении изменений признаков формы волны PPG-сигналов, характеризующих быстро и медленно меняющиеся параметры компонентов крови.[0144] After extracting the features of the detected PPG signals, the second stage of KO1 is carried out, which consists of extracting changes in the features of the waveform of the PPG signals, characterizing the rapidly and slowly changing parameters of the blood components.
[0145] Как отмечалось ранее, быстрое изменение признаков формы волны PPG-сигналов характеризует быстро меняющиеся параметры компонентов крови, например, когда уровни или концентрации компонентов крови изменяются в течение от менее минуты до нескольких минут, в то время как медленное изменение признаков формы волны PPG-сигналов характеризует медленно меняющиеся параметры компонентов крови, когда уровни или концентрации компонентов крови изменяются в течение нескольких суток или недель.[0145] As noted previously, rapid changes in PPG waveform features characterize rapidly changing blood component parameters, such as when blood component levels or concentrations change over periods of less than a minute to several minutes, while slow changes in PPG waveform features characterize slowly changing blood component parameters, such as when blood component levels or concentrations change over periods of several days or weeks.
[0146] На фиг. 11 проиллюстрирован график, схематично показывающий изменение уровней медленно меняющихся признаков (f^(t)) PPG-сигнала и быстро меняющихся признаков (f*(t)) PPG-сигнала при непрерывном контроле PPG-сигналов, в частности, зависимость амплитуды сигналов от времени.[0146] Fig. 11 illustrates a graph schematically showing the change in the levels of slowly changing features (f^(t)) of the PPG signal and rapidly changing features (f*(t)) of the PPG signal during continuous monitoring of the PPG signals, in particular, the dependence of the signal amplitude on time.
[0147] Для обработки сигналов и получения результатов применяют модель машинного обучения (ML-модель) и обучают прогнозирующую модель. Входными данными для предварительно обученной ML-модели являются необработанные PPG-сигналы на различных длинах волн (λn) [х, у, t5, z, f0Red, f0Green, f0IR]. Выходными данными являются быстро и медленно изменяющиеся признаки формы волны PPG-сигналов, характеризующие быстро и медленно меняющиеся параметры компонентов крови {zAC 0, zAC l…zAC n}.[0147] To process the signals and obtain the results, a machine learning model (ML model) is used and a predictive model is trained. The input data for the pre-trained ML model are raw PPG signals at different wavelengths (λ n ) [x, y, t 5 , z, f 0Red , f 0Green , f 0IR ]. The output data are fast and slowly changing features of the PPG signal waveform, characterizing the fast and slowly changing parameters of the blood components {z AC 0 , z AC l …z AC n }.
Настоящее изобретение обеспечивает извлечение признаков PPG-сигналов, соответствующих быстро и медленно меняющимся параметрам компонентов крови. При этом эффект состоит в получении уникальных наборов быстро и медленно меняющихся признаков формы волны PPG-сигналов, характеризующих быстро и медленно меняющиеся параметры компонентов крови.The present invention provides for the extraction of PPG signal features corresponding to rapidly and slowly changing parameters of blood components. The effect consists in obtaining unique sets of rapidly and slowly changing waveform features of PPG signals characterizing rapidly and slowly changing parameters of blood components.
[0148] На фиг. 12 схематично проиллюстрирована вторая ключевая особенность настоящего раскрытия, состоящая в сборе набора данных на основе триггерных событий. Ссылочная база данных формируется за счет данных, обеспечиваемых носимым устройством с PPG-датчиками, опорных данных, обеспечиваемых с помощью лабораторных исследований крови, данных о триггерных событиях, в том числе происходящих событиях в повседневной деятельности пользователей, а также метаданных. К естественным триггерным событиям или происходящим событиям в повседневной деятельности можно отнести физическую активность, сон, прием пищи, переход из помещения на улицу, нахождение на большой высоте (например, выше 2000 метров) и т.п. К намеренным триггерным событиям можно отнести окклюзионный тест, задержку дыхания, очень тугую фиксацию ремешка носимого устройства. Намеренные триггерные события используют, как правило, для калибровки носимого устройства, например, при его первом использовании, поскольку они обеспечивают управляемые изменения PPG-сигналов и компонентов крови. К метаданным можно отнести, пол, возраст, рост, вес пользователя носимого устройства и т.п.[0148] Fig. 12 schematically illustrates a second key feature of the present disclosure, consisting in collecting a data set based on trigger events. The reference database is formed by data provided by a wearable device with PPG sensors, reference data provided by laboratory blood tests, data on trigger events, including events occurring in the daily activities of users, and metadata. Natural trigger events or events occurring in daily activities can include physical activity, sleep, eating, moving from indoors to outdoors, being at a high altitude (e.g., above 2000 meters), etc. Intentional trigger events can include an occlusion test, holding your breath, fixing the strap of the wearable device very tightly. Intentional trigger events are typically used to calibrate the wearable device, for example, during its first use, since they provide controlled changes in PPG signals and blood components. Metadata may include gender, age, height, weight of the wearable device user, etc.
[0149] Во время компилирования ссылочной базы данных осуществляют сбор данных со множества пользователей носимого устройства во время естественных и намеренных триггерных событий. При этом для каждого пользователя лабораторным методом проводят исследование крови, забор которой осуществлен во время триггерного события, а также собирают и обрабатывают PPG-сигналы с получением признаков PPG-сигналов для каждой длины волны λm в ответ на происходящие события, а также собирают и обрабатывают PPG-сигналы с получением признаков PPG-сигналов для каждой длины волн λm в ответ на намеренные триггерные события, после чего полученные признаки PPG-сигналов сопоставляют с уровнями или концентрациями быстро и медленно меняющихся параметров компонентов крови, измеренными при исследовании крови.[0149] During compilation of the reference database, data is collected from a plurality of wearable device users during natural and intentional trigger events. In this case, for each user, a laboratory test is performed on blood, which is taken during the trigger event, and PPG signals are collected and processed to obtain PPG signal features for each wavelength λ m in response to the events that occur, and PPG signals are collected and processed to obtain PPG signal features for each wavelength λ m in response to intentional trigger events, after which the obtained PPG signal features are compared with the levels or concentrations of rapidly and slowly changing parameters of blood components measured during the blood test.
Таким образом, в итоге получают ссылочную базу данных, в которой наборы признаков PPG-сигналов сопоставлены с уровнями или концентрациями быстро и медленно меняющихся параметров компонентов крови при различных событиях в повседневной деятельности множества пользователей носимого устройства.The end result is a reference database in which sets of PPG signal features are matched with levels or concentrations of rapidly and slowly changing blood component parameters during various events in the daily activities of multiple wearable device users.
[0150] На фиг. 13 проиллюстрирована третья ключевая особенность настоящего изобретения, состоящая в оценке уровня гликированного гемоглобина с учетом влияния других компонентов крови. На данном этапе выполняют построение прогнозирующей модели для точной оценки уровня гликированного гемоглобина как компонента крови с медленно меняющимся параметром с использованием носимого устройства. Для этого используют скомпилированную базу данных, в которой быстро и медленно меняющиеся признаки формы волны PPG-сигналов сопоставлены с концентрациями быстро и медленно меняющихся параметров компонентов крови. При этом наборы медленно меняющихся признаков PPG-сигналов соответствуют конкретным значениям медленно меняющихся параметров компонентов крови, например, HbA1c, измеренными лабораторным методом, в то время как наборы быстро меняющихся признаков PPG-сигналов соответствуют конкретным значениям быстро меняющихся параметров компонентов крови, например, HbO2, измеренным лабораторным методом. По базе данных выявляют функциональные зависимости между наборами данных и значениями параметров компонентов крови, и значения входящих в них коэффициентов определяют в процессе калибровки методами машинного обучения, после чего выполняют построение и обучение прогнозирующей модели.[0150] Fig. 13 illustrates the third key feature of the present invention, which consists in estimating the level of glycated hemoglobin taking into account the influence of other blood components. At this stage, a predictive model is constructed for accurately estimating the level of glycated hemoglobin as a blood component with a slowly changing parameter using a wearable device. For this purpose, a compiled database is used in which rapidly and slowly changing features of the PPG signal waveform are compared with concentrations of rapidly and slowly changing parameters of blood components. In this case, sets of slowly changing features of the PPG signals correspond to specific values of slowly changing parameters of blood components, for example, HbA1c, measured by a laboratory method, while sets of rapidly changing features of the PPG signals correspond to specific values of rapidly changing parameters of blood components, for example, HbO 2 , measured by a laboratory method. The database is used to identify functional dependencies between data sets and the values of blood component parameters, and the values of the coefficients included in them are determined in the calibration process using machine learning methods, after which a predictive model is constructed and trained.
[0151] Следовательно, согласно настоящему изобретению, за счет разделения быстро и медленно меняющихся признаков PPG-сигналов можно обеспечить разделение, например, уровня гликированного гемоглобина от уровня оксигенированного гемоглобина. При этом применяют модель машинного обучения (ML-модель), входными данными для которой являются быстро и медленно меняющиеся признаки формы волны PPG-сигналов, характеризующие быстро и медленно меняющиеся параметры компонентов крови, а выходные данные представляют собой уровни гликированного гемоглобина.[0151] According to the present invention, by separating the fast and slow changing features of the PPG signals, it is possible to separate, for example, the level of glycated hemoglobin from the level of oxygenated hemoglobin. In this case, a machine learning model (ML model) is used, the input data for which are the fast and slow changing features of the waveform of the PPG signals, characterizing the fast and slow changing parameters of the blood components, and the output data are the levels of glycated hemoglobin.
[0152] На фиг. 14 проиллюстрированы особенности определения происходящих событий в повседневной деятельности пользователя носимого устройства по настоящему изобретению. Повседневная деятельность или обычная жизнь пользователя носимого устройства как и любого человека состоит из периодов сна, отдыха, приема пищи, чтения, занятий спортом и т.п., то есть время от времени происходят какие-то физиологические события. Как раскрыто выше, практически при любом происходящем событии в повседневной деятельности человека происходят изменения значений некоторых параметров компонентов крови, например, после приема пищи повышается уровень глюкозы, при интенсивных физических нагрузках уровень глюкозы, наоборот, падает и резко уменьшается оксигенация крови. Оксигенация крови также снижается во время сна. Таким образом, в периоды активности происходит изменение уровней быстро меняющихся параметров компонентов крови, в то время как уровень гликированного гемоглобина практически не изменяется. Поскольку носимое устройство обеспечивает непрерывный контроль PPG-сигналов при обычной жизни пользователя, оно способно зарегистрировать момент начала периода активности или триггерного события, при котором будет изменяться быстро меняющийся параметр компонента крови, и обеспечить снятие PPG-сигналов именно в этот период времени, чтобы выполнить автоматическую оценку уровня гликированного гемоглобина с учетом влияния других компонентов крови.[0152] Fig. 14 illustrates the features of determining the events occurring in the daily activities of the user of the wearable device according to the present invention. The daily activities or ordinary life of the user of the wearable device, like any person, consists of periods of sleep, rest, eating, reading, playing sports, etc., that is, some physiological events occur from time to time. As disclosed above, with almost any event occurring in the daily activities of a person, changes in the values of some parameters of blood components occur, for example, after eating, the glucose level increases, during intense physical activity, the glucose level, on the contrary, falls and blood oxygenation decreases sharply. Blood oxygenation also decreases during sleep. Thus, during periods of activity, a change in the levels of rapidly changing parameters of blood components occurs, while the level of glycated hemoglobin remains virtually unchanged. Because the wearable device continuously monitors PPG signals during the user's normal life, it can detect the onset of an activity period or trigger event in which a rapidly changing blood component parameter will change and provide PPG signals at that time to automatically estimate the glycated hemoglobin level taking into account the influence of other blood components.
[0153] На фиг. 15А схематично проиллюстрированы варианты примерного отображения результатов измерения уровня HbA1c в течение суток и отклонения результатов измерения HbA1c в течение нескольких месяцев на экране носимого устройства по изобретению в приложении S-Health. Как проиллюстрировано на фиг. 15А, пользователь носимого устройства может видеть на экране носимого устройства различные данные с результатами измерения уровня HbA1c за разные периоды времени, включая, например, конкретные результаты единичных измерений и усредненные значения за сутки, за месяц, за год и т.п. Фиг. 15Б схематично иллюстрирует отображаемый на экране носимого устройства в приложении S-Health график, позволяющий проводить контроль отклонения уровня гликированного гемоглобина от целевого значения. При долгосрочном контроле уровня HbA1c, например, в течение до нескольких месяцев можно отслеживать отклонение от целевой зоны нормального уровня гликированного гемоглобина, а также пересечение порогов оповещения о высоком и низком уровнях HbA1c. Важно отслеживать любые отклонения указанного уровня от целевой зоны. При этом при проведении контроля уровня гликированного гемоглобина возможны следующие ситуации. При определении высокого или низкого уровня HbA1c, выходящего за пределы целевой зоны, пользователь устройства информируется о полученном результате и о предварительном диагнозе, например, состоянии предрасположенности к диабету и на экран могут выводиться рекомендации общего характера: изменение диеты, увеличение активности, прогулки на свежем воздухе, или рекомендация обратиться к врачу.[0153] Fig. 15A schematically illustrates embodiments of an exemplary display of the HbA1c level measurement results during the day and the deviation of the HbA1c measurement results over several months on the screen of the wearable device according to the invention in the S-Health application. As illustrated in Fig. 15A, the user of the wearable device can see various data with the HbA1c level measurement results for different periods of time on the screen of the wearable device, including, for example, specific results of single measurements and average values for the day, month, year, etc. Fig. 15B schematically illustrates a graph displayed on the screen of the wearable device in the S-Health application, allowing monitoring of the deviation of the glycated hemoglobin level from the target value. With long-term monitoring of the HbA1c level, for example, over up to several months, it is possible to track the deviation from the target zone of the normal glycated hemoglobin level, as well as the crossing of the alert thresholds for high and low HbA1c levels. It is important to monitor any deviations of the specified level from the target zone. In this case, when monitoring the level of glycated hemoglobin, the following situations are possible. When determining a high or low level of HbA1c, going beyond the target zone, the user of the device is informed of the result and a preliminary diagnosis, for example, a predisposition to diabetes, and general recommendations can be displayed on the screen: changing the diet, increasing activity, walking in the fresh air, or a recommendation to see a doctor.
[0154] При этом кратковременные отклонения уровня гликированного гемоглобина от нормы не являются критичными и могут быть откорректированы пользователем устройства с помощью рекомендаций, выводимых на экран дисплея. Напротив, долговременные отклонения уровня гликированного гемоглобина от нормы могут означать серьезные проблемы со здоровьем и на экран дисплея выводят рекомендации об обязательном обращении к специалисту. Кроме того, данные полученных результатов контроля уровня гликированного гемоглобина могут быть направлены врачу непосредственно с устройства измерения.[0154] At the same time, short-term deviations of the glycated hemoglobin level from the norm are not critical and can be corrected by the user of the device using the recommendations displayed on the display screen. On the contrary, long-term deviations of the glycated hemoglobin level from the norm can indicate serious health problems and recommendations on the mandatory visit to a specialist are displayed on the display screen. In addition, the data obtained from the monitoring of the glycated hemoglobin level can be sent to the doctor directly from the measuring device.
Преимущества такого контроля заключаются в достаточно невысоких затратах на исследование, обеспечение долговременного периода непрерывного отслеживания параметров крови, что обеспечивает получение достоверных данных измерений и установление более точного диагноза человека на основании полученных данных.The advantages of such monitoring include relatively low research costs, provision of a long-term period of continuous monitoring of blood parameters, which ensures obtaining reliable measurement data and establishing a more accurate diagnosis of a person based on the data obtained.
[0155] На фиг. 16А проиллюстрирован пример практической реализации заявленного изобретения, а именно, показана схема эксперимента с задержкой дыхания, при котором отслеживали изменения PPG-сигналов для разных пользователей и определяли уровень гликированного гемоглобина с помощью экспериментального образца заявленного носимого устройства. Как раскрыто выше, задержку дыхания использовали в качестве триггерного события, чтобы вызвать изменения быстро меняющихся параметров компонентов крови, а значит и изменения PPG-сигналов. PPG-сигналы регистрировали непрерывным образом в течение нескольких минут. При этом пользователь 1 спокойно дышал в течение 120 секунд, затем задерживал дыхание на вдохе в течение 30 секунд, затем снова спокойно дышал, пользователь 2 спокойно дышал в течение 120 секунд, затем задерживал дыхание на выдохе в течение 30 секунд, затем снова спокойно дышал, и пользователь 3 спокойно дышал в течение 60 секунд, затем задерживал дыхание на вдохе в течение 30 секунд, затем снова спокойно дышал.[0155] Fig. 16A illustrates an example of practical implementation of the claimed invention, namely, a diagram of an experiment with breath holding, in which changes in PPG signals were monitored for different users and the level of glycated hemoglobin was determined using an experimental sample of the claimed wearable device. As disclosed above, breath holding was used as a trigger event to cause changes in rapidly changing parameters of blood components, and therefore changes in PPG signals. PPG signals were recorded continuously for several minutes. In this case, user 1 breathed calmly for 120 seconds, then held his breath on inhalation for 30 seconds, then breathed calmly again, user 2 breathed calmly for 120 seconds, then held his breath on exhalation for 30 seconds, then breathed calmly again, and user 3 breathed calmly for 60 seconds, then held his breath on inhalation for 30 seconds, then breathed calmly again.
[0156] Набор собранных клинических данных содержал информацию о 100 измерениях, выполненных с помощью образца носимого устройства по настоящему изобретению на 50 волонтерах при эксперименте с задержкой дыхания, и использовался для обучения прогнозирующей модели и дальнейшей оценки уровня гликированного гемоглобина. При сборе опорных данных использовали лабораторный колориметрический метод, посредством которого определяли опорный уровень гликированного гемоглобина. Кроме того, указанный набор данных содержал метаданные волонтеров, а также информацию, полученную с помощью прибора АнгиоСкан-01М, позволяющего контролировать состояние сердечно-сосудистой системы, включая работу сердца (частоту сердечных сокращений, ритм), состояние сосудистой стенки (эластичность, жесткость, тип волны), насыщение крови кислородом, уровень стресса.[0156] The collected clinical data set contained information on 100 measurements performed using a sample of the wearable device of the present invention on 50 volunteers during a breath-holding experiment and was used to train a predictive model and further estimate the level of glycated hemoglobin. When collecting reference data, a laboratory colorimetric method was used to determine the reference level of glycated hemoglobin. In addition, the said data set contained volunteer metadata, as well as information obtained using the AngioScan-01M device, which allows monitoring the state of the cardiovascular system, including heart function (heart rate, rhythm), the state of the vascular wall (elasticity, rigidity, wave type), blood oxygen saturation, and stress level.
[0157] На фиг. 16Б проиллюстрированы результаты прогнозирования уровня гликированного гемоглобина в крови пользователя носимого устройства по набору клинических данных (ссылочной базе данных) с помощью экспериментального образца носимого устройства по настоящему изобретению. Верхний график фиг. 16Б представляет собой столбчатую диаграмму, иллюстрирующую число пользователей с конкретными уровнями HbA1c с распределением по половому признаку. Диапазон ссылочных значений уровня гликированного гемоглобина составлял 4,4-5,8 г/л. На нижнем графике фиг. 16Б по оси X отложен уровень HbA1c у тестируемого субъекта, измеряемый лабораторным методом, по оси Y отложен измеряемый с помощью прогнозирующей модели уровень HbA1c. Линия X=Y (проходящая посередине) показывает эталонные данные, когда опорные и измеренные значения совпадают.Линии, построенные выше и ниже линии X=Y, показывают диапазон ошибки измерения +/-0,6 г/л. На графике также показаны данные, используемые для обучения, данные, полученные с помощью исследования крови, и подтверждающие данные, то есть результаты измерения уровня гликированного гемоглобина с помощью экспериментального образца носимого устройства по настоящему изобретению. Для обучения прогнозирующей модели в данном случае использовали регрессионную модель машинного обучения методом градиентного спуска и k-fold кросс-валидацию для оценки эффективности прогнозирования.[0157] Fig. 16B illustrates the results of predicting the glycated hemoglobin level in the blood of a wearable device user based on a clinical data set (reference database) using an experimental sample of the wearable device of the present invention. The upper graph of Fig. 16B is a bar chart illustrating the number of users with specific HbA1c levels with distribution by gender. The range of reference values for the glycated hemoglobin level was 4.4-5.8 g/L. In the lower graph of Fig. 16B, the X-axis shows the HbA1c level of the test subject measured by the laboratory method, and the Y-axis shows the HbA1c level measured by the predictive model. The X=Y line (passing in the middle) shows the reference data when the reference and measured values coincide. The lines plotted above and below the X=Y line show the measurement error range of +/- 0.6 g/L. The graph also shows the data used for training, the data obtained by blood testing, and the supporting data, i.e. the results of measuring the glycated hemoglobin level using the experimental sample of the wearable device of the present invention. In this case, a gradient descent machine learning regression model was used to train the predictive model, and k-fold cross-validation was used to evaluate the predictive performance.
[0158] Коэффициент корреляции Пирсона для результатов измерений, показанных на фиг. 16Б, составляет R=0,7, что говорит о слабой положительной связи между истинным уровнем HbA1c и прогнозируемым уровнем HbA1c. Следует отметить, что в данном экспериментальном примере были задействованы волонтеры, имеющие нормальный уровень HbA1c, составляющий 4,4-5,8 г/л. 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 тестируемых субъектах, у которых уровень HbA1c отклоняется от нормальных значений. Таким образом, предполагается, что с помощью носимого устройства по настоящему изобретению можно будет определять уровень гликированного гемоглобина с высокой точностью.[0158] The Pearson correlation coefficient for the measurement results shown in Fig. 16B is R=0.7, which indicates a weak positive relationship between the true HbA1c level and the predicted HbA1c level. It should be noted that this experimental example involved volunteers with a normal HbA1c level of 4.4-5.8 g/L. It is obvious that the accuracy of the prediction will increase both as the prediction model is refined and as information with measurement results on test subjects whose HbA1c level deviates from normal values accumulates in the database. Thus, it is expected that the wearable device of the present invention will be able to determine the glycated hemoglobin level with high accuracy.
[0159] Решение задачи оценки значений параметров компонентов крови пользователя по признакам PPG-сигналов основано на выявлении эмпирических закономерностей в обучающих данных, помещенных в общую базу данных, машинным способом.[0159] The solution to the problem of assessing the values of the parameters of the user's blood components based on the characteristics of PPG signals is based on the identification of empirical patterns in training data placed in a common database using machine methods.
[0160] В варианте осуществления настоящего изобретения прогнозирующая модель создана для носимого устройства, расположенного на запястье, поскольку обучение прогнозирующей модели было основано на данных, регистрируемых 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 руки. 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 и/или устройствами обработки.[0160] In an embodiment of the present invention, the predictive model is created for a wearable device located on the wrist, since the training of the predictive model was based on data recorded by sensors of the wearable device located on the wrist. In other embodiments of the present invention, it is possible to train the predictive model taking into account the placement of the wearable device on other parts of the body, for example, on a finger. The predictive model described herein can be implemented as software including one or more instructions that can be executed by the processor 203 of the wearable device 201 or external processors and/or processing devices.
[0161] В вышеописанном процессе обучения прогнозирующей модели использовались данные профилей множества пользователей (тестируемых субъектов), наборы измерительных данных, заранее полученные для множества пользователей, и наборы опорных данных, заранее измеренные лабораторным методом, как подробно описано выше.[0161] In the above-described process of training the predictive model, profile data of a plurality of users (test subjects), sets of measurement data previously obtained for a plurality of users, and sets of reference data previously measured by a laboratory method were used, as described in detail above.
[0162] Как обсуждено далее, база данных может постоянным образом обновляться, и, кроме того, происходит уточнение прогнозирующей модели путем машинного обучения.[0162] As discussed below, the database may be continuously updated and, in addition, the predictive model is 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 of selection and processing of 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 feature weights (characteristics) is calculated and normalized, and then features whose weight exceeds the value of a given threshold are selected;
- 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 starts working with a full set of features, uses a measure of symmetric uncertainty to determine dependencies between features and allows selecting 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 defines a nonlinear correlation dependence instead of calculating the Pearson correlation “feature-feature” and “feature-label”;
- базовые алгоритмы машинного обучения (искусственного интеллекта);- basic algorithms of machine learning (artificial intelligence);
- в качестве рабочего решения может использоваться комбинация указанных методов регрессии и любые производные методы регрессии, в основу которых входит базовый алгоритм:- a combination of the specified regression methods and any derivative regression methods based on the basic algorithm can be used as a working solution:
- 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;
- линейный анализ (Linear Analysis);- linear analysis;
- методы глубокого обучения - искусственные нейросети.- deep learning methods - artificial neural networks.
[0163] Преимущественные эффекты от использования метода машинного обучения состоят в возможности определения уровня гликированного гемоглобина для пользователя, данные которого не включены в базу данных, и повышении точности определения уровня гликированного гемоглобина благодаря учету влияния других компонентов крови на результаты измерения.[0163] The advantageous effects of using the machine learning method are the ability to determine the glycated hemoglobin level for a user whose data is not included in the database and an increase in the accuracy of determining the glycated hemoglobin level by taking into account the influence of other blood components on the measurement results.
[0164] После построения прогнозирующей модели ее можно использовать для оценки уровня гликированного гемоглобина. При этом, согласно настоящему раскрытию, при оценке HbA1c учитывается влияние других компонентов крови на результаты измерения. В результате возможна более точная оценка уровня гликированного гемоглобина, чем в традиционных методах уровня техники.[0164] Once the predictive model is constructed, it can be used to estimate the level of glycated hemoglobin. In this case, according to the present disclosure, when estimating HbA1c, the influence of other blood components on the measurement results is taken into account. As a result, a more accurate estimate of the level of glycated hemoglobin is possible than in conventional methods of the prior art.
[0165] Суммируя вышесказанное, настоящее изобретение обеспечивает точную оценку уровня гликированного гемоглобина с учетом влияния других компонентов крови без необходимости забора крови, т.е. неинвазивным образом, за счет следующих особенностей:[0165] In summary, the present invention provides an accurate assessment of the glycated hemoglobin level taking into account the influence of other blood components without the need for blood sampling, i.e., in a non-invasive manner, due to the following features:
КО1: Непрерывное получение сигналов с помощью PPG-датчиков. I. Облучение биологической ткани и детектирование PPG-сигналов во время повседневной деятельности, включая периоды происходящих событий.KO1: Continuous signal acquisition using PPG sensors. I. Irradiation of biological tissue and detection of PPG signals during daily activities, including periods of ongoing events.
II. Извлечение признаков PPG-сигналов.II. Extraction of PPG signal features.
III. Определение происходящего события в повседневной деятельности, при котором происходит изменение значений параметров компонентов крови.III. Determination of the event occurring in everyday activities, during which the values of the parameters of blood components change.
IV. Идентификация быстро и медленно меняющихся параметров компонентов крови, характеризующих быстро и медленно меняющиеся параметры компонентов крови.IV. Identification of rapidly and slowly changing parameters of blood components, characterizing rapidly and slowly changing parameters of blood components.
V. Извлечение из PPG-сигналов, детектированных во время происходящего события, быстро и медленно меняющихся признаков, характеризующих соответственно быстро и медленно меняющиеся параметры компонентов крови, и формирования из них набора быстро и медленно меняющихся признаков PPG-сигналов.V. Extraction from PPG signals detected during an ongoing event of rapidly and slowly changing features characterizing rapidly and slowly changing parameters of blood components, respectively, and formation from them of a set of rapidly and slowly changing features of PPG signals.
КО2: Компилирование ссылочной базы данных на основе происходящих событий и намеренных триггерных событий.KO2: Compiling a reference database based on events occurring and intentional trigger events.
VI. Получение с помощью носимого устройства наборов признаков PPG-сигналов, зарегистрированных при происходящих событиях в повседневной деятельности и намеренных триггерных событиях.VI. Obtaining, using a wearable device, sets of PPG signal features recorded during events occurring in everyday activities and intentional trigger events.
VII. Определение значений параметров компонентов крови (BPV) (опорных данных) путем проведения исследований крови лабораторными методами, забор которой проведен при происходящих событиях в повседневной деятельности и намеренных триггерных событиях.VII. Determination of blood component parameter (BPV) values (reference data) by conducting laboratory tests on blood collected during events occurring in daily activities and intentional trigger events.
VIII. Компилирование базы данных, в которой наборы признаков PPG-сигналов (VI) сопоставлены с BPV (VII).VIII. Compilation of a database in which the feature sets of PPG signals (VI) are compared with BPV (VII).
КО3: Оценка уровня гликированного гемоглобина с учетом влияния других компонентов крови.KO3: Assessment of the level of glycated hemoglobin taking into account the influence of other blood components.
IX. Построение и обучение прогнозирующей модели путем машинного обучения.IX. Building and training a predictive model using machine learning.
X. Точная оценка уровня гликированного гемоглобина с учетом влияния других компонентов крови для новых пользователей без проведения исследования крови путем сравнения набора признаков пульсового сигнала для нового пользователя, полученного с помощью упомянутых PPG-датчиков носимого устройства, с матрицами наборов из заранее скомпилированной ссылочной базы данных.X. Accurately estimate the glycated hemoglobin level taking into account the influence of other blood components for new users without conducting a blood test by comparing a set of features of the pulse signal for a new user, obtained using the mentioned PPG sensors of the wearable device, with matrices of sets from a pre-compiled reference database.
Следует отметить, что, согласно настоящему изобретению, набор признаков PPG-сигналов, соответствующих медленно и быстро меняющимся параметрам компонентов крови, зарегистрированный за определенный промежуток времени (временное окно), единственно возможным образом характеризует особенности быстро меняющихся и медленно меняющихся параметров компонентов крови определенного пользователя в определенных условиях.It should be noted that, according to the present invention, a set of features of PPG signals corresponding to slowly and rapidly changing parameters of blood components, recorded over a certain period of time (time window), characterizes in the only possible way the features of rapidly changing and slowly changing parameters of blood components of a certain user under certain conditions.
Промышленная применимостьIndustrial applicability
[0166] Во всем мире около 0,5 миллиарда человек страдают от сахарного диабета. Прогнозируется, что в ближайшие 30 лет их численность вырастет более чем в два раза до 1,3 миллиарда. Это заболевание может поражать мужчин, женщин и детей всех возрастов во всех странах. Контролировать течение болезни или предрасположенность к диабету необходимо следующим целевым группам:[0166] Worldwide, approximately 0.5 billion people suffer from diabetes mellitus. This number is projected to more than double to 1.3 billion in the next 30 years. The disease can affect men, women, and children of all ages in all countries. The following target groups should monitor the course of the disease or their predisposition to diabetes:
- здоровые люда с целью профилактического контроля;- healthy people for the purpose of preventive control;
- дети, больные диабетом;- children with diabetes;
- больные диабетом с аномальным почечным порогом глюкозы;- patients with diabetes with abnormal renal glucose threshold;
- пациенты с сахарным диабетом I типа, инсулинозависимым;- patients with type I diabetes mellitus, insulin-dependent;
- беременные женщины с диабетом II типа;- pregnant women with type II diabetes;
- люди старше 45 лет;- people over 45 years old;
- люди с индексом массы тела более 25;- people with a body mass index over 25;
- люди, с наследственным риском заболевания;- people with a hereditary risk of disease;
- другие люди при изменении рациона питания или других привычек.- other people when changing their diet or other habits.
Также в группе риска находятся люди, у которых:Also at risk are people who:
- высокое кровяное давление;- high blood pressure;
- проблемы со зрением;- vision problems;
- заболевание сердечно-сосудистой системы и/или перенесенный инсульт;- cardiovascular disease and/or history of stroke;
- заболевание почек.- kidney disease.
Для предотвращения риска заболеть диабетом II типа следует соблюдать здоровую диету, избавляться от лишнего веса, регулярно заниматься физическими упражнениями. Пациенты, которые регулярно тренируются, могут снизить риск заболевания диабетом вдвое. Пациенты, которые избавились от лишнего веса по меньшей мере в 5% от массы своего тела, могут значительно снизить риск развития диабета.To prevent the risk of developing type II diabetes, you should follow a healthy diet, lose excess weight, and exercise regularly. Patients who exercise regularly can reduce their risk of developing diabetes by half. Patients who have lost at least 5% of their body weight can significantly reduce their risk of developing diabetes.
[0167] Как отмечалось, за уровнем глюкозы в крови следят с помощью двух показателей: уровня гликированного гемоглобина (HbA1c) и мгновенного уровня глюкозы. HbA1c представляет собой долгосрочный показатель глюкозы за последние 1-3 месяца и не подвержен влиянию кратковременных изменений уровня глюкозы в крови, вызванных приемом пищи, физическими упражнениями и т.д. в день тестирования. Мгновенный уровень глюкозы представляет собой краткосрочный показатель глюкозы в конкретный момент тестирования, например, уровень сахара в крови натощак или после приема пищи, и подвержен колебаниям вследствие приема пищи и стресса.[0167] As noted, blood glucose levels are monitored using two measures: glycated hemoglobin (HbA1c) and instantaneous glucose. HbA1c is a long-term measure of glucose over the past 1-3 months and is not affected by short-term changes in blood glucose levels caused by food intake, exercise, etc. on the day of testing. Instantaneous glucose is a short-term measure of glucose at a specific time during testing, such as fasting or postprandial blood sugar, and is subject to fluctuations due to food intake and stress.
[0168] Таким образом, как прогнозируется, раскрытое в настоящей заявке носимое устройство, выполненное с возможностью неинвазивного, непрерывного и/или выполняемого по требованию определения уровня гликированного гемоглобина, подходящее для непрофессионального применения, будет востребовано на рынке.[0168] Thus, the wearable device disclosed in the present application, capable of non-invasive, continuous and/or on-demand determination of glycated hemoglobin levels, suitable for non-professional use, is expected to be in demand in the market.
Вариант осуществления 1Implementation option 1
[0169] Настоящий вариант осуществления относится к применению носимого устройства, выполненного с возможностью определения уровня гликированного гемоглобина, при выполнении теста с задержкой дыхания, который описан ранее. Намеренная задержка дыхания приводит к снижению поступления кислорода в кровь, вызывающему изменение быстро меняющихся параметров компонентов крови, что способствует точному измерению уровня гликированного гемоглобина.[0169] The present embodiment relates to the use of a wearable device configured to determine the level of glycated hemoglobin when performing a breath-holding test, which is described earlier. Intentionally holding the breath leads to a decrease in the supply of oxygen to the blood, causing a change in rapidly changing parameters of blood components, which facilitates an accurate measurement of the level of glycated hemoglobin.
Вариант осуществления 2Implementation option 2
[0170] Настоящий вариант осуществления относится к применению носимого устройства, выполненного с возможностью определения уровня гликированного гемоглобина, при выполнении теста с тугой фиксацией ремешка носимого устройства. Намеренная фиксация ремешка вызывает изменение быстрое меняющихся параметров компонентов крови, что способствует точному измерению уровня гликированного гемоглобина.[0170] The present embodiment relates to the use of a wearable device configured to determine the level of glycated hemoglobin by performing a test with a tight fixation of the strap of the wearable device. The intentional fixation of the strap causes a change in the rapidly changing parameters of the blood components, which facilitates an accurate measurement of the level of glycated hemoglobin.
Вариант осуществления 3Implementation option 3
[0171] Настоящий вариант осуществления относится к применению носимого устройства, выполненного с возможностью определения уровня гликированного гемоглобина, при происходящих событиях. В качестве примера следует отметить дыхание пользователя носимого устройства внутри офисного помещения и за его пределами, то есть на свежем воздухе. В этом случае изменение внешних условий, такое как, например, большее количество кислорода, вызывает изменение быстро меняющихся параметров компонентов крови. В ответ на такое событие носимое устройство детектирует изменение параметров крови, что способствует точному измерению уровня гликированного гемоглобина.[0171] The present embodiment relates to the use of a wearable device configured to determine the level of glycated hemoglobin when events occur. As an example, it should be noted the breathing of a user of the wearable device inside an office space and outside it, that is, in the fresh air. In this case, a change in external conditions, such as, for example, a greater amount of oxygen, causes a change in rapidly changing parameters of blood components. In response to such an event, the wearable device detects a change in the blood parameters, which facilitates an accurate measurement of the level of glycated hemoglobin.
Случаи применения носимого устройства, выполненного с возможностью определения уровня гликированного гемоглобина.Cases of application of a wearable device capable of determining the level of glycated hemoglobin.
[0172] Сценарии использования пользователем включают решение по контролю среднего показателя глюкозы с использованием контроля HbA1c с помощью носимого устройства.[0172] User use cases include a solution for monitoring average glucose using HbA1c monitoring using a wearable device.
Влияние на бизнес и преимущества использованияBusiness Impact and Benefits of Using
С помощью раскрытого здесь носимого устройства обеспечиваются следующие преимущества и выгоды от его применения:The wearable device disclosed herein provides the following advantages and benefits from its use:
- контроль среднего показателя глюкозы за определенный период (2-3 месяца) с помощью контроля HbA1c;- control of the average glucose level over a certain period (2-3 months) using HbA1c control;
- контроль развития и фазы микрососудистых осложнений, связанных с диабетом;- monitoring the development and phase of microvascular complications associated with diabetes;
- контроль питания или других привычек;- control of nutrition or other habits;
- не требуется никаких действий со стороны пользователя;- no action is required from the user;
- возможность непрофессионального применения;- possibility of non-professional use;
- не требуется никакого дополнительного оборудования;- no additional equipment required;
- обеспечение новых данных для приложения S-Health.- providing new data for the S-Health application.
[0173] Пользователь носимого устройства имеет возможность автоматически определять уровень HbA1c. При этом, если пользователь носит устройство в течение длительного периода времени, носимое устройство обеспечивает автоматическое определение активности пользователя. Например, как показано на фиг. 14, непрерывный контроль PPG-сигналов носимого устройства обеспечивает возможность определения типа активности пользователя, например, периоды занятия спортом, сна, отдыха, приема пищи и т.п. Это способствует автоматическому определению уровня гликированного гемоглобина, поскольку практически любая активность пользователя, например, легкая или интенсивная тренировка, прием пищи, отдых, сон и т.п. приводит к изменению быстро меняющихся параметров компонентов крови. Как схематично проиллюстрировано на фиг. 14, быстро меняющимися параметрами компонентов крови являются, например, оксигенация (SpO2) и уровень глюкозы в крови, в то время как уровень HbA1c изменяется за значительно более долгий период времени, что позволяет отделить быстро и медленно меняющиеся параметры компонентов крови, а значит, точнее определить уровень гликированного гемоглобина.[0173] The user of the wearable device has the ability to automatically determine the HbA1c level. In this case, if the user wears the device for a long period of time, the wearable device provides automatic determination of the user's activity. For example, as shown in Fig. 14, continuous monitoring of the PPG signals of the wearable device provides the ability to determine the type of activity of the user, such as periods of exercise, sleep, rest, eating, etc. This facilitates the automatic determination of the glycated hemoglobin level, since almost any activity of the user, such as light or intense exercise, eating, resting, sleeping, etc. leads to a change in rapidly changing parameters of blood components. As schematically illustrated in Fig. 14, rapidly changing parameters of blood components are, for example, oxygenation (SpO 2 ) and blood glucose level, while the HbA1c level changes over a significantly longer period of time, which makes it possible to separate the rapidly and slowly changing parameters of blood components, and therefore, to more accurately determine the glycated hemoglobin level.
[0174] Однако следует отметить, что, если пользователь только начинает использовать новое носимое устройство, следует провести его калибровку. Когда пользователь впервые надел носимое устройство, следует провести тест с задержкой дыхания или очень тугой фиксацией ремешка носимого устройства. При этом во время проведения теста происходит изменение концентрации оксигенированного гемоглобина, концентрации общего гемоглобина, насыщения крови кислородом, в то же время уровень HbA1c не изменяется. Следовательно, обеспечивается возможность точного измерения уровня гликированного гемоглобина для нового пользователя носимого устройства по настоящему изобретению.[0174] However, it should be noted that if the user is just starting to use a new wearable device, it should be calibrated. When the user first puts on the wearable device, a breath-holding test or a very tight strap of the wearable device should be performed. In this case, during the test, the oxygenated hemoglobin concentration, the total hemoglobin concentration, and the oxygen saturation of the blood change, while the HbA1c level does not change. Therefore, it is possible to accurately measure the glycated hemoglobin level for a new user of the wearable device of the present invention.
Преимущественные эффекты изобретенияAdvantageous effects of the invention
[0175] Возможность определения уровня гликированного гемоглобина расширяет функционал приложения S-Health в умных часах, предоставляя дополнительные параметры для комплексного анализа состояния здоровья пользователя. Умные часы могут выдавать суточные колебания, текущие значения, непрерывный результат оценки уровня гликированного гемоглобина в течение заданного периода времени.[0175] The ability to determine the level of glycated hemoglobin expands the functionality of the S-Health application in the smartwatch, providing additional parameters for a comprehensive analysis of the user's health. The smartwatch can provide daily fluctuations, current values, and a continuous result of assessing the level of glycated hemoglobin over a specified period of time.
Как отмечалось ранее, целевыми группами, для которых необходим контроль уровня гликированного гемоглобина являются:As noted earlier, the target groups for which monitoring of glycated hemoglobin levels is necessary are:
- здоровые люди с целью профилактического контроля;- healthy people for the purpose of preventive control;
- дети-диабетики;- children with diabetes;
- больные диабетом с аномальным почечным порогом глюкозы;- patients with diabetes with abnormal renal glucose threshold;
- пациенты с сахарным диабетом I типа, инсулинозависимым;- patients with type I diabetes mellitus, insulin-dependent;
- беременные женщины с диабетом II типа;- pregnant women with type II diabetes;
- другие люди при изменении питания или других привычек.- other people when changing their diet or other habits.
[0176] Постоянный контроль уровня гликированного гемоглобина обеспечивает оценку среднего показателя глюкозы за некоторый период времени (2-3 месяца), позволяет определить прямую связь между плохим контролем и развитием осложнений, а также спрогнозировать развитие и фазу микрососудистых осложнений, связанных с диабетом. Такие возможности обеспечены за счет того, что глюкоза связывается с гемоглобином непрерывно и необратимо в течение жизни эритроцитов (около 120 дней), а уровень HbA1c пропорционален среднему уровню глюкозы в крови за последние 6-12 недель.[0176] Continuous monitoring of glycated hemoglobin levels provides an assessment of the average glucose level over a period of time (2-3 months), allows for a direct link between poor control and the development of complications, and for predicting the development and phase of microvascular complications associated with diabetes. These capabilities are provided by the fact that glucose binds to hemoglobin continuously and irreversibly throughout the life of red blood cells (about 120 days), and the HbA1c level is proportional to the average blood glucose level over the past 6-12 weeks.
[0177] К преимуществам контроля HbA1c также относится то, что раскрытое изобретение не зависит от краткосрочных изменений в еде (пище), физических упражнений, гипогликемических средств, стресса. Следовательно, могут быть обеспечены профилактический контроль гликемии и обратная связь при лечении сахарного диабета.[0177] The advantages of HbA1c control also include the fact that the disclosed invention does not depend on short-term changes in food (nutrition), physical exercise, hypoglycemic agents, stress. Therefore, preventive glycemic control and feedback in the treatment of diabetes mellitus can be provided.
[0178] Как отмечалось ранее, уровень глюкозы в крови характеризуется несколькими показателями, в частности, HbA1c, который представляет собой долговременный усредненный показатель глюкозы в крови за период последних одного-трех месяцев, и краткосрочный или мгновенный показатель глюкозы в крови, который представляет собой уровень глюкозы в крови в конкретный момент времени, определяемый либо натощак, либо после еды. На HbA1c не влияют кратковременные изменения уровня глюкозы в крови, вызванные приемом пищи, физическими упражнениями и т.д. в день тестирования, в то время как мгновенный показатель глюкозы подвержен колебаниям из-за еды и стресса.[0178] As noted earlier, blood glucose levels are characterized by several indicators, in particular HbA1c, which is a long-term average blood glucose level over a period of one to three months, and short-term or instantaneous blood glucose, which is the blood glucose level at a specific point in time, determined either on an empty stomach or after a meal. HbA1c is not affected by short-term changes in blood glucose levels caused by food intake, exercise, etc. on the day of testing, while instantaneous glucose is subject to fluctuations due to food and stress.
[0179] Определение уровня HbA1c с помощью раскрытого здесь носимого устройства осуществляется простым для пользователя образом. Боле того, как отмечено ранее, при долговременном использовании носимого устройства происходит автоматическое определение активности пользователя и точная оценка уровня гликированного гемоглобина неинвазивным образом.[0179] The determination of the HbA1c level using the wearable device disclosed herein is carried out in a manner that is simple for the user. Moreover, as noted earlier, with long-term use of the wearable device, the user's activity is automatically determined and the glycated hemoglobin level is accurately estimated in a non-invasive manner.
[0180] Таким образом, технический результат настоящего изобретения состоит в возможности автоматической неинвазивной оценки уровня гликированного гемоглобина (долгосрочного показателя глюкозы в крови за последние один-три месяца), на который не влияют кратковременные изменения уровня глюкозы в крови, вызванные приемом пищи, физическими упражнениями и т.д. в день тестирования.[0180] Thus, the technical result of the present invention consists in the possibility of automatic non-invasive assessment of the level of glycated hemoglobin (a long-term indicator of glucose in the blood over the past one to three months), which is not affected by short-term changes in the level of glucose in the blood caused by food intake, physical exercise, etc. on the day of testing.
[0181] Уровень гликированного гемоглобина имеет диагностическое значение для определения сахарного диабета. Результаты анализа на HbA1c позволяют определить среднее содержание глюкозы в крови за последние 1-3 месяца. Уровень HbA1c менее 5,7% говорит о том, что вероятности развития сахарного диабета на настоящий момент нет. При значениях гликированного гемоглобина в диапазоне от 5,7 до 6,5% признаки сахарного диабета отсутствуют, однако есть предрасположенность к диабету (преддиабет). Повышается риск общей летальности и смертности от инсульта и инфаркта миокарда. Концентрация гликированного гемоглобина более 6,5% свидетельствует о необходимости исключения или подтверждения инсулинозависимого (I типа) или инсулиннезависимого (II типа) сахарного диабета и указывает на необходимость дополнительных методов исследования.[0181] The level of glycated hemoglobin has diagnostic value for determining diabetes mellitus. The results of the HbA1c analysis allow us to determine the average blood glucose level over the past 1-3 months. The HbA1c level of less than 5.7% indicates that there is currently no risk of developing diabetes mellitus. With glycated hemoglobin values in the range from 5.7 to 6.5%, there are no signs of diabetes mellitus, but there is a predisposition to diabetes (prediabetes). The risk of overall mortality and mortality from stroke and myocardial infarction increases. A glycated hemoglobin concentration of more than 6.5% indicates the need to exclude or confirm insulin-dependent (type I) or insulin-independent (type II) diabetes mellitus and indicates the need for additional research methods.
Возможные причины физиологического повышения уровня глюкозы в крови:Possible causes of physiological increase in blood glucose levels:
- малоподвижный образ жизни;- sedentary lifestyle;
- высокоуглеводный рацион питания;- high-carbohydrate diet;
- употребление недостаточного количества воды;- not drinking enough water;
- воспалительный процесс в организме;- inflammatory process in the body;
- прием некоторых лекарственных препаратов (нейролептиков, стероидов);- taking certain medications (neuroleptics, steroids);
- менструальный период у женщин.- menstrual period in women.
[0182] У больных инсулиннезависимым сахарным диабетом при повышенном уровне гликированного гемоглобина повышается летальность от злокачественных новообразований, особенно колоректальной области. Увеличение уровня гликированного гемоглобина в крови всегда свидетельствует о наличии длительного периода гипергликемии и увеличении риска развития осложнений в виде ретинопатии, нефропатии, полинейропатии, микро- и макроангиопатий. Пациент, страдающий гипергликемией, должен стремиться достичь уровня гликированного гемоглобина здорового человека -5,7%. Однако это не всегда возможно. В подобных случаях целью терапии считается уменьшение концентрации HbA1c до 6,5%. Если такая цель достигнута, то можно утверждать, что сахарная болезнь достаточно хорошо компенсирована, вероятность последствий гипергликемии в виде всевозможных осложнений снижена до минимального уровня.[0182] In patients with non-insulin-dependent diabetes mellitus, with elevated levels of glycated hemoglobin, mortality from malignant neoplasms increases, especially in the colorectal area. An increase in the level of glycated hemoglobin in the blood always indicates a long period of hyperglycemia and an increased risk of complications in the form of retinopathy, nephropathy, polyneuropathy, micro- and macroangiopathies. A patient suffering from hyperglycemia should strive to achieve the level of glycated hemoglobin of a healthy person - 5.7%. However, this is not always possible. In such cases, the goal of therapy is considered to be a decrease in the concentration of HbA1c to 6.5%. If this goal is achieved, then it can be argued that diabetes is sufficiently well compensated, the likelihood of the consequences of hyperglycemia in the form of all kinds of complications is reduced to a minimum.
[0183] Исследование гликированного гемоглобина также проводится женщинам, страдающим сахарным диабетом, при планировании беременности. Установлено, что высокое содержание HbA1c за полгода до наступления гестации и на протяжении I триместра находится в прямой зависимости с вероятностью возникновения различных осложнений течения беременности. Строгий контроль над концентрацией глюкозы в крови уменьшает частоту аномалий развития плода с 30-40% до 2%.[0183] Glycated hemoglobin testing is also performed on women with diabetes mellitus when planning pregnancy. It has been established that high HbA1c levels six months before gestation and during the first trimester are directly related to the likelihood of various complications during pregnancy. Strict control over blood glucose levels reduces the incidence of fetal malformations from 30-40% to 2%.
[0184] Низкое содержание гликированного гемоглобина (менее 4%) можно обнаружить при опухоли поджелудочной железы, продуцирующей инсулин (инсулиноме). Причиной снижения служат частые гипогликемические состояния. Низкая концентрация HbA1c обнаруживается при надпочечниковой недостаточности и некоторых редких наследственных заболеваниях (болезнях Герса и Форбса, наследственной непереносимости фруктозы). Кроме того, к возможным причинам физиологического снижения уровня глюкозы в крови относятся:[0184] Low glycated hemoglobin levels (less than 4%) can be found in a pancreatic tumor that produces insulin (insulinoma). The reason for the decrease is frequent hypoglycemic conditions. Low HbA1c concentrations are found in adrenal insufficiency and some rare hereditary diseases (Hers and Forbes diseases, hereditary fructose intolerance). In addition, possible causes of a physiological decrease in blood glucose levels include:
- чрезмерные физические нагрузки;- excessive physical exertion;
- голодание;- fasting;
- длительная диета;- long-term diet;
- употребление спиртных напитков.- consumption of alcoholic beverages.
Примерное соотношение содержания сахара (глюкозы) в крови и уровня гликированного гемоглобина представлено в таблице 3.The approximate ratio of sugar (glucose) content in the blood and the level of glycated hemoglobin is presented in Table 3.
На показатели гликированного гемоглобина также влияют следующие заболевания и состояния:The following diseases and conditions also affect glycated hemoglobin levels:
- острые (недавние) или хронические кровотечения могут занижать реальный уровень гликированного гемоглобина;- acute (recent) or chronic bleeding may underestimate the actual level of glycated hemoglobin;
- при железодефицитной анемии результат исследования гликированного гемоглобина может быть завышенным;- in case of iron deficiency anemia, the results of glycated hemoglobin tests may be overestimated;
- недавние переливания крови, гемолитическая анемия могут быть причиной заниженных показателей гликированного гемоглобина.- recent blood transfusions, hemolytic anemia may be the cause of low glycated hemoglobin levels.
[0185] Таким образом, возможность точной оценки уровня гликированного гемоглобина с помощью носимого устройства по настоящему изобретению способствует контролю за состоянием здоровья пользователя.[0185] Thus, the ability to accurately assess the glycated hemoglobin level using the wearable device of the present invention facilitates monitoring of the user's health status.
[0186] 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.[0186] Although the invention has been described with certain illustrative embodiments, it should be understood that the spirit of the invention is not limited to these specific embodiments. On the contrary, it is intended that the spirit of the invention include all alternatives, modifications and equivalents that may be included within the spirit and scope of the claims.
[0187] Кроме того, изобретение включает в себя все эквиваленты заявляемого изобретения, даже если пункты формулы изобретения изменятся в процессе рассмотрения.[0187] Furthermore, the invention includes all equivalents of the claimed invention, even if the claims are changed during the consideration process.
Claims (99)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2832523C1 true RU2832523C1 (en) | 2024-12-24 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2038597C1 (en) * | 1993-12-15 | 1995-06-27 | Галина Геннадьевна Ковалева | Method for determining glycosylated hemoglobin in blood |
RU2655443C2 (en) * | 2012-12-14 | 2018-05-28 | Конинклейке Филипс Н.В. | System and method to detect significant arrhythmic events through a photoplethysmogram (ppg) and accelerometer |
RU2686048C2 (en) * | 2014-07-17 | 2019-04-23 | Ф.Хоффманн-Ля Рош Аг | Method and device for determining glucose level in patient's physiological liquid and computer program product |
WO2021016622A1 (en) * | 2019-07-25 | 2021-01-28 | True Wearables, Inc. | Monitoring devices and methods |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2038597C1 (en) * | 1993-12-15 | 1995-06-27 | Галина Геннадьевна Ковалева | Method for determining glycosylated hemoglobin in blood |
RU2655443C2 (en) * | 2012-12-14 | 2018-05-28 | Конинклейке Филипс Н.В. | System and method to detect significant arrhythmic events through a photoplethysmogram (ppg) and accelerometer |
RU2686048C2 (en) * | 2014-07-17 | 2019-04-23 | Ф.Хоффманн-Ля Рош Аг | Method and device for determining glucose level in patient's physiological liquid and computer program product |
WO2021016622A1 (en) * | 2019-07-25 | 2021-01-28 | True Wearables, Inc. | Monitoring devices and methods |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10238346B2 (en) | System and method for a biosensor integrated in a vehicle | |
US9642578B2 (en) | System and method for health monitoring using a non-invasive, multi-band biosensor | |
US11918351B2 (en) | System and method for non-invasive monitoring of hemoglobin | |
US8509866B2 (en) | Device and method for monitoring body fluid and electrolyte disorders | |
US9591999B2 (en) | Determination of tissue oxygenation in vivo | |
Lemay et al. | Application of optical heart rate monitoring | |
US20060224073A1 (en) | Integrated physiological signal assessing device | |
US20080004513A1 (en) | VCSEL Tissue Spectrometer | |
JP2012508050A (en) | Method and system for noninvasive measurement of glucose level | |
US12228507B2 (en) | Method and apparatus for non-invasively measuring blood circulatory hemoglobin | |
JP2023532319A (en) | Apparatus and method for compensating assessment of peripheral arterial tone | |
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 | |
Campbell | Development of non-invasive, optical methods for central cardiovascular and blood chemistry monitoring. | |
RU2832523C1 (en) | Wearable device, method and system for determining level of glycated haemoglobin | |
Lemay et al. | Applications of optical cardiovascular monitoring | |
Granados-Castro et al. | Contactless skin blood perfusion imaging via multispectral information, spectral unmixing and multivariable regression | |
Céelleri et al. | Non-Invasive Blood Sugar Measurement System | |
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 | |
US20230270360A1 (en) | Selectable energy modes for measuring blood and tissue oxygenation | |
RU2821143C1 (en) | Wearable device, method and system for measuring blood parameters | |
Tatiparti et al. | Smart non-invasive hemoglobin measurement using portable embedded technology | |
Indahsari et al. | The Non-Invasive HbA1c Measurement Device: A Narrative Review | |
JP2024523719A (en) | Method and apparatus for non-invasive measurement of circulating hemoglobin that accounts for hemodynamic confounding factors |