Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕДОСТАТКА ВОДЫ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА

Изобретение относится к диагностике, точнее, определению состояния недостатка воды в организме человека в процессе его жизнедеятельности посредством измерения импеданса участка тела человека.

Авторам неизвестны способы определения необходимости пополнить недостаток воды в организме человека в процессе его обычной жизнедеятельности посредством измерения импеданса участка тела человека.

Известны различные способы измерения водного баланса, распределения воды в теле человека, в основном, для медицинских целей.

Известен способ определения основных сердечно-легочных параметров человеческого организма (патент US 5469859, МПК A61B 5/085, опубл. 28.11.1995). Определение параметров производится путем установки электродов на руках и ногах человека и определения количества внеклеточной жидкости и баланса жидкости всего тела человека. Измерения производятся для медицинских целей. В данном патенте не ставится задача определения состояния недостатка воды в организме человека в процессе его жизнедеятельности.

Известен способ системной оценки динамики жидкости и крови в теле человека (патент RU 2314750, МПК A61B 5/05, опубл. 20.01.2008). Способ характеризуется тем, что к конечностям тела человека и голове прикладывают электроды и измеряют импеданс различных регионов тела человека, регистрируют их медленные и пульсовые изменения и на основе этих измерений производят расчет динамики жидкости и крови периферических регионов и всего тела человека. Способ предназначен для использования в медицинских целях, контроля состояния пациента и выработки методики лечения.

Наиболее близким является система измерения физиологических параметров тела человека путем измерения импеданса участков тела человека с помощью электродов и обработки этих данных (патент US 8406865, МПК A61B 5/00, опубл. 26.03.2013). Основной задачей данного изобретения является определение сердечной и дыхательной производительности с использованием измерений импеданса. Система позволяет определять водную фракцию в тощей массе тела (массе тела за вычетом массы жировой ткани), объем внеклеточной жидкости тела пациента в целом и индекс баланса жидкости организма в целом. Система предназначена для использования в медицинских целях и не ставит задачу определения недостатка воды в организме человека в процессе его жизнедеятельности.

Общая особенность данных способов заключается в том, что они направлены на определение на основе измерения импеданса разных участков тела человека определения количества жидкости в организме для медицинских целей.

Ввиду того, что данные способы предусматривают измерения прежде всего в условиях стационара, когда пациент находится в спокойном положении, данные методы не применимы в условиях измерений, когда человек живет обычной жизнью, работает, занимается спортом и т.д.

Заявителям неизвестны способы, которые определяли бы недостаток жидкости в организме человека в обычной жизни и предупреждали бы его о необходимости пополнить запасы воды в организме.

Техническим результатом изобретения является определение недостатка воды в организме человека в процессе его обычной жизнедеятельности путем измерения импеданса участка тела человека. Этот технический результат достигается путем оценки количества воды в измеряемой области с учетом изменения количества крови в этой области, что происходит из-за перераспределения потоков в различных частях тела в процессе жизнедеятельности человека из-за временных или случайных факторов.

Указанный технический результат достигается следующим образом.

Способ определения недостатка воды в организме человека предусматривает следующие операции.

Измеряют значения импеданса участка тела человека на низкой частоте и высокой частоте. На основе измеренного значения импеданса на высокой частоте получают оценку количества жидкости в тканях тела в исследуемом объеме в текущий момент времени и на основе измеренного значения импеданса на низкой частоте получают оценку количества внеклеточной жидкости в исследуемом объеме в текущий момент времени. Выбирают базовое значение оценки количества внеклеточной жидкости в исследуемом объеме в начальный момент времени измерений. Затем определяют значение поправки, учитывающей изменение количества крови в исследуемом объеме к текущему моменту времени. Далее определяют скорректированную оценку количества жидкости в тканях тела в исследуемом объеме, учитывающую изменение в этом объеме количества крови к текущему моменту времени. По полученным значениям скорректированной оценки количества жидкости в тканях тела в исследуемом объеме судят о наступлении состояния недостатка воды в теле человека.

Известно, что измерение импеданса на низкой частоте позволяет судить об объеме внеклеточной жидкости в области измерения, а измерение на высокой частоте позволяет судить об общем объеме воды в области измерения. В данном способе возможность судить о состоянии недостатка воды в теле человека реализуется за счет того, что способ позволяет учесть изменение в этом объеме количества крови к текущему моменту времени. Такой учет позволяет исключить изменение объема крови в данном участке тела, например, за счет физических упражнений или других временных или случайных факторов и далее определить скорректированную оценку количества жидкости в тканях тела в исследуемом объеме. По этим значениям и можно судить о наступлении состояния недостатка воды в теле человека.

В частности, значения импеданса участка тела измеряют с использованием закрепленных на теле человека и разнесенных относительно друг друга электродов.

В частном случае, при определении скорректированной оценки жидкости в тканях тела в исследуемом объеме, учитывающей изменение в этом объеме количества крови, принимают во внимание значение гематокрита.

В частности, о наступлении состояния недостатка воды в теле человека судят, принимая во внимание максимальное значение скорректированной оценки количества жидкости в тканях тела в исследуемом объеме, учитывающей изменение в этом объеме количества крови за определенный период, к текущему моменту времени.

В частности, корректируют значения импеданса участка тела человека на низкой частоте и высокой частоте с помощью показаний датчика температуры человека.

Кроме того, начальный момент времени измерений выбирают после окончания переходного периода, необходимого для адаптации организма к датчикам измерений.

Способ определения недостатка воды в организме человека иллюстрируется следующими чертежами.

На фиг. 1 изображены зависимости измеренных значений импеданса на разных частотах от времени.

На фиг. 2 приведены зависимости измеренных значений импеданса во времени после фильтрации медианным фильтром.

На фиг. 3 изображены зависимости проводимости от времени: соответствующая количеству жидкости в тканях тела в исследуемом объеме и соответствующая количеству внеклеточной жидкости в тканях тела в исследуемом объеме.

На фиг. 4 показаны как зависимости проводимости на разных частотах, соответствующие количеству внутри- и внеклеточной жидкости в исследуемом объеме, от времени, так и проводимость, соответствующая количеству жидкости в тканях тела в исследуемом объеме за вычетом изменения кровотока к текущему моменту времени относительно базового момента времени.

На фиг. 5 изображена зависимость проводимости, соответствующей количеству жидкости в тканях тела в исследуемом объеме за вычетом изменения кровотока к текущему моменту времени относительно базового момента времени, а также зависимость от времени значения проводимости, принимаемой за порог достижения состояния недостатка воды.

Способ определения недостатка воды в организме человека реализуется следующим образом.

Устанавливают электроды на тело человека. В частности, достаточно установки двух электродов на участке тела человека. Испытания показали, что данный способ позволяет определять состояние недостатка воды в организме человека при установке электродов, в том числе, и на запястье руки человека. Данный участок тела не является наиболее удобным для реализации способа. Однако показания датчиков, измеряющих значения импеданса на низкой частоте f₀ и на высокой частоте f_з и данного небольшого участка тела человека позволяют оценить, наступило ли состояние недостатка воды в организме. Значения импеданса на разных частотах наиболее эффективно измерять с дискретностью примерно 1-4 раза в минуту.

На фиг. 1 приведены зависимости измеренных значений во времени импеданса на высокой частоте f_з (кривая 1) и - на низкой частоте f₀ (кривая 2).

Для исключения помех эффективно применять фильтрацию измененных значений импеданса. Можно применять различные виды фильтрации, в данном случае применен так называемый «медианный фильтр».

На фиг. 2 приведены зависимости измеренных значений во времени импеданса после обработки медианным фильтром: на высокой частоте f_з (кривая 1) и - на низкой частоте f₀ (кривая 2). На фиг. 2 видно, что значения импеданса после фильтрации практически не содержат выбросов, вызванных случайными факторами.

Способ может быть реализован без учета температуры тела человека. Однако точность метода повышается, если значения импеданса будут скорректированы путем учета этой температуры. Измеренные значения импеданса на низкой частоте f₀ и на высокой частоте f_з корректируются с учетом показаний датчика температуры с помощью следующих зависимостей:

,

,

где и - текущие значения импеданса на частоте f₀ и на частоте f_з;

и - текущее скорректированное значение импеданса на частоте f₀ и на частоте f_з;

T_i - текущее значение температуры тела человека в области измерения импеданса;

Т₀ - базовое значение температуры тела человека в области измерения импеданса;

k_T - температурный коэффициент сопротивления ткани, по которой протекает зондирующий ток, используемый для измерения импеданса.

В качестве базового значения Т₀ может быть выбрана температура в начале измерений.

На основе измеренного значения импеданса на высокой частоте f_з получают оценку проводимости , пропорциональную количеству жидкости в тканях тела в исследуемом объеме к текущему периоду времени

На основе измеренного значения импеданса на низкой частоте f₀ получают оценку проводимости , пропорциональную количеству внеклеточной жидкости в исследуемом объеме к текущему периоду времени

Вид проводимости, характеризующей (кривая 1) - на высокой частоте f_з, соответствующий количеству жидкости в тканях тела в исследуемом объеме, и (кривая 2) - на низкой частоте f₀, соответствующая количеству внеклеточной жидкости в тканях тела в исследуемом объеме приведены на фиг. 3.

В начальный период времени измерений выбирают базовое значение , пропорциональное количеству внеклеточной жидкости в исследуемом объеме в указанный момент времени.

Начальный момент времени измерений t_base выбирают после окончания переходного периода, необходимого для адаптации организма к датчикам измерений после их установки.

Значение затем используют для того, чтобы определить значение поправки , учитывающей изменение количества крови в исследуемом объеме к текущему периоду времени

где h - гематокрит, то есть отношение объема эритроцитов, составляющих около 99% клеток крови, к объему плазмы крови; для женщин может быть принято значение гематокрита, равное 0,40, для мужчин - 0,46.

Далее определяют скорректированную оценку , пропорциональную количеству жидкости в тканях тела в исследуемом объеме, учитывающую изменение в этом объеме количества крови к текущему периоду времени

,

где - оценка проводимости, пропорциональной количеству жидкости в тканях тела в исследуемом объеме к текущему периоду времени.

Учет изменений количества крови в данном объеме позволяет оценить объем жидкости, которая находится в тканях тела человека, как внутри клеток тканей, так и межклеточную жидкость тканей.

Зависимость проводимости, соответствующая количеству жидкости в тканях тела в исследуемом объеме за вычетом изменения кровотока к текущему моменту времени относительно базового момента времени (кривая 3), приведена на фиг. 4. На этом же графике, для наглядности, приведены зависимости проводимости от времени: соответствующая количеству жидкости в тканях тела в исследуемом объеме (кривая 1) и соответствующая количеству внеклеточной жидкости в тканях тела в исследуемом объеме (кривая 2) к текущему моменту времени относительно базового момента времени (4).

Как видно из графиков, зависимость (кривая 3), показывающая количество жидкости в тканях тела в исследуемом объеме за вычетом изменения кровотока к текущему моменту времени относительно базового момента времени, не имеет значительных подъемов и спадов, отражающих изменение кровотока в измеряемом объеме тела, вызванном внешними временными причинами. К ним относятся, например, физическая активность или ее отсутствие, изменение психологического состояния, воздействие других факторов. Всего того, что сопровождает человека во время его обычной, повседневной жизнедеятельности.

По полученным значениям скорректированной оценки , пропорциональной количеству жидкости в тканях тела в исследуемом объеме, судят о наступлении состояния недостатка воды в организме человека путем сравнения с пороговым значением (фиг. 5).

За пороговое значение в данном случае принято значение скорректированной оценки проводимости, пропорциональной количеству жидкости в тканях тела в исследуемом объеме, учитывающей изменение в этом объеме количества крови за определенный период времени, меньшее максимального за весь период измерений к текущему моменту на определенную величину

где - пороговое значение проводимости,

- максимальное значение проводимости к текущему моменту времени,

Δ_thresh - величина, определяющая, насколько пороговое значение проводимости меньше его максимального значения.

Следует отметить, что величина в первые часы использования устройства может расти в довольно широких пределах, если применение способа начато в момент времени, когда уровень воды в организме пользователя был снижен, но пользователь стал потреблять необходимое ему количество воды с питьем и/или едой.

На графике (фиг. 5) приведено изменение значения во времени (кривая 1) и значение определенного порога, ниже которого наступает состояние недостатка воды в организме (кривая 2).

Достоверность определения недостатка воды в организме возрастает по мере длительности наблюдений ввиду того, что величина значения порога все более точно учитывает то максимальное количество воды, которое необходимо для конкретного человека для поддержания водного баланса в процессе его жизнедеятельности.

Способ предназначен для определения недостатка воды в организме здорового человека в текущем времени и может быть использован для создания различных устройств и систем автоматического мониторинга состояния организма человека. Способ прошел апробирование на достаточно большом числе испытуемых.