Способ неинвазивного определения концентрации глюкозы в крови

Изобретение относится к медицине. Технический результат заключается в повышении точности измерения интенсивности принятого света, на основании которой определяется концентрация глюкозы. Способ неинвазивного определения концентрации глюкозы в крови предусматривает следующие действия. Облучают кровесодержащий участок тела человека светом ближней инфракрасной области на выбранной длине волны, принимают свет, прошедший через этот участок тела, и измеряют его интенсивность. С учетом известных коэффициентов поглощения света компонентами на данной длине волны составляют зависимость этой интенсивности света от концентраций содержащихся в крови компонентов. Повторяют измерение интенсивности на разных длинах волн света ближней инфракрасной области, при этом количество длин волн, на которых проводятся измерения, равно количеству компонентов крови. Аналогично составляют зависимость измеренной интенсивности света от концентраций. Составляют из всех полученных уравнений систему и решают ее относительно искомой концентрации глюкозы. Проводят дополнительные измерения интенсивностей света, а именно проводят дополнительные измерения на дополнительно выбранных длинах волн и проводят повторные измерения на всех выбранных длинах волн. Составляют зависимости интенсивности принятого света от концентраций компонентов крови с учетом известных коэффициентов поглощения света на каждой i-й длине волны для каждого поглощающего компонента в виде для каждой i-й длины волны, на которой проводились измерения, для N компонентов крови и решают систему уравнений относительно искомой концентрации глюкозы.

 

Способ неинвазивного определения концентрации глюкозы в крови относится к измерениям для диагностических целей и предназначено для неинвазивного определения количества глюкозы в крови человека.

Известен способ неинвазивного определения уровня глюкозы в крови, основанный на спектроскопии инфракрасного диапазона (Оптические методы неинвазивного определения уровня глюкозы в крови // Медицинская техника. 2011. №6. С. 29-33). Способ предусматривает пропускания монохроматического излучения через объект (губы, язык, крылья носа, щеки, пальцы и т.д.), регистрацию прошедшего излучения детектором, обработку результатов измерения с помощью микроконтроллера, а также вывод полученных данных на дисплей.

Недостатком способа является то, что способ не учитывает, что излучение поглощается не только глюкозой, но и другими поглотителями: водой, меланином и другими компонентами, содержащимися в крови и тканях человека. При этом данных о поглощении излучения на определенной длине волны недостаточно для определения концентрации глюкозы, поскольку необходимо определить, за какую долю поглощенного излучения несет ответственность глюкоза. Данных же для такого определения при измерениях на определенной длине волны нет. Поэтому точность измерений указанным методом крайне невелика.

Известен способ (Патент РФ №2574571, опубл. 10.02.2016, бюл. №4) неинвазивного определения концентрации глюкозы в крови, включающий облучение участка ткани человека светом ближнего инфракрасного диапазона длин волн, прием диффузно отраженного тканью света, преобразование принятого оптического излучения в электрический сигнал и определение концентрации глюкозы в крови на основании полученного электрического сигнала. Облучение биологической ткани осуществляют поочередно в пяти поддиапазонах длин волн ближней инфракрасной области спектра, а определение концентрации глюкозы в крови получают с применение экспериментально полученных тарировочных кривых. В данном способе необходимость регулярного получения экспериментальных тарировочных кривых практически исключает возможность создания прибора индивидуального применения на базе этого способа, что является его недостатком. Кроме того, число поглощающих компонентов в биологической ткани человека может быть достаточно велико, и пяти измерений в различных поддиапазонах длин волн может оказаться недостаточно для вычисления концентрации глюкозы

Ближайшим аналогом заявляемого способа является способ («Неинвазивное определение концентрации глюкозы в крови с использованием полихромного источника света с управляемым спектром» // Биомедицинская радиоэлектроника, №8, 2016 г), включающий в себя облучение кровесодержащего участка тела человека светом ближнего инфракрасного спектра, прием света, прошедшего через этот участок, измерение его интенсивности и определение концентрации глюкозы в крови на основании полученной интенсивности. Для измерения на каждой длине волны составляется зависимость концентраций компонентов, входящих в состав крови, от интенсивности с учетом известных коэффициентов поглощения света на этой длине волны для каждого поглощающего компонента.

В соответствии со способом, измерения производятся на количестве N длин волн, равном количеству компонентов крови, в пределах спектрального диапазона, и для каждого из измерений составляется зависимость с N неизвестными. Для измерения на i-й длине волны спектрального диапазона можно написать уравнение:

где k_ij - известные коэффициенты поглощения света на i-й длине волны для j-го поглощающего компонента, x_j - неизвестная концентрация для j-го поглощающего компонента, а I_i - результат измерения интенсивности поглощенного света на i-й длине волны, где i=1…N.

В итоге можно получить систему из N линейных уравнений с N неизвестными, которая может быть оперативно решена с помощью не слишком сложного программного обеспечения. Одним из решений этой системы уравнений будет концентрация глюкозы в крови.

Недостатком способа является невысокая точность определения концентрации глюкозы, связанная с высокой погрешностью измерения интенсивности поглощенного света, что приводит к высокой вероятности несходимости системы линейных уравнений.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности неинвазивного определения концентрации глюкозы в крови человека.

Технический результат заключается в повышении точности измерения интенсивности принятого света, на основании которой определяется концентрация глюкозы.

Технический результат достигается за счет того, что способ неинвазивного определения концентрации глюкозы в крови предусматривает следующие действия. Облучают кровесодержащий участок тела человека светом ближней инфракрасной области на выбранной длине волны, принимают свет, прошедший через этот участок тела и измеряют его интенсивность. С учетом известных коэффициентов поглощения света компонентами на данной длине волны составляют зависимость этой интенсивности света от концентраций содержащихся в крови компонентов. Повторяют измерение интенсивности на разных длинах волн света ближней инфракрасной области, при этом количество длин волн, на которых проводятся измерения, равно количеству компонентов крови. Аналогично составляют зависимость измеренной интенсивности света от концентраций. Составляют из всех полученных уравнений систему и решают ее относительно искомой концентрации глюкозы. Проводят дополнительные измерения интенсивностей света, а именно проводят дополнительные измерения на дополнительно выбранных длинах волн и проводят повторные измерения на всех выбранных длинах волн. Составляют зависимости интенсивности принятого света от концентраций компонентов крови с учетом известных коэффициентов поглощения света на каждой i-й длине волны для каждого поглощающего компонента в виде для каждой i-ой длины волны, на которой проводились измерения, для N компонентов крови и решают систему уравнений относительно искомой концентрации глюкозы.

Достижение технического результата обусловлено уменьшением влияния погрешности измерения интенсивности путем увеличения числа длин волн, на которых осуществляются измерения, а также увеличение числа измерений интенсивности света на каждой из длин волн, то есть за счет получения дополнительных значений интенсивностей поглощенного света. Эти действия позволяют получить дополнительные зависимости между концентрациями поглощающих компонентов крови и измеренными интенсивностями на каждой длине волны.

Сущность изобретения заключается в следующем. На различных длинах волн ближнего инфракрасного диапазона в пределах диапазона 700…1100 нм осуществляют облучение кровесодержащего участка тела (мочка уха), принимают свет, прошедший через этот участок, и измеряют интенсивность принятого излучения. При этом число длин волн соответствует количеству N компонентов, поглощающих излучение. Далее выбирают дополнительные длины волн и повторяют действия по облучению и приему света, получая таким образом дополнительные измерения интенсивности. Далее аналогично проводят повторные измерения на каждой из выбранных длин волн и получают дополнительные значения интенсивности света. Если осуществить измерения на М длинах волн в пределах спектрального диапазона, то для каждого из измерений можно написать уравнение с М неизвестными. Спектральные характеристики всех поглощающих компонентов (глюкозы, воды, меланина, других примесей, содержащихся в крови и тканях) хорошо известны.

Для каждой из длин волн составляется уравнение:

где k_ij - известные коэффициенты поглощения света на i-й длине волны для j-го поглощающего компонента (справочные величины), x_j - неизвестная концентрация для j-го поглощающего компонента, где i=1…М, I₀ - известная интенсивность света облучения, I - интенсивность принятого света.

Далее уравнения, составленные для каждого осуществленного измерения, составляются в систему. В итоге можно получить систему из М линейных уравнений с М неизвестными, одним из решений этой системы уравнений будет концентрация глюкозы в крови.

Проведение дополнительных измерений с получением значений интенсивностей поглощенного света обеспечивает сходимость системы уравнений. Данная система уравнений может быть решена методом Гаусса, предусматривающим последовательное исключение неизвестных с параллельным сокращением числа анализируемых уравнений, относительно концентраций поглощающих компонентов, среди которых определяется также и концентрация глюкозы в крови. Решение системы уравнений методом Гаусса наиболее целесообразно, так как дает лучшие результаты в случаях, когда компоненты имеют существенно различные спектральные характеристики поглощения. Применение такого метода решения обеспечивает сходимость системы уравнений, и, следовательно, точность определения концентрация глюкозы в крови

Способ может быть реализован следующим образом. Выбирают длину волны инфракрасного диапазона, от источника инфракрасного света излучение выбранной длины волны поступает по световоду к устройству ввода излучения в кровесодержащего участка тела (мочка уха) человека. В качестве такого устройства может быть использована, например, клипса, закрепляемая на мочке ухе. В качестве источника света может быть применен универсальный источник полихромного оптического излучения (Патент РФ №2287736, Бюл. 32, 20 ноября 2006 г.), являющийся программно управляемым и позволяющий быстро осуществлять переключение длин волн для проведения большого количеств измерений. Прошедший через участок тела свет по световоду поступает в устройство обработки, спектрометр, где измеряется его интенсивность. С учетом известных коэффициентов поглощения света каждым компонентом составляется зависимость измеренной интенсивности от концентраций компонентов крови по формуле (2). После повторения измерительных действий в соответствии с формулой получается система уравнений, которую можно решить методом Гаусса и одним из решений которой является искомая концентрация глюкозы.

Таким образом с помощью заявляемого способа достигается повышение точности измерения концентрации глюкозы в крови.

Способ неинвазивного определения концентрации глюкозы в крови, при котором облучают кровесодержащий участок тела человека светом ближней инфракрасной области на выбранной длине волны, принимают свет, прошедший через этот участок тела, измеряют его интенсивность и с учетом известных коэффициентов поглощения света компонентами на данной длине волны составляют зависимость этой интенсивности света от концентраций содержащихся в крови компонентов, повторяют измерение интенсивности на разных длинах волн света ближней инфракрасной области, при этом количество длин волн, на которых проводятся измерения, равно количеству компонентов крови, аналогично составляют зависимость измеренной интенсивности света от концентраций, составляют из всех полученных уравнений систему и решают ее относительно искомой концентрации глюкозы, отличающийся тем, что проводят дополнительные измерения интенсивностей света, а именно проводят дополнительные измерения на дополнительно выбранных длинах волн и проводят повторные измерения на всех выбранных длинах волн, составляют зависимости интенсивности принятого света от концентраций компонентов крови с учетом известных коэффициентов поглощения света на каждой i-й длине волны для каждого поглощающего компонента в виде для каждой i-й длины волны, на которой проводились измерения, для N компонентов крови и решают систему уравнений относительно искомой концентрации глюкозы.