СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ГРУДНОГО ВСКАРМЛИВАНИЯ
METHOD AND DEVICE FOR BREASTFEEDING CONTROL

РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Настоящая заявка притязает на приоритет патентной заявки США №61/006558, поданной 22 января 2008 года, и патентной заявки США №61/053069, поданной 14 мая 2008 года. Содержание вышеуказанных документов включено путем ссылки, как если бы они были полностью приведены в настоящем документе.
ОБЛАСТЬ И УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение в некоторых вариантах его осуществления относится к грудному вскармливанию и более конкретно, но не исключительно, к способу и устройству для контроля грудного вскармливания путем измерения электрической емкости. Общепризнано, что грудное вскармливание благоприятно как для новорожденных, так и для матерей. Педиатры и другие медицинские работники отзываются о грудном вскармливании как о нормальной части повседневной жизни и поощряют матерей к грудному вскармливанию, пока оно взаимно желательно. Грудное вскармливание благоприятно для новорожденных с точки зрения общего здоровья, роста, развития. В частности, грудное вскармливание значительно снижает риск большого количества острых и хронических заболеваний. Например, исследования показывают, что дети, вскормленные грудью, менее подвержены диарее, ушным инфекциям, респираторным инфекциям, бактереимии, бактериальному менингиту, ботулизму, некротическому энтероколиту и инфекциям мочеполового тракта. Кроме того, грудное вскармливание дает ребенку чувство близости, теплоты и безопасности. Многие исследования показывают, что кормление грудью также благоприятно для матери. Например, статистически, матери, кормящие грудью, более быстро возвращаются к их нормальному весу. Грудное вскармливание также известно как один из факторов, которые задерживают восстановление овуляции, что может быть благоприятно для матерей или семей, которые хотят увеличить интервал между рождением детей. В некоторых случаях количества материнского молока, потребляемого детьми на грудном вскармливании, недостаточно. Если у ребенка на грудном вскармливании возникает стрессовое состояние, желательно контролировать количество молока, потребляемого ребенком, чтобы определить, является или нет недостаток питания одним из источников стресса. Известны несколько способов контроля грудного вскармливания.
Наиболее широко применяемым способом является вычитание веса. Согласно этому способу вес ребенка измеряют до и после грудного вскармливания, и количество потребленного молока вычисляют путем нахождения разницы между двумя значениями веса.
Еще один способ раскрыт в статье Дэли и др. (Daly et al.), Exp.Physiology, 77, 79-87 (1992). Согласно этому способу изменения в объеме груди отслеживают, фотографируя грудь до и после кормления.
В опубликованной заявке США №20058271913 и опубликованной международной патентной заявке №WO 2006/054287 раскрыт способ, согласно которому датчик объемного расхода помещают в силиконовую соску, которую дают ребенку. Данные по расходу молока от датчика преобразуются в данные по объему молока, которые отображаются на мониторе.
В международной патентной заявке №WO 2006/054287 раскрыт контроль грудного вскармливания посредством доплеровских измерений. Доплеровские ультразвуковые передающий и приемный зонды, расположенные рядом с соском, активируются при грудном вскармливании для измерения объема потока через сосок. Этот объем потока преобразуется, накапливается и дает данные по объему молока.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно одному аспекту некоторых вариантов осуществления настоящего изобретения, предложен способ контроля количества молока, потребляемого ребенком, которого кормят грудью. Этот способ включает: определение изменений в электрической емкости груди во время грудного вскармливания и соотнесение изменений в электрической емкости с количеством молока, потребляемого ребенком.
Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения способ, кроме того, включает измерение электрической емкости для определения таких изменений.
Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения измерение электрической емкости выполняют, чтобы оценить электрическую емкость внутри груди с вычитанием вклада кожи груди в электрическую емкость.
Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения измерение электрической емкости включает измерение фазы напряжения, отобранного с кожи груди в ответ на электрический ток, приложенный к коже.
Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения фазу измеряют с помощью по меньшей мере четырех электродов, подсоединенных к коже груди.
Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения способ, кроме того, включает корректирование соотношения с использованием исторических данных, собранных во время предыдущих сеансов грудного вскармливания. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения способ, кроме того, включает измерение электрического сопротивления груди и вычисление результата умножения электрического сопротивления на электрическую емкость, причем количество молока соотносится с результатом умножения.
Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения способ, кроме того, включает выполнение калибровочного измерения перед грудным вскармливанием, чтобы собрать калибровочные данные, причем результат умножения корректируют на основании калибровочных данных.
Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения способ, кроме того, включает использование результата умножения для поиска на груди областей, занятых кластерами альвеол.
Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения способ, кроме того, включает вычитание вклада кожи груди в электрическую емкость. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения вклад кожи в электрическую емкость и общую электрическую емкость груди измеряют разными электрическими схемами.
Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения способ, кроме того, включает измерение толщины кожи, причем вклад кожи в электрическую емкость оценивают на основе толщины.
Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения электрическую емкость измеряют устройством для измерения электрической емкости без электрического контакта с кожей.
Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения электрическую емкость измеряют, по меньшей мере частично, по меньшей мере одним устройством, выбираемым из группы, состоящей из емкостного моста, индуктивно-резистивно-емкостного измерителя и устройства для измерения частоты колебаний.
Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения электрическую емкость измеряют с помощью некоторого количества электродов, причем в способе применяют по меньшей мере один цикл мультиплексирования, чтобы при разных субциклах цикла мультиплексирования использовать другой комплект электродов для измерения электрической емкости.
Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения способ, кроме того, включает использование значений электрической емкости, измеренных во время по меньшей мере одного цикла мультиплексирования, для определения мест измерения электрической емкости на груди в будущие сеансы.
Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения способ, кроме того, включает анализ значений электрической емкости, измеренных во время по меньшей мере одного цикла мультиплексирования, чтобы различать чувствительность измерений на разных глубинах в груди.
Согласно одному аспекту некоторых вариантов осуществления настоящего изобретения предложена система контроля грудного вскармливания. Система включает блок измерения электрической емкости, адаптированный для измерения изменений в электрической емкости груди во время грудного вскармливания и блок обработки для соотнесения изменений в электрической емкости с количеством молока, потребленного ребенком при кормлении грудью.
Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения блок измерения электрической емкости конфигурирован для измерения электрической емкости внутри груди с вычитанием вклада кожи груди в электрическую емкость.
Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения блок измерения электрической емкости конфигурирован для определения электрической емкости на основе фазы напряжения, отобранной с кожи груди в ответ на электрический ток, приложенный к коже.
Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения блок измерения электрической емкости содержит по меньшей мере четыре электрода, подсоединяемые к коже груди.
Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения система, кроме того, содержит среду памяти для сохранения исторических данных, собранных в предыдущих сеансах грудного вскармливания, причем блок обработки конфигурирован для исправления соотношения с использованием исторических данных.
Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения система, кроме того, содержит блок измерения сопротивления для измерения электрического сопротивления груди, причем блок обработки конфигурирован для вычисления результата умножения электрического сопротивления на электрическую емкость, и причем количество молока соотносят с результатом умножения.
Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения блок обработки конфигурирован для исправления результата умножения на основе калибровочных данных, собранных перед грудным вскармливанием.
Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения электрическое сопротивление и электрическую емкость измеряют на нескольких частотах, причем умножение выполняют для каждой частоты, и причем количество молока соотносят с сочетанием по меньшей мере двух результатов умножений.
Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения блок обработки конфигурирован для вычитания вклада кожи груди в электрическую емкость.
Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения блок измерения электрической емкости содержит схему измерения электрической емкости кожи, конфигурированную для измерения вклада кожи, и схема измерения общей электрической емкости кожи, конфигурированную для измерения общей электрической емкости груди.
Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения система, кроме того, содержит устройство для измерения толщины кожи, причем блок обработки конфигурирован для оценки вклада кожи в электрическую емкость на основе толщины.
Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения блок измерения электрической емкости конфигурирован для измерения электрической емкости, будучи электрически изолирован от кожи груди.
Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения блок измерения электрической емкости содержит по меньшей мере одно устройство, выбираемое из группы, состоящей из емкостного моста, индуктивно-резистивно-емкостного измерителя и устройства для измерения частоты колебаний.
Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения электрическую емкость измеряют на частоте меньше чем 100 МГц.
Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения электрическую емкость измеряют с помощью некоторого количества электродов, причем система содержит контроллер для применения по меньшей мере одного цикла мультиплексирования, чтобы на разных субциклах цикла мультиплексирования для измерения электрической емкости использовался другой комплект электродов.
Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения блок обработки конфигурирован для использования значений электрической емкости, измеренных во время по меньшей мере одного цикла мультиплексирования, чтобы определить места измерения емкости на груди в будущих сеансах.
Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения блок обработки конфигурирован для анализа значений электрической емкости, измеренных во время по меньшей мере одного цикла мультиплексирования, чтобы различать чувствительность измерений на разной глубине в груди.
Если не дано другого определения, все технические и/или научные термины, используемые в настоящем документе, имеют то же значение, которое обычно знает средний специалист в области, к которой относится изобретение. Хотя способы и материалы, сходные или эквивалентные тем, которые описаны в настоящем документе, могут быть использованы при практическом осуществлении или испытаниях вариантов осуществления изобретения, ниже описаны иллюстративные способы и/или материалы. В случае противоречия преимущество имеет описание изобретения, включая определения. Кроме того, материалы, способы и примеры являются только иллюстративными и не предназначены быть обязательно ограничивающими.
Реализация способа и/или системы из вариантов осуществления изобретения может включать выполнение или завершение выбранных задач вручную, автоматически или в сочетании. Более того, исходя из фактического инструментария и оборудования вариантов осуществления способа и/или системы изобретения, некоторые выбранные задачи могут быть осуществлены аппаратным обеспечением, программным обеспечением, встроенным программным обеспечением или их сочетанием с использованием операционной системы.
Например, аппаратное обеспечение для выполнения выбранных задач согласно вариантам осуществления изобретения может быть реализовано как чип или схема. Для программного обеспечения выбранные задачи согласно вариантам осуществления изобретения могут быть выполнены как некоторое множество программных команд, исполняемых компьютером с использованием любой подходящей операционной системы. В одном иллюстративном варианте осуществления изобретения одна или несколько задач согласно иллюстративным вариантам осуществления способа и/или системы, которые описаны в настоящем документе, выполняет процессор, такой как вычислительная платформа для исполнения некоторого множества команд. По выбору, процессор включает энергозависимую память для хранения команд и/или данных и/или энергонезависимую память, например магнитный жесткий диск и/или съемный носитель, для хранения команд и/или данных. По выбору, также предусмотрено сетевое соединение. Также, по выбору, предусмотрен монитор и/или пользовательское устройство ввода, такое как клавиатура или мышь.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Некоторые варианты осуществления изобретения описаны в настоящем документе только для примера и со ссылками на прилагаемые чертежи. Теперь с конкретной ссылкой на подробные чертежи необходимо подчеркнуть, что показанные детали служат только для примера и для целей иллюстративного описания вариантов осуществления изобретения. В этом отношении, описание, взятое вместе с чертежами, делает очевидным для специалистов в данной области, как могут быть осуществлены на практике варианты осуществления изобретения. На чертежах:
ФИГ.1 - структурная схема, иллюстрирующая способ, подходящий для контроля количества молока, потребляемого ребенком на грудном вскармливании, согласно разным иллюстративным вариантам осуществления настоящего изобретения;
ФИГ.2 - структурная схема способа в вариантах осуществления, в которых количество молока соотносят с электрической емкостью и электрическим сопротивлением груди;
ФИГ.3 А-В - схематические иллюстрации конфигурации электродов на груди согласно разным иллюстративным вариантам осуществления настоящего изобретения;
ФИГ.4 - схематическая иллюстрация электрического аналога конфигурации с ФИГ.3;
ФИГ.5 - схематическая иллюстрация трехкомпонентного электрического аналога внутренней ткани груди согласно разным иллюстративным вариантам осуществления настоящего изобретения;
ФИГ.6 - схематическая иллюстрация варианта осуществления настоящего изобретения, в котором для измерения электрической емкости используют накладку;
ФИГ.7 - схематическая иллюстрация системы контроля грудного вскармливания согласно разным иллюстративным вариантам осуществления настоящего изобретения;
ФИГ.8 - схематическая иллюстрация, показывающая альвеолу, которая коллапсирует во время выделения молока;
ФИГ.9 - схематическая иллюстрация, показывающая расположение альвеол согласно вычислительной модели, примененной в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения;
ФИГ.10 показывает электрическую емкость в нанофарадах как функцию объема потребляемого молока в миллилитрах по измерениям в экспериментах, выполненных согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения;
ФИГ.11 показывает результат умножения электрического сопротивления на электрическую емкость как функцию объема потребляемого молока по измерениям для частоты 50 кГц в экспериментах, выполненных согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения;
ФИГ.12 показывает результат умножения электрического сопротивления на электрическую емкость как функцию объема потребляемого молока по измерениям для частоты 25 кГц в экспериментах, выполненных согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения;
ФИГ.13 показывает отношение электрического сопротивления внутриклеточной воды с электрическим сопротивлением альвеол как функцию объема потребляемого молока по измерениям в экспериментах, выполненных согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения;
ФИГ.14 показывает электрическую емкость как функцию времени для частоты 50 кГц по измерениям в другом ряде экспериментов, выполненных согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения;
ФИГ.15 показывает измеренную электрическую емкость с ФИГ. 14 как функцию объема потребляемого молока;
ФИГ.16 показывает электрическое сопротивление как функцию времени для частоты 50 кГц по измерениям в экспериментах, выполненных согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения;
ФИГ.17 - гистограмма экспериментальных результатов, полученных после применения операции корректировки согласно разным иллюстративным вариантам осуществления настоящего изобретения;
ФИГ.18 показывает необработанный сигнал электрической емкости как функцию времени по измерениям в экспериментах, выполненных согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения.
ФИГ.19 показывает необработанный сигнал электрической емкости как функцию времени по измерениям в другом ряде экспериментов, выполненных согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения.
ОПИСАНИЕ КОНКРЕТНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение, в некоторых вариантах его осуществления, относится к грудному вскармливанию и, более конкретно, но не исключительно, к способу и устройству для контроля грудного вскармливания путем измерения электрической емкости.
Перед подробным объяснением по меньшей мере одного варианта осуществления изобретения необходимо сказать, что изобретение необязательно ограничено в его применении деталями конструкции и расположением компонентов и/или способами, указанными в последующем описании и/или проиллюстрированными на чертежах и/или в Примерах. Изобретение может быть осуществлено на практике в других вариантах или разными способами.
Авторы настоящего изобретения обнаружили, что количество молока в груди может быть соотнесено с электрической емкостью груди. Признано, что количество молока до и после кормления грудью можно использовать для оценки количества молока, потребляемого ребенком на грудном вскармливании. Это потому, что типичная скорость питания ребенка составляет приблизительно 400 мл в час, тогда как скорость выработки молока в груди обычно составляет менее 60 мл в час (в среднем, приблизительно 30 мл в час). Таким образом, количество молока, дифференцированное по времени, с добавлением средней скорости выработки приводит к оцененной скорости потребления в пределах ошибки 7% при максимальной уверенности.
Поэтому авторы настоящего изобретения разработали способ контроля количества потребляемого молока путем измерения электрической емкости груди. Теперь будет объяснена зависимость количества молока (объемного или массового) на электрическую емкость груди согласно открытию авторов настоящего изобретения.
Молоко хранится в альвеолах груди, которые представляют собой небольшие железы диаметром приблизительно 0,1 мм. Во время выделения молока размер альвеол уменьшается. Мембрана каждой альвеолы ведет себя как диэлектрический слой, поскольку она блокирует ионную проводимость. В электрическом поле переменного тока эти мембраны проводят токи смещения, следовательно, влияют на электрическую емкость груди. Более конкретно, среднее поперечное сечение альвеол в произвольной ориентации можно отслеживать путем измерения электрической емкости груди. Признано, что среднее поперечное сечение альвеол представляет их средний объем, а следовательно также объем молока в груди.
Без привязки к любой теории прогнозируется, что форма и размер альвеол приблизительно универсальны, поскольку молоко удерживается в альвеолах только из-за молекулярной силы. Размер альвеол, с одной стороны, должен предотвращать спонтанный дренаж молока и, с другой стороны, позволять потреблять молоко при относительно низкой силе всасывания. Исходя из этого приближения отношение между измеренной электрической емкостью и объемом молока также универсальное.
В груди есть два типа тканей, которые сжимаются во время выделения молока: альвеолы и миоэпителиальные клетки. Миоэпителиальные клетки окружают альвеолы и сжимаются на гормон Oxytocin, чтобы помочь выделить молоко. Все же, поскольку миоэпителиальные клетки занимают 1-6% объема груди, их сжатие, по предположениям, должно оказывать пренебрежимо малый эффект на электрическую емкость. Количество молока в каналах между альвеолами и соском составляет приблизительно 10 мл, что немного по сравнению с альвеолами, которые могут хранить приблизительно 200 мл. Таким образом, с хорошим приближением, зависимость электрической емкости от среднего объема альвеол может считаться линейной. Дополнительные соображения по отношению между электрической емкостью и средним объемом альвеол приведены в разделе "Примеры", ниже (см. Пример 1).
Теперь со ссылками на чертежи, на ФИГ.1 и 2 показаны структурные схемы, иллюстрирующие способ, подходящий для контроля количества молока, потребляемого ребенком, которого кормят грудью, согласно разным иллюстративным вариантам осуществления настоящего изобретения.
Необходимо понимать, что, если не определено иное, операции, описанные ниже, могут быть выполнены одновременно или последовательно в многих сочетаниях или порядках выполнения. Говоря конкретно, порядок структурных схем не должен считаться ограничивающим. Например, два или несколько этапов способа, указанных в последующем описании или на структурной схеме в конкретном порядке, могут быть выполнены в другом порядке (например, в обратном порядке) или в сущности одновременно. Кроме того, несколько этапов способа, описанных ниже, являются необязательными и могут не выполняться.
Способ начинается в позиции 10 и, по выбору, продолжается до позиции 11, в которой электрическую емкость С груди измеряют во время грудного вскармливания. Электрическая емкость может быть измерена с использованием любого измерительного устройства, известного из уровня техники. Предпочтительные способы измерения электрической емкости согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения представлены ниже. В некоторых вариантах осуществления позицию 11 не выполняют. В этих вариантах осуществления способ предпочтительно принимает данные по электрической емкости от внешнего источника.
Способ продолжается до позиции 12, в которой определяют изменения в электрической емкости во время грудного вскармливания. Способ продолжается до позиции 13, в которой изменения в электрической емкости соотносят с количеством молока, потребленного ребенком. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения способ продолжается до позиции 14, в которой соотношение исправляют с использованием исторических данных, собранных во время предыдущих сеансов грудного вскармливания. Исторические данные могут включать данные по электрической емкости, и/или данные по количеству молока, и/или данные, относящиеся к интервалам между последовательными сеансами.
Исторические данные можно использовать в разных целях. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения исторические данные используют для калибровки. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения средние значения, полученные в нескольких сеансах, используют для повышения точности количества извлекаемого молока за некоторое время. В некоторых вариантах осуществления исторические данные используют для оценки абсолютного содержания молока в груди, например, путем сравнения текущего значения электрической емкости или его производных с минимальной электрической емкостью из исторических данных. По выбору, такую оценку основывают, по меньшей мере частично, на интервалах между последовательными сеансами и/или на процедуре, примененной для измерения электрической емкости в предыдущие сеансы (например, расположение электродов и т.д.).
Способ заканчивается в позиции 15.
ФИГ.2 - структурная схема способа в вариантах осуществления, в которых количество молока соотносят с электрической емкостью и электрическим сопротивлением груди. Способ начинается в позиции 10 и продолжается до позиции 21, в которой получают электрическую емкость С, и до позиции 22, в которой получают электрическое сопротивление R. Способ может измерять С и/или R непосредственно или принимать данные по электрической емкости и/или сопротивлению из внешних источников. Затем способ может продолжаться до позиции 23, в которой способ умножает R на С, и до позиции 24, в которой способ определяет изменения в RC и соотносит их с количеством потребленного молока. Преимущество использования RC как меры для оценки количества молока заключается в том, что оно в сущности инвариантно к изменениям в форме груди, которые могут происходить во время сеанса грудного вскармливания.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения сеансу грудного вскармливания предшествует калибровочное измерение, показанное в позиции 20, которое выполняют, чтобы собрать калибровочные данные. В этих вариантах осуществления значение RC корректируют с использованием калибровочных данных, и количество молока соотносят с скорректированным значением RC. Предпочтительная процедура калибровки согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения изложена ниже.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения способ корректирует соотношение использования исторических данных (например, по электрической емкости, сопротивлению, количеству молока, интервалам между последовательными сеансами), собранных во время предыдущих сеансов грудного вскармливания, как более подробно сказано выше. Способ заканчивается в позиции 15.
В различных иллюстративных вариантах осуществления изобретения измерение электрической емкости выполняют на частоте меньше 100 МГц, предпочтительно приблизительно от 1 кГц до 100 МГц, более предпочтительно приблизительно от 1 КГц до 10 МГц, более предпочтительно приблизительно от 1 кГц до 1 МГц или приблизительно от 1 кГц до 100 кГц, или приблизительно от 10 кГц до 100 кГц. Преимущество данного варианта осуществления заключается в том, что на низких частотах внутриклеточная жидкость груди ведет себя главным образом как ионный раствор, а не как диэлектрик, и остальной диэлектрик остается в тонких мембранах в груди и на коже. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения измерение электрической емкости выполняют, чтобы определить электрическую емкость внутри груди с вычитанием или минимизацией вклада кожи в электрическую емкость. Изменение в электрической емкости внутренней ткани груди происходит из-за изменений в количестве или форме биологического диэлектрика и поэтому лучше соотносится с количеством молока в груди.
Ниже приведено описание нескольких приемов измерения электрической емкости груди согласно разным иллюстративным вариантам осуществления настоящего изобретения.
В некоторых вариантах осуществления измерение включает передачу электрического тока через кожу и внутреннюю ткань груди и выборку ответного напряжения с кожи. Это может быть сделано с помощью некоторого количества электродов, подсоединенных к кожи груди. В этих вариантах осуществления электрическую емкость и, по выбору, электрическое сопротивление груди определяют на основе фазы напряжения выборки.
На ФИГ.3 приведена схематическая иллюстрация конфигурации, которую можно использовать согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения для измерения фазы. ФИГ.3 иллюстрирует вариант осуществления, в котором применена конфигурация из четырех электродов, но необходимо понимать, что количество электродов может отличаться от четырех. В других иллюстративных вариантах осуществления изобретения применяют по меньшей мере четыре электрода.
На ФИГ.3 показаны четыре электрода 30-1, 30-2, 30-3 и 30-4, прикрепленные к коже груди 32 и электрически сообщающиеся с блоком 36 измерения электрической емкости с помощью четырех проводов 34-1, 34-2, 34-3 и 34-4, соответственно. Электроды могут быть сформированы на накладке или чипе или объединены с накладкой или чипом (не показаны, смотрите, например, ФИГ.6), которые могут быть прикреплены к коже или к бюстгальтеру для грудного вскармливания (например, к бретелькам бюстгальтера). Для прижатия электродов к коже может быть применен прижимный механизм, такой как дуги, пена или пружины.
Одна пара электродов (например, электроды 30-1 и 30-4) может служить в качестве пары тока, которая подает переменный ток на кожу, и другая пара электродов (например, электроды 30-2 и 30-3) может служить в качестве пары напряжения, которая отбирает напряжение с кожи. Электроды в паре напряжения предпочтительно буферизованы усилителем 38 с высоким входным сопротивлением. Предпочтительно, входное сопротивление усилителя 38 составляет по меньшей мере 100 МОм или по меньшей мере 1 ГОм, чтобы обеспечить выборку напряжения при минимальном токе или при отсутствии тока.
Предпочтительным местом расположения электродов на груди является верхняя часть груди, приблизительно на 4-8 см выше соска. Преимущество выбора этого места заключается в том, что эта часть груди обычно плоская, и ее геометрия значительно не изменяется во время выделения молока. Электроды могут быть расположены на накладке (не показана, смотрите ФИГ.6), которая может быть липкой для быстрого прикрепления электродов к коже.
Амплитуда передаваемого электрического тока предпочтительно составляет приблизительно от 0,05 мА до 0,5 мА. Амплитуда сигнала, подаваемого на пару тока может изменяться в зависимости от качества электрического контакта между электродами и кожей. Обычно более хороший электрический контакт снижает амплитуду прилагаемого сигнала. Например, при использовании голых электродов с равномерной проводимостью сигнал с амплитудой размаха 1-5 В может подаваться на пару тока для создания желательного тока.
Электрический контакт между электродами и кожей может быть усилен, чем уменьшается амплитуда сигнала, который генерирует ток передачи. Усиленный электрический контакт также облегчает отслеживание напряжения с потенциальных поверхностей глубоко под кожей, этим позволяя данным вариантам осуществления измерять изменение в электрической емкости ткани этой части груди, которая содержит молочные альвеолы. Электрический контакт может быть усилен путем использования любого приема усиления контакта, известного в данной области.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения применяют токопроводящий гель для электродов. Для этого можно использовать гель, обычно используемый для электродов электрокардиографа. Этот гель проникает в эпидермис кожи и создает достаточный электрический контакт с тканью под кожей. Контактная поверхность электродов может быть изготовлена, например, из AgCl, которое электрохимически реагирует с гелем и усиливает электрический ток. Данный вариант осуществления особенно подходит для низких частот, например ниже 20 КГц. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения применяют гель или гидрогель для электродов на металле (например, нержавеющей стали) поверхности электродов. Обратная сторона электрода может иметь токопроводящий слой, выполненный способом трафаретной печати. Данный вариант осуществления особенно подходит для частот приблизительно от 20 кГц до 1 МГц. Использование геля для электродов также является преимуществом с точки зрения единообразия измерений, поскольку оно снижает зависимость проходящего тока от давления электрода на кожу. Если применяется гель для электродов, сигнал с размахом амплитуды приблизительно 0,5 В может быть подан на пару тока для создания желательного тока.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения поверхность электрода имеет токопроводящие выступы или зубья. После прижатия поверхности к коже электрическая емкость кожи увеличивается, этим способствуя передаче тока в ткань под кожей. Короткие зубья могут проникать в наружные мертвые слои кожи (stratum corneum) и имитировать функцию геля для электродов без применения жидкости или геля. Если поверхность электрода имеет токопроводящие выступы или зубья, сигнал с размахом амплитуды приблизительно от 0,5 В до 1 В может быть подан на пару тока, чтобы создать желательный ток.
Электрический аналог конфигурации с ФИГ.3 показан на ФИГ.4 и 5. Необходимо понимать, что на ФИГ.4 и 5 представлены упрощенные схемы, которые не должны считаться ограничивающими объем настоящего изобретения. Значения компонентов на ФИГ.4 показывают типичные результаты измерений груди на частотах приблизительно от 10 до 100 КГц с шариковыми электродами, прижатыми к коже.
b
а
Генератор переменного тока передает переменный ток с помощью проводов 34-1 и 34-4 через кожу в внутреннюю ткань груди. Амплитуду и фазу передаваемого тока измеряют путем выборки тока с помощью измерительного устройства. Амплитуду и фазу напряжения внутренней ткани груди измеряют путем выборки напряжения с помощью измерительного устройства с проводами 34-2 и 34-3. Без привязки к любой теории, внутреннюю ткань моделируют (смотрите ФИГ.5) как эквивалентную резистору R из-за электрохимической (ионной) проводимости с помощью внутриклеточной воды в параллели с резистором Ra и последовательным конденсатором С из-за проводимости смещения через мембраны альвеол. Прохождение тока через внутреннюю ткань моделируют с помощью проводника с низким сопротивлением (приблизительно 10 Ом) (смотрите ФИГ.3). Кожу моделируют как имеющую намного большее сопротивление чем ткань и высокую электрическую емкость.
cap
cap
2
Электрическая емкость и, по выбору, электрическое сопротивление ткани груди могут быть вычислены с использованием полученных значений напряжения и тока. Более конкретно, электрическая емкость может быть вычислена из емкостного импеданса Z, определенного как i(ε/I)/sinΔφ, с использованием отношения Z=1/(iωC), где I - прилагаемый ток, ε - полученное напряжение, Δφ - разность фаз между ε и I, i=-1, ω=2πf и f - частота поданного сигнала. В варианте осуществления, в котором количество молока соотносят с R и С, результат умножения RC можно вычислить с использованием отношения:
<mrow><mfrac><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>Z</mi><mrow><mi>r</mi><mi>e</mi><mi>s</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>Z</mi><mrow><mi>c</mi><mi>a</mi><mi>p</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>=</mo><mo>|</mo><mfrac><mi>R</mi><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mi>i</mi><mi>ω</mi><mi>C</mi></mrow></mfrac><mo>|</mo><mo>=</mo><mi>ω</mi><mi>R</mi><mi>C</mi></mrow>
,
res
где Z - измеренное активное сопротивление, определенное как (ε/I)/cosφ.
Зная величину тока, ее также можно использовать для определения давления сухих электродов на кожу. Электрическое сопротивление и электрическая емкость немного зависят от тока и давления электродов на кожу. При измерении с помощью четырех проводов баланс (разница между сторонами) давления между сухими электродами немного модифицирует результаты электрической емкости. Для отслеживания баланса может быть применена следующая процедура. Токонесущие провода на время переключают. Ток проходит один раз между правой парой электродов и один раз между левой парой электродов, и два значения тока сравнивают. Если значения тока приблизительно одинаковые (например, в пределах 10%), то давление может считаться сбалансированным.
dc
1
2
1
В вариантах осуществления, в которых грудному вскармливанию предшествует калибровочное измерение, калибровку можно выразить как отношение между С или RC и параметрами измерения. Эти параметры включают, без ограничения тока, I, смещение постоянного тока, ε, и баланс между двумя сторонами конструкции электродов, I/I, где I - ток, измеренный при пропускании сигнала между, например, электродами 30-1 и 30-2, и 12 - ток, измеренный при пропускании сигнала между, например, электродами 30-3 и 30-4. Например, калибровка может включать процедуру настройки, например, согласно отношению;
0
0
dc
dc0
1
2
a1
a2
a1
C/C=(I/I)(ε/ε)(I/I),
1
2
3
0
0
dc0
1
2
3
0
dc
dc0
1
2
comp
comp
a1
a2
a1
где a, а и а - настраиваемые параметры, и С, I и ε - средние значения во время калибровки. После настройки а, a и а можно начинать грудное вскармливание, и количество молока можно соотнести с количеством (I/I)(ε/ε)(I/I)RC, упоминаемым ниже как (RC). Параметры калибровки предпочтительно выбирают так, чтобы уменьшить колебания (RC) в смысле процента погрешности.
В разных иллюстративных вариантах осуществления изобретения электрическую емкость и, по выбору, электрическое сопротивление измеряют на нескольких частотах. В этих вариантах осуществления сигнал, который генерирует передаваемый электрический ток, предпочтительно является наложением форм волн колебаний согласно количеству частот на которых делается выборка. Количество молока можно оценить на основе сочетания измеренных значений С и, по выбору, RC для каждой отдельной частоты.
Например, предположим, без потери общности, что необработанные данные получены на двух частотах, где для каждой частоты данные выражены как сопротивление R и электрическая емкость С, которые получены из комплексного значения тока I и напряжения ε согласно отношению:
<mrow><mfrac><mi>I</mi><mi>ε</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mi>I</mi><mi>R</mi></mfrac><mo>+</mo><mi>i</mi><mi>ω</mi><mi>C</mi></mrow>
.
С другой стороны, в трехкомпонентной электрической модели груди (смотрите ФИГ.4) компоненты интерпретируют с помощью отношения:
<mrow><mfrac><mi>I</mi><mi>ε</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>R</mi><mi>b</mi></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mi>i</mi><mi>ω</mi><msub><mi>C</mi><mi>a</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mi>a</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
.
1/2
1/2
Предположим далее, без потери общности, что соотношение между двумя частотами равно 2. Обозначив значения сопротивления и электрической емкости для более высокой частоты как R и С, и значения сопротивления и электрической емкости для более низкой частоты как R и С, можно получить подходящие меры с использованием следующих формул:
<mrow><msub><mi>R</mi><mi>a</mi></msub><msub><mi>C</mi><mi>a</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>ω</mi></mfrac><msqrt><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mn>3</mn><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mi>C</mi><mo>/</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></msub><mo>−</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msqrt></mrow>
,
и
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mi>b</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mi>a</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><msup><mrow><mo stretchy="false">[</mo><mfrac><mn>4</mn><mrow><mn>3</mn><msup><mi>ω</mi><mn>2</mn></msup><msub><mi>R</mi><mi>a</mi></msub><msub><mi>C</mi><mi>a</mi></msub></mrow></mfrac><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>R</mi><mi>C</mi></mrow></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mo stretchy="false">)</mo><mo>−</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">]</mo></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup></mrow>
.
b
a
В экспериментах, выполненных авторами настоящего изобретения, было установлено, что соотношение R/R приблизительно пропорционально RC. Это отношение также аппроксимирует отношение поперечных сечений альвеол и остальной ткани и поэтому может использоваться согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения для поиска в груди областей, которые заняты большими кластерами альвеол по сравнению с другими областями.
В экспериментах, выполненных авторами настоящего изобретения, было выявлено, что количество молока может быть соотнесено со следующим количеством:
<mrow><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><msup><mrow><mrow><mo>〈</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></msub></mrow><mo>〉</mo></mrow></mrow><mrow><mn>0.5</mn></mrow></msup><msup><mrow><mrow><mo>〈</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mi>a</mi></msub><msub><mi>C</mi><mi>a</mi></msub></mrow><mo>〉</mo></mrow></mrow><mrow><mn>0.4</mn></mrow></msup><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>R</mi><mi>a</mi></msub><msub><mi>C</mi><mi>a</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mn>0.1</mn></mrow></msup></mrow></mfrac></mrow>
,
a
a
1/2
1/2
1/2
1/2
1/2
1/2
где символ <> обозначает среднее значение исторических данных (RC и RC в данном примере), собранных во время нескольких предыдущих сеансов грудного вскармливания, и символ Δ обозначает разницу между значением RC, которое измерено до грудного вскармливания, и значением RC, которое измерено после грудного вскармливания. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения одно или несколько средних значений исторических данных заменены заданными значениями.
Общее количество молока, потребляемого ребенком, может быть также соотнесено со следующим нормализованным изменением в электрической емкости:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>C</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
1
2
где С - электрическая емкость до кормления и С - электрическая емкость после кормления.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения к груди прикрепляют два или больше комплектов электродов (например, четыре или больше электродов в комплекте), и применяют метод мультиплексирования между комплектами и между электродами в комплектах для повышения точности оценки количества молока. Данный вариант осуществления показан на ФИГ.3В. Некоторое количество электродов, показанных в общем в позиции 30, контактируют с грудью 32 и соединены с помощью некоторого количества соединительных проводов, показанных в общем в позиции 34, с контроллером 40 в блоке 36. Для упрощения на ФИГ.3В не показан уникальный ссылочный символ для каждого отдельного электрода и каждого отдельного соединительного провода. Также показаны только некоторые соединительные провода, но специалист знает, как соединить электроды с контроллером 40, имеющим микропроцессор. Контроллер 40 предпочтительно конфигурирован для выполнения мультиплексирования с разделением по времени между различными электродами. Цикл мультиплексирования включает два или больше субциклов, причем в каждом субцикле контроллер 40 выбирает другой комплект электродов, и блок 36 выполняет измерение с использованием выбранного комплекта электродов. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения контроллер 40 выбирает четыре электрода в субцикле. В этих вариантах осуществления блок 36 выполняет измерения с помощью четырех проводов, как более подробно сказано выше, причем два электрода служат в качестве пары тока в соответствующем субцикле и два электрода служат в качестве пары напряжения в соответствующем субцикле.
b
a
Использование мультиплексирования снижает эффект локальных нарушений (например, когда электрод близок к кровеносному сосуду или гетерогенности другого типа) при измерении. Данные, собранные от нескольких комплектов электродов, можно также использовать для определения подходящего места для прикрепления электродов в будущих сеансах. Это может быть сделано, например, путем исключения мест, в которых собранные данные (например, значения RC или R/R) в сущности отличаются от данных, собранных в других местах.
Мультиплексирование между различными парами электродов тока и напряжения может способствовать селективной чувствительности на различных глубинах в ткани груди. Селективная чувствительность может основываться на различных принципах анализа, например принципах, используемых в электроемкостной томографии. Такой анализ может быть выполнен на изменениях в емкостном импедансе, относящемся к выделению молока, полученных при разных сочетаниях электродов. Например, значения Δlog(С) (разница в логарифмах электрической емкости до и после грудного вскармливания) двух или больше комбинаций электродов могут быть суммированы с соответствующими коэффициентами чувствительности. Результатом может быть реконструированное значение Δlog(C) на конкретной глубине в ткани. Таким образом, такой способ позволяет получать реакцию из областей в груди, в которых много молочных альвеол, и получать их изменение в электрической емкости из-за выделения молока таким же образом, как обрабатывается одно измерение импеданса. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения общая скорость выработки молока учитывается при соотнесении измеренных количеств или сочетания количеств с количеством молока. Данный вариант осуществления особенно подходит, когда сеанс грудного вскармливания относительно долгий (например, свыше 30 минут). Средняя скорость выработки молока (приблизительно 30 мл в час) может быть умножена на продолжительность грудного вскармливания и добавлена к изменению объема молока в груди.
На ФИГ.6 схематически показан вариант осуществления, в котором блок измерения электрической емкости содержит накладку 60, имеющую в ней два или больше электрода 64-1 и 64-2 для отслеживания изменений в электрической емкости груди 32. Электроды 64-1 и 64-2 могут быть соединены со схемой 62 для измерения электрической емкости, например, с помощью показанного двухпроводного соединения. Хотя на ФИГ.6 показано расположение двух электродов в накладке 60, это необязательно так, поскольку накладка 60 может включать в себя больше двух электродов. Также, накладка 60 может быть соединена со схемой с помощью любого количества проводов, которое может отличаться от количества электродов в накладке 60. Например, накладка 60 может включать четыре электрода, которые соединены попарно и соединены со схемой 62 с помощью двухпроводного соединения. Одна такая конфигурация подобна конфигурации, показанной на ФИГ.3, за тем исключением, что электрод 30-1 соединен с электродом 30-2, и электрод 30-3 соединен с электродом 30-4.
Накладка 60 может быть липкой, чтобы облегчать прикрепление накладки к груди. Также предусмотрена накладка, которая содержит две отделяемые части, причем в конце сеанса грудного вскармливания одну часть накладки отсоединяют, а другая часть остается на груди, чтобы отмечать место для прикрепления электродов в следующем сеансе. В начале грудного вскармливания маркерная часть накладки может быть отсоединена, чтобы не мешать грудному вскармливанию после установки накладки.
Накладка также может быть не липкой. В таком варианте осуществления накладка 60 может быть установлена на бюстгальтер для грудного вскармливания (например, на бретельки бюстгальтера) и др. Установку осуществляют предпочтительно так, чтобы накладка была прижата, например, прижимным механизмом, таким как души, пена или пружины, к коже, но с минимальной деформацией или отсутствием деформации формы груди. Например, накладка и механизм установки могут быть выполнены регулируемыми по контуру груди.
Электроды в накладке 60 могут, по желанию, находиться или не находиться в электрическом контакте с кожей. Конфигурации, в которых электроды находятся в контакте с кожей, предпочтительны с точки зрения сильного сигнала, тогда как конфигурации без контакта предпочтительны с точки зрения удобства для матери, кормящей грудью. Необходимо понимать, что значения электрической емкости, измеренные без контакта с кожей, менее чувствительны к действию тока, но значительно ниже, чем значения, измеренные при прямом контакте с кожей, также авторы настоящего изобретения выяснили, что бесконтактная конфигурация достаточно чувствительна к изменениям в форме груди и поэтому может быть соотнесена с количеством молока, потребляемым ребенком.
Схема 62 предпочтительно чувствительна к изменениям электрической емкости в субпикофарадном диапазоне (например, 0,01-1 пФ), когда электроды не контактируют с кожей, и в нанофарадном диапазоне (1-100 нФ), когда электроды контактируют с кожей. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения схема 62 содержит емкостной мост, и в некоторых вариантах осуществления схема 62 содержит - индуктивно-резистивно-емкостной измеритель. Также рассматриваются варианты осуществления, в которых схема 62 является устройством для измерения частоты колебаний, которое детектирует частоту колебаний транзистора или усилителя с использованием контура обратной связи с помощью одного электрода.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения вклад кожи в электрическую емкость вычитают из измеренной электрической емкости, чтобы отделить электрическую емкость внутренней ткани груди, которая лучше соотносится с количеством молока.
Вклад кожи в электрическую емкость может быть измерен разными способами. В некоторых вариантах осуществления, схематически показанных на ФИГ.6, общую электрическую емкость измеряют схемой 62, и электрическую емкость кожи измеряют схемой 66 измерения электрической емкости кожи, которая отличается от схемы 62. Схема 66 может использовать, например, трехпроводной способ измерения электрической емкости, такой как один из способов, раскрытых Роселлом и др. (Rosell et al) в статье, опубликованной в IEEE. trans. Biomed. Eng 35 (8), 649 (1988), содержание которой включено в настоящий документ путем ссылки. В некоторых вариантах осуществления, вклад кожи в электрическую емкость оценивают на основе толщины кожи. Толщину кожи можно получить как данные из внешнего источника или ее можно измерить. Неинвазивные методы измерения толщины кожи известны в данной области. В некоторых вариантах осуществления толщину кожи измеряют оксиметром, который испускает инфракрасное излучение в направлении кожи и детектирует интенсивность отраженного света по расстоянию от крови, которая рассеивает свет. Измеренное расстояние является толщиной сухого слоя кожи.
Теперь со ссылкой на ФИГ.7, которая представляет схематическую иллюстрацию системы 70 контроля грудного вскармливания согласно разным иллюстративным вариантам осуществления настоящего изобретения. Система 70 может быть использована для выполнения любой из операций, описанных выше и показанных на структурных схемах с ФИГ.1 и 2.
Система 70 содержит блок измерения электрической емкости 72, адаптированный для измерения изменений в электрической емкости груди во время грудного вскармливания, и блок обработки 74 для соотнесения изменений в электрической емкости с количеством молока, потребляемого ребенком на грудном вскармливании. Блок 74 предпочтительно является цифровым блоком обработки. Блок измерения электрической емкости 72 предпочтительно конфигурирован для измерения электрической емкости внутри груди с вычитанием вклада кожи в электрическую емкость. Например, блок 72 может иметь некоторое количество электродов, подсоединяемых к коже груди (не показаны, смотрите ФИГ.3 и 6), как более подробно сказано выше. В разных иллюстративных вариантах осуществления изобретения блок 72 определяет электрическую емкость на основании, по меньшей мере частично, фазы ответного напряжения, как более подробно сказано выше. Система 70 может, кроме того, содержать блок измерения сопротивления 78, который измеряет электрическое сопротивление груди, как более подробно сказано выше. Блок обработки 74 может вычислять результат умножения RC и соотносить количество молока с значением RC, как более подробно сказано выше. В разных иллюстративных вариантах осуществления изобретения система 70 содержит контроллер 40, который выполняет мультиплексирование с разделением по времени между электродами, как более подробно сказано выше.
Блок 74 может быть конфигурирован для выполнения любой из вышеупомянутых операций вычисления для повышения точности соотнесения. Так, например, в некоторых вариантах осуществления блок 74 объединяет измерения, осуществленные на разных частотах, в некоторых вариантах осуществления блок 74 вычисляет коэффициент калибровки, в некоторых вариантах осуществления блок 74 корректирует соотнесение с использованием исторических данных, собранных в предыдущих сеансах грудного вскармливания, в некоторых вариантах осуществления блок 74 анализирует измерения, выполненные в разных субциклах цикла мультиплексирования для определения подходящих мест измерения в будущих сеансах и/или для того, чтобы различать чувствительность измерений на различных глубинах в груди и т.д. В разных иллюстративных вариантах осуществления изобретения система 70 содержит среду памяти 76 для хранения исторических данных. Среда памяти 76 предпочтительно является средой энергонезависимой памяти.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения блок обработки 74 конфигурирован для вычитания вклада кожи в электрическую емкость. В таких вариантах осуществления блок измерения электрической емкости 72 предпочтительно имеет схему измерения электрической емкости кожи и схему измерения общей электрической емкости кожи, как более подробно сказано выше. Система 70 может, кроме того, содержать устройство для измерения толщины кожи 80, которое измеряет толщину кожи, как более подробно сказано выше. В таком варианте осуществления блок обработки 74 получает данные по толщине кожи от устройства 80 и оценивает вклад кожи в электрическую емкость на основе толщины.
Система 70 также может содержать блок пользовательского интерфейса 82 и/или дисплей 84. Пользовательский интерфейс 84 может быть конфигурирован для приема данных, вводимых пользователем, например, по началу и окончанию грудного вскармливание. Дисплей 84 может быть миниатюрный дисплеем, установленным в одном корпусе с блоком 74. Дисплей 84 служит для отображения результатов мониторинга. Дисплей может показывать ход выделения молока во время грудного вскармливания, например, в форме диаграммы. На конечной стадии дисплей 84 может отображать количество потребленного молока.
Ожидается, что во время срока действия патента, полученного по настоящей заявке, будут разработаны многие соответствующие способы измерения электрической емкости, и объем термина "устройство для измерения электрической емкости" предназначен включать все такие новые технологии априори.
Используемый здесь термин "приблизительно" относится к ±10%.
Используемое здесь слово "иллюстративный" означает "служащий в качестве примера, отдельного случая или иллюстрации". Любой вариант осуществления, определенный как "иллюстративный", не должен обязательно истолковываться как предпочтительный или имеющий преимущество над другими вариантами осуществления и/или исключать наличие признаков из других вариантов осуществления.
Используемое здесь выражение "по выбору" означает "предусмотренное в некоторых вариантах осуществления и не предусмотренное в других вариантах осуществления".
Любой конкретный вариант осуществления изобретения может включать некоторое количество признаков "по выбору", если такие признаки не противоречат друг другу.
Термины "содержит", "содержащий", "включает", "включающий", "имеющий" и их однокоренные слова означает "включая, но без ограничения".
Термин "состоящий из" означает "включающий и ограниченный чем-либо".
Термин "состоящий в сущности из" означает, что состав, способ или конструкция могут включать дополнительные ингредиенты, этапы и/или детали, но только если такие дополнительные ингредиенты, этапы и/или детали существенно не изменяют основные и новые характеристики предлагаемого состава, способа или конструкции.
Используемый здесь термин "соединение" или "по меньшей мере одно соединение" может включать несколько соединений, включая их смеси.
В тексте настоящей заявки различные варианты осуществления настоящего изобретения могут быть представлены в формате диапазона. Следует понимать, что указание в формате диапазона дано просто для удобства и краткости и не должно истолковываться как негибкое ограничение объема изобретения. Соответственно, указание диапазона должно считаться раскрывающим все возможные поддиапазоны, а также отдельные числовые значения в таком диапазоне. Например, указание диапазона от 1 до 6 должно считаться конкретно раскрывающим поддиапазоны от 1 до 3, от 1 до 4, от 1 до 5, от 2 до 4, от 2 до 6, от 3 до 6 и т.д., а также отдельные числовые значения в таком диапазоне, например 1, 2, 3, 4, 5 и 6. Это применимо независимо от ширины диапазона.
В случае указания здесь числового диапазона это означает, что он включает любое указанное число (дробное или целое). Фраза "в диапазоне от… до…" указывает первое число и второе число, и слова "в диапазоне от" первого указанного числа "до" второго указанного числа используются здесь взаимозаменяемо и означают "включая первое и второе указанные числа и все дробные и целые числа между ними".
Необходимо понимать, что определенные признаки изобретения, которые для простоты указаны в контексте отдельных вариантов осуществления, также могут быть представлены в сочетании в одном варианте осуществления. И наоборот, различные признаки изобретения, которые для простоты указаны в контексте одного варианта осуществления, могут также быть представлены отдельно или в любом подходящем сочетании в любом другом описанном варианте осуществления изобретения. Определенные признаки, описанные в контексте разных вариантов осуществления, не должны считаться существенными признаками таких вариантов осуществления, если только такой вариант осуществления без этих элементов не работает.
Различные варианты осуществления и аспекты настоящего изобретения, которые описаны выше и заявлены в формуле изобретения, имеют экспериментальную поддержку в следующих примерах.
ПРИМЕРЫ
Теперь ссылка делается на следующие примеры, которые вместе с вышеприведенным описанием иллюстрируют некоторые варианты осуществления изобретения неограничительным образом.
ПРИМЕР 1
Вычислительная модель
В данном примере приведены дополнительные соображения, касающиеся отношения между электрической емкостью и средним объемом альвеол, без привязки к любой конкретной теории. Нижеследующее основано на вычислительной модели, которая не предназначена для ограничения объема настоящего изобретения каким-либо образом.
На ФИГ.8 представлена упрощенная схема альвеолы, которая сжимается во время выделения молока. Для простоты изложения альвеола представлена как сплюснутое тело, которое сжимается по меньшей оси с.
Среднее поперечное сечение одного сплюснутого тела в произвольной ориентации можно вычислить [Виккерс и Браун (Vickers and Brown), Proc. R. Soc. Lond. A, 457, 283] следующим образом:
<mrow><mo><</mo><msub><mi>σ</mi><mn>1</mn></msub><mo>></mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>π</mi><msup><mi>a</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><mi>π</mi><mi>a</mi><mi>c</mi></mrow><mn>2</mn></mfrac><mfrac><mrow><msup><mrow><mi>sinh</mi></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mi>e</mi></mrow><mi>e</mi></mfrac></mrow>
,
2
2
0.5
1
где е - эллиптичность сплюснутого тела, определяемая как e=(1-с/а), и а - половина большего диаметра сплюснутого тела (а>с). Правый член <σ> является почти постоянным и равен 0,88.
Объем сплюснутого тела равен:
1
2
V=4πac/3.
с
Когда сплюснутое тело далее сплющивается, а приблизительно постоянная, и объем пропорционален  без заметного изменения в сплюснутой области (поверхность сплюснутого тела необязательно эластичная для того, чтобы вмещать изменение в объеме молока).
1
Предполагая равномерную плотность альвеол, n, объем молока V может быть соотнесен с объемом альвеол, V:
<mrow><msub><mi>V</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>V</mi><mrow><mi>n</mi><msub><mi>V</mi><mrow><mi>b</mi><mi>r</mi><mi>e</mi><mi>a</mi><mi>s</mi><mi>t</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
breast
где V - эффективный объем груди.
samp
Электрическую емкость многочисленных альвеол в дискретном объеме можно оценить, подсчитав альвеолы, как если бы они были расположены слоями из одной альвеолы в каждом положении (смотрите ФИГ. 9). Такой слой с площадью A определяет полное поперечное сечение альвеол <σ>:
1
samp
2/3
<σ>=<σ>nA
что можно записать как:
<mrow><mo><</mo><mi>σ</mi><mo>></mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>π</mi><msup><mi>a</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mn>2</mn></mfrac><msup><mi>n</mi><mrow><mn>2</mn><mo>/</mo><mn>3</mn></mrow></msup><msub><mi>A</mi><mrow><mi>s</mi><mi>a</mi><mi>m</mi><mi>p</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mfrac><mrow><mn>0.88</mn><mo>⋅</mo><mn>3</mn></mrow><mrow><mn>8</mn><mi>a</mi></mrow></mfrac><mfrac><mrow><msub><mi>A</mi><mrow><mi>s</mi><mi>a</mi><mi>m</mi><mi>p</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>b</mi><mi>r</mi><mi>e</mi><mi>a</mi><mi>s</mi><mi>t</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><msup><mi>n</mi><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>3</mn></mrow></msup><mi>V</mi></mrow>
.
samp
Полная электрическая емкость из-за альвеол берется между потенциальными поверхностями расстояния разделения L:
<mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>a</mi><mi>l</mi><mi>v</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ε</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>ε</mi><mi>r</mi></msub><mo><</mo><mi>σ</mi><mo>></mo></mrow><mrow><msub><mi>D</mi><mrow><mi>e</mi><mi>f</mi><mi>f</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
eff
где D - эффективная ширина всего изолирующего материала между потенциальными поверхностями. Таким образом, в данной вычислительной модели вся электрическая емкость последовательно суммируется до одного конденсатора с эффективной толщиной изолирующего слоя. Поскольку в каждом слое альвеол поперечное сечение изолирующей поверхности равно 4 мембранам с толщиной d (две стороны клетки на двух сторонах альвеолы, которые образуют ее оболочку), полную эффективную мембрану можно вычислить как:
eff
samp
1/3
D=4d(nL).
Таким образом, полную электрическую емкость можно записать как:
<mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>a</mi><mi>l</mi><mi>v</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mrow><msub><mi>A</mi><mrow><mi>s</mi><mi>a</mi><mi>m</mi><mi>p</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mi>s</mi><mi>a</mi><mi>m</mi><mi>p</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ε</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>ε</mi><mi>r</mi></msub></mrow><mi>d</mi></mfrac><mo stretchy="false">)</mo><msup><mi>n</mi><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>3</mn></mrow></msup><mo stretchy="false">[</mo><mfrac><mrow><mi>π</mi><msup><mi>a</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mn>8</mn></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><mn>0.88</mn><mo>⋅</mo><mn>3</mn></mrow><mrow><mn>32</mn><mi>a</mi></mrow></mfrac><mfrac><mi>V</mi><mi>N</mi></mfrac><mo stretchy="false">]</mo></mrow>
,
breast
где N=nV - количество альвеол в груди.
Без привязки к любой теории можно предположить, что в среднем N, а и d имеют значения, универсальные для большинства женщин, иначе грудное вскармливание было бы или слишком трудным для ребенка, или молоко бы выделялось спонтанно. Плотность n, количество жира в груди и форма груди могут влиять на значение С для какого-то данного объема молока V.
ПРИМЕР 2
Мониторинг грудного вскармливания с использованием 4-проводной конфигурации
Способы
В 60 сеансах выделения молока участвовали 11 кормящих матерей, причем они или откачивали молоко или давали его своим детям в количестве свыше 45 мл. Количество молока в случае откачки измеряли согласно уровню молока в бутылке во время нескольких перерывов приблизительно по 1/2 минуты в выделении молока, и в случае кормления ребенка согласно весу ребенка до и после кормления. Точность первого способа составляла 5 мл и второго 10 мл. Плотность откачиваемого молока регулярно проверяли, и можно предположить, что она составляла 1 г/мл (с погрешностью до 7%).
Для контроля использовали 4-проводной способ импеданса переменного тока. Четыре электрода для педиатрического ЭКГ (компания ConMed Huggables 1620-003) разместили на верхней части груди в постоянном для каждой пациентки месте (±1 см), на 6-7 см выше соска. Внутренние электроды напряжения были разнесены на 65 мм, и наружные электроды тока поместили еще на 30 мм от электродов напряжения. Дискретный сигнал имел форму волны 0.5sin(ωf)+0.5sin(0.5ωt) в В (t - время), где ω=2πf и f=50 кГц.
Форму волны генерировали с помощью прибора National Instrument USB-6251 с цифроаналоговым выходом на частоте обновления 2,5 МГц, установив дифференциальный усилитель INA117 в качестве буфера. Это колеблющееся напряжение соединили с одним электродом из пары тока, а другой электрод из пары тока соединили с заземлением через резистор 301 Ом (0,1%), который использовали для выборки тока по разнице напряжения на резисторе. Каждый электрод из пары напряжения усиливали с помощью усилителя LT1793 Jfet и осуществляли выборку аналого-цифровой функцией карты получения N1 USB-6251.
Напряжение выборки ε было основано на разнице между напряжением на выходах двух усилителей. Ток и напряжение выборки пропускали через быстрое преобразование Фурье из размера банка односекундных данных при частоте выборки 1 МГц. Находили пики на каждой проверяемой частоте, и фазу и амплитуду тока и напряжения после преобразования Фурье преобразовывали в сопротивление R и электрическую емкость С в параллельной модели на основе следующего уравнения:
<mrow><mfrac><mi>I</mi><mi>ε</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>R</mi></mfrac><mo>+</mo><mi>i</mi><mi>ω</mi><mi>C</mi></mrow>
Результаты
a
b
a
b
Результаты электрической емкости С, результат умножения RC для более высокой частоты (50 кГц) и более низкой частоты (25 кГц) и отношение R/R как функция объема потребляемого молока показаны на ФИГ.10-13, соответственно, для одного экспериментального сеанса. С выражена в нанофарадах (ФИГ.10), RC в наносекундах (ФИГ.11 и 12) и отношение R/R является безразмерным (ФИГ.13). Объем потребляемого молока выражен в миллилитрах. Результаты другого экспериментального сеанса для другой пациентки показаны на ФИГ.14-16 (выполнен на частоте 50 кГц).
В представительном экспериментальном сеансе, показанном на ФИГ.11-13, использовали следующий протокол: 5 минут отдыха (т.е. без откачки или грудного вскармливания), 10 минут откачки (от 6-й минуты до 15-й минуты), 4 минуты отдыха (от 16-й минуты до 19-й минуты), 5 минут грудного вскармливания (от 20-й минуты до 24-й минуты) и 2 минуты отдыха (от 25-й минуты до 26-й минуты). Во время периода откачки было откачано 70 мл, и 40 мл скормили во время периода грудного вскармливания. Другую грудь также контролировали в течение всех 26 минут, но молоко не выделяли. Каждая точка на ФИГ.10-13 основана на среднем значении из последовательных 10 выборок R и С, и стандартное отклонение для С было вычислено по 10 выборкам. Точки со стандартным отклонением больше 2% от среднего значения во внимание не принимали. Стабильность составляла приблизительно 0,2-1%. Кривые RC как функцию объема потребляемого молока (ФИГ.11 и 12) вычисляли на основе двух последних точек сразу же перед началом выделения молока и первых двух точек сразу же после остановки выделения молока. Кривые изучали, чтобы определить масштабирование между объемом выделяемого молока и электрическими измерениями.
1/2
a
a
a
a
Электрическая емкость показала снижение от начального значения 9,5 нФ до 7,7 нФ из-за снижения количества молока в альвеолах груди (ФИГ.10). Линейная зависимость результата умножения RC наблюдалась как для более высокой (ФИГ.11), так и для более низкой (ФИГ.12) частот. Подобное поведение наблюдали во всех остальных сеансах. Наклон кривой Δ(RC)/ΔV в этом представительном сеансе составлял приблизительно -1,05 нс/мл. Значение RC изменилось только немного в течение всего сеанса (RC=4520±80 нс).
Результаты дополнительного экспериментального сеанса представлены на ФИГ.14-16. На ФИГ.14-15 показано изменение электрической емкости против времени и против выделения молока во время грудного вскармливания, и на ФИГ.16 показано изменение электрического сопротивления. На ФИГ.14-16 ромбами показаны результаты измерений до и после того, как ребенок коснулся груди, а точками показаны результаты измерений, когда ребенок сосал грудь (место последних на оси выделения молока предполагает постоянную скорость кормления). Захватывание ребенком груди модифицирует эту геометрию и, таким образом, изменяет электрическую емкость и сопротивление; однако сопротивление возрастает, а электрическая емкость убывает по сравнению с линией между стабильными измерениями, поэтому в значениях RC перерыв на захватывание ребенком должен уменьшаться. Отметим, что во время выделения 160 мл значение электрической емкости снижается более чем на 40%, тогда как изменение в сопротивлении намного меньше в относительных числах (в других экспериментальных сеансах изменение сопротивления не соотносили с выделением молока).
Обсуждение
1/2
1/2
1/2
Стандартное отклонение кривых Δ(RC)/ΔV, полученное за 60 сеансов, составило приблизительно 25% от среднего значения кривой. После коррекции Δ(RC) с использованием исторических данных кривые показали уменьшение в стандартном отклонении до 23,5% от среднего значения. Следующую формулу использовали для коррекции Δ(RC):
<mrow><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>R</mi><mi>C</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msup><mrow><mrow><mo>〈</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></msub></mrow><mo>〉</mo></mrow></mrow><mrow><mn>0.5</mn></mrow></msup><msup><mrow><mrow><mo>〈</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mi>a</mi></msub><msub><mi>C</mi><mi>a</mi></msub></mrow><mo>〉</mo></mrow></mrow><mrow><mn>0.4</mn></mrow></msup><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>R</mi><mi>a</mi></msub><msub><mi>C</mi><mi>a</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mn>0.1</mn></mrow></msup></mrow></mfrac></mrow>
ФИГ.17 является гистограммой кривых после коррекции, где средний наклон кривой масштабирован до 100%. 72% значений находятся в пределах погрешности 20% в наклоне кривой относительно среднего значения. Разница в процентах относительно 100% может интерпретироваться как ошибка в прогнозном изменении объема молока на основе электрических измерений при данной настройке. Среднее значение наклона кривой после коррекции можно использовать для определения изменения в объеме молока с использованием настройки как контроля за грудным вскармливанием.
1/2
a
a
1/2
Данный эксперимент продемонстрировал, что с учетом среднего наклона кривой измерения в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения разницы в Δ(RC) и начальных значений RC и (RC) позволяют прогнозировать объем потребляемого молока с точностью 23,5% для любой женщины.
ПРИМЕР 3
Контроль грудного вскармливания с использованием бесконтактной конфигурации
Количество молока, потребляемого ребенком во время грудного вскармливания контролировали путем измерения электрической емкости между двумя электродами, размещенными на груди, но не в электрическом контакте с ними во время сеанса грудного вскармливания.
На ФИГ.18 и ФИГ.19 показаны необработанные данные по сигналу электрической емкости в пФ как функция времени в произвольном блоке во время одного сеанса грудного вскармливания. Непрерывное изменения электрической емкости наблюдали во время всего сеанса. Наблюдавшееся изменение в электрической емкости интерпретировали как представление количества молока, потребляемого ребенком во время грудного вскармливания.
Количество потребляемого молока может быть соотнесено со следующим нормализованным изменением в электрической емкости:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>C</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
1
2
где C - электрическая емкость перед кормлением, и C - электрическая емкость после кормления.
Хотя изобретение было описано в связи с его конкретными вариантами осуществления, понятно, что для специалистов в данной области будут очевидны многие альтернативы, модификации и изменения. Соответственно, предполагается охватить все такие альтернативы, модификации и изменения, которые подпадают под суть и широкий объем прилагаемой формулы изобретения.
Все публикации, патенты и патентные заявки, упомянутые в настоящем описании, включены в него в полном объеме путем ссылки в описании, как если бы каждая отдельная публикация, патент или патентная заявка была конкретно и отдельно указана как включенная в настоящий документ путем ссылки. Кроме того, упоминание любой ссылки в настоящей заявке не должно истолковываться как допущение того, что такая ссылка имелась в уровне техники до настоящего изобретения. В той степени, в которой используются заголовки разделов, они не должны истолковываться как обязательно ограничивающие.