СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕДОСТАТКА ВОДЫ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА
METHOD FOR LACK OF WATER DETERMINATION IN BODY

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.
0
з
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 f и  на высокой частоте f 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.
з
0
На фиг. 1 приведены зависимости измеренных значений во времени импеданса  на высокой частоте f (кривая 1) и  - на низкой частоте f (кривая 2).
Для исключения помех эффективно применять фильтрацию измененных значений импеданса. Можно применять различные виды фильтрации, в данном случае применен так называемый «медианный фильтр».
з
0
На фиг. 2 приведены зависимости измеренных значений во времени импеданса после обработки медианным фильтром:  на высокой частоте f (кривая 1) и  - на низкой частоте f (кривая 2). На фиг. 2 видно, что значения импеданса после фильтрации практически не содержат выбросов, вызванных случайными факторами.
0
з
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 f и  на высокой частоте f корректируются с учетом показаний датчика температуры с помощью следующих зависимостей:
,
,
0
з
где  и  - текущие значения импеданса на частоте f и на частоте f;
0
з
и  - текущее скорректированное значение импеданса на частоте f и на частоте f;
i
T - текущее значение температуры тела человека в области измерения импеданса;
0
Т - базовое значение температуры тела человека в области измерения импеданса;
T
k - температурный коэффициент сопротивления ткани, по которой протекает зондирующий ток, используемый для измерения импеданса.
0
В качестве базового значения Т может быть выбрана температура в начале измерений.
з
На основе измеренного значения импеданса на высокой частоте f получают оценку проводимости , пропорциональную количеству жидкости в тканях тела в исследуемом объеме к текущему периоду времени
0
На основе измеренного значения импеданса на низкой частоте f получают оценку проводимости , пропорциональную количеству внеклеточной жидкости в исследуемом объеме к текущему периоду времени
з
0
Вид проводимости, характеризующей  (кривая 1) - на высокой частоте f, соответствующий количеству жидкости в тканях тела в исследуемом объеме, и  (кривая 2) - на низкой частоте f, 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.
base
Начальный момент времени измерений t 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,
thresh
Δ - 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.