УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АКТИВНОСТИ БОЛЕЗНИ
DEVICE AND METHOD FOR DETERMINATION OF DISEASE ACTIVITY

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к системе и способу определения активности болезни и, в частности, - к системе и способу определения активности болезни посредством оптических измерений.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ревматоидный артрит (РА) является одной из наиболее часто встречающихся хронических ревматических болезней, поражающих большую часть населения. Эта аутоиммунная болезнь вызывает хроническое воспаление суставов, которое со временем разрушает суставы и ограничивает их гибкость.
В общем случае лечение ревматоидного артрита выполняют поэтапно. Сначала пациент принимает болеутоляющие средства, которые часто сопровождаются нестероидными противовоспалительными лекарствами (NSAID) и модифицирующими течение болезни противоревматическими лекарствами (DMARD). Последняя стадия медицинского лечения - использование биологических методов лечения или иммунотерапии для уменьшения возможности иммунной системы тела начинать или поддерживать ненужное воспаление суставов. В качестве последней меры выполняют хирургическое вмешательство, которое в исключительных случаях приводит к искусственным суставам или к жесткому закреплению с помощью операции рассматриваемых суставов. Иммунотерапия и хирургическое вмешательство, в частности, очень дороги и могут стоить десятки тысяч долларов за год на пациента. Кроме того, используемые на более поздних стадиях лечения лекарства могут также приводить к серьезным побочным эффектам. Так как ревматоидный артрит является прогрессирующей болезнью, ранняя диагностика и начало лечения могут помочь отсрочить лечение с побочными явлениями и высокой стоимостью. Для выбора терапии для пациента, врачи рассматривают активность болезни, например, количество и серьезность воспаленных суставов. Таким образом, значимый и интуитивно понятный показатель активности болезни поможет упрощать и ускорять процессы анализа и принятия решения для назначения соответствующей терапии. Для ревматоидного артрита существуют различные определения активности болезни, большинство из которых является составными индексами, такими как DAS28, опросник оценки здоровья и др. В пределах данного изобретения уровни воспаления сустава являются важным индикатором активности болезни.
При ревматоидном артрите и при многих других воспалительных или злокачественных болезнях количество и свойства кровеносных сосудов в пораженной болезнью части тела изменяются, что приводит к отличающейся перфузии или динамике перфузии, например, в больных суставах. Это было продемонстрировано, например, используя зависящие от времени измерения нецелевых флуоресцентных красителей или другие контрастных агентов. Однако, в клинической практике ревматологов и других врачей применение контрастных веществ невозможно. Кроме того, контрастные вещества дороги и могут быть вредными для здоровья или приводить к иммунологическим реакциям.
WO 2010/064202 A2 относится к устройству и способу оптического обнаружения состояния сустава. Ослабление света локально обнаруживают для двух отличающихся мест, по меньшей мере одно из которых является суставом, который будут исследовать. В данном случае сигнал, являющийся результатом ослабления света кровью, можно отделять от сигналов, являющихся результатом ослабления света другими источниками, из-за периодических изменений интенсивности, вызванных пульсовыми колебаниями кровяного давления пациента. Так как у воспаленных суставов будут отличающиеся кровоснабжение и кислородонасыщение по сравнению со здоровыми суставами, свойства динамического спектра будут отличаться.
Однако у медицинского работника нет времени на отнимающий много времени анализ измеренных спектров. В частности, хотя спектры суставов содержат информацию об активности болезни, уровень этой активности непосредственно не очевиден из измеренного спектра. Вместо этого медицинский работник нуждается в однозначном и количественном показателе, указывающем на активность болезни в качестве единственного значения, так, чтобы он мог поставить диагноз, основываясь на активности болезни.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ввиду вышеупомянутых недостатков и проблем в предшествующем уровне техники, задачей настоящего изобретения является обеспечение системы и способа определения активности болезни в качестве единственного значения посредством оптических измерений для облегчения анализа текущего состояния болезни и/или будущего течения болезни, таким образом помогая врачу поставить диагноз или принять решение о терапии.
Данная задача решена с помощью признаков в независимых пунктах формулы изобретения.
Изобретение основано на идее, что активность болезни соотносится с динамикой перфузии пораженной болезнью части тела, например сустава, и может быть оценена посредством оптических измерений, во время которых изменяют перфузию части тела. Из полученных данных извлекают признаки и объединяют их таким образом, что активность болезни можно определить в качестве единственного значения или скалярного значения. Таким образом, количественный показатель может легко и автоматически обеспечивать оценку уровня болезни, которую медицинский работник может рассматривать для постановки диагноза.
Первый аспект изобретения обеспечивает систему для определения активности болезни по отношению к интересующей области, содержащую блок управления, настроенный для получения признаков из обнаруженных значений интенсивности света по меньшей мере в двух различных состояниях перфузии в интересующей области и для определения активности болезни в качестве единственного значения или скалярного значения, используя эти признаки. Обнаруженные значения интенсивности света, измеренные по меньшей мере в двух различных состояниях перфузии, можно коррелировать с активностью болезни посредством полученных признаков. Значения интенсивности света могут относиться к свету, который отражается и/или пропускается интересующей областью.
Блок управления можно настраивать для получения признаков из обнаруженных значений интенсивности по меньшей мере одной предопределенной длины волны или по меньшей мере двух предопределенных длин волн.
Система может содержать средство управления перфузией для изменения перфузии интересующей области;
облучающий блок, который имеет возможность облучения светом интересующей области; и
блок обнаружения, который имеет возможность обнаружения значения интенсивности света, отражаемого и/или пропускаемого интересующей областью.
Это предоставляет возможность получения изображения или данных для обеспечения данных для блока управления.
Облучающий блок может иметь возможность облучения интересующей области светом по меньшей мере одной длины волны или по меньшей мере двух длин волн. Использование двух длин волн может улучшать точность.
Согласно одному аспекту настоящего изобретения обеспечена система для определения активности болезни, содержащая средство управления перфузией, например, манжету для измерения давления, для изменения перфузии интересующей области или части тела. Для выполнения оптических измерений обеспечен облучающий блок для облучения интересующей области светом по меньшей мере двух различных длин волн, так, чтобы локальную динамику перфузии можно было наблюдать посредством оптических измерений. Облучающий блок может иметь возможность излучать свет на различных длинах волн одновременно, например, как многоцветный или белый свет, или последовательно, то есть как одна длина волны за один раз. Кроме того, система содержит блок обнаружения для определения ослабления света, то есть интенсивности света, отражаемого и/или пропускаемого интересующей областью. Блок управления может затем извлекать параметры или признаки из графика интенсивности пропускания и/или отражения, построенного в зависимости от времени, относящегося по меньшей мере к двум различным состояниям перфузии по меньшей мере для двух предопределенных длин волн. В данном случае длины волн, излучаемые облучающим блоком, и/или длины волн, детектируемые блоком обнаружения, могут содержать предопределенные длины волн, используемые для извлечения признаков. С помощью извлеченных признаков блок управления может определять активность болезни. Для этого блок управления предпочтительно объединяет полученные признаки, основываясь на предопределенном алгоритме, например, с помощью выполнения математических операций.
В дополнительном варианте осуществления перфузию кровью интересующей области изменяют периодически или циклически с помощью средства управления перфузией. Перфузию кровью можно изменять с помощью удерживания крови в интересующей области в течение предопределенного времени и затем освобождения крови. Поэтому, состояния перфузии могут относиться к случаю максимального удерживания крови и свободно текущей крови, что приводит к максимальному и минимальному ослаблению. В случае периодического управления перфузией, когда выбирают два различных момента времени в пределах одного цикла управления перфузией, выбирают два различных состояния перфузии. С помощью периодического изменения может быть проще проанализировать обнаруженные кривые интенсивности.
В одном варианте осуществления облучающий блок может облучать интересующую область белым или многоцветным светом. Для этого облучающий блок может содержать любой источник света, имеющий широкий спектральный диапазон. В этом случае выбор длины волны необходимо выполнять на стороне детектора, например, с помощью использования оптического фильтра перед блоком обнаружения или с помощью разделения отражаемого и/или проходящего света на несколько компонентов, используя дихроические элементы или решетки вместе с множеством детекторных элементов.
В альтернативном предпочтительном варианте осуществления, однако, облучающий блок имеет возможность выбора различных длин волн. Таким образом, излучение света облучающего блока можно переключать для последовательного облучения интересующей области с помощью одной длины волны за один раз. Если для облучения используется монохроматический свет, то есть, если выбор длины волны выполняют на стороне облучения, то можно использовать широкополосный детектор. В этом случае облучающий блок может содержать множество монохроматических источников света, таких как лазеры или светодиоды, тогда как широкополосный детектор может быть реализован как любой детектор с широкой спектральной чувствительностью, например, CCD (прибор с зарядовой связью) или фотодиод. Этот вариант осуществления предпочтителен по отношению к качеству данных, конфигурации установки и стоимости. В частности, никакой дорогой и сложный выбор длины волны не требуется на стороне обнаружения.
Предпочтительно, по меньшей мере две предопределенных длины волн, на которых признаки извлекают и обрабатывают для определения активности болезни, соответствуют длинам волн, которые показали, что они являются наиболее важными длинами волн для определения активности болезни. Таким образом, оптические измерения можно выполнять только на этих длинах волн, так, чтобы сэкономить время обследования и уменьшить количество данных для анализа, по сравнению с измерениями, выполняемыми на всех доступных длинах волн. Кроме того, используя только несколько важных длин волн для оптических измерений, стоимость системы также можно уменьшать, поскольку требуется меньше компонентов. Важность длин волн может зависеть от болезни, которую будут исследовать, или от конкретных интересующих областей, то есть частей тела, связанных с болезнью, которую будут исследовать.
В одном варианте осуществления предопределенные длины волн, используемые для извлечения признаков, находятся в ближней инфракрасной части спектра, или в инфракрасном диапазоне. Например, предопределенные длины волн для анализа, и таким образом обычно также длины волн для облучения, могут включать в себя шесть длин волн приблизительно на 586±10 нм, 638±10 нм, 666±10 нм, 808±10 нм, 835±10 нм и 864±10 нм. В сокращенном варианте осуществления предопределенные длины волн для анализа и/или длины волн для облучения могут включать в себя четыре длины волн приблизительно на 666±10 нм, 808±10 нм, 835±10 нм и 864±10 нм. В предпочтительном варианте осуществления предопределенные длины волн для анализа и/или длины волн для облучения могут включать в себя две длины волн приблизительно на 666±10 нм и 808±10 нм. Поэтому, для примера обращаясь к последнему варианту осуществления, извлечение признаков предпочтительно выполняют на кривых интенсивности, зарегистрированных для этих длин волн, например, 666±10 нм и/или 808±10 нм. Однако предопределенные длины волн для извлечения признаков и/или предопределенный алгоритм для получения активности болезни из извлеченных признаков можно выбирать согласно болезни, которую будут оценивать, которая может в общем случае быть любой болезнью, влияющей на перфузию части тела пациента.
Для оценки активности болезни блок управления может использовать предопределенную функцию, в которую вводят полученные признаки. Данную функцию можно определять посредством регрессионного анализа, линейного дискриминантного анализа, анализа вариантов или «частичного дискриминантного анализа методом наименьших квадратов» и т.п., например, на основе данных клинического исследования. Дополнительно или альтернативно, вектор регрессии можно таким образом определять и использовать для определения активности болезни. Вектор регрессии может содержать весовые коэффициенты для взвешивания различных признаков согласно их надежности или влиянию на правильное определение активности болезни. Кроме того, вектор регрессии может содержать весовые коэффициенты для параметров пациента, внешней среды и/или калибровки, которые может включать в себя вектор признаков. Эти параметры могут относиться, например, к весу или возрасту пациента, к температуре в комнате и т.п. Предпочтительно, активность болезни определяют, используя скалярное произведение вектора регрессии и вектора признаков, содержащего полученные признаки предопределенных длин волн и различных условий перфузии. В данном случае вектор признаков может соответствовать вектору столбца, имеющему количество строк, равное произведению количества предопределенных длин волн и количества состояний перфузии.
В предпочтительном варианте осуществления систему можно настраивать для определения подходящей длины волны для облучения и/или извлечения признаков. Для этого блок управления можно настраивать для определения по меньшей мере одного вектора регрессии, так, чтобы вектор регрессии предоставлял возможность соотносить оптические данные с одним значением, которое указывает активность болезни, на множестве различных длин волн. Оптические данные могут быть получены для группы пациентов, отображающие различные активности болезни, причем активности болезни определяют также обычными способами. Вектор регрессии можно определять посредством регрессионного анализа, линейного дискриминантного анализа, анализа вариантов или «частичного дискриминантного анализа методом наименьших квадратов» и т.п., таким образом, что скалярное произведение вектора регрессии и вектора признаков, содержащего признаки, полученные из оптических данных пациента, приближается к традиционно определенной активности болезни пациента. Наиболее важные и надежные длины волн затем выбирают, выбирая длины волн, соответствующие экстремальному значению в спектре вектора регрессии, причем определенный вектор регрессии графически отображают в зависимости от различных длин волн. Эти длины волн используются для облучения, а также для анализа данных при будущих обследованиях пациента. Кроме того, определенный вектор регрессии может использоваться для определения активности болезни, как описано выше.
В дополнительном предпочтительном варианте осуществления блок управления определяет активность болезни с помощью использования выражения:
1
1
2
2
Активность болезни=-1,32×(нормализованная интенсивность пропускания при длине волны облучения приблизительно 666±10 нм в первый момент t времени)-27,2×(нормализованная интенсивность пропускания при длине волны облучения приблизительно 808±10 нм в первый момент tвремени)±5,98×(нормализованная интенсивность пропускания при длине волны облучения приблизительно 666±10 нм во второй момент tвремени)-23,8×(нормализованная интенсивность пропускания при длине волны облучения приблизительно 808±10 нм во второй момент t времени),
1
2
1
2
1
2
1
2
причем t и t являются различными моментами времени. То есть в случае периодического изменения перфузии t и t соответствуют различным состояниям A и B перфузии. Например, когда используют манжету для измерения давления в качестве средства управления перфузией, состояние A может относиться к первому моменту t времени перед наполнением манжеты воздухом, а состояние B может относиться ко второму моменту t времени после наполнения манжеты воздухом. В этом случае состояния A и B таким образом относятся к свободному кровотоку и затрудненному кровотоку, соответственно. Вышеупомянутое выражение можно рассматривать в качестве скалярного произведения предопределенного вектора регрессии, содержащего весовые коэффициенты (-1,32, -27,2, 5,98, -23,8), и вектора признаков, содержащего обнаруженные значения интенсивности приблизительно на 666±10 нм и 808 нм в двух различных моментах t и tвремени, соответственно. Весовые коэффициенты данного выражения можно определять, применяя регрессионный анализ или дискриминантный анализ к набору данных клинического исследования для длин волн приблизительно 666±10 нм и приблизительно 808±10 нм.
В качестве признаков, используемых для определения активности болезни, максимальная интенсивность, минимальная интенсивность, амплитуда интенсивности или разность интенсивностей, смещение, время спада, точка перегиба, любой другой параметр, определенный с помощью математических операций или любой их комбинации, могут быть получены из кривых интенсивности. Альтернативно или дополнительно, подобранные параметры, полученные с помощью подбора кривых измеренной интенсивности или их частей, могут использоваться для определения активности болезни.
Активность болезни может относиться к уровню воспаления, которое указывает состояние воспалительной болезни, например, активности болезни ревматоидного артрита (РА). Однако, система может также использоваться для определения активности болезни для других болезней, которые влияют на перфузию части тела или интересующей области, таких как рак, при котором перфузия кровью изменяется вокруг опухолей. В этом случае предопределенную длину волны для извлечения признаков можно выбирать согласно болезни или согласно части тела при исследовании. В данном случае можно рассматривать физиологические компоненты различных частей тела, что приводит к различным оптическим свойствам. Кроме того, когда используют вектор регрессии, вектор регрессии можно также выбирать в зависимости от болезни или пораженной болезнью части тела. Когда активность болезни относится к ревматоидному артриту, интересующая область или часть тела, которую будут исследовать, является предпочтительно суставом, и, в частности, суставом руки или ноги.
В дополнительном предпочтительном варианте осуществления оптические измерения выполняют в различных местах на теле пациента, например, на различных суставах. С помощью этого полное состояние болезни можно определять для пациента. Кроме того, эталонную область можно выбирать для калибровки измерений. Таким образом, можно рассматривать определенные свойства пациента, такие как толщина поглощающих слоев, например, жира, или диаметр суставов.
В дополнительном аспекте настоящего изобретения обеспечивают способ определения активности болезни по отношению к интересующей области. Способ содержит этапы, на которых:
получают признаки из обнаруженных значений интенсивности света по меньшей мере в двух различных состояниях перфузии интересующей области; и
определяют активность болезни в качестве единственного значения или скалярного значения, используя эти признаки.
Этап получения признаков из обнаруженных значений интенсивности может содержать получение признаков из обнаруженных значений интенсивности по меньшей мере одной предопределенной длины волны или по меньшей мере двух предопределенных длин волн.
Способ может содержать этапы, на которых
изменяют перфузию кровью интересующей области;
облучают светом интересующую область; и
обнаруживают значение интенсивности света, отражаемого и/или пропускаемого интересующей областью.
Облучение светом интересующей области может содержать облучение интересующей области светом по меньшей мере двух длин волн.
В дополнительном аспекте настоящего изобретения обеспечен способ определения активности болезни. В данном способе перфузия кровью интересующей области изменяется, когда интересующую область облучают светом по меньшей мере двух длин волн. Интенсивность отражаемого и/или проходящего света обнаруживают, и признаки получают из обнаруженных кривых интенсивности по меньшей мере в двух различных состояниях перфузии. Для извлечения признаков выбирают кривые интенсивности предопределенных длин волн. Эти предопределенные длины волн предпочтительно относятся к наиболее важным длинам волн для надежного определения активности болезни. Полученные признаки используют для определения активности болезни. Например, признаки можно объединять, используя предопределенный алгоритм, так, чтобы активность болезни была получена из него в качестве единственного значения. Посредством этого единственное значение, указывающее серьезность болезни, обеспечивают врачу, так, чтобы он мог легко выбрать дополнительные методы лечения.
В дополнительном аспекте изобретения компьютерный программный продукт обеспечивают для предписания процессорной системе выполнять этапы получения признаков из обнаруженных значений интенсивности света по меньшей мере в двух различных состояниях перфузии в интересующей области; и определять активность болезни, используя эти признаки.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На чертежах:
фиг. 1 показывает систему для определения активности болезни согласно настоящему изобретению;
фиг. 2 показывает кривую интенсивности, полученную при работе системы на фиг. 1;
фиг. 3 показывает последовательность операций для определения активности болезни согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг. 4 показывает последовательность операций для определения активности болезни согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг. 5 показывает последовательности операций для определения активности болезни согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг. 6 показывает последовательность операций для определения активности болезни согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг. 7 показывает последовательность операций для установки системы согласно настоящему изобретению; и
фиг. 8 показывает спектр, в котором два вектора регрессии изображают в зависимости от длин волн.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
На фиг. 1 показана система согласно настоящему изобретению. Система содержит облучающий блок 200, блок 300 обнаружения и блок 400 управления. В одном варианте осуществления облучающий блок 200 содержит по меньшей мере один или по меньшей мере два монохроматических источника света для излучения света на необходимой длине волны или на необходимых длинах волн, например, светодиода или лазерных диода. Светом на необходимой длине волны или длинах волн облучают часть тела или интересующую область 10 пациента и обнаруживают проходящий свет с помощью блока 300 обнаружения. Может существовать соответствующая среда для оптического соединения интересующей области 10 с облучающим блоком 200 или блоком 300 обнаружения. В данном варианте осуществления блок 300 обнаружения может содержать широкополосный детектор, например, CCD или фотодиод. Обнаруженные сигналы обеспечивают к блоку 400 управления для обработки и анализа. Блок 400 управления может также управлять облучающим блоком 200 или блоком 300 обнаружения.
Например, облучающий блок 200 содержит один монохроматический источник света для излучения света на необходимой длине волны. Эту длину волны можно выбирать так, чтобы она соответствовала характеристике спектрального поглощения части тела или интересующей области. В другом примере облучающий блок 200 содержит по меньшей мере два монохроматических источника света для излучения света на необходимых длинах волн, причем эти длины волн можно выбирать так, чтобы они соответствовали различным характеристикам спектрального поглощения части тела или интересующей области, что может улучшать количество информации, доступной из измеренных сигналов. Признаки, описанные относительно системы, основанной по меньшей мере на свете двух длин волн, могут так же применяться к системе, основанной на свете одной длины волны.
В альтернативном варианте осуществления облучающий блок 200 содержит широкополосный источник света, излучающий белый свет. В данном варианте осуществления блок 300 обнаружения настроен для того, чтобы различать между собой различные длины волн, например, с помощью использования оптического фильтра, такого как многослойный диэлектрический фильтр, поглощающий фильтр, акустически-оптический фильтр и т.д. Альтернативно, проходящий свет можно разделять на несколько компонентов согласно различным длинам волн с помощью использования дихроических элементов или решеток в комбинации с множеством детектирующих элементов. В дополнительном альтернативном варианте осуществления система может работать в режиме отражения, то есть детектировать отражаемый свет. В данном случае блок 300 обнаружения и облучающий блок 200 можно объединять.
В последующем, однако, описана система согласно первому варианту осуществления, которая работает в режиме пропускания света и содержит облучающий блок 200, который имеет возможность излучения монохроматического света с различными длинами волн, однако не ограничен этим. Таким образом, другие упомянутые варианты осуществления для системы могут использоваться аналогичным способом. Кроме того, это относится в последующем к определению активности болезни ревматоидного артрита. Таким образом, исследуемая интересующая область 10 относится к суставам, например, к суставам пальцев.
Однако настоящее изобретение может также применяться к другим болезням, влияющим на перфузию какой-либо области тела.
Во время обследования пациента врач выбирает одну или большее количество определенных длин волн для облучения интересующей области 10, например, 666 нм и 808 нм. Проходящий свет обнаруживают с помощью блока 300 обнаружения, и результирующую кривую интенсивности регистрируют для определенных длин волн в зависимости от времени. Во время оптического измерения перфузию кровью облучаемой интересующей области 10 можно изменять, используя средство 100 управления перфузией, такое как манжета для измерения давления. Когда средство 100 управления перфузией работает, кровь накапливается в интересующей области 10, так что ослабление проходящего света становится максимальным, то есть интенсивность проходящего света становится минимальной. Аналогично, когда средство 100 управления перфузией выключают, задержанная кровь отливает от интересующей области 10, так что ослабление проходящего света и интенсивность проходящего света возвращаются к своим начальным значениям.
1
2
min
max
min
drop
max
min
min_fit
На фиг. 2 кривая I(λ, t, x) интенсивности, полученная с помощью измерения оптического пропускания света, показана для определенной длины волны λ и определенного места x интересующей области 10. При оптическом измерении интересующую область 10 облучают на выбранной длине волны λ, и интенсивность, пропускаемую через интересующую область 10, непрерывно обнаруживают с помощью блока 300 обнаружения. Во время оптического измерения манжета 100 для измерения давления наполняется воздухом и освобождается от воздуха (см. стрелки) в предопределенные моменты t и t времени, чтобы пережимать и освобождать кровоток. Во время пережатия больше крови присутствует в измеряемой интересующей области 10, что приводит к уменьшенному пропусканию света, то есть к пониженной интенсивности I. Как обозначено на фиг. 2, различные параметры или признаки можно извлекать из зарегистрированной кривой I(λ, t, x) интенсивности. Например, когда кровь течет свободно, в пропускаемой интенсивности может, однако, быть смещение. Как указано, смещение можно определять как угол между плоским участком кривой интенсивности и горизонтальной линией. Кроме того, можно извлекать значения максимальной или минимальной интенсивности I и I, а также относительную разность между значениями интенсивности перед наполнением воздухом и освобождения от воздуха манжеты 100 для измерения давления, то есть процентное значение спада относительно максимальной интенсивности (процентное значение спада). Кроме того, можно определять время спада T, которое указывает интервал времени, в течение которого интенсивность снижается на предопределенное процентное значение от амплитуды интенсивности, например, на 80% разности между максимальной интенсивностью I и минимальной интенсивностью I. Дополнительно, часть кривой интенсивности можно подбирать с помощью эмпирической функции. Затем подобранные параметры могут использоваться в качестве признаков определения активности болезни, например, I, экспоненциальная константа времени τ, и т.д. Примеры признаков показаны в таблице 1. Аналогичные параметры можно извлекать для кривой интенсивности, когда манжета 100 для измерения давления освобождена от воздуха, и для повторного цикла наполнения воздухом - освобождения от воздуха.
Таблица 1
Признак (F)
Единица измерения
Описание
Смещение
Вт/с
Случайное изменение интенсивности при освобожденной от воздуха манжете для измерения давления
I<sub>max</sub>
Вт
Интенсивность перед наполнением воздухом манжеты
I<sub>min</sub>
Вт
Интенсивность перед освобождением от воздуха манжеты
Процентное значение спада
%
Относительная разность между I<sub>max</sub> и I<sub>min</sub>
T<sub>drop</sub> (80%)
с
Время спада сигнала для спада интенсивности до определенного процентного значения (например, 80% от полного спада)
Tau
с
Константа времени, связанная с экспоненциальным приближением к линии интенсивности во время наполнения воздухом манжеты
I<sub>min_fit</sub>
Вт
Асимптотическая интенсивность, связанная с экспоненциальным приближением к кривой интенсивности во время наполнения воздухом манжеты
corr
1
N
1
N
1
N
На фиг. 3 показан способ определения активности болезни согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения. После регистрации кривой I(λ, t, x) интенсивности для одной или большего количества выбранных длин волн в одной или большем количестве интересующих областей 10 (S10), измеренная кривая I(λ, t, x) интенсивности может быть исправлена или откалибрована на первом этапе обработки данных (S20). Например, источник света и другие характеристики системы, которые хранятся в памяти, могут использоваться для калибровки измеренных данных. Также могут выполняться другие этапы обработки, например вычисление производных, вычитание сдвига или среднего значения сигнала, деление на среднеквадратичное отклонение сигнала или другие математические операции. Кроме того, можно применять электронную фильтрацию к кривой интенсивности для удаления шума из сигнала. Однако в некоторых ситуациях этап предварительной обработки (S20) может не требоваться. Из результирующей исправленной кривой I(λ, t, x) интенсивности можно получать (S30) различные признаки или параметры F(λ, x),..., F(λ, x), как описано выше. Например, извлеченные признаки F(λ, x),..., F(λ, x) могут относиться к значениям интенсивности, полученным в определенный момент времени или в определенных состояниях перфузии. Этапы S10, S20 и S30 выполняют для всех выбранных длин волн λ. В случае измерения нескольких интересующих областей 10, то есть нескольких суставов, эти этапы S10, S20 и S30 также повторяют для различных мест x. Затем признаки F(λ, x),..., F(λ, x) вставляют в функцию или так называемое преобразование признаков (S40), и определяют активность болезни (S50). Активность болезни можно определять количественно в произвольном масштабе, например, от 1 до 5 для артрита, причем 1: отсутствие воспаления; 2: возможно небольшое воспаление; 3: умеренное воспаление; 4: воспаление; и 5: серьезное воспаление. В качестве первого примера преобразования признаков показано выражение (1):
1
2
max
min
1
2
1
2
1
N
i
av
i
В данном выражении (1) A - уровень воспаления места x по отношению к эталонному месту x, C является предопределенной константой, и I и I относятся к максимальной и минимальной интенсивности, соответственно, на соответствующих длинах волн λ и λ и в местах x и x. Таким образом, признаки F(λ, x),..., F(λ, x), полученные из измеренной кривой I(λ, t, x) интенсивности, могут использоваться для формирования единственного значения A, относящегося к зависимому от места уровню воспаления или активности болезни. Нужно отметить, что уравнение (1) является только примером. Таким образом, также возможны другие математические операции. В модификации данного варианта осуществления преобразование признаков может включать в себя данные из множества мест x для вычисления среднего уровня Aвоспаления. Эти места x относятся к местоположениям суставов в части тела, для которой выполняют измерения, например, к суставам руки.
i
На фиг. 4 показана последовательность операций другого способа определения активности болезни пациента. Этапы S10-S50 являются теми же самыми, которые описаны для первого варианта осуществления, показанного на фиг. 2. Однако, в данном варианте осуществления дополнительные параметры пациента измеряют или определяют (S41) и рассматривают в преобразовании признаков (S40). Например, это можно осуществлять с помощью того, что константа C выражения (1) включает в себя дополнительные параметры пациента. Альтернативно, эти параметры могут включать в себя признаки F. Например, дополнительные параметры пациента могут относиться к текущему физиологическому состоянию пациента, например, к возрасту, полу, индексу массы тела, кровяному давлению, частоте сердечных сокращений или количеству, или распределению воспаленных суставов. Предпочтительно, эти дополнительные параметры пациента не требуют сложных измерений, каких требуют определения данных лабораторных анализов. Таким образом обеспечивают очень простой и точный способ оценки уровня воспаления или активности болезни посредством оптических измерений без необходимости получения данных или посредством данных лабораторных анализов.
В дополнительном варианте осуществления, который показан на фиг. 5, способ может дополнительно содержать этапы калибровки измерительных приборов (S21) и калибровки относительно факторов внешней среды (S22). Калибровка измерительных приборов может быть автоматическим специализированным режимом калибровки, например, для установки эталонного спектра белого света. В данном случае можно использовать модель части тела. С помощью этого можно обеспечивать измерения при абсолютном пропускании. Альтернативно или дополнительно, можно рассматривать факторы внешней среды, такие как температура в комнате, относительная влажность и давление воздуха. Параметры калибровки измерительных приборов, а также факторов внешней среды могут использоваться на этапе предварительной обработки (S20) перед извлечением признаков (S30). Однако также можно корректировать преобразование признаков на этапе S40, соответственно, например, с помощью исправления константы C выражения (1).
1
N
1
N
Когда пациента лечат в течение продолжительного времени, как это, главным образом, происходит при хронической болезни, может регистрироваться история болезни пациента. Другими словами, после извлечения признаков из измеренной кривой I(λ, t, x) интенсивности (S30) эти признаки F(λ, x),..., F(λ, x) можно сохранять в памяти. Затем историю болезни пациента можно рассматривать при последующих обследованиях пациента, таким образом рассматривая развитие болезни. Параметры, существенные для истории болезни пациента O(λ, x),..., O(λ, x), могут использоваться в преобразовании признаков (S40), например, константа C выражения (1) может включать в себя признаки из истории болезни. Таким образом, фактические значения можно сравнивать со значениями из истории болезни. После получения активности болезни (S50) данную активность болезни можно также сохранять в истории болезни пациента. С помощью этого развитие болезни отслеживают более точно, и можно более точно предсказать будущее течение болезни.
1
K
ref
1
ref
K
ref
1
ref
K
i
1
n
В последующем со ссылкой на фиг. 7 и 8 будет описано, как длины волн, используемые для облучения и анализа, можно выбирать для систем и способов согласно настоящему изобретению. Сначала выполняют клиническое исследование. В этом клиническом исследовании собирают оптические данные для группы пациентов P,..., P, имеющих различные активности болезни, в тех же самых условиях обследования, в которых будут выполнять будущие обследования пациентов, например, по отношению к конфигурации измерений. Активности болезни пациентов определяют с помощью обычных средств в качестве эталонных активностей A(P), …, A(P) болезни, чтобы позднее сравнивать их с активностями болезни, определенными согласно настоящему изобретению. Например, эталонные активности A(P), …, A(P) болезни определяет врач, используя данные лабораторных анализов и т.п. Как в описанных выше примерах, измеряют спектры пропускания для каждого пациента P в течение предопределенного интервала времени на множестве различных длин волн λ,..., λ, пока манжета 100 для измерения давления периодически наполняется воздухом и освобождается от воздуха. Это приводит к 2-мерной матрице данных для каждого пациента, которая показана в выражении (2):
i
i
i
i
1
2
i
i
λi, ti
1
2
В данном случае кривые I(λ) интенсивности для различных длин волн λ перечислены в соответствующих столбцах, и различные моменты t времени соответствуют строкам матрицы. Затем выбирают определенные моменты (t) времени (S310), например, моменты t и tвремени. На следующем этапе S320 для каждого пациента P определяют вектор F(P) признаков, который содержит признаки, полученные из кривых интенсивности на различных длинах волн для выбранных моментов времени. Как упомянуто прежде, эти признаки могут относиться к значениям интенсивности I пропускания в выбранные моменты времени. Эти моменты t и t времени могут относиться к ситуации непосредственно перед наполнением воздухом и непосредственно перед освобождением от воздуха, соответственно. В этом случае, соответствующие значения интенсивности, зарегистрированные в моменты времени непосредственно перед наполнением воздухом и непосредственно перед освобождением от воздуха, относятся к максимальному и минимальному значениям интенсивности, соответственно. Вектор признаков - 1-мерный вектор, как показано в выражении (3):
λi, ti
λi, ti
i
ref
i
1
K
В упомянутом ранее примере полученные признаки F относятся к значениям интенсивности I. Вектор F(P) признаков используется вместе с соответствующей эталонной активностью A(P) болезни для каждого пациента для нахождения вектора R регрессии, который удовлетворяет следующему условию для всех пациентов P,..., P:
i
ref
i
i
Таким образом, необходимо найти вектор R регрессии, для которого скалярное произведение вектора R регрессии и вектора F(P) признаков приближается или приблизительно равно эталонной активности A(P) болезни, определенной обычными средствами для всех пациентов P. Вектор R регрессии можно получать автоматически с помощью применения к данным стандартных инструментальных средств регрессии, таких как компьютерная модель «частичного дискриминантного анализа по методу наименьших квадратов» и т.п. Однако когда полученный вектор R регрессии используют для определения активности болезни пациента в дальнейшем, это требует оптических данных, собираемых на множестве длин волн, используемых для определения вектора R регрессии. Для уменьшения количества данных, которые будут собирать, и количества длин волн (S340), выбирают длины волн, которые содержат большое количество информации. Эти длины волн соответствуют длинам волн, на которых вектор R регрессии имеет наибольшую абсолютную амплитуду, то есть на которых расположены экстремальные значения в спектре вектора R регрессии, так как они представляют интересующий сигнал, или компенсируют создающие помехи сигналы.
1
2
1
2
1
2
На фиг. 8 показаны спектры двух векторов R(t) и R(t) регрессии. В данном примере выбраны два различных момента t и tвремени, например, соответствующие моментам времени перед и после наполнения воздухом манжеты 100 для измерения давления, соответственно. Затем соответствующие векторы R(t) и R(t) регрессии определяют и изображают в зависимости от длин волн, используемых при оптических измерениях. Из этого спектра примерно выбирают шесть длин волн, которые содержат большое количество информации, как показано в таблице 2:
Таблица 2
λ (нм)±10 нм
Вектор регрессии
перед наполнением воздухом
R(t<sub>1</sub>)
586
-0,514
638
-3,084
666
2,590
808
-9,399
835
-8,494
864
-8,956
после наполнения воздухом
R(t<sub>2</sub>)
586
-0,746
638
0,915
666
5,850
808
-7,876
835
-7,173
864
-7,651
1
6
i
1
6
1
2
1
4
Длины волн в таблицах даны с точностью±10 нм. Выбрав эти длины волн λ,..., λ, для каждого пациента генерируют новый вектор F(P) признаков, содержащий только значения интенсивности пропускания на выбранных длинах волн λ,..., λ и в моменты t, tвремени. Затем этапы S330-350 повторяют так, чтобы в следующей итерации можно было выбрать четыре длины волн λ,..., λ. Пример для этих длин волн показан в таблице 3:
Таблица 3
λ (нм)±10 нм
Вектор регрессии
перед наполнением воздухом
R(t<sub>1</sub>)
666
6,362328589
808
-68,64910992
835
-26,60977835
864
-17,61730505
после наполнения воздухом
R(t<sub>2</sub>)
666
-1,662144001
808
-4,118865457
835
29,64944373
864
36,8147824
1
2
1
2
1
2
Итерации этапов S330-S350 повторяют до тех пор, пока не будет достигнуто необходимое количество n* длин волн. Однако, оптических данных, полученных на этих n* длинах волн, должно все еще быть достаточно для надежного и точного определения активности A болезни (S360). Так как относительно стоимости и усилий на разработку выгодно последовательно облучать отдельными длинами волн и использовать широкополосный монохромный детектор для регистрации пропускаемого света, предпочтительно только две длины волн λ, λ используются после полной установки системы. Эти длины волн λ, λ и соответствующие значения векторов регрессии показаны в таблице 4 для моментов времени t (перед наполнением воздухом) и t (после наполнения воздухом):
Таблица 4
λ(нм)±10 нм
Вектор регрессии
перед наполнением воздухом
R(t<sub>1</sub>)
666
-1,318393361
808
-27,20621001
после наполнения воздухом
R(t<sub>2</sub>)
666
5,982552148
808
-23,81493673
Посредством данного способа установки несколько наиболее важных длин волн можно выбирать с помощью использования вектора регрессии, используя набор известных спектров, связанных с известными значениями активности болезни. Следовательно, количество данных, регистрируемых в процессе обследования, уменьшается, а анализ упрощается и ускоряется.
Кроме того, в качестве альтернативы выражению (1), определенный вектор R регрессии может использоваться при последующих обследованиях пациента для определения активности болезни, например, на этих двух длинах волн в таблице 4 согласно уравнению (5):
=-1,32*(интенсивность пропускания приблизительно на 666±10 нм перед наполнением воздухом) -27,2*(интенсивность пропускания приблизительно на 808±10 нм перед наполнением воздухом) +5,98*(интенсивность пропускания приблизительно на 666±10 нм после наполнения воздухом) -23,8*(интенсивность пропускания приблизительно на 808±10 нм после наполнения воздухом).
Поэтому, диагностику активности болезни можно выполнять с помощью измерения пропускания света суставом или другой интересующей областью 10 на двух длинах волн и в моменты времени в цикле изменения перфузии.
Более низкая стоимость может быть реализована с помощью использования только одной длины волны. Например, длину волны можно выбирать так, чтобы она была 808±10 нм или 666±10 нм.
Таким образом, согласно настоящему изобретению, активность болезни и течение болезни можно определять очень точным и надежным способом, при котором не требуется сложное и дорогостоящее в терминах рабочей силы и времени обследование. Кроме того, врача обеспечивают единственным значением, указывающим активность болезни, которое он может рассматривать, когда ставит диагноз, среди другой вводимой информации, такой как история болезни пациента, другие болезни, риски побочных эффектов и т.д. Таким образом улучшают эффективность принятия решения и организации лечения. Так как определение активности болезни выполняют, основываясь на оптических данных, требуются только оптические измерения. Это удобно для пациента, а также для врача, потому что оптические измерения можно легко выполнять в медицинской практике без боли или дискомфорта.
Следует признать, что изобретение также относится к компьютерным программам, в частности - к компьютерным программам на носителе, настроенном для реализации изобретения. Такая компьютерная программа может, например, содержать команды для побуждения процессорную систему выполнять этапы получения признаков из обнаруженных значений интенсивности света по меньшей мере в двух различных состояниях перфузии интересующей области и определения активности болезни, используя эти признаки, сформулированным в данной работе способом. Программа может быть в форме исходного кода, объектного кода, источника промежуточного кода и объектного кода, например, в частично скомпилированной форме, или в любой другой форме, подходящей для использования при реализации способа согласно изобретению. Также нужно признать, что такая программа может иметь множество различных структурных разработок. Например, код программы, который воплощает функциональные возможности способа или системы согласно изобретению, может подразделяться на одну или большее количество подпрограмм. Специалисту будут очевидны множество различных способов распределения функциональных возможностей среди этих подпрограмм. Подпрограммы могут храниться вместе в одном исполняемом файле для формирования модульной программы. Такой исполняемый файл может содержать выполняемые компьютером команды, например, команды процессора и/или команды интерпретатора (например, команды интерпретатора Java). Альтернативно, один или большее количество или все подпрограммы могут храниться по меньшей мере в одном внешнем библиотечном файле и могут быть связаны с основной программой или статически, или динамически, например, во время выполнения. Основная программа содержит по меньшей мере одно обращение по меньшей мере к одной из подпрограмм. Подпрограммы могут также содержать обращения друг к другу. Вариант осуществления, относящийся к компьютерному программному продукту, содержит выполняемые компьютером команды, соответствующие каждому этапу обработки по меньшей мере одного из сформулированных способов. Эти команды можно подразделять на подпрограммы и/или хранить в одном или большем количестве файлов, которые могут быть связаны статически или динамически. Другой вариант осуществления, относящийся к компьютерному программному продукта, содержит выполняемые компьютером команды, соответствующие каждому средству по меньшей мере одной из сформулированных систем и/или продуктов. Эти команды можно подразделять на подпрограммы и/или хранить в одном или большем количестве файлов, которые могут быть связаны статически или динамически.
Носитель компьютерной программы может быть любым объектом или устройством, которое может переносить программу. Например, носитель может включать в себя носитель данных, такой как ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), например CD-ROM (ПЗУ на компакт диске) или полупроводниковое ПЗУ, или магнитный носитель записи, например флеш-накопитель или жесткий диск. Кроме того, носитель может быть средой передачи, например, электрическим или оптическим сигналом, который можно передавать через электрический или оптический кабель, или по радиосвязи, или с помощью других средств. Когда программу осуществляют в таком сигнале, носитель может быть сформирован с помощью такого кабеля или другого устройства или средства. Альтернативно, носитель может быть интегральной схемой, в которую внедрена программа, данная интегральная схема настроена для выполнения, или использования при выполнении, соответствующего способа. Описанные функциональные блоки могут также воплощаться посредством аппаратных объектов, таких как специализированные электронные схемы.
Нужно отметить, что вышеупомянутые варианты осуществления иллюстрируют, а не ограничивают изобретение, и что специалисты будут иметь возможность разработать множество альтернативных вариантов осуществления, не отступая от объема прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения любые ссылочные обозначения, размещенные между круглыми скобками, не должны рассматриваться в качестве ограничения формулы изобретения. Использование глагола «содержит» и его спряжений не исключает присутствия других элементов или этапов, кроме заявленных в формуле изобретения. Неопределенный артикль, предшествующий элементу, не исключает присутствия множества таких элементов. Изобретение можно воплощать посредством аппаратных средств, содержащих несколько отличающихся элементов, и посредством соответствующим образом запрограммированного компьютера. В пункте формулы изобретения, относящемуся к устройству, перечислены несколько средств, несколько из этих средств могут воплощаться с помощью одного и того же элемента аппаратных средств. Тот факт, что конкретные показатели перечислены во взаимно отличающихся зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает, что комбинация этих показателей не может использоваться для улучшения.