АВТОМАТИЧЕСКИ НАСТРАИВАЕМЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ЭКСПРЕСС-ДИАГНОСТИКИ ОВУЛЯЦИОННОГО ЦИКЛА
AUTOMATICALLY ADJUSTABLE DEVICE FOR INSTANT DIAGNOSIS OF OVULATORY CYCLE

Изобретение относится к диагностической медицине, в частности к способу оценки вероятности возникновения овуляции в менструальном цикле женщины.
Известно, что определение дней овуляции в менструальном цикле наиболее важно с точки зрения репродукции. Пути контроля рождаемости человечество искало с древних времен и только в XX веке научно-технический прогресс шагнул далеко вперед. Начиная с 40-х годов XX столетия апробировались разнообразные способы определения моментов овуляции и связанных с этим зачатиями.
Сравнивая все выпускаемые в мире приборы для предсказания и определения овуляции, можно разделить их на 4 группы.
1. Инструментальные приборы.
2. Приборы, работающие по крови.
3. Приборы, работающие по моче.
4. Приборы, работающие по слюне.
1. Инструментальные приборы.
а) Самым простым инструментальным средством определения овуляции является термометр, который по изменению ректальной температуры предсказывает наступление овуляции (метод ВВТ). Термометр может отметить изменение температуры только после начала овуляции. Это слишком поздно, чтобы добиться зачатия в прошедшем цикле и в лучшем случае можно установить возможные сроки овуляции в других циклах и надеяться правильно предположить возникновение овуляции в будущем.
б) Более продвинутым является японский прибор "Minisophiy", в котором термометр соединен с миникомпьютером, который фиксирует каждый день температуру под языком пользователя. Он запоминает значения температуры на протяжении всего менструального цикла и ведет подсчеты возможных овуляционных периодов. Так как основным измерительным средством является термометр, то больших отличий в показаниях такого прибора ожидать не приходится. Плюсами являются удобство использования и информативность на будущее.
в) Ультразвуковые приборы дают наглядную картину выхода и продвижения яйцеклетки по фаллопиевой трубе, поэтому точность определения совершившейся овуляции равна 100%. Однако ультразвук не может предсказать овуляцию, а только подтвердить. Поэтому если наблюдаться с помощью ультразвукового прибора несколько раз в день, можно получить точное время выхода яйцеклетки и сделать какие-то выводы, например получить подтверждение того, что женщина фертильна и способна к зачатию. Отличительной чертой этого метода является дороговизна, и поэтому его применение считается непрактичным для планирования зачатия, тем более в домашних условиях.
2. Приборы, работающие по сыворотке крови (ЛГ сыворотки), определяющие пик лютеинизирующих гормонов, - превосходные приборы, четко определяющие пик лютеинизирующих гормонов и предсказывающие овуляцию за несколько десятков часов, позволяя пользователю выбрать разумное время для зачатия. Однако потребность частого забора крови для диагностирования делает этот метод непригодным для домашнего использования.
3. Приборы, работающие по моче ("Persona", "Clearplan", стрип-полоски комплект "ЛГ"). Эти приборы определяют пик лютеинизирующих гормонов в моче, пришедших из крови пациента. Время, прошедшее для индивидуализации гормонов, часто бывает слишком долгим и оказывается недостаточным для достижения сперматозоидом яйцеклетки и ее оплодотворения, даже если зачатие происходит практически одномоментно. Поэтому предсказания овуляции такими приборами бывают нереализованными. Кроме того, для частого тестирования необходимы стрип-полоски, стоимость которых довольно высока. Изменение цвета стрип-полосок не всегда легко интерпретировать, особенно если стрип-полоски находятся во влажной атмосфере. Поэтому, по американским данным и нашим контрольным исследованиям, не дают показаний изменения цвета в 25% случаев. Да и само частое взятие мочи не совсем "домашнее" и эстетически приемлемое.
4. Приборы, работающие по слюне, на сегодня являются наиболее точными, но и здесь есть свои отличия. В общем случае все они работают по изменению концентрации хлоридов в слюне (NaCL, KCL, CaCL, MgCL и др.) Содержание хлоридов повышается при наступлении овуляции за 2-3 дня из-за повышающейся эстрогенной насыщенности. Но дальнейшая обработка и использование параметров электролита слюны в разных приборах различается.
а) Приборы типа "Арбор".
Здесь электролит слюны наносится на предметное стеклышко и подсвечивается светодиодом. Когда рассматривается засохшая слюна в сильную лупу, то наблюдаются картинки, похожие на листья папоротника, если в этот момент есть овуляция. Вся сложность работы с таким прибором заключается в определении этого момента кристаллизации слюны и образования листьев папоротника. Оценка показаний прибора субъективна и напрямую зависит от способности пользователя интерпретировать результаты. Поэтому если Вы определили точно изображение листьев, Вам повезло, если нет - Ваши проблемы, смотреть надо лучше.
б) Приборы типа "Ovacue".
Работают на основе кондуктометрического метода. На основе этого метода создано множество приборов, в том числе для нужд медицины. В данном случае измеряют проводимость слюны в ротовой полости и эндоцервикальной слизи в вагинальной полости между введенными туда электродами. Причем носителями информации в электролитах слюны и эндоцервикальной слизи являются в основном хлориды калия (KCL) и хлориды натрия (NaCL). Кроме того, составляющая проводимости зависит от множества элементов, входящих в слюну, показатели которых меняются даже в течение дня, не говоря уже о неделях и месяцах. Погрешности возникают также за счет нестабильности приэлектродных процессов и за счет возникающих поляризационных явлений. Поэтому информационная ценность таких измерений невелика. Для увеличения достоверности начала и конца овуляции были предложены одновременные, оральные и вагинальные измерения. При этом точность измерений повышается и достигает 98%.
в) Прибор "Ева-тест" принципиально отличается от всех предложенных до последнего времени для измерения периода овуляции. Он основан на так называемом полярографическом методе, открытом чешскими учеными Я.Гейровским и М.Шикато в 1922 году, за что в 1959 году они получили Нобелевскую премию (Гейровский Я., Кута Я. «Основы полярографии», М., 1965).
Измерения в данном методе идут на уровне ионных процессов, обладающих самой истинной информацией о наличии в электролите слюны тех или иных ионов без всяких примесей. По этому принципу создан прототип прибора, сравнивая который с остальными, можно видеть, что «Ева-тест» отвечает самым высоким стандартам по сравнению с другими приборами как по способу применения в домашних условиях, так и по своим точностным характеристикам.
Однако нормальная работоспособность прибора «Ева-тест» начинается не сразу после запуска в эксплуатацию, а только после предварительной настройки на средний гормональный статус, поддерживаемый в организме женщины. После настройки прибор, сравнивая текущее значение насыщенности эстрогенов, определяемое по косвенному значению концентрации катионов калия в слюне, создающего диффузионный ток в цепи датчика прибора, со средним гормональным статусом, определяет время наступления овуляции.
+
Известно, что при включении неподвижных твердых электродов, являющихся электродами датчика, в цепь тока вначале наблюдается бросковый ток Iд, а затем ток падает во времени. При этом наблюдается прямая пропорциональность между величиной броскового тока Iд и концентрацией диффундирующего вещества, в данном случае K (Делимарский Ю.К. «Полярография на твердых электродах», М., 1970):
где δ - толщина эффективного слоя, зависящая от температуры [см]
2
А - площадь измерительного электрода [см];
2
1
D - коэффициент диффузии калия [см×с'];
F - число Фарадея [F=96493 К°];
С - концентрация реагирующего вещества калия [ммоль/л];
n - число электронов, вступающих в реакцию; для калия [n=1].
+
+
эстр.
Условия поляризации в методе бросковых токов близки к условиям поляризации для ртутного капельного электрода, поэтому метод позволяет определять концентрацию катионов калия К в режиме текущего времени. А так как концентрация калия отражает прямую зависимость концентрации эстрогенов в слюне К=N, то достижение максимального значения этой концентрации будет указывать на возникновение овуляции («Гинекологическая эндокринология», М., Медицина, 1986).
Блок-схема прибора «Ева-тест» представлена на фиг.1. Принят в качестве прототипа для заявленного устройства. Прибор практически отвечает всем требованиям потребителей, за исключением одного. Перед использованием прибора для определения времени овуляции необходимо настроить прибор на текущее значение среднего уровня, который возникает только в начале менструации, и прибор настраивается на 2÷5 день начавшейся менструации. Если по каким-либо причинам прибор не будет настроен в этот срок, женщине придется дожидаться почти месяц, чтобы настроить прибор в другом цикле.
Таким образом, женщина после приобретения прибора должна ждать значительное время для того, чтобы настроить его, хотя сам овуляционный процесс длится всего от нескольких часов до 4-х дней.
Прибор также требует перенастройки, если в исследуемом периоде будут наблюдаться дни с повышенной температурой тела или стрессовой нагрузкой. В этом случае средний уровень настроечного уровня изменится, и показания прибора будут неверными.
Сравнение методов определения дней овуляции приведено в таблице 1.
Задача изобретения состоит в том, чтобы избежать этих сложностей и неточностей при использовании прибора непосредственно после его приобретения, что в основном определяет его покупательскую способность, в том, чтобы создать простой и надежный метод и прибор диагностики физиологического состояния организма человека.
Достигаемый при этом технический результат заключается в удобстве пользования и повышении достоверности полученных результатов за счет оперативного контроля концентрации калия в организме в процессе автоматической настройки прибора в короткий срок.
Поставленный технический результат достигается тем, что в автоматически настраиваемый прибор для экспресс-диагностики овуляционного цикла, содержащий корпус, в котором расположен датчик-анализатор содержания хлоридов (калия) в слюде, питающийся через стабилизатор напряжения от источника питания и соединенный с цифровым микроконтроллером, на выходе которого включены светодиоды красного и зеленого цвета или автономный дисплей, кнопка управления, дополнительно встроен блок для скользящего усреднения и сглаживания нестационарного временного ряда, образованного из последовательности тестируемых значений слюны в пределах временного интервала усреднения и с помощью этого интервала как бы скользящего вдоль измеренного ряда, производя усреднение значений, попадающих в этот скользящий интервал, и сравнивая его при каждом тестировании с текущим значением, измеренным датчиком, и при превышении текущего значения усредненного значения определяются начало и конец овуляционного цикла.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг.1 - блок-схема прибора «Ева-тест»;
фиг.2 - график определения значения временного ряда значений концентрации калия в произвольный момент времени;
фиг.3 - блок-схема прибора согласно настоящему изобретению;
фиг.4 - график изменения диффузионного тока по дням овуляции у женщин.
По отношению к прибору «Ева-тест» как прототипу в прибор вводится блок усреднения настроечного уровня. Так как настроечный уровень фиксируется в приборе «Ева-тест» на 2÷5 день менструации, то его значение носит случайный характер X.
В реальном случае при тестировании эта величина принимает последовательность значений у1; у2; … ук с вероятностью соответственно р1; р2; … рк.
Математическое ожидание или среднее значение данной функции определяется как:
Так как вероятности определения измеряемых величин равновелики, то среднее значение определяемой величины будет:
Как видно из приведенной формулы с увеличением количества измерений n, увеличивается достоверность определения средней величины.
Сам процесс эстрогенной насыщенности в течение менструального цикла, а значит и насыщенность калия в организме, будет носить случайный характер, зависящий от многих факторов.
В то же время, в статистической физике предполагают, что средние по времени значения физических величин, в данном случае концентрации калия, характеризующих систему, равны их средним статистическим значениям. При этом системы, в которых фазовые средние совпадают с временными, являются эргодическими.
Так как тестирование любой физической величины занимает конечное определенное время, притом большое, по сравнению с самим процессом, то результат всякого тестирования представляет собой среднее по времени от соответствующей фазовой функции.
Таким образом, для сравнения опытных данных при тестировании с теоретическими необходимо применить замену временных средних данных их фазовыми значениями. При этом ввиду эргодичности процесса фазовые средние совпадают с временными.
Отсюда можно сформулировать задачу по проектированию системы тестирования содержания калия в слюне в зависимости от времени тестирования.
Необходимо в ряде непрерывных тестирований концентрации калия делать фазовые выборки и определять их математическое ожидание и использовать их среднее суммарное значение для определения настроечного уровня.
В данном случае он будет плавно меняться по времени и определять истинное значение в каждой тестируемой точке.
Для решения поставленной задачи за основу была взята эргодическая теория - один из разделов общей динамики, решающий задачу замены средних значений наблюдения, взятых по фазовому пространству, временными средними.
Первый математически строгий результат был получен американцем Дж.Биркгофом в 1931 году, который доказал, что система является эргодической, если средние по времени значения физических величин, характеризующих систему, равны их средним статистическим значениям.
Применив эту теорию, стало возможным применить теорию случайных временных рядов, определяющих значения концентрации калия в слюне женщины в каждый фиксированный момент времени. В общем случае произвольного ряда тестирований эта функция является функцией времени, и такой ряд называется нестационарным. Все тестирования на приборе «Ева-тест» образуют нестационарный временной ряд, который может быть описан соответствующей функцией распределения или плотностью вероятностей, и для такого ряда могут быть определены основные числовые статистические характеристики.
Зная их, можно провести анализ такого нестационарного временного ряда, построенного на наблюдениях за концентрацией калия в организме, и провести сглаживание методом скользящего среднего значения для прогнозирования поведения временного ряда и сужения дисперсии (Морозов Ю.В. «Основы высшей математики и статистики», М., Медицина, 1998).
При использовании этого метода выбирается некоторый временной интервал усреднения, который, как правило, значительно меньше всего времени наблюдения, но больше времени паузы, каковым является время овуляции. И с помощью этого интервала временного ряда как бы скользят вдоль ряда, производя усреднение значений, попадающих в этот скользящий интервал.
Таким образом, вместо постоянной величины настроечного уровня, устанавливаемого по величине наиболее стабильного содержания калия в слюне в начальный период менструального цикла, для увеличения точности времени определения дней овуляции и автоматизации процесса настройки и определения овуляции необходимо определить основную тенденцию изменения временного ряда показателей калия в организме (называемой трендом), обозначаемую функцией f(t). Тогда функция x(t), определяющая значение временного ряда значений концентрации калия в произвольный момент, может быть представлена в виде суммы его основной детерминированной компоненты f(t) и случайной компоненты φ(t) (фиг.2).
Последовательные тестирования уровня концентрации калия в слюне женщины дадут нестационарный временной ряд, который можно записать как
x(t)=f(t)+φ(t), где f(t) - детерминированная компонента;
φ(t) - случайная компонента.
При этом детерминированная компонента f(t) характеризует основную тенденцию измерения последовательности тестовых значений временного ряда.
Практически для осуществления слежения за ходом изменения кривой для среднего значения временного ряда необходимо выявить основную тенденцию изменения компоненты f(t), тренда временного ряда (пунктирная линия на фиг.2).
При этом для нас представляет интерес определение его сглаженного значения, в результате чего дисперсия ряда уменьшается, и он становится более плавным для целей фиксации резких изменений концентрации калия в слюне, присущих периодам овуляции в женской репродуктивной системе. Для решения задачи сглаживания временного ряда используем метод скользящего среднего - фиг.2.
Полученные значения вводятся в блок обработки и сравнения результатов, где и определяется время наступления и окончания овуляции. Блок-схема такого прибора представлена на фиг.3.
Прибор включает в себя датчик-анализатор 1, питающийся через стабилизатор напряжения 2 от источника питания 3 и соединенный с цифровым микроконтроллером 4, на выходе которого включены светодиоды красного и зеленого цвета или автономный дисплей, образующие блок индикации 5. Кнопка управления 6 (К) служит для включения и управления режимами работы прибора. Блок 7 формирования настроечного уровня связан с цифровым микроконтроллером и выполнен с функцией скользящего усреднения и сглаживания нестационарного временного ряда, образованного из последовательности тестируемых значений слюны в пределах временного интервала усреднения.
В качестве датчика-анализатора 1 можно использовать датчик для полярографических исследований катионного состава электролитов, описанный в RU №2193861, A61B 5/05, G01N 33/487, опубл. 2002.12.10, который содержит корпус, выполненный из диэлектрика, в котором укреплены два электрода из химически нейтрального материала, снабженные выводами, при этом измерительный электрод имеет активную поверхность, меньшую, чем активная поверхность противоэлектрода. Конструктивно датчик выполнен в виде миниатюрного цилиндрического узла, содержащего два электрода из нейтрального материала - стеклоуглерода СУ-2000, причем измерительный электрод имеет активную поверхность, в 5 раз меньшую, чем вспомогательный электрод, уменьшая тем самым отрицательное воздействие поляризации.
Выполненный по периметру датчика буртик служит для надежного удержания исследуемого электролита слюны.
Конструкция электродов выполнена таким образом, что каждый раз перед измерением броскового тока замыканием накоротко устраняются изменения, вызванные предшествующим ходом электролиза, то есть стандартизуются поверхность электрода и приэлектродный слой раствора электролита.
Протекание электрохимической реакции в области потенциалов, ограниченной процессом ионизации твердых электродов, с одной стороны, и процессом разряда ионов электролита слюны, с другой стороны, приводит к образованию волны с хорошо выраженным броском диффузионного тока. При этом создаются условия, при которых электрическое поле экранируется ионами постороннего электролита, которым является раствор органических и хлоридных элементов, присутствующих в электролитах, типа слюна.
При этих условиях в электролите будет наблюдаться нормальный диффузионный ток. Сила этого тока, обусловленная протеканием электрохимического процесса, при прочих равных условиях пропорциональна поверхности электродов и потенциалу разряда исследуемых ионов.
Максимальный диффузионный ток, протекающий по датчику-анализатору, пропорционален концентрации исследуемых ионов (Цфасман С.Б. Электронные полярографы, 1960). Щелочные металлы, какими являются калий и натрий, восстанавливаются на твердом электроде при весьма отрицательных потенциалах. На фоне хлоридов ионы щелочных металлов дают хорошо выраженный диффузионный ток со значениями потенциалов полуволн для К -2,17 В и Na -2,15 В. Малая разность потенциалов полуволн не дает возможности раздельно без применения особых фоновых растворов измерить раздельно диффузионные токи натрия и калия. Но достоверно установлено, что в период овуляции увеличивается концентрация не только калия, но и натрия. Поэтому суммарное увеличение концентраций будет реально означать наступление овуляции в женском организме.
В качестве цифрового микроконтроллера 4 можно использовать аналогичный блок из RU №2193862, который состоит из аналого-цифрового преобразователя, связанного с запоминающим устройством и схемой сравнения, на выходе которой включена схема индикации, соединенная с блоком индикации 5. Цифровой микроконтроллер выполнен с функцией обработки сигнала и сравнения с заданными параметрами. Цифровой микроконтроллер выполнен с функцией сравнения текущего значения показателей датчика с величинами, установленными в качестве настроечного уровня. Для этого блок 7 формирования настроечного уровня связан с цифровым микроконтроллером и выполнен с функцией скользящего усреднения и сглаживания нестационарного временного ряда, образованного из последовательности тестируемых значений слюны в пределах временного интервала усреднения и с помощью этого интервала как бы скользящего вдоль измеренного ряда, производя усреднение значений, попадающих в этот скользящий интервал, и сравнивая его при каждом тестировании с текущим значением, измеренным датчиком, и при превышении текущего значения усредненного значения определяются начало и конец овуляционного цикла.
Устройство работает следующим образом.
При включении прибора в режиме тестирования происходит сравнение приходящего сигнала с величиной сигнала в запоминающем устройстве и напряжением питания. В зависимости от полученного сравнительного сигнала схема индикации выдает следующие сигналы. Если напряжение питания ниже заданного уровня, происходит попеременное мигание зеленого и красного светодиодов. Если входной сигнал отсутствует, то это указывает на отсутствие слюны на датчике и мигает только красный светодиод. Если сигнал меньше нижнего порога, светятся два светодиода - зеленый и красный. Если сигнал в пределах между верхним и нижним порогами, светится зеленый светодиод. Если сигнал выше верхнего порога, светится красный светодиод.
min
Нижний порог U=50 мВ, устанавливаемый программой микроконтроллера, соответствует концентрации калия в слюне ниже 5 ммоль/л. Верхний порог устанавливается автоматически, исходя из величины входного импульса и предыдущих показателей. Практически за первые 2-8 включений прибора он будет выведен в рабочий режим и начнет нормально функционировать, увеличивая точность показаний с каждым последующим измерением до предельного значения (фиг.4). На фиг.4 указаны следующие обозначения: поз.8 - временной период идентификации, поз.9 - дни менструации, поз.10 - окно овуляции, поз.11 - гарантированный запас.
При этом временные интервалы, приходящиеся на овуляцию (засветка красного светодиода), не учитываются при расчете настроечного уровня, а используются предыдущие значения до момента начала овуляции.
При нажатии кнопки, когда цифровой микроконтроллер 4 находится в режиме "сон", происходит локальное прерывание и пробуждение микроконтроллера, кроме того, напряжение подается на стабилизатор (источник опорного напряжения), с которого стабилизированное напряжение поступает на датчик-анализатор, и таким образом начинается тестирование.
При значениях сохраненных ранее результатов оцифровки, меньших нулевого порога, микроконтроллер показывает отсутствие достаточного количества слюны на датчике: мигание красного светодиода.
При значениях, больших малого порога и меньших большого порога, происходит индикация нормального физиологического состояния и отсутствия овуляции для женщин: зажигание зеленого светодиода.
При значениях, больших большого порога, происходит индикация наличия овуляции у женщин: зажигание красного светодиода.
Прибор, основанный на методе обработки случайных сигналов, позволяет без предварительной настройки на гормональный статус определять настроечный уровень, повысить точность определения начала и окончания овуляционного цикла как в первоначальном моменте пользования прибором, так и при перенастройке на другого пользователя.