МЕТОД МОНИТОРИНГА УРОВНЯ ГЛЮКОЗЫ
METHOD OF GLUCOSE LEVEL MONITORING

Область техники
Данное изобретение относится к области медицины и лечению определенных заболеваний и, в частности, к способу мониторинга уровня глюкозы в крови человека и животных с использованием неинвазивной техники.
Уровень техники изобретения
Как хорошо известно в медицинских кругах, одной из весьма важных для измерения с диагностическими целями компонентов крови является глюкоза, в особенности для пациентов, страдающих диабетом. Хорошо известная, обычная техника определения концентрации глюкозы в крови - это взятие образца крови и нанесение этой крови на пропитанную ферментами колориметрическую полоску или электрохимический датчик. Обычно это делается путем прокола пальца. Для пациентов, страдающих диабетом, которые могут нуждаться в измерении уровня глюкозы в крови несколько раз в день, сразу же следует принять во внимание, что эта процедура доставляет существенный дискомфорт, серьезное раздражение кожи, в частности на пальце, где делается прокол, и, конечно, что возможно занесение инфекции.
В течение многих лет существовало большее количество способов мониторинга и измерения уровня глюкозы у людей и животных. Однако эти способы, как правило, включали инвазивную технику и, следовательно, содержали некоторую степень риска или, по крайней мере, некоторый дискомфорт для пациента. В последнее время было разработано несколько неинвазивных методов, но они все еще не всегда обеспечивают оптимальные измерения уровня глюкозы. В настоящее время нет практичного подтвержденного решения.
Так, Томас (Thomas) (патент США 5119819) описывает неинвазивный способ мониторинга глюкозы в крови, но он основан только на измерении скорости звука, опирающимся на время прохождения и возврата ультразвукового импульса.
Гозани (Gozani) (патент США 5771891) раскрывает неинвазивный способ для измерения исследуемого вещества в крови. Сначала производится электрическая стимуляция эндогенных тканей, а затем регистрация получающегося электрического ответа на раздражение. Одно осуществление демонстрирует электрическую стимуляцию гипоксического периферийного нерва с последующей регистрацией получающегося сложного биоэлектрического потенциала где-либо по длине нерва.
Чо (Cho) (патенты США 5795305 и 5924996) использует комбинированные измерения температуры и либо инфракрасного излучения, либо теплопроводности для определения концентрации глюкозы.
Чау (Chou) (патенты США 5941821 и 6049728) определяет уровень глюкозы в крови с помощью фотоакустического измерения, в котором акустический импульс генерируется путем нагрева кожи пациента электромагнитным излучением.
В каждом из этих предшествующих способов измеряют только один из параметров (или в одном случае - два). Следовательно, увеличивается возможность ошибки. В настоящем изобретении для определения уровня глюкозы в крови используется измерение трех различных параметров, таким образом, существенно увеличивая точность измерений. Более того, ни один из предыдущих способов не использовал измерений электропроводимости и теплоемкости - двух из параметров, измеряемых по настоящему изобретению.
Следовательно, имеется необходимость в более точной неинвазивной процедуре для измерения уровня глюкозы путем мониторинга многих параметров.
Сущность изобретения
Эта и другие задачи изобретения осуществляют с помощью способа мониторинга или измерения концентрации уровня глюкозы в крови человека и животных с использованием неинвазивной техники, который включает одновременные измерения с использованием двух, трех или большего числа различных методик, которые подкрепляют друг друга, с целью достижения более точных и надежных результатов. Способ использует любую комбинацию из трех методик, как-то:
измерение скорости звука в крови внутри тела,
измерение проводимости крови с помощью электромагнитной индукции,
измерение теплоемкости крови с помощью изменения температуры в измеряемом объеме.
Желательно, чтобы эти измерения могли выполняться, например, на мочке уха.
С помощью определения трех физических свойств крови пациента может быть сделан вывод о концентрации глюкозы в крови. К специфическим физическим свойствам, которые следует измерять, относятся скорость звука, электропроводимость и теплоемкость. Способ может быть использован для:
1. Одиночного теста с использованием двух или трех методик, или
2. Непрерывного тестирования с использованием одной, двух или трех методик, или
3. Комбинации вышеуказанных пп.(1) и (2).
Краткое описание чертежей
Фигуры 1-4 - это блок-схема, демонстрирующая способ определения уровня глюкозы с одиночным измерением каждого параметра; и
Фигура 5 - это блок-схема, демонстрирующая способ определения тенденции изменения уровня глюкозы с непрерывным измерением одного параметра.
Детальное описание изобретения
Концепция измерений базируется на трех методиках: скорости звука в крови, проводимости крови и теплоемкости крови. В частности, способ использует комбинацию любых из трех методик, одновременно или последовательно.
Сначала, определяют
скорость звука в крови внутри тела,
проводимость крови, с помощью электромагнитной индукции, и
теплоемкость крови, с помощью изменения температуры в измеряемом объеме.
Желательно, чтобы эти измерения могли выполняться, например, на мочке уха. После этого, основываясь на полученных таким образом параметрах, вычисляют уровень глюкозы.
В режиме одиночного измерения (SM) аппарат запускает последовательность измерений, используя три метода. Различные результаты анализируются и сравниваются, как описано ниже, для того, чтобы обобщить данные, а также вывести общий результат.
В режиме непрерывного измерения (CM) аппарат запускается так же, как и в SM, используя три метода. Последующие типовые измерения основываются на одном способе и выполняются повторно с заданным интервалом. Через каждые несколько измерений или через определенный промежуток времени аппарат автоматически делает детальное измерение на основе всех трех измерений и калибруется. Этот способ используют также для подстройки точности следующих результатов.
Результаты различных измерений проверяют по отношению к предварительно установленному окну допуска, что контролирует надежность общего результата. Пока различные результаты укладываются в допуск, конечный результат является взвешенным средним всех одиночных измерений. Когда отклонение одного или нескольких результатов измерений не укладывается в окно допуска, способ сначала проверяет в соответствии с ветвью выбора, является ли отклонение допустимым, если да, то выдает окончательный результат.Если отклонение больше допустимого, способ предписывает начать новую серию измерений. То же происходит и в случае, когда все результаты выходят за границу допуска.
В режиме непрерывных измерений, когда используют единственную методику, комбинированное измерение производят автоматически через определенные заданные интервалы времени с целью компенсации сдвига параметров и перекалибровки результата.
Скорость звука в крови связана с концентрацией глюкозы в крови. Ультразвуковой сигнал передается, например, на мочку уха, наталкивается на глухую для акустической волны преграду с другой стороны и возвращается в приемный элемент. На основе данных измерений уровень глюкозы затем вычисляется известным способом.
Далее уровень проводимости является функцией уровня глюкозы в крови. Электромагнитный сигнал с известными параметрами индуцируется, например, в мочке уха, тогда как уровень тока, вызванного индукцией, зависит от уровня глюкозы. Амплитуда тока измеряется и анализируется для заключения об уровне глюкозы.
Теплоемкость раствора, в данном случае крови, является функцией его составляющих. Известное количество теплоты сообщается, например, мочке уха и вызывает изменение ее температуры. Величина градиента является функцией уровня глюкозы, поскольку та является доминирующим ингредиентом. Эту величину измеряют с целью установления соотношения с уровнем глюкозы.
Когда скорость, проводимость и теплоемкость измерены, уровень глюкозы рассчитывают на основе измерений каждого из трех параметров. Затем три значения уровня глюкозы сравниваются, чтобы проверить, все ли три значения одинаковы в пределах установленного уровня допуска. Если да, то уровень глюкозы окончательно устанавливается, основываясь на взвешенном среднем этих трех уровней глюкозы. В случае если один не попадает в допуск, тогда два других проверяются с меньшим допуском, и если оба укладываются в него, то вычисляется окончательный результат.
Также следует принять во внимание, что усовершенствование в данном изобретении достигается путем измерения трех параметров вместо только одного, как, в основном, делалось в предыдущих способах, с последующей проверкой, находятся ли измерения в пределах определенного допуска, с последующим вычислением взвешенного среднего. Только с иллюстративными целями здесь упоминаются конкретные параметры, т.е. скорость звука, проводимость и теплоемкость. Если бы использовались неинвазивные измерения других параметров и результаты проверялись на то, что они попадают в пределы приемлемого допуска, с последующим вычислением взвешенного среднего, это тоже бы попадало в область изобретения. В этом случае способ по изобретению работал бы точно также. Среди прочих величин, которые могут измеряться неинвазивным способом, присутствуют: акустический импеданс, электрический/магнитный коэффициенты, теплопроводность, упругость, плотность крови, удельная масса, коэффициент поляризации, рассеяние света, ядерный магнитный резонанс, аналит, температура крови и тела, эффекты тепловых волн, естественное инфракрасное излучение, испускаемое телом, ответы тканей на раздражения и электрические свойства, такие как электродвижущая сила или ток. Таким образом, данное изобретение предполагает использование не только измерений скорости звука, проводимости и теплоемкости, но даже только одного или двух из этих параметров вместе с измерениями одного или двух прочих параметров или даже использование трех прочих параметров полностью. Сущность данного изобретения - в неинвазивном измерении трех параметров; не является существенным, какие параметры используют, при условии, что по этим параметрам может быть определен уровень глюкозы.
Данный способ имеет два операционных режима: одиночного и непрерывного измерений. В одиночном режиме производится одиночное измерение (для всех трех методов). Если результаты попадают в заранее установленные окна допуска, то измерения заканчиваются, иначе процесс повторяется. В непрерывном режиме первое измерение проводится с использованием всех трех методов, а затем многократно используется только одна методика (например, только акустическая) с целью измерения тенденции, основываясь на первом (комбинированном) измерении как на опорном. Скорость заранее определяется пользователем (если он предпочитает период, отличный от периода по умолчанию) и может устанавливаться, например, между 10-тью минутами и 2-мя часами, или около того. В непрерывном режиме через каждый фиксированный период времени (вероятно, порядка двух часов или около того) или после определенного числа проведенных измерений производится процесс самокалибровки путем (автоматического) использования всех трех методик и подстройки результатов по более точному результату.
Допуск может быть определен одним из двух способов. Один способ состоит в сравнении результатов различных измерений и ограничении отклонения между ними, чтобы ограничиться определенным процентом (вероятно в интервале от 10 до 15% или около того). Другой способ состоит в ограничении отклонения каждого результата от предыдущего. В этом случае уровень отклонения является функцией интервала времени между измерениями. Здесь величина может меняться от примерно 20% для коротких интервалов времени до примерно 50% (и даже более) для длинных.
Для одиночного измерения способ требует независимого измерения трех различных параметров. Каждый результат умножается на подходящий калибровочный фактор (вычисляемый отдельно) для того, чтобы привести все результаты к одним и тем же единицам измерения (а именно: mg/dl). Далее результаты сравниваются. Если все три результата близки, в пределах окна допуска (например: Результат 1=Результат 2±10%, и Результат 2=Результат 3±10%, и Результат 1=Результат 3±10%), то окончательный средневзвешенный результат будет вычислен как: Окончательный результат=(Результат 1 x Относительный вес 1)+(Результат 2 x Относительный вес 2)+(Результат 3 x Относительный вес 3). Если только два измерения дают близкие результаты, в то время как третье не попадает в окно допуска, то алгоритм проверяет, попадают ли эти два близких результата в более узкое окно допуска (например, 5%). Если так, то окончательный результат будет взвешенным средним этих двух результатов, а счетчик (относящийся к третьему методу) увеличится на единицу. Когда счетчик достигает определенного предела, пользователю выводится предупреждающее сообщение, уведомляющее о проблеме конкретного метода, и запрашивает у пользователя перекалибровку. В случаях когда все три метода выдают различные данные (все три не попадают в широкое окно допуска или один не попадает в широкое окно, а два - в узкое), способ автоматически (без привлечения пользователя) повторяет измерение. Если проблема повторяется более определенного числа раз, программа предупреждает пользователя о невозможности проведения измерений и запрашивает у пользователя перекалибровку.
Вес для каждого измерения зависит от надежности конкретной процедуры измерения. Эти данные, вообще, должны определяться при клинических испытаниях. В случаях когда три процедуры измерений одинаково надежны, весовой фактор должен быть одинаков и равен 1/3 (0.333…). Цель введения переменной «относительный вес» - учет того факта, что в некоторых ситуациях одно измерение может быть более надежно, чем другие, вследствие использования конкретной процедуры измерения. Например, если одно измерение более надежно, чем другие, ему может быть придан больший вес (например, 0.5), тогда как другие получат (например) 0.2 и 0.3 (общая сумма весов должна давать в итоге 1, или 100%). В случае, как в примере, полагая, что все методы дали одинаковый результат (скажем, 95 mg/dl), окончательный результат будет: 0.5×95+0.2×95+0.3×95=95.
Всякий раз, как получается подтвержденный результат, способ регистрирует этот результат в файле данного пользователя с указанием даты и времени результата и выводит результат на экране.
Для непрерывных измерений пользователь задает число измерений между автокалибровками, и измерения проводятся многократно с использованием одного (фиксированного) метода с установленной скоростью. Каждый раз, когда число измерений достигает установленной величины, проводится полное измерение с использованием всех трех методов, как в случае одиночного измерения. В этом процессе используется та же идея регистрации и вывода результатов.
На фигурах 1-4 представлена блок-схема для иллюстрации процедуры одиночного измерения. Сначала (см. Фигуру 1) проводится одно из измерений 102, например, скорости звука, но это может быть любой параметр, который измеряется неинвазивным способом. Затем он умножается на требуемый калибровочный фактор 104, и, затем, уровень глюкозы записывается каким-либо способом 106. Эта процедура повторяется для других измерений, т.е. для электрической проводимости и теплоемкости или любых других выбранных параметров, которые могут быть измерены с помощью неинвазивного способа, так что получают значения для каждого из этих трех параметров (шаги 108-112 и 114-118).
На данном этапе программа проверяет, попадает ли уровень глюкозы, измеренный по первому параметру, в диапазон допустимых отклонений уровня глюкозы, измеренного по второму параметру 120. Если да, то она проверяет, попадает ли уровень глюкозы, измеренный по первому параметру, в диапазон допустимых отклонений уровня глюкозы, измеренного по третьему параметру 122. В случае когда эти два значения также достаточно близки, далее программа проверяет, попадает ли уровень глюкозы, измеренный по второму параметру, в диапазон допустимых отклонений уровня глюкозы, измеренного по третьему параметру 124.
(Далее для упрощения терминологии в описании блок-схемы, когда используется термин «первое измерение», подразумевается «уровень глюкозы, измеренный по первому параметру», аналогично для второго и третьего измерений.)
При определении того, что все три измерения находятся в диапазонах допустимых изменений друг друга, вычисляется взвешенное среднее 126. Это дает пользователю окончательную величину уровня глюкозы, которая может быть далее записана любым удобным способом для дальнейшего использования 128. На этом завершается процедура одиночного измерения.
В случае когда программа определяет, что первое измерение не попадает в диапазон допустимых отклонений второго измерения 200 (см. Фигуру 2), программа проверяет, попадает ли первое измерение в узкий диапазон допустимых отклонений третьего измерения 202. Если нет, то второе и третье измерения сравниваются на предмет того, попадает ли второе измерение в узкий диапазон допустимых отклонений третьего измерения 204. В случае когда эти два измерения также не попадают в допустимые пределы, имеет место ситуация, когда ни одно из трех измерений не находится в диапазонах допустимых отклонений двух других, и измерения не могут быть использованы. Счетчик увеличивается на единицу для регистрации неудачной процедуры 206. Если не достигнуто заранее определенное число неудачных процедур 208, программа возвращается к началу (A) и повторяет всю процедуру. Если же счетчик показывает заранее определенное число неудачных процедур, тогда, вместо этого, программа останавливается 210, и программа одиночного измерения завершается 212. Далее пользователю генерируется сигнал на перекалибровку процедуры измерения для всей программы.
В случае когда программа определяет, что первое измерение не попадает в диапазон допустимых отклонений второго измерения, но (см. Фигуру 2) программа затем определяет, что первое измерение попадает в узкий диапазон допустимых отклонений третьего измерения, вычисляется взвешенное среднее при нулевом весе второго измерения и, соответственно, увеличенных весах двух других измерений (шаг 214). Счетчик увеличивается для регистрации того, что второе измерение слишком сильно отклоняется от других измерений 216. Это дает пользователю окончательную величину уровня глюкозы, которая может быть далее записана любым удобным способом для дальнейшего использования 128. На этом завершается процедура одиночного измерения. В случае когда счетчик показывает, что было слишком много измерений второго параметра, которые слишком сильно отклонялись 220, пользователю генерируется сигнал на перекалибровку процедуры измерения второго параметра.
В случае когда программа определяет, что первое измерение не попадает в диапазон допустимых отклонений второго измерения и первое измерение не попадает в узкий диапазон допустимых отклонений третьего измерения, но (см. Фигуру 2) программа затем определяет, что второе измерение попадает в узкий диапазон допустимых отклонений третьего измерения, вычисляется взвешенное среднее при нулевом весе первого измерения и, соответственно, увеличенных весах двух других измерений (шаг 224). Счетчик увеличивается для регистрации того, что первое измерение слишком сильно отклонилось от других измерений 226. Это дает пользователю окончательную величину уровня глюкозы, которая может быть далее записана любым удобным способом для дальнейшего использования 228. На этом завершается процедура одиночного измерения. В случае когда счетчик показывает, что было слишком много измерений первого параметра, которые слишком сильно отклонялись 230, пользователю генерируется сигнал на перекалибровку процедуры измерения первого параметра 232.
В случае когда программа определяет, что первое измерение попадает в диапазон допустимых отклонений второго измерения, но далее программа определяет, что первое измерение не попадает в диапазон допустимых отклонений третьего измерения 300 (см. Фигуру 3), программа проверяет, попадает ли второе измерение в узкий диапазон допустимых отклонений третьего измерения 302. В случае если эти два измерения также не попадают в допустимые пределы, то опять имеет место ситуация, когда ни одно из трех измерений не находится в диапазонах допустимых отклонений двух других, и измерения не могут быть использованы. Счетчик увеличивается на единицу для регистрации неудачной процедуры 304. Если не достигнуто заранее определенное число неудачных процедур 306, программа возвращается к началу (A) и повторяет всю процедуру. Если же счетчик 308 показывает заранее определенное число неудачных процедур, тогда, вместо этого, программа останавливается, и программа одиночного измерения завершается. Далее пользователю генерируется сигнал на перекалибровку процедуры измерения для всей программы.
В случае когда программа определяет, что первое измерение попадает в диапазон допустимых отклонений второго измерения, но определяет, что первое измерение не попадает в диапазон допустимых отклонений третьего измерения и что второе измерение попадает в узкий диапазон допустимых отклонений третьего измерения, вычисляется взвешенное среднее при нулевом весе первого измерения и, соответственно, увеличенных весах двух других измерений (шаг 310). Счетчик увеличивается для регистрации того, что первое измерение слишком сильно отклоняется от других измерений 312. Это дает пользователю окончательную величину уровня глюкозы, которая может быть далее записана любым удобным способом для дальнейшего использования 314. На этом завершается процедура одиночного измерения. В случае когда счетчик показывает, что было слишком много измерений первого параметра, которые слишком сильно отклонялись 316, пользователю генерируется сигнал на перекалибровку процедуры измерения первого параметра 318.
В случае когда программа определяет, что первое измерение попадает в диапазон допустимых отклонений и второго, и третьего измерений, но определяет, что второе измерение не попадает в диапазон допустимых отклонений третьего измерения 400, программа (Фигура 4) проверяет, попадает ли первое измерение в узкий диапазон допустимых отклонений третьего измерения 402. Если нет, то сравниваются первое и второе измерения, чтобы определить попадает ли первое измерение в узкий диапазон допустимых отклонений второго измерения 404. В случае если эти два измерения также не попадают в допустимые пределы, то опять имеет место ситуация, когда ни одно из трех измерений не находится в диапазонах допустимых отклонений двух других, и измерения не могут быть использованы. Счетчик увеличивается на единицу для регистрации неудачной процедуры 406. Если не достигнуто заранее определенное число неудачных процедур 408, программа возвращается к началу (A) и повторяет всю процедуру. Если же счетчик 410 показывает заранее определенное число неудачных процедур, тогда, вместо этого, программа останавливается, и программа одиночного измерения завершается. Далее пользователю генерируется сигнал на перекалибровку процедуры измерения для всей программы.
В случае когда программа определяет, что первое измерение попадает в узкий диапазон допустимых отклонений третьего измерения, вычисляется взвешенное среднее при нулевом весе второго измерения и, соответственно, увеличенных весах двух других измерений (шаг 412). Счетчик увеличивается для регистрации того, что второе измерение слишком сильно отклоняется от других измерений 414. Это дает пользователю окончательную величину уровня глюкозы, которая может быть далее записана любым удобным способом для дальнейшего использования 416. На этом завершается процедура одиночного измерения. В случае когда счетчик показывает, что было слишком много измерений второго параметра, которые слишком сильно отклонялись 418, пользователю генерируется сигнал на перекалибровку процедуры измерения второго параметра 420.
С другой стороны, если первое измерение не попадает в узкий диапазон допустимых отклонений третьего измерения, то первое измерение сравнивается со вторым измерением на предмет того, находятся ли они в узком диапазоне допустимых отклонений 404. Если да, то вычисляется взвешенное среднее при нулевом весе третьего измерения и, соответственно, увеличенных весах двух других измерений (шаг 422). Счетчик увеличивается для регистрации того, что третье измерение слишком сильно отклоняется от других измерений 424. Это дает пользователю окончательную величину уровня глюкозы, которая может быть далее записана любым удобным способом для дальнейшего использования 426. На этом завершается процедура одиночного измерения. В случае когда счетчик показывает, что было слишком много измерений третьего параметра, которые слишком сильно отклонялись 428, пользователю генерируется сигнал на перекалибровку процедуры измерения третьего параметра 430.
На фигуре 5 показана процедура непрерывного измерения. Сначала, используя процедуру одиночного измерения, получаются величины каждого из трех параметров. Затем пользователь должен установить число измерений перед автокалибровкой и интервал между измерениями (если пользователь не решил использовать предыдущие значения) 502.
Теперь счетчик увеличивается на единицу 504. Если счетчик достиг числа измерений для автокалибровки 506, текущая серия непрерывных измерений завершается, и программа возвращается к процедуре одиночных измерений, так что получаются новые значения для каждого из трех параметров, и может начаться новая серия непрерывных измерений.
Если время автокалибровки не подошло, то измеряется 508 выбранный параметр (например, первый параметр - скорость). Он умножается на калибровочный фактор 510, и окончательный уровень глюкозы записывается подходящим способом 512. От этого момента программа отсчитывает время. Когда проходит нужный интервал 514, программа возвращается к началу (шаг 504) и повторяет процесс.
Изобретение описано в деталях, со ссылками на конкретные осуществления, но необходимо понимать, что различные другие модификации могут быть осуществлены и все еще находятся в рамках сущности и объема изобретения.