СПОСОБ НЕИНВАЗИВНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ГЛЮКОЗЫ В КРОВИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF NON-INVASIVE DETERMINATION OF GLUCOSE IN BLOOD AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к области медицины, в частности к эндокринологии, и может быть использовано для контроля уровня глюкозы в крови при диагностике нарушений углеводного обмена, для проведения дифференциальной диагностики инсулинозависимого и инсулиннезависимого диабета, определения состояния их компенсации.
Сахарный диабет - это хроническое заболевание, которое возникает в результате недостаточной выработки инсулина поджелудочной железой или неэффективной восприимчивости клетками организма выработанного инсулина.
Сахарный диабет - очень распространенное заболевание; количество людей, подверженных этому недугу, растет год от года. Уже сегодня сахарным диабетом болеет более 60 миллионов человек на земле.
Сахарный диабет требует постоянного контроля уровня глюкозы в крови, иначе болезнь может привести к серьезным осложнениям. Только при поддержании концентрации глюкозы в крови в пределах нормы (3,5-6,0 ммоль/л) возможно добиться приостановления развития осложнений. Правильный режим питания и физической активности, поддержание нормального или близкого к нормальному уровня глюкозы в крови позволят предупредить развитие диабетических осложнений.
Широко распространены анализы крови на сахар, при которых необходимо получить образец крови в виде капли. Для этого пользуются специальными автоматическими устройствами для прокола кожи. Определение уровня сахара осуществляют в лаборатории. Известные способы анализа на содержание сахара в крови пациента основаны на свойстве сахара восстанавливать определенные соли в процессе сложных химических реакций; такие анализы имеют биохимический характер.
Кровь для исследования на содержание в ней глюкозы берется различными способами - из вены, путем прокола кожи кончиков пальцев, мочки уха. В первом случае исследуется венозная кровь, во втором - капиллярная. В настоящее время созданы портативные приборы для определения сахара в крови, которыми могут пользоваться больные дома и сами определять уровень сахара. Это необходимо для правильного подбора доз лекарств больным сахарным диабетом, что значительно повышает эффективность лечения.
Недостаток таких способов состоит в том, что они являются дорогостоящими и главное - требуют обязательного забора крови. При этом возможно травмирование и инфицирование человека.
Известны неинвазивные способы определения содержания глюкозы в крови человека, исключающие забор крови.
Например, известен способ определения концентрации глюкозы в крови человека на основе измерения полного электрического сопротивления кожи или одной из составляющих полного электрического сопротивления кожи (RU 2230485, 2004).
Однако, данный способ обладает малой чувствительностью к определению концентрации глюкозы, так как использует расчетную формулу, в которую входят трудно определяемые параметры. Такие параметры, хотя и учитывают связь концентрации глюкозы с электрическими параметрами кожи, но зависят от ионного состава жидкостей и потоотделения, которые сильно разнятся у различных людей.
Известен способ определения концентрации глюкозы в крови человека и непрерывного мониторинга состояния концентрации глюкозы в крови человека (RU 2342071, 2007). Способ заключается в том, что измеряют электрические передаточные функции посредством двух пар четырехэлектродных датчиков, закрепленных на поверхности тела человека.
Недостатком способа является малая чувствительность к определению концентрации глюкозы, т.к. глюкоза является электрически нейтральной. Ее концентрация в крови на три порядка меньше, чем концентрация электролитов в крови и в биотканях.
Известен неинвазивный способ определения концентрации глюкозы в крови человека (RU 2295915, 2005). Способ осуществляют путем облучения лазерным лучом зоны максимального скопления кровеносных сосудов на слизистой оболочке, приема информации и аппаратурного преобразования ее посредством выделения ориентации вектора поляризации и интенсивности отраженного излучения и расчета по ним концентрации вещества в крови. Для облучения используют лазерный луч с «нулевой поляризацией» и длиной волны в диапазоне 0,5 мкм - 2,1 мкм. Предварительно настраивают анализатор-поляроид на точки локального поглощения лазерного излучения в слизистой ткани определяемых веществ, фиксируют изменения ориентации вектора поляризации отраженного излучения в точках локального поглощения лазерного излучения по углу его поворота и судят о концентрации вещества по величине угла поворота вектора поляризации.
Однако данный способ обладает малой точностью, так как кровеносные сосуды, например, в дерме находятся на глубине порядка миллиметра от рогового слоя кожи. Кроме того, поверхностные слои кожи обладают анизотропией, и распространение линейно-поляризованного света приводит к неоднозначной интерпретации результатов измерения.
Известен неинвазивный способ определения концентрации глюкозы, включающий измерение систолического и диастолического артериального давления последовательно на левой и правой руках пациента, при этом содержание глюкозы в крови рассчитывают по математическим формулам (RU 2368303, 2007).
Однако данный способ является сложным и недостаточно точным, поскольку требует каждый раз измерения давления на правой и левой руке пациента натощак и после приема пищи, а содержание глюкозы в крови рассчитывают по предложенным заявителем математическим формулам.
Ученые из Израиля и США разработали метод ранней диагностики паркинсонизма, основанный на оценке тончайших изменений. голоса человека, сообщает The Daily Telegraph. В настоящее время диагностика паркинсонизма происходит, как правило, лишь тогда, когда число погибших двигательных нейронов достаточно велико, чтобы вызвать такие симптомы, как мышечная скованность, тремор и нарушения равновесия.
Лечение, начатое на этой стадии, может замедлить прогрессирование болезни, но не восстановить двигательные функции. Своевременная диагностика, как утверждают исследователи, может предотвратить разрушение до 60 процентов нервных клеток соответствующих областей мозга. Известно, кроме того, что при паркинсонизме нарушаются функции мышц гортани, что рано или поздно приводит к осиплости голоса.
Основанные на этом факте попытки ранней диагностики заболевания по изменениям голоса уже проводились, однако были безуспешны. Профессору Университета Хайфы Шимону Сапиру (Shimon Sapir) удалось это сделать, применив альтернативный подход к анализу голоса и разработав программное обеспечение, выявляющее его характерные изменения из-за болезни до того, как они становятся различимы на слух.
Необходимо отметить, что сам голос независимо от того, какие слова произносятся, несет колоссальный объем информации; по голосу можно определить характер человека и многое другое.
Объясняется это тем, что голос напрямую связан с анатомией и физиологией: он зависит от строения тела в общем и органов голосообразования в частности. Звуки рождаются при колебаниях голосовых складок, которые подобно струнам натянуты в гортани. Они могут совершать от 80 до 10000 и более колебаний в секунду, причем колебаться как всей своей массой, так и отдельными участками. Установлено, что под влиянием нервных импульсов, поступающих из центральной нервной системы, голосовые складки изменяют свою длину, толщину, степень напряжения. Сокращение их различных участков и обусловливает всю богатейшую гамму звуков, подобно тому, как нажатие пальцами на гитарные струны в разных местах дает различное звучание.
Высота голоса зависит от длины складок, а сама длина их и толщина - от строения гортани. Тембр голоса, его сила, окраска зависят не только от длины и толщины складок, но и от строения так называемых резонаторов.
Глотка, носоглотка, рот, полость носа и его придаточных пазух - это верхние резонаторы, а трахея, бронхи и легкие - нижние. У каждого человека эти органы имеют индивидуальные особенности, поэтому и голоса так несхожи между собой.
Как уже отмечалось, голос связан с анатомией и физиологией, поэтому практически любое заболевание, так или иначе, влияет на звучание голоса. Меняется голос при различных бронхитах, тонзиллитах, синуситах…
Сложная электроакустическая обработка голоса, произносящего фразы, выражающие разные эмоции - радость, горе, гнев, страх, показала, что каждое состояние человека имеет свой набор отличительных акустических признаков. Например, для состояния горя - это наибольшая длительность слога, характерные "подъемы" и "съезды" в высоте звуков, для страха - отличительными оказались резкие перепады силы голоса, нарушение темпоритма, увеличение пауз…
Так, голос достаточно точно сообщает окружающим о текущем состоянии человека. Эти реакции обычно плохо поддаются контролю самим человеком, и потому они весьма информативны.
При изменении эмоционального состояния человека у него неконтролируемо меняется большое число характеристик речи. К ним в первую очередь относятся: изменение частоты основного тона и нескольких первых формант, изменения в спектральном составе речи, повышение энергии высокочастотных компонент, увеличение громкости и темпа речи, появление вибрации; также происходят другие изменения, которые могут быть описаны в математической форме и, следовательно, вычислены с помощью компьютера. Таким образом, детектирование широкого спектра характеристик, перечисленных выше, может с высокой степенью достоверности выявить изменения в психоэмоциональном состоянии человека.
В настоящее время известны способы определения психофизиологического состояния человека, основанные на связи протекающих психических процессов с динамикой физиологических процессов, что используется, например, в «детекторах лжи».
При этом параметры состояния человека возможно регистрировать с помощью внешних устройств, не подключаемых непосредственно к человеку.
Однако параметры звуковых колебаний голоса человека могут изменяться не только при изменении эмоционального состояния, но и за счет физиологических изменений гортани и голосовых связок при изменении различных биохимических характеристик крови человека, например при изменении уровня глюкозы в крови.
Как показали исследования, при изменении уровня глюкозы в крови, в том числе и той, которая омывает гортань и связки, будет происходить изменение упругих свойств биологической ткани этих органов, что соответственно приведет также к изменению спектральных характеристик звуковых колебаний в голосе человека (что соответствует физическому закону Гука).
Так, теоретический анализ спектра колебаний двумерной пластины показывает, что в результате изменения величины коэффициента упругости материала пластины происходит изменение и спектрального состава колебаний пластины. Появляются новые обертона, происходит частотный сдвиг пиков и изменение интенсивности некоторых пиков в спектре колебаний. Все эти изменения в спектре можно использовать в качестве количественных величин изменения соответствующих параметров в зависимости от изменения коэффициента упругости материала.
Применительно к данной заявке таким материалом является биологическая ткань гортани и связки, коэффициент упругости которых подвергается изменению под действием изменения уровня глюкозы в крови человека.
Таким образом, было бы интересно воспользоваться выявленной зависимостью изменения спектра звуковых колебаний голоса человека от изменения уровня глюкозы в его крови. Такая зависимость могла быть положена в основу создания способа неинвазивного определения содержания глюкозы в крови человека и животных.
Известен неинвазивный способ определения концентрации глюкозы в крови по голосу человека, включающий регистрацию звуковых колебаний голоса человека, их аппаратурное преобразование с целью получения параметра, соответствующего содержанию глюкозы в крови, и определение содержания глюкозы в крови человека при регистрации звуковых колебаний. При этом в качестве параметра, соответствующего содержанию глюкозы в крови, выбрано изменение частоты спектра звуковых колебаний голоса человека.
Однако частотные характеристики связок и гортани у всех людей разные, что связано с полом, возрастом и т.п. В связи с этим, способ или прибор, созданный на основе такого способа, обладает низкой точностью измерений и предпочтителен только в качестве индивидуального. При измерении уровня глюкозы у другого человека с помощью такого прибора ошибка измерения будет составлять порядка 40-50%.
Таким образом, к основным недостаткам известного способа следует отнести низкую точность измерения.
Необходимо также отметить, что изменение уровня глюкозы в крови влечет за собой не только изменение частоты, но и изменение интенсивности звуковых колебаний.
При этом основная область разговорной речи человека по частоте располагается в пределах от 100 Гц до 1600-2000 Гц, а общая интенсивность звуковых колебаний этой области составляет порядка 60 децибел. Изменение интенсивности разговорной речи разных людей относительно друг друга составляет порядка 3-4 децибел.
Эксперименты по измерению интенсивности пиков для выбранных частот в спектре голоса человека (измеряли с помощью звукового спектроанализатора) в зависимости от уровня глюкозы в крови (измерения проводили стандартным глюкометром) для разных людей показали, что влияние уровня глюкозы в крови на изменение интенсивности пиков частот в спектре голоса человека действительно существует.
При этом для низкочастотной области разговорной речи изменение интенсивности пиков для выбранных частот под влиянием изменения уровня глюкозы в крови составляет порядка 5-6 децибел, т.е. практически на уровне изменения интенсивности разговорной речи разных людей.
Таким образом, технической задачей изобретения является создание неинвазивного способа измерения глюкозы в крови человека, позволяющего с достаточной простотой и точностью осуществлять постоянный контроль уровня глюкозы в крови человека, и устройства для его осуществления.
Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений за счет выбора в качестве параметра, соответствующего содержанию глюкозы в крови, интенсивности пиков звуковых частот колебаний голоса человека.
Для решения этой задачи в известном способе неинвазивного определения содержания глюкозы в крови по голосу человека, включающем регистрацию звуковых колебаний голоса человека, их аппаратурное преобразование для получения параметра, соответствующего содержанию глюкозы в крови, и определение содержания глюкозы в крови человека при регистрации звуковых колебаний, в качестве параметра, соответствующего содержанию глюкозы в крови, выбирают интенсивность пиков звуковых частот колебаний голоса человека.
При этом аппаратурное преобразование включает в себя преобразование звуковых колебаний голоса человека в спектр, отбор спектральных пиков звуковых частот с однородной интенсивностью в области низких и высоких частот, определение интенсивностей отобранных пиков по частоте и получение соотношения между интенсивностями пиков выбранных низких и высоких частот.
Кроме того, предварительно определяют функциональную зависимость изменения соотношения интенсивностей выбранных пиков в зависимости от уровня глюкозы в крови с помощью типового глюкометра.
При этом функциональная зависимость изменения соотношения выбранных пиков от уровня глюкозы в крови может представляеть собой обобщенную среднестатистическую функциональную зависимость, полученную путем регистрации звуковых колебаний голосов разных людей или индивидуальную функциональную зависимость, полученную путем регистрации звуковых колебаний голоса одного человека.
Предпочтительно, что регистрацию звуковых колебаний голоса человека осуществляют в выбранном диапазоне низких частот от 100 Гц до 1500 Гц и высоких частот от 7000 Гц до 10000 Гц.
Предложено также устройство для осуществления способа по п.1, включающее регистратор звуковых колебаний голоса человека, звуковой спектр-анализатор с фильтрами для отбора пиков спектра в области низких и высоких частот, узел обработки данных со спектр-анализатора и блок определения величины уровня глюкозы в зависимости от изменения интенсивности выбранных пиков спектра.
Предпочтительно, что в качестве регистратора звуковых колебаний голоса человека используют микрофон, а в качестве узла обработки данных со спектр-анализатора и блока определения величины уровня глюкозы в зависимости от изменения интенсивности выбранных пиков спектра - компьютер.
Способ реализуют следующим образом: человек, уровень глюкозы в крови которого хотят замерить, произносит стандартную фразу в микрофон, например, диктофона, телефона или компьютера, в котором есть программа звукового спектр-анализатора. Затем, с помощью узла обработки данных со спектр-анализатора и блока определения величины уровня глюкозы в зависимости от изменения интенсивности выбранных пиков спектра, осуществляют преобразование звуковых колебаний голоса человека в спектр, отбирают спектральные пики звуковых частот с однородной интенсивностью в области низких и высоких частот, определяют интенсивность отобранных пиков по частоте, получают соотношение между интенсивностями пиков выбранных низких и высоких частот и по ним определяют уровень глюкозы в крови.
Предварительно определяют функциональную зависимость изменения соотношения интенсивностей выбранных пиков в зависимости от уровня глюкозы в крови с помощью типового глюкометра и получают обобщенную среднестатистическую функциональную зависимость, полученную путем регистрации звуковых колебаний голосов разных людей или индивидуальную функциональную зависимость, полученную путем регистрации звуковых колебаний голоса одного человека.
Соответствующая методика была разработана для получения базы данных измерений для множества людей, в основном больных инсулинозависимых диабетом. Для каждого человека измеряли не менее 10 значений величины глюкозы, и одновременно производили звуковую запись голоса человека. В качестве стендового прибора по обработке поступающих данных и величин уровня сахара использовали компьютер с микрофоном и с программой звукового спектр-анализатора. С помощью спектр-анализатора производили преобразование звукозаписи голоса человека в спектр как в виде цифровых данных, так и в виде спектрального графика. Спектральные графики представляли собой графики как отдельных пиков, так и сплошных, сливающихся пиков с различной интенсивностью. По ординате графика - величины интенсивностей пиков, по оси абсцисс - величины частот звуковых колебаний. Вначале полученные базы данных анализировали визуальным методом, при котором рассматривали качественные изменения на графике звукового спектра голоса в зависимости от величины уровня глюкозы. В соответствии с таким методом анализа графиков спектра и соответствующих величин уровня глюкозы были найдены области частот, в которых сильно изменялись интенсивности пиков в зависимости от изменения величины глюкозы для каждого человека в отдельности. Затем были найдены такие закономерные изменения интенсивности пиков в этих областях частот для всех участвующих в эксперименте людей при изменении уровня глюкозы. После чего, для увеличения точности измерения использовали относительные значения интенсивностей типа гармонических соотношений.
Для получения количественных функциональных зависимостей изменения интенсивностей пиков от величин уровней глюкозы использовали базы данных звукового спектра голоса каждого человека в цифровом виде.
Устройство для измерения уровня глюкозы в крови по голосу человека схематично показано на чертеже (фиг.1) и включает в себя микрофон 1, звуковой спектр-анализатор с фильтрами для отбора пиков спектра 2, в котором происходит разложение голоса человека на спектр, компьютер с блоками 3, в котором находится программа по обработке поступающих данных, блока процессора 4, с помощью которого происходит определение величины уровня глюкозы, и блока телеметрии 5, с помощью которого показывается результат по измерению уровня глюкозы в крови.
Устройство работает следующим образом. Из микрофона 1 аудиозапись поступает в блок звукового спектр-анализатора 2, где производится преобразование голоса человека в спектр. В оцифрованном виде данные поступают в компьютер и в блок телеметрии 5, где виден результат по измерению уровня глюкозы.
Примеры реализации способа.
Заявляемый способ был проверен экспериментально на пяти диабетиках первого рода, двух диабетиках второго рода и трех здоровых людях. При этом один тестовый день для каждого испытуемого использовали для калибровки способа. Остальные тестовые дни (от одного до трех - для разных испытуемых) использовали для восстановления глюкозы в крови испытуемых. Испытания в тестовые дни проводили в течение полусуток через каждый час, при этом изменения глюкозы в крови происходили в разных направлениях (в сторону уменьшения ее и увеличения). Одновременно для контроля производились инвазивные измерения глюкозы в крови посредством приборов "Accu-Chek Active". Результаты некоторых из этих экспериментов показаны на фиг.2-4.
На фиг.2 приведены графики изменения интенсивности голоса человека в зависимости от уровня сахара для пяти человек инсулинозависимых диабетиков. Измерения проведены с помощью прибора АкуЧек, звукового спектр-анализатора и разработанной методики расчета по определению функциональной зависимости интенсивности выбранных пиков от уровня глюкозы. По оси ординат - величины уровня глюкозы. По оси абсцисс - относительные безразмерные величины интенсивности пиков спектра голоса. Записи голоса человека производились с сотовых телефонов с одновременным сообщением величины уровня глюкозы в данный момент времени. Испытания проводились в течение месяца. Все испытуемые - диабетики со стажем от 5 до 10 лет и разных возрастов от 40 до 75 лет. Длительность испытаний определялась необходимостью получения величины уровня сахара от максимальных значений до нормальных значений, соответствующих здоровому человеку.
На фиг.3 представлены результаты испытаний стендового образца неинвазивного прибора. Точки в виде ромбов на графике соответствуют значениям концентрации глюкозы в крови, измеренным с помощью инвазивного прибора АкуЧек. Линия с точками в виде квадратиков показывает результаты неинвазивного стендового прибора. По оси ординат отложены величины уровня сахара. По оси абсцисс - время в часах. Измерения проводились на инсулинозависимом диабетике М. одновременно двумя приборами через каждый час. Измерения начинались с 9.00 часов утра.
На фиг.4 представлены графики измеренных значений уровней глюкозы для второго испытуемого инсулинозависимого диабетика.