СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ВОДЫ, ПОСТУПИВШЕЙ С ПИЩЕЙ В ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА Российский патент 2016 года по МПК G01N33/48 G01N33/487 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к медицине, а именно к области измерений для диагностических целей, в частности к измерениям характеристик водного баланса организма человека, и может быть использовано при создании различных технических средств, предназначенных как для задач медицинской диагностики, так и для контроля функционального состояния человека в повседневной жизни.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Вода играет важную роль в обеспечении нормальной жизнедеятельности организма человека. Она является средой, в которой происходят практически все биохимические и биофизические реакции, связанные с обменом веществ. Вода обеспечивает перенос питательных веществ, вырабатываемых организмом ферментов, продуктов метаболизма, газов и др. С помощью воды из организма выводятся продукты метаболизма, поддерживается состояние гомеостаза, за счет испарения воды на поверхности кожи и через легкие обеспечивается отдача тепла организмом в окружающую среду. Многие другие происходящие в организме человека процессы невозможны без воды. В среднем суточная потребность взрослого человека в воде составляет от 20 до 45 мл на 1 кг массы тела. При этом реальная потребность может заметно отличаться от этих значений. Например, при нахождении в жарком климате, работе в горячих цехах, при тяжелой физической работе, занятии спортом потребность в воде увеличивается.

При невосполняемой потере организмом воды в количестве примерно 5% массы тела наблюдается выраженная потеря работоспособности, при потере воды более 10% массы тела возникает тяжелое обезвоживание, а от 15% до 20% - наступает смерть. Поэтому крайне важно иметь возможность контролировать поступление воды в организм человека.

Различают три пути поступления воды в организм человека: с питьем (примерно 35-40%), с твердой пищей (примерно 40-45%) и за счет метаболических процессов в организме, или в результате окисления в организме белков, жиров и углеводов (примерно 20%). При этом под «питьем» понимается потребление так называемой свободной жидкости в виде воды, сока, киселя, супа и т.п. Вода, содержащаяся в твердой пище, является связанной и высвобождается в процессе переваривания пищи.

Очевидно, что со стороны человека контролю может поддаваться поступление воды с питьем и с твердой пищей. При этом возможность контроля поступления воды с питьем не представляет особой сложности, поскольку речь идет о жидкости, количество которой человек может оценить, примерно зная, сколько воды, сока и пр. он выпил. Определить же количество воды, поступившей в организм человека с твердой пищей или в сочетании с питьем, представляется существенно более сложной задачей.

Известны различные способы, позволяющие оценить количество воды, поступившей с пищей в организм человека.

Так, в статье Mandi J Bossingham, Nadine S Carnell, and Wayne W Campbell. Water balance, hydration status, and fat-free mass hydration in younger and older adults // Am J Clin Nutr. 2005 June; 81(6): 1342-1350 описан способ определения количества воды, содержащейся в пище, имеющей сложный состав, включающий твердую пищу и напитки, за исключением свободной воды. Для этого пищу перемешивали до гомогенного состояния, часть полученной смеси замораживали в качестве пробы для последующего определения количества содержащейся в ней воды методом центрифугирования при температуре 80°С. Очевидно, что такой способ может быть применим для случая специальных исследований, однако для указанной задачи определения в обычных условиях жизни количества воды, поступившей вместе с пищей в организм человека, он практически непригоден.

Известны способы, основанные на оценке количества содержащейся в пище воды с учетом ингредиентов, входящих в состав пищи. Например, в статье A. Stahl 1, A. Kroke 1, K. Bolzenius 1 and F. Manz. Relation between hydration status in children and their dietary profile - results from the DONALD study // European Journal of Clinical Nutrition (2007); 61: 1386-1392 описан способ определения количества воды в потребляемой пище с использованием специальной базы данных LEBTAB (Wolfgang Sichert-Hellert, Mathilde Kersting, Christa Chahda, Ruth Schäfer, Anja Kroke. German food composition database for dietary evaluations in children and adolescents // Journal of Food Composition and Analysis. Volume 20, Issue 1, February 2007, Pages 63-70).

Однако, несмотря на кажущуюся простоту реализации, такой подход, во-первых, требует от человека специальных действий, и, во-вторых, он не может обеспечить приемлемой точности получаемой оценки количества поступившей с пищей воды, как в силу использования неких усредненных табличных параметров, а не реальных, свойственных конкретной потребленной пище, так и в силу того, что не учитывается индивидуальная реакция организма на данный продукт. Кроме того, в обычных условиях потребления реальной пищи, когда невозможно выделить ее составляющие, такой метод становится непригодным.

Современные потребности людей, заботящихся о своем здоровье, предполагают создание персональных технических средств, в том числе обеспечивающих оценку количества поступившей в организм воды. Насущной задачей является создание объективных методов оценки количества поступившей в организм воды, не связанных с каким бы то ни было анализом состава потребленной пищи (включая свободную воду) и учитывающих реакцию конкретного организма на ту или иную пищу. При этом важно иметь возможность получать такую оценку как в реальном времени, так и итоговую после окончания процесса переваривания пищи.

В уровне техники источников, раскрывающих инструментальные методы решения указанной задачи, заявителем не обнаружено. Соответственно, задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка инструментального способа определения количества воды, поступившей с пищей в организм человека, в том числе обеспечивающего указанные требования, как в части произвольного состава пищи, так и в части получения оценки количества воды в реальном времени и после окончания процесса переваривания пищи. Способ также должен учитывать индивидуальные особенности организма человека по усвоению пищевых продуктов.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ определения количества воды, поступившей с пищей в организм человека, в соответствии с настоящим изобретением характеризуется следующими операциями.

После начала приема пищи периодически через интервалы времени Δt_i измеряют концентрацию глюкозы G_i в крови человека. Указанные интервалы времени определяются как: Δt_i=t_i-t_i-1, где t_i - текущий момент времени измерения, а t_i-1 - предыдущий момент времени измерения, при этом порядковый номер измерения i={1, N}, где N - общее число измерений, причем t₀ - момент времени начала приема пищи.

Далее за указанный интервал времени Δt_i определяют:

1) приращение концентрации глюкозы ΔG_i в крови;

2) приращение количества глюкозы ΔG(pl)_i в плазме крови;

3) количество глюкозы ΔG(tis)_i, поступившей в инсулин зависимые ткани;

4) количество глюкозы ΔG(met)_i, израсходованной на метаболические процессы в организме;

5) количество глюкозы ΔG(tm)_i, израсходованной на метаболические процессы в инсулин зависимых тканях, в которых усвоение глюкозы происходит преимущественно под воздействием инсулина.

Далее определяют количество глюкозы ΔG(Σ)_i, поступившей в кровь человека за данный интервал времени Δt_i, как сумму упомянутого приращения количества глюкозы ΔG(pl)_i в плазме крови, упомянутого количества глюкозы ΔG(tis)_i, поступившей в инсулин зависимые ткани, и упомянутого количества глюкозы ΔG(met)_i, израсходованной на метаболические процессы в организме, за вычетом упомянутого количества глюкозы ΔG(tm)_i, израсходованной на метаболические процессы в инсулин зависимых тканях, за данный интервал времени Δt_i, или:

Далее определяют общее количество глюкозы, поступившей в кровь человека к моменту времени t_i, как сумму количества глюкозы, поступившей в кровь за каждый интервал времени от первого до i-го, то есть от Δt₁ до Δt_i, или

по которому судят о количестве воды, поступившей с пищей в организм человека, как о величине, пропорциональной общему количеству глюкозы, поступившей в кровь человека к моменту времени t_i, или

где Κ_W - коэффициент пропорциональности, связывающий это определяемое количество воды с общим количеством глюкозы, поступившей в кровь человека к моменту времени t_i.

Слагаемые, входящие в уравнение (1), могут быть определены, например, следующим образом.

Приращение количества глюкозы в плазме крови ΔG(pl)_i за интервал времени Δt_i может быть определено по значению приращения концентрации глюкозы в крови ΔG_i за интервал времени Δt_i с учетом известного общего объема крови в организме человека и известной доли плазмы в этом объеме крови, составляющей примерно 60%.

При определении количества глюкозы ΔG(tis)_i, поступившей в инсулин зависимые ткани за интервал времени Δt_i, можно использовать, например, известные зависимости скорости захвата глюкозы периферийными или инсулин зависимыми тканями. На Фиг. 1 представлено семейство кривых зависимости скорости захвата глюкозы периферийными тканями человека (в ммоль в час на кг массы тела) от концентрации глюкозы в плазме крови (в ммоль на литр) и с учетом концентрации инсулина (миллиюнит на литр) в плазме крови. Данные приведены с сайта http://www.2aida.net/welcome/ (см. в разделе "Technical Guide", далее по ссылке - "Model Description").

Данными графиками можно пользоваться следующим образом. По известному значению концентрации глюкозы G, на кривой, соответствующей концентрации инсулина в плазме крови (что необходимо дополнительно определить для данного человека), определяют скорость захвата глюкозы V(tis) периферийными тканями. Количество глюкозы ΔG(tis)_i, поступившей в инсулин зависимые ткани, пропорционально длительности интервала времени Δt_i и массе человека. Недостатком этого метода определения ΔG(tis)_i является необходимость дополнительного определения концентрации инсулина в плазме крови данного человека.

Известно, что количество глюкозы ΔG(met)_i, израсходованной на метаболические процессы в организме за интервал времени Δt_i, пропорционально массе человека. Известно, что скорость продукции (выработки) глюкозы печенью натощак составляет примерно 2-3 мг/мин·кг массы тела человека (см. в кн. Эндокринология и метаболизм. Т. 2 / Под. ред. Ф. Фелига - М.: Медицина, 1985, с. 224). Это количество глюкозы идет на обеспечение метаболических процессов в организме. Так, при массе человека примерно 80 кг продукция глюкозы печенью составит примерно 200 мг/мин. Один моль глюкозы имеет массу 180 г, соответственно, масса 1 ммоль глюкозы составляет 0,18 г (или 180 мг). Таким образом, печень человека с указанной массой обеспечивает метаболические процессы в организме, производя примерно 1,1÷1,2 ммоль глюкозы в минуту. Таким образом, количество глюкозы ΔG(met)_i, израсходованной на метаболические процессы в организме за интервал времени Δt_i, может быть определено на основе известных данных о скорости выработки глюкозы печенью и с учетом массы человека и длительности интервала времени Δt_i.

Известно, что количество глюкозы ΔG(tm)_i, израсходованной на метаболические процессы в инсулин зависимых тканях за интервал времени Δt_i, также пропорционально массе человека и составляет примерно 25% от общего количества глюкозы, расходуемой на метаболические процессы в организме (см. в кн. Эндокринология и метаболизм. Т. 2 / Под. ред. Ф. Фелига - М.: Медицина, 1985, с. 73). Ткани, в которых усвоение глюкозы происходит преимущественно под воздействием инсулина (так называемые инсулин зависимые ткани), это: мышцы, жировая ткань. Таким образом, количество глюкозы ΔG(tm)_i, израсходованной на метаболические процессы в инсулин зависимых тканях за интервал времени Δt_i, может быть определено на основе известных данных о скорости выработки глюкозы печенью, доли глюкозы, идущей на метаболические процессы в инсулин зависимых тканях, и с учетом массы человека и длительности интервала времени Δt_i.

Полученные значения ΔG(pl)_i, ΔG(tis)_i, ΔG(met)_i и ΔG(tm)_i используют для определения количества глюкозы ΔG(Σ)_i, поступившей в кровь человека за данный интервал времени Δt_i, в соответствии с выражением (1), а общее количество глюкозы, поступившей в кровь человека к моменту времени t_i, определяют в соответствии с выражением (2). Наконец, количество воды, поступившей с пищей в организм человека, определяют в соответствии с выражением (3) как величину, пропорциональную общему количеству глюкозы, поступившей в кровь человека к моменту времени t_i. Данная зависимость подтверждена экспериментально, и значение коэффициента пропорциональности K_W, используемое в выражении (3), может быть получено соответствующим образом.

Таким образом, настоящее изобретение представляет инструментальный способ определения в реальном времени количества воды, поступившей в организм человека с пищей произвольного состава. При этом, поскольку способ основывается на измерении показателей обменных процессов, происходящих в организме конкретного человека, автоматически обеспечивается учет индивидуальных особенностей организма по усвоению пищевых продуктов.

В частном случае при осуществлении способа интервал времени Δt_i выбирают в диапазоне от 0,5 до 5 минут, предпочтительно - в диапазоне от 1 до 2 минут. Кроме того, интервал времени Δt_i может быть задан величиной постоянной.

Концентрацию глюкозы в крови человека G_i можно измерять любым подходящим методом. С учетом частоты (периодичности) измерений предпочтительно для этой цели использовать неинвазивные методы.

Приращение количества глюкозы ΔG(pl)_i в плазме крови за интервал времени Δt_i, в частности, может быть определено как:

ΔG(pl)_i=ΔG_i·V(pl),

где ΔG_i - приращение концентрации глюкозы в крови, определяемое как разность между текущим значением G_i и предыдущим значением G_i-1 концентрации глюкозы в крови, или: ΔG_i=G_i-G_i-1;

V(pl) - объем плазмы в крови человека, определяемый как:

V(pl)=K₁·P,

где: Ρ - масса человека;

K₁ - коэффициент, характеризующий количество плазмы крови на единицу массы человека.

Количество глюкозы ΔG(tis)_i, поступившей в инсулин зависимые ткани за интервал времени Δt_i, может быть, в частности, определено с использованием экспериментальных данных о скорости захвата глюкозы инсулин зависимыми тканями V(tis), полученных авторами настоящего изобретения. На Фиг. 2 приведен соответствующий график зависимости скорости захвата глюкозы инсулин зависимыми тканями от концентрации глюкозы G в крови для человека массой 70 кг. По этому графику для измеренного значения концентрации глюкозы G_i находим значение скорости захвата глюкозы инсулин зависимыми тканями V(tis)_i и определяем количество глюкозы ΔG(tis)_i, поступившей в инсулин зависимые ткани за интервал времени Δt_i, для данного человека с учетом его массы:

ΔG(tis)_i=V(tis)_i·Δt_i·K_P,

где: V(tis)_i - скорость захвата глюкозы инсулин зависимыми тканями для момента времени t_i, определяемая в зависимости от концентрации глюкозы в крови G_i по графику на Фиг. 2;

K_P - безразмерный коэффициент, учитывающий массу человека и равный Ρ/70, где: Ρ - масса человека, в кг.

В случае технической реализации при вычислении ΔG(tis)_i можно использовать либо табличную форму представленной на графике Фиг. 2 зависимости V(tis) от G, либо ее математическое выражение, которое может быть получено известными методами аппроксимации кривой.

Количество глюкозы ΔG(met)_i, израсходованной на метаболические процессы за интервал времени Δt_i, может быть определено как:

ΔG(met)_i=K₂·Δt_i·P;

где: Ρ - масса человека;

K₂ - коэффициент, характеризующий количество глюкозы, расходуемой для обеспечения в организме человека метаболических процессов в единицу времени на единицу массы человека.

Количество глюкозы ΔG(tm)_i, израсходованной на метаболические процессы в инсулин зависимых тканях за интервал времени Δt_i, может быть определено как:

ΔG(tm)_i=K₂·K₃·Δt_i·P,

где: Ρ - масса человека;

K₂ - коэффициент, характеризующий количество глюкозы, расходуемой для обеспечения в организме человека метаболических процессов в единицу времени на единицу массы человека;

K₃ - коэффициент, характеризующий количество глюкозы, расходуемой для обеспечения метаболических процессов в инсулин зависимых тканях организма человека в единицу времени на единицу массы человека.

Определение коэффициента пропорциональности K_W, связывающего определяемое количество воды W_i, поступившей с пищей в организм человека, с общим количеством глюкозы G(Σ)_i, поступившей в кровь человека к моменту времени t_i, может базироваться на известных и экспериментально полученных авторами настоящего изобретения данных об обменных процессах, происходящих в организме.

В частности, при практической реализации способа коэффициент пропорциональности K_W может быть представлен произведением трех коэффициентов в виде:

где: K_Wl - безразмерный коэффициент пропорциональности между количеством глюкозы, в целом поступившей в организм человека, и количеством глюкозы, поступившей в кровь человека, в результате приема пищи;

K_wg - коэффициент пропорциональности между количеством всасываемой кишечником воды и количеством глюкозы, поступающей в организм человека в результате приема пищи;

K_ws - безразмерный коэффициент пропорциональности, определяющий долю воды, содержащейся в поступающей в организм человека пище.

Известно, что в кровь человека попадает только часть глюкозы, поступающей в организм человека вместе с пищей, остальная часть, составляющая примерно от 30% до 45%, задерживается печенью (см. в кн: Principles of Diabetes Mellitus: Second Edition / Editor Leonid Poretsky. - Springer New York Dordrecht Heidelberg London, 2010, p. 31-32). Учитывая эти данные, коэффициент пропорциональности K_wl между количеством поступившей в организм человека глюкозы и количеством поступившей в кровь человека глюкозы в результате приема пищи может быть выбран в диапазоне от 1,4 до 1,8.

При определении коэффициента пропорциональности K_wg между количеством всасываемой кишечником воды и количеством глюкозы, поступающей в организм человека в результате приема пищи, можно принять во внимание следующие данные. Известно, что процесс всасывания глюкозы в кишечнике сопровождается поступлением определенного количества воды, а именно: на 1 молекулу глюкозы приходится примерно от 200 до 260 молекул воды. На это соотношение указывают разные исследователи, например, в статьях: Pierre-Pascal Duquette, Pierre Bissonnette, Jean-Yves Lapointe. Local osmotic gradients drive the water flux associated with Na+/glucose cotransport // Proc Natl Acad Sci USA. 2001 Mar. 27; 98(7): 3796-3801; Francois M. Charron, Maxime G. Blanchard, Jean-Yves Lapointe. Intracellular hypertonicity is responsible for water flux associated with Na⁺/glucose cotransport // Biophys J. 2006 May 15; 90(10): 3546-3554. Иными словами, количество всасываемой кишечником воды пропорционально количеству поступающей в организм глюкозы, и коэффициент пропорциональности для случая молекулярного соотношения воды и глюкозы составляет примерно от 200 до 260. В частности, в пересчете на количество воды, измеренное в мл, и количество глюкозы, измеренное в ммоль, коэффициент пропорциональности K_wg, с учетом указанной размерности измеряемых величин, может быть выбран в диапазоне от 3,6 мл/ммоль до 4,7 мл/ммоль.

Выделение в виде отдельного сомножителя коэффициента пропорциональности K_ws, определяющего долю воды, содержащейся в поступающей в организм человека пище, отражает то обстоятельство, что вода, которая всасывается вместе с глюкозой, включает не только воду, поступающую вместе с пищей. Существенная часть воды поступает в кишечник в виде различных секретов, участвующих в пищеварительных процессах. Так, известно, что в среднем в суточном количестве воды, поступившей в организм человека и равной примерно 9000 мл, секретированная вода составляет до 6000 мл (Human Physiology. Edited by Robert F. Schmidt and Gerhard Thews. Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-New York, 1983, p. 773).

Для определения количества воды, поступившей в организм человека с пищей, то есть без учета секретированной воды, изобретателями была проведена серия экспериментов, в ходе которых для определенного состава пищевой нагрузки рассчитывали количество содержащейся в ней воды, сразу после приема пищи периодически измеряли концентрацию глюкозы в крови, на основе чего определяли количество глюкозы, поступившей в кровь и в целом в организм человека вследствие приема пищи. В результате экспериментов установлено, что количество воды, содержащейся в пище, пропорционально количеству воды, всосавшейся вместе с глюкозой, и коэффициент пропорциональности лежит в диапазоне примерно от 0,14 до 0,18. Соответственно, при осуществлении способа в этом диапазоне может быть выбрано значение коэффициента пропорциональности K_ws.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение поясняется следующими графическими материалами.

На Фиг. 1 представлено семейство графиков зависимости скорости захвата глюкозы периферийными тканями человека от концентрации глюкозы в плазме крови и с учетом концентрации инсулина в плазме крови. Данные получены с сайта http://www.2aida.net/welcome/.

На Фиг. 2 приведен график зависимости скорости захвата глюкозы инсулин зависимыми тканями от концентрации глюкозы в крови, полученный экспериментальным путем авторами настоящего изобретения.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ниже дано описание примерного осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением с указанием значений и размерностей измеряемых и вычисляемых параметров.

После начала приема пищи начинают измерять концентрацию глюкозы в крови человека G_i (в ммоль/л) через интервалы времени Δt_i. Интервалы времени могут быть выбраны в пределах от 0,5 мин до 5 мин, предпочтительно от 1 до 2 минут. Предпочтительно концентрацию глюкозы в крови измерять, используя неинвазивные методы, что обеспечивает достаточно комфортные для человека условия измерения.

На интервале времени Δt_i определяют:

приращение концентрации глюкозы в крови ΔG_i;

приращение количества глюкозы в плазме крови ΔG(pl)_i;

количество глюкозы ΔG(tis)_i, поступившей в инсулин зависимые ткани;

количество глюкозы ΔG(met)_i, израсходованной на метаболические процессы;

количество глюкозы ΔG(tm)_i, израсходованной на метаболические процессы в инсулин зависимых тканях.

Приращение количества глюкозы в плазме крови ΔG(pl)_i (в ммоль) за интервал времени Δt_i определяют по формуле:

ΔG(pl)_i=ΔG_i·V(pl),

где ΔG_i - приращение концентрации глюкозы в крови (в ммоль/л), определяемое как разность между текущим значением G_i и предыдущим измеренным значением G_i-1 концентрации глюкозы в крови, или: ΔG_i=G_i-G_i-1;

V(pl) - объем плазмы в крови человека (в л), определяемый как:

V(pl)=K₁·P,

где: Ρ - масса человека (в кг);

K₁ - коэффициент, характеризующий количество плазмы крови на единицу массы человека, усредненное значение K₁=0,075 л/кг.

Количество глюкозы ΔG(tis)_i (в ммоль), поступившей в инсулин зависимые ткани за интервал времени Δt_i, определяют при данной концентрации глюкозы в крови G_i. Определить количество глюкозы ΔG(tis)_i, поступившей в инсулин зависимые ткани, можно, в частности, с использованием графика на Фиг. 2. По этому графику для данного значения концентрации глюкозы в крови G_i (в ммоль/л) определяют скорость захвата глюкозы инсулин зависимыми тканями V(tis)_i (ммоль/мин) и далее определяют количество глюкозы, поступившей в инсулин зависимые ткани по формуле:

ΔG(tis)_i=V(tis)_i·Δt_i·K_P,

где: V(tis)_i - скорость захвата глюкозы инсулин зависимыми тканями для момента времени t_i (в ммол/мин);

Δt_i - длительность интервала времени между измерениями концентрации глюкозы в крови (в мин),

K_P - безразмерный коэффициент, учитывающий массу человека и равный Ρ/70, где: Ρ - масса человека (в кг).

Вместо графика, представленного на Фиг. 2, можно использовать математическую зависимость V(tis) от G, которая может быть получена известными методами аппроксимации кривой.

Количество глюкозы ΔG(met)_i (в ммоль), израсходованной на метаболические процессы в организме, определяют по формуле:

ΔG(met)_i=K₂·Δt_i·P,

где: Ρ - масса человека (в кг);

K₂ - коэффициент, характеризующий количество глюкозы, расходуемой для обеспечения в организме человека метаболических процессов в единицу времени на единицу массы человека, усредненное значение K₂=0,0139 ммоль/кг·мин;

Δt_i - длительность интервала времени между измерениями концентрации глюкозы в крови (в мин).

Количество глюкозы ΔG(tm)_i (в ммоль), израсходованной на метаболические процессы инсулин зависимыми тканями, определяют по формуле:

ΔG(tm)_i=Κ₃·Δt_i·Ρ,

где: Ρ - масса человека (в кг);

K₃ - коэффициент, характеризующий количество глюкозы, расходуемой для обеспечения метаболических процессов в инсулин зависимых тканях организма человека в единицу времени на единицу массы человека; характеризует скорость усвоения глюкозы инсулин зависимыми тканями на единицу массы человека за одну минуту, усредненное значение K₃=0,0057 ммоль/кг·мин;

Δt_i - длительность интервала времени между измерениями концентрации глюкозы, в мин.

На основе вычисленных значений приращения количества глюкозы в плазме крови ΔG(pl)_i, количества глюкозы ΔG(tis)_i, поступившей в инсулин зависимые ткани, количества глюкозы ΔG(met)_i, израсходованной на метаболические процессы, и количества глюкозы ΔG(tm)_i, израсходованной на метаболические процессы в инсулин зависимых тканях, определяют количество глюкозы ΔG(Σ)_i, поступившей в кровь человека за данный интервал времени Δt_i, используя для этого выражение (1).

Далее по формуле (2) определяют общее количество глюкозы G(Σ)_i, поступившей в кровь человека к моменту времени t_i, а количество воды W_i, поступившей с пищей в организм человека к моменту времени t_i, определяют по формуле (3) с учетом (4) как:

При этом значение коэффициентов K_wl, K_wg и K_ws, входящих в выражение (5), выбирают в следующих пределах:

K_wl - в диапазоне от 1,4 до 1,8;

K_wg - в диапазоне от 3,6 мл/ммоль до 4,7 мл/моль;

K_ws - в диапазоне от 0,14 до 0,18.

ПРИМЕРЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Для проверки осуществимости способа и достижения указанного результата был проведен ряд экспериментов. В ходе эксперимента волонтер получал дозированную пищевую нагрузку, представляющую собой комбинацию различных продуктов. При этом в соответствии с настоящим изобретением измерялась концентрация глюкозы в крови человека от начала приема пищи на протяжении полутора часов, в течение которых происходит практически полное усвоение потребленной пищи. Концентрация глюкозы измерялась неинвазивным способом, описанным в международной заявке PCT/RU2013/000144 (номер международной публикации WO 2013/125987). Измерения производились с периодичностью 1 минута, или Δt_i=1 мин, i={1,90}. Дополнительно результаты измерений контролировались стандартным инвазивным способом с забором пробы крови 1 раз каждые 15 минут.

По полученным данным концентрации глюкозы в крови G_i для каждого интервала времени Δt_i в соответствии с описанным способом определяли: приращение концентрации глюкозы ΔG_i в крови; приращение количества глюкозы ΔG(pl)_i в плазме крови; количество глюкозы ΔG(tis)_i, поступившей в инсулин зависимые ткани; количество глюкозы ΔG(met)_i, израсходованной на метаболические процессы в организме; количество глюкозы ΔG(tm)_i, израсходованной на метаболические процессы в инсулин зависимых тканях. Затем по формуле (1) вычисляли количество глюкозы ΔG(Σ)_i, поступившей в кровь человека за каждый интервал времени Δt_i, после чего по формуле (2) определяли общее количество глюкозы, поступившей в кровь человека за весь период измерения концентрации глюкозы в крови. Наконец, общее количество воды W_i(i=90), поступившей с пищей в организм человека, определяли по формуле (5), при этом были использованы следующие значения коэффициентов пропорциональности:

K_wl=1,7;

K_wg=4,0 мл/моль;

K_ws=0,16.

Здесь при определении значения и размерности K_wg учитывалось, что количество воды W_i, поступившей с пищей в организм человека, измерялось в мл, а количество поступившей в организм глюкозы - в ммоль.

В качестве контрольного был выбран метод, основанный на использовании известных данных о составе продукта, которые можно получить из известных таблиц или с помощью специальных программ, например доступной по адресу http://www.calorizator.ru/analyzer/products. Суть метода заключается в следующем. Для определенного продукта берут данные о весовом количестве (массе) его основных нутриентов - белков, жиров, углеводов, приходящихся на определенное количество продукта, обычно на 100 г. Из общей массы продукта вычитают суммарное значение массы белков, жиров и углеводов и 90% полученного таким образом остатка принимают за количество воды, входящей в состав продукта. Здесь учитывалось то обстоятельство, что примерно до 10% по массе продукта могут составлять пищевые добавки (усилители вкуса, соли, стабилизаторы). Учет пищевых добавок производится для всех продуктов, кроме напитков. Затем полученные данные корректируют с учетом реальной массы продукта, потребленного волонтером.

В завершении экспериментов оценивалось отклонение значения количества воды, поступившей с пищей в организм человека, полученного с использованием способа в соответствии с настоящим изобретением, относительно этого же показателя, вычисленного контрольным способом.

ПРИМЕР 1

Испытательный тест со смешанной пищевой нагрузкой. Волонтер мужчина 58 лет, рост 174 см, вес 84 кг.

Состав пищевой нагрузки:

карбонат варено-копченый - 100 г;

батон нарезной - 54 г;

масло сливочное - 20 г;

кофе - 150 мл, в том числе сахар - 10 г.

Расчет количества воды, содержащейся в пище, приведен ниже в таблице 1.

Результаты теста

Количество воды в пищевой нагрузке, определенное контрольным методом, составило 230,1 мл.

Расчетное значение количества глюкозы, поступившей в кровь человека в результате приема пищи, составило 205,6 ммоль (или 37,0 г).

Количество воды, поступившей с пищей в организм человека и определенное в соответствии с настоящим изобретением, равно 223,7 мл.

Относительная погрешность определения количества воды, поступившей с пищей в организм человека, составила 2,8%.

ПРИМЕР 2

Испытательный тест со смешанной пищевой нагрузкой. Волонтер женщина 22 года, рост 162 см, вес 53 кг.

Состав пищевой нагрузки:

котлета куриная с сыром («Киевская») - 117 г;

каша гречневая - 125 г;

кофе - 150 мл, в том числе сахар - 10 г.

Расчет количества воды, содержащейся в пище, приведен ниже в таблице 2.

Результаты теста

Количество воды в пищевой нагрузке, определенное контрольным методом, составило 277,9 мл.

Расчетное значение количества глюкозы, поступившей в кровь человека в результате приема пищи, составило 221,2 ммоль (или 39,8 г).

Количество воды, поступившей с пищей в организм человека и определенное в соответствии с настоящим изобретением, равно 240,7 мл.

Относительная погрешность определения количества воды, поступившей с пищей в организм человека, составила 13,4%.

Проведенные испытания показали, что настоящее изобретение обеспечивает возможность инструментальной оценки количества воды, поступившей с пищей в организм человека, на основе измерения концентрации глюкозы в крови.

Способ предназначен преимущественно для определения количества воды, поступившей с пищей в организм здорового человека, и может использоваться для создания различных устройств и систем мониторинга водного баланса организма человека.

Изобретение относится к диагностической медицине, а именно к измерению водного баланса организма человека. Для этого определяют количество воды, поступившей с пищей в организм человека к моменту времени t_i, как величину, пропорциональную общему количеству глюкозы, поступившей в кровь человека к моменту времени t_i, определяемому как сумма упомянутого количества глюкозы, поступившей в кровь человека за каждый интервал времени от первого - Δt₁ до i-го - Δt_i. После начала приема пищи периодически через интервалы времени Δt_i измеряют концентрацию глюкозы G_i в крови человека и за указанный интервал времени Δt_i. Таким образом определяют приращение концентрации глюкозы ΔG_i в крови, приращение количества глюкозы в плазме крови ΔG(pl)_i, количество глюкозы ΔG(tis)_i, поступившей в инсулин зависимые ткани, количество глюкозы ΔG(met)_i, израсходованной на метаболические процессы в организме, и количество глюкозы ΔG(tm)_i, израсходованной на метаболические процессы в инсулин зависимых тканях. На основе полученных данных определяют количество глюкозы ΔG(Σ)_i, поступившей в кровь человека за данный интервал времени Δt_i, согласно формуле ΔG(Σ)_i=ΔG(pl)_i+ΔG(tis)_i+ΔG(met)_i-ΔG(tm)_i. Изобретение обеспечивает возможность определения количества воды, поступившей с пищей в организм человека, независимо от ее состава и в любой промежуток времени с учетом индивидуальных особенностей организма человека по усвоению пищевых продуктов. 11 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 пр.

1. Способ определения количества воды, поступившей с пищей в организм человека, характеризующийся тем, что
после начала приема пищи периодически через интервалы времени Δt_i, где Δt_i есть интервал времени между текущим моментом времени измерения t_i и предыдущим моментом времени измерения t_i-1, измеряют концентрацию глюкозы G_i в крови человека и за указанный интервал времени Δt_i определяют:
приращение концентрации глюкозы ΔG_i в крови;
приращение количества глюкозы ΔG(pl)_i в плазме крови;
количество глюкозы ΔG(tis)_i, поступившей в инсулин зависимые ткани;
количество глюкозы ΔG(met)_i, израсходованной на метаболические процессы в организме;
количество глюкозы ΔG(tm)_i, израсходованной на метаболические процессы в инсулин зависимых тканях,
на основе чего определяют количество глюкозы ΔG(Σ)_i, поступившей в кровь человека за данный интервал времени Δt_i, как сумму упомянутого приращения количества глюкозы в плазме крови ΔG(pl)_i, упомянутого количества глюкозы ΔG(tis)_i, поступившей в инсулин зависимые ткани, и упомянутого количества глюкозы ΔG(met)_i, израсходованной на метаболические процессы в организме, за вычетом упомянутого количества глюкозы ΔG(tm)_i, израсходованной на метаболические процессы в инсулин зависимых тканях,
а о количестве воды, поступившей с пищей в организм человека к моменту времени t_i, судят как о величине, пропорциональной общему количеству глюкозы, поступившей в кровь человека к моменту времени t_i, определяемому как сумма упомянутого количества глюкозы, поступившей в кровь человека за каждый интервал времени от первого - Δt₁ до i-го - Δt_i.

2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что упомянутый интервал времени Δt_i выбирают в диапазоне от 0,5 до 5 минут.

3. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что упомянутый интервал времени Δt_i задают величиной постоянной.

4. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что концентрацию глюкозы G_i в крови человека измеряют неинвазивным методом.

5. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что упомянутое приращение количества глюкозы ΔG(pl)_i в плазме крови за интервал времени Δt_i определяют как:
ΔG(pl)_i=ΔG_i·V(pl),
где: ΔG_i - приращение концентрации глюкозы в крови, определяемое как разность между текущим значением G_i и предыдущим значением G_i-1 концентрации глюкозы в крови;
V(pl) - объем плазмы в крови человека, определяемый как:
V(pl)=K₁·P,
где: P - масса человека;
K₁ - коэффициент, характеризующий количество крови на единицу массы человека.

6. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что упомянутое количество глюкозы ΔG(tis)_i, поступившей в инсулин зависимые ткани за интервал времени Δt_i, определяют как:
ΔG(tis)_i=V(tis)_i·Δt_i·K_P,
где: V(tis)_i - скорость захвата глюкозы инсулин зависимыми тканями для момента времени t_i, определяемая в зависимости от концентрации глюкозы в крови G_i по графику на Фиг. 2;
K_P - коэффициент, учитывающий массу человека и равный P/70, где P - масса человека, в кг.

7. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что упомянутое количество глюкозы ΔG(met)_i, израсходованной на метаболические процессы за интервал времени Δt_i, определяют как:
ΔG(met)_i=K₂·Δt_i·P;
где: P - масса человека;
K₂ - коэффициент, характеризующий количество глюкозы, расходуемой для обеспечения в организме человека метаболических процессов в единицу времени на единицу массы человека.

8. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что упомянутое количество глюкозы ΔG(tm)_i, израсходованной на метаболические процессы в инсулин зависимых тканях за интервал времени Δt_i, определяют как:
ΔG(tm)_i=K₂·K₃·Δt_i·P,
где: P - масса человека;
K₂ - коэффициент, характеризующий количество глюкозы, расходуемой для обеспечения в организме человека метаболических процессов в единицу времени на единицу массы человека;
K₃ - коэффициент, характеризующий количество глюкозы, расходуемой для обеспечения метаболических процессов в инсулин зависимых тканях организма человека в единицу времени на единицу массы человека.

9. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что коэффициент пропорциональности, связывающий определяемое количество воды, поступившей с пищей в организм человека к моменту времени t_i, с общим количеством глюкозы, поступившей в кровь человека к моменту времени t_i, выбирают равным:
K_w=K_wl·K_wg·K_ws,
где: K_wl - коэффициент пропорциональности между количеством глюкозы, в целом поступившей в организм человека, и количеством глюкозы, поступившей в кровь человека, в результате приема пищи, учитывающий количество глюкозы, задержанной печенью;
K_wg - коэффициент пропорциональности между количеством всасываемой кишечником воды и количеством поступающей в организм глюкозы в результате приема пищи;
K_ws - коэффициент пропорциональности, определяющий долю воды, содержащейся в поступающей в организм человека пище.

10. Способ по п. 9, характеризующийся тем, что коэффициент пропорциональности K_wl между количеством глюкозы, в целом поступившей в организм человека, и количеством глюкозы, поступившей в кровь человека, в результате приема пищи, выбирают в диапазоне от 1,4 до 1,8.

11. Способ по п. 9, характеризующийся тем, что при определении количества воды, поступившей с пищей в организм человека к моменту времени t_i, в мл и количества глюкозы, поступившей в кровь человека к моменту времени t_i, в ммоль коэффициент пропорциональности K_wg между количеством всасываемой кишечником воды и количеством поступающей в организм глюкозы в результате приема пищи выбирают в диапазоне от 3,6 мл/ммоль до 4,7 мл/ммоль.

12. Способ по п. 9, характеризующийся тем, что коэффициент пропорциональности K_ws, определяющий долю воды, содержащейся в поступающей в организм человека пище, выбирают в диапазоне от 0,14 до 0,18.