СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ГЛЮКОЗЫ В КРОВИ Российский патент 2016 года по МПК G01N33/49 A61B5/145 

Изобретение относится к способам определения содержания глюкозы в крови с использованием электромагнитных волн.

Важнейшей задачей профилактики заболевания диабетом и протекания болезни у пациента является постоянный контроль содержания глюкозы в крови.

Известен способ для неинвазивного измерения концентрации глюкозы в крови, работающий в оптическом диапазоне длин волн, основанный на использовании средства для регулирования тока в цепи источника питания и для обработки данных, соединенные последовательно с цифроаналоговым преобразователем, блок питания полупроводникового лазера, регулятор температуры, полупроводниковый лазерный источник излучения и оптическое средство [1].

Недостатки этого способа:

- большая погрешность (20-30%) в определении содержания глюкозы в крови, связанная с использованием оптического излучения, плохо проникающего в кожный покров;

- необходимость использования дорогостоящей лазерной и спектральной аппаратуры;

- необходимость предварительной очистки поверхности кожи от волосяного покрова;

- необходимость использования одноразовых индикаторных полосок;

- болевые ощущения у пациента при тестировании.

Известен способ определения содержания глюкозы в крови, включающий установку в согласующее устройство резонансного элемента, который выполнен в виде плоскопараллельной пластины из диэлектрика, которая расположена на одном конце отрезка металлической волноводной линии и контактирует с кожной поверхностью; облучение поверхности кожи электромагнитной волной сантиметрового диапазона длин волн; измерение зависимости от частоты коэффициента отражения электромагнитной волны от поверхности кожи на панорамном измерителе коэффициента стоячей волны напряжения (КСВН) и ослабления сантиметрового диапазона длин волн; определение минимальной величины коэффициента отражения R_мин и соответствующей этой величине частоты ƒ_мин; сопоставление значений R_мин и ƒ_мин с «электросахарной кривой» и определение на основе этого сопоставления содержания глюкозы в крови [2] - прототип.

Этот способ несколько повышает точность измерений за счет использования в согласующем устройстве резонансного элемента для лучшего согласования волноводной линии передачи с кожной поверхностью, снижает стоимость медицинских исследований за счет использования панорамных измерителей КСВН и ослабления; не требует предварительной очистки поверхности кожи от волосяного покрова и использования одноразовых индикаторных полосок.

Недостатки этого способа:

- используемый резонансный элемент - диэлектрическая пластина - должна иметь толщину, кратную нечетному числу четверти длины электромагнитной волны в диэлектрическом материале пластины, при этом уход толщины от этого значения затрудняет определение минимума коэффициента отражения электромагнитной волны и тем самым снижает точность определения содержания глюкозы в крови;

- используемый резонансный элемент изготавливается из диэлектрического материала, имеющего определенную величину диэлектрической проницаемости, которая существенно отличается от оптимальной величины диэлектрической проницаемости, необходимой для точного измерения минимума коэффициента отражения электромагнитной волны, и тем самым снижает точность определения содержания глюкозы в крови;

- применяемый панорамный измеритель КСВН и ослабления волны работает в сантиметровом диапазоне длин волн, что в силу глубокого проникновения электромагнитной волны сантиметрового диапазона длин волн в тело пациента приводит к существенному поглощению электромагнитной волны и тем самым снижает точность определения содержания глюкозы в крови.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение точности определения содержания глюкозы в крови при сохранении низкой стоимости используемой аппаратуры.

Указанный технический результат достигается предложенным способом определения содержания глюкозы в крови, включающим

- установку в согласующее устройство резонансного элемента;

- соединение согласующего устройства с источником электромагнитной волны;

- размещение согласующего устройства на поверхности кожи;

- облучение поверхности кожи электромагнитной волной;

- измерение зависимости от частоты коэффициента отражения электромагнитной волны от поверхности кожи;

- определение минимальной величины коэффициента отражения R_мин, соответствующей величине резонансной частоты ƒ_мин;

- сопоставление значений R_мин с «электросахарной кривой» и определение на основе этого сопоставления содержания глюкозы W в крови.

В котором

- резонансный элемент выполнен в виде плоскопараллельной пластины из металла и снабжен резонансным окном;

- используют n резонансных элементов с разными размерами резонансного окна (n=2, 3, 4 …);

- осуществляют установку в согласующее устройство попеременно каждого резонансного элемента;

- облучение поверхности кожи электромагнитной волной с каждым резонансным элементом осуществляют путем воздействия на кожу электромагнитной волной миллиметрового диапазона длин волн с поверхностной плотностью мощности менее 10 мкВт/см² в течение 1-2 мин;

- измерение коэффициента отражения электромагнитной волны от поверхности кожи осуществляют с каждым резонансным элементом путем применения панорамного измерителя КСВН и ослабления;

- определяют минимальную величину коэффициента отражения R_мин из n минимальных величин коэффициента отражения, измеренных с каждым резонансным элементом.

Предварительно измеряют индивидуальную «электросахарную кривую» пациента.

«Электросахарную кривую» представляют в виде линейной зависимости R_мин [дБ]=a+b·W [ммоль/л],

где

R_мин [дБ] - минимальное значение коэффициента отражения на резонансной частоте в децибелах,

W [ммоль/л] - содержание глюкозы в крови пациента в миллимоль на литр,

a=-52,47 и b=1,08 - постоянные коэффициенты, рассчитанные по измеренной индивидуальной «электросахарной кривой» пациента.

Сущность изобретения.

Использование в качестве резонансного элемента плоскопараллельной пластины из металла, снабженной резонансным окном с размерами, меньшими размеров внутреннего поперечного сечения отрезка металлической волноводной линии передачи, позволяет по сравнению с прототипом исключить ограничение на толщину пластины и тем самым увеличить точность определения содержания глюкозы в крови.

Использование n резонансных элементов и осуществление установки в согласующее устройство попеременно каждого резонансного элемента позволяет более точно определить положение резонанса в зависимости от частоты коэффициента отражения электромагнитной волны, поскольку положение этого резонанса на оси частот различается для разных пациентов, и таким образом более точно измерить минимальную величину коэффициента отражения резонансной кривой и как следствие повысить точность определения содержания глюкозы в крови каждого пациента.

Облучение поверхности кожи электромагнитной волной миллиметрового диапазона длин волн позволяет использовать уникальное свойство электромагнитной волны миллиметрового диапазона длин волн проникать в кожу на глубину менее 1 мм и тем самым тестировать участки кожи на оптимальную глубину, соответствующую глубине залегания капиллярной крови, тем самым получить наиболее точную информацию о содержании глюкозы в крови и таким образом увеличить точность определения содержания глюкозы в крови.

Облучение поверхности кожи электромагнитной волной миллиметрового диапазона длин волн с поверхностной плотностью мощности менее 10 мкВт/см² в течение 1-2 мин позволяет пациенту чувствовать себя более комфортно при проведении измерений, избегать стрессов, болевых ощущений и утомляемости, которые неизбежно приводят к изменению крови, и тем самым увеличить точность определения содержания глюкозы в крови.

Измерение коэффициента отражения электромагнитной волны от поверхности кожи в силу электромагнитных процессов, протекающих в согласующем устройстве с резонансным элементом в виде плоскопараллельной пластины из металла, снабженной резонансным окном, осуществляют на частотах, близких к резонансной частоте, где коэффициент отражения электромагнитной волны имеет острый минимум, фиксируемый с большой точностью (менее 2%), что позволяет использовать для измерения коэффициента отражения и определения минимальной величины коэффициента отражения R_мин и соответствующей этой величине частоты ƒ_мин сравнительно простую аппаратуру в виде панорамного измерителя коэффициента стоячей волны напряжения (КСВН) и ослабления и тем самым обеспечить точность определения содержания глюкозы в крови при сохранении низкой стоимости используемой аппаратуры.

Таким образом, комплексный подход в заявленном способе определения содержания глюкозы в крови позволит по сравнению с прототипом увеличить точность определения содержания глюкозы в крови при сохранении низкой стоимости используемой аппаратуры.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 дан общий вид экспериментальной установки для определения содержания глюкозы в крови заявленным способом:

- панорамный измеритель КСВН, ослабления и коэффициента отражения типа PNA-LN-5230C - 1,

- коаксиальный кабель - 2,

- коаксиально-волноводный переход - 3,

- волновод - 4,

- резонансный элемент - 5,

- волноводное согласующее устройство - 6,

- исследуемая поверхность кожи - 7.

На фиг. 2 дана «электросахарная кривая» пациента.

На фиг. 3 даны зависимости от частоты коэффициента отражения электромагнитной волны, измеренные для различных резонансных элементов.

Пример.

Измерения проводились с согласующим устройством волноводного типа с поперечным сечением волновода 7,11×3,56 мм, соответствующим миллиметровому диапазону длин волн.

Предварительно определяют индивидуальную «электросахарную кривую» пациента - это зависимость содержания глюкозы в крови W пациента от минимального значения коэффициента отражения R_мин на резонансной частоте ƒ_мин.

С этой целью:

- выделяют участок запястья на руке пациента,

- на поверхности этого участка кожи размещают согласующее устройство,

- соединяют согласующее устройство с источником электромагнитной волны,

- поверхность участка кожи облучают электромагнитной волной,

- с помощью автоматизированного панорамного измерителя КСВН, ослабления и коэффициента отражения типа PNA-LN-5230С - 1 измеряют зависимость от частоты коэффициента отражения электромагнитной волны,

- определяют минимальную величину коэффициента отражения R_мин и соответствующую этой величине частоту ƒ_мин,

- сопоставляют значение R_мин с содержанием глюкозы W в крови, которое определяют с помощью инвазивного глюкометра типа ONE TOUCH.

Таким образом, определяют первую точку на «электросахарной кривой». Затем пациент выпивает сладкий раствор глюкозы (75 г глюкозы растворены в 200 мл воды). Через 10 минут после этого описанные выше действия и измерения повторяют и таким образом определяют вторую точку на «электросахарной кривой». Далее с интервалом 10 минут определяют третью, четвертую, пятую и т.д. точки «электросахарной кривой». Обычно полный цикл определения индивидуальной «электросахарной кривой» пациента проводят в течение 120 минут. Полученные экспериментальные данные в нашем примере представлены в табл. 1.

По данным, приведенным в табл. 1, строят индивидуальную «электросахарную кривую» пациента - зависимость содержания глюкозы в крови W от минимальной величины коэффициента отражения R_мин.

Индивидуальная «электросахарная кривая» изображена на фиг. 2. В нашем примере «электросахарная кривая» аппроксимируется (представляется) линейной зависимостью

R_мин [дБ]=-52,47+1,08·W [ммоль/л].

Индивидуальная «электросахарная кривая» по существу является паспортом пациента. Для ее определения потребовалось инвазивное вмешательство путем применения инвазивного глюкометра. При дальнейшем определении содержания глюкозы в крови с помощью заявленного способа не требуется инвазивного вмешательства.

Пациент, имея на руках индивидуальную «электросахарную кривую», обращается к специалисту, который проводит измерение минимальной величины коэффициента отражения R_мин с помощью заявленного способа, а именно:

- устанавливает в согласующее устройство попеременно 5 резонансных элементов с размерами резонансного окна

4,053×3,56 мм;

3,9843×3,56 мм;

3,947×3,56 мм;

3,922×3,56 мм;

3,86×3,56 мм;

- размещает согласующее устройство на поверхности кожи;

- соединяет согласующего устройства с источником электромагнитной волны;

- облучает поверхность кожи электромагнитной волной с каждым резонансным элементом с помощью панорамного измерителя КСВН, ослабления и коэффициента отражения типа PNA-LN-5230С - 1 на измерительной установки, изображенной на фиг. 1, путем воздействия на кожу электромагнитной волной миллиметрового диапазона длин волн с поверхностной плотностью мощности менее 10 мкВт/см² в течение 1-2 мин; при этом

электромагнитная волна от панорамного измерителя 1 по коаксиальному кабелю 2, коаксиально-волноводному переходу 3 и волноводу 4 через резонансное окно 5 поступает в согласующее устройство 6 и далее на поверхность кожи 7. Отраженная от поверхности кожи волна возвращается в согласующее устройство с резонансным элементом, где испытывает многократные отражения от резонансного элемента и поверхности кожи, и возвращается к панорамному измерителю, на экране которого отображается резонансная зависимость коэффициента отражения R от частоты ƒ (фиг. 3);

- по измеренной резонансной зависимости определяет для каждого резонансного элемента минимальную величину коэффициента отражения и соответствующую этой величине частоту;

- из полученных для каждого резонансного элемента 5 минимальных величин коэффициента отражения определяет наименьшую величину коэффициента отражения R_мин;

- сопоставляет значение R_мин с индивидуальной «электросахарной кривой» пациента и определяет на основе этого сопоставления содержание глюкозы в крови пациента.

Таким образом, заявленный способ позволит измерить коэффициент отражения по мощности с высокой точностью - менее 2%, что примерно в 3 раза больше точности прототипа, и как следствие в 3 раза увеличить точность определения содержания глюкозы в крови.

Источники информации

1. Патент США. Patent US # 5243983. Sept. 14, 1993.

2. Патент США. Patent US # 2006/0025664 A1, Published Feb. 2, 2006. - прототип

Изобретение касается способа определения содержания глюкозы в крови, включающего установку в согласующее устройство резонансного элемента; размещение согласующего устройства на поверхности кожи; облучение поверхности кожи электромагнитной волной; измерение зависимости от частоты коэффициента отражения электромагнитной волны от поверхности кожи, определение минимальной величины коэффициента отражения R_мин и соответствующей этой величине частоты f_мин; сопоставление значений R_мин и f_мин с индивидуальной «электросахарной кривой» пациента и определение на основе этого сопоставления содержания глюкозы в крови пациента. Облучение поверхности кожи электромагнитной волной с каждым резонансным элементом осуществляют путем воздействия на кожу электромагнитной волной миллиметрового диапазона длин волн с поверхностной плотностью мощности менее 10 мкВт/см² в течение 1-2 мин; измерение коэффициента отражения электромагнитного поля от поверхности кожи осуществляют с каждым резонансным элементом путем применения автоматизированного панорамного измерителя КСВН и отражения. Применение изобретения обеспечивает увеличение точности определения содержания глюкозы в крови при сохранении низкой стоимости используемой аппаратуры. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

1. Способ определения содержания глюкозы в крови, включающий
- установку в согласующее устройство резонансного элемента;
- соединение согласующего устройства с источником электромагнитной волны;
- размещение согласующего устройства на поверхности кожи;
- облучение поверхности кожи электромагнитной волной;
- измерение зависимости от частоты коэффициента отражения электромагнитной волны от поверхности кожи;
- определение минимальной величины коэффициента отражения R_мин, соответствующей величине резонансной частоты ƒ_мин;
- сопоставление значений R_мин с «электросахарной кривой» и определение на основе этого сопоставления содержания глюкозы в крови,
отличающийся тем, что
- резонансный элемент выполнен в виде плоскопараллельной пластины из металла и снабжен резонансным окном;
- используют n резонансных элементов с разными размерами резонансного окна (n=2, 3, 4 …);
- осуществляют установку в согласующее устройство попеременно каждого резонансного элемента;
- облучение поверхности кожи электромагнитной волной с каждым резонансным элементом осуществляют путем воздействия на кожу электромагнитной волной миллиметрового диапазона длин волн с поверхностной плотностью мощности менее 10 мкВт/см² в течение 1-2 мин;
- измерение коэффициента отражения электромагнитной волны от поверхности кожи осуществляют с каждым резонансным элементом путем применения панорамного измерителя коэффициента стоячей волны напряжения и ослабления;
- определяют минимальную величину коэффициента отражения R_мин из n минимальных величин коэффициента отражения, измеренных с каждым резонансным элементом.

2. Способ определения содержания глюкозы в крови по п. 1, отличающийся тем, что предварительно измеряют индивидуальную «электросахарную кривую» пациента.

3. Способ определения содержания глюкозы в крови по п. 1, отличающийся тем, что «электросахарную кривую» представляют в виде линейной зависимости
R_мин [дБ]=a+b·W [ммоль/л],
где
R_мин [дБ] - минимальное значение коэффициента отражения на резонансной частоте в децибелах,
W [ммоль/л] - содержание глюкозы в крови пациента в миллимоль на литр,
a=-52,47 и b=1,08 - постоянные коэффициенты, рассчитанные по измеренной индивидуальной «электросахарной кривой» пациента.