СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОЩАДИ АБДОМИНАЛЬНОГО ПОДКОЖНОГО И АБДОМИНАЛЬНОГО ВИСЦЕРАЛЬНОГО ЖИРА Российский патент 2023 года по МПК A61B5/05 A61B5/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области исследования физических свойств биологических тканей, и, более конкретно, к способу и системе для опосредованной оценки площади абдоминального подкожного жира (ASFA, abdominal subcutaneous fat area) и площади абдоминального висцерального (AVFA, abdominal visceral fat area) жира.

Уровень техники

Значения ASFA и AVFA могут использоваться для оценки состояния здоровья человека, выработки рекомендаций по питанию и корректировке лечения и т.д. Особенно полезными такие данные могут быть для спортсменов или людей, которым наиболее важно контролировать состав своего тела - например, тех, кто перенес травмы или страдает ожирением. ASFA и AVFA могут оцениваться с учетом толщины абдоминального подкожного жира, пола, возраста пользователя, его антропометрических данных (объем талии, высота, вес и т.д.), общего значения жировой массы тела и/или значения импеданса тела (верхнее значение, нижнее значение, общее значение).

Оценка ASFA и AVFA с высокой точностью (ошибка ~5см²) возможна с использованием профессионального медицинского оборудования, например, такого как устройства магнитно-резонансной визуализации (MRI) или устройства компьютерной томографии (CT). Однако такой способ характеризуется высокой стоимостью и большой длительностью обследования. Кроме того, у большинства пользователей нет возможности часто проводить такие исследования вследствие отсутствия доступа к профессиональному медицинскому оборудованию.

Таким образом, задача реализации оценки ASFA и AVFA с помощью недорогих портативных устройств (например, смартфонов и смарт-часов) является актуальной для множества пользователей.

В настоящее время перспективным видится применение сверхширокополосных (UWB, ultra wideband) радаров в смартфонах, например, импульсных (IR, impulse-radio) сверхширокополосных радаров (IR UWB), для целей биометрических исследований. Кроме того, в профессиональной медицине относительно давно известен и применяется для измерения состава тела биоимпедансный анализ (BIA) или биоимпедансометрия - неинвазивный метод, который позволяет за короткое время проанализировать состав организма: определить количество жидкости, массу жира и мышц, костной ткани, индекс массы тела, скорость обмена веществ, биологический возраст, предрасположенность к тем или иным заболеваниям и т.д. При этом, в последние годы наблюдается активный рост внедрения методов биоимпедансного анализа в небольшие носимые устройства, такие как смарт-часы и фитнес-браслеты, что чрезвычайно привлекательно для широкого круга пользователей, которые заботятся о своем здоровье, занимаются фитнесом, стремятся похудеть и т.д.

На фиг. 1 изображена примерная структура тела человека с целью пояснения известных проблем, возникающих при измерении площади подкожного и висцерального жира с помощью UWB радара.

В правой части рисунка на фиг. 1 расположено примерное изображение сечения (среза) тела человека в абдоминальной области, полученное, например, посредством магнитно-резонансной визуализации, на котором выделены области, соответствующие подкожному жиру, мышцам и висцеральному жиру, а в левой части схематично изображены слои, соответствующие упомянутым выделенным областям.

В настоящей заявке под сечением тела человека понимается изображение, полученное при мысленном рассечении тела человека плоскостью перпендикулярной к продольной оси тела человека.

В процессе исследования тела человека с помощью UWB радара, приложенного к коже человека, UWB радар испускает излучение внутрь тела и воспринимает отраженное излучение. Поскольку диэлектрическая проницаемость мышц (ε=44,1) примерно в 10 раз выше, чем диэлектрическая проницаемость подкожного жира (ε=4,7), то большая часть излучаемого радаром электромагнитного сигнала отражается от слоя мышц. Хотя часть излучаемого электромагнитного сигнала все же проникает в мышцы, большая часть этого сигнала будет повторно отражаться в мышцах, выступающих в качестве резонатора. Даже если часть излучаемого электромагнитного сигнала проникнет через висцеральный жир и будет отражена внутренними органами, большая часть этого сигнала будет ослаблена процессами, описанными выше. Таким образом, на данный момент нет возможности оценивать и дифференцировать ASFA и AVFA только с использованием UWB радара с безопасным для человека уровнем мощности электромагнитного излучения.

Из предшествующего уровня техники известно электронной устройство, раскрытое в документе US 2016/0143558 A1, включающее в себя приемник, выполненный с возможностью приема сигналов, отраженных от объекта, и контроллер, выполненный с возможностью генерировать информацию, соответствующую по меньшей мере одному слою тканей объекта, на основе сигналов и множества положений электронного устройства, при этом множество положений определяется во время движения электронного устройства. Однако, безопасная для человека доза электромагнитного излучения не позволяет измерить значение абдоминального висцерального жира посредством IR UWB радара типа SISO (Single In and Single Out), раскрытого в данном документе, вследствие поглощения энергии мышцами и внутренними органами.

Патентный документ US RE42833 E описывает способ и устройство для измерения распределения жира в организме человека. Способ включает этап измерения биоэлектрического импеданса и толщины абдоминального подкожного жира на основе персональных данных, таких как пол, возраст, рост, вес и т.д. Однако, данное решение основано на использовании штангенциркуля (caliper) или ультразвукового сигнала и не может быть использовано в портативных устройствах, таких как смартфоны или смарт-часы. Кроме того, данное решение не предполагает использование UWB радара.

Патентный документ KR 20200124957 A описывает решение, которое включает в себя блок обнаружения IR UWB радара, который излучает импульсный радиосигнал в брюшную полость, принимает отраженный импульсный радиосигнал и выводит принятый импульсный радиосигнал в качестве информации о результате измерения, а также блок вывода результата определения, который преобразует информацию о результате определения в визуальную информацию. Однако, данное решение использует систему типа MIMO (Multi-In and Multi-Out), которая является сложной и крупногабаритной, что ограничивает возможность реализации в портативных устройствах.

Патентный документ US 7813794 B2 описывает устройство для измерения жира тела, в котором постоянный электрический ток протекает между ручными электродами для электрического тока и ножными электродами для электрического тока. Из двух обнаруженных напряжений, генерируемых между кольцеобразным электродом для приложения напряжения, расположенным на брюшной части, и двумя электродами для приложения напряжения, расположенными по обеим сторонам поясничной части, определяются два импеданса брюшной полости. Два электрода для электрического тока и два электрода для приложения напряжения располагаются так, что они разнесены на небольшой промежуток друг от друга в пупочной области. Однако, данное решение характеризуется сложной аппаратной архитектурой и использует только вычисление биоэлектрического импеданса (биоимпеданса), что не позволяет различать ASFA и AVFA.

Таким образом, в уровне техники существует потребность в создании способа и системы для оценки и дифференциации абдоминального подкожного (ASFA) и абдоминального висцерального (AVFA) жира, в которых были бы устранены следующие недостатки существующих решений:

- необходимость использования профессионального стационарного медицинского оборудования;

- сложность реализации;

- долгий процесс обследования;

- невозможность осуществления посредством портативных устройств.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение направлено на решение по меньшей мере некоторых из приведенных выше проблем.

В соответствии с первым аспектом изобретения предложен способ определения площади абдоминального подкожного и абдоминального висцерального жира в сечении в абдоминальной области тела пользователя, содержащий этапы, на которых:

- с помощью устройства со сверхширокополосным (UWB) радаром, приложенного к телу пользователя в абдоминальной области, испускают излучение внутрь тела пользователя и измеряют параметры отраженного излучения;

- на основании данных измерения отраженного излучения, полученных UWB радаром, определяют площадь абдоминального подкожного жира (ASFA) в сечении тела пользователя, соответствующем точке измерения;

- получают антропометрические данные пользователя и значение биоимпеданса тела пользователя;

- на основании данных биоимпеданса тела пользователя и антропометрических данных пользователя определяют общую площадь жира (TFA) в сечении в абдоминальной области тела пользователя;

- вычисляют площадь абдоминального висцерального жира (AVFA) в сечении тела пользователя на основании полученной общей площади жира и площади абдоминального подкожного жира.

В соответствии с одним вариантом осуществления способа устройство с UWB радаром прикладывают к телу пользователя в околопупочной области.

В соответствии с другим вариантом осуществления способа на этапе определения площади абдоминального подкожного жира сравнивают результаты измерения с предварительно заданными пороговыми значениями отраженного сигнала, соответствующими определенной толщине абдоминального подкожного жира, и на основании упомянутого сравнения получают данные о толщине абдоминального подкожного жира в точке измерения и данные о площади абдоминального подкожного жира в сечении тела пользователя, соответствующем точке измерения.

В соответствии с другим вариантом осуществления способа пороговые значения отраженного сигнала предварительно определяют на основании множества измерений, выполненных для референсной выборки людей, при этом толщина и площадь подкожного жира для задания соответствия с упомянутыми пороговыми значениями уровня отраженного сигнала определяется с помощью эталонного метода исследования.

В соответствии с другим вариантом осуществления способа для каждого результата измерения определяется, к какому из предварительно определенных пороговых значений оно ближе, и определяется соответствующее значение толщины подкожного жира.

В соответствии с другим вариантом осуществления способа, в случае множества измерений, окончательная толщина подкожного жира определяется посредством усреднения всех полученных значений толщины подкожного жира для проведенных измерений.

В соответствии с другим вариантом осуществления способа, в случае множества измерений, окончательная толщина подкожного жира определяется посредством определения значения толщины подкожного жира, встречающегося чаще остальных значений для проведенных измерений, и отбрасывания остальных полученных значений.

В соответствии с другим вариантом осуществления способа измеряемые параметры отраженного излучения включают в себя амплитуду и/или фазу сигнала.

В соответствии с другим вариантом осуществления способа результаты измерения отраженного сигнала для определения толщины подкожного жира и соответствующей ей площади абдоминального подкожного жира обрабатываются посредством нейронной сети, обученной заранее на основании набора данных, соответствующего референсной выборке людей и включающего в себя значения толщины и площади подкожного жира в абдоминальной области, полученные с помощью эталонного метода исследования, и соответствующие значения параметров отраженного сигнала.

В соответствии с другим вариантом осуществления способа значение биоимпеданса тела пользователя получают с помощью устройства для биоимпедансного анализа (BIA).

В соответствии с другим вариантом осуществления способа значение биоимпеданса тела пользователя и антропометрические данные пользователя предварительно сохранены в памяти и извлекаются из памяти для последующей обработки.

В соответствии с другим вариантом осуществления способа значение биоимпеданса тела пользователя и антропометрические данные пользователя вводят посредством интерфейса ввода-вывода для последующей обработки.

В соответствии с другим вариантом осуществления способа общую площадь жира в сечении в абдоминальной области тела пользователя определяют посредством следующего уравнения:

,

где TFA - общая площадь жира, BII - индекс импеданса тела пользователя, W - вес пользователя, G - пол пользователя, E - возраст пользователя, - коэффициенты, причем:

где H - высота пользователя, Z_body - значение биоимпеданса.

В соответствии с другим вариантом осуществления способа общую площадь жира в сечении в абдоминальной области тела пользователя определяют посредством одного из следующих уравнений:

- для женщин,

- для мужчин,

где - коэффициенты.

В соответствии с другим вариантом осуществления способа коэффициенты или коэффициенты определяют посредством нейронной сети, обученной на основании набора данных, соответствующего референсной выборке людей и включающего в себя антропометрические данные пользователей, значения биоимпеданса и общую площадь жира в сечении в абдоминальной области тела пользователя, определенную с помощью эталонного метода исследования.

В соответствии с другим вариантом осуществления способа площадь абдоминального висцерального жира определяют посредством следующего уравнения:

,

где - коэффициенты, определяемые посредством нейронной сети, обученной на основании набора данных, соответствующего референсной выборке людей и включающего в себя площадь подкожного жира и общую площадь жира в абдоминальной области, полученные на основании результатов измерения отраженного сигнала UWB радара, результатов измерения биоимпеданса и антропометрических данных пользователя, а также площадь висцерального жира в сечении в абдоминальной области, определенную с помощью эталонного метода исследования.

В соответствии с другим вариантом осуществления способа эталонный метод исследования выбран из магнитно-резонансной визуализации и компьютерной томографии.

В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предложена система для определения площади абдоминального подкожного и абдоминального висцерального жира, включающая в себя:

устройство со сверхширокополосным (UWB) радаром, выполненное с возможностью испускать излучение внутрь тела человека и измерять параметры отраженного излучения,

устройство для биоимпедансного анализа, выполненное с возможностью измерять биоимпеданс тела пользователя, и

процессор, выполненный с возможностью:

- определять площадь абдоминального подкожного жира в сечении пользователя на основании данных измерения отраженного излучения, полученных UWB радаром,

- определять общую площадь жира в сечении пользователя в абдоминальной области на основании данных биоимпеданса тела пользователя и антропометрических данных пользователя и

- вычислять площадь абдоминального висцерального жира на основании полученной общей площади жира и площади абдоминального подкожного жира.

В соответствии с одним вариантом осуществления системы устройство со сверхширокополосным радаром является смартфоном со встроенным сверхширокополосным радаром, а устройство для биоимпедансного анализа представляет собой смарт-часы, выполненные с возможностью измерения биоимпеданса тела пользователя.

В соответствии с другим вариантом осуществления системы устройство со сверхширокополосным радаром и устройство для биоимпедансного анализа реализованы в едином устройстве, представляющем собой смартфон.

В соответствии с другим вариантом осуществления системы процессор находится в смартфоне.

В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предложен компьютерно-читаемый носитель, хранящий инструкции, которые при исполнении процессором предписывают процессору выполнять этапы способа определения площади абдоминального подкожного и абдоминального висцерального жира в сечении в абдоминальной области тела пользователя.

Настоящее изобретение раскрывает способ и систему, которые обеспечивают простой, точный и быстрый процесс оценки площади абдоминального подкожного (ASFA) и абдоминального висцерального (AVFA) жира с помощью портативных устройств.

Эти и другие признаки и преимущества настоящего изобретения станут более понятны после прочтения нижеследующего подробного описания изобретения с обращением к сопроводительным чертежам.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

Фиг. 1 изображает примерную структуру тела человека, в которой выделены области, соответствующие подкожному жиру, мышцам и висцеральному жиру, а также схематично изображает слои, соответствующие упомянутым выделенным областям.

Фиг. 2 изображает блок-схему процесса определения площади абдоминального подкожного жира и абдоминального висцерального жира.

Фиг. 3 изображает соотношения между толщиной и площадью подкожного жира, определенных с помощью «эталонного» метода исследования, и толщиной и площадью подкожного жира, вычисленных в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 4 изображает соотношение между общей площадью жира, определенной с помощью «эталонного» метода исследования, и общей площадью жира, вычисленной в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 5 изображает соотношение между площадью висцерального жира, определенной с помощью «эталонного» метода исследования, и площадью висцерального жира, вычисленной в соответствии с настоящим изобретением.

Подробное описание

В соответствии с примерным вариантом осуществления настоящее изобретение обеспечивает способ определения площади абдоминального подкожного и абдоминального висцерального жира в сечении в абдоминальной области тела пользователя (см. фиг. 2), содержащий этапы, на которых:

- с помощью устройства со сверхширокополосным (UWB) радаром, приложенного к телу пользователя в абдоминальной области, испускают излучение внутрь тела пользователя и измеряют параметры отраженного излучения (этап S1);

- на основании данных измерения, полученных UWB радаром, определяют площадь абдоминального подкожного жира в сечении тела пользователя, соответствующем точке измерения (этап S2);

- получают антропометрические данные пользователя и значение биоимпеданса тела пользователя (этап S3);

- на основании данных биоимпеданса тела пользователя и антропометрических данных пользователя определяют общую площадь жира в сечении тела пользователя (этап S4);

- вычисляют площадь абдоминального висцерального жира в сечении тела пользователя на основании полученной общей площади жира и площади абдоминального подкожного жира (этап S5).

Далее этапы описанного выше способа будут описаны подробнее.

На этапе S1 к телу пользователя в абдоминальной области, например в околопупочной (в диапазоне 3-10 см от пупка) области (мезогастрий), прикладывают устройство со сверхширокополосным радаром. Сверхширокополосный радар испускает электромагнитное излучение в направлении внутрь тела пользователя и измеряет параметры (амплитуда, фаза) отраженного излучения. Стоит отметить, что UWB радар может использовать при излучении различные рабочие полосы частот (высокие и низкие частоты), формы импульсов, методы модуляции сигнала (немодулированный сигнал, частотно-модулированный сигнал и т.д.). Упомянутые измерения производят по меньшей мере один раз по меньшей мере в одной точке. Для повышения точности результата, можно провести измерение несколько раз слегка изменяя положение радара. При этом излучение UWB радара имеет безопасный для человека уровень мощности.

На этапе S2 полученные необработанные результаты измерения в виде отраженного сигнала (амплитуда и фаза) с определенным шагом дискретизации сравнивают с предварительно заданными пороговыми значениями отраженного сигнала, соответствующими определенной толщине абдоминального подкожного жира, и на основании упомянутого сравнения получают данные о толщине абдоминального подкожного жира в точке измерения и данные о площади абдоминального подкожного жира в сечении тела пользователя, соответствующем точке измерения.

Упомянутые пороговые значения (tr_i) амплитуды и фазы отраженного сигнала для соответствующей толщины (h_i) и площади подкожного жира определяют предварительно на основании множества измерений, выполненных для некоторой выборки людей (чем больше выборка, тем более точно устанавливается данное соответствие). При этом толщина (h_i) и площадь подкожного жира для задания соответствия с упомянутыми пороговыми значениями (tr_i) уровня отраженного сигнала определяется с помощью «эталонного» метода исследования, характеризуемого высокой точностью полученных результатов, например, магнитно-резонансной визуализации или компьютерной томографии. Под «эталонным» методом исследования понимается метод исследования, посредством которого получают данные, которые используются в качестве эталонных данных при последующей обработке.

На основании проведенных исследований авторами было определено, что результаты измерения отраженного сигнала имеют высокий коэффициент корреляции с толщиной подкожного жира в точке измерения в абдоминальной области. В то же время упомянутая толщина подкожного жира в точке измерения имеет высокий коэффициент корреляции с площадью подкожного жира в сечении в абдоминальной области, соответствующем точке измерения. На фиг. 3 приведены графики, демонстрирующие упомянутые соотношения. В левой части на фиг. 3 изображено соотношение значения толщины подкожного жира, вычисленного в соответствии с настоящим изобретением на основании результатов измерений отраженного сигнала, и значения толщины подкожного жира, определенного с помощью «эталонного» метода исследования. В правой части на фиг. 3 изображено соотношение значения площади подкожного жира в абдоминальной области, вычисленного в соответствии с настоящим изобретением на основании результатов измерений отраженного сигнала, и значения площади подкожного жира в абдоминальной области, определенного с помощью «эталонного» метода исследования.

Дискретизированные значения измерения параметров отраженного сигнала в каждой точке дискретизации сравниваются с упомянутыми предварительно определенными пороговыми значениями (tr_i). Для каждого из упомянутых дискретизированных значений определяется, к какому из предварительно определенных пороговых значений (tr_i) оно ближе, и определяется соответствующее значение толщины (h_i) подкожного жира. Затем окончательная толщина подкожного жира определяется посредством усреднения всех полученных значений толщины (h_i) подкожного жира для проведенных измерений. В альтернативном варианте осуществления окончательная толщина подкожного жира определяется посредством определения значения толщины (h_i) подкожного жира, встречающегося чаще остальных значений для проведенных измерений, и отбрасывания остальных полученных значений.

На основании полученного окончательного значения толщины подкожного жира посредством процессора определяется площадь подкожного жира в абдоминальной области (ASFA) в сечении, соответствующем точке измерения.

Для снижения вычислительной нагрузки и увеличения скорости обработки результатов измерения описанная выше обработка может выполняться не для всех дискретизированных значений измерения отраженного сигнала, т.е. часть дискретизированных точек может быть исключена из обработки. С той же целью обработке может подвергаться только один из параметров отраженного сигнала, т.е. из обработки могут быть исключены, например, значения амплитуды отраженного сигнала или значения фазы отраженного сигнала.

Кроме того, результаты измерения отраженного сигнала могут обрабатываться как во временной, так и в частотной области.

Обработка полученных результатов измерения отраженного сигнала на этапе S2 для определения толщины подкожного жира и соответствующей ей площади абдоминального подкожного жира в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения может осуществляться посредством нейронной сети, обученной заранее на основании описанного выше набора данных (значения толщины и площади подкожного жира, полученные с помощью «эталонного» метода исследования, и соответствующие им значения параметров отраженного сигнала), соответствующего референсной выборке людей, с помощью известных методов машинного обучения (ML, machine learning), например, такого как дерево принятия решений. В качестве альтернативы могут использоваться метод «случайного леса», регрессия гауссовского процесса, метод k-ближайших соседей и т.д. Таким образом, предварительно обучают нейронную сеть на основании набора данных, полученного для некоторой референсной выборки людей и включающего в себя значения толщины и площади подкожного жира, полученные с помощью «эталонного» метода исследования, и соответствующие значения параметров отраженного сигнала. Затем на этапе S2 посредством этой обученной нейронной сети обрабатывают полученные результаты измерения отраженного сигнала для получения данных о толщине и площади абдоминального подкожного жира в сечении тела обследуемого пользователя, соответствующем точке измерения.

На этапе S3 получают антропометрические данные пользователя и значение биоэлектрического импеданса (биоимпеданс) тела пользователя.

В примерном варианте осуществления биоимпеданс тела пользователя на этапе S3 измеряют с помощью устройства для биоимпедансного анализа (BIA).

Информация о биоимпедансе тела пользователя может представлять собой биоимпеданс верхней части тела пользователя (измерение проводят между точками на руках пользователя), биоимпеданс нижней части тела пользователя (измерение проводят между точками на ногах пользователя), биоимпеданс всего тела пользователя. Более точные результаты измерения получают в случае измерения биоимпеданса всего тела пользователя. Однако, для измерения частичного биоимпеданса (биоимпеданс верхней части тела пользователя или биоимпеданс нижней части тела пользователя) могут использоваться более компактные устройства с меньшим количеством электродов.

В качестве альтернативы значение биоимпеданса тела пользователя может быть предварительно сохранено в памяти, а на этапе S3 оно может извлекаться из памяти и передаваться в процессор. В еще одном альтернативном варианте осуществления значение биоимпеданса тела пользователя может вводиться пользователем на этапе S3 в процессор посредством интерфейса ввода-вывода (I/O).

Для целей настоящего изобретения принимается, что общая площадь жира в каждом сечении тела пользователя в абдоминальной области является примерно одинаковой. На основании полученного значения биоимпеданса (Z_body) и антропометрических данных пользователя на этапе S4 определяют общую площадь жира в сечении в абдоминальной области посредством следующего уравнения:

где TFA - общая площадь жира (Total Fat Area), BII - индекс импеданса тела пользователя (body impedance index), W - вес пользователя, G - пол пользователя, E - возраст пользователя, - коэффициенты, причем:

где H - высота пользователя.

В примерном варианте осуществления переменная G может принимать значения, например, 0 для женщины и 1 для мужчины или иные значения. В альтернативном варианте осуществления выражение (1) в зависимости от пола пользователя может принимать следующий вид:

- для женщин,

- для мужчин.

Антропометрические данные пользователя могут быть предварительно сохранены в памяти и извлекаться на этапе S3 из памяти и передаваться в процессор или могут вводиться пользователем на этапе S3 в процессор посредством интерфейса ввода-вывода.

Коэффициенты (либо ) определяются посредством нейронной сети, обученной на основании описанного выше набора данных (соответствующего упомянутой выше референсной выборке людей), включающего в себя антропометрические данные пользователей, значения биоимпеданса и общую площадь жира (подкожного и висцерального) в сечении в абдоминальной области, определенную с помощью «эталонного» метода исследования.

В альтернативных вариантах осуществления настоящего изобретения для вычисления общей площади жира используются не все приведенные выше антропометрические данные пользователя, а лишь некоторые из них, либо различные их комбинации. Это позволяет снизить вычислительную нагрузку и повысить скорость выполнения способа.

На основании проведенных исследований было определено, что результаты измерения биоимпеданса и антропометрические данные пользователя имеют высокий коэффициент корреляции с общей площадью жира в сечении пользователя в абдоминальной области.

На фиг. 4 приведен график, демонстрирующий соотношение значения общей площади жира, вычисленного в соответствии с настоящим изобретением на основании результатов измерений биоимпеданса, и значения общей площади жира, определенного с помощью «эталонного» метода исследования.

На основании полученных данных TFA и ASFA на этапе S5 вычисляют площадь висцерального жира в сечении в абдоминальной области (AVFA) посредством следующего уравнения:

где - некоторые коэффициенты (в идеальном случае AVFA=TFA - ASFA).

Коэффициенты также определяются посредством нейронной сети, обученной на основании описанного выше набора данных (соответствующего упомянутой выше референсной выборке людей), включающего в себя площадь подкожного жира и общую площадь жира в абдоминальной области, полученные в соответствии с настоящим изобретением на основании результатов измерения отраженного сигнала UWB радара, результатов измерения биоимпеданса и антропометрических данных пользователя, а также площадь висцерального жира в сечении в абдоминальной области, определенную с помощью «эталонного» метода исследования.

Подставляя уравнение (2) в уравнение (3), получаем:

Учитывая, что ASFA может быть получена на основании данных измерения UWB радара, т.е. , получаем:

Таким образом, на основании одного уравнения из уравнений (3)-(5) на этапе S5 получают площадь висцерального жира в сечении пользователя в абдоминальной области (AVFA).

На основании проведенных исследований было определено, что результаты измерения отраженного сигнала UWB радара, результаты измерения биоимпеданса и антропометрические данные пользователя имеют высокий коэффициент корреляции с площадью висцерального жира в сечении в абдоминальной области.

Из описания способа определения площади абдоминального подкожного и абдоминального висцерального жира, приведенного выше, видно, что порядок выполнения этапов способа не обязательно является таким, как раскрыто ранее. Очевидно, что этапы S1-S2 и S3-S4 могут выполняться как одновременно, так и последовательно в любом порядке.

В соответствии с еще одним аспектом изобретения предложена система для определения площади абдоминального подкожного и абдоминального висцерального жира, осуществляющая описанный выше способ. Упомянутая система включает в себя устройство со сверхширокополосным радаром, устройство для биоимпедансного анализа и процессор, причем устройство со сверхширокополосным (UWB) радаром выполнено с возможностью испускать излучение внутрь тела человека и измерять параметры отраженного излучения, устройство для биоимпедансного анализа выполнено с возможностью измерять биоимпеданс тела пользователя, а процессор выполнен с возможностью определять площадь абдоминального подкожного жира в сечении пользователя на основании данных измерения, полученных UWB радаром, определять общую площадь жира в сечении пользователя в абдоминальной области на основании данных биоимпеданса тела пользователя и антропометрических данных пользователя и вычислять площадь абдоминального висцерального жира на основании полученной общей площади жира и площади абдоминального подкожного жира.

В соответствии с примерным вариантом осуществления устройство со сверхширокополосным радаром является смартфоном со встроенным сверхширокополосным радаром, а устройство для биоимпедансного анализа представляет собой смарт-часы, выполненные с возможностью измерения биоимпеданса тела пользователя. Процессор при этом может находиться как в упомянутом смартфоне, так и на удаленном сервере.

Антропометрические данные пользователя могут быть предварительно сохранены в памяти и извлекаться из памяти и передаваться в процессор или могут вводиться пользователем в процессор посредством интерфейса ввода-вывода.

Устройство со сверхширокополосным радаром и устройство для биоимпедансного анализа выполнены с возможностью передавать полученные результаты измерений в процессор для их дальнейшей обработки, как описано выше.

В альтернативном варианте осуществления устройство со сверхширокополосным радаром может представлять собой одно из мобильного телефона, планшетного компьютера, карманного персонального компьютера (Personal Digital Assistant, PDA), устройства для чтения электронных книг или любого другого цифрового мобильного устройства.

В еще одном альтернативном варианте осуществления устройство для биоимпедансного анализа представляет собой фитнес-браслет или электронный браслет.

В еще одном альтернативном варианте осуществления устройство со сверхширокополосным радаром и устройство для биоимпедансного анализа реализованы в едином устройстве, например, таком как смартфон. В таком варианте осуществления процессор также может находиться в упомянутом смартфоне. Это значительно упрощает как аппаратную реализацию системы для определения площади абдоминального подкожного и абдоминального висцерального жира, так и сам процесс упомянутого определения.

Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает простой, точный, недорогой и быстрый способ оценки площади абдоминального подкожного (ASFA) и абдоминального висцерального (AVFA) жира. Упомянутый способ может выполняться с помощью персональных портативных устройств, не требуя использования профессионального стационарного медицинского оборудования. UWB радар, применяемый в настоящем изобретении, может быть коммерчески доступным устройством, соответствующим всем стандартным ограничениям касательно мощности и плотности излучения, что обеспечивает безопасность для пользователя.

Приведенные выше преимущества позволяют пользователю самостоятельно и с желаемой периодичностью (например, каждый день) выполнять оценку площади абдоминального подкожного (ASFA) и абдоминального висцерального (AVFA) жира, отслеживать динамику их изменения и корректировать свое питание/лечение/физические упражнения.

Специалист в данной области техники должен понимать, что не каждое из вышеуказанных преимуществ обязательно присуще каждому отдельно взятому варианту осуществления, то есть разные варианты осуществления могут обладать разным набором из перечисленных преимуществ и в разной степени.

В одном из вариантов осуществления, система для определения площади абдоминального подкожного и абдоминального висцерального жира включает в себя процессор (блок обработки), который сконфигурирован для вызова и выполнения компьютерных программ из памяти для выполнения этапов способа или функций блоков системы в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Согласно вариантам осуществления, система может дополнительно включать в себя память. Процессор может вызывать и выполнять компьютерные программы из памяти для выполнения описанного способа. Память может быть отдельным устройством, независимым от процессора, или может быть интегрирована в процессор.

По меньшей мере один из этапов в способе или блоков в системе может использовать модель искусственного интеллекта (AI) для выполнения соответствующих операций. Функция, связанная с AI, может выполняться через энергонезависимую память, энергозависимую память и процессор.

Процессор может включать в себя один или несколько процессоров. В то же время, один или несколько процессоров могут быть процессором общего назначения, например, центральным процессором (CPU), прикладным процессором (AP) или т.п., блоком обработки только графики, таким как графический процессор (GPU), визуальный процессор (VPU) и/или специализированный процессор AI, такой как нейронный процессор (NPU).

Один или несколько процессоров управляют обработкой входных данных в соответствии с заранее определенным правилом работы или моделью искусственного интеллекта (AI), хранящейся в энергонезависимой памяти и энергозависимой памяти. Предварительно определенное рабочее правило или модель искусственного интеллекта могут быть получены путем обучения. При этом процессор может выполнять операцию предварительной обработки данных для преобразования в форму, подходящую для использования в качестве входных данных для модели искусственного интеллекта.

«Получена путем обучения» означает, что посредством применения алгоритма обучения к множеству обучающих данных создается предварительно определенное рабочее правило или модель AI с желаемой характеристикой. Обучение может выполняться на самом устройстве, в котором выполняется AI согласно варианту осуществления, и/или может быть реализовано через отдельный сервер/систему.

Модель искусственного интеллекта может включать в себя множество слоев нейронной сети. Каждый из множества слоев нейронной сети включает в себя множество весовых значений и выполняет рабочую операцию для данного уровня путем вычисления между результатом вычисления предыдущего слоя и множеством весовых значений.

Примеры нейронных сетей включают, помимо прочего, сверточную нейронную сеть (CNN), глубокую нейронную сеть (DNN), рекуррентную нейронную сеть (RNN), ограниченную машину Больцмана (RBM), глубокую сеть доверия (DBN), двунаправленную рекуррентную глубокую нейронную сеть (BRDNN), генеративно-состязательные сети (GAN) и глубокие Q-сети.

Алгоритм обучения - это метод обучения предварительно определенного целевого устройства (например, нейронной сети на базе GPU) с использованием множества обучающих данных, чтобы вызывать, разрешать или управлять целевым устройством для выполнения определения или прогнозирования. Примеры алгоритмов обучения включают, но не ограничиваются ими, обучение с учителем, обучение без учителя, обучение с частичным привлечением учителя или обучение с подкреплением.

Различные иллюстративные блоки и модули, описанные в связи с раскрытием сущности в данном документе, могут реализовываться или выполняться с помощью процессора общего назначения, процессора цифровых сигналов (DSP), специализированной интегральной схемы (ASIC), программируемой пользователем вентильной матрицы (FPGA) или другого программируемого логического устройства(PLD), дискретного логического элемента или транзисторной логики, дискретных аппаратных компонентов либо любой комбинации вышеозначенного, предназначенной для того, чтобы выполнять описанные в данном документе функции. Процессор общего назначения может представлять собой микропроцессор, но в альтернативном варианте, процессор может представлять собой любой традиционный процессор, контроллер, микроконтроллер или конечный автомат. Процессор также может реализовываться как комбинация вычислительных устройств (к примеру, комбинация DSP и микропроцессора, несколько микропроцессоров, один или более микропроцессоров вместе с DSP-ядром либо любая другая подобная конфигурация).

Вышеупомянутая память может быть энергозависимой или энергонезависимой памятью или может включать в себя как энергозависимую, так и энергонезависимую память. Энергонезависимой памятью может быть постоянное запоминающее устройство (ROM), программируемое постоянное запоминающее устройство (PROM), стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (EPROM), электронно-стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (EEPROM) или флэш-память. Энергозависимая память может быть оперативной памятью (RAM). Также память в вариантах осуществления настоящего раскрытия может быть статической памятью с произвольным доступом (SRAM), динамической памятью с произвольным доступом (DRAM), синхронной динамической памятью с произвольным доступом (синхронная DRAM, SDRAM), синхронной динамической памятью с произвольной выборкой с двойной скоростью передачи данных (SDRAM с двойной скоростью передачи данных, DDR SDRAM), синхронной динамической памятью с произвольной выборкой с повышенной скоростью (улучшенная SDRAM, ESDRAM), DRAM с синхронной линией связи (SLDRAM) и оперативной памятью с шиной прямого доступа (DR RAM) и тд. То есть память в вариантах осуществления настоящего раскрытия включает в себя, но не ограничивается этим, эти и любые другие подходящие типы памяти.

Информация и сигналы, описанные в данном документе, могут представляться с помощью любой из множества различных технологий. Например, данные, инструкции, команды, информация, сигналы, биты, символы и элементарные сигналы, которые могут приводиться в качестве примера в вышеприведенном описании, могут представляться посредством напряжений, токов, электромагнитных волн, магнитных полей или частиц, оптических полей или частиц либо любой комбинации вышеозначенного.

Функции, описанные в данном документе, могут реализовываться в аппаратном обеспечении, программном обеспечении, выполняемом посредством процессора, микропрограммном обеспечении или в любой комбинации вышеозначенного. При реализации в программном обеспечении, выполняемом посредством процессора, функции могут сохраняться или передаваться как одна или более инструкций или код на компьютерно-читаемом носителе. Другие примеры и реализации находятся в пределах объема раскрытия настоящего изобретения. Например, вследствие характера программного обеспечения, функции, описанные выше, могут реализовываться с использованием программного обеспечения, выполняемого посредством процессора, аппаратного обеспечения, микропрограммного обеспечения, фиксированного блока или комбинаций любого из вышеозначенного. Признаки, реализующие функции, также могут физически находиться в различных позициях, в том числе согласно такому распределению, что части функций реализуются в различных физических местоположениях.

Компьютерно-читаемые носители включают в себя как некратковременные компьютерные носители хранения данных, так и среду связи, включающую в себя любую передающую среду, которая упрощает перемещение компьютерной программы из одного места в другое. Некратковременный носитель хранения данных может представлять собой любой доступный носитель, к которому можно осуществлять доступ посредством компьютера общего назначения или специального назначения. В качестве примера, а не ограничения, некратковременные компьютерно-читаемые носители могут содержать оперативное запоминающее устройство (RAM), постоянное запоминающее устройство (ROM), электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (EEPROM), флэш-память, ROM на компакт-дисках (CD) или другое устройство хранения данных на оптических дисках, устройство хранения данных на магнитных дисках или другие магнитные устройства хранения, либо любой другой некратковременный носитель, который может использоваться для того, чтобы переносить или сохранять требуемое средство программного кода в форме инструкций или структур данных, и к которому можно осуществлять доступ посредством компьютера общего назначения или специального назначения либо процессора общего назначения или специального назначения.

Следует понимать, что в настоящем документе показаны принцип работы и базовые примеры способа и системы для определения площади абдоминального подкожного и висцерального жира. Специалист в данной области техники, используя данные принципы, сможет получить и другие варианты осуществления изобретения, не прикладывая творческих усилий.

Функциональность элемента, указанного в описании или формуле изобретения как единый элемент, может быть реализована на практике посредством нескольких компонентов устройства, и наоборот, функциональность элементов, указанных в описании или формуле изобретения как несколько отдельных элементов, может быть реализована на практике посредством единого компонента.

В одном варианте осуществления элементы/блоки предложенной системы находятся в общем корпусе, могут быть размещены на одной раме/конструкции/печатной плате и связаны друг с другом конструктивно посредством монтажных (сборочных) операций и функционально посредством линий связи. Упомянутые линии или каналы связи, если не указано иное, являются стандартными, известными специалистам линиями связи, материальная реализация которых не требует творческих усилий. Линией связи может быть провод, набор проводов, шина, дорожка, беспроводная линия связи (индуктивная, радиочастотная, инфракрасная, ультразвуковая и т.д.). Протоколы связи по линиям связи известны специалистам и не раскрываются отдельно.

Под функциональной связью элементов следует понимать связь, обеспечивающую корректное взаимодействие этих элементов друг с другом и реализацию той или иной функциональности элементов. Частными примерами функциональной связи может быть связь с возможностью обмена информацией, связь с возможностью передачи электрического тока, связь с возможностью передачи механического движения, связь с возможностью передачи света, звука, электромагнитных или механических колебаний и т.д. Конкретный вид функциональной связи определяется характером взаимодействия упомянутых элементов, и, если не указано иное, обеспечивается широко известными средствами, используя широко известные в технике принципы.

Электрическое соединение одного элемента/схемы/порта/вывода с другим элементом/схемой/портом/выводом подразумевает, что эти элементы/схемы/порты/выводы могут быть как непосредственно соединены друг с другом, так и опосредованно через иные элементы или схемы.

Конструктивное исполнение элементов предложенной системы является известным для специалистов в данной области техники и не описывается отдельно в данном документе, если не указано иное. Элементы системы могут быть выполнены из любого подходящего материала. Эти составные части могут быть изготовлены с использованием известных способов, включая, лишь в качестве примера, механическую обработку на станках, литье по выплавляемой модели, наращивание кристаллов. Операции сборки, соединения и иные операции в соответствии с приведенным описанием также соответствуют знаниям специалиста в данной области и, таким образом, более подробно поясняться здесь не будут.

Несмотря на то, что примерные варианты осуществления были подробно описаны и показаны со ссылкой на сопроводительные чертежи, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать настоящее изобретение, и что данное изобретение не должно ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку специалисту в данной области техники на основе информации, изложенной в описании, и знаний уровня техники могут быть очевидны различные другие модификации и варианты осуществления изобретения, не выходящие за пределы сущности и объема данного изобретения.

Изобретение относится к медицине. Способ определения площади абдоминального подкожного и абдоминального висцерального жира в сечении в абдоминальной области тела пользователя содержит этапы, на которых: с помощью устройства со сверхширокополосным радаром, приложенного к телу пользователя в абдоминальной области, испускают излучение внутрь тела пользователя и измеряют параметры отраженного излучения; на основании данных измерения посредством процессора определяют площадь абдоминального подкожного жира в сечении тела пользователя, соответствующем точке измерения; получают антропометрические данные пользователя и значение биоимпеданса тела пользователя и на их основании посредством процессора определяют общую площадь жира в сечении в абдоминальной области тела пользователя; посредством процессора вычисляют площадь абдоминального висцерального жира в сечении тела пользователя на основании полученной общей площади жира и площади абдоминального подкожного жира. Технический результат заключается в снижении сложности и повышении точности и скорости оценки площади абдоминального подкожного и абдоминального висцерального жира с помощью портативных устройств. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ определения площади абдоминального подкожного и абдоминального висцерального жира в сечении в абдоминальной области тела пользователя, содержащий этапы, на которых:

- с помощью устройства со сверхширокополосным (UWB) радаром, приложенного к телу пользователя в абдоминальной области, испускают излучение внутрь тела пользователя и измеряют параметры отраженного излучения;

- на основании данных измерения отраженного излучения, полученных UWB радаром, посредством процессора определяют площадь абдоминального подкожного жира (ASFA) в сечении тела пользователя, соответствующем точке измерения;

- получают антропометрические данные пользователя и значение биоимпеданса тела пользователя;

- на основании данных биоимпеданса тела пользователя и антропометрических данных пользователя посредством процессора определяют общую площадь жира (TFA) в сечении в абдоминальной области тела пользователя;

- посредством процессора вычисляют площадь абдоминального висцерального жира (AVFA) в сечении тела пользователя на основании полученной общей площади жира и площади абдоминального подкожного жира.

2. Способ по п. 1, в котором устройство с UWB радаром прикладывают к телу пользователя в околопупочной области.

3. Способ по п. 1, в котором на этапе определения площади абдоминального подкожного жира сравнивают результаты измерения с предварительно заданными пороговыми значениями отраженного сигнала, соответствующими определенной толщине абдоминального подкожного жира, и на основании упомянутого сравнения получают данные о толщине абдоминального подкожного жира в точке измерения и данные о площади абдоминального подкожного жира в сечении тела пользователя, соответствующем точке измерения.

4. Способ по п. 3, в котором пороговые значения отраженного сигнала предварительно определяют на основании измерений, выполненных для референсной выборки людей, при этом толщина и площадь подкожного жира для задания соответствия с упомянутыми пороговыми значениями уровня отраженного сигнала определяется с помощью магнитно-резонансной визуализации или компьютерной томографии.

5. Способ по п. 3, в котором для каждого результата измерения определяется, к какому из предварительно определенных пороговых значений оно ближе, и определяется соответствующее значение толщины подкожного жира.

6. Способ по п. 5, в котором, в случае осуществления более одного измерения, окончательная толщина подкожного жира определяется посредством усреднения всех полученных значений толщины подкожного жира для проведенных измерений.

7. Способ по п. 5, в котором, в случае осуществления более одного измерения, окончательная толщина подкожного жира определяется посредством определения значения толщины подкожного жира, встречающегося чаще остальных значений для проведенных измерений, и отбрасывания остальных полученных значений.

8. Способ по п. 1, в котором измеряемые параметры отраженного излучения включают в себя амплитуду и/или фазу сигнала.

9. Способ по п. 1, в котором результаты измерения отраженного сигнала для определения толщины подкожного жира и соответствующей ей площади абдоминального подкожного жира обрабатываются посредством нейронной сети, обученной заранее на основании набора данных, соответствующего референсной выборке людей и включающего в себя значения толщины и площади подкожного жира в абдоминальной области, полученные с помощью магнитно-резонансной визуализации или компьютерной томографии, и соответствующие значения параметров отраженного сигнала.

10. Способ по п. 1, в котором значение биоимпеданса тела пользователя получают с помощью устройства для биоимпедансного анализа (BIA).

11. Способ по п. 1, в котором значение биоимпеданса тела пользователя и антропометрические данные пользователя предварительно сохранены в памяти и извлекаются из памяти в процессор для последующей обработки.

12. Способ по п. 1, в котором значение биоимпеданса тела пользователя и антропометрические данные пользователя вводят посредством интерфейса ввода-вывода в процессор для последующей обработки.

13. Способ по п. 1, в котором общую площадь жира в сечении в абдоминальной области тела пользователя определяют посредством следующего уравнения:

,

где TFA - общая площадь жира, BII - индекс импеданса тела пользователя, W - вес пользователя, G - пол пользователя, E - возраст пользователя, - коэффициенты, причем:

где H - высота пользователя, Z_body - значение биоимпеданса.

14. Способ по п. 1, в котором общую площадь жира в сечении в абдоминальной области тела пользователя определяют посредством одного из следующих уравнений:

- для женщин,

- для мужчин,

где - коэффициенты.

15. Способ по п. 13 или 14, в котором коэффициенты или коэффициенты определяют посредством нейронной сети, обученной на основании набора данных, соответствующего референсной выборке людей и включающего в себя антропометрические данные пользователей, значения биоимпеданса и общую площадь жира в сечении в абдоминальной области тела пользователя, определенную с помощью магнитно-резонансной визуализации или компьютерной томографии.

16. Способ по п. 1, в котором площадь абдоминального висцерального жира определяют посредством следующего уравнения:

,

где - коэффициенты, определяемые посредством нейронной сети, обученной на основании набора данных, соответствующего референсной выборке людей и включающего в себя площадь подкожного жира и общую площадь жира в абдоминальной области, полученные на основании результатов измерения отраженного сигнала UWB радара, результатов измерения биоимпеданса и антропометрических данных пользователя, а также площадь висцерального жира в сечении в абдоминальной области, определенную с помощью магнитно-резонансной визуализации или компьютерной томографии.

17. Система для определения площади абдоминального подкожного и абдоминального висцерального жира, включающая в себя:

устройство со сверхширокополосным (UWB) радаром, выполненное с возможностью испускать излучение внутрь тела человека и измерять параметры отраженного излучения,

устройство для биоимпедансного анализа, выполненное с возможностью измерять биоимпеданс тела пользователя, и

процессор, выполненный с возможностью:

- определять площадь абдоминального подкожного жира в сечении пользователя на основании данных измерения отраженного излучения, полученных UWB радаром,

- определять общую площадь жира в сечении пользователя в абдоминальной области на основании данных биоимпеданса тела пользователя и антропометрических данных пользователя и

- вычислять площадь абдоминального висцерального жира на основании полученной общей площади жира и площади абдоминального подкожного жира.

18. Система по п. 17, в которой устройство со сверхширокополосным радаром является смартфоном со встроенным сверхширокополосным радаром, а устройство для биоимпедансного анализа представляет собой смарт-часы, выполненные с возможностью измерения биоимпеданса тела пользователя.

19. Система по п. 17, в которой устройство со сверхширокополосным радаром и устройство для биоимпедансного анализа реализованы в едином устройстве, представляющем собой смартфон.

20. Система по п. 17, в которой процессор находится в смартфоне.

21. Компьютерно-читаемый носитель для определения площади абдоминального подкожного и абдоминального висцерального жира, хранящий инструкции, которые предписывают процессору выполнять этапы способа по п. 1 при исполнении процессором.