Устройство для неинвазивного определения концентрации гемоглобина в крови и способ неинвазивного определения концентрации гемоглобина в крови Российский патент 2024 года по МПК A61B5/1455 A61B6/02 G01N21/01 

Группа изобретений относится к области медицины, а именно к клинической лабораторной диагностике, и может быть использована для неинвазивного определения концентрации гемоглобина в крови пациентов.

Анемия является состоянием, характеризующимся уменьшением содержания гемоглобина и/или снижением количества эритроцитов в единице объема крови, приводящим к снижению снабжения тканей кислородом. Анемия встречается при ряде заболеваний - язвы и полипы желудочно-кишечного тракта, хроническая болезнь почек, инфекционные заболевания, гинекологические нарушения, онкологические заболевания и др. Во многих случаях тяжесть заболевания связана со скоростью развития анемии. Постановка диагноза анемии напрямую зависит от точности определения уровня гемоглобина в крови у пациента.

В настоящее время наилучший результат определения концентрации гемоглобина в крови пациентов достигается при использовании инвазивных методик, требующих забора венозной крови. Данная процедура из-за своей инвазивности доставляет существенный дискомфорт пациенту, требует наличия квалифицированного персонала для осуществления пробоотбора и лабораторного оборудования, позволяющего определять концентрацию гемоглобина в крови.

Последнее время развиваются неинвазивные методики определения уровня гемоглобина, в том числе, с применением современных технических средств, таких как: смартфоны (Mannino R.G. et al. Smartphone app for non-invasive detection of anemia using only patient-sourced photos. Nature communications. 2018, 9(1), p. 1-10), с использованием данных фотоплетизмографии (Liu Н. et al. Development and validation of a photoplethysmography system for noninvasive monitoring of hemoglobin concentration. Journal of Electrical and Computer Engineering, 2020; Causey M.W. et al. Validation of noninvasive hemoglobin measurements using the Masimo Radical-7 SpHb Station. The American journal of surgery. 2011, 201(5), p. 592-598).

Из уровня техники известен способ неинвазивного определения концентрации гемоглобина в биологических тканях путем облучения ткани с использованием подводящего оптического волокна и регистрации спектральных сигналов ее диффузного отражения с помощью принимающих оптических волокон. Концентрацию гемоглобина рассчитывают с помощью математического аппарата (RU 2517155 С1, 27.05.2014). Использование в данном способе приема диффузно отраженного биологической тканью оптического излучения существенно расширяет возможности его применения. Однако указанный способ позволяет определять содержание гемоглобина в тканях, но не в крови пациента. Поскольку уровень концентрации гемоглобина в тканях одновременно определяется васкуляризацией (количеством сосудов на единицу объема тканей), а также концентрацией гемоглобина в крови, данный метод не может быть напрямую использован для определения концентрации гемоглобина в крови пациента.

Также из уровня техники известно устройство персональный ручной монитор для неинвазивного измерения концентрации аналитов в крови, в том числе, гемоглобина. Устройство содержит фотодатчик с фотоизлучателями для передачи света к части тела пользователя, фото детекторы, процессор для определения пульса пользователя и коррелирования сигналов от фотодатчика с пульсом пользователя (WO 2014125355 А1, 21.08.2014). В данном устройстве используют метод пульсоксиметрии, что отличает его от разработанного нами устройства, в котором применяются колориметрический метод и метод диффузного имиджинга с пространственно-структурированным излучением, повышающие точность определения уровня гемоглобина в крови.

Из уровня техники известно устройство для определения уровня гемоглобина в крови, содержащее мобильное устройство связи и сенсорную систему, в которую входят источник излучения - LED, фотодатчик, плата связи, сконфигурированная для запуска светодиода и приема информации, полученной фотодатчиком, и связи с мобильным устройством, пальцевый зажим для размещения на кончике пальца человека, возможно включение источника питания сенсорной системы с усилителем, позволяющим проводить амплитудную или частотную манипуляции (WO 2016168543 А1, 20.10.2016). Данное устройство имеет ряд характеристик, общих с заявленным устройством. Однако в известном из уровня техники изобретении раскрыто только устройство для определения гемоглобина, и не раскрыты методики определения концентрации гемоглобина, что не позволяет судить о точности его определения.

Из уровня техники также известна публикация (Кожохина Е.В. Неинвазивные методы измерения билирубина, гемоглобина и глюкозы. Прибор гемобилиглюкометр. Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, 2(72), стр. 157-162), в которой раскрыто устройство - гемобилиглюкометр и способ неинвазивного определения концентрации гемоглобина. Гемобилиглюкометр представляет собой пространственный линейный фоточувствительный прибор с зарядовой связью. Также известна публикация (BENDER J.E. et al. Noninvasive monitoring of tissue hemoglobin using UV-VIS diffuse reflectance spectroscopy: a pilot study. Opt Express. 2009, 17(26), p. 23396-23409), в которой описаны устройство и способ неинвазивного определения концентрации гемоглобина в ткани с использованием спектроскопического метода диффузного отражения в видимом диапазоне длин волн. Устройства и способы, описанные в вышеупомянутых публикациях, предназначены для измерения аналитов непосредственно в участке тканей, измеряемых с помощью прибора, что не позволяет напрямую определять концентрацию гемоглобина в крови пациента.

Наиболее близким аналогом для способа неинвазивного определения концентрации гемоглобина в крови с использованием метода диффузного имиджинга с пространственно-структурированным светом является известное из уровня техники решение, раскрытое в источнике информации RU 2645943С1. Способ неинвазивного определения концентрации в крови гемоглобина включает поочередное облучение биологической ткани оптическим излучением красного и ближнего инфракрасного диапазона трех определенных длин волн, прием диффузно отраженного оптического излучения, преобразование принятого оптического излучения в электрический сигнал. Концентрацию гемоглобина рассчитывают по определенному алгоритму. Недостатком заявленного способа является отсутствие расчета карт диффузного отраженного сигнала с проведением предварительной сегментации и фильтрации анализируемых областей объекта, что снижает точность данного способа.

Решаемой заявленным изобретением технической проблемой является возможность неинвазивного определения концентрации гемоглобина в крови с использованием колориметрического метода и/или метода диффузного имиджинга с пространственно-структурированным излучением для более точного определения концентрации гемоглобина в крови пациента. Разработаны новое устройство для неинвазивного определения концентрации гемоглобина в крови с использованием колориметрического метода и/или метода диффузного имиджинга с пространственно-структурированным излучением и новый способ неинвазивного определения концентрации гемоглобина в крови с помощью заявленного устройства с использованием: колориметрического метода, метода диффузного имиджинга с пространственно-структурированным излучением, а также с возможностью использования комбинации двух заявленных методов.

Раскрытие сущности изобретения.

Технический результат настоящего изобретения заключается в расширении функциональных возможностей устройства для неинвазивного определения концентрации гемоглобина в крови путем обеспечения возможности его работы в режимах колориметрического метода, метода диффузного имиджинга с пространственно-структурированным светом, а также путем обеспечения возможности его работы в комбинированном режиме, в котором колориметрический метод совмещен с методом диффузного имиджинга с пространственно-структурированным светом.

Кроме того, технический результат настоящей группы изобретений заключается в возможности точного определения уровня гемоглобина в крови пациента способами с использованием устройства с расширенными функциональными возможностями для неинвазивного определения концентрации гемоглобина в крови путем его работы в режимах колориметрического метода, метода диффузного имиджинга с пространственно-структурированным светом, а также путем работы устройства в комбинированном режиме, в котором колориметрический метод совмещен с методом диффузионного имиджинга с пространственно-структурированным светом.

Указанные технические результаты достигаются за счет того, что в устройстве для неинвазивного определения концентрации гемоглобина в крови, выполненном с возможностью определения концентрации гемоглобина в крови колориметрическим методом и/или методом диффузного имиджинга с пространственно-структурированным светом, включены измерительные модули для колориметрического измерения и измерения с помощью метода диффузного имиджинга с пространственно-структурированным светом, управляющий компьютер и блок питания для автономной работы. Устройство характеризуется тем, что измерительный модуль для колориметрического анализа содержит:

- CMOS-камеру с углом обзора не менее 60°, выполненную с возможностью установки перед объектом исследования на расстоянии 10-20 см для получения цветных изображений исследуемого участка кожи руки и ногтей пациента;

- источник рассеянного освещения в виде LED-лампы белого света для освещения исследуемого участка тканей пациента, и поляризаторы видимого диапазона, выполненные с возможностью исключения френелевского отражения от ногтевой пластины, расположенные перед камерой и источником освещения в скрещенной конфигурации.

Измерительный модуль для диффузного имиджинга с использованием пространственно-структурированного света содержит:

- проектор, выполненный с возможностью проецирования паттернов света на исследуемый участок тканей пациента на длинах волн 560 и 630 нм, расположенный на расстоянии 30 см от объекта исследования;

- черно-белую CMOS-камеру, совмещенную с короткофокусным объективом для получения изображений исследуемого участка кожи руки и ногтей;

- поляризаторы, выполненные с возможностью устранения френелевского отражения от ногтевой пластины, расположенные перед проектором и объективом камеры в скрещенной конфигурации.

В частных случаях заявленного устройства измерительный модуль для колориметрического анализа и измерительный модуль для диффузного имиджинга с использованием пространственно-структурированного света могут содержать поляризаторы видимого диапазона с коэффициентом экстинкции не менее 200.

В рамках изобретения реализуется способ неинвазивного определения концентрации гемоглобина в крови с использованием колориметрического метода, в котором осуществляют следующие этапы:

1. получение изображения пальцев пациента в контролируемых условиях освещения с помощью камеры так, чтобы ладонь и фаланги пальцев пациента занимали на изображении не менее одной шестой кадра;

2. сегментацию на цифровом изображении пальцев пациента областей изображений, на которых располагаются ногтевые ложа пальцев, а также участки кожи, цвет которых изменяется в зависимости от уровня гемоглобина крови;

3. фильтрацию областей, цветовые характеристики которых изменяются в зависимости от уровня гемоглобина в крови, путем удаления областей, имеющих нетипичные характеристики интенсивности R-,G-, В-каналов для цветовых характеристик кожи и ногтевого ложа, что определяют путем сравнения интенсивностей полученного изображения с референсными значениями;

4. расчет таких статистик распределения интенсивностей выделенных областей изображения в R-,G-,B-каналах, как 5, 15, 25, 50, 75, 85, 95 процентили распределения интенсивностей, среднее значение интенсивности, среднеквадратическое отклонение интенсивностей в указанных цветовых каналах;

5. определение концентрации гемоглобина с помощью модели машинного обучения на основе ансамбля решающих деревьев по данным рассчитанных значений статистик распределения интенсивностей цифрового изображения выделенных областей.

В частном случае сегментацию областей на цифровом изображении пальцев пациента осуществляют вручную, путем указания координат областей на изображении, или с помощью алгоритма машинного обучения, например, на основе сверточной нейронной сети с архитектурой MobileNet-SSD-FPN. В частном случае выполнения способа для фильтрации областей, цветовые характеристики которых изменяются в зависимости от уровня гемоглобина в крови, на выбранных областях сегментируется только та часть изображения ногтевого ложа и участка кожи, в которой распределение интенсивности в различных цветовых каналах является однородным.

Кроме того, в рамках изобретения представлен способ неинвазивного определения концентрации гемоглобина в крови с использованием метода диффузного имиджинга с пространственно-структурированным светом, в котором осуществляют следующие этапы:

1. последовательное проецирование на пальцы пациента света, интенсивность которого промодулирована по одной из пространственных координат объектной плоскости, в которой располагается рука пациента, по синусоидальному закону, на двух длинах волн излучения 560 и 630 нм на не менее трех пространственных частотах;

2. расчет карт диффузного отраженного сигнала на осциллирующей с пространственной частотой компоненте отклика;

3. сегментацию на рассчитанных картах диффузного отражения на измеренных пространственных частотах областей изображений, на которых располагаются ногтевые ложа пальцев, а также участки кожи, диффузное отражение от которых изменяется в зависимости от уровня гемоглобина крови;

4. фильтрацию областей, значения диффузного отражения которых изменяются в зависимости от уровня гемоглобина крови, путем вырезания внутренней области из изображения таким образом, чтобы исключить области, не соответствующие ногтю, в случае анализа ногтевой области, и области, не соответствующие участку кожи, в случае анализа участка кожи;

5. расчет параметров оптического отклика для отфильтрованных областей изображения;

6. определение концентрации гемоглобина в крови пациента с помощью модели машинного обучения по данным рассчитанных значений параметров оптического отклика на двух длинах волн излучения 560 и 630 нм и на не менее трех пространственных частотах.

В частном случае выполнения способа в качестве закона для модуляции интенсивности света по одной из пространственных координат х объектной плоскости используют формулу I₁(x)=I₀(1+Msin(kx+ϕ₁), где I₀ - интенсивность постоянной компоненты сигнала, 0<М<1 глубина модуляции осциллирующей компоненты, k - пространственная частота с несколькими фазами ϕ₁=0, ϕ₂=2π/3, ϕ₃=4π/3.

Кроме того, в частном случае выполнения способа компоненту отклика I_AC для расчета карт диффузного отраженного сигнала определяют по формуле где I_i, i=1,2,3 - карты интенсивности, измеренные на одной пространственной частоте для разных фаз проецируемого паттерна.

В другом частном случае выполнения способа сегментацию областей изображений на рассчитанных картах диффузного отражения осуществляют вручную, путем указания координат областей на изображении, или с помощью алгоритма машинного обучения, например, на основе сверточной нейронной сети с архитектурой YOLOv6.

В заявленном решении колориметрический метод и метод диффузного имиджинга с пространственно-структурированным светом могут быть использованы отдельно или совместно.

Техническая проблема решена и технический результат достигнут, согласно настоящей группе изобретений, во-первых, благодаря конструктивным особенностям заявленного устройства, позволяющим устройству работать в трех разных режимах: с использованием колориметрического метода, метода диффузного имиджинга с пространственно-структурированным светом и их комбинации, во-вторых, благодаря применению способов определения концентрации гемоглобина в крови пациента, характеризующихся двумя вышеупомянутыми методами, с возможностью их комбинирования, что позволяет более точно определить концентрацию гемоглобина в крови пациента без использования инвазивных методов, что характеризует преимущество заявленной группы изобретений.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется следующими чертежами.

Фиг. 1 А) - общий вид прототипа (опытного образца) прибора, реализующего одновременное колориметрическое измерение ногтевых пластин с помощью фотокамеры и метода диффузного имиджинга с использованием пространственно-структурированного излучения и спектроскопии диффузного отражения, где 1 - модуль колориметрии и диффузного имиджинга с пространственно-структурированным излучением, 2 - управляющий компьютер, 3 - блок питания для автономной работы.

Фиг. 1 Б) - основные компоненты модуля для колориметрического анализа и диффузного имиджинга с пространственно-структурированным излучением, где 4 - поляризатор для системы детектирования, 5 - RGB-камера для колориметрического анализа, 6 - поляризатор для источника возбуждения, 7 - система проецирования паттернов, 8 - CMOS-камера для детектирования пространственно-структурированных изображений, 9 - LED-источник для освещения при колориметрическом анализе, 10 - область расположения исследуемого объекта.

Фиг. 2 - блок-схема основных этапов определения концентрации гемоглобина по данным колориметрии.

Фиг. 3 - примеры изображений рук, получаемых с помощью модуля для измерения цвета ногтевого ложа. Красными квадратами обозначены области детектирования ногтей, полученных с помощью предсказания модели.

Фиг. 4 А) - пример обнаруженных участков ногтевых пластин на изображении руки, 4 Б) - пример сегментированных участков ногтевого ложа для изображения с панели 3 А.

Фиг. 5 - основные этапы метода определения концентрации гемоглобина с помощью данных диффузного имиджинга с пространственно-структурированным излучением.

Фиг. 6 - распределение концентрации гемоглобина у добровольцев, проходящих исследование по неинвазивному уровню определения гемоглобина с помощью разработанного изобретения и методик

Фиг. 7 - примеры изображений участков ладоней добровольцев, фиксируемых с помощью метода цифровой колориметрии и используемых в методе неинвазивного определения уровня гемоглобина.

Фиг. 8 - результаты определения уровня гемоглобина на независимых измерениях с помощью данных цифровой колориметрии (Цифр. Колориметрия), диффузного-имиджинга с пространственно-структурированным излучением (ДИПС) и совмещение двух методов (ДИПС + Цифр. Колориметрия), свидетельствующее о повышении точности определения содержания гемоглобина в крови пациента. RMSE среднеквадратическое отклонение истинных значений уровня гемоглобина от определенных неинвазивно.

Осуществление изобретения

Неинвазивное определение уровня гемоглобина в рамках заявленного технического решения осуществляют с помощью устройства, позволяющего определять концентрацию гемоглобина в крови с использованием двух методик - колориметрического метода и метода диффузного имиджинга с пространственно-структурированным излучением с возможностью их комбинации.

Устройство включает: измерительные модули, осуществляющие колориметрические измерения и измерения с помощью метода диффузного имиджинга с пространственно-структурированным излучением, управляющий компьютер и блок питания для автономной работы. При этом в состав измерительного модуля для колориметрического анализа входят следующие элементы: CMOS-камера с высоким углом обзора (не менее 60°). Обнаружено, что для того, чтобы CMOS-камера собирала свет, прошедший через ткань пациента, необходимо помещать камеру под определенным углом. Экспериментально установлено, что если угол обзора менее 60°, то часть излучения не будет учитываться камерой, что снижает точность измерений. Кроме того, обнаружено, что оптимальным расстоянием от камеры до объекта исследования при колориметричеком анализе является 10-20 см. Если расстояние меньше заданного, то камера регистрирует не все излучение от объекта, если расстояние больше, то интенсивность света уменьшается и регистрируется не весь световой поток. Оптимальное расстояние от камеры до объекта способствует более точному измерению. Измерительный модуль также содержит источник рассеянного освещения - LED-лампу белого освещения со световым потоком 500 лм, поляризаторы видимого диапазона для исключения френелевского отражения от ногтевой пластины, расположенные перед камерой и лампой. Указанное значение светового потока необходимо для корректного фиксирования цветовых характеристик ногтевых пластин с помощью колориметрического метода.

В состав измерительного модуля для диффузного имиджинга с использованием пространственно-структурированного излучения входят: проектор, проецирующий паттерны интенсивности с различными пространственными частотами от 0 до 5 мм^-1 на длинах волн 560 и 630 нм. В заявленном устройстве измерения диффузного отклика производятся на двух длинах волн: совпадающей с Q-полосой поглощения гемоглобина -560 нм, и не совпадающей с полосой поглощения гемоглобина 630 нм, что способствует более точному определению уровня гемоглобина. Проектор расположен на расстоянии 30 см от объекта - экспериментально определено оптимальное расстояние, равное 30 см от объекта исследования при методе диффузного имиджинга с пространственно-структурированным излучением, что также способствует более точному измерению. Модуль также содержит ЧБ CMOS-камеру с динамическим диапазоном 10 бит и выше, совмещенную с короткофокусным объективом, чтобы полностью фиксировать участки кожи руки и ногтей; поляризаторы для устранения френелевского отражения с коэффициентом экстинкции не менее 200, установленные перед проектором и объективом камеры. Расположение поляризаторов перед проектором и объективом камеры в скрещенной конфигурации способствует более эффективному устранению френелевского отражения от ногтевой пластины, что позволяет устранить помехи в получении изображения ногтевой пластины.

Указанные для модулятора света (проектора) пространственные частоты от 0 до 5 мм^-1 являются необходимыми, поскольку использование пространственных частот для модуляции в данном частотном диапазоне позволяет наиболее точно определить коэффициенты поглощения и рассеяния биологических тканей с помощью метода пространственно-модулированного диффузного имиджинга. Указанные значения динамического диапазона выше 10 бит позволяют более точно фиксировать значения интенсивности диффузно-отраженного сигнала на осциллирующей компоненте отклика, вышеуказанные значения коэффициентов экстинкции позволяют минимизировать френелевское отражение от поверхности.

Для определения концентрации гемоглобина используется две методики - колориметрический метод, оценивающий содержание гемоглобина из цветовых характеристик биотканей человека, фиксируемых с помощью фотокамеры в фиксированных условиях освещения, и метод диффузного имиджинга с пространственно-структурированным излучением на нескольких длинах волн излучения с возможностью их комбинации. В методе пространственно-структурированного имиджинга на исследуемый участок биотканей проецируется свет, интенсивность которого промодулирована по одной из пространственных координат - то есть, проецируются неоднородные «паттерны» интенсивности, математический анализ которых позволяет более точно определять оптические характеристики тканей. В качестве участков тканей используются участки ногтевого ложа рук, не окрашенные лаком, без видимых повреждений - в таком случае оптические характеристики данных участков тканей скоррелированы с уровнем концентрации гемоглобина в крови.

При определении концентрации гемоглобина в крови колориметрическим методом с помощью заявленного решения, в заявленном устройстве работает только модуль для колориметрического анализа, а модуль для диффузного имиджинга с использованием пространственно-структурированного излучения отключен. В то время как при определении концентрации гемоглобина в крови методом диффузного имиджинга с использованием пространственно-структурированного излучения, наоборот, включен модуль для диффузного имиджинга с использованием пространственно-структурированного излучения, а модуль для колориметрического анализа не работает. При измерении концентрации гемоглобина с помощью комбинации колориметрического метода и метода диффузного имиджинга с использованием пространственно-структурированного излучения задействованы оба модуля: модуль для колориметрического анализа и модуль для диффузного имиджинга с использованием пространственно-структурированного излучения.

На Фиг. 1А представлен общий вид прототипа установки, реализующий колориметрическое измерение участков ногтевого ложа с помощью RGB CMOS-камеры и измерение диффузного отражения на различных пространственных частотах с использованием пространственно-модулированного излучения для определения уровня концентрации гемоглобина.

Прототип прибора состоит из измерительного модуля, осуществляющего колориметрические измерения и измерения с помощью метода диффузного имиджинга с пространственно-структурированным излучением (1), управляющего компьютера (2) и блока питания для автономной работы (3) (Фиг. 1А). Основные комплектующие модуля (1) для колориметрического анализа и диффузного имиджинга с использованием пространственно-структурированного излучения представлены на Фиг. 1Б.

Для колориметрического анализа может быть использована CMOS-камера Logitech С615 или аналогичная камера, позволяющая проводить фотофиксацию цветных изображений с разрешением 1920×1080 пикселей на удалении от располагаемого объекта не более 15-20 см. Для освещения используется LED-лампа белого освещения с яркостью 500 лм. Дополнительно перед камерой и лампой располагаются поляризаторы для исключения френелевского отражения от ногтевой пластины.

Для измерения карт диффузного отражения с пространственно-структурированным излучением требуется проектор, проецирующий паттерны интенсивности с различными пространственными частотами от 0 до 5 мм^-1 на длинах волн 560 и 630 нм, например, модель Touyinger D021 или аналог, располагающийся на расстоянии 30 см от объекта. Для детектирования излучения может быть использована ЧБ камера CS135MUN (Thorlabs, США), совмещенная с короткофокусным объективом так, чтобы полностью фиксировать участки кожи руки и ногтей. Для устранения френелевского отражения перед проектором и объективом камеры могут быть установлены поляризаторы с коэффициентом экстинкции не менее 200, например, поляризаторы Thorlabs WP25M-VIS (США) в скрещенной конфигурации.

Колориметрический метод и метод диффузного имиджинга с пространственно-структурированным излучением могут быть использованы отдельно или совместно для определения концентрации гемоглобина.

В основе метода определения концентрации гемоглобина в крови по данным оптической визуализации лежит анализ оптических свойств ногтевого ложа и участков кожи пальцев рук вблизи ногтевого ложа, поскольку цветовые характеристики кожи скоррелированы с концентрацией гемоглобина в крови пациента (Mannino R.G et al.).

Как в случае применения колориметрического метода цветной фотографии, так и при анализе карт диффузного отражения на различных пространственных частотах, обработка исходных изображений для получения предсказаний концентрации гемоглобина включает в себя несколько этапов:

1. поиск областей изображений, на которых располагается ногтевое ложе и участки кожи, подходящие для анализа;

2. извлечение значений оптических характеристик участков ногтевого ложа и кожи руки с учетом фильтрации оптического отклика;

3. подготовку цветовых характеристик для применения в статистическом алгоритме, используемом для связи оптических данных с данными концентрации гемоглобина в крови пациента;

4. определение концентрации гемоглобина по подготовленным данным оптического отклика.

Определение гемоглобина с помощью данных колориметрии. Колориметрический метод неинвазивного определения концентрации гемоглобина в крови пациента включает следующие этапы:

1. детектирование изображения пальцев пациента в контролируемых условиях освещения с помощью камеры;

2. сегментацию на цифровом снимке пальцев пациента областей изображений, на которых располагаются ногтевые ложа пальцев, а также участки кожи, цвет которых изменяется в зависимости от уровня гемоглобина крови; сегментация может быть осуществлена вручную, путем указания координат областей на изображении или с помощью алгоритма машинного обучения, например, на основе сверточной нейронной сети с архитектурой MobileNet-SSD-FPN;

3. фильтрацию областей, цветовые характеристики которых изменяются в зависимости от уровня гемоглобина в крови - при необходимости на выбранных областях сегментируется только та часть изображения ногтевого ложа и участка кожи, в которой распределение интенсивности в различных цветовых каналах является однородным; производится удаление областей, в которых интенсивности R-,G-,В-каналов имеют нетипичные характеристики для цветовых характеристик кожи и ногтевого ложа путем сравнения интенсивностей задетектированного изображения с референсными значениями. Фильтрация заключается в сравнении цветовых характеристик сегментированного ногтевого ложа (средних значений интенсивности в сегментированной области в R-, G-, В-каналах) с указанным опорным диапазоном значений и исключении сегментированных областей, цветовые характеристики которых не попадают в соответствующий опорный диапазон значений, из дальнейшего рассмотрения;

4. расчет статистик распределения интенсивностей выделенных областей изображения в R-, G-, В-каналах: процентилей распределения интенсивностей (5, 15, 25, 50, 75, 85, 95 процентилей распределения), среднего значения интенсивности, среднеквадратического отклонения интенсивностей в указанных цветовых каналах;

5. предсказание уровня концентрации гемоглобина с помощью модели машинного обучения по данным рассчитанных значений статистик распределения интенсивностей цифрового изображения выделенных областей.

Основные этапы определения концентрации гемоглобина по данным колориметрии, осуществляемой с помощью цветовой фотографии представлены на Фиг. 2. Для определения концентрации гемоглобина в крови по данным колориметрии производят следующие этапы измерения и обработки. В первую очередь производится фотография ногтевого ложа испытуемого в контролируемых условиях освещения так, чтобы ладонь или фаланги пальцев пациента занимали на изображении не менее одной шестой от кадра. Важной особенностью способа определения концентрации гемоглобина в крови при использовании колориметрического метода является площадь, занимаемая ладонью и фалангами пальцев пациента на изображении. Для того, чтобы была правильная сегментация, нужен определенный размер изображения, а именно, не менее одной шестой кадра, что улучшает четкость полученного изображения. Репрезентативные изображения пальцев рук представлены на Фиг. 3. Далее производится сегментация ногтевых областей и участков кожи рук добровольцев, вблизи участков ногтевого ложа, на удалении 1-2 см от ногтевого ложа. Для сегментации ногтевых областей на изображениях используется модель искусственного интеллекта, детектирующая участки ногтевого ложа на изображении с помощью сверточной нейросети с архитектурой MobileNet-SSD-FPN, обладающей высокой производительностью и сравнительно малым количеством весов, необходимым для детектирования объектов (Howard A.G. et al). С использованием координат получаемых объектов изображения ногтевых пластин затем сегментируются с полученного изображения. Примеры сегментированных участков ногтевого ложа представлены на Фиг. 4. Аналогичным образом сегментируются участки кожи пациентов на фалангах пальцев - сегментирование может быть произведено как с помощью отдельной модели, так и с использованием предсказаний, полученных для ногтевого ложа, путем сдвига координат предсказанных областей на необходимое число пикселей на изображении.

После сегментации на изображении внутренняя область сегментированных ногтевых пластин (отступ от рамок изображений ногтей делается таким, чтобы не включать в себя области, не соответствующие ногтю, например, 20% от ширины и длины изображения) вырезается. После чего для данных областей рассчитываются цветовые характеристики - средние значения, значения квантилей интенсивности в R-, G- и В-каналах, могут быть рассчитаны значения цветовых характеристик в других цветовых пространствах, например, в CIE Lab или XYZ, которые затем используются в статистической модели (модели машинного обучения), связывающей рассчитанные значения цветовых характеристик со значениями концентрации гемоглобина в крови пациента.

В качестве моделей статистического обучения могут быть использованы модели линейной регрессии, решающие деревья, ансамбли решающих деревьев, нейронные сети, непараметрические методы типа метода ближайших соседей, регрессии на главные компоненты, регрессии на опорных векторах, локально-взвешенной регрессии, а также ансамбли указанных моделей, использующих дополнительную предобработку входящих оптических данных, такую как понижение размерности методом главных компонент, рекурсивный отброс признаков, расчет полиномиальных признаков. Модель может использовать данные колориметрического анализа как по отдельности, так и в совокупности с данными диффузного имиджинга с пространственно-структурированным излучением. Выходными значениями алгоритма статистического обучения являются концентрации гемоглобина в г/л, или любой другой шкале, отражающей концентрацию гемоглобина в крови.

Определение концентрации гемоглобина крови из оптических данных, получаемых с помощью диффузного имиджинга с пространственно-структурированным излучением.

Метод диффузного имиджинга с пространственно-структурированным излучением для определения карт диффузного отражения включает следующие этапы:

1. Последовательное проецирование на пальцы пациента интенсивности, промодулированной по одной из пространственных координат х объектной плоскости по синусоидальному закону, по формуле I₁(х)=I₀(1+Msin(kx+ϕ₁)), где I₀ - интенсивность постоянной компоненты сигнала, 0<М<1 - глубина модуляции осциллирующей компоненты, k - пространственная частота, с несколькими фазами ϕ₁=0, ϕ₂=2π/3, ϕ₃=4π/3 на двух длинах волн излучения 560 и 630 нм, на не менее чем трех пространственных частотах, варьирующихся в диапазоне от 0 до 2 мм^-1.

2. Расчет карт диффузного отраженного сигнала на осциллирующей с пространственной частотой к компоненте отклика с использованием формулы где I_i, i=1,2,3 - карты интенсивности, измеренные на одной пространственной частоте для разных фаз проецируемого паттерна.

3. Сегментацию на рассчитанных картах диффузного отражения на различных пространственных частотах пациента областей изображений, на которых располагаются ногтевые ложа пальцев, а также участки кожи, диффузное отражение от которых изменяется в зависимости от уровня гемоглобина крови. Сегментация может быть осуществлена вручную, путем указания координат областей на изображении или с помощью алгоритма машинного обучения, например, на основе сверточной нейронной сети с архитектурой YOLOv6 или аналогичной.

4. Фильтрацию областей, значения диффузного отражения которых изменяется в зависимости от уровня гемоглобина крови, путем вырезания внутренней области из изображения таким образом, чтобы исключить области, не соответствующие ногтю в случае анализа области, соответствующей ногтю, и участку кожи в случае сегментации участка кожи.

5. Для отфильтрованных областей изображения рассчитываются следующие параметры оптического отклика:

- средние интенсивности диффузного отклика на фиксированной пространственной частоте k для участков кожи руки и ногтевого ложа (s) на длинах волн излучения λ=560 и 630 нм;

- отношения средних интенсивностей на различных пространственных частотах k_i>k_j на заданной длине волны излучения λ и для разных участков ногтевого ложа и кожи руки ;

- отношения средних интенсивностей на различных пространственных частотах k_i, k_j, для интенсивностей диффузного отражения на различных длинах волн эмиссии

6. Предсказание уровня концентрации гемоглобина в крови пациента с помощью модели машинного обучения по данным рассчитанных значений параметров оптического отклика на различных длинах волн и различных пространственных частотах.

Основные этапы метода определения концентрации гемоглобина с помощью данных диффузного имиджинга с пространственно-структурированным излучением представлены на Фиг. 5. Для определения концентрации гемоглобина в крови данным методом производят следующие этапы измерения и обработки.

Измерение диффузного отклика на нескольких пространственных частотах с пространственно-модулированным излучением с интенсивностью, промодулированной в районе области фокусировки по закону: I_i(х)=I₀(1+Msin(kx+ϕ_i)), пространственная координата вдоль одной из плоскостей экрана, ϕ - фаза сигнала, М - глубина модуляции сигнала (может быть задана в диапазоне от 0.01 до 0.99), I₀ - максимальная интенсивность источника, k - пространственная частота модуляции, которая может варьироваться в диапазоне от 0 до 2 мм^-1. Измерения производятся на не менее двух длинах волн, совпадающих с Q-полосой поглощения гемоглобина на 560 нм, и не совпадающих с полосой поглощения, например, на 630 нм, но так же могут производиться и на других длинах волн поглощения в видимом и ближнем ИК диапазоне, для учета вкладов различных хромофоров тканей. Измеренные зависимости интенсивностей диффузного отражения на различных пространственных частотах затем обрабатываются математической моделью, определяющей коэффициенты поглощения и рассеяния тканей в каждом пикселе изображения на выбранных длинах волн излучения.

После осуществленной обработки производится сегментация участков тканей, соответствующих областям ногтевого ложа и кожи руки с помощью модели сегментации на основе искусственного интеллекта и методов компьютерного зрения. Характеристики коэффициентов рассеяния и поглощения на указанных длинах волн затем могут быть дополнительно пред обработаны (могут быть рассчитаны средние значения характеристик по сегментированным областям, квантили распределений признака и др.) и предоставлены статистической модели, связывающей данные оптического отклика с концентрацией гемоглобина в крови пациента. Аналогично колориметрическому методу, в качестве статистических моделей может быть использован широкий класс моделей машинного обучения.

Примеры осуществление изобретения

Пример 1. Измерение уровня гемоглобина с помощью колориметрического метода заявленным способом.

Указанные изобретения были разработаны и протестированы на добровольцах, проходящих осмотр в приемном отделении ГКБ №67 им. Л.А. Ворохобова. В собранной выборке были представлены добровольцы различных возрастов, средний возраст пациента составил 55±20 лет. Минимальный возраст испытуемого - 18 лет, максимальный возраст - 95 лет. Статистические параметры, описывающие распределение возрастов добровольцев представлены в Таблице 1.

Для каждого добровольца уровень гемоглобина в крови определялся с помощью независимого стандартного лабораторного метода. На Фиг. 6 представлено распределение уровня гемоглобина, определенное референсным методом.

Для каждого пациента также фиксировались изображения руки с помощью колориметрического модуля предлагаемого изобретения. Примеры изображений, фиксируемых с помощью разработанного колориметрического модуля изобретения, представлены на Фиг. 7.

С помощью указанного метода были рассчитаны значения уровня гемоглобина, предсказываемые с помощью метода цифровой колориметрии. Фиг. 8 (левая панель). Было установлено, что с помощью указанной методики точность определения уровня гемоглобина составляет 21.9 г/л, однако точность определения гемоглобина может быть увеличена путем донабора статистики измерений оптического отклика для пациентов с низким уровнем гемоглобина.

Пример 2. Измерение уровня гемоглобина с использованием метода диффузного имиджинга с пространственно-структурированным излучением заявленным способом.

На выборке добровольцев, описанной в рамках Примера 1, также производилось измерение уровня гемоглобина в крови с помощью метода пространственно-структурированного диффузного имиджинга и сравнение определенных значений с референсными значениями уровня гемоглобина, определенными с помощью стандартной лабораторной методики.

На Фиг. 8 (центральная панель) представлены результаты сравнения уровня гемоглобина, определенные с помощью метода диффузного имиджинга с пространственно-структурированным излучением (ДИПС) с результатами референсной инвазивной методики определения уровня гемоглобина. Было установлено, что погрешность определения уровня гемоглобина с помощью представленного метода в сравнении с референсной методикой составляет 18.2 г/л. При этом точность определения уровня гемоглобина с помощью представленного изобретения и метода может быть увеличена за счет дополнительного набора статистики оптического отклика тканей для добровольцев с различным уровнем гемоглобина в крови.

Пример 3. Определение концентрации гемоглобина в крови с использованием комбинации колориметрического метода и метода диффузного имиджинга с пространственно-структурированным излучением заявленным способом.

В третьем примере результаты определения концентрации гемоглобина в крови, полученные с помощью двух методик (колориметрического способа и способа диффузного имиджинга с пространственно-структурированным излучением) были использованы совместно для определения уровня концентрации гемоглобина в крови добровольцев. Одновременное использование двух методов неинвазивного определения гемоглобина было протестировано на добровольцах, проходящих осмотр в приемном отделении ГКБ №67 - выборка описана в Примере 1.

На фиг. 8 (правая панель) представлен результат сравнения значений уровня гемоглобина, определяемых неинвазивно с помощью совокупности двух методик и с помощью инвазивной референсной методики. Было установлено, что одновременное использование двух методов позволяет снизить погрешность измерения уровня гемоглобина в крови пациента до 17.7 г/л в сравнении с референсной методикой. Аналогично примерам 1 и 2 точность определения гемоглобина с помощью указанных методов может быть увеличена (погрешность определения, соответственно, снижена) за счет дополнительного набора статистики оптического отклика для участков тканей пациентов с различным уровнем гемоглобина в крови.

Таким образом, предлагаемая группа изобретений позволяет более точно определить концентрацию гемоглобина в крови, что обеспечивает раннее выявление анемии, а также возможность контроля уровня гемоглобина в крови.

Группа изобретений относится к медицине, а именно к клинико-лабораторной диагностике, и может быть использована для неинвазивного определения концентрации гемоглобина в крови с использованием колориметрического метода и/или метода диффузного имиджинга с пространственно-структурированным светом. Устройство включает измерительные модули для колориметрического измерения и измерения с помощью метода диффузного имиджинга с пространственно-структурированным светом объекта исследования - участка кожи руки и ногтей пациента, управляющий компьютер и блок питания для автономной работы. Способы позволяют применять колориметрический метод и/или метод диффузного имиджинга с пространственно-структурированным светом для определения концентрации гемоглобина в крови с помощью заявленного устройства. Группа изобретений обеспечивает возможность более точного определения уровня гемоглобина в крови пациента за счет использования неинвазивных методов: колориметрического метода и метода диффузного имиджинга с пространственно-структурированным светом с возможностью их комбинации. 4 н.п.ф., 9 з.п.ф., 8 ил., 1 табл., 3 пр.

1. Устройство для неинвазивного определения концентрации гемоглобина в крови, выполненное с возможностью определения концентрации гемоглобина в крови колориметрическим методом и/или методом диффузного имиджинга с пространственно-структурированным светом, включающее измерительные модули для колориметрического измерения и измерения с помощью метода диффузного имиджинга с пространственно-структурированным светом, управляющий компьютер и блок питания для автономной работы, характеризующееся тем, что измерительный модуль для колориметрического анализа содержит:

- CMOS-камеру с углом обзора – не менее 60°, выполненную с возможностью установки перед объектом исследования на расстоянии 10-20 см для получения цветных изображений исследуемого участка кожи руки и ногтей пациента;

- источник рассеянного освещения в виде LED-лампы белого света для освещения исследуемого участка тканей пациента;

- поляризаторы видимого диапазона, выполненные с возможностью исключения френелевского отражения от ногтевой пластины, расположенные перед камерой и источником освещения в скрещенной конфигурации;

измерительный модуль для диффузного имиджинга с использованием пространственно-структурированного света содержит:

- проектор, выполненный с возможностью проецирования паттернов света на исследуемый участок тканей пациента на длинах волн 560 и 630 нм, расположенный на расстоянии 30 см от объекта исследования;

- черно-белую CMOS-камеру, совмещенную с короткофокусным объективом для получения изображений исследуемого участка кожи руки и ногтей;

- поляризаторы, выполненные с возможностью устранения френелевского отражения от ногтевой пластины, расположенные перед проектором и объективом камеры в скрещенной конфигурации.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поляризаторы, входящие в измерительный модуль для колориметрического анализа, выполнены с коэффициентом экстинкции не менее 200.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поляризаторы, входящие в измерительный модуль для диффузного имиджинга с использованием пространственно-структурированного света, выполнены с коэффициентом экстинкции не менее 200.

4. Способ неинвазивного определения концентрации гемоглобина в крови, характеризующийся тем, что используют колориметрический метод с помощью устройства по п.1, содержащего CMOS-камеру с углом обзора – не менее 60°, выполненную с возможностью установки перед объектом исследования на расстоянии 10-20 см для получения цветных изображений исследуемого участка кожи руки и ногтей пациента, включающий следующие этапы:

- получение изображения пальцев пациента в контролируемых условиях освещения с помощью камеры так, чтобы ладонь и фаланги пальцев пациента занимали на изображении не менее одной шестой кадра;

- сегментацию на цифровом изображении пальцев пациента областей изображений, на которых располагаются ногтевые ложа пальцев, а также участки кожи, цвет которых изменяется в зависимости от уровня гемоглобина крови;

- фильтрацию областей, цветовые характеристики которых изменяются в зависимости от уровня гемоглобина в крови, путем удаления областей, имеющих нетипичные характеристики интенсивности R-, G-, B-каналов для цветовых характеристик кожи и ногтевого ложа, что определяют путем сравнения интенсивностей полученного изображения с референсными значениями;

- расчет таких статистик распределения интенсивностей выделенных областей изображения в R-, G-, B-каналах, как: 5, 15, 25, 50, 75, 85, 95 процентили распределения интенсивностей, среднее значение интенсивности, среднеквадратическое отклонение интенсивностей в указанных цветовых каналах;

- определение концентрации гемоглобина с помощью модели машинного обучения на основе ансамбля решающих деревьев по данным рассчитанных значений статистик распределения интенсивностей цифрового изображения выделенных областей.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что сегментацию областей на цифровом изображении пальцев пациента осуществляют вручную, путем указания координат областей на изображении.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что сегментацию областей на цифровом изображении пальцев пациента осуществляют с помощью алгоритма машинного обучения.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что сегментацию областей на цифровом изображении пальцев пациента осуществляют на основе сверточной нейронной сети с архитектурой MobileNet-SSD-FPN.

8. Способ по п.4, отличающийся тем, что для фильтрации областей, цветовые характеристики которых изменяются в зависимости от уровня гемоглобина в крови, на выбранных областях сегментируется только та часть изображения ногтевого ложа и участка кожи, в которой распределение интенсивности в различных цветовых каналах является однородным.

9. Способ неинвазивного определения концентрации гемоглобина в крови, характеризующийся тем, что используют метод диффузного имиджинга с пространственно-структурированным светом с помощью устройства по п.1, содержащего CMOS-камеру с углом обзора – не менее 60°, выполненную с возможностью установки перед объектом исследования на расстоянии 10-20 см для получения цветных изображений исследуемого участка кожи руки и ногтей пациента, включающий следующие этапы:

- последовательное проецирование на пальцы пациента света, интенсивность которого промодулирована по одной из пространственных координат объектной плоскости, в которой располагается рука пациента, по синусоидальному закону, на двух длинах волн излучения 560 и 630 нм на не менее трех пространственных частотах;

- расчет карт диффузного отраженного сигнала на осциллирующей с пространственной частотой компоненте отклика;

- сегментацию на рассчитанных картах диффузного отражения на измеренных пространственных частотах областей изображений, на которых располагаются ногтевые ложа пальцев, а также участки кожи, диффузное отражение от которых изменяется в зависимости от уровня гемоглобина крови;

- фильтрацию областей, значения диффузного отражения которых изменяются в зависимости от уровня гемоглобина крови, путем вырезания внутренней области из изображения таким образом, чтобы исключить области, не соответствующие ногтю, в случае анализа ногтевой области, и области, не соответствующие участку кожи, в случае анализа участка кожи;

- расчет параметров оптического отклика для отфильтрованных областей изображения;

- определение концентрации гемоглобина в крови пациента с помощью модели машинного обучения по данным рассчитанных значений параметров оптического отклика на двух длинах волн излучения 560 и 630 нм и на не менее трех пространственных частотах.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что сегментацию областей изображений на рассчитанных картах диффузного отражения осуществляют вручную, путем указания координат областей на изображении.

11. Способ по п.9, отличающийся тем, что сегментацию областей изображений на рассчитанных картах диффузного отражения осуществляют с помощью алгоритма машинного обучения.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что сегментацию областей изображений на рассчитанных картах диффузного отражения осуществляют на основе сверточной нейронной сети с архитектурой YOLOv6.

13. Способ неинвазивного определения концентрации гемоглобина в крови, характеризующийся тем, что используют комбинацию колориметрического метода по п.4 и метода диффузного имиджинга с пространственно-структурированным светом по п.9 с помощью устройства по п.1, содержащего CMOS-камеру с углом обзора – не менее 60°, выполненную с возможностью установки перед объектом исследования на расстоянии 10-20 см для получения цветных изображений исследуемого участка кожи руки и ногтей пациента.