CN113316417A - 使用生物阻抗的皮肤钠测量 - Google Patents

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Abstract

一种用于使用生物阻抗频谱分析法确定皮肤钠含量的技术包括：向受试者的皮肤施加预定频率下的电流；测量由电流产生的跨受试者的皮肤的电压；使用测量的电压确定预定频率下跨受试者的皮肤的电阻；和使用测量的电压确定皮肤钠含量。

Description

使用生物阻抗的皮肤钠测量
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年12月21日提交的美国临时专利申请No.62/783,581的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及皮肤钠的检测和测量，特别地，本公开涉及用于使用生物阻抗频谱分析法检测和测量皮肤钠的装置、系统和方法。
背景技术
研究表明，慢性肾病(CKD)患者的皮肤钠(Na+)含量而不是血清钠与收缩压和左心室质量(LVM)相关联。因此，LVM可能是用于预测CKD患者预后的重要指标。此外，皮肤钠含量可能是非CKD患者(例如高血压和糖尿病患者等)预后或健康属性的预测指标。
通常，皮肤钠的测量是通过钠磁共振成像(即23Na-MRI)进行的。并且，例如，已经表明，通过钠磁共振成像测量的皮肤钠在健康受试者和高血压受试者之间存在显著差异。虽然相对完善，但钠磁共振成像可能存在几个缺点，例如：(i)对MRI有医学禁忌症的患者，(ii)仅在患者的特定和有限区域进行(例如，小腿)，(c)可用性有限，(d)并且成本过高。例如，由于可用性相对有限，患者可能不得不前往配备适当的医疗中心进行钠磁共振成像，而此类医疗中心可能很少，这可能会给患者带来后勤方面的挑战。
因此，仍然需要例如可以克服钠磁共振成像的一些挑战的改进的皮肤钠检测和测量技术。
发明内容
一方面，一种用于使用生物阻抗频谱分析法确定皮肤钠含量的方法包括：向受试者的皮肤施加预定频率下的电流；测量由电流产生的跨受试者的皮肤的电压；使用测量的电压确定预定频率下跨受试者的皮肤的电阻；和使用测量电压确定皮肤钠含量。
多个实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。所述方法还可以包括计算预定频率下的皮肤电阻率，其中，至少部分地使用计算的皮肤电阻率确定皮肤钠含量。可以使用公式ρSR＝RF*A/L来计算皮肤电阻率(ρSR)，其中，RF是在预定频率下的电阻，A是皮肤的测量区域的横截面积，L是测量电压的电极之间的距离。所述预定频率可以在1赫兹(Hz)至1兆赫兹(MHz)之间的范围内。所述预定频率可以是1千赫兹(kHz)或更小。可以使用回归模型确定皮肤钠含量(SSC)。所述回归模型可以包括公式SSC＝a*ρSR+b*age+c，其中，ρSR是计算出的皮肤电阻率，a、b和c是被配置为将通过钠磁共振成像获得的皮肤钠含量与通过生物阻抗频谱分析法获得的皮肤电阻率相关联的常数系数。可以将所述电流施加到受试者的真皮。可以选择所述预定频率以穿过受试者的真皮。所述方法还可以包括改变所述预定频率，重复所述电压的测量并且确定在改变后的频率下的电阻以确定受试者的组织类型。所述方法还可以包括选择被确定的改变后的频率以提供受试者的真皮的皮肤电阻率。所述方法还可以包括确定以多个不同频率施加的电流的电导率和介电常数中的一个或多个。所述方法还可以包括确定所述多个不同频率中的至少两个之间的电导率和介电常数中的一个或多个的斜率。所述方法还可以包括使用所述斜率确定组织类型。所述组织类型可以包括皮肤、脂肪和肌肉中的一种。为了计算皮肤钠含量可以忽略脂肪和肌肉的组织类型。所述组织类型可以包括表皮、真皮和皮下层中的一种。为了计算皮肤钠含量可以忽略除真皮之外的所有组织类型。所述斜率可以被定义为所述多个不同频率中的至少两个之间的电导率差Δσ除以步频率(Δσ/1Hz)。所述方法还可以包括将所述皮肤钠含量与生理特征相关联以确定受试者的预测健康状况。所述生理特征可以包括收缩压、左心室质量和水合状态中的一种或多种。所述预测健康状况可以包括慢性肾脏疾病、高血压和糖尿病中的一种或多种。所述方法还可以包括将数据发送到计算装置，所述数据包括预定频率、电压、电阻、皮肤电阻率和皮肤钠含量中的一个或多个。所述方法还可以包括测量所述皮肤的细胞外体积(ECV)和细胞内体积(ICV)。所述方法还可以包括在预定时间段内连续计算皮肤钠含量。所述方法还可以包括当皮肤钠含量超出预定范围时发送通知。
一方面，一种用于使用生物阻抗频谱分析法测量皮肤钠含量的设备包括：电流发生器，其在结构上被配置为能产生预定频率下的电流以施加到受试者的皮肤；控制器，其能够用于调整预定频率；传感器，其在结构上被配置为能测量由电流产生的跨受试者皮肤的电压；和至少一个处理器，其被配置为使用测量的电压确定皮肤钠含量。
多个实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。所述处理器可以被配置为能基于测量的电压来计算生物阻抗并能使用所计算的生物阻抗来确定皮肤钠含量。所述电流发生器和所述传感器中的一个或多个可以包括多个电极。所述控制器能够用于控制电流发生器以产生多个不同频率下的电流。所述处理器可以被配置为能确定以所述多个不同频率施加的电流的电导率和介电常数中的一个或多个。所述处理器可以被配置为能确定所述多个不同频率中的至少两个之间的电导率和介电常数中的一个或多个的斜率。所述处理器可以被配置为能使用所述斜率确定组织类型。所述设备还可以包括与所述至少一个处理器通信的计算装置。
参考以下描述、示例和所附权利要求，本教导的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。
附图说明
如附图所示，本文描述的装置、系统和方法的前述和其它目的、特征和优点将从其特定实施例的以下描述中变得明显。附图不一定是按比例绘制的，而是重点在于说明本文描述的装置、系统和方法的原理。在附图中，相同的附图标记通常表示相应的要素。
图1是示出了根据一个代表性实施例的频率和肌肉电特性(介电常数ε和电导率σ)之间的关系的图。
图2示出了根据一个代表性实施例的用于使用生物阻抗频谱分析法测量皮肤钠含量的设备的电模型。
图3示出了根据一个代表性实施例的用于使用生物阻抗频谱分析法测量皮肤钠含量的系统。
图4是根据一个代表性实施例的用于使用生物阻抗频谱分析法确定皮肤钠含量的方法的流程图。
图5是示出了根据一个代表性实施例在组织的三个不同区域测量的生物阻抗的图。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更全面地描述一些实施例，附图中示出了优选实施例。然而，前述内容可以以许多不同的形式实施并且不应被解释为限于本文阐述的图示实施例。相反，提供这些图示的实施例使得本公开将向本领域技术人员传达范围。
在此提及的所有文件通过引用整体并入本文。除非另有明确说明或从文本中清楚地表明，否则对单数形式的项目的引用应理解为包括复数形式的项目，反之亦然。除非另有说明或上下文清楚，否则语法连词旨在表达连接从句、句子、单词等的任何和所有分离和连接组合。因此，术语“或”一般应理解为“和/或”等。
除非此处另有说明，否则此处对数值范围的引用并非旨在限制，而是单独指代落入该范围内的任何和所有值，并且该范围内的每个单独的值都被并入说明书中，就好像它在此分别被引述。词语“约”、“大约”等，当伴随有数值时，应被解释为表示如本领域普通技术人员所理解的为了预期目的而令人满意地操作的偏差。类似地，当参考物理特性使用近似词时，例如“约”、“大约”或“基本上”，应被理解为考虑本领域普通技术人员会理解的偏差范围，以令人满意地操作以实现相应的用途、功能、目的等。值和/或数值的范围在本文中仅作为示例提供，并不构成对所述实施例的范围的限制。除非有相反的明确说明，否则在提供数值范围的情况下，它们也旨在包括该范围内的每个数值，就好像单独提出一样。此处提供的任何和所有示例或示例性语言(“例如”、“诸如”等)的使用仅旨在更好地阐明实施例并且不对实施例的范围构成限制。说明书中的任何语言都不应被解释为将任何未要求保护的元素视为实施例的实践所必需的。
在以下描述中，除非有相反的明确说明，否则“第一”、“第二”、“顶”、“底”、“上”、“下”等术语应理解为方便用语，并非应解释为限制性术语。
一般而言，本文公开的装置、系统和方法总体上涉及使用生物阻抗频谱分析法的皮肤钠检测和测量。更特别地，本文公开的装置、系统和方法可用于确定和量化皮肤中糖胺聚糖分子中的钠储存(例如，渗透性无活性钠储存)。如上所述，皮肤钠含量可用于确定或预测患者的生理状况或特征，例如慢性肾病(CKD)患者的收缩压和左心室质量(LVM)，以及用于预测非CKD患者、例如高血压和糖尿病患者等的预后。如上面进一步讨论的那样，通常皮肤钠含量是通过钠磁共振成像(即23Na-MRI)获得的，它具有各种缺陷。然而，本教导总体上阐述了使用生物阻抗频谱分析法测量皮肤钠的装置、系统和方法，其可以克服使用钠磁共振成像测量皮肤钠的一些缺陷。
生物阻抗频谱分析法已被用于使用多频电流、例如使用约1千赫(kHz)至约1兆赫(MHz)的电流来区分体液隔间。例如，可以使用生物阻抗频谱分析法测量细胞外体积(ECV)和细胞内体积(ICV)隔间。这是基于频率小于约10kHz的交流电(AC)只能通过ECV，而频率大于约300kHz的交流电可以通过ECV和ICV的一般原理。
图1是示出根据一个代表性实施例的频率和肌肉电特性(介电常数ε和电导率σ)之间的关系的图。具体来说，曲线图100显示，肌肉的介电常数(ε)和电导率(σ)随交流频率的增加而变化(另请参见Herman P.Schwan，ADVANCES IN BIOLOGICAL AND MEDICAL PHYSICS，第147-224页(John H.Lawrence&Cornelius A.Tobias eds.，第5卷，1957年1月)，ISBN：978-1-4832-3111-2，在此通过引用整体并入本文)。
图1显示了当电流频率增加时介电常数(ε)中的三个耗散(α、β、γ)，其中这些耗散的机制已在Schwan中进行了解释，其在上文中被引用并通过引用并入本文。然而，这项研究仅限于肌肉，因此可能不一定与皮肤或其它组织的电特性相关。因此，一般来说，为了检测皮肤电特性，本教导可以包括使用小于约1kHz的AC频率。例如，通过使用大约0.01-1.00kHz的AC频率范围，可以获得不同皮肤层与AC频率之间的关系。
虽然皮肤生物阻抗已被用于评估皮肤状况，例如皮肤厚度(参见，例如，UlrikBirgersson，“Electrical Impedance of Human Skin and Tissue Alterations：Mathematical Modeling and Measurements”，Department of Clinical Science，Intervention and Technology，Karolinska Institutet,Stockholm，Sweden(2011)，通过引用并入本文)，皮肤钠浓度和身体电导率之间的关系总体上没有被研究过。然而，使用本教导，生物阻抗频谱分析法可用于测量皮肤钠含量，例如，用于替代或补充钠-磁共振成像。
图2示出了根据一个代表性实施例的用于使用生物阻抗频谱分析法测量皮肤钠含量的设备的电模型。通常，如图所示，设备200可以包括电流发生器210、控制器220、传感器230和处理器240。
特别地，图2示出了采用生物阻抗测量的皮肤电模型以描述皮肤的组成—其中示出了表皮201、真皮202和皮下层203中的每一个。在图中，IS代表电流(例如，多频率AC)，其由电流发生器210产生，由控制器220控制，并通过注入电极212(在图中也由EI1和EI2表示)之类注入皮肤表面204。此外，在图中，VMeas表示由传感器230测量的电压，传感器230可以包括感测电极232(例如，两个感测电极232在图中也由ES1和ES2表示)。继续图中设备200的电模型表示：RES表示表皮201的电阻；CE和RE分别代表表皮201的内部的电容和电阻；CIN代表皮肤表面204和表皮201的内部之间的电容；RDI和RDE代表细胞内和细胞外真皮202的电阻；CD代表真皮202的电容；L为感测电极232之间的距离；d是感测电极232和注入电极212之间的距离。可以理解的是，通常L和d可以是几乎任何距离。
电流发生器210可以在结构上被配置为产生预定频率下的电流(IS)以施加到受试者的皮肤，例如内科患者(例如CKD患者或非CKD患者)。如上所述，电流发生器210可以包括或可以以其它方式与多个电极、例如如图所示的至少两个注入电极212电连通地耦合。电极可包括本领域已知的任何电极，例如包括导电电解质凝胶(例如氯化钾或氯化银)和金属导体(例如银/氯化银导体)的表面型导电垫—例如标准心电图电极等。因此，注入电极212和感测电极232中的一个或多个可以包括粘附到患者皮肤表面或以其它方式与患者皮肤表面耦合的粘合剂型电极。注入电极212和感测电极232中的一个或多个还可以或替代性地包括穿透电极(例如，针型电极)。在一些实施方式中，可以使用粘合剂型电极和针型电极的组合。对于注入电极212和感测电极232中的一个或多个，其它电极也是可能的或替代性地可能的。
将进一步理解，电极的数量可以在设备200、包括设备200的系统中或在使用本文另外描述的技术时变化。例如，虽然图2示出了两个注入电极212和两个感测电极232，但更多或更少的电极也是可能的。举例来说，一个实施方式可以包括三个或更多个(例如，四个)注入电极212。
皮肤表面204可以包括分形、微孔和纳米多孔表面特征中的一种或多种。在设备200中，一个或多个电极可以特别定制以与特定皮肤表面204一起使用。
如上所述，电流发生器210可以在结构上被配置成产生预定频率下的电流(IS)以施加到受试者的皮肤。将理解的是，除非明确指出相反或从上下文中清楚地说明，否则本文讨论的预定频率可包括频率范围而不是一个精确频率。例如，预定频率可以在大约1Hz和大约1MHz之间、例如大约1kHz或更小。这可能显著小于生物阻抗频谱分析法中通常使用的频率，即，因为除了本教导之外，在典型的使用情况中不期望皮肤的生物阻抗频谱分析。其它频率也是可能的或替代性地可能的，例如低至0.1Hz的频率。
控制器220可用于调节电流发生器210产生的预定频率。具体地，控制器220可用于控制电流发生器210产生多个不同频率的电流，其可以用于确定电流通过的组织类型，从而得出测量的组织类型。也就是说，并且如在本公开全文中进一步解释的，不同的频率可以穿透并穿过受试者的组织的不同区域，并且当需要在特定组织区域测量电压或电阻(例如，在真皮202处以找到皮肤电阻率和真皮202的皮肤钠含量)时，可以使用特定的、预定的电流来穿透并穿过特定的组织区域。然而，穿透并穿过一个受试者的特定组织区域的预定电流可以不同于穿透并穿过不同受试者的相同组织区域的预定电流。此外，即使是同一受试者也可能在他们的状况或状态中具有波动，这会导致该受试者的频率穿透方面发生变化，例如每天或以其它方式变化。因此，可以使用一种技术来在特定时间找到与特定患者的特定组织区域相关联的特定频率。
举例来说，穿透并穿过表皮201的电流可在大约0Hz和大约10Hz之间(参见Lackermeier等人，“In Vivo AC Impedance Spectroscopy of Human Skin”，AnalysisNew York Academy of Sciences Vol.873,pp.197–213(1999)，其全部内容通过引用并入本文)，穿透并穿过真皮202的电流可在大约10Hz至大约1kHz之间，穿透并穿过脂肪组织的电流可以在大约100Hz至大约10kHz之间，穿透和穿过ECV的电流可以在大约1kHz至大约50kHz之间，穿透并穿过ICV的电流可以在大约20kHz至大约1MHz之间。其它电流值也是可能的或替代性地可能的。
传感器230可以在结构上被配置为测量跨受试者的皮肤的电压(VMeas)，其中，电压由电流发生器210施加的电流(IS)产生。如上所述，传感器230可以包括多个电极、例如如图中所示的至少两个感测电极232，或者可以以其它方式与多个电极、例如如图中所示的至少两个感测电极232连通。电极可以包括本文所述的或本领域公知的用于测量跨衬底、例如受试者的皮肤的电压的任何电极。
处理器240可以被配置为使用测量的电压(VMeas)来确定皮肤钠含量。具体地，处理器可以被配置为基于测量的电压计算生物阻抗，并且使用计算的生物阻抗来确定皮肤钠含量。
处理器240还可以或替代性地被配置为针对以多个不同频率施加的电流确定电导率和介电常数中的一个或多个。此外，处理器240可以被配置为确定多个不同频率中的至少两个之间的电导率和介电常数中的一个或多个的斜率。以此方式，如本文所述，处理器240可以被配置为使用斜率确定组织类型。这对于确定预定频率以获得真皮202处的电压测量值(并因此获得电阻)可能是有用的，这对于获得受试者的皮肤的皮肤钠含量可能是有用的。
图3示出了根据一个代表性实施例的使用生物阻抗频谱分析法测量皮肤钠含量的系统。系统300通常可以包括用于使用生物阻抗频谱分析法测量皮肤钠含量的设备、例如上文参考图2描述的设备的一个或多个构件，以及通过数据网络301等彼此通信的其它构件。例如，系统300可以包括电流发生器310、控制器320、传感器330、处理器340、存储器342、计算装置350、通信接口360和其它资源370(例如，其它硬件或外部资源)，其中，系统300的一个或多个构件通过数据网络301通信地或以其它方式连接。
电流发生器310、控制器320、传感器330和处理器340可以与上述的那些相同或相似。附加地或替代性地，控制器320可以包括处理器340、存储器342、诸如计算装置350之类的用户装置等，或以其它方式与它们通信，用于控制系统300的一个或多个构件。因此，通常，控制器320可以与用于使用生物阻抗频谱分析法测量皮肤钠含量的装置的一个或多个构件以通信关系电耦合(例如，有线或无线地)。
控制器320可以被配置为例如基于从传感器330接收的信号或从用户、处理器340接收的指令或以其它方式来调整由电流发生器310产生的电流的频率。通常，控制器320可以以通信关系(例如，电子通信)与系统300的任何构件电耦合。通常，控制器320可用于控制系统300的构件，并且可以包括适用于控制本文描述的系统300的各种构件的软件和/或处理电路的任何组合，包括但不限于处理器、微处理器、微控制器、专用集成电路、可编程门阵列和任何其它数字和/或模拟构件以及前述的组合，连同用于收发控制信号、功率信号、传感器信号等的输入和输出。在某些实施方式中，控制器320可以包括处理器340或具有足够计算能力的其它处理电路，以提供相关功能，例如执行操作系统、提供图形用户界面；设置和提供用于操作系统300的构件的规则和指令；将感测到的信息转换为指令、通知等；以及通过下面描述的一个或多个通信接口360来操作网络服务器或以其它方式作为主机管理远程操作员和/或活动。在某些实施方式中，控制器320可包括印刷电路板、Arduino控制器或类似物、Raspberry Pi控制器等、原型板或其它与计算机有关的构件。
控制器320可以是设置在用于使用生物阻抗频谱分析法测量皮肤钠含量的设备上或系统300的另一构件上的本地控制器，或是以其它方式与系统300及其构件通信的远程装置。例如，控制器320和与控制器320通信的用户界面中的一个或多个可以设置在通过数据网络301与系统300通信的外部构件(例如，计算装置350、如智能手机)上。
处理器340可以包括用于使用生物阻抗频谱分析法测量皮肤钠含量的设备或系统300的另一构件的机载处理器。处理器340还可以或替代性地布置在通过数据网络301(例如，使用通信接口360，其可以包括Wi-Fi发射器和接收器)连接到系统300或系统的一个或多个构件的单独计算装置350上。处理器340可以执行计算，例如，使用测量的电压确定预定频率下跨受试者的皮肤的电阻的计算、确定皮肤电阻率的计算、确定皮肤钠含量的计算等。
处理器340可以是如本文所述或以其它方式本领域已知的任何处理器。处理器340可以被包括在控制器320上，或者它可以与控制器320分离，例如，它可以被包括在与控制器320或系统300的另一构件通信的计算装置350上。在一个实施方式中，处理器340包括在作为主机管理用于运行和控制系统300的应用程序的服务器上或与之通信。
存储器342可以是如本文所述或以其它方式本领域已知的任何存储器。存储器342可以包含计算机代码并且可以存储诸如用于系统300的一个或多个构件(例如，电流发生器310)的操作序列、通知和警报的序列或内容、历史数据(例如，先前的输入、测量结果和计算结果)等的数据。存储器342还可以或替代性地包含存储在其上的计算机可执行代码，其为处理器340提供用于实施的指令。存储器342可以包括非暂时性计算机可读介质。
系统300还可以包括与系统300的一个或多个构件、包括但不限于控制器320和用于使用生物阻抗频谱分析法测量皮肤钠含量的设备通信的计算装置350。计算装置350可以包括例如与控制器320或系统300的另一构件通信的用户界面。
计算装置350可以包括系统300内的由操作员操作或以其它方式管理、监控、通信或以其它方式与系统300中的其它参与者交互的任何装置。这可以包括台式计算机、膝上型计算机、网络计算机、平板电脑、智能手机、智能手表、PDA或任何其它可以参与本文所设想的系统300的装置。在一个实施方式中，计算装置350与系统300中的另一个参与者是一体的。
计算装置350通常可以提供用户界面，其可以包括图形用户界面、文本或命令行界面、语音控制界面和/或基于手势的界面。通常，用户界面可以在计算装置350上创建合适的显示以用于操作员交互。在多个实施方式中，用户界面可以控制系统300的一个或多个构件的操作，以及提供对控制器320、处理器340和其它资源370的访问和通信。用户界面可以由计算装置350上从系统300的一个或多个构件接收数据的本地执行应用程序维护。在其它实施例中，用户界面可以被远程服务并呈现在计算装置350上，例如控制器320包括通过一个或多个可以显示在网络浏览器或在计算装置350上执行的类似客户端内的网页等提供信息的网页服务器。在多个实施方式中，用户界面还可以或替代性地由系统300中的另一个参与者提供和/或设置在该另一个参与者上。
数据网络301可以是适合于在系统300中的参与者之间传送数据和控制信息的任何网络或互联网络。这可以包括诸如因特网的公共网络、专用网络、诸如使用第三代(例如，3G或IMT-2000)、第四代(例如，LTE(E-UTRA)或WiMAX-Advanced(IEEE802.16m)和/或其它技术的公共交换电话网络或蜂窝网络的电信网络，以及可用于在系统300中的参与者之间传送数据的各种公司区域或局域网络和其它交换机、路由器、集线器、网关等中的任何一个。数据网络301可以包括有线或无线网络或它们的任何组合。本领域技术人员还将认识到，系统300所示的参与者不需要通过数据网络301连接，因此可以被配置为与独立于数据网络301的其它参与者协同工作。
经由数据网络301的通信，或在此描述的装置或系统的构件之间的其它通信可以经由一个或多个通信接口360来提供。通信接口360可以包括例如Wi-Fi接收器和发射器以允许在单独的计算装置350上执行逻辑计算。这可以包括到智能电话应用程序等的连接。更一般地，通信接口360可以适合于使得系统300的任何构件可以彼此通信。因此，通信接口360可存在于系统300的一个或多个构件上。通信接口360可以包括或以通信关系与网络接口等连接。通信接口360可以包括适合于通过数据网络301以通信关系将系统300的构件耦合到远程装置(例如，计算装置350、如远程计算机等)的硬件和软件的任何组合。作为示例而非限制，这可以包括用于根据IEEE802.11标准(或其任何变体)操作的有线或无线以太网连接的电子设备，或任何其它短程或长程无线网络构件等。这可以包括诸如蓝牙或红外收发器的用于短程数据通信的硬件，其可用于耦合到局域网等，而局域网等又耦合到诸如互联网的数据网络。这还可以或替代性地包括用于WiMAX连接或蜂窝网络连接(使用例如CDMA、GSM、LTE或任何其它合适的协议或协议的组合)的硬件/软件。附加地，控制器320可以被配置成控制系统300的构件在通信接口360连接到的任何网络中的参与，例如通过自主连接到数据网络301以检索状态更新等。
系统300可以包括如上所述的其它资源370。在某些实施方式中，其它资源370可以包括附加的传感器、相机、电源、仪表等。其它资源370还可以或替代性地包括诸如键盘、触摸板、计算机鼠标、开关、拨盘、按钮等的输入装置，以及诸如显示器、扬声器或其它音频换能器、发光二极管或其它照明或显示构件等的输出装置。系统300的其它资源370还可以或替代性地包括用于连接到例如外部计算机、外部硬件、外部仪器或数据采集系统等的各种电缆连接和/或硬件适配器。其它资源370也可以或替代性地包括电源。
其它资源370还可以或替代性地包括服务器、数据库或其它数据存储装置、远程资源、网络接口、处理电路等。因此，除了上述构件之外或替代上述构件，还可以包括其它资源370、例如其它硬件或其它软件。
在系统300的示例性实施例中，电流发生器310产生范围从直流(DC)到从大约1kHz到至少大约1MHz的交流的电流。控制器320可用于调整频率，其中，频率控制的功能是产生电流的频率步长(Fs)，其可与电导率(σ)斜率相关联，然后电导率斜率可与受试者的组织区域相关联(应当理解，可以使用电导率与电阻率的关系，即电阻率＝1/电导率，找到电导率的斜率)。例如，当电导率的斜率变平(例如，斜率小于或等于约5％)时，该值可以代表表皮的阻抗，并且随着电导率的斜率达到第二次变平(例如，斜率大约在5-10％之间)，该值可能代表真皮的阻抗。换句话说，可以通过电导率和/或介电常数的斜率变化来区分皮肤层。
处理器340或系统300的另一构件可以充当阻抗计算器以计算生物阻抗。此外，处理器340或系统300的另一构件可以计算每个频率步处的电导率值。斜率可以定义为高频和低频之间(例如，相邻频率步之间)的电导率差异(Δσ)除以步频率(Δσ/1Hz)。输入数据及其函数以及结果的输出可以被发送到计算装置350、例如用户的智能手机。例如，结果的输出可以包括但不限于电导率和介电常数、电阻率、皮肤钠含量、水合状态等中的一种或多种。
图4是根据一个代表性实施例的使用生物阻抗频谱分析法确定皮肤钠含量的方法的流程图。方法400可以由本文描述的任何设备和系统来执行，例如上面讨论的参考图2和图3描述的那些设备和系统来执行。
如步骤402所示，方法400可以包括向受试者的皮肤施加预定频率下的电流。如本文所讨论的，电流发生器可以产生电流，并且可以经由一个或多个电极—例如两个注入电极将电流注入受试者的皮肤。
预定频率可以是已知频率，其将产生跨真皮的电压测量值(并因此产生电阻)，由其可以确定真皮的皮肤钠含量。因此，可以例如通过简单地使用预定频率将电流直接施加到受试者的真皮，无需实验或发现。然而，应当理解的是，在其它实施方式中，预定频率是用于确定将产生跨真皮的电压测量值(并因此产生电阻)的频率的多个频率中的一个，由其可以确定真皮的皮肤钠含量。换言之，可以选择预定频率以穿过受试者的真皮，例如，从已经在真皮发现技术中应用的多个不同频率中选择。参考下面描述的步骤408-418进一步阐述这种真皮发现技术的示例。
通常，预定频率可以是相对较低的频率，特别是在生物阻抗领域。例如，预定频率可以在大约1Hz和大约1MHz之间。甚至更具体地，预定频率可以是大约1kHz或更小。
如步骤404所示，方法400可以包括测量电流产生的跨受试者皮肤的电压。如本文所讨论的，具有一个或多个电极的一个或多个传感器可用于测量跨受试者皮肤的电压。一般而言，可以在受试者身体的任何位置或部分执行电流的施加和电压的测量—例如，不仅仅是小腿，尽管如果需要当然可以使用小腿。
如步骤406所示，方法400可以包括使用测量的电压确定预定频率下跨受试者皮肤的电阻。然后可以使用该电阻(或更一般地，测量的电压)来计算皮肤电阻率(参见下面的步骤420)并确定皮肤钠含量(参见下面的步骤422)。所述电阻(或更一般地，测量的电压)还可以或替代性地用作用于计算特定电流频率下的电导率和/或介电常数的数据点，例如用于确定与两个或更多个不同应用频率相关的一个或多个电导率或介电常数之间的斜率。
应当理解，使用测量的电压确定预定频率下跨受试者皮肤的电阻可能涉及相对简单的计算，即，使用欧姆定律。还应理解，当本教导(即，在该方法400中，或在本文描述的任何装置、系统、设备和技术中)指代计算或计算特性、性能或其它数据点时，这也可以或替代性地包括计算作为其已知的预定函数的任何其它量。例如，如本文方法400中所解释的，皮肤钠含量可以从皮肤电阻率计算，皮肤电阻率可以从通过测量由已知的施加电流产生的跨受试者皮肤的电压确定的电阻计算。以这种方式，方法400，更一般地本教导可以考虑并包括用于根据由已知的施加电流产生的测量电压或更一般地根据可通过向受试者的皮肤施加预定频率的电流发现的特性计算皮肤钠含量(或其它特性)的其它技术。
如步骤408所示，方法400可以包括确定用于以预定频率(或以所施加的多个不同频率)施加的电流的电导率和介电常数中的一个或多个。
如步骤410所示，方法400可以包括改变预定频率。这可以作为真皮发现技术的一部分来完成，即确定用于确定真皮的皮肤钠含量的频率。
如步骤412所示，方法400可以包括重复步骤404-410中的一个或多个，例如，重复电压的测量并确定改变频率下的电阻以确定受试者的组织类型。
如步骤414所示，方法400可以包括确定施加到受试者皮肤的多个不同频率中的至少两个之间的电导率和介电常数中的一个或多个的斜率。斜率可以定义为至少两个不同的施加频率之间的电导率差异Δσ除以步频率(Δσ/1Hz)。
如步骤416所示，方法400可以包括使用斜率确定组织类型，并且当组织类型被确定为真皮时，方法400可以进行到步骤420。否则，方法400可以进行到步骤418。另外，方法400可以包括选择被确定的改变的频率以提供受试者真皮的皮肤电阻率。
可以使用这种方法确定的不同组织类型可能包括皮肤、脂肪和肌肉中的一种或多种。在这种情况下，计算皮肤钠含量时可能会忽略脂肪和肌肉的组织类型。此外，或者替代性地，可以使用该方法确定的不同组织类型可以包括表皮、真皮和皮下层中的一个或多个。在这种情况下，在计算皮肤钠含量时，除了真皮之外的所有组织类型都可以被忽略。流通密度和电抗变化也可以或替代性地用于确定组织类型。
如步骤418所示，方法400可以包括改变预定频率并重复步骤404-410中的一个或多个，例如，直到跨真皮产生电压测量值(并因此产生电阻)的频率被发现，由其可以确定真皮的皮肤钠含量。
如步骤420所示，方法400可以包括在预定频率—例如已知或确定的产生真皮电压测量值的频率下计算皮肤电阻率。应当理解，皮肤钠含量可以至少部分地使用计算的皮肤电阻率来确定。皮肤电阻率(ρSR)可以使用以下公式计算：
ρSR＝RF*A/L 公式1
在上面的公式1中，RF是在预定频率下的电阻，A是皮肤的测量区域的横截面积，L是测量电压的电极(或其它传感器)之间的距离。应当理解，皮肤的测量区域的横截面积A可以取决于电极的放置和受试者身体的施加电极的区域。横截面积A可以通过使用公式A＝C2/4π计算，其中，C是周长，L是皮肤区域(例如人类患者的小腿)的测量长度。使用作为人类患者的小腿的皮肤区域的示例实施方式，可以从小腿的表面测量周长C。小腿的横截面积A可包括皮肤、脂肪、肌肉和骨骼。如果皮肤的厚度是已知的，则可以计算皮肤的横截面积A，从而可以如本文所述计算皮肤中的电阻率。皮肤的厚度可能因年龄、性别和位置而异。例如，人类皮肤(表皮和真皮)的总厚度可以在大约2mm到大约6mm之间(参见Oltulu P.等人，“Measurement of Epidermis,Dermis,and Total Skin Thicknesses from SixDifferent Body Regions with a New Ethical Histometric Technique”，TurkishJournal of Plastic Surgery,26:56–61,2018—在此通过引用并入本文)。厚度的准确值也可以或替代性地根据实验数据找到。
如步骤422所示，方法400可以包括使用测量的电压确定皮肤钠含量。可以根据电阻率、年龄和一个或多个常数来计算皮肤钠含量。更具体地，可以使用回归模型来确定皮肤钠含量(SSC)。例如，回归模型可以包括以下公式：
SSC＝a*ρSR+b*age+c 公式2
在上面的公式2中，ρSR是计算得出的皮肤电阻率，而“age”是受试者的年龄。此外，在上面的公式2中，a、b和c是被配置为将通过钠磁共振成像获得的皮肤钠含量与通过生物阻抗频谱分析获得的皮肤电阻率相关联的常数系数。这些常数可以从本教导的验证研究中获得，例如，该验证研究考虑到了从钠-磁共振成像获得的皮肤钠含量与生物阻抗频谱分析的相关性。
然而，应当理解，上面的公式2并不是皮肤钠含量和皮肤电阻率之间的唯一函数关系。例如，也可以或替代性地使用其它数学关系(例如，非线性、附加系数和自变量)。
如步骤424所示，方法400可以包括将皮肤钠含量与生理特征相关联，例如，以确定受试者的预测健康状况。举例来说，生理特征可以包括收缩压和左心室质量中的一个或多个。此外，举例来说，生理特征可以包括受试者的水合作用状态。作为进一步的示例，预测性健康状况可以包括CKD、高血压和糖尿病中的一种或多种。
如步骤426所示，方法400可以包括向例如计算装置发送通知(和/或其它数据)。例如，发送的数据可以包括预定频率、电压、电阻、皮肤电阻率和皮肤钠含量中的一个或多个。作为进一步的示例，方法400可以包括当皮肤钠含量在预定范围之外时发送通知。以此方式，本教导可包括在预定时间段内连续计算皮肤钠含量，并根据需要发送通知。为此，本教导可以包括用于皮肤钠含量的可穿戴监测器。
在一些实施方式中—取决于钠库的尺寸、形式和取向—使用本技术可以观察到不同的生物阻抗耗散。因此，本教导(例如，上述方法400)可以包括确定皮肤中糖胺聚糖结合的钠库的聚集、形式和取向中的一种或多种。
应进一步理解，使用本文讨论的技术，方法400还可包括测量皮肤的细胞外体积(ECV)和细胞内体积(ICV)。此外，或替代性地，本文讨论的技术可适用于检测和测量受试者或患者中的其它化学含量—即，除了或替代皮肤钠含量—例如钾等。即，可以使用本教导的调整来检测和测量其它生物电材料等。例如，可以在比用于钠的频率更高的频率下检测和测量离子成分。此外，或替代性地，可以使用本教导检测和测量细胞内化学物质，尽管发现此类细胞内化学物质的频率可能具有挑战性。
图5是示出了根据一个代表性实施例在组织的三个不同区域测量的生物阻抗的曲线图。具体地，曲线图500示出了使用猪样本对皮肤阻抗的研究，其中，可以看出，对于在特定频率下施加的电流来说，与脂肪和肌肉相比，皮肤中的皮肤电阻更高。然而，应当理解，该曲线图500仅提供了不同组织类型的阻抗之间差异的一个示例——即，因为该示例研究中的最低频率是1kHz，可能无法有效地确定皮肤的成分。但是，从皮肤测量图中可以看到6kHz和10kHz频率之间的小斜率变化。
上述系统、装置、方法、过程等可以用硬件、软件或适用于特定应用场合的这些的任何组合来实现。硬件可以包括通用计算机和/或专用计算装置。这包括以一个或多个微处理器、微控制器、嵌入式微控制器、可编程数字信号处理器或其它可编程装置或处理电路以及内部和/或外部存储器实现。这也可以或替代性地包括一个或多个专用集成电路、可编程门阵列、可编程阵列逻辑器件、或可以被配置为处理电子信号的任何其它装置。还应当理解，上述过程或装置的实现可以包括：使用诸如C之类的结构化编程语言、诸如C++之类的面向对象编程语言或任何其它可以存储、编译或解释以在上述装置中的一个上运行的高级或低级编程语言(包括汇编语言、硬件描述语言和数据库编程语言和技术)创建的计算机可执行代码；以及处理器、处理器架构的异构组合或不同硬件和软件的组合。在另一方面，这些方法可以在执行其步骤的系统中实施，并且可以以多种方式跨装置分布。同时，处理可以跨装置、如上述各种系统分布，或者所有功能可以集成到专用的、独立的装置或其它硬件中。在另一方面，用于执行与上述过程相关联的步骤的装置可以包括上述任何硬件和/或软件。所有这种排列和组合都旨在落入本公开的范围内。
本文公开的实施例可以包括计算机程序产品，该计算机程序产品包括计算机可执行代码或计算机可用代码，当在一个或多个计算装置上执行时，执行其步骤的任何和/或所有步骤。代码可以以非暂时性的方式存储在计算机存储器中，计算机存储器可以是从中执行程序的存储器(例如与处理器相关联的随机存取存储器)，或者存储装置，例如磁盘驱动器、闪存存储器或任何其它光学、电磁、磁性、红外线存储装置或其它装置或装置的组合。在另一方面，上述系统和方法中的任一个可以以承载计算机可执行代码和/或来自其的任何输入或输出的任何合适的传输或传播介质实施。
为了解释的目的，已经参考特定实施例进行了之前描述。然而，以上说明性讨论并不旨在穷举或将本公开限制为所公开的精确形式。鉴于上述教导，许多修改和变化是可能的。
除非上下文另有明确要求，否则在整个描述中，“包括”、“包含”、“含有”、“具有”等词应被解释为具有包含性，而不是排他性或穷举性；也就是说，为“包括但不限于”的含义。附加地，“此处”、“下文”、“以上”、“以下”以及类似含义的词语是指本申请的整体，而不是本申请的任何特定部分。
应当理解，上述装置、系统和方法是通过示例而非限制的方式阐述的。例如，关于上面提供的方法，在没有明确的相反指示的情况下，可以在不脱离本公开的范围的情况下修改、补充、省略和/或重新排序所公开的步骤。许多变化、添加、省略和其它修改对于本领域的普通技术人员来说将是显而易见的。此外，以上描述和附图中方法步骤的顺序或呈现并不旨在要求执行所述步骤的这种顺序，除非明确要求特定顺序或以其它方式从上下文清楚这一点。
本文描述的实施方式的方法步骤旨在与所附权利要求的专利性一致，包括使这些方法步骤被执行的任何合适的方法，但明确提供了不同的含义或以其它方式从上下文中清楚的除外。因此，例如执行X的步骤包括用于使另一方、例如远程用户、远程处理资源(例如，服务器或云计算机)或机器执行X的步骤的任何合适的方法。类似地，执行步骤X、Y和Z可以包括引导或控制此类其它个体或资源的任意组合以执行步骤X、Y和Z而获得此类步骤的好处的任何方法。因此，本文描述的实施方式的方法步骤与所附权利要求的专利性一致，旨在包括使一个或多个其它方或实体执行这些步骤的任何合适的方法，除非明确提供了不同的含义或以其它方式从上下文中清楚。此方或实体无需受任何其它方或实体的指导或控制，也无需位于特定管辖区内。
应当理解，上述方法和系统是通过示例而非限制的方式阐述的。许多变化、添加、省略和其它修改对于本领域的普通技术人员来说将是显而易见的。此外，以上描述和附图中方法步骤的顺序或呈现并不旨在要求执行所述步骤的这种顺序，除非明确要求特定顺序或以其它方式从上下文清楚这一点。因此，虽然已经示出和描述了特定实施例，但是对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下可以在形式和细节上进行各种改变和修改并且旨在形成由以下权利要求定义的本发明的一部分，这些权利要求应在法律允许的最广泛的意义上进行解释。

Claims (34)

1.一种用于使用生物阻抗频谱分析法确定皮肤钠含量的方法，所述方法包括：
向受试者的皮肤施加预定频率下的电流；
测量由电流产生的跨受试者的皮肤的电压；
使用测量的电压确定预定频率下跨受试者的皮肤的电阻；和
使用测量的电压确定皮肤钠含量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括计算预定频率下的皮肤电阻率，其中，至少部分地使用计算的皮肤电阻率确定皮肤钠含量。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，使用公式ρSR＝RF*A/L来计算皮肤电阻率(ρSR)，其中，RF是在预定频率下的电阻，A是皮肤的测量区域的横截面积，L是测量电压的电极之间的距离。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述预定频率在1赫兹(Hz)至1兆赫兹(MHz)之间的范围内。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述预定频率是1千赫兹(kHz)或更小。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，使用回归模型确定皮肤钠含量(SSC)。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述回归模型包括公式SSC＝a*ρSR+b*age+c，其中，ρSR是计算出的皮肤电阻率，a、b和c是被配置为将通过钠磁共振成像获得的皮肤钠含量与通过生物阻抗频谱分析法获得的皮肤电阻率相关联的常数系数。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将所述电流施加到受试者的真皮。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，选择所述预定频率以穿过受试者的真皮。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括：改变所述预定频率，重复所述电压的测量并且确定在改变后的频率下的电阻，以确定受试者的组织类型。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述方法还包括选择被确定的改变后的频率，以提供受试者的真皮的皮肤电阻率。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括：针对以多个不同频率施加的电流确定电导率和介电常数中的一个或多个。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述方法还包括：确定所述多个不同频率中的至少两个之间的电导率和介电常数中的一个或多个的斜率。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述方法还包括使用所述斜率确定组织类型。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述组织类型包括皮肤、脂肪和肌肉中的一种。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，为了计算皮肤钠含量忽略脂肪和肌肉的组织类型。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述组织类型包括表皮、真皮和皮下层中的一种。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，为了计算皮肤钠含量忽略除真皮之外的所有组织类型。
19.根据权利要求13-18中任一项所述的方法，其中，所述斜率被定义为所述多个不同频率中的至少两个之间的电导率差Δσ除以步频率(Δσ/1Hz)。
20.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括：将所述皮肤钠含量与生理特征相关联，以确定受试者的预测健康状况。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述生理特征包括收缩压、左心室质量和水合状态中的一种或多种。
22.根据权利要求20-21中任一项所述的方法，其中，所述预测健康状况包括慢性肾脏疾病、高血压和糖尿病中的一种或多种。
23.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括：将数据发送到计算装置，所述数据包括预定频率、电压、电阻、皮肤电阻率和皮肤钠含量中的一个或多个。
24.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括：测量皮肤的细胞外体积(ECV)和细胞内体积(ICV)。
25.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括：在预定时间段内连续计算皮肤钠含量。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述方法还包括：当皮肤钠含量超出预定范围时发送通知。
27.一种用于使用生物阻抗频谱分析法测量皮肤钠含量的设备，所述设备包括：
电流发生器，其在结构上被配置为能产生预定频率下的电流以施加到受试者的皮肤；
控制器，其能够用于调整预定频率；
传感器，其在结构上被配置为能测量由电流产生的跨受试者的皮肤的电压；和
至少一个处理器，其被配置为能使用测量的电压确定皮肤钠含量。
28.根据权利要求27所述的设备，其中，所述至少一个处理器被配置为能基于测量的电压来计算生物阻抗并能使用所计算的生物阻抗来确定皮肤钠含量。
29.根据权利要求27-28中任一项所述的设备，其中，所述电流发生器和所述传感器中的一个或多个包括多个电极。
30.根据权利要求27-29中任一项所述的设备，其中，所述控制器能够用于控制电流发生器以产生多个不同频率的电流。
31.根据权利要求30所述的设备，其中，所述至少一个处理器被配置为能针对以所述多个不同频率施加的电流确定电导率和介电常数中的一个或多个。
32.根据权利要求31所述的设备，其中，所述至少一个处理器被配置为能确定所述多个不同频率中的至少两个之间的电导率和介电常数中的一个或多个的斜率。
33.根据权利要求32所述的设备，其中，所述至少一个处理器被配置为能使用所述斜率确定组织类型。
34.根据权利要求27-33中任一项所述的设备，其中，所述设备还包括与所述至少一个处理器通信的计算装置。
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