RU2771118C1 - Устройство и способ для анализа импеданса тела человека, нечувствительные к высокому контактному импедансу и к паразитным эффектам - Google Patents

Abstract

Группа изобретений относится к медицине, а именно к устройству и способу определения биоимпеданса. Первый и третий контактные электроды устройства предназначены для контакта с одной частью тела пользователя, второй и четвертый контактные электроды – для контакта с другой частью тела. Устройство содержит источник переменного тока, схему измерения тока, схему измерения напряжения, переключатель, содержащий четыре порта, и блок управления. Источник переменного тока и схема измерения тока имеют общую землю. При этом управляют переключателем для его перевода поочередно в первое и второе состояния для поочередного формирования, соответственно, первого и второго путей измерения тока. В первом состоянии переключателя ток протекает по телу пользователя через один из электродов, предназначенных для контакта с одной частью тела, к одному из электродов, предназначенных для контакта с другой частью тела, а во втором состоянии переключателя ток протекает в обратном направлении. В каждом из путей измерения тока измеряют ток () в области электрода, к которому протекает ток по телу пользователя. В каждом из путей измерения тока измеряют напряжение () между одним электродом, предназначенным для контакта с одной частью тела пользователя, и землей и напряжение () между другим электродом, предназначенным для контакта с другой частью тела пользователя, и землей. Определяют биоимпеданс () пользователя на основе измеренных значений тока и напряжения. Обеспечивается повышение точности определения биоимпеданса без необходимости учета контактных импедансов, внешних компонентов и паразитных эффектов с упрощением как конструкции устройства, так и способа определения биоимпеданса за счет использования только одного двухпозиционного переключателя вместо матрицы переключателей 4x4 с проведением всего двух измерений. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 22 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области исследования физических свойств биологических тканей, и, более конкретно, к устройствам и способам биоимпедансного анализа (BIA) состава тела человека.

Уровень техники

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. Однако в силу того, что для этого требовалось специальное оборудование с относительно большими контактными электродами, которое требовало определенных затрат и похода в специализированный центр, содержащий такое оборудование, основными пользователями такой процедуры являлись спортсмены, а также люди, которым наиболее важно было контролировать состав своего тела - например, те, кто перенес травмы или страдает ожирением.

Между тем, в последние годы появились публикации, демонстрирующие, что для измерения импеданса тела человека не обязательно использовать большие контактные электроды, а вполне достаточно применять компактные электроды. Поскольку их можно встраивать в электронные устройства, это послужило толчком к внедрению 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.

Тем не менее, несмотря на то, что меньшие размеры электродов лучше подходят для форм-фактора носимой электроники, они чаще всего приводят к ухудшению точности BIA, так как уменьшается площадь контакта с телом и, соответственно, увеличивается контактный импеданс. Более того, состояние кожи на том участке тела, которым человек касается контактных электродов, имеет существенное влияние на величину контактного импеданса, то есть диапазон импедансов тоже относительно велик: от меньших величин для сильно увлажненной кожи до больших величин для сухой или больной кожи, что также негативно влияет на погрешность измерений. Кроме того, так как современные носимые устройства имеют сложную конструкцию, которая заключает в себе множество различных функций и датчиков, то нередко одни и те же электроды и кнопки используются для множества разных целей, то есть с цепью измерения импеданса могут соседствовать иные цепи, которые могут вносить в нее паразитные эффекты, что может приводить к дополнительному ухудшению точности измерений.

На Фиг. 1A приведен пример процедуры измерения импеданса тела с помощью современных смарт-часов, а на Фиг. 1B изображена примерная структура измерения импеданса (BIS), встроенная в такие часы. Часы, будучи закрепленными на запястье одной руки, имеют на своей нижней поверхности два электрода #2 и #4, контактирующие с запястьем, а другие два электрода #1 и #3 вынесены на боковые кнопки, к которым пользователь прикасается, соответственно, пальцами другой руки. Как можно заметить, в отличие от профессионального медицинского оборудования, в такой компоновке электроды имеют непосредственный контакт со структурой BIS. К этим же электродам подключены и другие элементы и интегральные схемы (IC) (например, дополнительные датчики, измерители электрокардиограммы (ECG), диоды, контроль напряжения, беспроводная зарядка и т.д.), которые становятся источниками паразитных эффектов. Соответственно, для изоляции между BIS и этими паразитными элементами необходимо также устанавливать дополнительные навесные элементы (S1…S4).

Говоря о конкретных технических решениях в области биоимпедансного анализа, в той или иной степени близких к настоящему изобретению, можно отметить, например, документ WO 2020/138667 A1 (02.07.2020), в котором раскрывается электронное устройство, содержащее схему контакта с биологическим телом, содержащую четыре электрода; модуль измерения тока-напряжения, включающий в себя порт источника питания, порт измерения тока, первый порт измерения напряжения, второй порт измерения напряжения, генератор сигналов переменного тока, электрически подключенный к порту источника питания, амперметр, электрически подключенный к порту измерению тока, и вольтметр, расположенный между первым портом измерения напряжения и вторым портом измерения напряжения и электрически подключенный к ним; процессор; память, электрически подключенную к процессору, для хранения значений характеристического импеданса элементов схемы, расположенных между и электрически подключенных к модулю измерения тока-напряжения и схеме контакта с биологическим телом, а также для хранения значений паразитного импеданса, возникающего из-за паразитных элементов, существующих между схемой контакта с биологическим телом и землей; и модуль конфигурации пути тока-напряжения, сконфигурированный для электрического подключения схемы контакта с биологическим телом к порту источника питания, порту измерения тока, первому порту измерения напряжения и второму порту измерения напряжения, так что путь напряжения и путь тока схемы контакта с биологическим телом может быть изменен под управлением процессора. Такое решение подходит для реализации в составе наручных часов. Однако, поскольку в данном документе предлагается учитывать внешние (относительно самой схемы BIS) паразитные и схемные элементы, необходимо заранее знать финальный вариант исполнения всего устройства, чтобы занести в память данные об этих элементах. Сам факт задействования памяти является также нежелательным, так как в таком компактном устройстве важно минимизировать любые затраты памяти. Кроме того, предложенная в этом документе схема весьма чувствительна к высокому контактному импедансу кожи (недостаточно корректно работает в таких ситуациях), и размер электродов нельзя уменьшить.

В US 10,285,620 B2 (14.05.2019) раскрывается способ измерения биосигнала с использованием устройства измерения биосигнала, который включает в себя: позиционирование электродов, входящих в состав устройства измерения биосигнала, для контакта с поверхностью обследуемого; переключение измерителя импеданса, входящего в состав устройства измерения биосигнала и включающего в себя вольтметр и источник тока; измерение первого значения импеданса обследуемого при работе измерителя импеданса в соответствии с первым режимом; переключение измерителя импеданса во второй режим; измерение второго значения импеданса обследуемого при работе измерителя импеданса в соответствии со вторым режимом; и получение биоимпеданса обследуемого на основе первого и второго значений импеданса и внутреннего импеданса источника тока. Как и в предыдущем решении, предложенная в этом документе схема весьма чувствительна к высокому контактному импедансу кожи, и размер электродов нельзя уменьшить. Более того, в отличие от предыдущего решения, здесь не учитываются внешние паразитные и схемные элементы, что вкупе с остальными недостатками делает невозможной реализацию этого способа в составе наручных часов.

В US 2020/064906 A1 (27.02.2020) раскрывается носимый терминал с основным корпусом терминала и лентой, соединенной с основным корпусом терминала, чтобы его можно было носить на части тела, включая запястье. Терминал включает в себя схему обнаружения, первый электрод и второй электрод, которые подключены к схеме обнаружения, и блок управления для управления носимым терминалом для выполнения предварительно сконфигурированной функции, когда часть тела пользователя соприкасается с первым электродом и вторым электродом одновременно, а схема обнаружения, первый электрод и второй электрод образуют путь прохождения сигнала через тело пользователя. Данное решение, по сути, описывает лишь абстрактный способ измерения, тогда как схематические особенности схемы обнаружения не раскрываются. Кроме того, исходя из знаний об остальном уровне техники, можно предположить, что в данном решении также потребуются знания о паразитических элементах, а схема также будет чувствительна к высокому контактному импедансу кожи.

В US 2019/246942 A1 (15.08.2019) раскрывается носимое устройство, сконфигурированное для выполнения множества функций, включая первую функцию для измерения параметра состава тела пользователя, носящего устройство, и одну или более вторых функций, требующих ввода от пользователя. Устройство содержит: первый электрод на внутренней поверхности устройства, расположенный с возможностью контакта с телом пользователя, когда пользователь носит устройство; второй электрод на внешней поверхности устройства, предназначенный для прикосновения пользователя; контроллер касания, предназначенный для обнаружения, когда пользователь прикасается ко второму электроду; устройство измерения параметра состава тела, выполненное, когда пользователь находится в контакте со вторым электродом, с возможностью измерения импеданса тела пользователя путем пропускания тока между первым и вторым электродами и определения напряжения, генерируемого между первым и вторым электродами в ответ на этот ток, и использовать измеренный импеданс тела для определения значения параметра состава тела. В данном решении импеданс пальца включен в измерение, что приводит к неточной оценке BIA. Как и в предыдущих решениях, в данном решении также потребуются знания о паразитических элементах, а схема также будет чувствительна к высокому контактному импедансу кожи.

Обобщая известные решения, можно получить эквивалентные схемы измерения биоимпеданса, изображенные на Фиг. 2A-2C. Когда часы закреплены на запястье одной (например, левой) руки пользователя, и пальцами другой (например, правой) руки пользователь прикасается к контактным электродам (например, вынесенным на боковые кнопки), как изображено на Фиг. 2A, то ток протекает между электродами #1, #3 и #2, #4, при этом тело человека на пути прохождения тока между этими электродами имеет импеданс

. Соответствующая эквивалентная модель тела человека изображена в рамках блока A на Фиг. 2B. Измерения производятся схемой BIA, которая изображена в рамках блока C. Однако, как указывалось выше, современное носимое устройство может иметь множество других соседних элементов, помимо схемы BIA - соответственно, внешние и паразитные элементы изображены в рамках блока B.

В свою очередь, блок A можно представить в виде более подробной эквивалентной схемы тела человека (см. Фиг. 2C), где между каждым из электродов #1..#4 и импедансом

имеется соответствующий контактный импеданс

..

. Все паразитные эффекты и внешние элементы можно объединить в эквивалентной схеме блока B как соединенные с каждым электродом параллельные паразитные импедансы

..

и последовательные паразитные импедансы

..

.

Контактные импедансы у человека могут достигать очень высоких значений (до 50 кОм для контактных электродов, касающихся пальцев), что приводит к большой ошибке в определении импеданса тела. Соответственно, чтобы избежать больших ошибок, требуется точное определение значений элементов блока B, однако их трудно в точности и однозначно определить, с тем чтобы создать универсальный способ измерения, учитывающий паразитные эффекты для разных устройств, так как современные компактные носимые устройства имеют сложную структуру, производятся в большом разнообразии моделей с разным набором функций, разной компонентной базой, разными топологиями печатных плат, разным расположением и размером электродов, разными типами материалов и т.д., то есть

и

изменяются от устройства к устройству. Таким образом, даже если создать одну базу данных для множества пользователей для одной модели, то ее уже невозможно будет использовать для других моделей и для других способов.

Чтобы продемонстрировать, что в известных решениях из уровня техники действительно приходится учитывать контактные импедансы, паразитные эффекты и внешние элементы, на Фиг. 3 приводится график сравнения ошибок измерения биоимпеданса для множества пользователей (более 2500), который показывает, как ухудшается точность расчета импеданса тела в одном из вышеупомянутых устройств предшествующего уровня техники в случае 1, когда блок B не учитывается (синяя линия) по сравнению со случаем 2, когда блок B учитывается (красная линия). В случае 1 все ошибки имеют почти одинаковый уровень для всех пользователей - около 15%, что является приемлемой точностью для компактного носимого устройства. В случае же 2 ошибка определения импеданса тела становится очень высокой для пользователей с высоким контактным импедансом, доходя до 250-300% для некоторых пользователей.

Таким образом, в уровне техники сформировалась потребность в создании устройства и способа BIA, в которых были бы устранены следующие недостатки существующих решений:

- необходимость учитывать внешние паразитные и схемные элементы;

- использование дополнительной памяти;

- чувствительность к высокому контактному импедансу кожи;

- невозможность уменьшения размера электродов;

- невозможность создания универсальной базы данных измерений.

Сущность изобретения

С целью устранения по меньшей мере некоторых из вышеупомянутых недостатков предшествующего уровня техники, настоящее изобретение направлено на создание устройства и способа биоимпедансного анализа (BIA) состава тела человека, нечувствительных к высокому контактному импедансу, к внешним элементам и к паразитным эффектам.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения, предложено 1. Устройство для определения биоимпеданса, содержащее: первый и третий контактные электроды, предназначенные для контакта с одной частью тела пользователя; второй и четвертый контактные электроды, предназначенные для контакта с другой частью тела пользователя; источник переменного тока; схему измерения тока, причем источник переменного тока и схема измерения тока имеют общую землю; по меньшей мере одну схему измерения напряжения, выполненную с возможностью измерения напряжения между одним из контактных электродов, предназначенных для контакта с одной частью тела пользователя, и упомянутой общей землей, и между одним из контактных электродов, предназначенных для контакта с другой частью тела пользователя, и упомянутой общей землей; первый переключатель, содержащий четыре порта, причем первый порт соединен с источником переменного тока, второй порт соединен со схемой измерения тока, причем первый переключатель имеет по меньшей мере два состояния и сконфигурирован для формирования в своем первом состоянии и втором состоянии, соответственно, первого и второго путей измерения тока, так чтобы ток протекал по телу пользователя от одной части тела к другой части тела; и блок управления, соединенный с первым переключателем, со схемой измерения тока и с упомянутой по меньшей мере одной схемой измерения напряжения и сконфигурированный для управления состояниями первого переключателя, приема значений тока и напряжения, измеренных схемой измерения тока и упомянутой по меньшей мере одной схемой измерения напряжения для каждого пути измерения тока, и определения биоимпеданса пользователя на основе принятых значений тока и напряжения.

В одном из вариантов осуществления первого аспекта первый переключатель имеет первое состояние, в котором первый и второй порты соединяются, соответственно, с третьим и четвертым портами, и второе состояние, в котором первый и второй порты соединяются, соответственно, с четвертым и третьим портами.

В одном из вариантов осуществления первого аспекта третий порт первого переключателя электрически соединен с первым контактным электродом, четвертый порт первого переключателя электрически соединен со вторым контактным электродом.

В одном из вариантов осуществления первого аспекта схема измерения напряжения представляет собой амперметр с последовательно подключенным к нему импедансом или вольтметр.

В одном из вариантов осуществления первого аспекта схема измерения тока представляет собой вольтметр с параллельно подключенным к нему импедансом или амперметр.

В одном из вариантов осуществления первого аспекта число схем измерения напряжения равно двум; при этом первая схема измерения напряжения электрически соединена с третьим контактным электродом и упомянутой общей землей; и вторая схема измерения напряжения электрически соединена с четвертым контактным электродом и упомянутой общей землей.

В одном из вариантов осуществления первого аспекта число схем измерения напряжения равно одному; при этом устройство дополнительно содержит четвертый переключатель, выполненный с возможностью поочередного соединения каждого из третьего и четвертого контактных электродов со схемой измерения напряжения для каждого из путей измерения тока.

В одном из вариантов осуществления первого аспекта устройство дополнительно содержит второй и третий переключатели, каждый из которых содержит четыре порта и соединен с блоком управления, при этом третий порт первого переключателя соединен с третьим портом второго переключателя, четвертый порт первого переключателя соединен с четвертым портом третьего переключателя, первый и второй порты второго переключателя электрически соединены, соответственно, с первым и третьим контактными электродами, первый и второй порты третьего переключателя электрически соединены, соответственно, с четвертым и вторым контактными электродами, четвертый порт второго переключателя и третий порт третьего переключателя предназначены для соединения с упомянутой по меньшей мере одной схемой измерения напряжения, при этом первый, второй и третий переключатели имеют по меньшей мере по два состояния и сконфигурированы для совместного формирования по меньшей мере четырех разных путей измерения тока, так чтобы ток протекал по телу пользователя от одной части тела к другой части тела.

В одном из вариантов осуществления первого аспекта число схем измерения напряжения равно двум; при этом первая схема измерения напряжения соединена с четвертым портом второго переключателя и упомянутой общей землей; и вторая схема измерения напряжения соединена с третьим портом третьего переключателя и упомянутой общей землей.

В одном из вариантов осуществления первого аспекта число схем измерения напряжения равно одному; при этом устройство дополнительно содержит четвертый переключатель, выполненный с возможностью поочередного соединения каждого из четвертого порта второго переключателя и третьего порта третьего переключателя со схемой измерения напряжения для каждого из путей измерения тока.

В одном из вариантов осуществления первого аспекта устройство дополнительно содержит по меньшей мере один дополнительный элемент и/или схему, который(ая) вызывает последовательный и/или параллельный паразитный импеданс в цепи между соответствующим контактным электродом и соответствующим портом переключателя и/или в цепи между соответствующим контактным электродом и соответствующим выводом схемы измерения напряжения.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения, предложен способ определения биоимпеданса, выполняемый в устройстве для определения биоимпеданса, содержащем по меньшей мере два контактных электрода, предназначенных для контакта с одной частью тела пользователя, по меньшей мере два контактных электрода, предназначенных для контакта с другой частью тела пользователя, и переключатель, имеющий по меньшей мере два состояния и содержащий четыре порта, один из которых соединен с источником переменного тока и один другой из которых соединен со схемой измерения тока, причем способ содержит этапы, на которых: управляют переключателем для его перевода в первое состояние или второе состояние для формирования, соответственно, первого или второго путей измерения тока, при которых ток протекает по телу пользователя через один из контактных электродов, предназначенных для контакта с одной частью тела пользователя, к одному из контактных электродов, предназначенных для контакта с другой частью тела пользователя, или в обратном направлении; в каждом из путей измерения тока измеряют ток (

) в области упомянутого одного контактного электрода, к которому протекает ток по телу пользователя; в каждом из путей измерения тока измеряют напряжение (

) в области другого одного из контактных электродов, предназначенных для контакта с одной частью тела пользователя, и напряжение (

) в области другого одного из контактных электродов, предназначенных для контакта с другой частью тела пользователя; и определяют биоимпеданс (

) пользователя на основе измеренных значений тока и напряжения.

В одном из вариантов осуществления второго аспекта биоимпеданс пользователя определяют согласно следующей формуле:

.

В одном из вариантов осуществления второго аспекта способ дополнительно содержит этап, на котором определяют скорректированный биоимпеданс (

) пользователя на основе определенного биоимпеданса (

) пользователя с использованием предварительно обученной нейронной сети.

В одном из вариантов осуществления второго аспекта способ дополнительно содержит этап, на котором предварительно обучают нейронную сеть методом линейной регрессии с применением модели, направленной на минимизацию ошибки между эталонными значениями биоимпеданса (

), измеренными для каждого пользователя из обучающей выборки на эталонном оборудовании, и значениями биоимпеданса (

), определенными для каждого пользователя из обучающей выборки с помощью этапов способа по п. 12 без коррекции.

В одном из вариантов осуществления второго аспекта обучающая модель дополнительно учитывает по меньшей мере один из следующих параметров для каждого пользователя из обучающей выборки: вес, рост, возраст, пол, раса, обхват талии, обхват бедер, окружность запястий.

В одном из вариантов осуществления второго аспекта устройство для определения биоимпеданса дополнительно содержит второй и третий переключатели, которые имеют по меньшей мере по два состояния, причем способ дополнительно содержит этапы, на которых: управляют состояниями первого, второго и третьего переключателей для формирования четырех различных путей измерения тока, при которых ток протекает по телу пользователя через один из контактных электродов, предназначенных для контакта с одной частью тела пользователя, к одному из контактных электродов, предназначенных для контакта с другой частью тела пользователя; в каждом из путей измерения тока измеряют ток (

) в области упомянутого одного контактного электрода, к которому протекает ток по телу пользователя; в каждом из путей измерения тока измеряют напряжение (

) между другим одним из контактных электродов, предназначенных для контакта с одной частью тела пользователя, и землей, и напряжение (

) между другим одним из контактных электродов, предназначенных для контакта с другой частью тела пользователя, и землей; и определяют биоимпеданс (

) пользователя на основе измеренных значений тока и напряжения согласно следующей формуле:

.

Технический результат

Настоящее изобретение обеспечивает устройства и способы BIA, которые обеспечивают повышение точности определения биоимпеданса до значений, сопоставимых с профессиональными устройствами, без необходимости учета контактных импедансов, внешних компонентов и паразитных эффектов.

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

На Фиг. 1A приведен пример процедуры измерения импеданса тела с помощью современных смарт-часов с точки зрения пользователя.

На Фиг. 1B изображена примерная структура измерения импеданса (BIS), встроенная в часы с Фиг. 1A.

На Фиг. 2A-2C показаны обобщенные эквивалентные схемы измерения биоимпеданса для уровня техники.

На Фиг. 3 показан график сравнения ошибок измерения биоимпеданса для множества пользователей для устройства из уровня техники.

На Фиг. 4 показана эквивалентная схема устройства для определения импеданса тела человека согласно настоящему изобретению.

На Фиг. 5A показано состояние устройства, в котором переключатель формирует 1-й путь измерения тока.

На Фиг. 5B показана эквивалентная схема 1-го пути измерения тока.

На Фиг. 6A показано состояние устройства, в котором переключатель формирует 2-й путь измерения тока.

На Фиг. 6B показана эквивалентная схема 2-го пути измерения тока.

На Фиг. 7A-7C приводятся результаты моделирования значений вносимой ошибки в зависимости от различных значений паразитных компонентов и контактных импедансов для разных частот.

На Фиг. 8 приводится график зависимости максимальной ошибки от частоты.

На Фиг. 9 приводится схематическое представление графика линейной регрессии для примера с тестовой выборкой.

На Фиг. 10 показан график ошибки между скорректированным значением по Фиг. 9 и эталонным значением для каждого пользователя из тестовой выборки.

На Фиг. 11 приводится схематическое представление графика линейной регрессии для другого примера с тестовой выборкой.

На Фиг. 12 показан график ошибки между скорректированным значением по Фиг. 11 и эталонным значением для каждого пользователя из тестовой выборки.

На Фиг. 13 приведен сводный график сравнения результатов определения биоимпеданса согласно настоящему изобретению с эталонными результатами измерения.

На Фиг. 14 приводится график сравнения ошибок определения биоимпеданса для множества пользователей для настоящего изобретения.

На Фиг. 15 показан дополнительный вариант осуществления устройства для измерения биоимпеданса.

На Фиг. 16A-16D показаны пути измерения тока для вариант осуществления по Фиг. 15.

На Фиг. 17 показан еще один дополнительный вариант осуществления устройства для измерения биоимпеданса.

На Фиг. 18A-18D показаны пути измерения тока для вариант осуществления по Фиг. 17.

На Фиг. 19-22 показаны другие дополнительные варианты осуществления устройства для измерения биоимпеданса.

Следует отметить, что в целях упрощения понимания настоящего изобретения и его вариантов осуществления на некоторых чертежах не все элементы имеют цифровое и/или буквенное обозначение. При этом подразумевается, что одинаковые элементы на чертежах аналогичны таким же элементам.

Подробное описание

На Фиг. 4 показана эквивалентная схема устройства 100 для определения импеданса тела человека согласно настоящему изобретению. Устройство 100 содержит контактные электроды 101..104, два из которых предназначены для контакта с одной частью тела пользователя (например, электроды 102 и 104 - для контакта с запястьем одной руки), а другие два предназначены для контакта с другой частью тела пользователя (например, электроды 101 и 103 - для контакта с кончиками двух пальцев другой руки).

Устройство 100 дополнительно содержит переключатель 111, который сконфигурирован для формирования 1-го и 2-го путей измерения тока, так чтобы ток протекал по телу человека от одной части тела к другой части тела (от источника переменного тока через один контактный электрод ко всем другим контактным электродам). Для этого переключатель 111 содержит 4 порта 111-1..111-4, к одному из портов (например, к порту 111-1) подключен источник 120 переменного тока (AC), к другому порту (например, к порту 111-2) подключен амперметр (A) 131, а остальные 2 порта (например, порты 111-3 и 111-4) подключены, соответственно, к одному из контактных электродов, предназначенных для контакта с одной частью тела пользователя (например, порт 111-3 подключен к электроду 101), и к одному из контактных электродов, предназначенных для контакта с другой частью тела пользователя (например, порт 111-4 подключен к электроду 102). Таким образом, биоимпеданс (

) 160 (импеданс тела человека) включен между контактными электродами 101 и 102. Оставшиеся 2 контактных электрода подключены к вольтметрам (V) 141, 142 - например, электрод 103 подключен к первому вольтметру (V₁) 141, а электрод 104 подключен ко второму вольтметру (V₂) 142. Между каждым из электродов 101..104 и биоимпедансом (

) 160 имеется соответствующий контактный импеданс (

..

) 161..164. Следует отметить, что источник 120 переменного тока, амперметр 131 и вольтметры 141, 142 также являются частью устройства 100. Источник 120 переменного тока и амперметр 131 имеют общую землю. Вольтметр 141 измеряет напряжение между электродом 103 и общей землей. Вольтметр 142 измеряет напряжение между электродом 104 и общей землей.

Устройство 100 дополнительно содержит процессор 150, который сконфигурирован для управления переключателем 111 для поочередного формирования 1-го и 2-го путей измерения тока. Также процессор 150 собирает значения тока, измеренные амперметром 131, и значения напряжения, измеренные вольтметрами 141, 142.

Устройство 100 может опционально являться частью другого, более сложного электронного пользовательского устройства, которое может содержать также другие схемы и/или элементы, которые являются внешними по отношению к устройству 100 и которые могут вызывать в нем паразитные эффекты. Все паразитные эффекты и внешние элементы объединены для удобства в эквивалентной схеме как соединенные с каждым контактным электродом параллельные паразитные импедансы (

..

) 171..174 и последовательные паразитные импедансы (

..

) 181..184.

Далее на Фиг. 5A показано состояние устройства 100, в котором переключатель 111 формирует 1-й путь измерения тока. При этом процессор 150 отправляет соответствующую команду на переключатель 111 (например, сигнал ON (ВКЛ)), и порт 111-1 подключается к порту 111-3, а порт 111-2 подключается к порту 111-4, так что электрод 101 становится электрически соединен с источником 120 переменного тока, а электрод 102 становится электрически соединен с амперметром 131. Эквивалентная схема 1-го пути измерения тока изображена на Фиг. 5B. Процессор 150 записывает значение тока (

) с амперметра 131 и значения напряжения (

и

) с вольтметров 141, 142.

На Фиг. 6A показано состояние устройства 100, в котором переключатель 111 формирует 2-й путь измерения тока. При этом процессор 150 отправляет соответствующую другую команду на переключатель 111 (например, сигнал OFF (ВЫКЛ)), и порт 111-1 подключается к порту 111-4, а порт 111-2 подключается к порту 111-3, так что электрод 101 становится электрически соединен с амперметром 131, а электрод 102 становится электрически соединен с источником 120 переменного тока. Эквивалентная схема 2-го пути измерения тока изображена на Фиг. 6B. Как можно видеть, по сравнению с Фиг. 5B переключатель по существу лишь меняет места подключения источника переменного тока и амперметра. Процессор 150 записывает значение тока (

) с амперметра 131 и значения напряжения (

и

) с вольтметров 141, 142.

Затем, используя измеренные значения тока и напряжения, процессор вычисляет биоимпеданс (

) 160. В частности, 1-е значение тока (

), 1-е значение напряжения (

) и 2-е значение напряжения (

), измеренные для 1-го пути измерения тока, и 2-е значение тока (

), 3-е значение напряжения (

) и 4-е значение напряжения (

), измеренные для 2-го пути измерения тока, используются для вычисления биоимпеданса (

) согласно следующей формуле:

(1)

Далее будет более подробно пояснена методика расчета.

Обратимся вновь к Фиг. 5B. В идеальном случае, если бы паразитных и внешних компонентов в схеме не было, и между биоимпедансом и контактным электродом не возникал контактный импеданс, то на всей эквивалентной схеме оставался бы лишь биоимпеданс

, измерение напряжений

и

производилось бы непосредственно на его концах, а измеряемый в цепи ток

протекал бы только через него, и тогда вычисление биоимпеданса при измерении по первому пути измерения тока (

) сводилось бы к простой формуле:

(2)

Однако, в реальном случае между точками измерения

и

и, соответственно,

и

имеется ряд паразитных и контактных импедансов. Напряжение в точке контакта

,

и

равно напряжению

, так как ток через

не течет. Поэтому

можно опустить. Следовательно,

(3)

Аналогичные рассуждения справедливы в отношении

,

,

и

.

Принимая также во внимание, что параллельный паразитный импеданс имеет емкостной характер (это связано с тем, что обычно навесной компонент характеризуется именно входной емкостью, тогда как его параллельное сопротивление достаточное велико, так что его можно не учитывать), его можно представить в виде

(4),

где n - это индекс соответствующего паразитного импеданса на схеме.

Выполнив подстановку реальных измеряемых напряжений в вышеуказанную формулу (2) вычисления биоимпеданса

, получим:

(5)

Далее, выполнив в знаменателе подстановку реального измеряемого тока, а в числителе раскрыв скобки, получим:

(6)

где

- это ток, который утекает через паразитный импеданс.

Оставив в знаменателе только ток

, получим:

(7)

Произведя аналогичные вычисления для 2-го пути измерения тока с обращением к Фиг. 6B, получим:

(8)

(9)

(10)

(11)

На основе измерений, произведенных в 1-м и 2-м путях измерения тока, биоимпеданс

можно представить в виде взвешенного среднеарифметического от

и

:

(12),

где

- это весовые коэффициенты взвешенного среднеарифметического:

(13),

где n - это номер измерения.

Таким образом,

(14)

Раскрывая в формуле (14) полученные выше величины

из формулы (5) и

из формулы (11), получим формулу (15), которая является общей для вычисления биоимпеданса

, с использованием всех компонентов, в том числе паразитных и внешних.

(15)

Если принять допущения, что в формуле (15):

- часть, связанная с непосредственно измеряемыми значениями токов и напряжений, характеризует оценочное значение биоимпеданса

, которое для целей настоящего изобретения можно принять за искомое значение вместо получения истинного значения биоимпеданса

, и

- остальная часть, в которой требуется учитывать паразитные и внешние компоненты, характеризует вносимую ими ошибку

,

то получим следующее выражение:

(16),

где

(17)

Ошибка, вносимая в

в формуле (16) значением

, может быть оценена как

(18)

Чтобы получать точное значение биоимпеданса, значение

должно быть достаточно маленьким относительно

(приемлемая максимальная ошибка для компактных электронных устройств составляет ~ 10-20% для величин контактных импедансов до 50 кОм). Оценим

с помощью моделирования на основе имеющихся у авторов данных, полученных в результате измерений, проведенных на профессиональном оборудовании для множества пользователей, а также полученных в результате калибровки множества компактных устройств, имеющих функцию BIA.

Допустим, к запястью подсоединены два электрода (102, 104). Исходя из имеющихся у авторов данных, контактный импеданс в области запястья имеет следующие типовые значения:

- Минимальные значения mag(

) и mag(

) составляют 0,2 кОм.

- Максимальные значения mag(

) и mag(

) составляют 20 кОм.

- Минимальные значения arg(

) и arg(

) составляют -70 градусов.

- Максимальные значения arg(

) и arg(

) составляют -40 градусов.

Здесь mag - это абсолютная величина (магнитуда), arg - фаза.

Также допустим, что другие два электрода (101, 103) подсоединены к пальцам. Исходя из имеющихся у авторов данных, контактный импеданс на пальцах принимает следующие типовые значения:

- Минимальные значения mag(

) и mag(

) составляют 0,5 кОм.

- Максимальные значения mag(

) и mag(

) составляют 50 кОм.

- Минимальные значения arg(

) и arg(

) составляют -70 градусов.

- Максимальные значения arg(

) и arg(

) составляют -40 градусов.

Исходя из имеющихся у авторов данных, можно допустить, что типовые значения параллельных паразитных импедансов (

..

) варьируются от 0 пФ до 150 пФ.

Также можно допустить, что минимальные значения последовательных паразитных импедансов (

..

) равны 1 кОм.

На Фиг. 7A-7C приводятся результаты моделирования значений вносимой ошибки (

) в зависимости от различных значений паразитных компонентов и контактных импедансов для разных частот. Значения импедансов нормированы, с тем чтобы их соответствующие диапазоны размещались на одном графике. Как показано на Фиг. 7A для частоты 5 кГц, как бы ни изменялись паразитные компоненты и контактные импедансы в пределах вышеуказанных типовых значений, максимальная вносимая ошибка составляет ~ 14%. На Фиг. 7B показано, что для частоты 50 кГц максимальная вносимая ошибка составляет ~ 14% для вышеуказанных типовых диапазонов. На Фиг. 7C показано, что для частоты 250 кГц максимальная вносимая ошибка составляет ~ 24%.

На Фиг. 8 приводится график зависимости максимальной ошибки, вносимой

, от частоты. На типовой для компактных носимых устройств частоте измерений 50 кГц максимальная вносимая ошибка составляет ~ 14%. Далее с ростом частоты максимальное значение ошибки увеличивается.

Соответственно, в вышеприведенной формуле (16) вносимая ошибка является приемлемой для оценки импеданса тела.

Далее более подробно описывается, как предлагается производить коррекцию оценочного значения биоимпеданса

для получения скорректированного значения биоимпеданса

. Произведя измерения биоимпеданса для множества пользователей (контрольной выборки) высокоточными профессиональными медицинскими устройствами, можно получить базу данных с эталонными значениями

для каждого пользователя. Произведя измерения биоимпеданса для этого же множества пользователей с помощью устройства, описанного в настоящем изобретении, можно получить базу данных с оценочными значениями

для каждого пользователя. Имея такие две базы данных, можно произвести линейную регрессию результатов, с тем чтобы минимизировать ошибку оценки. Возможны разные варианты осуществления такого подхода.

В одном варианте осуществления, коррекция может производиться с помощью следующей формулы:

(19),

где

,

,

- это весовые коэффициенты.

Если раскрыть в этой формуле значение

, то можно представить ее в следующем виде:

(20)

Весовые коэффициенты

,

,

могут быть получены с помощью линейной регрессии методом машинного обучения (ML), например, с применением модели, направленной на минимизацию среднеквадратической ошибки. В частности, в ML происходит подбор наиболее подходящих значений коэффициентов

,

,

на основе минимизации среднеквадратичной ошибки между реальным значением зависимой переменной, взятой из базы данных, на которой проводится обучение, и прогнозом, выданным моделью.

Полученную формулу коррекции можно использовать в самом устройстве для любых пользователей.

Исключительно в качестве примера, но не ограничения, далее приводится конкретный вариант формулы коррекции для данного варианта осуществления, полученной для тестовой выборки приблизительно из 3000 пользователей, биоимпедансы которых были измерены предложенным выше образом, то есть и на профессиональном оборудовании, и с помощью устройства, описанного в настоящем изобретении.

(21)

Соответствующее схематическое представление графика линейной регрессии для данного примера с тестовой выборкой показано на Фиг. 9, где по оси Y отложены эталонные значения биоимпеданса, а по оси X - оценочные значения. На Фиг. 10 показан график получаемой в таком случае ошибки между скорректированным значением

и эталонным значением

для каждого пользователя из тестовой выборки. Корреляция полученных таким образом результатов коррекции с эталонными значениями является высокой - в частности, коэффициент детерминации в этом примере составляет 0.943. Ошибка для 99% пользователей при этом не превышает 11,2% и даже в самых худших единичных случаях не превышает 18%. Соответственно, за счет коррекции можно получить более точный результат путем линейной регрессии к базе данных импедансов, собранной эталонным медицинским устройством. Следует понимать, что чем больше и репрезентативнее выборка, тем выше точность регрессионной модели и производимой коррекции.

В другом варианте осуществления коррекция может производиться с помощью следующей формулы:

(22)

Аналогично предыдущему варианту осуществления, весовые коэффициенты

,

,

могут быть получены с помощью линейной регрессии методом ML, и затем полученную формулу коррекции можно использовать в самом устройстве, распространяя ее на любых пользователей.

Еще в одном варианте осуществления, помимо непосредственных эталонных значений

и оценочными значениями

, в базу данных для каждого пользователя можно внести дополнительные данные о нем, которые так или иначе влияют на биоимпеданс - например, данные о весе (weight), росте (height), возрасте (age) и поле (gender) каждого пользователя. Имея такие данные, можно произвести линейную регрессию результатов, с тем чтобы минимизировать ошибку оценки.

В общем случае для такого варианта осуществления коррекция с помощью линейной регрессии может быть представлена в следующем виде:

(23),

где

,

,

,

,

,

,

- это весовые коэффициенты,

W - вес пользователя,

H - рост пользователя,

A - возраст пользователя,

G - пол пользователя.

В иллюстративном варианте осуществления значения W, H и A могут измеряться в стандартных единицах, а G может иметь значения 0 или 1. Весовые коэффициенты

,

,

,

,

,

,

могут быть получены с помощью линейной регрессии методом машинного обучения (ML), например, с применением модели, направленной на минимизацию среднеквадратической ошибки. Затем полученную формулу коррекции можно использовать в самом устройстве для любых пользователей.

В качестве неограничивающего примера далее приводится конкретный вариант формулы коррекции для данного варианта осуществления, полученной для тестовой выборки приблизительно из 3000 пользователей, для которых были измерены биоимпедансы на профессиональном оборудовании и с помощью устройства, описанного в настоящем изобретении, а также указаны вес, рост, возраст, пол:

(24),

где G принимает значение 0, если пользователь - женщина, или 1, если пользователь - мужчина.

Соответствующее схематическое представление графика линейной регрессии для данного примера с тестовой выборкой показано на Фиг. 11, где по оси Y отложены эталонные значения биоимпеданса, а по оси X - оценочные значения. На Фиг. 12 показан график получаемой в таком случае ошибки между скорректированным значением

и эталонным значением

для каждого пользователя из тестовой выборки с учетом профиля пользователя (вес, рост, возраст, пол). Корреляция полученных таким образом результатов коррекции с эталонными значениями является еще более высокой, чем в предыдущем варианте осуществления - в частности, коэффициент детерминации в этом примере составляет 0.965. Ошибка для 99% пользователей при этом не превышает 8,9% и даже в самых худших единичных случаях не превышает 16,5%. Соответственно, за счет коррекции с учетом профиля пользователя можно получить еще более точный результат путем линейной регрессии к базе данных импедансов, собранной эталонным медицинским устройством. Следует понимать, что чем больше и репрезентативнее выборка, тем выше точность регрессионной модели и производимой коррекции. Также следует понимать, что не все из указанных параметров профиля пользователя могут использоваться в конкретной реализации изобретения. При необходимости в дополнение или вместо каких-либо из вышеуказанных параметров могут использоваться и другие параметры, такие как раса, обхват талии, обхват бедер, окружность запястий и др.

В другом варианте осуществления коррекция может производиться с помощью следующей формулы:

(25)

Аналогично предыдущему варианту осуществления, весовые коэффициенты

,

,

,

,

,

,

могут быть получены с помощью линейной регрессии методом ML, и затем полученную формулу коррекции можно использовать в самом устройстве, распространяя ее на любых пользователей.

На Фиг. 13 приведен сводный график сравнения результатов определения биоимпеданса согласно настоящему изобретению с эталонными результатами измерения биоимпеданса на профессиональном оборудовании для множества пользователей. По оси Y отложены оценочные значения

(красные точки) и скорректированные значения

(синие точки), а по оси X отложены эталонные значения биоимпеданса. Максимальная погрешность при определении биоимпеданса согласно настоящему изобретению не превышает 15% по сравнению с эталонным медицинским оборудованием.

На Фиг. 14 приводится график сравнения ошибок определения биоимпеданса для множества пользователей, который показывает, как меняется точность расчета импеданса тела в настоящем изобретении в случае, когда блок B (паразитные и внешние компоненты) не учитывается (синяя линия) по сравнению со случаем, когда блок B учитывается (красная линия). В обоих случаях все ошибки имеют чрезвычайно высокую корреляцию и одинаковый средний уровень для всех пользователей - около 15%, что является приемлемой точностью для компактного носимого устройства. Даже у пользователей с высоким контактным импедансом кожи ошибка определения импеданса тела не превышает 25-33%.

Таким образом, настоящее изобретение позволяет достичь такой же или даже лучшей точности по сравнению с эталонными значениями биоимпеданса (измеренными профессиональным оборудованием), что и многие другие компактные носимые устройства, но в отличие от них не требует вычисления или знания контактных импедансов, а также паразитных и внешних элементов.

Более того, следует иметь в виду, что все вышеприведенное подробное описание относилось к конструкции устройства для определения импеданса тела человека, показанной выше на Фиг. 4. Следовательно, для получения приемлемой точности определения биоимпеданса настоящее изобретение слабо зависит от частоты генератора сигналов и не требует наличия сложного переключателя, такого как матрица 4х4 для проведения 8 различных измерений, а необходимым и достаточным образом включает в себя лишь один переключатель, выполненный с возможностью проведения 2 различных измерений.

Приведенное выше описание относилось к предпочтительному варианту конструкции устройства для измерения биоимпеданса согласно настоящему изобретению. Далее будут описаны дополнительные варианты осуществления.

На Фиг. 15 показан вариант осуществления устройства 200 для измерения биоимпеданса, в котором, в отличие от устройства 100, показанного на Фиг. 4, применяются 2 дополнительных переключателя (212, 213). Такая структура позволяет настроить 4 пути измерения тока (показаны, соответственно, на Фиг. 16A-16D). В результате благодаря четырем измерениям можно получить более точный результат определения биоимпеданса с помощью следующей формулы:

(26)

На Фиг. 17 показан вариант осуществления устройства 300 для измерения биоимпеданса, в котором, в отличие от устройства 100, показанного на Фиг. 4, применяется 1 дополнительный переключатель (314), также подключенный к процессору и управляемый им. Такая структура позволяет использовать один вольтметр (341) вместо двух. Для этого каждый из контактных электродов 303 и 304 в каждом из 1 и 2 пути измерения тока необходимо соединять с одним вольтметром с помощью переключателя 314. Соответствующие пути измерения тока 1а (для измерения

и

), 1b (для измерения

и

), 2а (для измерения

и

) и 2b (для измерения

и

) показаны на Фиг. 18A-18D.

На Фиг. 19 показан вариант осуществления устройства 400 для измерения биоимпеданса, который является комбинацией предыдущих двух вариантов, в которой, в отличие от устройства 100, показанного на Фиг. 4, применяется 3 дополнительных переключателя (412, 413, 414). Для каждого из 4 путей измерения тока, подобных показанным на Фиг. 16A-16D, необходимо измерять напряжение одним вольтметром в двух положениях переключателя 414, подобно тому, как это было показано на Фиг. 18A-18D. У такой структуры выше точность, чем у устройства 300.

На Фиг. 20 показан вариант осуществления устройства 500 для измерения биоимпеданса, в котором, в отличие от устройства 100, показанного на Фиг. 4, вместо амперметра применяется любая другая схема измерения тока, например, дополнительный вольтметр 543 (V₃) измеряет падение напряжения (

) на низком импедансе

. Ток в этом случае равен

.

На Фиг. 21 показан вариант осуществления устройства 600 для измерения биоимпеданса, в котором, в отличие от устройства 100, показанного на Фиг. 4, вместо первого, второго или обоих вольтметров используется любая другая схема измерения напряжения, например, вместо второго вольтметра (V₂) дополнительный амперметр (A2) 632, который измеряет ток (

) в соответствующей ветви с дополнительным импедансом

. Напряжение в точке перед импедансом

в этом случае составит

.

Выше приводились варианты схем, в которых периферийные компоненты для каждого контактного электрода представлены обобщенно в виде эквивалентной схемы, в которой имеется один параллельный паразитный импеданс и один последовательный паразитный импеданс. Следует понимать, что на самом деле периферийные компоненты могут представлять любую другую конфигурацию последовательно и параллельно соединенных элементов.

На Фиг. 22 показан вариант осуществления устройства 700 для измерения биоимпеданса, в котором, в отличие от устройства 100, показанного на Фиг. 4, периферийные компоненты отсутствуют или пренебрежимо малы (то есть

0 и 1/

0). Такой вариант, например, возможен, когда устройство специально предназначено для данной функции и не имеет других функций, или когда периферийные компоненты хорошо изолированы от схемы измерения биоимпеданса.

Выше в данном документе описывался сценарий использования, в котором одни контактные электроды касаются запястья одной руки, а к другим контактным электродам пользователь прикасается пальцами другой руки. Принимая во внимание универсальность предложенного устройства и способа, следует понимать, что в других вариантах осуществления может применяться другой сценарий использования: например, к одной паре контактных электродов пользователь прикасается пальцами одной руки, а к другой паре - пальцами другой руки. В других вариантах возможно применение контактных электродов, предназначенных для контакта со стопой или иными частями тела. Зная диапазон типовых контактных импедансов для соответствующей части тела, с которой должен соприкасаться контактный электрод, можно надлежащим образом подобрать корректировочные/весовые коэффициенты для получения высокоточного значения биоимпеданса.

В одном из вариантов осуществления, устройство для определения биоимпеданса может представлять собой, например, смарт-часы, и включать в себя процессор (блок управления), который сконфигурирован для вызова и выполнения компьютерных программ из памяти для выполнения этапов способа или функций блоков устройства в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Согласно вариантам осуществления, устройство может дополнительно включать в себя память. Процессор может вызывать и выполнять компьютерные программы из памяти для выполнения способа определения биоимпеданса. 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 устройстве 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 устройства для определения биоимпеданса. Специалист в данной области техники, используя данные принципы, сможет получить и другие варианты осуществления изобретения, не прикладывая творческих усилий.

Преимущества изобретения

Резюмируя вышесказанное, можно отметить, что настоящее изобретение обладает следующими преимуществами.

- повышение точности определения импеданса тела человека;

- упрощение как конструкции, так и способа определения биоимпеданса;

- использование только одного 2-позиционного переключателя вместо матрицы переключателей 4×4;

- необходимость проведения всего 2 измерений;

- отсутствие необходимости в знании предварительных данных об устройстве (периферийные компоненты, паразитные импедансы и др.);

- уменьшение требуемого объема памяти;

- уменьшение энергопотребления;

- ускорение обработки измерений;

- отсутствие необходимости дополнительной калибровки для каждой новой модели устройств;

- отсутствие необходимости оптимизации алгоритма для каждой новой модели устройств;

- отсутствие необходимости сбора новых баз данных для каждой новой модели устройств;

- уменьшение вероятности связанных с человеческим фактором ошибок калибровки и прошивки;

- отсутствие необходимости вычислять значения контактных импедансов человека;

- повышение точности и обеспечение возможности корректного использования BIA для пользователей с проблемной или больной кожей;

- повышение точности и обеспечение возможности корректного измерения при любых состояниях кожи любого отдельно взятого пользователя (нормальная, влажная, сухая, поврежденная);

- повышение точности и обеспечение возможности корректного измерения при любой силе соприкосновения кожи с контактным электродом;

- повышение точности и обеспечение возможности корректного измерения при любом состоянии окружающей среды (высокая или низкая влажность, температура);

- улучшенный пользовательский опыт;

- обеспечение возможности уменьшения размеров контактных электродов и повышения компактности устройства;

- слабая зависимость от частоты генератора сигналов и обеспечение возможности использования многочастотного BIA;

- сокращение затрат и времени на производство устройств;

- уменьшение требований к компонентной базе;

- обеспечение возможности использования различного дизайна и материалов устройства.

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.

Применение

Устройства и способы определения биоимпеданса согласно настоящему изобретению можно использовать в электронных устройствах, в которых требуется определять состав тела (процент безжировой массы, жировой массы, воды, мышечной массы, костной ткани, индекс массы тела, скорость обмена веществ, биологический возраст, предрасположенность к тем или иным заболеваниям и т.д.). Настоящее изобретение пригодно для любого форм-фактора, в том числе: для компактных носимых устройств, таких как электронные браслеты, смарт-часы, для мобильных устройств, таких как смартфоны, планшеты, для бытовой техники, такой как холодильники, весы, для медицинского оборудования и т.д.

Следует понимать, что хотя в настоящем документе для описания различных элементов, компонентов, областей, слоев и/или секций, могут использоваться такие термины, как "первый", "второй", "третий" и т.п., эти элементы, компоненты, области, слои и/или секции не должны ограничиваться этими терминами. Эти термины используются только для того, чтобы отличить один элемент, компонент, область, слой или секцию от другого элемента, компонента, области, слоя или секции. Так, первый элемент, компонент, область, слой или секция может быть назван вторым элементом, компонентом, областью, слоем или секцией без выхода за рамки объема настоящего изобретения. В настоящем описании термин "и/или" включает любые и все комбинации из одной или более из соответствующих перечисленных позиций. Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.

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 предложенного устройства 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 предложенного устройства является известным для специалистов в данной области техники и не описывается отдельно в данном документе, если не указано иное. Элементы устройства 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 на сопроводительных чертежах, 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.

Claims (46)

1. Устройство для определения биоимпеданса, содержащее:

первый и третий контактные электроды, предназначенные для контакта с одной частью тела пользователя;

второй и четвертый контактные электроды, предназначенные для контакта с другой частью тела пользователя;

источник переменного тока;

схему измерения тока, причем источник переменного тока и схема измерения тока имеют общую землю;

по меньшей мере одну схему измерения напряжения, выполненную с возможностью измерения напряжения между одним из контактных электродов, предназначенных для контакта с одной частью тела пользователя, и упомянутой общей землей, и между одним из контактных электродов, предназначенных для контакта с другой частью тела пользователя, и упомянутой общей землей;

первый переключатель, содержащий четыре порта, причем первый порт соединен с источником переменного тока, второй порт соединен со схемой измерения тока, причем первый переключатель имеет по меньшей мере два состояния и сконфигурирован для формирования в своем первом состоянии и втором состоянии, соответственно, первого и второго путей измерения тока, так чтобы ток протекал по телу пользователя от одной части тела к другой части тела; и

блок управления, соединенный с первым переключателем, со схемой измерения тока и с упомянутой по меньшей мере одной схемой измерения напряжения и сконфигурированный для управления состояниями первого переключателя, приема значений тока и напряжения, измеренных схемой измерения тока и упомянутой по меньшей мере одной схемой измерения напряжения для каждого пути измерения тока, и определения биоимпеданса пользователя на основе принятых значений тока и напряжения.

2. Устройство по п. 1, в котором первый переключатель имеет первое состояние, в котором первый и второй порты соединяются, соответственно, с третьим и четвертым портами, и второе состояние, в котором первый и второй порты соединяются, соответственно, с четвертым и третьим портами.

3. Устройство по п. 1, в котором третий порт первого переключателя электрически соединен с первым контактным электродом, четвертый порт первого переключателя электрически соединен со вторым контактным электродом.

4. Устройство по п. 1, в котором схема измерения напряжения представляет собой амперметр с последовательно подключенным к нему импедансом или вольтметр.

5. Устройство по п. 1, в котором схема измерения тока представляет собой вольтметр с параллельно подключенным к нему импедансом или амперметр.

6. Устройство по п. 1, в котором число схем измерения напряжения равно двум;

при этом первая схема измерения напряжения электрически соединена с третьим контактным электродом и упомянутой общей землей; и

вторая схема измерения напряжения электрически соединена с четвертым контактным электродом и упомянутой общей землей.

7. Устройство по п. 1, в котором число схем измерения напряжения равно одному;

при этом устройство дополнительно содержит четвертый переключатель, выполненный с возможностью поочередного соединения каждого из третьего и четвертого контактных электродов со схемой измерения напряжения для каждого из путей измерения тока.

8. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее второй и третий переключатели, каждый из которых содержит четыре порта и соединен с блоком управления,

при этом третий порт первого переключателя соединен с третьим портом второго переключателя,

четвертый порт первого переключателя соединен с четвертым портом третьего переключателя,

первый и второй порты второго переключателя электрически соединены, соответственно, с первым и третьим контактными электродами,

первый и второй порты третьего переключателя электрически соединены, соответственно, с четвертым и вторым контактными электродами,

четвертый порт второго переключателя и третий порт третьего переключателя предназначены для соединения с упомянутой по меньшей мере одной схемой измерения напряжения,

при этом первый, второй и третий переключатели имеют по меньшей мере по два состояния и сконфигурированы для совместного формирования по меньшей мере четырех разных путей измерения тока, так чтобы ток протекал по телу пользователя от одной части тела к другой части тела.

9. Устройство по п. 8, в котором число схем измерения напряжения равно двум;

при этом первая схема измерения напряжения соединена с четвертым портом второго переключателя и упомянутой общей землей; и

вторая схема измерения напряжения соединена с третьим портом третьего переключателя и упомянутой общей землей.

10. Устройство по п. 8, в котором число схем измерения напряжения равно одному;

при этом устройство дополнительно содержит четвертый переключатель, выполненный с возможностью поочередного соединения каждого из четвертого порта второго переключателя и третьего порта третьего переключателя со схемой измерения напряжения для каждого из путей измерения тока.

11. Устройство по любому из предшествующих пунктов, дополнительно содержащее по меньшей мере один дополнительный элемент и/или схему, который(ая) вызывает последовательный и/или параллельный паразитный импеданс в цепи между соответствующим контактным электродом и соответствующим портом переключателя и/или в цепи между соответствующим контактным электродом и соответствующим выводом схемы измерения напряжения.

12. Способ определения биоимпеданса, выполняемый в устройстве для определения биоимпеданса, содержащем по меньшей мере два контактных электрода, предназначенных для контакта с одной частью тела пользователя, по меньшей мере два контактных электрода, предназначенных для контакта с другой частью тела пользователя, и первый переключатель, имеющий по меньшей мере два состояния и содержащий четыре порта, один из которых соединен с источником переменного тока и один другой из которых соединен со схемой измерения тока, причем способ содержит этапы, на которых:

управляют первым переключателем для его перевода поочередно в первое состояние и второе состояние для поочередного формирования, соответственно, первого и второго путей измерения тока, причем в первом состоянии переключателя ток протекает по телу пользователя через один из контактных электродов, предназначенных для контакта с одной частью тела пользователя, к одному из контактных электродов, предназначенных для контакта с другой частью тела пользователя, а во втором состоянии переключателя ток протекает в обратном направлении;

в каждом из путей измерения тока измеряют ток (

) в области упомянутого одного контактного электрода, к которому протекает ток по телу пользователя;

в каждом из путей измерения тока измеряют напряжение (

) между другим одним из контактных электродов, предназначенных для контакта с одной частью тела пользователя, и землей, и напряжение (

) между другим одним из контактных электродов, предназначенных для контакта с другой частью тела пользователя, и землей; и

определяют биоимпеданс (

) пользователя на основе измеренных значений тока и напряжения.

13. Способ по п. 12, в котором биоимпеданс пользователя определяют согласно следующей формуле:

.

14. Способ по п. 12, дополнительно содержащий этап, на котором определяют скорректированный биоимпеданс (

) пользователя на основе определенного биоимпеданса (

) пользователя с использованием предварительно обученной нейронной сети.

15. Способ по п. 14, дополнительно содержащий этап, на котором предварительно обучают нейронную сеть методом линейной регрессии с применением модели, направленной на минимизацию ошибки между эталонными значениями биоимпеданса (

), измеренными для каждого пользователя из обучающей выборки на эталонном оборудовании, и значениями биоимпеданса (

), определенными для каждого пользователя из обучающей выборки с помощью этапов способа по п. 12 без коррекции.

16. Способ по п. 15, в котором обучающая модель дополнительно учитывает по меньшей мере один из следующих параметров для каждого пользователя из обучающей выборки: вес, рост, возраст, пол, раса, обхват талии, обхват бедер, окружность запястий.

17. Способ по п. 12, в котором устройство для определения биоимпеданса дополнительно содержит второй и третий переключатели, которые имеют по меньшей мере по два состояния, причем способ дополнительно содержит этапы, на которых:

управляют состояниями первого, второго и третьего переключателей для формирования четырех различных путей измерения тока, при которых ток протекает по телу пользователя через один из контактных электродов, предназначенных для контакта с одной частью тела пользователя, к одному из контактных электродов, предназначенных для контакта с другой частью тела пользователя;

в каждом из путей измерения тока измеряют ток (

) в области упомянутого одного контактного электрода, к которому протекает ток по телу пользователя;

в каждом из путей измерения тока измеряют напряжение (

) между другим одним из контактных электродов, предназначенных для контакта с одной частью тела пользователя, и землей, и напряжение (

) между другим одним из контактных электродов, предназначенных для контакта с другой частью тела пользователя, и землей; и

определяют биоимпеданс (

) пользователя на основе измеренных значений тока и напряжения согласно следующей формуле:

.

Images