RU2805810C1 - Wearable device with function of determining hemoglobin concentration, method and system for determining hemoglobin concentration - Google Patents

Wearable device with function of determining hemoglobin concentration, method and system for determining hemoglobin concentration Download PDF

Info

Publication number
RU2805810C1
RU2805810C1 RU2023102891A RU2023102891A RU2805810C1 RU 2805810 C1 RU2805810 C1 RU 2805810C1 RU 2023102891 A RU2023102891 A RU 2023102891A RU 2023102891 A RU2023102891 A RU 2023102891A RU 2805810 C1 RU2805810 C1 RU 2805810C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
wearable device
hemoglobin
ppg
harmonics
signal
Prior art date
Application number
RU2023102891A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владислав Валерьевич Лычагов
Владимир Михайлович Семенов
Елена Константиновна Волкова
Дмитрий Игоревич Чернаков
Original Assignee
Самсунг Электроникс Ко., Лтд.
Filing date
Publication date
Application filed by Самсунг Электроникс Ко., Лтд. filed Critical Самсунг Электроникс Ко., Лтд.
Application granted granted Critical
Publication of RU2805810C1 publication Critical patent/RU2805810C1/en

Links

Abstract

FIELD: medicine.
SUBSTANCE: group of inventions relates to a method of determining the concentration of hemoglobin in the user’s blood, a wearable device and a system for determining the concentration of hemoglobin in the user’s blood. The device contains a photoplethysmographic PPG sensor and is designed to perform the method. When performing the method, a photoplethysmographic sensor is used to irradiate the user's biological tissue with radiation of two different wavelengths and detect photoplethysmographic signals in the time domain in reflection mode. The detected PPG signals are converted from the time domain to the frequency domain or time-frequency domain. The most significant signal, characterized by the highest signal-to-noise ratio, the highest amplitude and/or the least noise, is selected from all PPG signals and used as a reference signal. Harmonics are extracted from the reference signal and used as coordinates. All PPG signals are laid out along the mentioned coordinates to obtain a set of amplitude-phase characteristics of the harmonics. The concentration of hemoglobin in the user's blood is determined by comparing the resulting set of amplitude-phase characteristics of harmonics with sets of amplitude-phase characteristics of harmonics from the database, each of which corresponds to a specific value of hemoglobin concentration. The system comprises a wearable device and a remote server and/or cloud storage, a communication channel for transmitting data between the wearable device and the remote server and/or cloud storage.
EFFECT: method, wearable device, and a system for continuously monitoring hemoglobin concentration resistant to motion artifacts is provided.
32 cl, 16 dwg

Description

Область техникиField of technology

Настоящее изобретение относится к устройствам и системам неинвазивного, персонального и/или осуществляемого по требованию контроля за состоянием здоровья человека, в частности, определения общей концентрации гемоглобина (Hb), а также его различных форм, таких как оксигемоглобин, дезоксигемоглобин, метгемоглобин, карбоксигемоглобин, и других свойств крови, например, оксигенации. Кроме того, изобретение относится к способу определения концентрации гемоглобина, реализуемому в носимых устройствах, в частности, в современных умных часах и фитнес-браслетах.The present invention relates to devices and systems for non-invasive, personal and/or on-demand monitoring of human health, in particular, the determination of total hemoglobin (Hb) concentration, as well as its various forms, such as oxyhemoglobin, deoxyhemoglobin, methemoglobin, carboxyhemoglobin, and other blood properties, such as oxygenation. In addition, the invention relates to a method for determining hemoglobin concentration, implemented in wearable devices, in particular, in modern smart watches and fitness bracelets.

Предпосылки изобретенияBACKGROUND OF THE INVENTION

Гемоглобин - основной дыхательный пигмент и главный компонент эритроцитов крови, выполняющий важные функции в организме человека и животных: перенос вдыхаемого кислорода из легких в биологические ткани и органы, а углекислого газа из тканей и органов в легкие, где он выдыхается. Это происходит за счет того, что кислород способен обратимо связываться железом, атомы которого «встроены» в гемоглобин. При взаимодействии с биологическими тканями и органами эритроциты «освобождаются» от кислорода и «забирают» углекислый газ. Гемоглобин также играет существенную роль в поддержании кислотно-основного равновесия крови. Буферная система, создаваемая гемоглобином, способствует сохранению рН крови в определенных пределах.Hemoglobin is the main respiratory pigment and the main component of red blood cells, which performs important functions in the human and animal body: transporting inhaled oxygen from the lungs to biological tissues and organs, and carbon dioxide from tissues and organs to the lungs, where it is exhaled. This occurs due to the fact that oxygen is able to reversibly bind with iron, the atoms of which are “embedded” in hemoglobin. When interacting with biological tissues and organs, red blood cells are “freed” from oxygen and “take up” carbon dioxide. Hemoglobin also plays a significant role in maintaining the acid-base balance of the blood. The buffer system created by hemoglobin helps maintain blood pH within certain limits.

В одном эритроците содержится около 3,4×108 молекул гемоглобина, каждая из которых состоит примерно из 103 атомов. В крови человека в среднем содержится около 14,5% гемоглобина, его общее количество около 750 г. Гемоглобин представляет собой сложный белок, относящийся к группе гемопротеинов, белковый компонент в котором представлен глобином, небелковый простетической группой. Простетическая группа в молекуле гемоглобина представлена 4-мя одинаковыми железопорфириновыми соединениями, которые называются темами. Молекула гема состоит из порфирина IX, связанного с железом двумя атомами азота ковалентными и двумя другими атомами азота координационными связями. Атом железа (II) расположен в центре гема и придает крови характерный красный цвет, степень его окисления не изменяется независимо от присоединения или отдачи кислорода.One red blood cell contains about 3.4 x 10 8 hemoglobin molecules, each of which consists of approximately 103 atoms. On average, human blood contains about 14.5% hemoglobin, its total amount is about 750 g. Hemoglobin is a complex protein belonging to the group of hemoproteins, the protein component of which is represented by globin, the non-protein prosthetic group. The prosthetic group in the hemoglobin molecule is represented by 4 identical iron porphyrin compounds, which are called themes. The heme molecule consists of porphyrin IX linked to iron by two nitrogen atoms by covalent bonds and two other nitrogen atoms by coordination bonds. The iron (II) atom is located in the center of the heme and gives the blood its characteristic red color; its oxidation state does not change regardless of the addition or release of oxygen.

Как обсуждено выше, наиболее характерным свойством гемоглобина является обратимое присоединение газов, таких как O2, CO2 и др. Образующиеся при этом соединения называются соответственно оксигемоглобином и карбоксигемоглобином. Реакция присоединения молекулярного кислорода не является истинным окислением гемоглобина, так как валентность железа в теме при этом не изменяется, и эту реакцию правильнее называть оксигенацией. Истинное окисление гемоглобина происходит только тогда, когда железо переходит в трехвалентное состояние.As discussed above, the most characteristic property of hemoglobin is the reversible addition of gases such as O 2 , CO 2 , etc. The resulting compounds are called oxyhemoglobin and carboxyhemoglobin, respectively. The reaction of addition of molecular oxygen is not a true oxidation of hemoglobin, since the valence of iron in the substance does not change, and this reaction is more correctly called oxygenation. True oxidation of hemoglobin occurs only when iron passes into the ferric state.

В крови гемоглобин существует по меньшей мере в четырех формах: оксигемоглобин, дезоксигемоглобин, карбоксигемоглобин, метгемоглобин. В эритроцитах молекулярные формы гемоглобина способны к взаимопревращению, их соотношение определено индивидуальными особенностями организма.In the blood, hemoglobin exists in at least four forms: oxyhemoglobin, deoxyhemoglobin, carboxyhemoglobin, and methemoglobin. In erythrocytes, the molecular forms of hemoglobin are capable of interconversion; their ratio is determined by the individual characteristics of the organism.

Нормальные величины концентрации гемоглобина: у мужчин 130-165 г/л, у женщин 120-150 г/л, у детей 110-155 г/л, у беременных 110-120 г/л. Диагностически значимое снижение нижнего порога нормальных уровней гемоглобина встречается у мужчин возрастной группы 65-74 года.Normal values for hemoglobin concentration: in men 130-165 g/l, in women 120-150 g/l, in children 110-155 g/l, in pregnant women 110-120 g/l. A diagnostically significant decrease in the lower threshold of normal hemoglobin levels occurs in men in the age group 65-74 years.

Концентрация (уровень) гемоглобина повышается при увеличении количества эритроцитов и снижается, если их становится меньше. Снижение количества эритроцитов, а значит, пониженная концентрация гемоглобина в крови (низкий гемоглобин) может быть обусловлена уменьшением образования эритроцитов в костном мозге, их потери в результате кровотечения или разрушения внутри организма, несбалансированного питания, вредных привычек, нарушения синтеза гемоглобина, заболеваний желудочно-кишечного тракта, хронических болезней почек, цирроза печени, микседемы, гемолиза и т.п. Последствиями низкого гемоглобина являются сбои иммунной системы, ухудшение состояния кожи, негативное влияние на способность к материнству, тахикардия, одышка, провоцирование инсульта и сердечного приступа. При этом человек часто находится в состоянии анемии, когда организм не получает достаточно кислорода, что вызывает слабость, сонливость и быструю утомляемость.The concentration (level) of hemoglobin increases when the number of red blood cells increases and decreases when there are fewer red blood cells. A decrease in the number of red blood cells, and therefore a reduced concentration of hemoglobin in the blood (low hemoglobin), may be due to a decrease in the formation of red blood cells in the bone marrow, their loss as a result of bleeding or destruction within the body, unbalanced nutrition, bad habits, impaired hemoglobin synthesis, gastrointestinal diseases tract, chronic kidney disease, liver cirrhosis, myxedema, hemolysis, etc. The consequences of low hemoglobin are disruptions of the immune system, deterioration of the skin, a negative impact on the ability to motherhood, tachycardia, shortness of breath, provoking a stroke and heart attack. In this case, a person is often in a state of anemia, when the body does not receive enough oxygen, which causes weakness, drowsiness and fatigue.

Повышенная концентрация гемоглобина свидетельствует о полицитемии, гемоконцентрации при дегидратации, ожогах, кишечной непроходимости, упорной рвоте, пребывания на больших высотах, чрезмерной физической нагрузки; сердечно-сосудистой патологии, обычно врожденной, приводящей к значительному венозному сбросу; заболеваниях легких, приводящих к снижению легочной перфузии, плохой аэрации легких, легочной артериальной фистуле; хроническом химическом воздействии нитритов, сульфонамидов, вызывающих образование мет- и сульфогемоглобина.An increased concentration of hemoglobin indicates polycythemia, hemoconcentration due to dehydration, burns, intestinal obstruction, persistent vomiting, exposure to high altitudes, and excessive physical activity; cardiovascular pathology, usually congenital, leading to significant venous discharge; lung diseases leading to decreased pulmonary perfusion, poor lung aeration, pulmonary arterial fistula; chronic chemical exposure to nitrites, sulfonamides, causing the formation of meth- and sulfohemoglobin.

С концентрацией гемоглобина связано насыщение крови кислородом (оксигенация или SpO2), которое представляет собой процентное содержание оксигемоглобина в крови, то есть отношение количества оксигемоглобина к общему количеству гемоглобина. Например, оксигенация 95-100% является нормальной, но может варьироваться, если у человека есть заболевания легких. Оксигенация <90% считается низкой и это называется гипоксемией, при этом организму требуется кислородная добавка. Причинами низкого насыщения крови кислородом являются анемия, апноэ во сне, курение, заболевания легких (астма, эмфизема легких и др.), вирусные инфекции (COVID-19 и др.), качество воздуха, пониженная емкость сердца, сильные обезболивающие. Последствиями низкой оксигенации являются головные боли, тахикардия, одышка, повреждение сердца и головного мозга. Следует отметить, что уровень оксигенации отражает степень насыщения крови оксигемоглобином, но не характеризует общее содержание гемоглобина в крови.Related to hemoglobin concentration is blood oxygen saturation (oxygenation or SpO 2 ), which is the percentage of oxyhemoglobin in the blood, that is, the ratio of the amount of oxyhemoglobin to the total amount of hemoglobin. For example, oxygenation of 95-100% is normal, but may vary if a person has lung disease. Oxygenation <90% is considered low and is called hypoxemia, and the body requires oxygen supplementation. The causes of low blood oxygen saturation are anemia, sleep apnea, smoking, lung diseases (asthma, emphysema, etc.), viral infections (COVID-19, etc.), air quality, reduced cardiac capacity, strong painkillers. The consequences of low oxygenation include headaches, tachycardia, shortness of breath, and damage to the heart and brain. It should be noted that the level of oxygenation reflects the degree of blood saturation with oxyhemoglobin, but does not characterize the total hemoglobin content in the blood.

Таким образом, концентрация гемоглобина и насыщение крови человека кислородом являются одними из самых важных и значимых показателей состояния здоровья человека и требуют постоянного контроля.Thus, hemoglobin concentration and oxygen saturation of human blood are among the most important and significant indicators of human health and require constant monitoring.

Для определения гемоглобина используют инвазивные и неинвазивные методы. Инвазивные методы представляют собой лабораторные методы, к которым относятся химические, спектрофотометрические, колориметрические методы, такие как сапониновый метод, метод Сали и т.п., когда чаще всего анализируют производные гемоглобина, образовавшиеся в процессе его окисления и присоединения к тему различных химических групп, приводящих к изменению валентности железа и окраски раствора. Химические и спектрофотометрические методы имеют высокую точность и рекомендуются в качестве эталонных, но из-за трудоемкости и значительной стоимости анализа для рутинных определений не применяются. Для рутинных лабораторных исследований наиболее предпочтительны колориметрические методы, как наиболее дешевые, простые и быстрые в исполнении. Для определения насыщения крови кислородом используют ABG-тест (тест на газ в артериальной крови).To determine hemoglobin, invasive and non-invasive methods are used. Invasive methods are laboratory methods, which include chemical, spectrophotometric, colorimetric methods, such as the saponin method, Sali method, etc., when hemoglobin derivatives formed during its oxidation and addition to various chemical groups are most often analyzed, leading to a change in the valence of iron and the color of the solution. Chemical and spectrophotometric methods are highly accurate and are recommended as reference methods, but due to the laboriousness and significant cost of analysis, they are not used for routine determinations. For routine laboratory tests, colorimetric methods are most preferred, as they are the cheapest, simplest and fastest to perform. The ABG test (arterial blood gas test) is used to determine blood oxygen saturation.

Вместе с тем методы контроля гемоглобина и насыщения крови кислородом, связанные с забором и исследованием крови, не подходят для непрерывного контроля и являются неудобными. Преимуществами измерения концентрации гемоглобина с помощью носимых устройств, в частности, умных часов или фитнес-браслетов, являются неинвазивный метод измерения, быстрое измерение, простота использования, возможность непрерывного и долгосрочного контроля гемоглобина. Кроме того, быстрый тест на насыщение кислородом может быть полезен для постоянного контроля и принятия решения о госпитализации пациента.However, methods for monitoring hemoglobin and blood oxygen saturation associated with blood sampling and testing are not suitable for continuous monitoring and are inconvenient. The advantages of measuring hemoglobin concentration using wearable devices, in particular smart watches or fitness bracelets, are a non-invasive measurement method, fast measurement, ease of use, and the possibility of continuous and long-term monitoring of hemoglobin. In addition, a rapid oxygen saturation test can be useful for ongoing monitoring and decision-making regarding hospitalization of the patient.

К неинвазивным методам относится, например, пульсоксиметрия, обеспечивающая контроль процентного содержания гемоглобина, насыщенного кислородом (O2), с помощью оценки тканей на пропускание оптического излучения (по амплитуде пульса) и частоты сердечных сокращений. Для неинвазивного определения оксигенации крови в рабочую область фотоплетизмографического (ФПГ) датчика помещается участок тканей, содержащий артериальные сосуды. Традиционные оксиметры обычно имеют форму «прищепки» для помещения на палец, мочку уха пациента, то есть там, где возможно пропускание излучения через образец ткани, и анализируют проходящее сквозь палец, мочку уха излучение, то есть измеряют образец ткани на пропускание. В тканях, костях, венозной крови и артериальной крови человека происходит поглощение, отражение и рассеивание излучения, которое при исследовании кровотока определяется размером сосудов или объемом крови, проходящим через исследуемый участок тканей. Сужение и расширение сосуда под действием артериальной пульсации кровотока, которая обусловлена преимущественно изменением кровотока в артериях и артериолах, вызывают соответствующее изменение амплитуды сигнала, получаемого с выхода фотоприемника. Методика пульсоксиметрии основана на использовании принципов фотоплетизмографии (ФПГ). Гемоглобин служит своего рода фильтром для светового потока, причем «цвет» и «толщина» его могут меняться. «Цвет» фильтра зависит от процентного содержания оксигемоглобина. На этом базируется способность пульсоксиметра устанавливать степень оксигенации крови. На изменение «толщины» фильтра влияет рост объема крови в артериях и артериолах при каждой пульсовой волне. После измерения частоты пульса и амплитуды пульсовой волны, с помощью микропроцессора анализируют соотношение степени поглощения излучения разных длин волн, например, ИК- и красных волн, затем рассчитывают насыщение пульсирующего потока артериальной крови кислородом.Non-invasive methods include, for example, pulse oximetry, which monitors the percentage of hemoglobin saturated with oxygen (O 2 ) by assessing tissue transmission of optical radiation (based on pulse amplitude) and heart rate. To non-invasively determine blood oxygenation, a tissue section containing arterial vessels is placed in the working area of the photoplethysmographic (PPG) sensor. Traditional oximeters usually have the form of a “clothespin” to be placed on the patient’s finger or earlobe, that is, where radiation can be transmitted through a tissue sample, and analyze the radiation passing through the finger or earlobe, that is, they measure the tissue sample for transmission. In human tissues, bones, venous blood and arterial blood, radiation is absorbed, reflected and scattered, which, when studying blood flow, is determined by the size of the vessels or the volume of blood passing through the tissue area being examined. The narrowing and expansion of the vessel under the influence of arterial pulsation of blood flow, which is caused primarily by changes in blood flow in the arteries and arterioles, cause a corresponding change in the amplitude of the signal received from the output of the photodetector. The pulse oximetry technique is based on the principles of photoplethysmography (PPG). Hemoglobin serves as a kind of filter for light flux, and its “color” and “thickness” can change. The “color” of the filter depends on the percentage of oxyhemoglobin. This is the basis for the ability of a pulse oximeter to determine the degree of blood oxygenation. The change in the “thickness” of the filter is affected by the increase in blood volume in the arteries and arterioles with each pulse wave. After measuring the pulse rate and pulse wave amplitude, the ratio of the degree of absorption of radiation of different wavelengths, for example, IR and red waves, is analyzed using a microprocessor, then the saturation of the pulsating flow of arterial blood with oxygen is calculated.

При этом сигнал с выхода датчика, пропорциональный поглощению света, проходящего через ткани, включает две составляющие: переменную (АС) составляющую, обусловленную изменением объема артериальной крови при каждом сердечном сокращении, и постоянную (DC) составляющую, определяемую оптическими свойствами кожи, костей, венозной крови и других тканей исследуемого участка, совокупное поглощение которых не изменяется в процессе распространения пульсовой волны.In this case, the signal from the output of the sensor, proportional to the absorption of light passing through the tissue, includes two components: a variable (AC) component, caused by a change in the volume of arterial blood with each heartbeat, and a constant (DC) component, determined by the optical properties of the skin, bones, venous blood and other tissues of the area under study, the total absorption of which does not change during the propagation of the pulse wave.

Это традиционный подход для анализа сигнала в пульсоксиметрии, основанный на разделении постоянной и переменной составляющих временных рядов (DC- и АС-составляющих во временной области или компонент постоянного и переменного токов) ФПГ-сигнала (пульсового сигнала). При этом традиционно измеряют интегральную площадь кривой сигнала, а форму сигнала обычно не учитывают. Вместе с тем DC-составляющую используют для нормирования сигнала, поскольку пропускание сигнала зависит не только от коэффициентов поглощения/отражения/рассеивания кожи, костей, крови и других тканей, составляющих «фильтр» для сигнала, но и от толщины самого «фильтра».This is a traditional approach for signal analysis in pulse oximetry, based on the separation of the constant and variable components of the time series (DC and AC components in the time domain or direct and alternating current components) of the PPG signal (pulse signal). In this case, the integral area of the signal curve is traditionally measured, and the signal shape is usually not taken into account. At the same time, the DC component is used to normalize the signal, since signal transmission depends not only on the absorption/reflection/scattering coefficients of skin, bones, blood and other tissues that make up the “filter” for the signal, but also on the thickness of the “filter” itself.

Большинство известных методов описывает теорию и работу пульсоксиметров в режиме пропускания, поэтому в предшествующем уровне техники такие подходы описаны, исходя из соответствующих законов и уравнений, в частности, закона Бугера-Ламберта-Бера, определяющего ослабление параллельного монохроматического пучка света при распространении его в поглощающей среде. Однако, в уровне техники недостаточно сведений, касающихся применения вышеописанного метода с AC/DC-составляющими в пульсоксиметре в режиме отражения. При этом очевидно, что работа устройства в режиме отражения требует иных подходов, в том числе дополнительно требует анализа формы пульсовой волны.Most known methods describe the theory and operation of pulse oximeters in transmission mode, therefore, in the prior art, such approaches are described based on the relevant laws and equations, in particular, the Bouguer-Lambert-Beer law, which determines the attenuation of a parallel monochromatic light beam as it propagates in an absorbing medium . However, there is not enough information in the prior art regarding the application of the above method with AC/DC components in a pulse oximeter in reflection mode. It is obvious that operation of the device in reflection mode requires other approaches, including additional analysis of the pulse waveform.

Однако существуют определенные трудности анализа АС-составляющих ФПГ-сигнала, состоящие в том, что АС-составляющая имеет сложную форму, которая зависит от длины волны и несет информацию о спектральных свойствах ткани.However, there are certain difficulties in analyzing the AC components of the PPG signal, consisting in the fact that the AC component has a complex shape, which depends on the wavelength and carries information about the spectral properties of the tissue.

Существующие устройства для определения гемоглобина имеют низкую точность и чувствительны к двигательным артефактам, а значит, не подходят для применения в качестве потребительских гаджетов. Кроме того, например, пульсоксиметры имеют дополнительное устройство - прищепку на палец и не подходят для непрерывного контроля насыщения крови кислородом.Existing devices for determining hemoglobin have low accuracy and are sensitive to motion artifacts, and therefore are not suitable for use as consumer gadgets. In addition, for example, pulse oximeters have an additional device - a clothespin on the finger and are not suitable for continuous monitoring of blood oxygen saturation.

В патенте US 8255028 В2 (Masimo Corporation) раскрыт монитор пациента, который имеет несколько датчиков, способных прикрепляться к участкам тканей живого субъекта. Датчики генерируют сенсорные сигналы, которые реагируют на по меньшей мере две длины волны оптического излучения после ослабления пульсирующей кровью в участках ткани. Монитор пациента использует множество сигналов для уменьшения влияния шума.US Pat. No. 8,255,028 B2 (Masimo Corporation) discloses a patient monitor that has multiple sensors capable of attaching to tissue sites in a living subject. The sensors generate sensory signals that respond to at least two wavelengths of optical radiation after attenuation by pulsating blood in tissue areas. The patient monitor uses multiple signals to reduce the impact of noise.

Недостатками такого решения являются неиспользование информации о форме пульсовой волны, отсутствие поправки на рассеивающие/поглощающие свойства ткани.The disadvantages of this solution are the non-use of information about the shape of the pulse wave and the lack of correction for the scattering/absorbing properties of the tissue.

В патенте US 9341565 В2 (Masimo Corporation) раскрыт физиологический монитор для определения насыщения крови кислородом у лечащегося пациента, включающий в себя датчик, устройство обработки сигнала и устройство отображения. Датчик включает в себя по меньшей мере три светоизлучающих диода. Каждый светоизлучающий диод способен излучать свет различной длины волны. Датчик также включает в себя детектор, способный принимать свет от по меньшей мере трех светоизлучающих диодов после его ослабления тканью. Детектор генерирует выходной сигнал, основанный, по меньшей мере частично, на принятом свете. Устройство обработки сигнала определяет насыщение крови кислородом на основе по меньшей мере выходного сигнала, а устройство отображения предоставляет показатель насыщения крови кислородом.US Pat. No. 9,341,565 B2 (Masimo Corporation) discloses a physiological monitor for determining blood oxygen saturation in a patient being treated, including a sensor, a signal processing device, and a display device. The sensor includes at least three light-emitting diodes. Each light-emitting diode is capable of emitting light of a different wavelength. The sensor also includes a detector capable of receiving light from at least three light-emitting diodes after being attenuated by tissue. The detector generates an output signal based at least in part on the received light. The signal processing device determines blood oxygen saturation based on at least the output signal, and the display device provides an indicator of blood oxygen saturation.

Недостатками такого решения также являются неиспользование информации о форме пульсовой волны, отсутствие поправки на рассеивающие/поглощающие свойства ткани.The disadvantages of this solution are also the non-use of information about the shape of the pulse wave and the lack of correction for the scattering/absorbing properties of the tissue.

Ниже приведена таблица 1, демонстрирующая сравнительные особенности предлагаемого изобретения и других решений, известных в уровне техники.Below is Table 1 showing the comparative features of the proposed invention and other solutions known in the prior art.

Решения уровня техники, как правило, предусматривают работу датчиков в режиме пропускания и не раскрывают исчерпывающим образом принципы работы носимых устройств с функцией определения свойств крови, таких как концентрация гемоглобина, в режиме отражения, который используется, например, в форм-факторе умных часов.Solutions of the prior art, as a rule, provide for the operation of sensors in transmission mode and do not fully disclose the principles of operation of wearable devices with the function of determining blood properties, such as hemoglobin concentration, in reflection mode, which is used, for example, in the form factor of smart watches.

Например, в недавних публикациях, таких как WO 2023/003980 А1 и WO 2023/287789 A1 (Masimo Corporation), раскрыты носимые устройства в виде умных часов для контроля физиологических параметров пользователя, которые могут размещаться на запястье, при этом группы источников и детекторов излучения расположены на одной стороне устройств. Вместе с тем при описании физических принципов работы ФПГ-датчика, авторы указанных публикаций ссылаются на закон Бугера-Ламберта-Бера, как отмечено выше в отношении других решений уровня техники. Однако, при работе в режиме отражения этот подход не работает и дает некорректный результат. Кроме того, обработка сигнала выполняется методами традиционной обработки сигналов пульсоксиметрии, т.е. основное внимание в этих публикациях уделено устройству датчика, без описания конкретных методов обработки сигналов, тем более в отношении измерения специфических компонентов крови, таких как гемоглобин. В стандартном режиме, когда датчик находится в часах на руке, как правило, возможно измерение частоты пульса, ее вариабельности и оксигенации. Для измерения специфических параметров может использоваться внешний датчик, подключаемый к порту часов и размещаемый, например, на пальце руки пользователя. Таким образом, в указанных публикациях не раскрыты особенности обработки сигналов, полученных в режиме на отражение, позволяющие измерять специфические параметры крови, такие как концентрация гемоглобина. Т.е. в этих публикациях нет сведений о формах ФПГ-сигнала на разных длинах волн, разности в оптических путях излучения на этих длинах волн, разности в типах сосудов и тканей, с которыми преимущественно взаимодействует излучение разных длин волн и, соответственно, о способе учесть отличия в оптических путях и типах сосудов и тканей через форму ФПГ-сигнала и способе описания формы этого сигнала посредством амплитудно-фазовых характеристик гармоник.For example, recent publications such as WO 2023/003980 A1 and WO 2023/287789 A1 (Masimo Corporation) disclose wearable devices in the form of smart watches for monitoring physiological parameters of a user, which can be placed on the wrist, with arrays of radiation sources and detectors located on one side of the devices. At the same time, when describing the physical principles of operation of the PPG sensor, the authors of these publications refer to the Bouguer-Lambert-Beer law, as noted above in relation to other solutions of the prior art. However, when working in reflection mode, this approach does not work and gives incorrect results. In addition, signal processing is performed using traditional pulse oximetry signal processing methods, i.e. These publications focus on the design of the sensor, without describing specific signal processing methods, especially in relation to the measurement of specific blood components, such as hemoglobin. In standard mode, when the sensor is in the watch on the wrist, it is usually possible to measure heart rate, heart rate variability and oxygenation. To measure specific parameters, an external sensor can be used, connected to the watch port and placed, for example, on the user’s finger. Thus, these publications do not disclose the features of processing signals received in reflection mode, which make it possible to measure specific blood parameters, such as hemoglobin concentration. Those. these publications do not contain information about the shapes of the PPG signal at different wavelengths, the differences in the optical paths of radiation at these wavelengths, the differences in the types of vessels and tissues with which radiation of different wavelengths predominantly interacts and, accordingly, about the way to take into account the differences in optical paths and types of vessels and tissues through the shape of the PPG signal and the method of describing the shape of this signal through the amplitude-phase characteristics of harmonics.

Таким образом, основная проблема данной области техники заключается в отсутствии способа и удобного для использования носимого устройства для постоянного контроля свойств крови, например, концентрации гемоглобина, в особенности в режиме работы датчиков в режиме отражения, а также в неустойчивости существующих решений к двигательным артефактам.Thus, the main problem in this field of technology is the lack of a method and easy-to-use wearable device for continuous monitoring of blood properties, for example, hemoglobin concentration, especially in the mode of operation of sensors in reflection mode, as well as the instability of existing solutions to movement artifacts.

Следовательно, существует потребность в носимом устройстве и способе определения свойств крови, в частности, концентрации гемоглобина, обеспечивающих повышенное спектральное разрешение и подходящих для непрофессионального применения, то есть необходимо надежное и устойчивое к движению решение. Иными словами, требуется устройство для неинвазивного, ненавязчивого, непрерывного контроля концентрации гемоглобина и насыщения крови кислородом.Therefore, there is a need for a wearable device and method for determining blood properties, in particular hemoglobin concentration, that provides increased spectral resolution and is suitable for non-professional use, i.e. a reliable and motion-resistant solution is needed. In other words, a device is required for non-invasive, unobtrusive, continuous monitoring of hemoglobin concentration and blood oxygen saturation.

Возможные продукты, в которых используется способ по изобретению, представляют собой носимые устройства, такие как умные часы или смарт-браслеты, стационарные диагностические приборы, бытовые приборы и гаджеты для персонального медицинского контроля.Possible products that use the method of the invention are wearable devices such as smart watches or smart bracelets, stationary diagnostic devices, household appliances and personal health monitoring gadgets.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Принимая во внимание изложенные выше технические проблемы, далее со ссылкой на описание и представленные ниже чертежи предлагаемое изобретение будет описано в качестве примера, а не ограничения.In view of the above technical problems, the present invention will now be described by way of example and not by way of limitation with reference to the description and drawings below.

Данное краткое изложение сущности изобретения предшествует подробному описанию конкретных примерных вариантовThis summary of the invention precedes a detailed description of specific exemplary embodiments.

осуществления, чтобы дать общее представление аспектов заявленного изобретения, которые будут дополнительно объяснены далее, и никоим образом не предназначено для определения или ограничения объема настоящего изобретения.implementation to give a general overview of aspects of the claimed invention that will be further explained below, and is in no way intended to define or limit the scope of the present invention.

Задачей настоящего изобретения является создание носимых устройств с функцией определения концентрации гемоглобина в крови пользователя на основе данных, собираемых от датчиков носимых устройств.The objective of the present invention is to create wearable devices with the function of determining the concentration of hemoglobin in the user's blood based on data collected from the sensors of wearable devices.

Предлагаемые носимое устройство, способ и система обеспечивают возможность персонального, непрофессионального применения, устойчивость к движению и возможность определения свойств крови, в частности, концентрации гемоглобина с высокой точностью.The proposed wearable device, method and system provide the possibility of personal, non-professional use, resistance to movement and the ability to determine blood properties, in particular, hemoglobin concentration with high accuracy.

Предлагаются носимое устройство и система, реализующие способ определения концентрации гемоглобина в крови пользователя, включающий этапы, на которых: облучают ткань пользователя источником света, излучающим свет по меньшей мере двух различных длин волн, детектируют фотоплетизмографические (ФПГ или пульсовые) сигналы от ткани пользователя на упомянутых по меньшей мере двух различных длинах волн, преобразуют детектированные ФПГ-сигналы из временной области в частотную область, выбирают, из всех ФПГ-сигналов, доступных на нескольких длинах волн, наиболее значимый сигнал с наилучшим отношением сигнал/шум, самой высокой амплитудой и наименее затронутый шумами и используют его в качестве опорного сигнала, извлекают из опорного сигнала частотные составляющие (гармоники) и используют их в качестве координат, раскладывают остальную часть сигналов по координатам, полученным из опорного сигнала, с получением набора характеристик и сравнивают набор характеристик с наборами из заранее скомпилированной базы данных, определяя концентрацию гемоглобина без лабораторного анализа крови.A wearable device and system are proposed that implement a method for determining the hemoglobin concentration in the user's blood, including the steps of: irradiating the user's tissue with a light source emitting light of at least two different wavelengths, detecting photoplethysmographic (PPG or pulse) signals from the user's tissue at the mentioned at least two different wavelengths, convert the detected PPG signals from the time domain to the frequency domain, select, from all the PPG signals available at several wavelengths, the most significant signal with the best signal-to-noise ratio, the highest amplitude and the least affected noise and use it as a reference signal, extract frequency components (harmonics) from the reference signal and use them as coordinates, lay out the rest of the signals according to the coordinates obtained from the reference signal, obtaining a set of characteristics, and compare the set of characteristics with sets from a pre-compiled database, determining hemoglobin concentration without a laboratory blood test.

Краткое описание чертежейBrief description of drawings

Вышеописанные и другие признаки и преимущества настоящего изобретения будут пояснены в последующем описании со ссылкой на приложенные чертежи. Приведенные конкретные примерные варианты осуществления заявленного изобретения, рассматриваемые вместе с чертежами, не предназначены для ограничения объема изобретения. Исходя из изучения представленного описания, специалистам будут очевидны дополнительные варианты осуществления, модификации или эквиваленты настоящего изобретения, и все такие варианты осуществления, модификации и эквиваленты считаются включенными в настоящее изобретение.The above and other features and advantages of the present invention will be explained in the following description with reference to the accompanying drawings. The following specific exemplary embodiments of the claimed invention, taken in conjunction with the drawings, are not intended to limit the scope of the invention. Upon examination of the present description, additional embodiments, modifications or equivalents of the present invention will be apparent to those skilled in the art, and all such embodiments, modifications and equivalents are deemed to be included in the present invention.

Чертежи предоставлены исключительно для помощи в понимании описания, и их не следует никоим образом рассматривать как ограничивающие объем изобретения. На чертежах изображено следующее:The drawings are provided solely to assist in understanding the description and should not be construed in any way as limiting the scope of the invention. The drawings show the following:

Фиг. 1 схематично иллюстрирует зависимость формы ФПГ-сигнала от длины волны и пользователя.Fig. 1 schematically illustrates the dependence of the PPG signal shape on the wavelength and user.

Фиг. 2А схематично иллюстрирует различие в механизмах рассеивания и поглощения излучения в исследуемом объеме в режиме пропускания и в режиме отражения; фиг. 2Б схематично иллюстрирует формы ФПГ-сигнала в режиме пропускания и режиме отражения.Fig. 2A schematically illustrates the difference in the mechanisms of scattering and absorption of radiation in the volume under study in the transmission mode and in the reflection mode; fig. 2B schematically illustrates the shapes of the PPG signal in transmission mode and reflection mode.

Фиг. 3А схематично иллюстрирует спектры поглощения цельной крови при разных концентрациях гемоглобина; фиг. 3Б схематично иллюстрирует спектры поглощения ткани (кровь + другие компоненты) при одинаковой концентрации гемоглобина.Fig. 3A schematically illustrates the absorption spectra of whole blood at different hemoglobin concentrations; fig. 3B schematically illustrates the absorption spectra of tissue (blood + other components) at the same hemoglobin concentration.

Фиг. 4А схематично иллюстрирует первый традиционный подход к обработке ФПГ-сигнала.Fig. 4A schematically illustrates a first conventional approach to processing a PPG signal.

Фиг. 4Б схематично иллюстрирует второй традиционный подход к обработке ФПГ-сигнала.Fig. 4B schematically illustrates the second traditional approach to processing a PPG signal.

Фиг. 5А иллюстрирует эффект использования первого традиционного подхода к обработке ФПГ-сигнала применительно к определению концентрации гемоглобина по фиг. 4А.Fig. 5A illustrates the effect of using the first traditional approach to PPG signal processing in relation to determining the hemoglobin concentration of FIG. 4A.

Фиг. 5Б иллюстрирует эффект использования второго традиционного подхода к обработке ФПГ-сигнала применительно к определению концентрации гемоглобина по фиг. 4Б. На фиг. 5Б термин «критическая точка» означает набор критических точек для формы кривой сигнала на каждой из указанных длин волн.Fig. 5B illustrates the effect of using the second traditional approach to processing the PPG signal in relation to determining the hemoglobin concentration in FIG. 4B. In fig. 5B, the term “critical point” means a set of critical points for the waveform of a signal at each of the specified wavelengths.

Фиг. 6А, Б иллюстрируют блок-схему и схематическое изображение носимого устройства с функцией определения концентрации гемоглобина.Fig. 6A, B illustrate a block diagram and a schematic diagram of a wearable device with a hemoglobin concentration detection function.

Фиг. 7 иллюстрирует блок-схему последовательности этапов способа определения концентрации гемоглобина.Fig. 7 illustrates a flowchart of a method for determining hemoglobin concentration.

Фиг. 8 схематично иллюстрирует этап преобразования ФПГ-сигнала из временной в частотную область.Fig. 8 schematically illustrates the stage of converting a PPG signal from the time to frequency domain.

Фиг. 9 иллюстрирует ключевые этапы способа определения концентрации гемоглобина.Fig. 9 illustrates the key steps of a method for determining hemoglobin concentration.

Фиг. 10 иллюстрирует ключевую особенность этапа преобразования по фиг. 7.Fig. 10 illustrates a key feature of the conversion step of FIG. 7.

Фиг. 11А, Б иллюстрируют особенности преобразования ФПГ-сигнала в частотную область и ФПГ-сигнала во временной области при разных условиях поглощения.Fig. 11A, B illustrate the features of converting a PPG signal into the frequency domain and a PPG signal in the time domain under different absorption conditions.

Фиг. 12 иллюстрирует особенности выбора опорного ФПГ-сигнала в частотной области.Fig. 12 illustrates the features of choosing a reference PPG signal in the frequency domain.

Фиг. 13 иллюстрирует особенности анализа сигнала в частотной области.Fig. 13 illustrates the features of signal analysis in the frequency domain.

Фиг. 14 иллюстрирует принцип компилирования базы данных.Fig. 14 illustrates the principle of database compilation.

Фиг. 15 иллюстрирует заключительный этап способа определения концентрации гемоглобина.Fig. 15 illustrates the final step of the method for determining hemoglobin concentration.

Фиг. 16 иллюстрирует результаты прогнозирования (определения) концентрации гемоглобина в крови пользователя носимого устройства по базе данных.Fig. 16 illustrates the results of predicting (determining) the hemoglobin concentration in the blood of a user of a wearable device using a database.

Подробное описание вариантов осуществления изобретенияDetailed Description of Embodiments of the Invention

Предлагаемое изобретение представляет собой носимое устройство с функцией определения концентрации гемоглобина в крови пользователя, содержащее по меньшей мере один ФПГ-датчик, выполненный с возможностью облучать ткань пользователя, включая кожу, кости, кровь, кровеносные сосуды, излучением по меньшей мере двух различных длин волн и детектировать по меньшей мере два ФПГ-сигнала на упомянутых по меньшей мере двух различных длинах волн в режиме отражения, при этом носимое устройство выполнено с возможностью преобразовывать упомянутые по меньшей мере два ФПГ-сигнала из временной области в частотную область или частотно-временную область, описывать преобразованные ФПГ-сигналы относительно гармоник с получением набора характеристик, определять концентрацию гемоглобина в крови пользователя, исходя из полученного набора характеристик и информации базы данных.The present invention is a wearable device with the function of determining the concentration of hemoglobin in the user's blood, containing at least one PPG sensor configured to irradiate the user's tissue, including skin, bones, blood, blood vessels, with radiation of at least two different wavelengths and detect at least two PPG signals at said at least two different wavelengths in reflection mode, wherein the wearable device is configured to convert said at least two PPG signals from the time domain to the frequency domain or time-frequency domain, describe converted PPG signals relative to harmonics to obtain a set of characteristics, determine the concentration of hemoglobin in the user’s blood based on the obtained set of characteristics and database information.

Согласно варианту осуществления, носимое устройство дополнительно может содержать корпус, процессор, батарею и запоминающее устройство, размещенные в корпусе.According to an embodiment, the wearable device may further comprise a housing, a processor, a battery, and a storage device housed in the housing.

Согласно варианту осуществления, носимое устройство выполнено с возможностью осуществлять описание ФПГ-сигналов, которое включает выбор из всех ФПГ-сигналов наиболее значимого сигнала и использование его в качестве опорного сигнала; извлечение из опорного сигнала гармоник и использование их в качестве координат; разложение всех ФПГ-сигналов по упомянутым координатам с получением набора характеристик; при этом определение концентрации гемоглобина включает сравнение полученного набора характеристик с наборами характеристик из базы данных, каждый из которых соответствует конкретному значению концентрации гемоглобина.According to an embodiment, the wearable device is configured to perform a description of PPG signals, which includes selecting the most significant signal from all PPG signals and using it as a reference signal; extracting harmonics from the reference signal and using them as coordinates; decomposition of all PPG signals along the mentioned coordinates to obtain a set of characteristics; in this case, determining the hemoglobin concentration involves comparing the resulting set of characteristics with sets of characteristics from the database, each of which corresponds to a specific value of hemoglobin concentration.

Согласно варианту осуществления, упомянутый по меньшей мере один ФПГ-датчик носимого устройства содержит по меньшей мере один источник излучения, содержащий два или более светоизлучающих диода.According to an embodiment, said at least one PPG sensor of the wearable device comprises at least one radiation source comprising two or more light-emitting diodes.

Согласно варианту осуществления, светоизлучающие диоды могут представлять собой лазерные светодиоды.According to an embodiment, the light emitting diodes may be laser LEDs.

Согласно варианту осуществления, упомянутый по меньшей мере один ФПГ-датчик носимого устройства содержит по меньшей мере один приемник излучения, предпочтительно представляющий собой широкополосный фотоприемник или фотодиод.According to an embodiment, said at least one PPG sensor of the wearable device comprises at least one radiation detector, preferably a broadband photodetector or photodiode.

Согласно варианту осуществления, одна из упомянутых различных длин волн, излучаемая по меньшей мере одним ФПГ-датчиком носимого устройства, находится в диапазоне 495-570 нм, а предпочтительно составляет 530 нм.According to an embodiment, one of said different wavelengths emitted by the at least one PPG sensor of the wearable device is in the range of 495-570 nm, and is preferably 530 nm.

Согласно варианту осуществления, ФПГ-сигналы, обеспечиваемые носимым устройством, являются обратно-отраженными и/или обратно-рассеянными от тканей пользователя.In an embodiment, the PPG signals provided by the wearable device are back-reflected and/or back-scattered from the user's tissue.

Согласно варианту осуществления, носимое устройство дополнительно выполнено с возможностью отфильтровывать артефакты движения от ФПГ-сигналов. Следует отметить, что анализ сигнала в частотной области делает алгоритм определения концентрации гемоглобина до некоторой степени устойчивым к артефактам движения при условии, что частота и длительность этих артефактов не совпадает с основным сигналом. Частота артефактов может совпадать с частотой ФПГ-сигнала, но артефакты движения нестационарны, т.е. их характеристики изменяются со временем, поэтому при накоплении сигнала, представляется возможным усилить по существу стационарные ФПГ-компоненты и подавить вклад артефактов движения в общий спектр сигнала.According to an embodiment, the wearable device is further configured to filter out motion artifacts from the PPG signals. It should be noted that frequency domain signal analysis makes the hemoglobin concentration algorithm somewhat resistant to motion artifacts, provided that the frequency and duration of these artifacts do not coincide with the main signal. The frequency of artifacts may coincide with the frequency of the PPG signal, but motion artifacts are non-stationary, i.e. their characteristics change over time, therefore, during signal accumulation, it seems possible to enhance essentially stationary PPG components and suppress the contribution of motion artifacts to the overall signal spectrum.

Согласно варианту осуществления, преобразование ФПГ-сигналов из временной области в частотную область содержит преобразование Фурье или преобразование Гильберта-Хуанга, преобразование из временной области в частотно-временную область содержит вейвлет-преобразование.According to an embodiment, the transformation of PPG signals from the time domain to the frequency domain comprises a Fourier transform or a Hilbert-Huang transform, and the transformation from the time domain to the time-frequency domain comprises a wavelet transform.

Согласно варианту осуществления, носимое устройство выполнено с возможностью выбирать наиболее значимый сигнал, характеризуемый наилучшим отношением сигнал/шум, самой высокой амплитудой и/или наименее затронутый шумами.According to an embodiment, the wearable device is configured to select the most significant signal having the best signal-to-noise ratio, the highest amplitude, and/or the least affected by noise.

Согласно варианту осуществления, носимое устройство выполнено с возможностью осуществлять извлечение гармоник из опорного сигнала, которое включает определение координаты основной гармоники и вычисление координат других гармоник.According to an embodiment, the wearable device is configured to perform harmonic extraction from a reference signal, which includes determining the coordinate of the fundamental harmonic and calculating the coordinates of other harmonics.

Согласно варианту осуществления, процессор носимого устройства выполнен с возможностью осуществлять описание ФПГ-сигналов относительно гармоник, которое включает измерение для каждой гармоники амплитуды, площади кривой, ширины на половине высоты пика и/или отношения сигнал/шум с получением набора амплитудно-фазовых характеристик гармоник.According to an embodiment, the processor of the wearable device is configured to perform a description of PPG signals with respect to harmonics, which includes measuring for each harmonic amplitude, curve area, peak width at half height, and/or signal-to-noise ratio to obtain a set of amplitude-phase characteristics of the harmonics.

Согласно варианту осуществления, носимое устройство выполнено с возможностью осуществлять вышеупомянутое сравнение полученного набора характеристик с наборами характеристик из базы данных с использованием численного метода или алгоритма прогнозирования с учетом данных других пользователей, наборов характеристик из базы данных, заранее измеренных у других пользователей и сопоставленных с концентрациями гемоглобина, заранее измеренными лабораторным методом. При этом алгоритм прогнозирования получен в процессе обучения нейронной сети, причем в процессе машинного обучения нейронной сети использовались вышеуказанные наборы характеристик.According to an embodiment, the wearable device is configured to perform the aforementioned comparison of the resulting set of characteristics with sets of characteristics from the database using a numerical method or prediction algorithm, taking into account data from other users, sets of characteristics from the database, previously measured from other users and compared with hemoglobin concentrations , previously measured by laboratory methods. In this case, the forecasting algorithm was obtained in the process of training a neural network, and the above sets of characteristics were used in the process of machine learning of the neural network.

Согласно варианту осуществления, запоминающее устройство носимого устройства выполнено с возможностью хранить базу данных.According to an embodiment, the storage device of the wearable device is configured to store a database.

Согласно варианту осуществления, носимое устройство дополнительно выполнено с возможностью коррелировать определенную концентрацию гемоглобина с использованием значения концентрации гемоглобина, полученного лабораторным методом, обновлять базу данных и уточнять алгоритм прогнозирования с использованием алгоритма машинного обучения или нейронной сети.According to an embodiment, the wearable device is further configured to correlate a determined hemoglobin concentration using a laboratory-derived hemoglobin concentration value, update the database, and refine the prediction algorithm using a machine learning algorithm or neural network.

Согласно варианту осуществления, носимое устройство дополнительно содержит устройство ввода и вывода, выполненное с возможностью вводить данные профиля пользователя в запоминающее устройство и отображать определенную концентрацию гемоглобина, и модуль связи, выполненный с возможностью обмениваться информацией с удаленным сервером и/или облачным хранилищем.According to an embodiment, the wearable device further comprises an input and output device configured to input user profile data into a storage device and display a specific hemoglobin concentration, and a communication module configured to exchange information with a remote server and/or cloud storage.

Согласно варианту осуществления, носимое устройство дополнительно выполнено с возможностью определения концентрации оксигемоглобина в крови пользователя.According to an embodiment, the wearable device is further configured to determine the concentration of oxyhemoglobin in the user's blood.

Согласно варианту осуществления, носимое устройство выполнено с возможностью размещаться на запястье или других частях тела, например, на пальце.According to an embodiment, the wearable device is configured to be placed on the wrist or other parts of the body, such as a finger.

Согласно варианту осуществления, носимое устройство представляет собой смарт-устройство, такое как умные часы или фитнес-браслет.In an embodiment, the wearable device is a smart device such as a smart watch or a fitness tracker.

Предлагаемое изобретение также относится к способу определения концентрации гемоглобина в крови пользователя, включающему облучение ткани пользователя излучением по меньшей мере двух различных длин волн; детектирование ФПГ-сигналов во временной области на упомянутых по меньшей мере двух различных длинах волн в режиме отражения, преобразование детектированных ФПГ-сигналов из временной области в частотную область или частотно-временную область, описание преобразованных ФПГ-сигналов относительно гармоник с получением набора характеристик, определение концентрации гемоглобина в крови пользователя, исходя из полученного набора характеристик и информации базы данных.The present invention also relates to a method for determining the concentration of hemoglobin in the blood of a user, comprising irradiating the user's tissue with radiation of at least two different wavelengths; detection of PPG signals in the time domain at the at least two different wavelengths mentioned in the reflection mode, conversion of the detected PPG signals from the time domain into the frequency domain or time-frequency domain, description of the converted PPG signals with respect to harmonics to obtain a set of characteristics, definition hemoglobin concentration in the user’s blood, based on the obtained set of characteristics and database information.

Согласно варианту осуществления способа, на этапе описания ФПГ-сигналов выбирают из всех ФПГ-сигналов наиболее значимый сигнал и используют его в качестве опорного сигнала; извлекают из опорного сигнала гармоники и используют их в качестве координат; раскладывают все ФПГ-сигналы по упомянутым координатам; при этом на этапе определения концентрации гемоглобина сравнивают полученный набор характеристик с наборами характеристик из базы данных, каждый из которых соответствует конкретному значению концентрации гемоглобина.According to an embodiment of the method, at the stage of describing PPG signals, the most significant signal is selected from all PPG signals and used as a reference signal; extract harmonics from the reference signal and use them as coordinates; all PPG signals are laid out according to the mentioned coordinates; in this case, at the stage of determining the hemoglobin concentration, the resulting set of characteristics is compared with sets of characteristics from the database, each of which corresponds to a specific value of hemoglobin concentration.

Согласно варианту осуществления способа, облучение осуществляют с помощью по меньшей мере одного источника излучения, представляющего собой два или более светоизлучающих диода.According to an embodiment of the method, irradiation is carried out using at least one radiation source, which is two or more light-emitting diodes.

Согласно варианту осуществления способа, облучение осуществляют с помощью по меньшей мере двух лазерных светоизлучающих диодов.According to an embodiment of the method, irradiation is carried out using at least two laser light-emitting diodes.

Согласно варианту осуществления способа, детектирование ФПГ-сигналов осуществляют с помощью по меньшей мере одного приемника излучения, предпочтительно представляющего собой широкополосный фотоприемник или фотодиод.According to an embodiment of the method, detection of PPG signals is carried out using at least one radiation detector, preferably a broadband photodetector or photodiode.

Согласно варианту осуществления способа, одна из упомянутых по меньшей мере двух различных длин волн излучения, которым облучают ткань пользователя, находится в диапазоне 495-570 нм, а предпочтительно составляет 530 нм.According to an embodiment of the method, one of the at least two different wavelengths of radiation to which the user's tissue is irradiated is in the range 495-570 nm, and preferably 530 nm.

Согласно варианту осуществления способа, ФПГ-сигналы являются обратно-отраженными и/или обратно-рассеянными от тканей пользователя.According to an embodiment of the method, the PPG signals are back-reflected and/or back-scattered from the user's tissues.

Согласно варианту осуществления, способ дополнительно включает фильтрацию ФПГ-сигналов от артефактов движения. Фильтрация ФПГ-сигналов от артефактов движения (движения тела при ходьбе, движения рук, пальцев, дрожания и др.) может выполняться, например, с использованием данных акселерометра носимого устройства, и осуществляется с целью дальнейшей обработки отфильтрованных сигналов более высокого качества.According to an embodiment, the method further includes filtering PPG signals from motion artifacts. Filtering of PPG signals from motion artifacts (body movements when walking, movements of hands, fingers, trembling, etc.) can be performed, for example, using accelerometer data from a wearable device, and is carried out for the purpose of further processing of filtered signals of higher quality.

Согласно варианту осуществления способа, преобразование ФПГ-сигналов из временной области в частотную область осуществляют путем преобразования Фурье или преобразования Гильберта-Хуанга, а преобразование из временной области в частотно-временную область осуществляют путем вейвлет-преобразования.According to an embodiment of the method, the conversion of PPG signals from the time domain to the frequency domain is carried out by the Fourier transform or the Hilbert-Huang transform, and the conversion from the time domain to the time-frequency domain is carried out by the wavelet transform.

Согласно варианту осуществления способа, наиболее значимый сигнал характеризуется наилучшим отношением сигнал/шум, самой высокой амплитудой и/или наименее затронут шумами.According to an embodiment of the method, the most significant signal has the best signal-to-noise ratio, the highest amplitude and/or is least affected by noise.

Согласно варианту осуществления способа, извлечение гармоник из опорного сигнала включает определение координаты основной гармоники и вычисление координат других гармоник.According to an embodiment of the method, extracting harmonics from a reference signal includes determining the coordinate of the fundamental harmonic and calculating the coordinates of other harmonics.

Согласно варианту осуществления способа, описание ФПГ-сигналов относительно гармоник включает измерение для каждой гармоники амплитуды, площади кривой, ширины на половине высоты пика и/или отношения сигнал/шум с получением набора амплитудно-фазовых характеристик гармоник.According to an embodiment of the method, the description of PPG signals relative to harmonics includes measuring for each harmonic the amplitude, curve area, width at half height of the peak and/or signal-to-noise ratio to obtain a set of amplitude-phase characteristics of the harmonics.

Согласно варианту осуществления способа, сравнение осуществляют с использованием численного метода или алгоритма прогнозирования с учетом данных профилей других пользователей, наборов характеристик из базы данных, заранее измеренных у других пользователей, и концентраций гемоглобина, заранее измеренных лабораторным методом.According to an embodiment of the method, the comparison is made using a numerical method or a prediction algorithm taking into account profile data from other users, sets of characteristics from a database previously measured from other users, and hemoglobin concentrations previously measured by a laboratory method.

Согласно варианту осуществления способа, в качестве численного метода используют алгоритм машинного обучения или обучение с помощью нейронной сети.According to an embodiment of the method, a machine learning algorithm or learning using a neural network is used as a numerical method.

Согласно варианту осуществления способа, база данных выполнена с возможностью храниться на запоминающем устройстве, удаленном сервере и/или в облачном хранилище.According to an embodiment of the method, the database is configured to be stored on a storage device, a remote server and/or in a cloud storage.

Согласно варианту осуществления, способ дополнительно включает осуществление корреляции определенной концентрации гемоглобина с использованием значения концентрации гемоглобина, полученного лабораторным методом, обновление базы данных и уточнение алгоритма прогнозирования с использованием алгоритма машинного обучения или нейронной сети.According to an embodiment, the method further includes correlating the determined hemoglobin concentration using a laboratory-derived hemoglobin concentration value, updating the database, and refining the prediction algorithm using a machine learning algorithm or a neural network.

Согласно варианту осуществления, способ дополнительно предназначен для определения концентрации оксигемоглобина в крови пользователя.According to an embodiment, the method is further adapted to determine the concentration of oxyhemoglobin in the user's blood.

Предлагаемое изобретение дополнительно относится к системе для определения концентрации гемоглобина в крови пользователя, содержащей вышеупомянутое носимое устройство и удаленный сервер или облачное хранилище, при этом система содержит средства обмена информацией между носимым устройством и удаленным сервером и/или облачным хранилищем.The present invention further relates to a system for determining the concentration of hemoglobin in the blood of a user, comprising the above-mentioned wearable device and a remote server or cloud storage, wherein the system contains means for exchanging information between the wearable device and the remote server and/or cloud storage.

Согласно варианту осуществления системы, база данных предназначена для хранения на запоминающем устройстве, удаленном сервере и/или в облачном хранилище и выполнена с возможностью доступа к данным пользователя с внешних устройств через удаленный сервер и/или облачное хранилище.According to an embodiment of the system, the database is designed to be stored on a storage device, a remote server and/or in a cloud storage and is configured to access user data from external devices through a remote server and/or cloud storage.

Согласно варианту осуществления системы, на удаленном сервере и/или в облачном хранилище хранятся данные профиля пользователя и результаты предыдущих определений концентрации гемоглобина.According to an embodiment of the system, user profile data and the results of previous hemoglobin concentration determinations are stored on a remote server and/or cloud storage.

Согласно варианту осуществления, система дополнительно содержит средства для доступа к данным профиля пользователя и результатам предыдущих определений концентрации гемоглобина с других электронных устройств.According to an embodiment, the system further includes means for accessing user profile data and results of previous hemoglobin concentration determinations from other electronic devices.

Предлагаемые носимое устройство, способ и система обеспечивают возможность неинвазивного, непрерывного, надежного и устойчивого к движению контроля свойств крови, в частности, определения концентрации гемоглобина и насыщения крови кислородом, и пригодны для непрофессионального применения.The proposed wearable device, method and system provide the possibility of non-invasive, continuous, reliable and motion-resistant monitoring of blood properties, in particular, determination of hemoglobin concentration and blood oxygen saturation, and are suitable for non-professional use.

Далее со ссылкой на чертежи будут описаны примерные варианты осуществления изобретения. Специалистам в данной области техники будет понятно, что различные примерные варианты осуществления ни в коем случае не следует истолковывать как ограничивающие объем заявляемого изобретения, и что специалистами могут быть применены другие материальные и технические средства, эквивалентные или аналогичные перечисленным ниже, для выполнения различных операций, функций, этапов способа и т.п., описанных ниже. Настоящее подробное описание не предназначено для ограничения объема заявленного изобретения, который определяется только прилагаемой формулой изобретения.Exemplary embodiments of the invention will now be described with reference to the drawings. Those skilled in the art will appreciate that the various exemplary embodiments should in no way be construed as limiting the scope of the claimed invention, and that other material and technical means equivalent or similar to those listed below may be employed by those skilled in the art to perform the various operations, functions , method steps, etc. described below. This detailed description is not intended to limit the scope of the claimed invention, which is defined only by the appended claims.

На фиг. 1 схематично проиллюстрирована зависимость формы ФПГ-сигнала от длины волны и пользователя. Хорошо видно, что форма волны пульсового сигнала зависит не только от длины волны первичного излучения, но также и от конкретного пользователя. Основными факторами, влияющими на форму ФПГ-сигнала, являются поглощение и рассеивание излучения в ткани, гидродинамика кровеносных сосудов, механическая деформация в ткани. При этом, например, концентрацию гемоглобина в крови пациента определяют по поглощению излучения в ткани, а точнее, как будет обсуждено далее, по пульсирующей (АС) составляющей поглощения в артериальной крови, а вклад, вносимый в сигнал за счет рассеивания излучения в ткани, гидродинамики кровеносных сосудов и механической деформации, является источником ошибок и должен быть устранен. С учетом особенностей процессов распространения оптического излучения в биологической ткани, которые будут обсуждаться далее, вышеуказанные процессы (источники ошибок) приводят к существенному изменению формы пульсовой волны в зависимости от длины волны, и при этом форма волны специфична в отношении оптических свойств ткани каждого индивидуального пользователя. Таким образом, для корректного измерения концентрации гемоглобина в крови (определяемой поглощением излучения в артериальной крови) необходимо анализировать форму ФПГ-сигнала. Здесь важными моментами являются следующие: необходимость спектроскопических измерений на множестве длин волн, необходимость учитывать, что на некоторых длинах волн ФПГ-сигнал может быть очень слабым, сигнал может иметь трудную для обработки форму, необходимость измерять слабый ФПГ-сигнал, имеющий сложную форму.In fig. Figure 1 schematically illustrates the dependence of the PPG signal shape on the wavelength and user. It can be clearly seen that the waveform of the pulse signal depends not only on the wavelength of the primary radiation, but also on the specific user. The main factors influencing the shape of the PPG signal are the absorption and scattering of radiation in the tissue, the hydrodynamics of blood vessels, and mechanical deformation in the tissue. In this case, for example, the concentration of hemoglobin in the patient’s blood is determined by the absorption of radiation in the tissue, or more precisely, as will be discussed below, by the pulsating (AC) component of absorption in arterial blood, and the contribution made to the signal due to the scattering of radiation in the tissue is hydrodynamics blood vessels and mechanical deformation is a source of error and must be eliminated. Taking into account the peculiarities of the propagation of optical radiation in biological tissue, which will be discussed below, the above processes (sources of errors) lead to a significant change in the shape of the pulse wave depending on the wavelength, and the waveform is specific to the optical properties of the tissue of each individual user. Thus, to correctly measure the hemoglobin concentration in the blood (determined by the absorption of radiation in arterial blood), it is necessary to analyze the shape of the PPG signal. The important points here are the following: the need for spectroscopic measurements at multiple wavelengths, the need to take into account that at some wavelengths the PPG signal can be very weak, the signal can have a form difficult to process, the need to measure a weak PPG signal that has a complex shape.

На фиг. 2А схематично проиллюстрировано различие в механизмах рассеивания и поглощения излучения в исследуемом объеме ткани в режиме пропускания и в режиме отражения. В режиме пропускания, используемом в медицинских и лабораторных применениях, излучение от источника света до детектора света на двух разных длинах волн λ1 и λ2 проходит приблизительно одинаковый оптический путь через ткань пациента и взаимодействует с одними и теми же участками ткани. В режиме отражения, используемом в носимых устройствах, например, в умных часах и фитнес-браслетах, излучение от источника света до детектора света на двух разных длинах волн λ1 и λ2 проходит различный путь и взаимодействует с разными участками ткани пациента. Например, излучение с длиной волны λ2 взаимодействует только с кожей пациента и частично с мышечной тканью, включающей капиллярные кровеносные сосуды, в то время как излучение с длиной волны λ2 взаимодействует с кожей пациента, с мышечной тканью, включая не только капиллярные кровеносные сосуды, но также венозные и артериальные сосуды. Однако, для правильного измерения гемоглобина требуется одинаковый исследуемый объем ткани, что трудно обеспечить в режиме отражения. Следовательно, необходимо найти решение, чтобы преодолеть эту проблему.In fig. Figure 2A schematically illustrates the difference in the mechanisms of scattering and absorption of radiation in the tissue volume under study in the transmission mode and in the reflection mode. In the transmission mode used in medical and laboratory applications, radiation from the light source to the light detector at two different wavelengths λ 1 and λ 2 travels approximately the same optical path through the patient's tissue and interacts with the same areas of tissue. In the reflection mode used in wearable devices, such as smart watches and fitness bracelets, the radiation from the light source to the light detector at two different wavelengths λ 1 and λ 2 travels a different path and interacts with different areas of the patient's tissue. For example, radiation with wavelength λ 2 interacts only with the patient's skin and partially with muscle tissue, including capillary blood vessels, while radiation with wavelength λ 2 interacts with the patient's skin, with muscle tissue, including not only capillary blood vessels, but also venous and arterial vessels. However, correct hemoglobin measurement requires an equal tissue volume of interest, which is difficult to achieve in reflectance mode. Therefore, a solution needs to be found to overcome this problem.

На фиг. 2Б схематично проиллюстрированы формы ФПГ-сигнала на длинах волн 530 нм и 655 нм в режиме пропускания и режиме отражения. Как отмечено выше в отношении фиг. 2А, оптический путь излучения на разных длинах волн в режиме пропускания приблизительно одинаков, поэтому ФПГ-сигнал в этом режиме имеет похожую форму на разных длинах волн, например, 530 нм и 655 нм, как показано пунктирными линиями на фиг. 2Б. В то же время ФПГ-сигнал в режиме отражения имеет очень разную форму на разных длинах волн, как показано сплошными линиями на фиг. 2Б. Принимая во внимание вышесказанное, основными проблемами спектрального анализа ФПГ-сигнала являются следующие:In fig. Figure 2B schematically illustrates the shapes of the PPG signal at wavelengths of 530 nm and 655 nm in transmission mode and reflection mode. As noted above with respect to FIG. 2A, the optical emission path at different wavelengths in the transmission mode is approximately the same, so the PPG signal in this mode has a similar shape at different wavelengths, for example, 530 nm and 655 nm, as shown by the dotted lines in FIG. 2B. At the same time, the PPG signal in reflection mode has very different shapes at different wavelengths, as shown by the solid lines in Fig. 2B. Taking into account the above, the main problems of spectral analysis of the PPG signal are the following:

- АС-составляющая пульсового сигнала имеет сложную форму, то есть это не гармонический и не синусоидальный сигнал;- The AC component of the pulse signal has a complex shape, that is, it is not a harmonic or sinusoidal signal;

- форма АС-составляющей зависит от длины волны излучения, то есть форма пульсового сигнала несет информацию в том числе о спектральных свойствах ткани;- the shape of the AC component depends on the wavelength of the radiation, that is, the shape of the pulse signal carries information, including about the spectral properties of the tissue;

- ограниченность работы в режиме отражения.- limited operation in reflection mode.

При поиске решения важно учитывать значительно разные оптические пути для разных длин волн, что менее важно в режиме пропускания и критично для режима отражения (например, для умных часов), необходимость измерения одного и того же участка ткани, разную форму импульса, обусловленную разницей в рассеянии и поглощении излучения. Таким образом, для режима отражения предпочтительно анализировать форму ФПГ-сигнала.When looking for a solution, it is important to take into account the significantly different optical paths for different wavelengths, which is less important in the transmission mode and critical for the reflection mode (for example, for smart watches), the need to measure the same tissue area, the different pulse shape due to differences in scattering and absorption of radiation. Thus, for the reflection mode, it is preferable to analyze the shape of the PPG signal.

На фиг. 3А схематично проиллюстрированы спектры поглощения цельной крови при разных концентрациях гемоглобина, полученные с помощью фотоплетизмографии (ФПГ) на некоторых длинах волн излучения. Штриховыми линиями изображены непрерывные спектры поглощения цельной крови при двух разных концентрациях гемоглобина, а кружками - поглощение, измеренное в нескольких дискретных точках. Из фиг. 3А видно, что в идеальных условиях, когда имеется цельная кровь в кювете, концентрацию гемоглобина можно определить путем измерения пропускания оптического излучения на любой одной длине волны. Однако, случай цельной крови является идеальным, и в реальных случаях невозможно осуществить измерения на цельной крови неинвазивным образом.In fig. Figure 3A schematically illustrates the absorption spectra of whole blood at different hemoglobin concentrations, obtained using photoplethysmography (PPG) at certain radiation wavelengths. The dashed lines represent continuous absorption spectra of whole blood at two different hemoglobin concentrations, and the circles represent absorption measured at several discrete points. From fig. 3A shows that under ideal conditions, when there is whole blood in the cuvette, the hemoglobin concentration can be determined by measuring the transmittance of optical radiation at any one wavelength. However, the whole blood case is ideal, and in real cases it is not possible to perform measurements on whole blood in a non-invasive manner.

На фиг. 3Б схематично проиллюстрированы спектры поглощения при одинаковой концентрации гемоглобина, но при наличии в одном случае других компонентов крови или других тканей, включая меланин, липиды, белки и т.д. Из фиг. 3Б видно, что на некоторых длинах волн, например, на λm, происходит заметное поглощение оптического излучения за счет наличия других компонентов крови или других тканей. Таким образом, другие компоненты крови или другие ткани могут поглощать на тех же длинах волн, что и гемоглобин. Следовательно, невозможно определенно сказать, поглощение на длине волны λm изменилось из-за гемоглобина или чего-то еще.In fig. Figure 3B schematically illustrates the absorption spectra at the same hemoglobin concentration, but in the presence in one case of other blood components or other tissues, including melanin, lipids, proteins, etc. From fig. 3B shows that at some wavelengths, for example, at λ m , noticeable absorption of optical radiation occurs due to the presence of other components of blood or other tissues. Thus, other blood components or other tissues may absorb at the same wavelengths as hemoglobin. Therefore, it is impossible to say definitively whether the absorption at wavelength λ m has changed due to hemoglobin or something else.

Как видно из фиг. 3А и Б, идеальным случаем при анализе крови является измерение только поглощения крови, когда поглощение на любой длине волны соответствует изменениям концентрации гемоглобина крови. В реальном случае на практике измеряют поглощение целой ткани, включающей кровь, при этом другие компоненты также могут поглощать излучение на тех же длинах волн, оказывая влияние на пульсовый сигнал. Следовательно, измерение поглощения на единственной длине волны может приводить к некорректному результату. Поэтому в данном случае необходим спектроскопический подход к измерениям, т.е. для корректного определения концентрации гемоглобина необходимо измерять спектр поглощения на нескольких длинах волн.As can be seen from Fig. 3A and B, the ideal case in blood testing is to measure blood absorbance only, where absorbance at any wavelength corresponds to changes in blood hemoglobin concentration. In actual practice, the absorption of entire tissue, including blood, is measured, and other components may also absorb radiation at the same wavelengths, affecting the pulse signal. Therefore, measuring absorption at a single wavelength may lead to incorrect results. Therefore, in this case, a spectroscopic approach to measurements is necessary, i.e. To correctly determine the hemoglobin concentration, it is necessary to measure the absorption spectrum at several wavelengths.

На фиг. 4А схематично проиллюстрирован первый традиционный подход к обработке ФПГ-сигнала, состоящий в измерении площади под кривой (AUC) АС-составляющей ФПГ-сигнала, т.е. определении интегральной площади формы ФПГ-сигнала. Считается, что измеренная таким образом интенсивность АС-составляющей пропорциональна оптическому пропусканию измеряемого объема ткани и может быть пересчитана в поглощение на этом участке согласно закону Бугера-Ламберта-Бера. Это самый простой подход к измерениям, применяемый в режиме пропускания, как обсуждено выше. Очевидно, что отображенные на фиг. 4А сигналы имеют примерно одинаковую интегральную площадь, но разные формы кривых. Поскольку при данном подходе информация о форме импульса не принимается во внимание, измерение оптического пропускания и поглощения в режиме отражения выполняется с большой ошибкой.In fig. 4A schematically illustrates the first traditional approach to processing a PPG signal, which consists of measuring the area under the curve (AUC) of the AC component of the PPG signal, i.e. determining the integral area of the PPG signal shape. It is believed that the intensity of the AC component measured in this way is proportional to the optical transmittance of the measured volume of tissue and can be converted into absorption in this area according to the Bouguer-Lambert-Beer law. This is the simplest measurement approach, applied in transmission mode as discussed above. It is obvious that those shown in FIGS. 4A signals have approximately the same integral area, but different curve shapes. Since this approach does not take into account information about the pulse shape, the measurement of optical transmission and absorption in the reflection mode is carried out with a large error.

На фиг. 4Б схематично проиллюстрирован второй традиционный подход к обработке ФПГ-сигнала, состоящий в оценке формы кривой ФПГ-сигнала. Первый пик пульсовой волны, соответствующий анакротическому периоду пульсовой волны, образуется в период систолы («систолический пик» обозначен как SIS). Амплитудное значение анакротической фазы носит также название амплитуды пульсовой волны и соответствует ударному объему крови при сердечном выбросе, предоставляя таким образом косвенные сведения о степени инотропного эффекта. Второй пик пульсовой волны, соответствующий дикротическому периоду пульсовой волны, образуется за счет отражения объема крови от аорты и крупных магистральных сосудов и частично соответствует диастолическому периоду сердечного цикла («диастолический пик» обозначен как DIA). Дикротическая фаза предоставляет информацию о тонусе сосудов. Вершина пульсовой волны соответствует наибольшему объему крови, а ее противолежащая часть - наименьшему объему крови в исследуемом участке ткани. На нисходящем фронте каждой волны заметна впадина - дикротическая инцизура, которая соответствует закрытию аортального клапана («дикротическая вырезка» обозначена как DN). Характер пульсовой волны зависит от эластичности сосудистой стенки, частоты пульса, объема исследуемого участка ткани, ширины просвета сосудов и т.д. Считается, что частота и продолжительность пульсовой волны зависит от особенностей работы сердца, а величина и форма ее пиков - от состояния сосудистой стенки. Если на пульсовой волне отчетливо выражены систолический и диастолический пики, а также впадина между ними (верхний ФПГ-сигнал на фиг. 4Б, редкий случай идеальной кривой, характерной для молодых, здоровых людей с сильной сердечно-сосудистой системой), подход к определению оптических свойств ткани по форме кривой ФПГ-сигнала работает хорошо. В большинстве случаев указанные особенности пульсовой волны выражены нечетко (средний график на фиг. 4Б, характерно для взрослых относительно здоровых людей), такой подход во многих случаях работает, но подвержен ошибкам, поскольку требует индивидуальной настройки алгоритма для каждой кривой, а значит, трудно оптимизировать обработку. Однако, у некоторых пациентов систолический и диастолический пики, а также впадина между ними могут быть трудны для определения или вообще неразличимы (нижний график на фиг. 4Б, редкий случай плохой кривой, характерной для пожилых людей со слабой сердечно-сосудистой системой или молодых нездоровых людей). В этом случае форма кривой волнового сигнала характеризуется теми же параметрами, имеющими ясный физиологический смысл, как описано выше, но формализация алгоритма для нахождения этих точек затруднена и поэтому форма характеризуется неточно.In fig. 4B schematically illustrates the second traditional approach to processing the PPG signal, which consists of estimating the shape of the PPG signal curve. The first peak of the pulse wave, corresponding to the anacrotic period of the pulse wave, is formed during systole (the “systolic peak” is designated SIS). The amplitude value of the anacrotic phase is also called the amplitude of the pulse wave and corresponds to the stroke volume of blood during cardiac output, thus providing indirect information about the degree of inotropic effect. The second peak of the pulse wave, corresponding to the dicrotic period of the pulse wave, is formed due to the reflection of blood volume from the aorta and large great vessels and partially corresponds to the diastolic period of the cardiac cycle (“diastolic peak” is designated as DIA). The dicrotic phase provides information about vascular tone. The top of the pulse wave corresponds to the largest volume of blood, and its opposite part corresponds to the smallest volume of blood in the tissue area under study. On the descending front of each wave there is a noticeable depression - the dicrotic incisura, which corresponds to the closure of the aortic valve (the "dicrotic incision" is designated DN). The nature of the pulse wave depends on the elasticity of the vascular wall, pulse rate, volume of the tissue area being examined, width of the lumen of the vessels, etc. It is believed that the frequency and duration of the pulse wave depends on the characteristics of the heart, and the size and shape of its peaks depend on the condition of the vascular wall. If the pulse wave clearly shows the systolic and diastolic peaks, as well as the valley between them (the upper PPG signal in Fig. 4B, a rare case of an ideal curve, characteristic of young, healthy people with a strong cardiovascular system), an approach to determining the optical properties tissue according to the shape of the PPG signal curve works well. In most cases, these features of the pulse wave are not clearly expressed (the middle graph in Fig. 4B, typical for relatively healthy adults); this approach works in many cases, but is prone to errors, since it requires individual adjustment of the algorithm for each curve, which means it is difficult to optimize processing. However, in some patients, the systolic and diastolic peaks, and the trough between them, may be difficult to detect or even indistinguishable (bottom graph in Fig. 4B, a rare case of a poor curve, characteristic of older people with weak cardiovascular systems or young unhealthy people ). In this case, the shape of the wave signal curve is characterized by the same parameters that have a clear physiological meaning, as described above, but the formalization of the algorithm for finding these points is difficult and therefore the shape is characterized inaccurately.

Дополнительно на фиг. 5А проиллюстрирован эффект использования первого традиционного подхода (определение AUC) к обработке ФПГ-сигнала по фиг. 4А на примере определения концентрации гемоглобина. На фиг. 5А штриховыми кривыми показаны спектры поглощения цельной крови с разной концентрацией X и Y гемоглобина, то есть зависимости поглощения от длины волны излучения, кружками обозначены значения поглощения, определенные по площадям ФПГ-сигнала, то есть по интегральным площадям АС-составляющих сигнала. При этом кружки для различных концентраций на представленных графиках расположены близко друг к другу и заметно смещены от истинных значений поглощения. Это означает, что определение концентрации гемоглобина по площадям АС-составляющей ФПГ-сигнала дает в результате некорректное значение концентрации. Более того, при таком подходе зачастую невозможно различить две различные концентрации гемоглобина крови.Additionally in FIG. 5A illustrates the effect of using the first traditional approach (AUC determination) to processing the PPG signal of FIG. 4A using the example of determining hemoglobin concentration. In fig. 5A, dashed curves show the absorption spectra of whole blood with different concentrations X and Y of hemoglobin, that is, the dependence of absorption on the radiation wavelength; circles indicate absorption values determined from the areas of the PPG signal, that is, from the integral areas of the AC components of the signal. At the same time, the circles for different concentrations on the presented graphs are located close to each other and are noticeably shifted from the true absorption values. This means that determining the hemoglobin concentration from the areas of the AC component of the PPG signal results in an incorrect concentration value. Moreover, with this approach it is often impossible to distinguish between two different blood hemoglobin concentrations.

Что касается использования второго традиционного подхода к обработке ФПГ-сигнала применительно к определению концентрации гемоглобина с использованием критических точек пульсового сигнала, как показано на фиг. 5Б, в одном случае при концентрации гемоглобина Y (верхняя кривая) подход позволяет осуществлять достаточно точные измерения, однако, в других случаях (нижняя кривая) вообще нельзя определить поглощение излучения на некоторых длинах волн вследствие невозможности различить критические точки на кривой ФПГ-сигнала, а значит, невозможно определить концентрацию гемоглобина по форме кривой пульсового сигнала.Regarding the use of the second traditional approach to processing the PPG signal in relation to determining the hemoglobin concentration using the critical points of the pulse signal, as shown in FIG. 5B, in one case, at hemoglobin concentration Y (upper curve), the approach allows for fairly accurate measurements, however, in other cases (lower curve), it is generally impossible to determine radiation absorption at some wavelengths due to the inability to distinguish critical points on the PPG signal curve, and This means that it is impossible to determine the hemoglobin concentration from the shape of the pulse signal curve.

В отличие от рассмотренных подходов, способ по настоящему изобретению можно применять при любой форме пульсового сигнала, как будет описано далее.Unlike the approaches discussed, the method of the present invention can be applied to any pulse waveform, as will be described below.

Далее со ссылкой на фиг. 6А, 6Б будет показано схематическое изображение носимого устройства 201 с функцией определения концентрации гемоглобина в крови пользователя.Next, with reference to FIG. 6A, 6B will show a schematic diagram of a wearable device 201 with a function for detecting the hemoglobin concentration in the user's blood.

Со ссылкой на фиг. 6А будет описана блок-схема предпочтительного варианта осуществления носимого устройства 201, содержащего корпус 202, процессор (микропроцессор) 203, батарею 204, по меньшей мере один ФПГ-датчик 208, устройство 209 ввода, устройство 210 вывода, дисплей 211, запоминающее устройство 212 и модуль 213 связи, включающий в себя модуль 223 беспроводной связи и модуль 224 проводной связи. Устройство 209 ввода и устройство 210 вывода могут быть выполнены в виде единого устройства ввода и вывода. Носимое устройство 201 может содержать дополнительные датчики, например, инерционные датчики перемещения, гироскопы, акселерометры, датчик измерения электрокардиограммы (ЭКГ), датчик атмосферного давления, датчик влажности, датчик Холла, датчик внешней освещенности и т.д. В вариантах осуществления носимое устройство 201 может представлять собой смарт-устройство, в частности, умные часы или фитнес-браслет, медицинское носимое устройство для мониторинга состояния здоровья с функцией определения концентрации гемоглобина и др. Носимое устройство представляет собой электронное носимое устройство и может быть выполнено с возможностью установления проводного или беспроводного канала связи с внешними устройствами, например, устройствами 225, 226, такими как смартфоны, носимые фитнес-браслеты, голосовые помощники, смарт-телевизоры, умные часы и т.п., или сервером 227 и с возможностью передачи данных через сеть 228 или облачное хранилище 229.With reference to FIG. 6A, a block diagram of a preferred embodiment of a wearable device 201 will be described, comprising a housing 202, a processor (microprocessor) 203, a battery 204, at least one PPG sensor 208, an input device 209, an output device 210, a display 211, a storage device 212, and a communication module 213 including a wireless communication module 223 and a wired communication module 224. The input device 209 and the output device 210 may be configured as a single input and output device. The wearable device 201 may include additional sensors, such as inertial motion sensors, gyroscopes, accelerometers, an electrocardiogram (ECG) measurement sensor, an atmospheric pressure sensor, a humidity sensor, a Hall sensor, an ambient light sensor, etc. In embodiments, the wearable device 201 may be a smart device, in particular, a smart watch or fitness bracelet, a medical wearable device for monitoring health status with the function of determining hemoglobin concentration, etc. The wearable device is an electronic wearable device and can be configured with the ability to establish a wired or wireless communication channel with external devices, for example, devices 225, 226, such as smartphones, wearable fitness bracelets, voice assistants, smart TVs, smart watches, etc., or a server 227 and with the ability to transmit data via network 228 or cloud storage 229.

Носимое устройство 201 с ФПГ-датчиком 208 в режиме отражения способно детектировать свет, обратно-рассеянный и/или обратно-отраженный от тканей пользователя, включая кожу, кости, кровь, кровеносных сосуды.The wearable device 201 with the PPG sensor 208 in reflection mode is capable of detecting light backscattered and/or backreflected from the user's tissues, including skin, bones, blood, and blood vessels.

В носимых устройствах с ФПГ-датчиком используется режим отражения с целью удобного размещения устройства, например, на руке пользователя. При ношении на руке или другой части тела пользователя ФПГ-датчик находится в контакте с кожей. Однако на ФПГ-датчик, проводящий измерения в режиме отражения, могут влиять артефакты движения и колебания давления. Любое движение, например, физическая активность, может привести к артефактам движения, которые искажают ФПГ-сигнал и ограничивают точность измерения физиологических параметров. Колебания давления, воздействующие на датчик, такие как контактная сила между ФПГ-датчиком и местом измерения, то есть сила, с которой устройство прижимается к коже пользователя, могут деформировать геометрию артерии за счет сжатия. Таким образом, в режиме отражения на амплитуду переменной составляющей ФПГ-сигнала может влиять давление, оказываемое на кожу. Более подробно такие влияния на измерение ФПГ-сигнала описаны в статье Toshiyo Tamura, Current Progress of Photoplethysmography and SpO2 for Health Monitoring, Biomedical Engineering Letters (2019) 9, cc. 21-36 (https://doi.org/10.1007/s13534-019-00097-w).Wearable devices with a PPG sensor use reflection mode to conveniently place the device, for example, on the user's hand. When worn on the arm or other part of the user's body, the PPG sensor is in contact with the skin. However, a PPG sensor measuring in reflective mode can be affected by motion artifacts and pressure fluctuations. Any movement, such as physical activity, can lead to motion artifacts that distort the PPG signal and limit the accuracy of physiological parameter measurements. Pressure fluctuations acting on the sensor, such as the contact force between the PPG sensor and the measurement site, that is, the force with which the device is pressed against the user's skin, can deform the geometry of the artery due to compression. Thus, in the reflection mode, the amplitude of the variable component of the PPG signal can be influenced by the pressure exerted on the skin. Such influences on the measurement of the PPG signal are described in more detail in the article by Toshiyo Tamura, Current Progress of Photoplethysmography and SpO 2 for Health Monitoring, Biomedical Engineering Letters (2019) 9, cc. 21-36 (https://doi.org/10.1007/s13534-019-00097-w).

Электрическая схема ФПГ-датчика может содержать усилитель, фильтр верхних частот (около 0,1 Гц) для отсекания постоянной составляющей и получения пульсирующих изменений сигнала, фильтр нижних частот (около 30 Гц) для устранения высокочастотного шума, а также микропроцессор. Используемый диапазон частот зависит от конструкции схемы. ФПГ-датчик может иметь беспроводной модуль для передачи данных на внешнее устройство. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, проиллюстрированном на фиг. 6Б, носимое устройство 201 выполнено в виде умных часов, которые предназначены для размещения на запястье пользователя. В других вариантах осуществления настоящего изобретения носимое устройство 201 может быть выполнено размещаемым на других частях тела пользователя, например, на пальце руки.The electrical circuit of a PPG sensor may contain an amplifier, a high-pass filter (about 0.1 Hz) to cut off the DC component and obtain pulsating changes in the signal, a low-pass filter (about 30 Hz) to eliminate high-frequency noise, and a microprocessor. The frequency range used depends on the circuit design. The PPG sensor may have a wireless module for transmitting data to an external device. In the preferred embodiment of the present invention illustrated in FIG. 6B, the wearable device 201 is in the form of a smart watch that is designed to be placed on the user's wrist. In other embodiments of the present invention, the wearable device 201 may be configured to be placed on other parts of the user's body, such as a finger.

На фиг. 6Б носимое устройство 201 проиллюстрировано на виде сверху и виде снизу. Согласно этому варианту осуществления, корпус 202 носимого устройства 201 включает первую поверхность 214 (или переднюю поверхность), вторую поверхность (или заднюю поверхность) 215 и боковую поверхность 216, окружающую пространство между первой поверхностью 214 и второй поверхностью 215, и элементы 217 крепления, предназначенные для отсоединяемого крепления носимого устройства 201 на запястье, например, с помощью часового ремешка.In fig. 6B, the wearable device 201 is illustrated in a top view and a bottom view. According to this embodiment, the body 202 of the wearable device 201 includes a first surface 214 (or front surface), a second surface (or rear surface) 215, and a side surface 216 surrounding the space between the first surface 214 and the second surface 215, and fastening members 217 for for detachably attaching the wearable device 201 to the wrist, for example, using a watch strap.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, процессор 203 выполнен с возможностью получать упомянутые по меньшей мере два ФПГ-сигнала от упомянутого по меньшей мере одного ФПГ-датчика 208, сохранять их на запоминающем устройстве 212 и загружать их из запоминающего устройства 212 для выполнения операций обработки.According to an embodiment of the present invention, the processor 203 is configured to receive the at least two PPG signals from the at least one PPG sensor 208, store them in the storage device 212, and load them from the storage device 212 to perform processing operations.

Процессор 203 выполнен с возможностью выполнять фильтрацию упомянутых по меньшей мере двух ФПГ-сигналов с различными длинами волн от артефактов движения, разделять упомянутые по меньшей мере два ФПГ-сигнала с различными длинами волн на АС- и DC-составляющие временных рядов и преобразовывать эти временные ряды (сигнал во временной области) в частотную область или частотно-временную область с последующим извлечением их амплитудно-фазовых характеристик гармоник, причем преобразование упомянутых временных рядов в частотную область может содержать преобразование Фурье или преобразование Гильберта-Хуанга, а преобразование упомянутых временных рядов в частотно-временную область может содержать вейвлет-преобразование или билинейное частотно-временное распределение.The processor 203 is configured to filter the at least two PPG signals with different wavelengths from motion artifacts, separate the at least two PPG signals with different wavelengths into AC and DC components of the time series, and transform these time series (time domain signal) into the frequency domain or time-frequency domain and then extracting their amplitude-phase harmonic characteristics, wherein the transformation of said time series into the frequency domain may comprise a Fourier transform or a Hilbert-Huang transform, and the transformation of said time series into a frequency domain the time domain may contain a wavelet transform or a bilinear time-frequency distribution.

Процессор 203 выполнен с возможностью получать дополнительные данные (например, данные с упомянутых дополнительных датчиков носимого устройства 201), сохранять их на запоминающем устройстве 212 носимого устройства 201, а также загружать их из запоминающего устройства 212 для выполнения операций, при необходимости.The processor 203 is configured to receive additional data (eg, data from said additional sensors of the wearable device 201), store it on the storage device 212 of the wearable device 201, and load it from the storage device 212 to perform operations, if necessary.

Процессор 203 носимого устройства 201 выполнен с возможностью передавать информацию о концентрации гемоглобина в крови пользователя, определенной на основании показаний датчиков 208, на устройство 210 вывода для информирования пользователя.The processor 203 of the wearable device 201 is configured to transmit information about the hemoglobin concentration in the user's blood, determined based on the readings of the sensors 208, to the output device 210 to inform the user.

Процессор 203 выполнен с возможностью загружать данные, принятые с помощью модуля 213 связи в запоминающее устройство 212, и/или загружать данные из запоминающего устройства 212 в модуль 213 связи для передачи их на внешнее устройство (например, устройства 225, 226, сервер 227 или облачное хранилище 229).The processor 203 is configured to load data received by the communication module 213 into the storage device 212, and/or load data from the storage device 212 into the communication module 213 for transferring it to an external device (for example, devices 225, 226, server 227, or cloud storage 229).

Батарея 204 выполнена с возможностью подавать питание на по меньшей мере один компонент носимого устройства 201.The battery 204 is configured to supply power to at least one component of the wearable device 201.

Со ссылкой на фиг. 6Б проиллюстрировано, что упомянутый по меньшей мере один ФПГ-датчик носимого устройства 201 расположен на его задней поверхности. Таким образом, при работе поверхность излучения ФПГ-датчика соприкасается с запястьем пользователя. В носимом устройстве 201 может быть предусмотрено несколько ФПГ-датчиков.With reference to FIG. 6B illustrates that the at least one PPG sensor of the wearable device 201 is located on its rear surface. Thus, during operation, the radiation surface of the PPG sensor comes into contact with the user’s wrist. The wearable device 201 may include multiple PPG sensors.

Упомянутый по меньшей мере один ФПГ-датчик 208 выполнен с возможностью измерения по меньшей мере двух ФПГ-сигналов с различными длинами волн. В варианте осуществления настоящего изобретения, показанном на фиг. 6Б, упомянутый по меньшей мере один ФПГ-датчик 208 размещен на стороне задней поверхности 215 корпуса 202 (поверхности, обращенной к коже пользователя). В одном варианте осуществления настоящего изобретения (не показан) носимое устройство 201 может содержать два ФПГ-датчика 208, каждый из которых содержит по одному источнику 221 излучения и одному приемнику 222 излучения, причем источники 221 излучения этих двух ФПГ-датчиков излучают свет различных длин волн. В этом варианте осуществления настоящего изобретения два ФПГ-датчика 208 способны обеспечить снятие двух ФПГ-сигналов с различными длинами волн. В варианте осуществления настоящего изобретения, показанном на фиг. 6Б, носимое устройство 201 содержит один ФПГ-датчик 208, содержащий два источника 221 излучения и два приемника 222 излучения, причем эти источники 221 излучения излучают свет различных длин волн. В этом варианте осуществления настоящего изобретения один ФПГ-датчик 208 способен обеспечить снятие двух ФПГ-сигналов различных длин волн. В варианте осуществления настоящего изобретения источник 221 излучения может содержать светоизлучающий диод (светодиод). Между источниками и/или приемниками излучения могут быть предусмотрены фотобарьеры для уменьшения шумов и исключения перекрестных помех.Said at least one PPG sensor 208 is configured to measure at least two PPG signals with different wavelengths. In the embodiment of the present invention shown in FIG. 6B, the at least one PPG sensor 208 is located on the rear surface 215 side of the housing 202 (the surface facing the user's skin). In one embodiment of the present invention (not shown), the wearable device 201 may include two PPG sensors 208, each of which contains one radiation source 221 and one radiation receiver 222, and the radiation sources 221 of these two PPG sensors emit light of different wavelengths. . In this embodiment of the present invention, two PPG sensors 208 are capable of capturing two PPG signals with different wavelengths. In the embodiment of the present invention shown in FIG. 6B, the wearable device 201 includes one PPG sensor 208 containing two radiation sources 221 and two radiation receivers 222, these radiation sources 221 emitting light of different wavelengths. In this embodiment of the present invention, a single PPG sensor 208 is capable of acquiring two PPG signals of different wavelengths. In an embodiment of the present invention, the radiation source 221 may comprise a light-emitting diode (LED). Photobarriers may be provided between radiation sources and/or receivers to reduce noise and eliminate crosstalk.

Устройство 209 ввода выполнено с возможностью принимать данные, которые могут использоваться другим компонентом (например, процессором 203) носимого устройства 201, вводимые извне (например, пользователем носимого устройства 201). В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения устройство 209 ввода может быть выполнено с возможностью ввода профиля пользователя. Процессор 203 носимого устройства 201 может получать профиль пользователя от устройства 209 ввода, сохранять профиль пользователя в запоминающем устройство 212, считывать его из запоминающего устройства 212 и использовать при необходимости. Также в носимом устройстве 201 может быть предусмотрен голосовой ввод и вывод данных.Input device 209 is configured to receive data that can be used by another component (eg, processor 203) of wearable device 201 inputted from outside (eg, a user of wearable device 201). In one embodiment of the present invention, input device 209 may be configured to input a user profile. The processor 203 of the wearable device 201 may receive the user profile from the input device 209, store the user profile in the storage device 212, read it from the storage device 212, and use it as needed. The wearable device 201 may also provide voice input and output.

Данные профиля пользователя могут включать пол, возраст, рост, вес пользователя. Также устройство ввода и вывода может содержать экран для отображения информации, например, определенной концентрации гемоглобина. Экран может быть выполнен с возможностью использования экранной клавиатуры для ввода данных.User profile data may include the user's gender, age, height, weight. Also, the input and output device may include a screen for displaying information, for example, a certain hemoglobin concentration. The screen may be configured to use an on-screen keyboard for data entry.

Устройство 210 вывода может быть выполнено с возможностью выводить информацию пользователю на первой стороне 214 носимого устройства 201. Устройство 210 вывода может включать в себя дисплей 211, который может быть выполнен с возможностью отображать выводимую информацию и расположен на первой стороне 214 носимого устройства 201. Дополнительно, дисплей 211 может быть выполнен с возможностью использования экранной клавиатуры для ввода данных, например, профиля пользователя.The output device 210 may be configured to display information to the user on a first side 214 of the wearable device 201. The output device 210 may include a display 211 that may be configured to display output information and located on the first side 214 of the wearable device 201. Additionally, the display 211 may be configured to use an on-screen keyboard to enter data, such as a user profile.

Запоминающее устройство 212 в предпочтительном варианте осуществления может быть выполнено с возможностью хранения:Storage device 212 in a preferred embodiment may be configured to store:

базы данных с наборами амплитудно-фазовых характеристик гармоник, сопоставленных с концентрациями гемоглобина,databases with sets of amplitude-phase characteristics of harmonics compared with hemoglobin concentrations,

данных профиля пользователя,user profile data,

наборов измерительных данных, содержащих амплитудно-фазовые характеристики гармоник и включающих:sets of measurement data containing amplitude-phase characteristics of harmonics and including:

по меньшей мере два ФПГ-сигнала с различными длинами волн, измеренные упомянутым по меньшей мере одним ФПГ-датчиком 208,at least two PPG signals with different wavelengths measured by said at least one PPG sensor 208,

даты сбора каждого набора измерительных данных;dates of collection of each set of measurement data;

времена сбора каждого набора измерительных данных,collection times of each set of measurement data,

концентрации гемоглобина, определенные посредством процессора для каждого набора измерительных данных, и т.д.hemoglobin concentrations determined by the processor for each set of measurement data, etc.

Также запоминающее устройство 212 может хранить различные дополнительные данные, например, данные, снимаемые с дополнительных датчиков носимого устройства 201. Кроме того, запоминающее устройство 212 может хранить различные инструкции, которые, при исполнении на процессоре 203, побуждают процессор 203 управлять компонентами носимого устройства 201, связанными с процессором 203, и выполнять различные обработки данных или вычисления.Also, memory 212 may store various additional data, such as data collected from additional sensors of wearable device 201. In addition, memory 212 may store various instructions that, when executed on processor 203, cause processor 203 to control components of wearable device 201. associated with the processor 203, and perform various data processing or calculations.

Для передачи данных от носимого устройства или к нему может использоваться модуль 213 связи. Согласно варианту осуществления, модуль 213 связи может включать в себя модуль 223 беспроводной связи (например, модуль сотовой связи, модуль беспроводной связи ближнего действия или модуль связи глобальной навигационной спутниковой системы (GNSS)) или модуль 224 проводной связи (например, модуль связи локальной сети (LAN) или модуль связи по линии электропередачи (ПЛК)). Таким образом, модуль 213 связи может поддерживать установление беспроводного канала связи между носимым устройством 201 и внешним устройством (например, устройством 225, устройством 226, сервером 227 или облачным хранилищем 229) и выполнение связи через установленный канал связи. Модуль 213 связи может включать в себя один или более процессоров связи, которые работают независимо от процессора 203 и поддерживают прямую (например, проводную) связь или беспроводную связь. Соответствующий один из этих модулей связи может осуществлять связь с внешним электронным устройством через первую сеть 228 (например, сеть связи ближнего действия, такую как Bluetooth™, беспроводная связь (Wi-Fi) или передача данных по стандарту в инфракрасном диапазоне (IrDA)) или вторую сеть 228 (например, сеть связи на большие расстояния, такая как сотовая сеть, Интернет или компьютерная сеть, например, локальная сеть или глобальная сеть (WAN)). Эти различные типы модулей связи могут быть реализованы в виде единого компонента (например, одной микросхемы) или могут быть многокомпонентными (например, множеством микросхем).A communication module 213 may be used to transmit data from or to the wearable device. According to an embodiment, communications module 213 may include a wireless communications module 223 (e.g., a cellular communications module, a short-range wireless communications module, or a global navigation satellite system (GNSS) communications module) or a wired communications module 224 (e.g., a local area network communications module (LAN) or power line communication (PLC) module). Thus, the communication module 213 may support establishing a wireless communication channel between the wearable device 201 and an external device (eg, device 225, device 226, server 227, or cloud storage 229) and performing communication through the established communication channel. Communications module 213 may include one or more communications processors that operate independently of processor 203 and support direct (eg, wired) communications or wireless communications. A respective one of these communication modules may communicate with an external electronic device via a first network 228 (e.g., a short-range communication network such as Bluetooth™, wireless (Wi-Fi), or infrared data transmission (IrDA)) or a second network 228 (eg, a long-distance communications network, such as a cellular network, the Internet, or a computer network, such as a local area network or wide area network (WAN)). These various types of communication modules may be implemented as a single component (eg, a single chip) or may be multi-component (eg, multiple chips).

Далее со ссылкой на фиг. 7 будет описана блок-схема последовательности этапов способа определения концентрации гемоглобина согласно предпочтительному варианту осуществления. Заявленный способ может осуществляться с помощью заявленного носимого устройства с функцией определения концентрации гемоглобина в крови пользователя.Next, with reference to FIG. 7, a flowchart of a method for determining hemoglobin concentration according to a preferred embodiment will be described. The claimed method can be carried out using the claimed wearable device with the function of determining the concentration of hemoglobin in the user’s blood.

Сначала, на этапе 710 облучают ткань пользователя с помощью источника света, излучающего свет по меньшей мере двух различных длин волн. Затем на этапе 720 детектируют ФПГ-сигналы от ткани пользователя на упомянутых по меньшей мере двух различных длинах волн. После этого на этапе 730 преобразуют детектированные ФПГ-сигналы из временной области в частотную область. Из всех ФПГ-сигналов, доступных на нескольких длинах волн, на этапе 740 выбирают наиболее значимый сигнал с наилучшим отношением сигнал/шум, самой высокой амплитудой и наименее затронутый шумами и используют его в качестве опорного сигнала. Затем на этапе 750 из опорного сигнала извлекают гармоники и используют их в качестве координат, по которым на этапе 760 раскладывают остальную часть ФПГ-сигналов с получением набора амплитудно-фазовых характеристик гармоник сигналов. Наконец, на этапе 770 определяют концентрацию гемоглобина, при этом определение концентрации гемоглобина осуществляют путем сравнения полученного набора характеристик с наборами характеристик из базы данных, каждый из которых соответствует конкретному значению концентрации гемоглобина. При этом базу данных компилируют заранее на основе полученных наборов характеристик для множества пользователей носимого устройства, причем указанные наборы характеристик коррелированы с конкретными значениями гемоглобина, измеренными лабораторным методом.First, at step 710, the user's tissue is irradiated with a light source emitting light of at least two different wavelengths. Next, at step 720, PPG signals from the user's tissue at the at least two different wavelengths are detected. Thereafter, at step 730, the detected PPG signals are converted from the time domain to the frequency domain. From all the PPG signals available at multiple wavelengths, the most significant signal with the best signal-to-noise ratio, highest amplitude, and least affected by noise is selected at step 740 and used as a reference signal. Then, at step 750, harmonics are extracted from the reference signal and used as coordinates, along which the rest of the PPG signals are laid out at step 760 to obtain a set of amplitude-phase characteristics of the signal harmonics. Finally, at step 770, the hemoglobin concentration is determined, wherein the determination of the hemoglobin concentration is carried out by comparing the resulting set of characteristics with sets of characteristics from the database, each of which corresponds to a specific hemoglobin concentration value. In this case, the database is compiled in advance based on the obtained sets of characteristics for a plurality of users of the wearable device, and these sets of characteristics are correlated with specific hemoglobin values measured by a laboratory method.

Теперь более подробно будут описаны этапы предлагаемого способа.The steps of the proposed method will now be described in more detail.

Облучение ткани пользователя на по меньшей мере двух длинах волн осуществляют с помощью источника света, например, светодиода (ов). Одна из упомянутых по меньшей мере двух различных длин волн имеет диапазон 495-570 нм, то есть светодиод излучает зеленый свет, поскольку обычно именно зеленый свет обеспечивает наиболее информативный сигнал при определении, например, концентрации гемоглобина. Используют рефлектометрический метод, то есть облучают ткань пользователя и затем детектируют ФПГ-сигналы от ткани пользователя на упомянутых по меньшей мере двух различных длинах волн в режиме отражения. В примере, проиллюстрированном на фиг. 8, сигналы детектируют на шести длинах волн. Однако, число ФПГ-сигналов на различных длинах волн не ограничивается особым образом. Детектированные сигналы представлены во временной области (временные ряды). Вообще возможны несколько представлений сигнала: во временной области, когда f(t) выражается как функция времени, в частотной области, когда определен спектр (т.е. амплитуды различных гармоник), или частотно-временной области. Сигналы могут быть преобразованы из временной в частотную/частотно-временную область с помощью различного вида преобразований. Согласно варианту осуществления изобретения, инструментом, позволяющим представлять детектированный сигнал экспоненциальными составляющими, служит преобразование Фурье.Irradiation of the user's tissue at at least two wavelengths is accomplished using a light source, such as an LED(s). One of these at least two different wavelengths has a range of 495-570 nm, that is, the LED emits green light, since it is usually green light that provides the most informative signal when determining, for example, hemoglobin concentration. A reflectometric method is used, that is, the user's tissue is irradiated and then PPG signals from the user's tissue are detected at the at least two different wavelengths mentioned in the reflection mode. In the example illustrated in FIG. 8, signals are detected at six wavelengths. However, the number of PPG signals at different wavelengths is not particularly limited. The detected signals are presented in the time domain (time series). In general, several representations of a signal are possible: in the time domain, when f(t) is expressed as a function of time, in the frequency domain, when the spectrum (i.e., the amplitudes of the various harmonics) is defined, or in the time-frequency domain. Signals can be converted from time to frequency/time-frequency domain using various types of transformations. According to an embodiment of the invention, the tool for representing the detected signal in exponential terms is the Fourier transform.

Однако изобретение не ограничивается применением преобразования Фурье и могут использоваться другие преобразования, такие как преобразование Гильберта-Хуанга, вейвлет-преобразование, билинейное частотно-временное распределение. Функция F(o) есть прямое преобразование Фурье сигнала f(t). F(o) представляет сигнал f(t) в частотной области. Временное представление определяет некоторый сигнал в каждый момент времени, тогда как частотное представление характеризует относительные амплитуды частотных составляющих сигнала, т.е. гармоник.However, the invention is not limited to the use of the Fourier transform and other transforms such as the Hilbert-Huang transform, wavelet transform, bilinear time-frequency distribution can be used. The function F(o) is the direct Fourier transform of the signal f(t). F(o) represents the signal f(t) in the frequency domain. The temporal representation defines a certain signal at each moment in time, while the frequency representation characterizes the relative amplitudes of the frequency components of the signal, i.e. harmonics

При выполнении преобразования Фурье на основе характеристик сигнала во временной области можно получить его амплитудно-фазовые характеристики гармоник (мгновенный спектр, спектральную плотность и т.д.). Например, преобразование Фурье позволяет преобразовать каждый ФПГ-импульс в набор амплитуд и фаз, таким образом полученный набор характеристик содержит всю информацию, необходимую для модели машинного обучения, используемой для определения концентрации гемоглобина. При этом для расчетов набор характеристик сигнала удобно описать комплексными числами. Любое из указанных представлений полностью определяет сигнал. Вместе с тем, как было подробно объяснено в разделе «Предпосылки изобретения», обработка ФПГ-сигнала в частотной области позволяет избежать ряда недостатков предшествующего уровня техники.When performing a Fourier transform based on the characteristics of a signal in the time domain, it is possible to obtain its amplitude-phase characteristics of harmonics (instantaneous spectrum, spectral density, etc.). For example, the Fourier transform allows each PPG pulse to be converted into a set of amplitudes and phases, so the resulting set of features contains all the information necessary for the machine learning model used to determine the hemoglobin concentration. In this case, for calculations, it is convenient to describe a set of signal characteristics using complex numbers. Any of these representations completely defines the signal. However, as was explained in detail in the “Background of the Invention” section, processing the PPG signal in the frequency domain avoids a number of disadvantages of the prior art.

Преобразование сигналов из временной в частотную область также может быть выполнено путем преобразования Гильберта-Хуанга, а в частотно-временную область - путем вейвлет-преобразования или билинейного частотно-временного распределения.Conversion of signals from the time domain to the frequency domain can also be done by the Hilbert-Huang transform, and to the time-frequency domain by the wavelet transform or bilinear time-frequency distribution.

Преобразование Гильберта-Хуанга (ННТ) представляет собой метод эмпирической модовой декомпозиции (EMD) нелинейных и нестационарных процессов, т.е. декомпозиции на амплитудно-временные составляющие, и последующий спектральный анализ Гильберта (HSA). ННТ представляет собой частотно-временной анализ сигналов и не требует априорного функционального базиса преобразования. Функции базиса получаются адаптивно непосредственно из данных процедурами отсеивания функций «эмпирических мод». Мгновенные частоты вычисляются по производным фазовым функциям Гильбертовым преобразованием функций базиса. Основными информативными признаками преобразования Гильберт-Хуанга являются амплитуда, мгновенная частота и фаза эмпирических мод.The Hilbert-Huang transform (HHT) is an empirical mode decomposition (EMD) method for nonlinear and non-stationary processes, i.e. decomposition into amplitude-time components, and subsequent Hilbert spectral analysis (HSA). NNT is a time-frequency analysis of signals and does not require an a priori functional basis for the transformation. The basis functions are obtained adaptively directly from the data by screening procedures for “empirical mode” functions. Instantaneous frequencies are calculated from the derivatives of phase functions by the Hilbert transform of basis functions. The main informative features of the Hilbert-Huang transform are the amplitude, instantaneous frequency and phase of the empirical modes.

Вейвлет-преобразование (WT) - это интегральное преобразование, которое представляет собой свертку вейвлет-функции с сигналом. Вейвлет-преобразование переводит сигнал из временного представления в частотно-временное и является обобщением спектрального анализа, типичный представитель которого - классическое преобразование Фурье. Термин «wavelet» в переводе с английского означает «маленькая (короткая) волна». Вейвлеты - это обобщенное название семейств математических функций определенной формы, которые локальны во времени и по частоте, и в которых все функции получаются из одной базовой (порождающей) посредством ее сдвигов и растяжений по оси времени. Алгоритмы вейвлет-преобразования позволяют учитывать локальные изменения ФПГ-сигналов и нести информацию в трехмерном формате - амплитуда, частота, время. Как правило, вейвлет-преобразования подразделяют на дискретное (DWT) и непрерывное (CWT). DWT используется для преобразований и кодирования сигналов, CWT - для анализа сигналов. Вейвлет-преобразования в настоящее время все чаще используются для огромного числа разнообразных применений, нередко заменяя обычное преобразование Фурье.Wavelet transform (WT) is an integral transform that is the convolution of a wavelet function with a signal. The wavelet transform converts a signal from a time representation to a time-frequency representation and is a generalization of spectral analysis, a typical representative of which is the classical Fourier transform. The term “wavelet” translated from English means “small (short) wave.” Wavelets are a generalized name for families of mathematical functions of a certain form, which are local in time and frequency, and in which all functions are obtained from one base (generating) by means of its shifts and stretches along the time axis. Wavelet transform algorithms make it possible to take into account local changes in PPG signals and carry information in three-dimensional format - amplitude, frequency, time. Typically, wavelet transforms are divided into discrete (DWT) and continuous (CWT). DWT is used for signal conversion and coding, CWT is used for signal analysis. Wavelet transforms are now increasingly being used for a huge variety of applications, often replacing the conventional Fourier transform.

Билинейные частотно-временные распределения или квадратичные частотно-временные распределения возникают в подобласти анализа и обработки сигналов, называемой обработкой сигналов время-частота, а также при статистическом анализе данных временных рядов. Такие методы используются в случаях, когда частотный состав сигнала может меняться во времени. Такой анализ раньше назывался частотно-временным анализом сигналов, а теперь чаще называется частотно-временной обработкой сигналов из-за прогресса в использовании этих методов для решения широкого круга задач обработки сигналов. По сравнению с другими методами частотно-временного анализа, такими как, например, кратковременное преобразование Фурье, билинейное преобразование может не иметь большей ясности для большинства практических сигналов, но оно обеспечивает альтернативную основу для исследования новых определений и новых методов. Все билинейные распределения взаимно конвертируемы друг в друга.Bilinear time-frequency distributions or quadratic time-frequency distributions arise in a subfield of signal analysis and processing called time-frequency signal processing, as well as in the statistical analysis of time series data. Such methods are used in cases where the frequency composition of the signal can change over time. Such analysis was formerly called time-frequency signal analysis and is now more commonly called time-frequency signal processing due to advances in the use of these techniques to solve a wide range of signal processing problems. Compared to other time-frequency analysis methods, such as the short-time Fourier transform, the bilinear transform may not have greater clarity for most practical signals, but it provides an alternative basis for exploring new definitions and new methods. All bilinear distributions are mutually convertible to each other.

В нижней части фиг. 8 проиллюстрированы ФПГ-сигналы на двух разных длинах волн во временной и частотной областях.At the bottom of FIG. Figure 8 illustrates PPG signals at two different wavelengths in the time and frequency domains.

Настоящее изобретение позволяет охарактеризовать точную форму пульсовой волны по ФПГ-сигналам, включая слабые и/или сложные сигналы. Ключевыми этапами способа определения концентрации гемоглобина, проиллюстрированными на фиг. 9, являются:The present invention allows the precise pulse waveform to be characterized from PPG signals, including weak and/or complex signals. The key steps of the method for determining hemoglobin concentration, illustrated in FIG. 9 are:

- преобразование детектированных ФПГ-сигналов из временной области (временных рядов) в частотную (или частотно-временную) область;- conversion of detected PPG signals from the time domain (time series) into the frequency (or time-frequency) domain;

- выбор из всех детектированных ФПГ-сигналов на разных длинах волн в частотной области наиболее значимого сигнала, который характеризуется наилучшим отношением сигнал/шум, самой высокой амплитудой и который наименее затронут шумами, и использование выбранного сигнала в качестве опорного сигнала;- selection from all detected PPG signals at different wavelengths in the frequency domain of the most significant signal, which is characterized by the best signal-to-noise ratio, the highest amplitude and which is least affected by noise, and using the selected signal as a reference signal;

- извлечение из опорного сигнала основной гармоники (основной составляющей) и на ее основе других гармоник опорного сигнала и использование их в качестве координат, по которым раскладывают остальную часть ФПГ-сигналов, то есть получают амплитудно-фазовые характеристики гармоник.- extracting the fundamental harmonic (fundamental component) from the reference signal and, on its basis, other harmonics of the reference signal and using them as coordinates along which the rest of the PPG signals are laid out, that is, the amplitude-phase characteristics of the harmonics are obtained.

На фиг. 10 проиллюстрирована ключевая особенность этапа преобразования способа по фиг. 7, состоящая в том, что при преобразовании ФПГ-сигнала из временной в частотную область информация о периодичности временного сигнала переносится в положение первой гармоники частотной области, а информация о форме сигнала (пики, впадины, вырезки) переносится в гармоники более высоких порядков. В конечном итоге получают наборы данных для каждой длины волны пульсового сигнала в частотной области, каждый из которых характеризуется конкретными характеристиками (амплитуды а10, а11…a1n на частотах гармоник f0, f1…fn), как показано в нижней части фиг. 9. При этом положение, число, амплитуда, ширина полученных гармоник, которые являются легко измеряемыми характеристиками, полностью описывают пульсовую волну в частотной области. Таким образом, преобразование ФПГ-сигналов в частотную область позволяет извлекать амплитудно-фазовые характеристики гармоник сигналов.In fig. 10 illustrates a key feature of the conversion step of the method of FIG. 7, consisting in the fact that when converting a PPG signal from the time to the frequency domain, information about the periodicity of the time signal is transferred to the position of the first harmonic of the frequency domain, and information about the shape of the signal (peaks, valleys, notches) is transferred to harmonics of higher orders. Ultimately, data sets are obtained for each wavelength of the pulse signal in the frequency domain, each of which is characterized by specific characteristics (amplitudes a 10 , a 11 ...a 1n at harmonic frequencies f 0 , f 1 ...f n ), as shown in the lower part fig. 9. In this case, the position, number, amplitude, width of the resulting harmonics, which are easily measured characteristics, completely describe the pulse wave in the frequency domain. Thus, converting PPG signals into the frequency domain makes it possible to extract the amplitude-phase characteristics of the signal harmonics.

Принимая во внимание вышесказанное, обработка ФПГ-сигналов в частотной области приводит к следующим преимуществам по сравнению с обработкой во временной области:Taking into account the above, processing PPG signals in the frequency domain leads to the following advantages compared to processing in the time domain:

- конечное количество характеристик вместо непрерывных данных временных рядов;- a finite number of characteristics instead of continuous time series data;

- однозначная связь между характеристиками и формой ФПГ-сигнала;- an unambiguous connection between the characteristics and the shape of the PPG signal;

- наличие новой системы координат (частоты гармоник), определенной по одному из сигналов, которая позволяет разложить все сигналы единообразно по единой системе координат.- the presence of a new coordinate system (harmonic frequencies), determined from one of the signals, which allows all signals to be decomposed uniformly according to a single coordinate system.

Если пытаться анализировать форму пульсовой волны по критическим точкам, то каждый сигнал придется обрабатывать независимо. В этом случае положение критических точек может «плавать», тем самым нарушается однозначность в описании формы сигнала на разных длинах волн. Кроме того, в случае слабых сигналов и сигналов с высоким уровнем шумов нахождение критических точек может быть в принципе невозможно. Благодаря вышеупомянутой системе координат (частоты и их положения), можно найти характеристики (например, амплитуды) этих частот даже в спектре сигнала с высоким уровнем шумов.If you try to analyze the pulse waveform by critical points, then each signal will have to be processed independently. In this case, the position of the critical points may “float”, thereby disrupting the unambiguity in the description of the signal shape at different wavelengths. In addition, in the case of weak signals and signals with a high level of noise, finding critical points may in principle be impossible. Thanks to the above-mentioned coordinate system (frequencies and their positions), it is possible to find the characteristics (for example, amplitudes) of these frequencies even in the spectrum of a signal with a high noise level.

На фиг. НА проиллюстрированы особенности преобразования ФПГ-сигнала в частотную область. Здесь показан опорный ФПГ-сигнал высокого качества на длине волны λ2 и обычный ФПГ-сигнал низкого качества на других длинах волн λ1, λ3 и т.д. После преобразования сигнала высокого качества в частотную область положение и характеристики основной гармоники f0 могут быть легко измерены. При аналогичном преобразовании сигнала низкого качества невозможно надежно определить положение основной гармоники f0 в частотной области. Более того, интенсивные ложные пики, показанные на графике справа прерывистыми окружностями, скрывают необходимые характеристики. Однако преимуществом настоящего изобретения является устойчивость, а точнее говоря, независимость опорного ФПГ-сигнала от помех и сигналов низкого качества. После осуществления преобразования Фурье основная гармоника f0 сигнала в частотной области представляет собой первую гармонику, соответствующую периодичности ФПГ-сигнала, т.е. частоте сердечных сокращений. В случае других частотно-временных преобразований основной составляющей является, например, частотная составляющая наибольшей мощности и наиболее стабильная во времени, не имеющая прямого отношения к физиологическим параметрам. Причем положение основной гармоники f0 сигнала высокого качества в частотной области соответствует положению основной гармоники f0 сигналов низкого качества.In fig. The features of converting a PPG signal into the frequency domain are illustrated. Shown here is a high-quality reference PPG signal at wavelength λ 2 and a regular low-quality PPG signal at other wavelengths λ 1 , λ 3 , etc. After converting the high quality signal into the frequency domain, the position and characteristics of the fundamental harmonic f 0 can be easily measured. With a similar conversion of a low-quality signal, it is impossible to reliably determine the position of the fundamental harmonic f 0 in the frequency domain. Moreover, the intense false peaks, shown in the graph on the right with broken circles, hide the necessary characteristics. However, the advantage of the present invention is the stability, or more precisely, the independence of the reference PPG signal from interference and low-quality signals. After performing the Fourier transform, the fundamental harmonic f 0 of the signal in the frequency domain is the first harmonic corresponding to the periodicity of the PPG signal, i.e. heart rate. In the case of other time-frequency transformations, the main component is, for example, the frequency component of the greatest power and the most stable over time, which is not directly related to physiological parameters. Moreover, the position of the fundamental harmonic f 0 of a high-quality signal in the frequency domain corresponds to the position of the fundamental harmonic f 0 of low-quality signals.

На фиг. 11Б проиллюстрирована еще одна особенность ФПГ-сигнала во временной области, которая влияет на необходимость выбора подходящей длины волны для эталонных измерений. Согласно уровню техники, наилучший ФПГ-сигнал получают при использовании зеленого света (~530 нм). Однако, это не всегда так. Пульсовый сигнал сильно зависит от цвета кожи человека, его национальности, загара, пигментации кожи и т.п.На фиг. 11Б показаны ФПГ-сигналы для светлокожих и темнокожих людей. Выбор ФПГ-сигнала более высокого качества основан, как правило, на определении наибольшего отношения сигнал-шум. Как видно из фиг. 11Б, для светлокожего человека наилучший ФПГ-сигнал действительно получают в зеленом свете, и используют его в качестве опорного сигнала. Однако темнокожие люди имеют свои особенности, главная из которых связана с тем, что зеленый свет проникает на небольшую глубину в ткани пациента. Поскольку в темной коже зеленый свет почти полностью поглощается меланином, он не достигает кровеносных сосудов. В то же время красный/ИК-свет проникает глубже в ткани, поскольку меланин намного меньше поглощает красный/ИК-свет по сравнению с зеленым светом и не влияет на ФПГ-сигнал. Следовательно, для темнокожих людей лучший результат даст использование в качестве опорного сигнала ФПГ-сигнала, полученного с помощью красного/ИК-света, а не зеленого света, как для светлокожих людей.In fig. 11B illustrates another feature of the PPG signal in the time domain, which affects the need to select an appropriate wavelength for reference measurements. According to the prior art, the best PPG signal is obtained using green light (~530 nm). However, this is not always the case. The pulse signal strongly depends on the color of a person’s skin, his nationality, tanning, skin pigmentation, etc. In FIG. Figure 11B shows PPG signals for light-skinned and dark-skinned people. The choice of a PPG signal of higher quality is based, as a rule, on determining the highest signal-to-noise ratio. As can be seen from Fig. 11B, for a fair-skinned person, the best PPG signal is actually obtained in green light, and it is used as a reference signal. However, dark-skinned people have their own characteristics, the main of which is related to the fact that green light penetrates to a shallow depth into the patient’s tissue. Because green light in dark skin is almost completely absorbed by melanin, it does not reach the blood vessels. At the same time, red/IR light penetrates deeper into the tissue, since melanin absorbs red/IR light much less than green light and does not affect the PPG signal. Therefore, for dark-skinned people, the best results will be obtained by using the PPG signal obtained using red/IR light as a reference signal, rather than green light, as for light-skinned people.

Таким образом, необходимы индивидуальные настройки, и соответствующую опорную длину волны желательно определять для каждого пользователя носимого устройства индивидуально.Thus, individual settings are necessary, and the appropriate reference wavelength is preferably determined for each wearable device user individually.

В частности, на фиг. 12 в качестве примера проиллюстрированы два набора ФПГ-сигналов во временной и частотной областях на разных длинах волн, причем в одном случае в качестве опорного сигнала, характеризующегося наилучшим отношением сигнал/шум, наибольшей амплитудой и низкими шумами, выбирают сигнал, полученный при использовании зеленого света, например, с длиной волны λ3, а в другом случае - красного света, например, с длиной волны λ5.In particular, in FIG. 12 illustrates as an example two sets of PPG signals in the time and frequency domains at different wavelengths, and in one case, the signal obtained using green light is selected as the reference signal, characterized by the best signal-to-noise ratio, highest amplitude and low noise , for example, with wavelength λ 3 , and in another case - red light, for example, with wavelength λ 5 .

На фиг. 13 дополнительно проиллюстрированы особенности анализа сигнала в частотной области. В качестве опорного ФПГ-сигнала выбран сигнал с длиной волны λ2. На верхнем графике фиг. 13 отмечены характеристики первой f0 и второй f1 гармоник ФПГ-сигнала на длине волны λ2, а именно амплитуды а20 и a21 указанных гармоник. Еще раз отметим, что в частотной области положения гармоник идентичны для сигналов всех длин волн видимого спектра излучения. Иными словами, положения гармоник анализируемого ФПГ-сигнала с длиной волны λ1, показанного на нижнем графике, совпадают с положениями гармоник опорного ФПГ-сигнала с длиной волны λ2. Следовательно, ФПГ-сигналы на всех длинах волн могут анализироваться одинаково и одновременно как только по опорному ФПГ-сигналу будут определены гармоники. При этом положения гармоник более высокого порядка однозначно связаны с положениями основной гармоники следующими соотношениями: и т.д.In fig. 13 further illustrates the features of signal analysis in the frequency domain. A signal with wavelength λ 2 was selected as a reference PPG signal. In the top graph of Fig. Figure 13 shows the characteristics of the first f 0 and second f 1 harmonics of the PPG signal at wavelength λ 2 , namely the amplitudes a 20 and a 21 of these harmonics. Let us note once again that in the frequency domain the positions of the harmonics are identical for signals of all wavelengths of the visible radiation spectrum. In other words, the positions of the harmonics of the analyzed PPG signal with wavelength λ 1 , shown in the lower graph, coincide with the positions of the harmonics of the reference PPG signal with wavelength λ 2 . Consequently, PPG signals at all wavelengths can be analyzed equally and simultaneously as soon as the harmonics are determined from the reference PPG signal. In this case, the positions of higher order harmonics are uniquely related to the positions of the fundamental harmonic by the following relationships: etc.

Таким образом, зная положения гармоник опорного сигнала, можно легко определить положения, а значит, и амплитуды соответствующих гармоник анализируемого ФПГ-сигнала с длиной волны λ1, например, амплитуды а10 и а11 первой f0 и второй f1 гармоник.Thus, knowing the positions of the harmonics of the reference signal, you can easily determine the positions, and therefore the amplitudes, of the corresponding harmonics of the analyzed PPG signal with wavelength λ 1 , for example, the amplitudes a 10 and a 11 of the first f 0 and second f 1 harmonics.

По вышеописанной методике, исходя из положения основной гармоники f0 опорного ФПГ-сигнала, определяют характеристики, в частности, амплитуды всех ФПГ-сигналов на других длинах волн. Преимуществом такой методики является простая параметризация формы волны ФПГ-сигнала одновременно на всех длинах волн излучения.Using the method described above, based on the position of the fundamental harmonic f 0 of the reference PPG signal, the characteristics, in particular, the amplitudes of all PPG signals at other wavelengths are determined. The advantage of this technique is the simple parameterization of the PPG signal waveform simultaneously at all radiation wavelengths.

На фиг. 14 проиллюстрирован принцип компилирования базы данных для неинвазивного, персонального и/или осуществляемого по требованию контроля свойств крови, например, концентрации гемоглобина. В настоящем изобретении это обеспечивается следующим образом. В результате машинного обучения нейронной сети заранее создается алгоритм прогнозирования. Для обучения алгоритма прогнозирования, позволяющего определять (предсказывать) концентрацию гемоглобина, компилировали базу данных. Для этого для каждого из множества пользователей носимого устройства с помощью ФПГ-датчика, установленного в носимом устройстве, определяли набор амплитудно-фазовых характеристик гармоник ФПГ-сигналов в частотной области и т.д.). Дополнительно для каждого из множества пользователей опорным методом определяли концентрацию гемоглобина (Hb1, Hb2 и т.д.), например, проводя анализ крови каким-либо из лабораторных методов. После этого коррелировали соответствующие определенные с помощью носимого устройства наборы характеристик ФПГ-сигнала с определенными с помощью лабораторного анализа крови концентрациями гемоглобина, получая базу данных, в которой набор характеристик ФПГ1 соответствовал концентрации гемоглобина Hb1, набор характеристик ФПГ2 соответствовал концентрации гемоглобина Hb2 и т.д. Наборы характеристик, полученных с помощью носимого устройства, и концентрации гемоглобина, определенные лабораторным методом, записывали в базу данных. Таким образом, база данных содержит все возможные комбинации концентрации гемоглобина с характеристиками ФПГ-сигнала, то есть множество наборов данных ФПГ-сигнала, с каждым из которых сопоставлена конкретная концентрация гемоглобина. Скомпилированная таким образом база данных использовалась для машинного обучения алгоритма прогнозирования. Алгоритм прогнозирования, используемый в процессоре носимого устройства обеспечивает определение концентрации гемоглобина на основе наборов характеристик, получаемых при обработке ФПГ-сигналов для конкретного пользователя носимого устройства.In fig. 14 illustrates the principle of database compilation for non-invasive, personal and/or on-demand monitoring of blood properties such as hemoglobin concentration. In the present invention, this is achieved as follows. As a result of machine learning of a neural network, a prediction algorithm is created in advance. To train a prediction algorithm to determine (predict) hemoglobin concentration, a database was compiled. To do this, for each of the many users of a wearable device, using a PPG sensor installed in the wearable device, a set of amplitude-phase characteristics of harmonics of PPG signals in the frequency domain was determined etc.). Additionally, for each of the many users, the hemoglobin concentration (Hb 1 , Hb 2 , etc.) was determined by the reference method, for example, by performing a blood test using any of the laboratory methods. After this, the corresponding sets of PPG signal characteristics determined using a wearable device were correlated with hemoglobin concentrations determined using a laboratory blood test, obtaining a database in which a set of PPG characteristics 1 corresponded to the hemoglobin concentration Hb 1 , a set of PPG characteristics 2 corresponded to the hemoglobin concentration Hb 2 and etc. The sets of characteristics obtained using the wearable device and the hemoglobin concentrations determined by the laboratory method were recorded in a database. Thus, the database contains all possible combinations of hemoglobin concentration with PPG signal characteristics, that is, many sets of PPG signal data, each of which is associated with a specific hemoglobin concentration. The database compiled in this way was used for machine learning of the forecasting algorithm. The prediction algorithm used in the processor of the wearable device determines the hemoglobin concentration based on sets of characteristics obtained by processing PPG signals for a specific user of the wearable device.

На фиг. 15 проиллюстрирован заключительный этап неинвазивного способа определения концентрации гемоглобина. На данном этапе для контроля концентрации гемоглобина в крови пользователь использует носимое устройство с ФПГ-датчиком. Сначала с помощью носимого устройства измеряют набор характеристик ФПГ-сигнала для пользователя, затем обращаются к базе данных и с помощью алгоритма прогнозирования или численного метода определяют в ней набор характеристик ФПГ-сигнала, которые наиболее близки характеристикам измеренного сигнала. Поскольку характеристики измеренного сигнала и определенного из базы данных сигнала по существу совпадают, то концентрация гемоглобина, соответствующая сигналу из базы данных, будет также соответствовать измеренному сигналу. Например, как показано на фиг. 15, набор данных измеренного ФПГ-сигнала совпадает с набором данных ФПГ2, а значит, соответствует концентрации гемоглобина Hb2.In fig. 15 illustrates the final step of a non-invasive method for determining hemoglobin concentration. At this stage, the user uses a wearable device with a PPG sensor to monitor the concentration of hemoglobin in the blood. First, using a wearable device, a set of PPG signal characteristics is measured for the user, then they access the database and, using a prediction algorithm or a numerical method, determine in it a set of PPG signal characteristics that are most similar to the characteristics of the measured signal. Since the characteristics of the measured signal and the database-determined signal are substantially the same, the hemoglobin concentration corresponding to the database signal will also correspond to the measured signal. For example, as shown in FIG. 15, the data set of the measured PPG signal coincides with the PPG 2 data set, and therefore corresponds to the hemoglobin concentration Hb 2 .

Таким образом, для определения концентрации гемоглобина заявленным способом:Thus, to determine the hemoglobin concentration using the claimed method:

1. Детектируют ФПГ-сигналы на нескольких длинах волн у пользователя с неизвестной концентрацией гемоглобина и переводят их в частотную область.1. PPG signals are detected at several wavelengths from a user with an unknown hemoglobin concentration and converted to the frequency domain.

2. Извлекают амплитудно-фазовые характеристики гармоник, описывающие ФПГ-сигналы на нескольких длинах волн: ФПГ {а10, a20 … amn}.2. The amplitude-phase characteristics of the harmonics are extracted, describing the PPG signals at several wavelengths: PPG {a 10 , a 20 ... a mn }.

3. Сравнивают полученный набор характеристик с наборами характеристик ФПГ1, ФПГ2 … ФПГn из заранее скомпилированной базы данных, как показано выше.3. Compare the resulting set of characteristics with the sets of characteristics of FIG 1 , FIG 2 ... FIG n from a pre-compiled database, as shown above.

4. Определяют концентрацию гемоглобина.4. Determine the hemoglobin concentration.

На фиг. 16 проиллюстрирован график результатов прогнозирования концентрации гемоглобина в крови пользователя носимого устройства по базе данных, содержащей информацию о 840 тестах, проведенных на 170 тестируемых субъектах. При сборе опорных данных использовали лабораторный анализ капиллярной крови колориметрическим методом на основе гемоглобиназидного анализа, посредством которого определяли концентрацию гемоглобина в крови тестируемого субъекта.In fig. 16 illustrates a graph of the results of predicting the hemoglobin concentration in the blood of a wearable device user from a database containing information on 840 tests performed on 170 test subjects. When collecting reference data, a laboratory analysis of capillary blood was used using a colorimetric method based on the hemoglobinase assay, through which the concentration of hemoglobin in the blood of the test subject was determined.

На графике по оси X отложена концентрация гемоглобина у тестируемого субъекта, измеренная лабораторным методом, по оси Y отложена спрогнозированная с помощью алгоритма прогнозирования концентрация гемоглобина. Линия X=Y показывает корреляцию. В данном случае использовались регрессионная модель машинного обучения методом градиентного спуска и k-fold кросс-валидация для оценки эффективности прогнозирования.In the graph, the X-axis shows the hemoglobin concentration of the test subject, measured by a laboratory method, and the Y-axis shows the hemoglobin concentration predicted using the prediction algorithm. The X=Y line shows the correlation. In this case, a machine learning regression model using gradient descent and k-fold cross-validation were used to evaluate the prediction performance.

Характеристики точности прогнозирования концентрации гемоглобина посредством одной из использованных моделей составили: МАЕ 1σ=0,67, R=0,66; где МАЕ (Mean Absolute Error) - средняя абсолютная ошибка, представляющая собой меру ошибок между парными измерениями одного и то же явления, то есть в данном случае между фактическими значениями концентрации гемоглобина, измеренными лабораторным методом, и прогнозируемыми значениями, полученными с помощью носимого устройства; МАЕ рассчитывается как сумма абсолютных ошибок, деленная на размер выборки; 1а указывает на то, что учитываются только те измерения, ошибка которых лежит в пределах одного стандартного отклонения от среднего значения ошибки по всем точкам; R коэффициент корреляции Пирсона.The accuracy characteristics of predicting hemoglobin concentration using one of the models used were: MAE 1σ=0.67, R=0.66; where MAE (Mean Absolute Error) is the mean absolute error, which is a measure of errors between paired measurements of the same phenomenon, that is, in this case, between the actual values of hemoglobin concentration measured by a laboratory method and the predicted values obtained using a wearable device; MAE is calculated as the sum of absolute errors divided by the sample size; 1a indicates that only those measurements are taken into account whose error lies within one standard deviation from the average error value over all points; R Pearson correlation coefficient.

Полученные данные наглядно демонстрируют, что концентрация гемоглобина в крови тестируемого субъекта может быть спрогнозирована на основании по меньшей мере набора измерительных данных, снимаемых с датчиков носимого устройства, с высокой точностью относительно показаний, полученных лабораторным методом. В качестве примера, в одной из моделей прогнозирования в настоящее время МАЕ 1σ составляет 0,67 г/л. Очевидно, что точность прогнозирования будет возрастать как по мере уточнения алгоритма прогнозирования, так и по мере накопления в базе данных информации с результатами измерений на тестируемых субъектах. Таким образом, предполагается, что с помощью носимого устройства по изобретению можно будет определять концентрацию гемоглобина с высокой точностью (в пределах 1%).The data obtained clearly demonstrate that the hemoglobin concentration in the blood of a test subject can be predicted based on at least a set of measurement data taken from the sensors of a wearable device, with high accuracy relative to the readings obtained by the laboratory method. As an example, one forecasting model currently has a MAE 1σ of 0.67 g/L. It is obvious that the accuracy of forecasting will increase both as the forecasting algorithm is refined and as information with the results of measurements on tested subjects is accumulated in the database. Thus, it is expected that using the wearable device according to the invention it will be possible to determine the hemoglobin concentration with high accuracy (within 1%).

Решение задачи прогнозирования концентрации гемоглобина в крови пользователя было основано на выявлении эмпирических закономерностей в обучающих данных, помещенных в общую базу данных, машинным способом.The solution to the problem of predicting the concentration of hemoglobin in the user's blood was based on identifying empirical patterns in the training data placed in a common database using a machine method.

В вышеописанном варианте осуществления настоящего изобретения алгоритм прогнозирования создан для носимого устройства, расположенного на запястье, поскольку обучение алгоритма прогнозирования было основано на данных, снятых датчиками носимого устройства, расположенного на запястье. В других вариантах осуществления настоящего изобретения возможно обучение алгоритма прогнозирования с учетом размещения носимого устройства на других частях тела, например, на пальце. Описанный здесь алгоритм прогнозирования может быть реализован в виде программного обеспечения, включающего одну или более инструкций, которые могут исполняться процессором 203 носимого устройства 201 или внешними процессорами/устройствами обработки.In the above-described embodiment of the present invention, the prediction algorithm is created for a wearable device located on the wrist, since the training of the prediction algorithm was based on data captured by the sensors of the wearable device located on the wrist. In other embodiments of the present invention, it is possible to train a prediction algorithm based on the placement of the wearable device on other parts of the body, such as a finger. The prediction algorithm described herein may be implemented as software including one or more instructions that may be executed by the processor 203 of the wearable device 201 or by external processors/processing devices.

В вышеописанном процессе обучения алгоритма прогнозирования использовались данные профилей других пользователей (тестируемых субъектов), наборы измерительных данных, заранее измеренных у других пользователей, и наборы опорных данных, заранее измеренных лабораторным методом, как подробно описано выше.The above-described training process of the prediction algorithm used profile data of other users (test subjects), measurement data sets previously measured from other users, and reference data sets previously measured by a laboratory method, as described in detail above.

Как обсуждено далее, база данных может постоянным образом обновляться, и, кроме того, происходит уточнение алгоритма прогнозирования путем машинного обучения.As discussed below, the database can be continuously updated and, in addition, the prediction algorithm is refined through machine learning.

В процессе машинного обучения могут были использованы методы селекции и обработки характеристик и соответствующих дискретных частот:In the process of machine learning, methods for selecting and processing characteristics and corresponding discrete frequencies can be used:

- в методе Relief-F вычисляется и нормализуется вектор весов признаков (характеристик), а затем отбираются признаки, вес которых превышает значение заданного порога;- in the Relief-F method, the vector of weights of features (characteristics) is calculated and normalized, and then features are selected whose weight exceeds the value of a given threshold;

- метод Correlation-based Feature Selection (CFS) сочетает оценочную формулу с соответствующей корреляционной мерой и эвристической стратегией поиска;- the Correlation-based Feature Selection (CFS) method combines an evaluation formula with an appropriate correlation measure and a heuristic search strategy;

- метод Fast Correlation Based Filter начинает работать с полным множеством признаков, использует меру симметричной неопределенности для определения зависимостей между признаками и позволяет выбрать подмножество путем поиска и последовательного исключения малоинформативных признаков;- the Fast Correlation Based Filter method begins to work with the full set of features, uses a measure of symmetric uncertainty to determine dependencies between features and allows you to select a subset by searching and sequentially eliminating uninformative features;

- метод Sequential Forward Feature Selection (SFFS) на каждой итерации добавляет к набору признак, обеспечивающий наилучшую для данной итерации эффективность распознавания; метод взаимной информации (Mutual Information) определяет нелинейную корреляционную зависимость взамен вычисления корреляции Пирсона «признак-признак» и «признак-метка»;- the Sequential Forward Feature Selection (SFFS) method at each iteration adds to the set a feature that provides the best recognition efficiency for a given iteration; the Mutual Information method determines the nonlinear correlation dependence instead of calculating the Pearson correlation “feature-feature” and “feature-label”;

- базовые алгоритмы машинного обучения (искусственного интеллекта); в качестве рабочего решения может использоваться комбинация указанных методов регрессии и любые производные методы регрессии, в основу которых входит базовый алгоритм:- basic machine learning (artificial intelligence) algorithms; As a working solution, a combination of these regression methods and any derivative regression methods that are based on the basic algorithm can be used:

- деревья решений (Decision Tree) / случайный лес (Random Forests);- Decision Trees / Random Forests;

- метод опорных векторов (Support Vector Machines);- support vector machines (Support Vector Machines);

- линейный анализ (Linear Analysis);- Linear Analysis;

- методы глубокого обучения - искусственные нейросети.- deep learning methods - artificial neural networks.

Наилучший вариант осуществленияBest Option

Для осуществления способа по изобретению используют, например, умные часы, содержащие ФПГ-датчик. Встроенный в умные часы светодиод(ы) излучает свет на по меньшей мере двух длинах волн, который частично поглощается в тканях руки пользователя, а частично отражается и детектируется ФПГ-датчиком. Датчик детектирует свет на упомянутых по меньшей мере двух длинах волн и получают набор детектированных ФПГ-сигналов во временной области. Затем с помощью встроенного в умные часы процессора, который используется и для последующих этапов, выбирают опорный ФПГ-сигнал на определенной длине волны. Опорный ФПГ-сигнал выбирают среди всех доступных сигналов на разных длинах волн на основе наилучшего отношения сигнал/шум, самой высокой амплитуды и минимальных шумов (чаще всего это сигнал на длине волны зеленого света). Затем ФПГ-сигналы преобразуют из временной области в частотную область, используя преобразование Фурье. В частотной области извлекают положение первой гармоники (основной составляющей) f0 по опорному ФПГ-сигналу и используют его для анализа сигналов на других длинах волн. Исходя из положения первой гармоники f0, определяют амплитудно-фазовые характеристики гармоник всех сигналов. Таким образом для всех комбинаций длин волн ФПГ-сигнала и гармоник получают набор характеристик а10, а20 … am0, a11, а21… am1… a1n, a2n…. amn, который однозначно описывает форму пульсовой волны на каждой длине волны А.To implement the method according to the invention, for example, a smart watch containing a PPG sensor is used. The LED(s) built into the smartwatch emits light at at least two wavelengths, which is partially absorbed in the tissues of the user's hand, and partially reflected and detected by a PPG sensor. The sensor detects light at the at least two wavelengths and a set of detected PPG signals in the time domain is obtained. Then, using the processor built into the smartwatch, which is also used for subsequent stages, a reference PPG signal at a certain wavelength is selected. The reference PPG signal is selected from among all available signals at different wavelengths based on the best signal-to-noise ratio, highest amplitude, and minimum noise (most often a signal at the green light wavelength). The PPG signals are then converted from the time domain to the frequency domain using the Fourier transform. In the frequency domain, the position of the first harmonic (fundamental component) f 0 is extracted from the reference PPG signal and used to analyze signals at other wavelengths. Based on the position of the first harmonic f 0 , the amplitude-phase characteristics of the harmonics of all signals are determined. Thus, for all combinations of wavelengths of the PPG signal and harmonics, a set of characteristics is obtained: a 10 , a 20 ... a m0 , a 11 , a 21 ... a m1 ... a 1n , a 2n .... a mn , which uniquely describes the shape of the pulse wave at each wavelength A.

Дополнительный вариант осуществления 1Additional embodiment 1

Настоящий вариант осуществления относится к использованию метода машинного обучения (machine leaning, ML) в заявленном способе. Как и в вышеописанном варианте осуществления сначала детектируют ФПГ-сигналы на нескольких длинах волн у пользователя с неизвестной концентрацией гемоглобина в крови, затем извлекают характеристики, описывающие ФПГ-сигналы на нескольких длинах волн, получая набор характеристик: ФПГ {а10, а20… amn}. В отличие от вышеописанного варианта осуществления, может возникнуть ситуация, когда при сравнении полученного набора характеристик с наборами, входящими в базу данных, невозможно будет однозначно определить концентрацию гемоглобина, поскольку полученный набор не будет однозначно соответствовать какому-либо набору из базы данных, находясь приблизительно между двумя наборами, которые указывают соответственно на концентрации Hb1 и Hb2. В таком случае проводят лабораторный анализ крови пользователя, вносят полученный результат в базу данных, коррелируя его с полученным набором характеристик, и дополнительно с помощью метода машинного обучения уточняют алгоритм прогнозирования. Кроме того, с помощью машинного обучения алгоритм прогнозирования может быть обучен для предсказания связи имеющихся наборов характеристик формы ФПГ-сигнала с различными концентрациями гемоглобина.The present embodiment relates to the use of machine learning (ML) in the claimed method. As in the above-described embodiment, PPG signals at several wavelengths are first detected from a user with an unknown hemoglobin concentration in the blood, then characteristics describing PPG signals at several wavelengths are extracted, obtaining a set of characteristics: PPG {a 10 , a 20 ... a mn }. In contrast to the above-described embodiment, a situation may arise where, when comparing the resulting set of characteristics with the sets included in the database, it will not be possible to unambiguously determine the hemoglobin concentration, since the resulting set will not uniquely correspond to any set from the database, being approximately between two sets that indicate the concentrations of Hb 1 and Hb 2 respectively. In this case, a laboratory analysis of the user’s blood is carried out, the result is entered into the database, correlating it with the obtained set of characteristics, and the prediction algorithm is additionally refined using the machine learning method. Additionally, using machine learning, a prediction algorithm can be trained to predict the association of available sets of PPG waveform characteristics with different hemoglobin concentrations.

Преимущественные эффекты от использования метода машинного обучения состоят в обнаружении показателей крови для пользователя, данные которого не включены в базу данных, и повышении точности определения показателей крови.The advantageous effects of using a machine learning method are to detect blood values for a user whose data is not included in the database and improve the accuracy of blood counts.

Дополнительный вариант осуществления 2Additional embodiment 2

Настоящий вариант осуществления направлен на более точное определение опорного ФПГ-сигнала. Как описано выше, опорный сигнал обычно выбирают, исходя из наилучшего отношения сигнал/шум, самой высокой амплитуды, и чаще всего используют сигнал, имеющий длину волны зеленого света. Таким образом, если известна длина волны, на которой получают хороший сигнал, вместе с носимым устройством можно использовать дополнительное аппаратное средство, которое увеличивает интенсивность ФПГ-сигнала на заданной длине волны, например, длине волны зеленого света и определяет его в качестве опорного сигнала. После выбора таким образом опорного сигнала осуществляют дальнейшие этапы способа и определяют концентрацию гемоглобина.The present embodiment is aimed at more accurately determining a reference PPG signal. As described above, the reference signal is typically selected based on the best signal-to-noise ratio, highest amplitude, and most often a signal having a green light wavelength. Thus, if the wavelength at which a good signal is obtained is known, additional hardware can be used with the wearable device that increases the intensity of the PPG signal at a given wavelength, for example, the wavelength of green light, and defines it as a reference signal. After selecting the reference signal in this way, further steps of the method are carried out and the hemoglobin concentration is determined.

Преимущественные эффекты от использования такого подхода состоят в том, что нет необходимости в алгоритме поиска опорного сигнала, и в том, что способ работает для любого пользователя (независимо от его физиологических особенностей, цвета кожи и т.д.).The advantageous effects of using this approach are that there is no need for a reference signal search algorithm, and that the method works for any user (regardless of his physiological characteristics, skin color, etc.).

Примеры использования изобретенияExamples of use of the invention

Изобретение может быть использовано для ненавязчивого отслеживания концентрации гемоглобина у пользователя носимого устройства, такого как умные часы или фитнес-браслет. При постоянном отслеживании концентрации гемоглобина у пользователя можно обнаруживать как кратковременные, так и долговременные отклонения от диапазона нормальной концентрации гемоглобина. Кратковременные отклонения не критичны и могут быть устранены лично пользователем на основе имеющихся рекомендаций. Например, при краткосрочном снижении концентрации гемоглобина, свидетельствующем чаще всего об анемии, может быть рекомендовано изменить диету, увеличить физическую активность, находиться чаще на свежем воздухе и т.п. В то же время долговременные отклонения могут свидетельствовать о серьезных проблемах со здоровьем и необходимости обратиться к врачу. При этом полученные данные могут быть отправлены врачу дистанционно для сбора первичного анамнеза.The invention can be used to unobtrusively monitor the hemoglobin concentration of the user of a wearable device, such as a smart watch or fitness bracelet. By continuously monitoring a user's hemoglobin concentration, both short-term and long-term deviations from the normal hemoglobin concentration range can be detected. Short-term deviations are not critical and can be eliminated personally by the user based on available recommendations. For example, with a short-term decrease in hemoglobin concentration, which most often indicates anemia, it may be recommended to change the diet, increase physical activity, spend more time in the fresh air, etc. At the same time, long-term deviations may indicate serious health problems and the need to see a doctor. In this case, the obtained data can be sent to the doctor remotely to collect a primary medical history.

Преимущество такого использования изобретения состоит в низком энергопотреблении носимых устройств, а значит, более длительном периоде непрерывного контроля, и более качественном анализе данных. Кроме того, обеспечивается деликатное взаимодействие с пользователем.The advantage of this use of the invention is the low power consumption of wearable devices, which means a longer period of continuous monitoring, and better data analysis. It also ensures a sensitive user experience.

Другим примером использования изобретения может служить использование спортсменами. Как отмечено выше, основной функцией гемоглобина является связывание и транспорт кислорода к внутренним органам. Отклонение значения концентрации Hb от нормы приводит к снижению выносливости при занятиях спортом. Низкая концентрация гемоглобина приводит к кислородному голоданию мышц (гипоксии или низкому количеству эритроцитов), результатом чего являются: вялость, периодические головокружения, усталость, боль в мышцах, одышка, учащенное сердцебиение. Высокая концентрация гемоглобина приводит к обезвоживанию или большому количеству эритроцитов, результатом чего являются: вялость, носовые кровотечения, усталость, боль в мышцах. Такие состояния тяжело переносятся, особенно при физической нагрузке. Мышцам нужен кислород, чтобы получить достаточно энергии, при этом дефицит кислорода влечет за собой неспособность волокон адекватно сокращаться. Спортсмены могут не сразу заметить симптомы начавшейся анемии, что связано с повышенной выносливостью организма. Следовательно, необходимо знать концентрацию гемоглобина перед тренировкой, а лучше постоянно контролировать ее.Another example of the use of the invention can be used by athletes. As noted above, the main function of hemoglobin is to bind and transport oxygen to internal organs. Deviation of the Hb concentration value from the norm leads to a decrease in endurance during sports. A low concentration of hemoglobin leads to oxygen starvation of the muscles (hypoxia or low number of red blood cells), resulting in: lethargy, periodic dizziness, fatigue, muscle pain, shortness of breath, rapid heartbeat. A high concentration of hemoglobin leads to dehydration or a large number of red blood cells, resulting in: lethargy, nosebleeds, fatigue, muscle pain. Such conditions are difficult to tolerate, especially during physical activity. Muscles need oxygen to get enough energy, and a lack of oxygen results in the inability of fibers to contract adequately. Athletes may not immediately notice the symptoms of anemia that has begun, which is associated with increased endurance of the body. Therefore, it is necessary to know the hemoglobin concentration before training, and it is better to constantly monitor it.

Более того, кислородное голодание чревато последствиями для обычных людей, поскольку недостаток кислорода в крови может негативно отражаться на работе мозга.Moreover, oxygen deprivation is fraught with consequences for ordinary people, since a lack of oxygen in the blood can negatively affect brain function.

Еще одним примером использование изобретения является помощь в выборе режима тренировок, что актуально для начинающих спортсменов, атлетов после длительного перерыва в тренировках, триатлонистов, спортсменок и при проведении тренировок на высоте. Спортсмен, использующий умные часы, переключает их в режим измерения концентрации гемоглобина. Учитывая непрерывные данные датчика, профиль пользователя и геолокацию, алгоритм машинного обучения анализирует данные от датчика гемоглобина, которые затем предоставляются пользователю в виде показания концентрации гемоглобина. Исходя из контролируемой концентрации гемоглобина, могут быть предоставлены персональные рекомендации для тренировок, такие как режим, продолжительность, уровень нагрузки и т.д.Another example of the use of the invention is assistance in choosing a training regimen, which is important for beginner athletes, athletes after a long break from training, triathletes, sportswomen and when training at altitude. An athlete using a smartwatch switches it to hemoglobin concentration measurement mode. Given continuous sensor data, the user's profile and geolocation, a machine learning algorithm analyzes the data from the hemoglobin sensor, which is then provided to the user as a hemoglobin concentration reading. Based on the controlled hemoglobin concentration, personalized training recommendations can be provided, such as mode, duration, load level, etc.

Настоящее изобретение расширяет функционал приложения Samsung Health в умных часах, предоставляя еще один параметр для комплексного анализа здоровья пользователя. Умные часы могут выдавать следующие показатели: суточные колебания концентрации гемоглобина, текущая концентрация гемоглобина в пределах нормальной концентрации гемоглобина, непрерывный результат измерения в течение дня, средние значения за заданный период.The present invention expands the functionality of the Samsung Health application in smart watches by providing another parameter for a comprehensive analysis of the user's health. Smart watches can provide the following indicators: daily fluctuations in hemoglobin concentration, current hemoglobin concentration within the normal hemoglobin concentration, continuous measurement results throughout the day, average values for a given period.

Хотя изобретение описано с некоторыми иллюстративными вариантами осуществления, следует понимать, что сущность изобретения не ограничивается этими конкретными вариантами осуществления. Напротив, предполагается, что сущность изобретения включает в себя все альтернативы, модификации и эквиваленты, которые могут быть включены в сущность и объем формулы изобретения.Although the invention has been described with certain illustrative embodiments, it should be understood that the invention is not limited to these specific embodiments. On the contrary, the spirit of the invention is intended to include all alternatives, modifications and equivalents that may be included within the spirit and scope of the claims.

Кроме того, изобретение включает в себя все эквиваленты заявляемого изобретения, даже если пункты формулы изобретения изменятся в процессе рассмотрения.In addition, the invention includes all equivalents of the claimed invention, even if the claims change during examination.

Claims (48)

1. Носимое устройство с функцией определения концентрации гемоглобина в крови пользователя, содержащее:1. A wearable device with the function of determining the concentration of hemoglobin in the user’s blood, containing: по меньшей мере один фотоплетизмографический (ФПГ) датчик, выполненный с возможностью облучать биологическую ткань пользователя излучением по меньшей мере двух различных длин волн и детектировать по меньшей мере два ФПГ-сигнала на упомянутых по меньшей мере двух различных длинах волн в режиме отражения,at least one photoplethysmographic (PPG) sensor configured to irradiate the user's biological tissue with radiation of at least two different wavelengths and detect at least two PPG signals at said at least two different wavelengths in reflection mode, при этом носимое устройство выполнено с возможностью:wherein the wearable device is configured to: преобразовывать упомянутые по меньшей мере два ФПГ-сигнала из временной области в частотную область или частотно-временную область,convert the at least two PPG signals from the time domain into the frequency domain or time-frequency domain, выбирать из всех ФПГ-сигналов наиболее значимый сигнал, характеризующийся наибольшим отношением сигнал/шум, самой высокой амплитудой и/или наименьшими шумами, и использовать его в качестве опорного сигнала,select from all PPG signals the most significant signal, characterized by the highest signal-to-noise ratio, the highest amplitude and/or the least noise, and use it as a reference signal, извлекать из опорного сигнала гармоники и использовать их в качестве координат,extract harmonics from the reference signal and use them as coordinates, осуществлять разложение всех ФПГ-сигналов по упомянутым координатам с получением набора амплитудно-фазовых характеристик гармоник иcarry out decomposition of all PPG signals along the mentioned coordinates to obtain a set of amplitude-phase characteristics of harmonics and определять концентрацию гемоглобина в крови пользователя путем сравнения полученного набора амплитудно-фазовых характеристик гармоник с наборами амплитудно-фазовых характеристик гармоник из базы данных, каждый из которых соответствует конкретному значению концентрации гемоглобина.determine the concentration of hemoglobin in the user’s blood by comparing the resulting set of amplitude-phase characteristics of harmonics with sets of amplitude-phase characteristics of harmonics from the database, each of which corresponds to a specific value of hemoglobin concentration. 2. Носимое устройство по п. 1, в котором упомянутый по меньшей мере один ФПГ-датчик содержит по меньшей мере один источник излучения, содержащий два или более светоизлучающих диода.2. A wearable device according to claim 1, wherein said at least one PPG sensor comprises at least one radiation source comprising two or more light-emitting diodes. 3. Носимое устройство по п. 1 или 2, в котором упомянутый по меньшей мере один ФПГ-датчик содержит по меньшей мере один приемник излучения, предпочтительно представляющий собой широкополосный фотоприемник.3. A wearable device according to claim 1 or 2, in which said at least one PPG sensor contains at least one radiation detector, preferably a broadband photodetector. 4. Носимое устройство по любому из пп. 1-3, при этом одна из упомянутых различных длин волн находится в диапазоне 495-570 нм, а предпочтительно составляет 530 нм.4. A wearable device according to any one of paragraphs. 1-3, wherein one of the various wavelengths mentioned is in the range of 495-570 nm, and preferably 530 nm. 5. Носимое устройство по любому из пп. 1-4, при этом носимое устройство дополнительно выполнено с возможностью отфильтровывать артефакты движения от ФПГ-сигналов.5. A wearable device according to any one of paragraphs. 1-4, wherein the wearable device is additionally configured to filter out motion artifacts from PPG signals. 6. Носимое устройство по любому из пп. 1-5, при этом преобразование ФПГ-сигналов из временной области в частотную область содержит преобразование Фурье или преобразование Гильберта-Хуанга, а преобразование из временной области в частотно-временную область содержит вейвлет-преобразование.6. A wearable device according to any one of paragraphs. 1-5, wherein the transformation of PPG signals from the time domain to the frequency domain contains a Fourier transform or a Hilbert-Huang transform, and the transformation from the time domain to the time-frequency domain contains a wavelet transform. 7. Носимое устройство по любому из пп. 1-6, при этом извлечение гармоник из опорного сигнала включает определение координаты основной гармоники и вычисление координат других гармоник.7. A wearable device according to any one of paragraphs. 1-6, wherein extracting harmonics from the reference signal involves determining the coordinates of the fundamental harmonic and calculating the coordinates of other harmonics. 8. Носимое устройство по любому из пп. 1-7, при этом разложение ФПГ-сигналов по координатам включает измерение для каждой гармоники амплитуды, площади кривой, ширины на половине высоты пика и/или отношения сигнал/шум с получением набора амплитудно-фазовых характеристик гармоник.8. A wearable device according to any one of paragraphs. 1-7, while the decomposition of PPG signals into coordinates includes measuring for each harmonic the amplitude, curve area, width at half height of the peak and/or signal-to-noise ratio to obtain a set of amplitude-phase characteristics of the harmonics. 9. Носимое устройство по любому из пп. 1-8, при этом сравнение основано на использовании численного метода или алгоритма прогнозирования с учетом данных профилей других пользователей, наборов амплитудно-фазовых характеристик гармоник из базы данных, заранее измеренных у других пользователей и сопоставленных с концентрациями гемоглобина, заранее измеренными лабораторным методом.9. A wearable device according to any one of paragraphs. 1-8, while the comparison is based on the use of a numerical method or prediction algorithm taking into account profile data of other users, sets of amplitude-phase characteristics of harmonics from the database, previously measured from other users and compared with hemoglobin concentrations previously measured by a laboratory method. 10. Носимое устройство по любому из пп. 1-9, дополнительно содержащее запоминающее устройство, выполненное с возможностью хранить базу данных.10. A wearable device according to any one of paragraphs. 1-9, further comprising a storage device configured to store a database. 11. Носимое устройство по п. 9 или 10, при этом носимое устройство дополнительно выполнено с возможностью коррелировать определенную концентрацию гемоглобина с использованием значения концентрации гемоглобина, полученного лабораторным методом, обновлять базу данных и уточнять алгоритм прогнозирования с использованием алгоритма машинного обучения или нейронной сети.11. The wearable device according to claim 9 or 10, wherein the wearable device is further configured to correlate a determined hemoglobin concentration using a laboratory-derived hemoglobin concentration value, update the database, and refine the prediction algorithm using a machine learning algorithm or neural network. 12. Носимое устройство по любому из пп. 1-11, дополнительно содержащее:12. A wearable device according to any one of paragraphs. 1-11, additionally containing: устройство ввода и вывода, выполненное с возможностью вводить данные профиля пользователя и отображать определенную концентрацию гемоглобина, иan input and output device configured to input user profile data and display a determined hemoglobin concentration, and модуль связи, выполненный с возможностью обмениваться информацией с удаленным сервером и/или облачным хранилищем.a communication module configured to exchange information with a remote server and/or cloud storage. 13. Носимое устройство по любому из пп. 1-12, при этом носимое устройство дополнительно выполнено с возможностью определения концентрации оксигемоглобина в крови пользователя.13. A wearable device according to any one of paragraphs. 1-12, wherein the wearable device is further configured to determine the concentration of oxyhemoglobin in the user's blood. 14. Носимое устройство по любому из пп. 1-13, при этом носимое устройство выполнено с возможностью размещаться на запястье.14. A wearable device according to any one of paragraphs. 1-13, wherein the wearable device is configured to be placed on the wrist. 15. Носимое устройство по любому из пп. 1-14, причем носимое устройство представляет собой смарт-устройство, предпочтительно умные часы или фитнес-браслет.15. A wearable device according to any one of paragraphs. 1-14, wherein the wearable device is a smart device, preferably a smart watch or fitness bracelet. 16. Способ определения концентрации гемоглобина в крови пользователя, включающий этапы, на которых:16. A method for determining the concentration of hemoglobin in the user’s blood, including the steps of: облучают биологическую ткань пользователя излучением по меньшей мере двух различных длин волн,irradiate the user's biological tissue with radiation of at least two different wavelengths, детектируют фотоплетизмографические (ФПГ) сигналы во временной области на упомянутых по меньшей мере двух различных длинах волн в режиме отражения,detecting photoplethysmographic (PPG) signals in the time domain at said at least two different wavelengths in reflection mode, преобразуют детектированные ФПГ-сигналы из временной области в частотную область или частотно-временную область,convert the detected PPG signals from the time domain into the frequency domain or time-frequency domain, выбирают из всех ФПГ-сигналов наиболее значимый сигнал, характеризующийся наибольшим отношением сигнал/шум, самой высокой амплитудой и/или наименьшими шумами, и используют его в качестве опорного сигнала,select the most significant signal from all PPG signals, characterized by the highest signal-to-noise ratio, the highest amplitude and/or the least noise, and use it as a reference signal, извлекают из опорного сигнала гармоники и используют их в качестве координат,harmonics are extracted from the reference signal and used as coordinates, раскладывают все ФПГ-сигналы по упомянутым координатам с получением набора амплитудно-фазовых характеристик гармоник иall PPG signals are laid out along the mentioned coordinates to obtain a set of amplitude-phase characteristics of harmonics and определяют концентрацию гемоглобина в крови пользователя путем сравнения полученного набора амплитудно-фазовых характеристик гармоник с наборами амплитудно-фазовых характеристик гармоник из базы данных, каждый из которых соответствует конкретному значению концентрации гемоглобина.determine the hemoglobin concentration in the user's blood by comparing the resulting set of amplitude-phase characteristics of harmonics with sets of amplitude-phase characteristics of harmonics from the database, each of which corresponds to a specific value of hemoglobin concentration. 17. Способ по п. 16, в котором облучение осуществляют с помощью по меньшей мере одного источника излучения, представляющего собой два или более светоизлучающих диода.17. The method according to claim 16, in which the irradiation is carried out using at least one radiation source, which is two or more light-emitting diodes. 18. Способ по п. 16 или 17, в котором детектирование ФПГ-сигналов осуществляют с помощью по меньшей мере одного приемника излучения, предпочтительно представляющего собой широкополосный фотоприемник.18. The method according to claim 16 or 17, in which the detection of PPG signals is carried out using at least one radiation detector, preferably a broadband photodetector. 19. Способ по любому из пп. 16-18, при этом одна из упомянутых по меньшей мере двух различных длин волн находится в диапазоне 495-570 нм, а предпочтительно составляет 530 нм.19. Method according to any one of paragraphs. 16-18, wherein one of the at least two different wavelengths is in the range 495-570 nm, and preferably 530 nm. 20. Способ по любому из пп. 16-19, дополнительно включающий фильтрацию ФПГ-сигналов от артефактов движения.20. Method according to any one of paragraphs. 16-19, additionally including filtering PPG signals from motion artifacts. 21. Способ по любому из пп. 16-20, в котором преобразование ФПГ-сигналов из временной области в частотную область осуществляют путем преобразования Фурье или преобразования Гильберта-Хуанга, а преобразование из временной области в частотно-временную область осуществляют путем вейвлет-преобразования.21. Method according to any one of paragraphs. 16-20, in which the conversion of PPG signals from the time domain to the frequency domain is carried out by the Fourier transform or the Hilbert-Huang transform, and the conversion from the time domain to the time-frequency domain is carried out by the wavelet transform. 22. Способ по любому из пп. 16-21, в котором извлечение гармоник из опорного сигнала включает определение координаты основной гармоники и вычисление координат других гармоник.22. Method according to any one of paragraphs. 16-21, in which extracting harmonics from a reference signal involves determining the coordinate of the fundamental harmonic and calculating the coordinates of other harmonics. 23. Способ по любому из пп. 16-22, в котором разложение ФПГ-сигналов по координатам включает измерение для каждой гармоники амплитуды, площади кривой, ширины на половине высоты пика и/или отношения сигнал/шум с получением набора амплитудно-фазовых характеристик гармоник.23. Method according to any one of paragraphs. 16-22, in which the decomposition of PPG signals into coordinates includes measurement for each harmonic of the amplitude, curve area, width at half height of the peak and/or signal-to-noise ratio to obtain a set of amplitude-phase characteristics of the harmonics. 24. Способ по любому из пп. 16-23, в котором сравнение осуществляют с использованием численного метода или алгоритма прогнозирования с учетом данных профилей других пользователей, наборов амплитудно-фазовых характеристик гармоник из базы данных, заранее измеренных у других пользователей и сопоставленных с концентрациями гемоглобина, заранее измеренными лабораторным методом.24. Method according to any one of paragraphs. 16-23, in which the comparison is carried out using a numerical method or prediction algorithm taking into account profile data of other users, sets of amplitude-phase characteristics of harmonics from the database, previously measured from other users and compared with hemoglobin concentrations previously measured by a laboratory method. 25. Способ по п. 24, в котором в качестве численного метода используют алгоритм машинного обучения или обучение с помощью нейронной сети.25. The method according to claim 24, in which a machine learning algorithm or learning using a neural network is used as a numerical method. 26. Способ по любому из пп. 16-25, при этом база данных выполнена с возможностью храниться на запоминающем устройстве, удаленном сервере и/или в облачном хранилище.26. Method according to any one of paragraphs. 16-25, wherein the database is configured to be stored on a storage device, a remote server and/or in a cloud storage. 27. Способ по любому из пп. 24-26, дополнительно включающий осуществление корреляции определенной концентрации гемоглобина с использованием значения концентрации гемоглобина, полученного лабораторным методом, обновление базы данных и уточнение алгоритма прогнозирования с использованием алгоритма машинного обучения или нейронной сети.27. Method according to any one of paragraphs. 24-26, further including correlating a determined hemoglobin concentration using a laboratory-derived hemoglobin concentration value, updating the database, and refining the prediction algorithm using a machine learning algorithm or a neural network. 28. Способ по любому из пп. 16-27, дополнительно предназначенный для определения концентрации оксигемоглобина в крови пользователя.28. Method according to any one of paragraphs. 16-27, additionally designed to determine the concentration of oxyhemoglobin in the user’s blood. 29. Система для определения концентрации гемоглобина в крови пользователя, содержащая носимое устройство по любому из пп. 1-15 и удаленный сервер и/или облачное хранилище, при этом система содержит средства обмена информацией между носимым устройством и удаленным сервером и/или облачным хранилищем.29. A system for determining the concentration of hemoglobin in the user’s blood, containing a wearable device according to any one of paragraphs. 1-15 and a remote server and/or cloud storage, wherein the system contains means for exchanging information between the wearable device and the remote server and/or cloud storage. 30. Система по п. 29, при этом база данных предназначена для хранения на запоминающем устройстве, удаленном сервере и/или в облачном хранилище и выполнена с возможностью доступа к данным пользователя с внешних устройств через удаленный сервер и/или облачное хранилище.30. The system according to claim 29, wherein the database is designed for storage on a storage device, a remote server and/or in cloud storage and is configured to access user data from external devices through a remote server and/or cloud storage. 31. Система по п. 29 или 30, при этом на запоминающем устройстве, удаленном сервере и/или в облачном хранилище хранятся данные профиля пользователя и результаты предыдущих определений концентрации гемоглобина.31. The system according to claim 29 or 30, wherein user profile data and the results of previous determinations of hemoglobin concentration are stored on the storage device, remote server and/or cloud storage. 32. Система по п. 31, дополнительно содержащая средства для доступа к данным профиля пользователя и результатам предыдущих определений концентрации гемоглобина с других электронных устройств.32. The system of claim 31, further comprising means for accessing user profile data and the results of previous hemoglobin concentration determinations from other electronic devices.
RU2023102891A 2023-02-09 Wearable device with function of determining hemoglobin concentration, method and system for determining hemoglobin concentration RU2805810C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2805810C1 true RU2805810C1 (en) 2023-10-24

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2011101377A (en) * 2008-06-16 2012-07-27 Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. (Nl) CONTROL OF THE Vital IMPORTANT PATIENT OF THE PATIENT USING THE ON-SITE MODULATION DIAGRAM TO AVOID INTERFERENCE
RU2013102581A (en) * 2010-06-22 2014-07-27 Сенспек Гмбх DEVICE AND METHOD FOR DETERMINING AND MONITORING COMPONENTS OR PROPERTIES OF THE MEASURABLE MEDIA, IN PARTICULAR, VALUES OF PHYSIOLOGICAL INDICATORS OF BLOOD
CN105796115B (en) * 2016-04-20 2018-11-02 广州视源电子科技股份有限公司 Blood oxygen measuring method and system
TW201842494A (en) * 2017-04-21 2018-12-01 美商高通公司 Non-harmonic speech detection and bandwidth extension in a multi-source environment

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2011101377A (en) * 2008-06-16 2012-07-27 Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. (Nl) CONTROL OF THE Vital IMPORTANT PATIENT OF THE PATIENT USING THE ON-SITE MODULATION DIAGRAM TO AVOID INTERFERENCE
RU2013102581A (en) * 2010-06-22 2014-07-27 Сенспек Гмбх DEVICE AND METHOD FOR DETERMINING AND MONITORING COMPONENTS OR PROPERTIES OF THE MEASURABLE MEDIA, IN PARTICULAR, VALUES OF PHYSIOLOGICAL INDICATORS OF BLOOD
CN105796115B (en) * 2016-04-20 2018-11-02 广州视源电子科技股份有限公司 Blood oxygen measuring method and system
TW201842494A (en) * 2017-04-21 2018-12-01 美商高通公司 Non-harmonic speech detection and bandwidth extension in a multi-source environment

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111629666B (en) Systems and methods for sensing physiological parameters
US9949675B2 (en) Noninvasive blood measurement platform
CN107920786B (en) Pulse oximetry
US9220440B2 (en) Determining a characteristic respiration rate
US9591999B2 (en) Determination of tissue oxygenation in vivo
CA3097663A1 (en) Methods to estimate the blood pressure and the arterial stiffness based on photoplethysmographic (ppg) signals
US20110230744A1 (en) System and apparatus for the non-invasive measurement of glucose levels in blood
Chacon et al. A wearable pulse oximeter with wireless communication and motion artifact tailoring for continuous use
WO2011013132A1 (en) Photoplethysmography device and method
US20120310051A1 (en) Systems And Methods For Signal Rephasing Using The Wavelet Transform
EP3975835A1 (en) System for monitoring physiological parameters
WO2017112753A1 (en) Devices and methods for predicting hemoglobin levels using electronic devices such as mobile phones
Manurung et al. Non-invasive blood glucose monitoring using near-infrared spectroscopy based on internet of things using machine learning
US20140187884A1 (en) Systems and methods for ensemble averaging in pulse oximetry
CN109106376B (en) Method and device for detecting concentration of total hemoglobin in blood
RU2805810C1 (en) Wearable device with function of determining hemoglobin concentration, method and system for determining hemoglobin concentration
RU2821143C1 (en) Wearable device, method and system for measuring blood parameters
CN110710982B (en) Method for acquiring model for detecting hemoglobin concentration and method for detecting hemoglobin concentration
CN112932475B (en) Method and device for calculating blood oxygen saturation, electronic equipment and storage medium
US20230270360A1 (en) Selectable energy modes for measuring blood and tissue oxygenation
US20240138724A1 (en) Method and apparatus for non-invasively measuring blood circulatory hemoglobin accounting for hemodynamic confounders
Tatiparti et al. Smart non-invasive hemoglobin measurement using portable embedded technology
Lychagov et al. Hemoglobin Concentration Measurements with the Reflectance Mode Photoplethysmography
Céelleri et al. Non-Invasive Blood Sugar Measurement System
Veerabathraswamy et al. Simulation of a Non-Contact Triple-Wavelength Reflectance Pulse Oximeter to Measure Oxygen and Carbon Monoxide Saturations