Спосіб неінвазивного визначення біологічного віку людини

Реферат: Спосіб неінвазивного визначення біологічного віку людини, що включає оцінку показників роботи серцево-судинної системи, причому пульсоксиметром вимірюють пульсову хвилю, періоди якої усереднюють, отримуючи один кардіоцикл, який розкладають у ряд Фур'є, отримують амплітудні коефіцієнти ряду Фур'є та розраховують індекс форми Fm для визначення біологічного віку, застосовуючи програмно реалізовану штучну нейронну мережу. UA 83882 U (12) UA 83882 U UA 83882 U 5 10 15 20 25 30 35 Корисна модель належить до способів медичного обстеження і методів діагностики без хірургічного втручання і може використовуватись в багатьох галузях медицини для оцінки фізіологічного стану і гемодинаміки серцево-судинної системи; виявлення порушень, пов'язаних з її функціонуванням чи інших порушень, які впливають на процес кровообігу; відслідковування вікових змін; для контролю стану пацієнта при лікувальних процедурах, застосуванні медикаментів, хірургічному втручанні; у науково-дослідницькій роботі. В медичній практиці існує безліч показників і тестів що мають на меті встановлення біологічного віку людини, які в комплексі використовуються для загальної оцінки. Під поняттям біологічного віку слід розуміти ступінь старіння організму. Усі ці методи базуються на вивчені закономірності старіння різних систем організму. Маркерами біологічного віку можуть бути такі показники як еластичність шкіри (Патент України № 74955, МПК А61В 5/02), вікові зміни судинної системи, гормональні зміни та ін. Підвищення точності а також пошук зручних неінвазивних методів оцінки біологічного віку є актуальною задачею. Аналіз форми пульсової хвилі за допомогою представленого індексу спрощує процедуру оцінки ступеня старіння серцево-судинної системи, що є одним із основним показником старіння всього організму. Із існуючих методів, які дають можливість неінвазивного визначення стану кровообігу слід відзначити близьким спосіб визначення біологічного віку людини, що включає підрахунок частоти серцевих скорочень (ЧСС) до, під час і після фізичного навантаження, де також додатково визначають артеріальний тиск (AT) і розраховують максимальне споживання кисню (МСК), мл/хв. (Патент України № 69328, МПК G01L 1/06, G01L 1/08, A61B 10/02). Недоліком цього методу є складність процедури вимірювання показників, на основі яких проводиться визначення віку. Необхідне чітке дотримання часових проміжків між моментом здійснення навантаження та моментом вимірювання ЧСС і AT. А також недоліком є неможливість застосування методу до осіб, які не можуть піддаватись навантаженню з тієї чи іншої причини. Технічною задачею є створення неінвазивного способу оцінки біологічного віку, який не потребує багато часу на проведення тесту, оснований на вимірюванні пульсової хвилі за допомогою пульсоксиметра з подальшою її обробкою і аналізом, що дає змогу на відміну від інших отримати інформацію про роботу всієї серцево-судинної системи, включаючи роботу дрібних судин і інтерпретувати форму пульсової хвилі як показник біологічного віку людини. Поставлена задача вирішується у способі неінвазивного визначення біологічного віку людини, що включає оцінку показників роботи серцево-судинної системи. Новим є те, що пульсоксиметром вимірюють пульсову хвилю, періоди якої усереднюють отримуючи один кардіоцикл, який розкладають у ряд Фур'є, отримують амплітудні коефіцієнти ряду Фур'є та розраховують індекс форми Fm за формулою: N N k 2 k 2 2 2 Fm  (  ak )  (  bk ) 40 45 50 55 2 2 a1  b1 , де ak - коефіцієнт тригонометричного ряду Фур'є, при косинусі, b k - коефіцієнт тригонометричного ряду Фур'є, при синусі, a1 - перший коефіцієнт ряду Фур'є, при косинусі, b1 - перший коефіцієнт ряду Фур'є, при синусі, k - порядковий номер елементу суми тригонометричного ряду Фур'є, N - кількість старших гармонік, яка використовується для розрахунку, та використовують індекс форми Fm для визначення біологічного віку, застосовуючи програмно реалізовану штучну нейронну мережу. Спосіб реалізується наступним чином: Для аналізу біологічного віку за допомогою стандартного клінічного пульсоксиметра реєструється пульсова хвиля (фотоплетизмограмма). Згідно з методом аналізується форма одного усередненого періоду по спектральним характеристикам - коефіцієнтам ряду Фур'є отриманих для періоду, і використовує власний індекс форми для побудови залежності між віком і формою пульсової хвилі. Дані пульсоксиметру надходять на вхід серійного порту комп'ютера у вигляді масиву чисел, що зображає дискретну функцію насичення крові в момент часу. Сигнал розбивається на періоди, з яких будується сума і отримується середній образ одного періоду (імпульсу). Для отримання усередненого фрагмента пульсової хвилі виконуються обчислення представлені нижче. 1 UA 83882 U Нехай фрагмент має k точок U1 , i  i, k , U1  Uk . Вважатимемо, що максимальне значення Umax знаходиться у точці imax , а мінімум Umin - у точці imin . Виконаємо наступне перетворення: U  U1 i  1  Ui  i  1 Ui  Ui  k k 1 , (1) i  1, k . 5     Очевидно, що при U1  Uk матимемо нові значення максимуму Umax і мінімуму Umin ;  Umax  Umax  imax  1,  Umin  Umin  imin  1. (2) Щоб нормалізувати амплітуду фрагмента, виконуємо наступні дії: Ui   Ui  Umin (3)   Umax  Umin . 10 Якщо підставити (1) і (2) у вираз (3), то отримаємо для підрахунку точки Ui з і початкового фрагмента, виконуючи нормалізацію амплітуди: Ui  Umin  imin  i (4) Ui  Umax  Umin  imin  imax  Також через різну кількість точок у кожному фрагменті потрібно застосувати процедуру редискретизації кожного циклу і змусити їх мати фіксовану кількість точок N . Параметр N визначається за допомогою найбільшого значення частоти відповідної пульсової хвилі. Алгоритм ре-дискретизації полягає у послідовному обчисленні ординат з новим кроком за наступною формулою: jk (5) U  Ui  (Ui 1  Ui )(  i) J  N , 15 k    - кратне число. А U1  Uk  UN . N Аналіз і класифікація пульсових хвиль проводиться за допомогою оцінки гармонічних складових хвилі отриманих за допомогою ряду Фур'є. Тобто для кожної кривої маємо множину коефіцієнтів ak , b k ряду відповідно до формул: j  2, N  1 , i  j N ak  2  U j cos( j 1 N bk  2  U j sin( j 1 20 k 2j ) N k 2j ) N Запропоновано індекс форми, який дає змогу на основі отриманих коефіцієнтів ряду Фур'є кількісно оцінити ступінь відмінності пульсових хвиль жінок та чоловіків різного віку. При такому застосуванні індексу його можна вважати кількісною оцінкою, яка дає змогу оцінити біологічний вік людини на основі накопичених статистичних даних. Індекс форми Fm розраховують за формулою: N N k 2 25 k 2 2 2 Fm  (  ak )  (  bk ) 2 2 a1  b1 , де ak - коефіцієнт тригонометричного ряду Фур'є, при косинусі, b k - коефіцієнт тригонометричного ряду Фур'є, при синусі, a1 - перший коефіцієнт ряду Фур'є, при косинусі, b1 - перший коефіцієнт ряду Фур'є, при синусі, 30 k - порядковий номер елемента суми тригонометричного ряду Фур'є, N - кількість старших гармонік яка використовується для розрахунку. Приклад 1: Пацієнту П. чоловічої статі зі зростом 184 см була виміряна у стані спокою в сидячому положенні за допомогою пульсоксиметра пульсова хвиля. Реєструючи сигнал пульсоксиметра 2 UA 83882 U 5 на серійному вході ПК, отримують цифровий сигнал, у вигляді точок, які показують амплітудні значення кількості крові, насиченої киснем на відрізку часу. Отриману пульсову хвилю програмним шляхом розбивають на періоди, аналізуючи крутизну підйому хвилі знаходять найкрутіші відрізки. Дані були передані у комп'ютер, де програмно періоди пульсової хвилі були усереднені та отриманий один кардіоцикл, який був розкладений у ряд Фур'є за формулами: N ak  2  U j cos( j 1 N bk  2  U j sin( j 1 k 2j ) N , k 2j ) N . Значення N вибирають для досягнення бажаної точності, але не менше 6, наприклад N  13 . Отримуємо пари коефіцієнтів ak , b k : 10 Таблиця 1 Коефіцієнти ряду Фур'є ak , b k ak -78,9306 -105,226 -104,647 12,5112 1,416198 0,153871 0,078642 -0,01261 0,182018 0,072276 0,201724 0,075704 -0,08916 0,094851 k 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 bk 0 134,4563 -5,80809 -24,3351 0,317218 0,393301 0,294999 -0,15941 -0,20412 0,008982 0,046595 0,303307 -0,05572 -0,07885 розраховують індекс форми Fm за формулою: N N k 2 k 2 2 2 Fm  (  ak )  (  bk ) 15 Числа в розрахунку округлені для зручності представлення прикладу. Розрахуємо спочатку вирази сум під коренем, і позначимо їх літерами A і B відповідно: A N 2  ak  k 2 B N  k 2 2 ak  13 ((104,65 )2  i  2( 0,01) 25 2 13 ((5,8)2  i  2( 0,16 ) 2  111,09  626,444 20 2 2 a1  b1  12,512  1 42 2  0,15 2  0,08 2  ,  0,18 2  0,07 2  0,22  0,07 2  ( 0,09 )2  0,09 2 )  11109 ,66  ( 24,3)2  0,312  0,39 2  0,29 2   ( 0,2)2  0,009 2  0,047 2  0,3 2  ( 0,06 )2  0,08 2 ) ( 105,226 )2  134,4563 2  13436 ,  626,444 . На вхід навченої заздалегідь навченої нейронної мережі подають значення індексу форми, , стать та значення ваги пацієнта Fm  1343 , зріст = 184, стать, що кодується цифрою 1 (чоловіча) і отримаємо значення 23,6 як оцінку біологічного віку. Приклад 2: Пацієнту П. жіночої статі зі зростом 173 см була виміряна у стані спокою в сидячому положенні за допомогою пульсоксиметра пульсова хвиля. Реєструючи сигнал пульсоксиметра на серійному вході ПК, отримують цифровий сигнал, у вигляді точок, які показують амплітудні значення кількості крові, насиченої киснем на відрізку часу. Отриману пульсову хвилю програмним шляхом розбивають на періоди, аналізуючи крутизну підйому хвилі, знаходять 3 UA 83882 U найкрутіші відрізки. Дані були передані у комп'ютер, де програмно періоди пульсової хвилі були усереднені та отриманий один кардіоцикл, який був розкладений у ряд Фур'є за формулами: N ak  2  U j cos( j 1 N bk  2  U j sin( j 1 5 k 2j ) N , k 2j ) N . Значення N вибирають для досягнення бажаної точності, але не менше 6, наприклад N  13 . Отримуємо пари коефіцієнтів ak , b k : Таблиця 2 Коефіцієнти ряду Фур'є ak , b k ak -123,907 -59,1598 -121,02 1,978466 2,639054 0,3452083 0,4425846 0,5095295 0,1044158 0,06763484 0,1105607 -0,09480941 -0,095132 0,07277184 k 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 bk 0 125,8152 44,22534 -54,06271 -0,71335 -0,03385723 -0,08773457 0,1186117 0,2807699 -0,02810101 0,05685115 0,1691541 -0,01596493 -0,09976664 розраховують індекс форми Fm за формулою: N N k 2 k 2 2 2 Fm  (  ak )  (  bk ) 10 Числа в розрахунку округлені для зручності представлення прикладу. Розрахуємо спочатку вирази сум під коренем, і позначимо їх літерами A і B відповідно: A N  k 2 B N  k 2 15 20 25 2 2 a1  b1 2 ak  13 ((121,02 )2  i  2(0,44 ) 2 ak  2  0,512  0,10 2  0,07 2  0,112  ( 0,09 )2  ( 0,095 )2  0,072 2 ) 13 ( 44,23 2  i  2 0,12 2  1,98 2  2,63 2  0,35 2   ( 54,06 )2  ( 0,71)2  ( 0,03 )2  ( 0,08 )2   0,28 2  ( 0,03 )2  0,06 2  0,17 2  ( 0,02 )2  ( 0,01)2 )  14657 ,35  4879,3108  14657 ,35  4879 ,3108 ( 59,1598 )2  125,8152 2  173824 , На вхід навченої заздалегідь навченої нейронної мережі подають значення індексу форми, , стать та значення ваги пацієнта Fm  173824 , зріст = 173, стать, що кодується цифрою 0 (жіноча) і отримаємо значення 18,6 як оцінку біологічного віку. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб неінвазивного визначення біологічного віку людини, що включає оцінку показників роботи серцево-судинної системи, який відрізняється тим, що пульсоксиметром вимірюють пульсову хвилю, періоди якої усереднюють, отримуючи один кардіоцикл, який розкладають у ряд Фур'є, отримують амплітудні коефіцієнти ряду Фур'є та розраховують індекс форми Fm за формулою: 4 UA 83882 U N Fm  (  k 2 N 2 ak )  ( b ) 2 k 2 2 a1  b1 , де k 2 a k - коефіцієнт тригонометричного ряду Фур'є, при косинусі, b k - коефіцієнт тригонометричного ряду Фур'є, при синусі, a1 - перший коефіцієнт ряду Фур'є, при косинусі, 5 b1 - перший коефіцієнт ряду Фур'є, при синусі, k - порядковий номер елемента суми тригонометричного ряду Фур'є, N - кількість старших гармонік, яка використовується для розрахунку, та використовують індекс форми Fm для визначення біологічного віку, застосовуючи програмно реалізовану штучну нейронну мережу. 10 Комп’ютерна верстка С. Чулій Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5