Контролируйте потребление жидкости с помощью имеющихся в продаже «умных» бутылок для воды.

Благодарим вас за посещение сайта Nature.com. Версия вашего браузера имеет ограниченную поддержку CSS. Для наилучшего взаимодействия с сайтом мы рекомендуем использовать обновленную версию браузера (или отключить режим совместимости в Internet Explorer). В настоящее время, для обеспечения дальнейшей поддержки, мы будем отображать сайт без стилей и JavaScript.
Потребление жидкости важно для предотвращения обезвоживания и снижения риска образования камней в почках. В последние годы наблюдается тенденция к разработке инструментов для мониторинга потребления жидкости с использованием «умных» продуктов, таких как «умные» бутылочки. На рынке представлено несколько «умных» детских бутылочек, в основном предназначенных для взрослых, заботящихся о своем здоровье. Насколько нам известно, эти бутылочки не были проверены в литературе. В данном исследовании сравнивались характеристики и функциональность четырех коммерчески доступных «умных» бутылочек для кормления. Использовались бутылочки H2OPal, HidrateSpark Steel, HidrateSpark 3 и Thermos Smart Lid. Было зарегистрировано и проанализировано сто случаев приема жидкости из каждой бутылочки, результаты сравнивались с эталонными данными, полученными с помощью высокоточных весов. H2OPal имеет наименьшую среднюю процентную ошибку (MPE) и способна балансировать ошибки между несколькими глотками. HidrateSpark 3 обеспечивает наиболее стабильные и надежные результаты с наименьшими ошибками на глоток за единицу времени. Значения MPE для бутылочек HidrateSpark были дополнительно улучшены с помощью линейной регрессии, поскольку они имели более стабильные значения индивидуальных ошибок. Thermos Smart Lid Это был наименее точный метод, поскольку датчик не охватывал всю бутылку, что привело к потере многих записей.
Обезвоживание — очень серьезная проблема, поскольку оно может привести к неблагоприятным осложнениям, включая спутанность сознания, падения, госпитализацию и смерть. Баланс потребления жидкости важен, особенно для пожилых людей и людей с сопутствующими заболеваниями, влияющими на регуляцию жидкости. Пациентам, подверженным риску повторного образования камней, рекомендуется потреблять большое количество жидкости. Поэтому мониторинг потребления жидкости является полезным методом для определения того, потребляется ли достаточное количество жидкости1,2. В литературе существует множество попыток создать отчеты о системах или устройствах, которые могут помочь отслеживать и контролировать потребление жидкости. К сожалению, большинство этих исследований не привели к созданию коммерчески доступного продукта. Бутылки, представленные на рынке, в основном предназначены для спортсменов-любителей или взрослых, заботящихся о своем здоровье и желающих увеличить потребление жидкости. В этой статье мы стремились определить, являются ли распространенные коммерчески доступные бутылки для воды жизнеспособным решением для исследователей и пациентов. Мы сравнили четыре коммерческие бутылки для воды с точки зрения производительности и функциональности. Это бутылки HidrateSpark 34, HidrateSpark Steel5, H2O Pal6 и Thermos Smart Lid7, как показано на рисунке 1. Эти бутылки были выбраны потому, что они являются одними из четырех популярных бутылок, которые (1) доступны для покупки в Канаде и (2) имеют данные об объеме глотка, доступные через мобильное приложение.
Изображения проанализированных коммерческих бутылок: (a) HidrateSpark 34, (b) HidrateSpark Steel5, (c) H2OPal6, (d) Thermos Smart Lid7. Красная пунктирная рамка показывает местоположение датчика.
Из вышеперечисленных бутылок только предыдущие версии HidrateSpark были проверены в исследованиях8. Исследование показало, что бутылка HidrateSpark точно измеряет общее потребление жидкости в течение 24 часов с погрешностью в пределах 3%. HidrateSpark также использовался в клинических исследованиях для мониторинга потребления жидкости у пациентов с камнями в почках9. С тех пор были разработаны новые бутылки HidrateSpark с различными датчиками. H2OPal использовался в других исследованиях для отслеживания и стимулирования потребления жидкости, но никаких конкретных исследований, подтверждающих его эффективность, не проводилось2,10. Плетчер и др. Сравнивали доступные в интернете гериатрические характеристики и информацию для нескольких коммерческих бутылок, но не проводили никакой проверки их точности11.
Все четыре модели коммерческих бутылок поставляются с бесплатным фирменным приложением для отображения и хранения данных о приеме жидкости, передаваемых по Bluetooth. В бутылках HidrateSpark 3 и Thermos Smart Lid датчик расположен посередине, возможно, с использованием емкостного датчика, в то время как в бутылках HidrateSpark Steel и H2Opal датчик находится на дне, используя датчик нагрузки или давления. Расположение датчика показано красной пунктирной рамкой на рисунке 1. В бутылке Thermos Smart Lid датчик не может достичь дна контейнера.
Каждая бутылка тестируется в два этапа: (1) этап контролируемого всасывания и (2) этап свободного использования. На обоих этапах результаты, записанные бутылкой (полученные из мобильного приложения продукта, используемого на Android 11), сравнивались с эталонными данными, полученными с помощью весов на 5 кг (электронные кухонные весы Starfrit 93756). Все бутылки были откалиброваны перед сбором данных с помощью приложения. На этапе 1 измерялись объемы глотков от 10 мл до 100 мл в случайном порядке, по 5 измерений на каждый объем, всего 50 измерений на флакон. Эти события не являются реальными процессами питья у людей, а наливаются таким образом, чтобы можно было лучше контролировать объем каждого глотка. На этом этапе, если ошибка в объеме глотка превышает 50 мл, бутылку следует откалибровать повторно, а если приложение теряет Bluetooth-соединение с бутылкой, выполнить повторное сопряжение. На этапе свободного использования пользователь свободно пьет воду из бутылки в течение дня и выбирает, куда пить. разные глотки. Этот этап также включает 50 глотков в течение определенного времени, но не все из них подряд. Таким образом, каждая бутылка содержит набор данных, состоящий из 100 измерений.
Для определения общего объема потребляемой жидкости и обеспечения надлежащего ежедневного увлажнения организма важнее иметь точные измерения объема потребления в течение дня (24 часа), а не каждый глоток. Однако для выявления сигналов, побуждающих к своевременному вмешательству, каждый глоток должен иметь низкую погрешность, как это было сделано в исследовании Конроя и др.². Если глоток не записан или записан некорректно, крайне важно, чтобы бутылка могла сбалансировать объем при следующей записи. Поэтому погрешность (измеренный объем – фактический объем) корректируется вручную. Например, предположим, что испытуемый выпил 10 мл, а бутылка показала 0 мл, но затем испытуемый выпил 20 мл, а бутылка показала в общей сложности 30 мл, тогда скорректированная погрешность составит 0 мл.
В таблице 1 приведены различные показатели эффективности для каждой бутылки с учетом двух фаз (100 глотков). Средняя процентная ошибка (MPE) на глоток, средняя абсолютная ошибка (MAE) на глоток и суммарная MPE рассчитываются следующим образом:
где \({S}_{act}^{i}\) и \({S}_{est}^{i}\) — фактическое и расчетное количество глотков за \({i}_{th}\ ) глотка, а \(n\) — общее количество глотков. \({C}_{act}^{k}\) и \({C}_{est}^{k}\) представляют собой суммарное количество глотков за последние \(k\) глотков. Показатель Sip MPE учитывает процентную ошибку для каждого отдельного глотка, в то время как показатель Cumulative MPE учитывает общую процентную ошибку за определенный период времени. Согласно результатам в таблице 1, H2OPal имеет наименьшее количество потерянных записей, наименьший показатель Sip MPE и наименьший показатель Cumulative MPE. Средняя ошибка лучше, чем средняя абсолютная ошибка (MAE), в качестве сравнительного показателя при определении общего количества глотков за определенный период времени, поскольку она иллюстрирует способность бутылки восстанавливаться после неточных измерений с течением времени при записи последующих измерений. Показатель sip MAE также используется в приложениях, где важна точность каждого глотка, поскольку он вычисляет абсолютную ошибку каждого глотка. Кумулятивный MPE также измеряет, насколько хорошо измерения сбалансированы по всей фазе, и не наказывает за отдельный глоток. Еще одно наблюдение заключалось в том, что 3 из 4 бутылок недооценили объем потребления за один прием пищи, показанный в таблице 1, отрицательными значениями.
В таблице 1 также показаны коэффициенты корреляции Пирсона R-квадрат для всех бутылок. Наибольший коэффициент корреляции показала HidrateSpark 3. Хотя в HidrateSpark 3 есть некоторые пропущенные данные, большинство из них касаются бутылок с узким горлышком ( Диаграмма Бланда-Альтмана на рисунке 2 также подтверждает, что HidrateSpark 3 имеет наименьший предел согласования (LoA) по сравнению с тремя другими бутылками. LoA анализирует, насколько хорошо совпадают фактические и измеренные значения. Кроме того, почти все измерения находились в диапазоне LoA, что подтверждает, что эта бутылка дает стабильные результаты, как показано на рисунке 2c. Однако большинство значений ниже нуля, что означает, что размер глотка часто недооценивается. То же самое верно и для HidrateSpark Steel на рисунке 2b, где большинство значений погрешности отрицательны. Таким образом, эти две бутылки обеспечивают самый высокий MPE и суммарный MPE по сравнению с H2Opal и Thermos Smart Lid, с погрешностями, распределенными выше и ниже 0, как показано на рис. 2a,d.
Диаграммы Бланда-Альтмана для (a) H2OPal, (b) HidrateSpark Steel, (c) HidrateSpark 3 и (d) Thermos Smart Lid. Пунктирная линия представляет собой доверительный интервал вокруг среднего значения, рассчитанный на основе стандартного отклонения, приведенного в таблице 1.
Стандартные отклонения HidrateSpark Steel и H2OPal были схожими и составили 20,04 мл и 21,41 мл соответственно. На рисунках 2a и 2b также показано, что значения HidrateSpark Steel постоянно колеблются вокруг среднего значения, но в целом остаются в пределах диапазона согласия, в то время как H2Opal имеет больше значений за пределами диапазона согласия. Максимальное стандартное отклонение Thermos Smart Lid составило 35,42 мл, и более 10% измерений находились за пределами диапазона согласия, как показано на рисунке 2d. Эта бутылка обеспечила наименьшую среднюю ошибку измерения объема жидкости и относительно небольшую суммарную среднюю ошибку измерения объема жидкости, несмотря на наибольшее количество пропущенных записей и наибольшее стандартное отклонение. Thermos SmartLid имеет много пропущенных записей, потому что сенсорная трубочка не доходит до дна контейнера, что приводит к пропущенным записям, когда содержание жидкости ниже сенсорной стержни (~80 мл). Это должно привести к недооценке потребления жидкости; Однако Thermos был единственной бутылкой с положительными значениями MPE и Sip Mean Error, что подразумевает, что бутылка переоценивает объем выпитой жидкости. Таким образом, причина низкой средней ошибки измерения объема жидкости в Thermos заключается в том, что измерение переоценивается почти для каждой бутылки. Когда эти переоценки усредняются, включая множество пропущенных глотков, которые вообще не регистрируются (или «недооцениваются»), средний результат уравновешивается. При исключении пропущенных записей из расчета средняя ошибка измерения объема жидкости стала +10,38 мл, что подтверждает значительную переоценку одного глотка. Хотя это может показаться положительным результатом, на самом деле бутылка неточна в оценке отдельных глотков и ненадежна, поскольку пропускает многие случаи питья. Кроме того, как показано на рисунке 2d, Thermos SmartLid, по-видимому, увеличивает ошибку с увеличением объема глотка.
В целом, H2OPal оказался наиболее точным в оценке количества глотков с течением времени и наиболее надежным способом измерения большинства показателей. Термос Thermos Smart Lid оказался наименее точным и пропускал больше глотков, чем другие бутылки. Бутылка HidrateSpark 3 имела более стабильные значения погрешности, но недооценивала большинство глотков, что приводило к ухудшению результатов с течением времени.
Оказалось, что бутылка может иметь некоторое смещение, которое можно компенсировать с помощью алгоритма калибровки. Это особенно актуально для бутылки HidrateSpark, которая имеет небольшое стандартное отклонение ошибки и всегда недооценивает один глоток. Для получения значений смещения и усиления использовался метод наименьших квадратов (МНК) с данными первого этапа, исключая при этом все пропущенные записи. Полученное уравнение использовалось для измерения объема глотка на втором этапе для расчета фактического значения и определения калиброванной ошибки. В таблице 2 показано, что калибровка улучшила среднюю ошибку измерения объема глотка для двух бутылок HidrateSpark, но не для H2OPal или Thermos Smart Lid.
На первом этапе, когда проводятся все измерения, каждая бутылка наполняется несколько раз, поэтому рассчитанная средняя абсолютная ошибка (MAE) может зависеть от уровня наполнения бутылки. Для определения этого каждая бутылка разделена на три уровня: высокий, средний и низкий, в зависимости от общего объема каждой бутылки. Для измерений на первом этапе был проведен однофакторный дисперсионный анализ (ANOVA), чтобы определить, существенно ли различаются уровни по абсолютной ошибке. Для HidrateSpark 3 и Steel ошибки для трех категорий существенно не различаются. Была обнаружена погранично значимая разница (p Для сравнения ошибок на 1-м и 2-м этапах для каждой бутылки были проведены двухсторонние t-тесты. Для всех бутылок был получен p > 0,05, что означает, что две группы существенно не различались. Однако было замечено, что две бутылки HidrateSpark потеряли гораздо больше записей на 2-м этапе. Для H2OPal количество пропущенных записей было почти одинаковым (2 против 3), в то время как для Thermos SmartLid пропущенных записей было меньше (6 против 10). Поскольку все бутылки HidrateSpark улучшились после калибровки, t-тест был также проведен после калибровки. Для HidrateSpark 3 наблюдается значительная разница в ошибках между 1-м и 2-м этапами (p = 0,046). Это, скорее всего, связано с большим количеством пропущенных записей на 2-м этапе по сравнению с 1-м этапом.
В этом разделе представлена ​​информация об удобстве использования бутылки и ее применении, а также другие функциональные сведения. Хотя точность изготовления бутылки важна, фактор удобства использования также имеет значение при выборе бутылки.
Бутылки HidrateSpark 3 и HidrateSpark Steel оснащены светодиодными индикаторами, которые напоминают пользователям о необходимости выпить воды, если они не достигают запланированного количества выпитой воды, или мигают определенное количество раз в день (устанавливается пользователем). Также можно настроить мигание каждый раз, когда пользователь пьет воду. Бутылки H2OPal и Thermos Smart Lid не имеют визуальной обратной связи для напоминания о необходимости выпить воду. Однако все приобретенные бутылки получают мобильные уведомления через мобильное приложение. Количество уведомлений в день можно настроить в приложениях HidrateSpark и H2OPal.
HidrateSpark 3 и Steel используют линейные тренды, чтобы подсказать пользователям, когда нужно пить воду, и предлагают рекомендуемую почасовую норму потребления, которую пользователи должны достичь к концу дня. H2OPal и Thermos Smart Lid предоставляют только суточную норму потребления. Во всех бутылках, если устройство не подключено к приложению через Bluetooth, данные будут храниться локально и синхронизироваться после сопряжения.
Ни одна из четырех бутылок не предназначена для поддержания водного баланса у пожилых людей. Кроме того, формулы, используемые в бутылках для определения суточных норм потребления жидкости, недоступны, что затрудняет определение их пригодности для пожилых людей. Большинство этих бутылок большие и тяжелые и не разработаны специально для пожилых людей. Использование мобильных приложений также может быть не идеальным вариантом для пожилых людей, хотя для исследователей может быть полезно собирать данные удаленно.
Не все бутылки позволяют определить, была ли жидкость выпита, вылита или пролита. Кроме того, после каждого глотка бутылку необходимо ставить на поверхность, чтобы точно зафиксировать количество выпитой жидкости. Это означает, что можно пропустить момент, когда бутылка не будет поставлена ​​на место, особенно при повторном наполнении.
Ещё одним ограничением является необходимость периодического повторного сопряжения устройства с приложением для синхронизации данных. Термос приходилось повторно сопрягать каждый раз при открытии приложения, а бутылка HidrateSpark часто испытывала трудности с установлением Bluetooth-соединения. H2OPal проще всего повторно сопрягать с приложением в случае потери соединения. Все бутылки калибруются перед началом тестирования и должны быть откалиброваны повторно как минимум один раз в процессе. Для калибровки бутылку HidrateSpark и H2OPal необходимо опорожнить и полностью заполнить.
Не все бутылки имеют возможность загрузки или долговременного сохранения данных. Кроме того, ни к одной из них нельзя получить доступ через API.
В термокружках HidrateSpark 3 и H2OPal используются сменные литий-ионные батареи, а в HidrateSpark Steel и Thermos SmartLid — перезаряжаемые. Как заявляет производитель, перезаряжаемая батарея должна работать до 2 недель на полной зарядке, однако её необходимо заряжать почти еженедельно при интенсивном использовании Thermos SmartLid. Это ограничение, поскольку многие люди забывают регулярно заряжать термокружку.
Выбор «умной» бутылки может зависеть от множества факторов, особенно если пользователь — пожилой человек. Вес и объем бутылки являются важным фактором, поскольку она должна быть удобна в использовании для пожилых людей с ослабленным здоровьем. Как уже упоминалось, эти бутылки не предназначены специально для пожилых людей. Цена и количество жидкости в бутылке также являются важным фактором. В таблице 3 показаны высота, вес, объем жидкости и цена каждой бутылки. Thermos Smart Lid — самая дешевая и легкая, так как она полностью изготовлена ​​из более легкого пластика. Она также вмещает больше жидкости по сравнению с тремя другими бутылками. Напротив, H2OPal оказалась самой высокой, самой тяжелой и самой дорогой из исследованных бутылок.
Коммерчески доступные «умные» бутылки полезны для исследователей, поскольку не требуют создания прототипов новых устройств. Хотя на рынке представлено множество «умных» бутылок для воды, наиболее распространенная проблема заключается в том, что пользователи не имеют доступа к данным или необработанным сигналам, и в мобильном приложении отображаются только некоторые результаты. Существует необходимость в разработке широко используемой «умной» бутылки с высокой точностью и полностью доступными данными, особенно адаптированной для пожилых людей. Из четырех протестированных бутылок H2OPal в стандартной комплектации показала наименьшую среднюю ошибку измерения объема глотка (Sip MPE), кумулятивную среднюю ошибку измерения объема глотка (cumulative MPE) и количество пропущенных записей. HidrateSpark 3 обладает наибольшей линейностью, наименьшим стандартным отклонением и наименьшей средней абсолютной ошибкой (MAE). HidrateSpark Steel и HidrateSpark 3 можно легко откалибровать вручную для уменьшения средней ошибки измерения объема глотка с использованием метода наименьших квадратов (LS). Для более точных записей объема глотка предпочтительной является бутылка HidrateSpark 3, а для более стабильных измерений во времени — H2OPal. Thermos SmartLid показала наименее надежную работу, наибольшее количество пропущенных глотков и переоценили количество глотков, сделанных каждым отдельным человеком.
Данное исследование имеет свои ограничения. В реальных условиях многие пользователи будут пить из других емкостей, особенно горячие жидкости, напитки, купленные в магазине, и алкоголь. В будущих исследованиях следует оценить, как форм-фактор каждой бутылки влияет на ошибки, чтобы разработать более эффективные решения для проектирования бутылок для воды.
Руле, А.Д., Лиске, Дж.К. и Паис, В.М. мл. 2020. Лечение камней в почках. JAMA 323, 1961–1962. https://doi.org/10.1001/jama.2020.0662 (2020).
Конрой, Д. Э., Вест, А. Б., Брунке-Риз, Д., Томаз, Э. и Стрипер, Н. М. Своевременное адаптивное вмешательство для стимулирования потребления жидкости у пациентов с камнями в почках. Психология здоровья. 39, 1062 (2020).
Коэн, Р., Ферни, Г., и Рошан Фекр, А. Системы мониторинга потребления жидкости у пожилых людей: обзор литературы. Nutrients 13, 2092. https://doi.org/10.3390/nu13062092 (2021).
Inc, H. Умная бутылка для воды HidrateSpark 3 и бесплатное приложение для отслеживания уровня гидратации – черная https://hidratespark.com/products/black-hidrate-spark-3. Дата обращения: 21 апреля 2021 г.
Умная термобутылка для воды HidrateSpark STEEL из нержавеющей стали и приложение – Hidrate Inc. https://hidratespark.com/products/hidratespark-steel. Дата обращения: 21 апреля 2021 г.
Термос Thermos® Connected Hydration Bottle с интеллектуальной крышкой. https://www.thermos.com/smartlid. Дата обращения: 9 ноября 2020 г.
Борофски, М.С., Дау, К.А., Йорк, Н., Терри, К. и Лингеман, Дж.Е. Точность измерения суточного потребления жидкости с помощью «умной» бутылки для воды. Уролитиаз 46, 343–348. https://doi.org/10.1007/s00240-017-1006-x (2018).
Бернард, Дж., Сонг, Л., Хендерсон, Б. и Тасиан, Г.Е. Связь между ежедневным потреблением воды и суточным объемом мочи у подростков с камнями в почках. Урология 140, 150–154. https://doi.org/10.1016/j.urology.2020.01.024 (2020).
Фаллманн, С., Психоула, И., Чен, Л., Чен, Ф., Дойл, Дж., Трибоан, Д. Реальность и восприятие: мониторинг активности и сбор данных в реальных умных домах. В сборнике трудов конференции IEEE SmartWorld 2017, «Вездесущий интеллект и вычисления», «Передовые и доверенные вычисления», «Масштабируемые вычисления и коммуникации», «Облачные вычисления и вычисления больших данных», «Интернет людей и инновации в умных городах» (SmartWorld/SCALCOM/UIC/ATC/CBDCom/IOP/SCI), 1-6 (IEEE, 2017).
Плетчер, Д.А. и др. Интерактивное устройство для питья воды, разработанное для пожилых людей и пациентов с болезнью Альцгеймера. В судебном процессе, посвященном человеческому фактору в использовании ИТ для пожилых людей. Социальные сети, игры и вспомогательные среды (ред. Чжоу, Дж. и Сальвенди, Г.) 444–463 (Springer International Publishing, 2019).
Данная работа была поддержана грантом Канадских институтов исследований в области здравоохранения (CIHR) (FDN-148450). Доктор Ферни получила финансирование в качестве заведующей кафедрой профилактики заболеваний в семье и медицинских технологий имени Кригана.
Институт Кайт, Торонтский реабилитационный институт – Университетская сеть здравоохранения, Торонто, Канада
Разработка концепции – RC; Методология – RC, AR; Подготовка рукописи – RC, AR; Рецензирование и редактирование – GF, AR; Руководство – AR, GF. Все авторы ознакомились с опубликованной версией рукописи и согласны с ней.
Издательство Springer Nature сохраняет нейтральную позицию в отношении территориальных претензий, указанных на опубликованных картах, и принадлежности к учреждениям.
Открытый доступ. Данная статья распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 International, которая разрешает использование, распространение, адаптацию, передачу и воспроизведение в любом формате и на любом носителе при условии указания авторства и источника, предоставления лицензии Creative Commons и указания на внесенные изменения. Изображения или другие материалы третьих лиц, включенные в данную статью, подпадают под действие лицензии Creative Commons, если иное не указано в разделе «Указание авторства». Если материал не подпадает под действие лицензии Creative Commons, и предполагаемое вами использование не разрешено законом или нормативными актами, или превышает разрешенное, вам необходимо получить разрешение непосредственно от правообладателя. Чтобы ознакомиться с текстом данной лицензии, посетите http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.
Коэн, Р., Ферни, Г., и Рошан Фекр, А. Мониторинг потребления жидкости в коммерчески доступных «умных» бутылках для воды. Science Rep 12, 4402 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-08335-5
Отправляя комментарий, вы соглашаетесь соблюдать наши Условия и Правила сообщества. Если вы видите контент, содержащий оскорбления или не соответствующий нашим условиям или правилам, пожалуйста, отметьте его как неприемлемый.