Σχεδίαση, Ανάπτυξη Και In Silico Συγκριτική Αξιολόγηση Ελεγκτών Κλειστού Βρόχου Για Άτομα Με Σακχαρώδη Διαβήτη Τύπου Ι

Abstract

Ο Σακχαρώδης Διαβήτης είναι μια ετερογενής ασθένεια που τα τελευταία χρόνια έχει λάβει χαρακτηριστικά πανδημίας. Αίτια του διαβήτη είναι η απουσία ή η ανεπαρκής δράση της ινσουλίνης, ορμόνης που είναι υπεύθυνη για την πρόσληψη και το μεταβολισμό της γλυκόζης στο ήπαρ, τους μύες και το λιπώδη ιστό. Η αυξημένη συγκέντρωση της γλυκόζης στο αίμα δημιουργεί τόσο βραχυχρόνιες όσο και μακροχρόνιες επιπλοκές. Η τρέχουσα αντιμετώπιση της νόσου συνίσταται στη μέτρηση της γλυκόζης 2 με 3 φορές την ημέρα και στη λήψη ινσουλίνης συνήθως πριν το φαγητό και πριν τον ύπνο. Είναι ένας τρόπος αντιμετώπισης που βρίσκεται μακριά από τη φυσιολογική λειτουργία του ρυθμιστικού συστήματος γλυκόζης - ινσουλίνης και επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από την υποκειμενική κρίση του ιατρού και τη συνέπεια του ασθενή. Το τεχνητό πάγκρεας είναι ένα σύστημα αυτομάτου ελέγχου που επιχειρεί να προσομοιώσει τη φυσιολογική λειτουργία του παγκρέατος. Αποτελείται από τρία βασικά στοιχεία: έναν αισθητήρα συνεχούς μέτρησης της συγκέντρωσης γλυκόζης, μια αντλία συνεχούς παροχής ινσουλίνης και έναν αλγόριθμο ελέγχου. Παρά τη ραγδαία εξέλιξη που έχει γνωρίσει τα τελευταία χρόνια η έρευνα στο θέμα του Διαβήτη, υπάρχουν ακόμα σοβαρές αδυναμίες όσον αφορά στην ανάπτυξη και των τριών συστατικών του τεχνητού παγκρέατος, αλλά κυρίως στους αισθητήρες μέτρησης της γλυκόζης. Στόχος της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας είναι η διερεύνηση της λειτουργίας του ρυθμιστικού συστήματος γλυκόζης - ινσουλίνης και η ανάπτυξη και συγκριτική αξιολόγηση τριών διαφορετικών αλγορίθμων ελέγχου της ομοιόστασης της γλυκόζης. Οι ελεγκτές που συγκρίνονται είναι ένας ελεγκτής PID, ένας Ελεγκτής Ασαφούς Λογικής (ΕΑΛ) και ο παράλληλος συνδυασμός τους. Η διάρθρωση της εργασίας παρουσιάζεται στη συνέχεια.Το πρώτο μέρος της εργασίας αποτελεί μια εισαγωγή στη λειτουργία του φυσιολογικού συστήματος γλυκόζης - ινσουλίνης και στα αίτια εμφάνισης του Διαβήτη. Αναλύονται τα είδη της νόσου, οι επιπλοκές, άμεσες και μακροπρόθεσμες, και οι τρέχουσες προσεγγίσεις θεραπευτικής αντιμετώπισης. Στη συνέχεια αναλύονται οι τεχνικές προδιαγραφές του τεχνητού παγκρέατος και γίνεται αναφορά στα μέχρι τώρα επιτεύγματα στην προσπάθεια υλοποίησής του. Ακολουθεί εισαγωγή στη θεωρία των συστημάτων αυτομάτου ελέγχου και θεωρητική ανάλυση της δομής και της λειτουργίας των τριών ελεγκτών που αναπτύσσονται και συγκρίνονται. Τίθενται οι προκλήσεις που έχει να αντιμετωπίσει ο αλγόριθμος ελέγχου του τεχνητού παγκρέατος και αναλύονται τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά και οι αδυναμίες του ελεγκτή PID και του ΕΑΛ. Μέσα από αυτή τη διαδικασία εξηγούνται οι λόγοι επιλογής του παράλληλου συνδυασμού τους. Στο τελευταίο τμήμα της εργασίας παρουσιάζεται λεπτομερώς η μεθοδολογία ανάπτυξης των τριών ελεγκτών. Οι ελεγκτές αξιολογούνται σε in silico περιβάλλον υπό την επίδραση ενός συνδυασμού γευμάτων και μιας σειράς διαφορετικών καθυστερήσεων που εισάγονται από τον αισθητήρα μέτρησης της γλυκόζης σε ένα χρονικό διάστημα 24 ωρών. Η εργασία ολοκληρώνεται με τα συμπεράσματα που προκύπτουν από τη συγκριτική αποτίμηση της συμπεριφοράς των ελεγκτών και με προτάσεις και σκέψεις για τους μελλοντικούς ερευνητικούς στόχους στην εφαρμογή του τεχνητού παγκρέατος.