Αναπτυξη Αναλογικου - Ολοκληρωτικου - Διαφορικου Αλγοριθμου Για Τον Ελεγχο Της Συγκεντρωσης Της Γλυκοζης Σε Ατομα Με Σακχαρωδη Διαβητη Τυπου 1

Abstract

Οι εξελίξεις στον τομέα των Συστημάτων Συνεχούς Μέτρησης Γλυκόζης και αντλιών έγχυσης ινσουλίνης καθιστούν ρεαλιστική την ανάπτυξη εξωτερικού "Τεχνητού Παγκρέατος". Το "Τεχνητό Πάγκρεας" είναι ένα σύστημα γλυκαιμικού ελέγχου κλειστού βρόχου και βρίσκει εφαρμογή κυρίως σε άτομα με Σακχαρώδη Διαβήτη Τύπου 1 (ΣΔ Τύπου 1), που χαρακτηρίζονται από ελλιπή παραγωγή ινσουλίνης. Αποτελείται από: i) τον αισθητήρα συνεχούς μέτρησης της γλυκόζης, ii) την αντλία συνεχούς έγχυσης ινσουλίνης και iii) κατάλληλο αλγόριθμο ελέγχου. Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η σχεδίαση, η ανάπτυξη και η σύγκριση δύο αλγορίθμων ελέγχου γλυκόζης, οι οποίοι βασίζονται σε Αναλογικό-Ολοκληρωτικό-Διαφορικό (ΑΟΔ) ελεγκτή. Συγκεκριμένα, αναπτύχθηκε ΑΟΔ ελεγκτής με σταθερές παραμέτρους και αυτοσυντονιζόμενος ΑΟΔ ελεγκτής, ο οποίος συνδυάζεται με κατάλληλο αλγόριθμο ενημέρωσης των παραμέτρων σε πραγματικό χρόνο. Οι ελεγκτές γλυκόζης χρησιμοποιούν την υποδόρια οδό (υποδόριες καταγραφές γλυκόζης-υποδόρια χορήγηση ινσουλίνης). Για την αξιολόγηση των αλγορίθμων ελέγχου γλυκόζης χρησιμοποιήθηκε κατάλληλο υπολογιστικό μοντέλο (UVA simulator), το οποίο έχει λάβει έγκριση από τον Οργανισμό Τροφίμων και Φαρμάκων (FDA) των ΗΠΑ για προκλινικές δοκιμές σε ζώα, ενώ διατίθεται προς ερευνητική χρήση προσομοιώνοντας 10 παιδιά, 10 έφηβους και 10 ενήλικες με ΣΔ Τύπου 1. Εξετάστηκαν ως προς την ικανότητα τους να διαχειρίζονται διαταραχές γευμάτων, καθυστερήσεις και ανακρίβειες κατά τη μέτρηση της γλυκόζης, καθυστερήσεις κατά την επίδραση της υποδόριας ινσουλίνης, διαφορετικές συμπεριφορές του μεταβολισμού γλυκόζης που υφίστανται μεταξύ των ατόμων με ΣΔ Τύπου 1 (inter-patient variability) καθώς και στο ίδιο το άτομο κατά τη διάρκεια της ημέρας (intra-patient variability). Συμπερασματικά, καλύτερη απόδοση παρουσίασε ο αυτοσυντονιζόμενος ΑΟΔ ελεγκτής, επιτυγχάνοντας τις λιγότερες υπογλυκαιμίες. Advances in the development of Continuous Glucose Monitoring Systems and insulin pumps make feasible the development of external artificial pancreas. The artificial pancreas is a closed loop glucose regulatory system and is mainly applied in subjects with Type 1 Diabetes Mellitus, who encounter severe lack of insulin production. The artificial pancreas consists of: i) a continuous glucose sensor, ii) a continuous insulin pump and iii) a control algorithm to adjust the insulin delivery rate based on the glucose signal.The present diploma thesis aims to design, develop and compare two control algorithms for a closed loop glucose control system, which are based on a Proportional-Integral-Derivative (PID) controller. More specifically, a conventional PID controller and an adaptive PID controller, which is combined with an appropriate algorithm for on-line parameters’ update, have been developed. Both controllers use the subcutaneous route (subcutaneous glucose monitoring-subcutaneous insulin delivery). For the in silico evaluation of control algorithms, an appropriate computational model (UVa simulator) has been used, simulating 10 children, 10 adolescent and 10 adults with Type 1 Diabetes Mellitus. The simulator has been accepted by Food and Drug Administration (FDA) as a substitute to animal trials for the preclinical testing of control strategies in artificial pancreas studies. The controllers are tested for their ability to handle meal disturbances, time lags and uncertainties during glucose measuring, time lags during subcutaneous insulin action, inter-patient and intra-patient variability. The adaptive PID controller has proven to be more efficient in preventing hypoglycemic events, thus providing superior performance.