Ανάπτυξη Ελεγκτή Γλυκόζης Βασισμένου Σε Γραμμικό Αυτοσυντονιζόμενο Μοντέλο Πρόβλεψης Για Τον Έλεγχο Της Συγκέντρωσης Της Γλυκόζης Για Άτομα Με Σακχαρώδη Διαβήτη Τύπου Ι

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποτελεί ο σχεδιασμός, η ανάπτυξη και η αξιολόγηση αλγόριθμου ελέγχου γλυκόζης, κατάλληλου προς το σχηματισμό «Τεχνητού Παγκρέατος», που απευθύνεται σε άτομα με Σακχαρώδη Διαβήτη (ΣΔ) Τύπου Ι. Το «Τεχνητό Πάγκρεας», είναι ένα σύστημα κλειστού βρόχου που ενσωματώνει: i) τη Διάταξη Συνεχούς Μέτρησης Γλυκόζης, ii) την αντλία έγχυσης ινσουλίνης, και iii) τον ελεγκτή γλυκόζης. Ο αλγόριθμος ελέγχου γλυκόζης λαμβάνει πληροφορίες σχετικά με τις πρόσφατες καταγραφές γλυκόζης και τους ρυθμούς έγχυσης ινσουλίνης και εκτιμά τους απαραίτητους ρυθμούς έγχυσης ινσουλίνης ώστε τα επίπεδα της γλυκόζης στο αίμα να διατηρούνται εντός των αποδεκτών ορίων. Για την ανάπτυξή του εφαρμόστηκε ελεγκτής βασισμένος σε μοντέλο πρόβλεψης (Model Predictive Control-MPC). Το μοντέλο πρόβλεψης των επιπέδων γλυκόζης προσομοιώνει το μεταβολισμό γλυκόζης-ινσουλίνης και είναι ένα γραμμικό αυτοσυντονιζόμενο αυτοπαλινδρομικό μοντέλο κινητού μέσου όρου με εξωγενή είσοδο. Το συγκεκριμένο μοντέλο έχει την ικανότητα να αναπροσαρμόζεται σε νέες συμπεριφορές του μεταβολισμού γλυκόζης, ενημερώνοντας τις παραμέτρους του κάθε φορά που λαμβάνει νέα καταγραφή γλυκόζης. Οι προβλέψεις γλυκόζης εισέρχονται στον βελτιστοποιητή όπου ελαχιστοποιείται κατάλληλη τετραγωνική συνάρτηση κόστους για τον μετέπειτα υπολογισμό του βέλτιστου ρυθμού έγχυσης ινσουλίνης. Η ελαχιστοποίηση της συνάρτησης κόστους βασίζεται σε δυναμικό προγραμματισμό. Ο αλγόριθμος ελέγχου γλυκόζης αξιολογήθηκε in silico χρησιμοποιώντας το υπολογιστικό μοντέλο UVa Simulator, το οποίο έχει λάβει έγκριση από τον οργανισμό Τροφίμων και Φαρμάκων των ΗΠΑ για προκλινικές δοκιμές σε ζώα. Συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκε σειρά υπολογιστικών πειραμάτων, για την αξιολόγηση της ικανότητας του ελεγκτή γλυκόζης να διαχειρίζεται περιόδους νηστείας, διαταραχές γευμάτων, ανακρίβειες στις μετρήσεις γλυκόζης, καθώς και τη διαφορετική συμπεριφορά του μεταβολισμού γλυκόζης που υφίσταται ανάμεσα στα άτομα με ΣΔ Τύπου Ι (intra-patient variability).