Ανάπτυξη Διορμονικού Ελεγκτή Γλυκόζης βασισμένου σε Προβλεπτικό Έλεγχο για Άτομα με Σακχαρώδη Διαβήτη Τύπου 1

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η σχεδίαση, η ανάπτυξη και η αξιολόγηση ενός αλγορίθμου ελέγχου γλυκόζης για άτομα με Σακχαρώδη Διαβήτη Τύπου 1 (ΣΔΤ1). Ο ελεγκτής γλυκόζης χρησιμοποιεί την υποδόρια οδό και εκτιμά σε πραγματικό χρόνο τον βέλτιστο ρυθμό έγχυσης ινσουλίνης και γλυκαγόνης σε άτομα με ΣΔΤ1, που εφαρμόζουν Διάταξη Συνεχούς Μέτρησης Γλυκόζης (ΔΣΜΓ), Αντλία Συνεχούς Έγχυσης Ινσουλίνης (ΑΣΕΙ) και Αντλία Συνεχούς Έγχυσης Γλυκαγόνης (ΑΣΕΓ). Ο αλγόριθμος ελέγχου είναι υβριδικός, καθώς σε καταστάσεις νηστείας εκτιμά τον βασικό ρυθμό έγχυσης ινσουλίνης με βάση τον δυορμονικό, κλειστού βρόχου νόμο ελέγχου, ενώ ενσωματώνει ανακοινώσεις γευμάτων και υπολογίζει τις προγευματικές δόσεις ινσουλίνης με βάση την αναλογία ινσουλίνης-υδατανθράκων και την περιεχόμενη ποσότητα υδατανθράκων στα λαμβανόμενα γεύματα. Ο αλγόριθμος ελέγχου, η ΔΣΜΓ, η ΑΣΕΙ και η ΑΣΕΓ συνθέτουν το Τεχνητό Πάγκρεας (ΤΠ), ένα σύστημα ελέγχου γλυκόζης κλειστού βρόχου που διατηρεί τα επίπεδα γλυκόζης εντός των επιτρεπτών ορίων και υποκαθιστά την ελαττωματική λειτουργία του φυσιολογικού παγκρέατος στα άτομα με ΣΔ. Η ανάπτυξη του διορμονικού ελεγκτή γλυκόζης βασίζεται σε προβλεπτικό ελεγκτή (Model Predictive Control –MPC). Ο ελεγκτής λαμβάνει ως είσοδο πληροφορίες σχετικά με τις πρόσφατες καταγραφές γλυκόζης, τους πρόσφατους ρυθμούς έγχυσης ινσουλίνης και γλυκαγόνης και τα λαμβανόμενα γεύματα. Για την ανάπτυξη του ενσωματωμένου μοντέλου πρόβλεψης των μελλοντικών επιπέδων γλυκόζης εφαρμόζονται τεχνικές μοντελοποίησης βασισμένες στη χρήση προσαρμοστικού αυτοπαλινδρομικού μοντέλου κινητού μέσου όρου με εξωγενή είσοδο και φίλτρου Kalman. Οι προβλέψεις γλυκόζης εισέρχονται στονβελτιστοποιητή, όπου ελαχιστοποιείται κατάλληλη τετραγωνική συνάρτηση κόστους για τον υπολογισμό του βέλτιστου ρυθμού έγχυσης ινσουλίνης και γλυκαγόνης. Η ρύθμιση των παραμέτρων της συνάρτησης κόστους του ελεγκτή πραγματοποιείται με στόχο την ομαλή ρύθμιση των επιπέδων γλυκόζης. Η αξιολόγηση της απόδοσης του αλγορίθμου ελέγχου γλυκόζης πραγματοποιήθηκε in silicο, με χρήση των εικονικών πληθυσμών ενηλίκων, παιδιών και εφήβων του προσομοιωτή UVa T1DM Simulator. Συγκεκριμένα, αξιολογήθηκε η ικανότητα του ελεγκτή γλυκόζης να διαχειρίζεται περιόδους νηστείας, διαταραχές γευμάτων, καθυστερήσεις λόγω της χρήσης της υποδόριας οδού, ανακρίβειες στις μετρήσεις γλυκόζης, καθώς και τη διαφορετική συμπεριφορά του μεταβολισμού γλυκόζης που υφίσταται ανάμεσα στα άτομα με ΣΔT1 (inter-patient variability).