Ανάπτυξη Ελεγκτή Γλυκόζης Βασισμένου σε Γραμμικό Αυτοσυντονιζόμενο Μοντέλο Πρόβλεψης 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).

The scope of the present thesis is the design, the development and the evaluation of a glucose controller, which will serve as a control algorithm towards the development of a closed-loop artificial pancreas for type 1 diabetes mellitus (T1DM) patients. The artificial pancreas is a closed-loop system which consists of three components: i) a continuous blood glucose measuring device, ii) an automated insulin infusion pump and iii) a glucose controller. The glucose controller would get information about the past glucose levels and insulin infusion rates and will estimate in real time the appropriate insulin infusion rates in order to maintain glucose levels within the physiological range.The glucose controller will be based on linear auto-tuning model predictive control, which will use an autoregressive integrated moving-average model with exogenous input (ARIMAX) in order to update online the parameters of the model. The ARIMAX will simulate the glucose-insulin metabolism and will provide with the glucose predictions. The glucose predictions will be fed to an optimizer for the minimization of an appropriate quadratic cost function in order to estimate the next insulin infusion rate. The minimization of the cost function will be based on dynamic programming. Several in silico experiments will be carried out using the UVa T1DM simulator, in order to test the glucose controller’s ability to handle fasting conditions, meal disturbances, delays, noise to the glucose measurements, and intra-patient variability. This 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.