Mesterséges hasnyálmirigy, cukorbetegek optimális kezelését elősegítő általános (robusztus) szabályozási algoritmusok

Prof. Dr. habil Kovács Levente, Dr. Eigner György, Dr. Drexler Dániel András


A kutatás fő irányai

  • Nemlineáris modell-alapú robusztus vezérlő algoritmus és LPV (Linear Parameter Varying) módszertan
  • Virtuális betegek azonosítása a Levenberg-Marquardt algoritmussal
  • A keret nem érzékeny az étkezés különböző profiljaira
  • A hipoglikémia hatékonyan elkerülhető

A kutatás részletes leírása

Az Egészségügyi Világszervezet (WHO) előrejelzése szerint a cukorbetegség „a jövő betegsége”, különösen a fejlődő országokban. Az előrejelzések szerint a cukorbetegek száma (becslések szerint 2000-ben 171 millió ember) megduplázódik 2030-ig [1], [2].

A mesterséges hasnyálmirigy keresése három különböző feladatban strukturálható [14]: folyamatos glükózérzékelő a mérésekhez, inzulinpumpa az infúzióhoz és a kontroll algoritmus probléma.

A megfelelő vezérlés kialakításához megfelelő modellre van szükség. Az irodalomban megjelent számos modellből [4] és a szabályozási stratégiák széles palettájából [3] nyilvánvalóvá válik, hogy a glükóz-inzulin rendszer modellezése és viselkedésének ellenőrzése két szorosan összefüggő kérdés, amelyeket nem lehet elválasztani egymástól. A modell által megjósolt kontroll hatékony megoldásnak bizonyult az 1-es típusú cukorbetegség individualizált kezelésére [3], de az inzulinérzékenység és a beteg változékonysága miatt a kemény korlátok is előnyösek [5].

Ezért az egyik legösszetettebb modellre, a Sorensen-modellre [6] összpontosítottunk, és kifejlesztettünk egy nemlineáris modell-alapú robusztus vezérlő algoritmust, amely pontosabb a lineáris modell-alapú módszerekhez képest (mivel elkerüli a linearizációt és közvetlenül működik maga a nemlineáris modell) [7]. A nemlineáris modell-alapú megközelítést LPV (Linear Parameter Varying) módszertan segítségével valósítottuk meg, rögzítve a Sorensen-modell érvényességét egy politopiai régióban, és felépítve az LPV-modellt az egyes politopiai pontokban levezetett linearizált modellek lineáris kombinációjaként [7].



A cukorbetegség kapcsán röviden összefoglalták a magyar mesterséges hasnyálmirigy-kutatási témát. A kifejlesztett nemlineáris modell-alapú LPV robusztus vezérlőt a legösszetettebb Sorensen-modellen hoztuk létre, és első kvázi in-silico eredményeinket teszteltük és összehasonlítottuk 30 típusú 1-es típusú cukorbetegség valós adataival.

A kifejlesztett keretrendszer a vér glükózszintjét az idő több mint 90% -ában a 70-120 mg / dL intervallumon belül tartotta (az algoritmus újrakalibrálása nélkül), ezzel bizonyítva annak robusztusságát. A hipoglikémiát (amelyet nem fizikai aktivitás okoz) hatékonyan elkerülhető. A kutatás bebizonyította, hogy valódi remény van egy általános (robusztus) keret kidolgozására, amely a vércukorszintet egy meghatározott intervallumon belül kemény korlátozásokkal képes megtartani; ráadásul nem érzékeny a különböző étkezési profilokra. Ezért hatékonyan támogathatta az irodalomban megjelenő individualizált kontroll (pl. Modell prediktív kontroll – MPC) protokollokat [3].

A kapott eredmények alapján tovább mentünk és elkezdtük vizsgálni a vezérlő modell nélküli tulajdonságát: ha az eredetileg használt módosított Sorensen-modellt [8] másik modellre cseréljük, hogyan kell a vezérlőnek reagálnia anélkül, hogy azt újraterveznék. A Hovorka jól ismert modelljét [9] alkalmaztuk, és egy teljesen új virtuális betegcsoportot hoztunk létre. Ez a modell jelenti a Cambridge-i Egyetem 2.2-es verziójának (SimEdu) szilíciumon belüli szimulátorának magját. Az eredmények felhasználásával, amelyeket a Magyar Mesterséges Hasnyálmirigy Munkacsoport (HAP) inzulinpumpa-központjaiból gyűjtöttünk [10], ezt a két T1DM modellt használtuk a virtuális betegek előállításához. Az azonosítást a Levenberg-Marquardt algoritmus [11] és a MATLAB Optimalizálás eszköztár segítségével végeztük el. A futási időt nagymértékben lecsökkentette a jakubi mátrix valós becslése, hurkok használata nélkül.


[1] Shaw J. E., Sicree R. A., Zimmet P. Z .: Globális becslések a cukorbetegség prevalenciájáról 2010-re és 2030-ra, 2010, Diabetes Research and Clinical Practice, vol. 87, 4–14. Oldal.
[2] Wild S., Roglic G., Green A., Sicree R., King H .: A cukorbetegség globális elterjedtsége – Becslések a 2000. évre és a 2030-ra vonatkozó előrejelzések, 2004 , Diabetes Care, Vol. 27. (5), 1047-1053. Oldal.
[3] Cobelli C., Dalla Man C., Sparacino G., Magni L., de Nicolao G., Kovatchev B .: Diabetes: modellek, jelek és Ellenőrzés (Módszertani áttekintés), IEEE Review in Biomedical Engineering, 2009, Vol. 2, 54–96. Oldal.
[4] F. Chee és F. Tyrone, Zárt hurkú vércukorszint-szabályozás, Lecture Notes of Computer Science, vol. 368, Springer-Verlag, Berlin, 2007.
[5] R. Femat, E. Ruiz-Velazquez és G. Quiroz, „Súlyozási korlátozás az intravénás inzulinszállításra a T1DM betegen H∞ Control segítségével”, IEEE tranzakciók Automation Science and Engineering, vol. 6. (2), 2009. 239-247. Oldal.
[6] J.T. Sorensen, A glükóz metabolizmusának fiziológiai modellje az emberben, és annak felhasználása a cukorbetegség javított inzulinterápiáinak tervezésére és értékelésére, PhD tézis, Dept. of Chemical Eng. Massachusettsi Műszaki Intézet, Cambridge, 1985.
[7] Kovács L., Benyó B., Bokor J. és Benyó Z. „A glükóz-inzulin rendszer indukált L2-normájának minimalizálása I. típusú cukorbetegeknél”, Számítógépes módszerek és programok a biomedicinában, vol. 102. (2), 105-118., 2011.
[8] R. S. Parker, F. J. Doyle III, J. H. Ward. és N. A. Peppas,
„Robusztus H∞ glükózkontroll cukorbetegségben fiziológiai modell alkalmazásával”, AIChE Journal, vol. 46. ​​sz. 12, 2000. old. 2537-2549.
[9] ME Wilinska, LJ Chassin, CL Acerini, JM Allen, DB
Dunger és R. Hovorka, „Szimulációs környezet a zárt hurkú inzulinadagoló rendszerek értékeléséhez típusú cukorbetegség ”, J Diabetes Sci Technol, vol. 4. sz. 1, 2010. p. 132–144.
[10] Kovács L., Barkai L .: Magyar Mesterséges Hasnyálmirigy Műhely, Diabetologia Hungarica, 2010, Vol. XXVIII (4), 336-337. Oldal.
[11] J. Nocedal és S. J. Wright, Numerical Optimization, Springer,
Heidelberg; 2006.