用于1型糖尿病应用的人工胰腺的速度‑加权模型预测控制制造技术

控制胰岛素输送的方法、装置、算法和系统采用速度加权。预测的葡萄糖结果受到作为葡萄糖速度的函数的因数调制的成本的惩罚，其中当葡萄糖水平高时，针对越来越负的葡萄糖速度，葡萄糖结果越来越少地受到惩罚，和/或其中，已经收敛到血糖正常区域的高血糖值导致控制器的校正动作比在高血糖状态稳定的情况下更少。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于1型糖尿病应用的人工胰腺的速度-加权模型预测控制专利技术人：RaviL.Gondhalekar/US，EyalDassau/IL，FrancisJ.DoyleIII/US，均来自加利福尼亚州的圣芭芭拉。申请人：加利福尼亚大学董事会。本专利技术是在由国立卫生研究院(NIH)授予的资助编号为DP3DK094331和ROIDK085628的政府支持下完成的。政府对本专利技术享有一定的权利。
技术介绍
1型糖尿病(T1DM)是一种代谢性自身免疫疾病，其特征在于胰腺β细胞的破坏，并且导致身体不能产生胰岛素，胰岛素是一种促进从血流至许多类型的细胞中的葡萄糖的吸收并参与调节至/从血流的葡萄糖的肝脏释放/去除的内分泌反馈回路的激素。患有T1DM的人需要将胰岛素从外部源输送到他们的血流中，并且维持健康的血糖水平往往很困难。低血糖症具有非常短期的后果，并且可能导致例如轻微时的头晕或定向障碍，如果严重时的痉挛或无意识，并且在严重情况下昏迷或死亡。相比之下，高血糖状态如果是短暂的，后果不大。然而，长期平均高的血糖水平可能导致多种健康问题，例如可能持续多年的心血管疾病、肾衰竭和视网膜损伤。这项工作的最终应用是将胰岛素自动输送到T1DM患者的人工胰腺(AP)[1,2,3]。具体而言，开发了皮下-皮下AP方案，其中通过连续皮下胰岛素输注(CSII)泵执行胰岛素输送(控制输入)的AP和葡萄糖感测(用于反馈的输出测量)基于连续葡萄糖监测器(CGM)[4]。任何完全自动化的AP的关键要素是反馈控制法则，其执行有效和安全的算法胰岛素剂量。例如，已经提出了基于模型预测控制(MPC)[5,6,7,8,9]或比例-积分-微分控制[10,11]的葡萄糖控制器。我们越来越重视开发区域MPC(zone-MPC)策略[12,13,14]，由此血糖水平被控制在目标区域内，而不是追踪单个设定点。由于两个原因，这在控制器的实际操作中证明是有效的。第一，由于人类生理学的大的主体间和主体内变异性，通常存在显著的装置模型(plant-model)失配。第二，反馈信号是由CGM每5分钟提供的血糖水平的估计值，具有很大的误差和延迟，误差和延迟都具有随时间变化的特性，并且证明难以建模和校正。当估计血糖水平在目标区域内时，区域MPC的使用提供了鲁棒性，以防止在状态估计中过度地响应噪声。如在MPC[15,16]中典型的，通常在AP中使用的成本函数惩罚葡萄糖输出的偏差，即预测的葡萄糖水平和设定点之间的差异，或者在区域MPC的情况下，到目标区域的距离。由于没有装置模型失配和长期的预测范围，其可能像MPC中经常出现的那样导致有效的控制。然而，AP不可避免地与大的装置模型失配操作，而实际上长期的预测范围并不能产生有用的预测。我们使用45分钟的预测范围，这比由于大餐引起的高血糖偏移(高达8小时，如果是突然的)短得多。此外，存在与CGM感测和CSII输送相关联的长的延迟。使用标准二次输出成本函数的结果是当预测的葡萄糖水平可能已经稳定地收敛到由过去的胰岛素输送驱动的目标区域时，即使在已经达到高血糖偏移的测量的峰值之后仍继续驱动胰岛素输送的AP。控制器的目标是加速目标区域内葡萄糖值的到达；这是频繁实现的，但是经常伴随着由于胰岛素过量输送导致的控制器引起的低血糖的不良后果。解决方案通常是使控制器失谐，使得胰岛素输送在高血糖偏移的“上坡”和“下坡”段都保守，从而导致更高的葡萄糖峰值和花费在目标区域之外的更多时间。在本文中，我们公开了MPC成本函数中的速度加权机制，使得预测区域偏移考虑其值和血糖轨迹的变化率被惩罚。所公开的机制为控制设计者提供了一些新的自由度，并且促进了在高血糖偏移的上坡与下坡段期间AP的响应的某些解耦设计。目标是朝向上坡段的开始，在偏移期间提前输送更多的胰岛素，并允许控制器在下坡段上输送更少的胰岛素。在相关工作[17]中，我们建议直接基于预测葡萄糖水平的变化率在成本函数中增加“速度-惩罚”项，从而导致在上坡行进中更积极的输送。当葡萄糖轨迹上升时，这个增加的项允许保守的控制器给出“额外冲击(extrakick)”，但是该机制并不主动允许控制器在轨迹下降时“退避”。本文提出的速度加权机制用于后一个目的；代替使用固定的成本惩罚输出值，并且进一步代替直接惩罚葡萄糖速度，所提出的机制基于作为速度的函数的权重来惩罚输出值。随着葡萄糖速度的降低，通过选择成本平稳地收敛到零，MPC成本函数越来越受到输入成本的支配，并且主动地忽视了输出成本。优化的胰岛素输送命令然后根据需要收敛到输入的设定点，该设定点是受试者的基础输注速率。状态相关的分段线性/二次成本函数是混合MPC策略中的标准实践，并导致整数规划问题。所公开的方法是独特的并且基于速度(即，状态)平滑地调制二次(可能包括线性)成本。平滑度允许通过一系列二次规划(QP)问题来解决最终的优化问题。
技术实现思路
本专利技术提供用于胰岛素输送的速度加权控制的方法、装置、算法和系统。在一个方面，本专利技术提供一种用于1型糖尿病应用的人工胰腺的速度加权控制的方法，包括：利用受作为葡萄糖速度的函数的因数调制的成本来惩罚预测的葡萄糖结果，其中当葡萄糖水平高时，针对越来越负的葡萄糖速度，葡萄糖结果越来越少地受到惩罚，和/或其中，已经收敛到血糖正常区域的高血糖值导致控制器的校正动作比在高血糖状态稳定的情况下更少。在另一方面，本专利技术提供一种用于治疗1型糖尿病的人工胰腺(AP)的闭环操作的模型预测控制(MPC)的方法，包括在MPC问题的成本函数内可积分的速度加权机制步骤，其中基于预测的血糖水平的变化率对预测的高血糖血糖偏移进行惩罚，其中，该方法提供了独立地成形对高血糖偏移的AP的上坡与下坡响应。在另一方面，本专利技术提供一种控制胰岛素输送的方法，包括：(a)结合速度加权和速度惩罚，速度加权减少了控制器引起的低血糖的发生，速度惩罚产生更有效的高血糖校正；(b)使用非对称输入成本函数以及速度加权成本函数，非对称输入成本函数通过允许控制器更容易地减弱胰岛素输送来改善安全性，速度加权成本函数在高血糖状态处于校正过程中时通过策略性地降低控制器的激进性来帮助防止控制器引起的低血糖；或者(c)使用速度加权来施加在高血糖偏移的上坡段上激进的但在下坡段上保守的控制，其中用于惩罚葡萄糖偏差的二次成本是速度相关的，其中二次成本参数本身是葡萄糖输出的变化率的函数。所公开的方法可以在能够合并到装置、策略或进一步的算法中的人工胰腺的模型预测控制(MPC)算法中实施以治疗1型糖尿病，模型预测控制算法基于例如在胰岛素泵、连续葡萄糖监测系统或人工胰腺中的血糖测量反馈来控制至1型糖尿病患者的胰岛素输送。所公开的方法可以可操作地与以下结合：(a)连续葡萄糖监测器(CGM)传感器；(b)状态反馈控制系统；和/或(c)警报或通知系统。本专利技术还提供一种被编程为实施所公开的方法的控制器，以及这种控制器用于控制胰岛素输送以治疗1型糖尿病的用途。在另一方面，本专利技术提供一种药物输送系统，包括被编程为实施所公开的方法的控制器、状态监测系统、药物泵或计量系统、以及可选地要输送的药物(例如，胰岛素)。在另一方面，本专利技术提供了用于治疗1型糖尿病的人工胰腺的模型预测控制(MPC)的方法，该方法结合所公开的方法。可以在包括基本上如本文所述的方法本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于1型糖尿病应用的人工胰腺的速度加权控制的方法，包括：利用受到作为葡萄糖速度的函数的因数所调制的成本来惩罚预测的葡萄糖结果，其中当葡萄糖水平高时，针对越来越负的葡萄糖速度，葡萄糖结果越来越少地受到惩罚，和/或其中，已经收敛到血糖正常区域的高血糖值导致控制器的校正动作比在高血糖状态稳定的情况下更少。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于1型糖尿病应用的人工胰腺的速度加权控制的方法，包括：利用受到作为葡萄糖速度的函数的因数所调制的成本来惩罚预测的葡萄糖结果，其中当葡萄糖水平高时，针对越来越负的葡萄糖速度，葡萄糖结果越来越少地受到惩罚，和/或其中，已经收敛到血糖正常区域的高血糖值导致控制器的校正动作比在高血糖状态稳定的情况下更少。2.一种用于治疗1型糖尿病的人工胰腺(AP)的闭环操作的模型预测控制(MPC)的方法，包括在MPC问题的成本函数内可积分的速度加权机制步骤，其中基于预测的血糖水平的变化率对预测的高血糖血糖偏移进行惩罚，其中，所述方法提供了独立地成形对高血糖偏移的AP的上坡与下坡响应。3.一种控制胰岛素输送的方法，包括：(a)结合速度加权和速度惩罚，其中，所述速度加权减少了控制器引起的低血糖的发生，所述速度惩罚产生更有效的高血糖校正；(b)使用非对称输入成本函数以及速度加权成本函数，其中，所述非对称输入成本函数通过允许控制器更容易地减弱胰岛素输送来改善安全性，所述速度加权成本函数在高血糖状态处于校正过程中时通过策略性地降低控...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·L·贡德哈利卡，E·达索，F·J·道尔三世，
申请(专利权)人：加利福尼亚大学董事会，
类型：发明
国别省市：美国,US