一种人工胰腺的闭环控制算法制造技术

本发明专利技术提供了一种人工胰腺的闭环控制方法以及使用该方法的人工胰腺，所述方法主要包括构建一个主动引入了胰岛素吸收延迟因素的自回归模型，用该自回归模型和PID算法分别计算所需的胰岛素输注量，并取两者计算结果的平均值分别循环优化两者的参数，以提供更准确的血糖趋势预测以及更合适的胰岛素输注量。

A closed loop control algorithm for artificial pancreas

The present invention provides a closed loop control method for an artificial pancreas and an artificial pancreas using the method. The method mainly includes building a autoregressive model that actively introduces the factors of insulin absorption delay, using the autoregressive model and the PID algorithm to calculate the required islet infusion amount, and take the results of the two calculations. The mean value of each parameter was optimized separately to provide more accurate glycemic trend prediction and more appropriate insulin infusion volume.

【技术实现步骤摘要】
一种人工胰腺的闭环控制算法
本专利技术涉及人工胰腺，具体地说，涉及一种用控制器控制胰岛素输注的闭环算法。
技术介绍
糖尿病是由于胰腺不能产生足量的胰岛素导致的慢性代谢疾病，该病导致身体代谢葡萄糖的能力降低。近来，通过开发胰岛素输注装置已经实现了糖尿病治疗的实质性改善，所述胰岛素输注装置减轻了患者通过注射器或胰岛素每日多次注射的需要。胰岛素输注装置能够实现与自然生理过程具有更大相似性的方式输注胰岛素，并且可以控制胰岛素输注装置以标准方案或个性化调整方案给予患者更好的血糖控制。此外，胰岛素输注装置可以是用于皮下输注的可植入装置或者作为具有输注装置的外部装置，通过经皮插入导管，套管或经皮药物输送来实现对患者的皮下输注。为了实现可接受的血糖控制，血糖监测必不可少。在过去几十年中，利用动态血糖监测(CGM)系统和胰岛素泵的联合使用，以实现对输送至糖尿病患者的胰岛素进行闭环控制。为了实现闭环控制的胰岛素输注，比例‐积分‐微分(“PID”)控制器与人体内葡萄糖和胰岛素之间的代谢及相互作用的数学模型被广为研究使用。然而，当PID控制器单独应用或用于主动调节受试者的血糖水平时，由于缺乏动态补偿，可能发生设定水平的过冲，这在血糖调节中是与期望背道而驰的。在胰岛素泵中，通常使用速效胰岛素而不是长效胰岛素，胰岛素泵通常允许改变使用的胰岛素，且快速作用胰岛素通常吸收更快。然而，输注的效果根据不同患者的具体情况和胰岛素的类型而变化，并且当下市场上的胰岛素泵仍然受其使用的胰岛素运输、吸收速度的限制。尽管泵与传感器技术这些年来取得了重大突破，但人工胰腺必须解决血糖传感器及胰岛素注射中存在的延时及不准确问题。这是一个相当棘手的问题，这是由于当一个系统被像进食这样的行为干扰时，会引起快速的葡萄糖升高，这要比胰岛素吸收更起效所需的时间快多了
技术实现思路
为了克服现有技术的以上不足，本专利技术的一个目的是提供一种用控制器控制胰岛素泵的方法，所述控制器从葡萄糖传感器获取数据，且所述胰岛素泵响应所述控制器的控制信号，所述方法包括以下步骤：从葡萄糖传感器获取当前时刻的血糖测量值；计算指定时刻的体内血浆胰岛素估算浓度；构建一个自回归模型，用于描述所述血浆胰岛素估算浓度与两次连续测量所得的血糖测量值之差的关系，其特征在于模型构建中考虑了胰岛素的吸收延迟；计算所述自回归模型的初始参数以预测未来血糖的变化趋势；用所述自回归模型和一个PID控制器分别计算当前所需的胰岛素输注量；分别调整所述自回归模型和所述PID控制器的参数直到两者对所需胰岛素输注量的计算结果相同；根据计算结果决定当前所需的胰岛素输注量，并通过控制器指示胰岛素泵进行输注。优选地，所述自回归模型将B时刻的血糖值与A时刻的血浆胰岛素值对应，所述A时刻输注的胰岛素开始于B时刻进入血液中。优选地，调整所述自回归模型和所述PID控制器的参数还包括以下步骤：比较所述自回归模型和所述PID控制器的各自计算得到的所需胰岛素输注量；如果两者的计算结果存在差值，则将所述自回归模型和所述PID控制器对所需胰岛素输注量的计算结果分别用两者计算结果的平均值替换，重新计算所述自回归模型和所述PID控制器的参数；重复上述步骤直到差值为零。优选地，本专利技术所述方法还包括通过所述控制器利用更新的传感器测量数据在多个离散的时间间隔中自动执行上述每一个步骤。本专利技术的一个目的是提供一种使用上述闭环控制方法的人工胰腺，包括：葡萄糖传感器，用于以离散的时间间隔连续测量血糖值并提供相应的血糖测量数据；胰岛素泵，用于响应输注控制信号并输注胰岛素；以及控制器，用于在多个离散时间间隔中的每一个进行如下步骤：从葡萄糖传感器获取真实时刻的血糖测量值；计算指定时刻的体内血浆胰岛素估算浓度；构建一个自回归模型，用于描述所述血浆胰岛素估算浓度与两次连续测量所得的血糖测量值之差的关系；计算所述自回归模型的初始参数以预测未来血糖的变化趋势；用所述自回归模型和一个PID控制器分别计算当前所需的胰岛素输注量；分别调整所述自回归模型和所述PID控制器的参数直到两者对所需胰岛素输注量的计算结果相同；根据步骤上一步的最终计算结果决定胰岛素输注量；并通过控制器指示胰岛素泵进行输注。优选地，所述控制器是所述葡萄糖传感器、所述胰岛素泵、外置手持机中的处理器或智能设备的处理模块之一。本专利技术的有益效果主要体现在以下方面：通过主动引入胰岛素吸收滞后因素构建的自回归模型在闭环算法中可作为PID控制器的重要补充，因为传统PID控制器仅在系统发生变化时才响应系统的变化。为了实现在未来时间中期望的血糖水平，同时使用自回归模型和PID控制器使得对胰岛素输注量的计算结果更加可行和可靠。此外，分别调整自回归模型和PID控制器的参数可以平行优化两套算法的性能，使得它们互为彼此的动态补偿，特别是对于PID控制器典型的过冲现象作用明显。总之，在本专利技术中通过控制器同时使用自回归模型和PID控制器来控制胰岛素泵的方法为胰岛素输注量的确定提供了更可靠的输出，并且可以用作闭环控制算法的一部分，使得人工胰腺能够实现全面和复杂的闭环控制功能。附图说明图1是患者佩戴本专利技术人工胰腺的示意图图2是本专利技术所述方法具体实施方式的示意图图3是葡萄糖闭环控制系统中三大延迟因素的示意框图图4是本专利技术所述方法具体实施方式的流程图具体实施方式为实现上述技术目的，使得本专利技术的特点及优势更加浅显易懂，结合下述实施例具体说明本专利技术的各实施方式。结合图1和图2给出本专利技术的一个实施例。如图1所示，患者佩戴有一个以离散的时间间隔连续测量血糖值并提供相应的血糖测量数据的葡萄糖传感器1和一个用于响应输注控制信号并输注胰岛素的胰岛素泵2组成的人工胰腺，另有一个手持机3，其中的处理器作为控制器在多个离散时间间隔中的每一个进行本专利技术所述方法的各步骤。结合图2阐释图1中各部件对本专利技术所述方法的一种实现方式。本实施例中，葡萄糖传感器1测量患者的血糖水平并通过发信器102将血糖信息发送给手持机3中的控制器302。控制器302自动实施图4中所示的各步骤，得出所需的胰岛素输注量并产生相应输注指令。该指令由控制器302发送给胰岛素泵2的处理器202，对患者进行胰岛素输注，实现对所述人工胰腺的闭环控制。控制器302执行的步骤将在下文中结合图4详述。在其它实施例中，控制器也可以是葡萄糖传感器或胰岛素泵中的处理器，或者智能设备中的处理模块。如图3所示，在闭环控制系统中存在三大延时效应：胰岛素吸收延迟(约30‐100分钟)，胰岛素起效延迟(到达外周组织20分钟，到达肝脏100分钟)，血糖葡萄糖与组织液葡萄糖浓度感测延迟(约5‐15分钟)。任何加速闭环响应性的尝试可能导致不稳定的系统行为和系统振荡，并且优先闭环控制的任何尝试都是为了解决困境：找到慢速调节之间的折衷，适用于准稳态(例如，隔夜)的温和控制动作，以及需要快速校正的餐后调节。结合图4给出本专利技术所述方法一个简化的实施例。首先从葡萄糖传感器得到某一时刻的血糖测量值，再从葡萄糖传感器得到下一时刻的血糖测量值，计算和上一时刻的差值；计算指定时刻的血浆胰岛素估算浓度。接下来用上述数据构建自回归模型并算出该自回归模型的初始参数。下面的步骤由控制器同时执行：分别用所述自回归模型和一个PID控制器分别计算当前所需的胰岛素输注量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用从葡萄糖传感器获取数据的控制器来控制响应其控制信号的胰岛素泵的方法，所述方法包括通过所述控制器自动执行以下步骤：从葡萄糖传感器获取当前时刻的血糖测量值；计算指定时刻的体内血浆胰岛素估算浓度；构建一个自回归模型，用于描述所述血浆胰岛素估算浓度与两次连续测量所得的血糖测量值之差的关系，其特征在于模型构建中考虑了胰岛素的吸收延迟；计算所述自回归模型的初始参数以预测未来血糖的变化趋势；用所述自回归模型和一个PID控制器分别计算当前所需的胰岛素输注量；分别调整所述自回归模型和所述PID控制器的参数直到两者对所需胰岛素输注量的计算结果相同；根据计算结果决定当前所需的胰岛素输注量；并通过控制器指示胰岛素泵进行输注。

【技术特征摘要】
1.一种用从葡萄糖传感器获取数据的控制器来控制响应其控制信号的胰岛素泵的方法，所述方法包括通过所述控制器自动执行以下步骤：从葡萄糖传感器获取当前时刻的血糖测量值；计算指定时刻的体内血浆胰岛素估算浓度；构建一个自回归模型，用于描述所述血浆胰岛素估算浓度与两次连续测量所得的血糖测量值之差的关系，其特征在于模型构建中考虑了胰岛素的吸收延迟；计算所述自回归模型的初始参数以预测未来血糖的变化趋势；用所述自回归模型和一个PID控制器分别计算当前所需的胰岛素输注量；分别调整所述自回归模型和所述PID控制器的参数直到两者对所需胰岛素输注量的计算结果相同；根据计算结果决定当前所需的胰岛素输注量；并通过控制器指示胰岛素泵进行输注。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述自回归模型将B时刻的血糖值与A时刻的血浆胰岛素值对应，所述A时刻输注的胰岛素开始于B时刻进入血液中。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，调整所述自回归模型和所述PID控制器的参数包括：比较所述自回归模型和所述PID控制器的各自计算得到的所需胰岛素输注量；如果两者的计算结果存在差值，则将所述自回归模型和所述PID控制器的计算结果分别用两者计算结果的平均值替换，重新计算所述自回归模型和所...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨翠军，
申请(专利权)人：上海移宇科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31