Development and in silico validation of the PID-algorithm for the artificial pancreas with intraperitoneal insulin delivery

Abstract

1ФГБУ Национальный медицинский исследовательский центр эндокринологии Минздрава России, Москва 2 ФГАОУ ВПО Московский физико-технический институт (государственный университет), Москва ОБОСНОВАНИЕ. Эффективность лечения сахарного диабета 1 типа (СД1) можно значительно повысить при исполь-зовании искусственной поджелудочной железы (ИПЖ) -устройства или технологии, позволяющей автоматически управлять гликемией. В основе ИПЖ лежит управляющий алгоритм, задачей которого является регуляция доз вводи-мого пациенту инсулина в зависимости от информации об уровне глюкозы в крови таким образом, чтобы эффективно удерживать концентрацию глюкозы у пациента в заданном интервале. К настоящему времени разработан ряд теоре-тических моделей функционирования таких устройств, часть из них уже проходят клинические или эксперименталь-ные испытания.ЦЕЛЬ. В этой работе мы оценивали эффективность работы контроллера для управления автоматической доставкой инсулина в ИПЖ, конструкция которого создана на основе пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) алгоритма, используя фармакокинетические параметры инсулина при его интраперитонеальном (ИП) введении. МЕТОДЫ.Оценка работы контроллера проводилась в виртуальной среде InSilico (при помощи математического мо-делирования, без участия живых участников) с использованием метаболического тренажера UVA/Padova на 10 па-циентах. Схема контроллера использовала параметры фармакокинетики и фармакодинамики инсулина при условии введения его в ИП-пространство и основывалась на ПИД-контроллере с обратной связью для обеспечения безопас-ной и эффективной доставки инсулина.РЕЗУЛЬТАТЫ. Предложенная конструкция контроллера позволила достигать виртуальным пациентам 83% времени в пределах гликемического диапазона 70-140 мг/дл (3,9-7,8 ммоль/л) при полном отсутствии эпизодов гипогли кемии. BACKGROUND:The efficacy of the treatment of type 1 diabetes can be markedly improved using artificial pancreas (AP), which is a technology to automatically control blood glucose levels.

Current Technologies for Managing Type 1 Diabetes Mellitus and Their Impact on Quality of Life—A Narrative Review

“…The control algorithms are continuously adapted to physiological changes with realtime adjustment of closed-loop control parameters (Figure 5). Various control algorithms were developed [97]: model predictive iterative learning control (MPC) [98][99][100], proportional integral derivative (PID) controllers [101,102], and fuzzy logic control approaches [103,104].…”

“…Thu closed-loop insulin system is known as the artificial pancreas (AP) [105]. When a system requires counting and registering the carbohydrate amount from mealtim Various control algorithms were developed [97]: model predictive iterative learning control (MPC) [98][99][100], proportional integral derivative (PID) controllers [101,102], and fuzzy logic control approaches [103,104].…”

“…Various control algorithms were developed [ 97 ]: model predictive iterative learning control (MPC) [ 98 , 99 , 100 ], proportional integral derivative (PID) controllers [ 101 , 102 ], and fuzzy logic control approaches [ 103 , 104 ].…”