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基于人體正常血糖濃度范圍的魯棒輸出調(diào)節(jié)方法與流程

文檔序號(hào):40656224發(fā)布日期:2025-01-10 19:07閱讀:3來(lái)源:國(guó)知局
基于人體正常血糖濃度范圍的魯棒輸出調(diào)節(jié)方法與流程

本發(fā)明涉及胰島素泵調(diào)節(jié)血糖,具體為一種基于人體正常血糖濃度范圍的魯棒輸出調(diào)節(jié)方法。


背景技術(shù):

1、糖尿病是一種由于胰島素分泌和(或)作用缺陷引起的以慢性高血糖為特征的代謝性疾病。根據(jù)國(guó)際糖尿病病聯(lián)盟(international?diabetes?federation,idf)數(shù)據(jù)顯示截至2019年,中國(guó)是全球糖尿病患者數(shù)量(20-79歲)最多的國(guó)家,高達(dá)1.164億,65歲以上糖尿病患者達(dá)3550萬(wàn)(https://diabetesatlas.org/en/)。根據(jù)美國(guó)糖尿病協(xié)會(huì)(americandiabetes?association,ada)的診斷標(biāo)準(zhǔn),我國(guó)糖尿病患病率高達(dá)12.8%,中國(guó)成人糖尿病前期比例35.2%,估計(jì)糖尿病患病人數(shù)達(dá)到1.298億。

2、胰島素治療是糖尿病治療的重要手段之一。胰島素泵(continuous?subcutaneousinsulin?infusion,csii)作為胰島素強(qiáng)化治療方案之一,它可以最大程度地模擬人體胰島素的生理性分泌模式,有利于實(shí)現(xiàn)糖尿病患者血糖控制達(dá)標(biāo)。nathan?dm在文《intensivediabetes?treatment?and?cardiovascular?disease?inpatients?with?type?1diabetes》中指出,糖尿病控制與并發(fā)癥試驗(yàn)結(jié)果表明包括csii在內(nèi)的強(qiáng)化胰島素治療能夠顯著降低糖化血紅蛋白水平,減少并發(fā)癥,延長(zhǎng)患者的壽命。此項(xiàng)研究為csii的臨床應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的臨床證據(jù)。murphy?helen在文《safety?and?efficacy?of?24-hclosed-loopinsulin?delivery?in?well-controlled?pregnant?women?with?type?1?diabetes》的研究結(jié)果表明,在對(duì)1型糖尿病妊娠女性人群的研究中發(fā)現(xiàn)閉環(huán)胰島素泵設(shè)備和開(kāi)環(huán)胰島素泵設(shè)備相比療效相當(dāng),但可以顯著減少低血糖的發(fā)生。zoe?a.stewart在文《closed-loopinsulin?delivery?during?pregnancy?in?women?with?type?1?diabetes》的研究結(jié)果進(jìn)一步表明無(wú)論是產(chǎn)前還是分娩,胰島素泵閉環(huán)治療相較于傳感器增強(qiáng)型胰島素泵更能有效地控制血糖。

3、根據(jù)《中國(guó)胰島素泵治療指南(2021年版)》,胰島素泵進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)已有20余年,至今約有3000家醫(yī)院開(kāi)展了胰島素泵治療,據(jù)推測(cè)平均每年接受胰島素泵短期強(qiáng)化治療的患者已超過(guò)百萬(wàn),而目前長(zhǎng)期使用胰島素泵患者近6萬(wàn)。目前,整合了帶有實(shí)時(shí)持續(xù)葡萄糖監(jiān)測(cè)(continuous?glucose?monitoring,cgm)和csii的新型閉環(huán)胰島素泵是胰島素泵降糖治療的熱點(diǎn)。

4、閉環(huán)胰島素泵設(shè)備包括埋在皮膚下面的血糖傳感器以及植入腹部的胰島素泵。血糖傳感器可以測(cè)量患者的血糖濃度并將信息發(fā)送到控制器,控制器根據(jù)血糖基準(zhǔn)濃度與反饋的血糖濃度之間的差值計(jì)算出胰島素釋放速度。胰島素釋放速度作為控制信號(hào)發(fā)送到胰島素泵,胰島素泵就通過(guò)放置在患者皮膚下面的導(dǎo)管釋放胰島素。利用閉環(huán)胰島素泵治療糖尿病的閉環(huán)控制系統(tǒng)的示意圖可以用圖1表示。

5、對(duì)圖1所示的閉環(huán)系統(tǒng)而言,如何設(shè)計(jì)控制器可以將患者的血糖調(diào)節(jié)到基準(zhǔn)值是核心問(wèn)題。雖然有大量的研究圍繞建立胰島素血糖調(diào)節(jié)模型,但是利用理論上的數(shù)學(xué)模型以及標(biāo)稱參數(shù)設(shè)計(jì)的控制器很難在實(shí)際治療中使用。每名患者的體征皆不相同,對(duì)應(yīng)的模型參數(shù)皆不相同,同時(shí)模型受到的外界干擾也不相同。需要十分注意的是,一些參數(shù)的微小變化可能會(huì)對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生較大的影響,甚至?xí)?dǎo)致患者的死亡。因此,如何設(shè)計(jì)對(duì)各類參數(shù)變化和外界干擾具有較強(qiáng)魯棒性的控制器是非常重要的問(wèn)題。

6、目前,血糖閉環(huán)控制器包括pid控制器、h∞控制器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器、模糊控制器、模型預(yù)測(cè)控制器以及自抗擾控制器(active?disturbance?rejection?control,adrc)。據(jù)目前文獻(xiàn)調(diào)研情況所知,在2021年,文《糖尿病血糖調(diào)節(jié)自抗擾控制器設(shè)計(jì)》首次引入adrc方法解決糖尿病的胰島素-血糖調(diào)節(jié)問(wèn)題,文中利用奇異攝動(dòng)理論嚴(yán)格地分析了基于adrc的閉環(huán)系統(tǒng)的有界性和最終有界性,仿真結(jié)果表明對(duì)于多名不同體征參數(shù)的患者,設(shè)計(jì)的自抗擾控制器都可以將患者的血糖平穩(wěn)地調(diào)節(jié)到基準(zhǔn)值。

7、但是,文《糖尿病血糖調(diào)節(jié)自抗擾控制器設(shè)計(jì)》提出的adrc方法存在如下問(wèn)題:控制器設(shè)計(jì)過(guò)程中并沒(méi)有考慮人體的正常血糖濃度范圍,而是將血糖基準(zhǔn)值設(shè)為人體血糖范圍的下限70mg/dl,控制過(guò)程存在患者低血糖的風(fēng)險(xiǎn)。如何在控制器設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮人體的正常血糖濃度范圍,設(shè)計(jì)合理的魯棒控制器是十分必要且有意義的事情。


技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn),而提出的一種基于人體正常血糖濃度范圍的魯棒輸出調(diào)節(jié)器及方法。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案:一種基于人體正常血糖濃度范圍的魯棒輸出調(diào)節(jié)方法,包括:用于血糖調(diào)節(jié)過(guò)渡的跟蹤微分器、調(diào)節(jié)器、胰島素泵、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器和傳感器,所述調(diào)節(jié)器分別與跟蹤微分器、胰島素泵、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器分別連接,胰島素泵用于注射,所述傳感器與胰島素泵注射的對(duì)象相連接。

3、一種基于人體正常血糖濃度范圍的魯棒輸出調(diào)節(jié)方法,設(shè)計(jì)步驟如下:

4、(1)構(gòu)造控制變量;

5、(2)設(shè)計(jì)跟蹤微分器安排血糖調(diào)節(jié)的過(guò)渡過(guò)程;

6、(3)構(gòu)造跟蹤誤差以及變換誤差;

7、(4)構(gòu)造滑模變量以及衍生變量h;

8、(5)設(shè)計(jì)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器;

9、(6)利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的估計(jì)值設(shè)計(jì)控制輸入u(t)。

10、作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步描述:所述構(gòu)造控制變量步驟包括定義調(diào)節(jié)目標(biāo)r1為人體正常血糖濃度范圍的中間值90mg/dl以及變量ρ為r1的調(diào)節(jié)范圍20mg/dl。

11、作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步描述:所述設(shè)計(jì)跟蹤微分器安排血糖調(diào)節(jié)的過(guò)渡過(guò)程為:

12、

13、其中,多項(xiàng)式是hurwitz多項(xiàng)式。定義且x*(0)=x(0)。

14、作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步描述:所述構(gòu)造跟蹤誤差以及變換誤差步驟中,跟蹤誤差定義為要求對(duì)于所有的t≥0,滿足|e(t)|<ρ;構(gòu)造變換誤差z(t),滿足

15、e(t)=ρs(z(t)),e(0)=z(0)=0,

16、其中,e(·)是指數(shù)函數(shù),

17、可得變換誤差為

18、作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步描述:所述構(gòu)造滑模變量以及衍生變量h步驟中,

19、

20、其中,

21、

22、g=p3g.。

23、作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步描述:所述設(shè)計(jì)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器步驟中,定義x=[x1,x2,x3]t,x1=g,擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器如下

24、

25、其中,和是系統(tǒng)狀態(tài)x1(t),x2(t),x3(t)以及系統(tǒng)不確定σ(t)的估計(jì)值,是一個(gè)小正數(shù),g0是控制輸入增益g的標(biāo)稱值,參數(shù)αi,i=1,2,3,4滿足多項(xiàng)式s4+α1s3+α2s2+α3s+α4是hurwitz的。

26、作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步描述:所述利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的估計(jì)值設(shè)計(jì)控制輸入u(t)步驟中,

27、

28、其中,

29、

30、和代表使用了擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器估計(jì)值的變量h(·)和s,飽和函數(shù)

31、定義為

32、

33、同時(shí),飽和邊界m通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)的反復(fù)試湊取合理值。

34、由于采用了上述技術(shù)方案,本發(fā)明取得的有益效果是:將血糖調(diào)節(jié)到人體的正常血糖濃度范圍,具體來(lái)說(shuō)可有效地將患者的血糖調(diào)節(jié)到人體正常的血糖區(qū)間70-110mg/dl。

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