一種智能控制的閉環(huán)式人工胰腺系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種人工胰腺系統(tǒng)，尤其是一種智能控制的閉環(huán)式人工胰腺系統(tǒng)，屬 于糖尿病治療設(shè)備領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 閉環(huán)式人工胰腺（Artificial Pancreas，AP) -般包括三個(gè)部分：連續(xù)血糖監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)（Continuous Glucose Monitoring System，CGMS)、控制算法（Control Algorithm， CA)和可進(jìn)行精確胰島素輸注的胰島素泵（Insulin Pump，IP)。
[0003] 40多年來，各國專家在人工胰腺的三個(gè)方面（CGMS、IP和CA)取得了很多重要的進(jìn) 展，目前已經(jīng)有較成熟的CGMS和IP產(chǎn)品上市?？刂扑惴ㄊ侨斯ひ认俚拇竽X，21世紀(jì)以來， 國外AP控制算法的研宄，部分已進(jìn)入臨床實(shí)驗(yàn)階段。在這些算法中，研宄比較深入的主要 有三類：比例微積分（PID)算法，模糊邏輯（FL)算法和模型預(yù)測(cè)控制（MPC)算法。
[0004] 1)PID算法。PID算法是傳統(tǒng)控制理論中的經(jīng)典算法，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域， 其在AP中的研宄思路是用比例、微分、積分三個(gè)分量來盡可能地模擬人體0細(xì)胞分泌胰島 素的生理傳輸過程；PID算法簡單直觀，參數(shù)較少，便于計(jì)算，比例、積分和微分三個(gè)分量較 好地跟蹤了血糖的快速、慢速變化，但隨著時(shí)間的延長，會(huì)出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象，需要進(jìn)行校 正，而且由于人體存在胰島素殘留效應(yīng)的影響，也需要加入胰島素反饋模塊進(jìn)行校正。
[0005] 2)FL算法。FL算法是智能控制的主要研宄領(lǐng)域之一。其在AP中應(yīng)用的原理是首 先對(duì)臨床糖尿病治療長期實(shí)踐積累的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行較為全面的總結(jié)，建立專家知識(shí)庫，然后運(yùn) 用模糊數(shù)學(xué)的基本理論和方法，把臨床治療經(jīng)驗(yàn)規(guī)則的條件、操作用模糊集表示，并把這些 模糊控制規(guī)則及有關(guān)信息（如臨床評(píng)價(jià)指標(biāo)等）作為知識(shí)存入專家知識(shí)庫中，然后根據(jù)實(shí) 時(shí)監(jiān)測(cè)的血糖數(shù)據(jù)，運(yùn)用模糊推理，得出相適應(yīng)的胰島素輸注劑量參數(shù)。該FL算法依托臨 床專家將臨床糖尿病治療長期實(shí)踐積累的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)建立為專家知識(shí)庫，轉(zhuǎn)化為模糊邏輯控 制規(guī)則，符合臨床治療的常規(guī)經(jīng)驗(yàn)，易于為臨床醫(yī)生所理解。
[0006] 3)MPC算法。MPC算法是一種基于模型的控制算法，其基本的工作思路如圖1所 示。首先對(duì)人體糖代謝生理過程進(jìn)行初步的數(shù)學(xué)建模，作為初始的預(yù)測(cè)模型；然后根據(jù)在時(shí) 間t k之前已知的測(cè)量血糖y和胰島素輸注速率u，對(duì)該模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，再計(jì)算此時(shí)的胰 島素輸注速率及未來的預(yù)測(cè)血糖，以縮小預(yù)測(cè)血糖與目標(biāo)血糖間的差距；在時(shí)間〖^又會(huì) 獲得新的測(cè)量血糖y k+1，如果yk+1與前一步預(yù)測(cè)的時(shí)間t k+1&的血糖值不同，該模型就會(huì)再 次優(yōu)化，如此循環(huán)往復(fù)，直至測(cè)量血糖值穩(wěn)定在目標(biāo)血糖，計(jì)算模型也隨之穩(wěn)定下來。
[0007] MPC算法基于病人糖代謝生理模型，每一步均基于當(dāng)前測(cè)量血糖值進(jìn)行重新計(jì)算， 優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算結(jié)果能更好跟蹤血糖變化，但缺點(diǎn)是病人代謝模型非常復(fù)雜，計(jì)算量很大，需要 在實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性之間取得較好的平衡。
[0008] 據(jù)調(diào)查與了解，目前公開的現(xiàn)有技術(shù)如下：
[0009] 申請(qǐng)公開號(hào)為CN103889317A的發(fā)明專利申請(qǐng)，公開了一種用于監(jiān)測(cè)和控制糖尿 病患者的血糖水平的統(tǒng)一平臺(tái)，它描述了一種能夠利用來自不同監(jiān)測(cè)技術(shù)的數(shù)據(jù)并且能夠 在若干可擴(kuò)縮水平向患有糖尿病的患者提供幫助，范圍從關(guān)于長期趨勢(shì)和預(yù)后的建議到實(shí) 時(shí)自動(dòng)閉環(huán)控制（人工胰腺）的靈活系統(tǒng)；這些可擴(kuò)縮監(jiān)測(cè)和治療策略由被稱為糖尿病輔 助（DiAs)平臺(tái)的統(tǒng)一系統(tǒng)遞送；該系統(tǒng)提供用于實(shí)現(xiàn)各種監(jiān)測(cè)、咨詢和自動(dòng)糖尿病治療算 法或方法的基礎(chǔ)；針對(duì)各個(gè)患者的細(xì)節(jié)，并且在任何給定時(shí)刻針對(duì)患者風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估定制DiAs 推薦。然而該專利申請(qǐng)僅僅提供了一種監(jiān)測(cè)和控制糖尿病的技術(shù)平臺(tái)的構(gòu)想，對(duì)如何進(jìn)行 糖尿病患者的血糖監(jiān)測(cè)、如何閉環(huán)控制患者的血糖水平和如何對(duì)患者的預(yù)后提出建議等關(guān) 鍵技術(shù)問題都未能明確，無法對(duì)專利技術(shù)做出清晰、有效的界定。
[0010] 授權(quán)公告號(hào)為CN201658692U的實(shí)用新型專利，公開了一種人工胰腺系統(tǒng)，它提供 了一種能自動(dòng)檢測(cè)血糖濃度的胰島素注射系統(tǒng)，具體包括可連續(xù)地、自動(dòng)地對(duì)人體血糖濃 度進(jìn)行檢測(cè)的葡萄糖自動(dòng)感應(yīng)系統(tǒng)CGM、用于分析血糖濃度和計(jì)算最佳用藥量的血糖控制 系統(tǒng)以及根據(jù)注射量信號(hào)而對(duì)人體進(jìn)行胰島素注射的自動(dòng)注射系統(tǒng)；所述葡萄糖自動(dòng)感 應(yīng)系統(tǒng)CGM與血糖控制系統(tǒng)連通；所述血糖控制系統(tǒng)與自動(dòng)注射系統(tǒng)連通。本實(shí)用新型將 葡萄糖自動(dòng)感應(yīng)系統(tǒng)CGM和自動(dòng)注射系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來，有效地實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)和治療的集 成，為患者提供了安全的、適當(dāng)?shù)摹┝烤_的胰島素注射，令患者可獲得最好的治療效果。 該專利雖然包括了葡萄糖自動(dòng)感應(yīng)系統(tǒng)、用于分析血糖濃度和計(jì)算最佳用藥量的血糖控制 系統(tǒng)以及胰島素自動(dòng)注射系統(tǒng)，但其并未明確該系統(tǒng)是否為閉環(huán)控制、是否為實(shí)時(shí)控制，而 且其最核心的血糖控制系統(tǒng)采用何種技術(shù)進(jìn)行控制也未能明確，因而并未能反映最新的人 工胰腺技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種智能控制的閉環(huán)式人工 胰腺系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用的控制算法結(jié)合了 PID算法和FL算法的優(yōu)點(diǎn)，能夠大大降低人體血 糖的波動(dòng)范圍，將血糖水平控制在設(shè)定的目標(biāo)區(qū)間，提高胰島素注射療法的精確性和有效 性，使糖尿病患者的血糖水平接近甚至達(dá)到正常人的標(biāo)準(zhǔn)，大大降低各種并發(fā)癥的產(chǎn)生，提 高患者的生存質(zhì)量。
[0012] 本發(fā)明的目的可以通過采取如下技術(shù)方案達(dá)到：
[0013]一種智能控制的閉環(huán)式人工胰腺系統(tǒng)，包括連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)設(shè)備、智能控制器和胰 島素輸注設(shè)備，所述智能控制器分別與連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)設(shè)備和胰島素輸注設(shè)備連接；
[0014] 所述連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)設(shè)備，用于按照設(shè)定時(shí)間間隔對(duì)人體血糖濃度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)；
[0015] 所述智能控制器，用于實(shí)時(shí)接收連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)設(shè)備的人體血糖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并根據(jù) 實(shí)時(shí)人體血糖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用內(nèi)置的模糊自適應(yīng)比例微積分控制算法，計(jì)算出實(shí)時(shí)的胰島 素輸注設(shè)備給藥量；其中，所述模糊自適應(yīng)比例微積分控制算法具體為：
[0016] 采用比例微積分算法模擬人體0細(xì)胞分泌胰島素的生理傳輸過程，作為基本模 型，并采用模糊邏輯算法對(duì)比例微積分算法建立的基本模型中的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行滾動(dòng)優(yōu)化， 如圖4所示，對(duì)胰島素輸注設(shè)備進(jìn)行智能控制；
[0017] 所述胰島素輸注設(shè)備，用于接收智能控制器計(jì)算出的實(shí)時(shí)胰島素輸注設(shè)備給藥 量，并根據(jù)實(shí)時(shí)胰島素輸注設(shè)備給藥量，對(duì)人體進(jìn)行實(shí)時(shí)輸注。
[0018] 作為一種實(shí)施方案，所述采用比例微積分算法模擬人體0細(xì)胞分泌胰島素的生 理傳輸過程，作為基本模型，該模型如下式所示：
[0019]
[0020] 其中，人體0細(xì)胞因血糖變化分泌的胰島素量PID(t)由比例分量、積分分量和微 分分量構(gòu)成，GB為設(shè)定目標(biāo)血糖值，G為實(shí)時(shí)測(cè)量血糖值，K p、K#P KD分別是比例分量、積分 分量和微分分量的增益；所述比例分量對(duì)應(yīng)于實(shí)測(cè)血糖值偏離目標(biāo)血糖值時(shí)的胰島素分泌 量，當(dāng)實(shí)測(cè)血糖值等于目標(biāo)血糖值時(shí)則為0 ;所述積分分量用于調(diào)整血糖圍繞目標(biāo)值上下 微幅波動(dòng)時(shí)的胰島素分泌量；所述微分分量對(duì)應(yīng)于血糖快速變化時(shí)迅速調(diào)節(jié)胰島素分泌。
[0021] 作為一種實(shí)施方案，所述連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)設(shè)備采用葡萄糖傳感器。
[0022] 作為一種實(shí)施方案，所述胰島素輸注設(shè)備采用胰島素泵。
[0023] 作為一種實(shí)施方案，所述智能控制器通過無線信號(hào)分別與連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)設(shè)備和胰 島素輸注設(shè)備連接。
[0024]本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的有益效果：
[0025] 1、本發(fā)明的智能控制器內(nèi)置有模糊自適應(yīng)比例微積分控制算法，可以根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān) 測(cè)到的人體血糖數(shù)據(jù)，自動(dòng)、即時(shí)、微量、智能地調(diào)整胰島素輸注設(shè)備給藥量，從而進(jìn)行實(shí)時(shí) 輸注，形成胰島素輸注與連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，即人工胰腺，能夠大大降低人體血 糖的波動(dòng)范圍，將血糖水平控制在設(shè)定的目標(biāo)區(qū)間，提高胰島素注射療法的精確性和有效 性，使糖尿病患者的血糖水平接近甚至達(dá)到正常人的標(biāo)準(zhǔn)，大大降低各種并發(fā)癥的產(chǎn)生，提 高患者的生存質(zhì)量。
[0026] 2、本發(fā)明所形成的閉環(huán)式人工胰腺系統(tǒng)，在控制算法上，有機(jī)結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)在 PID(比例微積分）算法和FL(