Diseño de un algoritmo PID aplicado al Páncreas Artificial

Fernández Presmanes, Álvaro (2017). Diseño de un algoritmo PID aplicado al Páncreas Artificial. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. y Sistemas de Telecomunicación (UPM), Madrid.

Description

Title: Diseño de un algoritmo PID aplicado al Páncreas Artificial
Author/s:
  • Fernández Presmanes, Álvaro
Contributor/s:
  • Rodríguez Herrero, Agustín
Item Type: Final Project
Degree: Grado en Ingeniería Electrónica de Comunicaciones
Date: 5 April 2017
Subjects:
Freetext Keywords: Sistemas de control Controlador Proporcional, Integral y Derivativo (PID)
Faculty: E.T.S.I. y Sistemas de Telecomunicación (UPM)
Department: Ingeniería Telemática y Electrónica
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

La diabetes tipo 1 es un trastorno del metabolismo de los carbohidratos debido a la falta de producción de insulina por parte del páncreas. Es una enfermedad crónica con una mayor prevalencia en los países desarrollados debido principalmente a la obesidad y la vida sedentaria. La diabetes tipo 1 es una enfermedad autoinmune en la que son destruidas las células beta del páncreas, encargadas de la producción de insulina, por lo que los pacientes deben administrarse insulina exógena mediante terapias con plumas (MDI multiple daily inyection) o bombas de infusión (CSII continuous subcutaneous insulin infusion), para controlar el nivel de glucosa en sangre. El paciente es el principal responsable de su control metabólico, por lo que, debido a una aplicación desajustada de la terapia, pueden surgir eventos de hipoglucemia que traen graves consecuencias para la salud, incluso coma y la muerte. Es difícil ajustar la terapia a un paciente debido a que el sistema glucorregulatorio está afectado por diversos factores que alteran la dinámica insulina-glucosa: dieta, variación de la sensibilidad a la insulina, ciclo menstrual, ejercicio físico, educación diabetológica del paciente, etc. Un páncreas artificial (PA) es un sistema autónomo que permite el control automático de la glucosa mediante dosis óptimas y periódicas de insulina, realizando medidas de la glucosa subcutánea (SC) e informando a un sistema de control, sin requerir la intervención del paciente, disminuyendo la atención que tiene que prestar éste a su enfermedad. El PA está formado por una bomba de infusión de insulina, un algoritmo de control y un sensor subcutáneo de glucosa. El desarrollo del PA se enfrenta hoy a una serie de retos tanto tecnológicos como metodológicos: problemas de los algoritmos de control para enfrentarse a los retardos de la absorción de insulina y al introducido por el sensor subcutáneo; problemas de los algoritmos de control por no usar una hormona contra-reguladora, solo se controlan las subidas de glucosa con la insulina, pero no las bajadas; necesidad de sensores más fiables y sin calibración… El algoritmo de control propone la dosis de insulina ideal para conducir al paciente a un estado metabólico seguro en función del estado metabólico actual y la glucosa medida en los instantes actuales y/o pasados. El objetivo global del proyecto consiste en el diseño de un algoritmo de control realimentado basado en un PID modificado para realizar un control de la concentración de glucosa en sangre de pacientes con diabetes tipo 1. El diseño del PID modificado diferirá del PID clásico en diferentes aspectos: el error de control está formado por una glucosa objetivo y una predicción de la glucosa del paciente; para las acciones proporcional (P) e integral (I) se tomará como fuente de entrada el error de control predictivo; además en la acción se diseña una protección frente a hipoglucemias; y para la acción derivativa (D) se tomará como fuente de entrada una predicción de glucosa; se diseña una acción correctiva que compensa los errores ocasionados por la predicción de la glucosa y mitiga los altos niveles de glucosa que ocurren en los periodos basales; se diseña un sistema de protección frente a una hiperinsulinización para evitar los eventos de hipoglucemia, el sistema de seguridad aplicará unas restricciones de infusión que se denominan frenado y suspensión de la bomba de infusión de insulina; el diseño de una acción feedforward formada principalmente por un transporte de insulina, detecciones en el perfil de la glucosa objetivo y bolo relativo a la ingesta; el diseño de un cuantificador con memoria para que el bolo propuesto por el algoritmo de control sea interpretable por la bomba de infusión de insulina. Los recursos tecnológicos necesarios para la realización del proyecto son: un ordenador personal con MatlabTM y el simulador de diabetes Padova/Virginia SimultatorTM (S2008) sobre el que se ha trabajado anteriormente, haciendo cambios en el controlador y comparando los resultados con los anteriores. La validación del algoritmo de control se ha realizado principalmente mediante experimentos de simulación utilizando una población de pacientes sintéticos. Para la evaluación de los experimentos se ha utilizado las medidas de glucosa con percentil 2.5, 25, 50 75 y 97.5 (box plots), analizando la diferencia media respecto del target y los niveles máximo y mínimo de glucemia, así como gráficas temporales de la medida de la glucosa y CVGAs (Control Variability Grid Analysis). Se han comparado los resultados del algoritmo propuesto con los obtenidos mediante algoritmos basados en el PID propuestos a lo largo de la historia y la terapia en lazo abierto, así como con resultados obtenidos en otra versión del simulador (UVA/Padova 2013) y bajo diferentes planes de ingestas. Las aportaciones más relevantes de este trabajo al control PID en el PA son: el empleo del control asimétrico PID (ISA PID), haciendo más agresiva la acción negativa que la positiva; el suministro o retirada de insulina adicional en el bolo prandial dependiendo de la diferencia entre la medida de glucosa y el target en ese mismo instante; el empleo de un sistema de corrección por el error de predicción, no solo por su implementación, sino que se trata del primer PID aplicado a la diabetes que utiliza un sistema de predicción de la glucosa; la utilización del error predictivo como variable a controlar por la acción integral, además de la comparación con la terapia CSII para su acción; emplear como señal de entrada de la parte derivativa del PID el predictive rate of change (pROC); y la implementación de la cuantificación con memoria. Los resultados en simulación (S2008) demuestran que el sistema de control propuesto tiene una mejor respuesta que la terapia CSII, con un 90 % de las muestras en valores de normoglucemia (70 – 140 mg/dl) frente al 77 % en la terapia CSII, y que otros PIDs aplicados al PA a lo largo de la historia, consiguiendo evadir, casi en su totalidad, los episodios de hipoglucemia (solo uno en el paciente 9 en régimen transitorio); reflejan, también, la mejora frente a desbalanceos de la insulina basal y prandial, en desbalanceos positivos se obtiene el mismo comportamiento que en la terapia CSII con una mejora del periodo nocturno, pero frente a desbalanceos negativos existe una mejora clara, reduciendo los picos de hiperglucemia en 60 mg/dl para el desbalanceo basal y 30 mg/dl para el desbalanceo del bolo prandial. También reflejan la inmunidad frente a otro plan de ingestas, obteniéndose respuestas muy similares a excepción del periodo nocturno, en el cual debido a una ingesta muy cercana a la noche (23:00 horas) produce algún episodio de hipoglucemia leve. Los resultados obtenidos con el simulador versión 2013 no mejoran la respuesta CSII, obteniéndose valores muy parecidos. Estos resultados son más altos que en el simulador 2008 debido a la intervención del metabolismo del glucagón en el 2013, lo que plantea un ajuste más agresivo al entrar en juego la hormona contrarreguladora (glucagón). Se demuestra, para el controlador diseñado, la viabilidad y funcionamiento en simulación para el control glucémico ambulatorio y su mejora respecto de otros PIDs aplicados al PA y de la terapia CSII. También se mejora la respuesta frente a desbalanceos en la terapia CSII, siendo capaz de corregirlos el controlador. Frente a dos planes de ingestas diferentes es capaz de obtener una respuesta dentro de los márgenes normoglucémicos y obtener una respuesta similar para ambos. No se ha sido capaz de demostrar su viabilidad frente al simulador 2013 debido a la entrada en juego del metabolismo del glucagón. Abstract: Type 1 diabetes is a disorder of carbohydrate metabolism as a result of insufficient production of insulin by the pancreas. It is a chronic disease with a higher prevalence in developed countries due to obesity and sedentary life. Type 1 diabetes is a deseas which consists of the destruction of pancreas’s beta cells by autoimmune mechanisms, which leads to the total loss of insulin production, so patients should be given exogenous insulin by therapies based in insulin pens (MDI multiple daily inyection) or infusion pumps (CSII continuous subcutaneous insulin infusion), to control the blood glucose level. The patient is the main responsible for their metabolic control, so an incorrect application of therapy can give rise hypoglycemia events, which leads to serious problems for health, including coma and death. It is difficult to adjust the therapy to a patient because the glucoregulatory system is affected by several factors that upset the dynamics of insulin-glucose: diet, variation of insulin sensitivity, menstrual cycle, physical exercise, diabetes education of the patient, etc. An artificial pancreas (AP) is an autonomous system that allows the automatic control of glucose through optimal and periodic doses of insulin, making subcutaneous glucose measurements, reporting the control system, without patient intervention, which decreases the patient attention about his illness. AP consists of an insulin infusion pump, a control algorithm, and a subcutaneous glucose sensor. Today, the development of AP is facing several technological and methodological challenges: problems of the control algorithms to avoid delays which are produced by absorption of insulin and subcutaneous sensor; problems of the control algorithms for not using an anti-regulatory hormone, it only monitors the glucose increases with the insulin, but not the glucose drops; the need to more reliable sensors and no calibration... The control algorithm proposes the ideal insulin dose to keep the patient in a safe metabolic state dependent on current metabolic state and current and/or past glucose measurement. The project’s overall objective is to design a feedback control algorithm based on a modified PID to control the blood glucose concentration of patients with type 1 diabetes. The modified PID design will differ from the classical PID in different aspects: the control error is formed by a target glucose and a prediction of the patient’s glucose; for the proportional (P) and integral (I) actions the input sink will be the predictive control error; also is designed a protection against hypoglycemia; and for the derivative action (D) the input source will be a prediction of glucose; a corrective action is designed with a purpose that compensate the errors caused by the prediction of glucose and reduce the high glucose levels that occur in the basal periods; the design of a protection system against hyperinsulinization to prevent hypoglycemia events, the safety system will apply infusion restrictions that are called braking and suspension of the insulin infusion pump; the design of a feedforward action, that consists of an insulin transport, detections in the target glucose profile and premeal bolus; the design of a quantifier with memory so the insulin infusion pump could read the bolus proposed. The technological resources needed to carry out the project are: a personal computer with MatlabTM and the diabetes simulator Padova/Virginia SimultatorTM that has been previously worked on, making changes to the controller and comparing the results with the previous ones. The validation of the control algorithm has been done through simulation experiments using a population of synthetic patients. For the evaluation of the experiments, we have used the glucose measurements with 2.5, 25, 50, 75 and 97.5 percentile (box plots), analyzing the average difference with respect to the target and the maximum and minimum levels of glycemia, as well as temporal graphs of the glucose measurement and CVGAs (Control Variability Grid Analysis). The results of the proposed algorithm have been compared with those obtained through algorithms based on PID proposed throughout history and open loop therapy, and it has been compared with the results obtained in another simulator (UVA / Padova 2013) and under different intake plans. The most relevant contributions of this work to the PID control in the AP are: the use of the asymmetric control PID (ISA PID), making the negative action more aggressive than the positive one; the delivery of additional insulin in the prandial bolus depending on the difference between the glucose measure and the target in that moment; the use of a correction system for prediction error, not only for its implementation, but is the first PID applied to diabetes using a glucose prediction system; the use of predictive error as a variable to be controlled by the integral action, in addition to the comparison with the CSII therapy for its action; the use, as an input signal of the derivative part of the PID, of predictive rate of change (pROC); and the implementation of a quantifier with memory. The results in simulation shows that the proposed control system has a better response than CSII therapy, with 90% of samples in values of normoglycemia (70 - 140 mg / dl) versus 77% in CSII therapy, and that other PIDs applied to AP throughout history, managing to avoid almost all episodes of hypoglycemia (only one in patient 9 in the transient time); also it reflect the improvement of the imbalances in basal and prandial insulin, in positive imbalances, the same behaviour is obtained as in the CSII therapy with an improvement in the nocturnal period, but against negative imbalances there is a clear improvement, reducing the peaks of hyperglycemia (60 mg/dl for basal imbalance and 30 mg/dl for prandial bolus unbalance). They also reflect the immunity against another intake plan, obtaining very similar responses except for the night period, in which due to an intake very near to the night (23:00 hours) produces some episode of mild hypoglycemia. The results obtained with the simulator version 2013 do not improve the CSII response, obtaining very similar values. These results are higher than in the 2008 simulator, due to the intervention of glucagon metabolism in 2013, which suggests a more aggressive schedule by the influence of counterregulatory hormone (glucagon). It demonstrates the feasibility and performance in simulation for ambulatory glycemic control and its improvement over other PIDs applied to AP and CSII therapy. The response to imbalances in the CSII therapy, which corrects the controller, is also improved. Faced with two different intake planes, it is able to obtain a response within the normoglucemic margins and obtain a similar response for both. It has not been able to prove its viability against the 2013 simulator due to the entry into the game of glucagon metabolism.

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Item ID: 52309
DC Identifier: http://oa.upm.es/52309/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:52309
Deposited by: Biblioteca Universitaria Campus Sur
Deposited on: 20 Sep 2018 08:25
Last Modified: 20 Sep 2018 08:25
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