Emulación de situaciones de riesgo en un páncreas artificial: soluciones

Abstract

La diabetes mellitus es una enfermedad caracterizada por la insuficiente o nula producción de insulina por parte del páncreas. La diabetes tipo 1 es un trastorno del metabolismo de los carbohidratos debido a la falta de producción de insulina por destrucción de las células beta del páncreas, que son las encargadas de la producción de insulina. Debido a esta enfermedad, los pacientes deben administrarse insulina exógena mediante terapias con plumas o bombas de infusión, para controlar el nivel de glucosa en sangre y no sufrir hiperglucemia que destruye a medio y largo plazo otros tejidos del organismo. Como consecuencia de una aplicación excesiva de insulina exógena pueden surgir eventos de hipoglucemia, que traen graves consecuencias para la salud, incluso coma y la muerte.
Los tratamientos de la diabetes Tipo 1 tienen como objetivo, no curar la enfermedad, pero sí mantener el nivel de glucosa dentro de los límites que se mantienen en personas sanas. Para ello, se trata de imitar lo más fielmente posible el trabajo realizado por un páncreas no patológico. Es difícil imitar el comportamiento de un páncreas sano debido a que el sistema glucorregulatorio está afectado por diversos factores como pueden ser la dieta, el ejercicio físico y el comportamiento del paciente respecto a su enfermedad. Debido a esto, no existe una terapia óptima para un paciente, sino que tiene que estar en constante cambio para ajustarse a los factores anteriormente citados que cambian el efecto de la insulina y el metabolismo de la glucosa en pacientes sometidos al mismo tratamiento o en un mismo paciente.
Un páncreas artificial (PA) es un sistema autónomo que permite el control automático de la glucosa y que realiza medidas instantáneas del nivel de glucosa, informando a un algoritmo de control sin requerir la intervención del paciente, disminuyendo la atención que tiene que prestar el paciente a su enfermedad. La glucosa es medida en tejido intersticial mediante sensores continuos subcutáneos que requieren de calibración frecuente y tienen una vida media muy limitada la insulina se administra en tejido subcutáneo por lo que sufre una degradación y un retardo hasta llegar a la sangre. El desarrollo del PA se enfrenta hoy a una serie de retos tanto tecnológicos como metodológicos, a continuación se enumeran algunos de los más relevantes: 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.
Para el desarrollo del proyecto se utlizará el simulador de Virginia/Padova para trabajar con pacientes virtuales, utilizando una población (10 adultos y 10 adolescentes),
Los objetivos del presente proyecto son: 1) implementar simulaciones de situaciónes reales encontradas en la experimentación clínica, en lo que a la variable de glucosa subcutánea se refiere, se va dotar al simulador de robustez ante la falta de medida y ante las calibraciones diarias que deben realizarse.; y 2) proponer distintos algoritmos para conseguir la reducción de hiperglucemia en el periodo postprandial, algunos de estos algoritmos evaluarán el periodo preprandial antes de tomar ninguna decisión respecto a las dosis de insulina a suministrar y después decidirán dicha dosis.
Como conclusión se puede decir que los algoritmos que evalúan la glucosa en periodos anteriores a la ingesta realizan un mejor control glucémico en el periodo posptrandial y en el periodo comprendido entre la comida y la cena.
ABSTRACT.
Diabetes mellitus is a disease characterized by the deficiency or absent of production of insulin by the pancreas. Diabetes type 1 is a carbohydrate metabolism’s disorder due to the lack of insulin production by the destruction of beta cells in the pancreas. Those cells are in charge of insulin’s production. Because of this disease, patients must inject exogenous insulin with feather therapy or infusion pump, in order to monitor the level of blood’s glucose and avoid suffering hyperglycaemia, which can destroy other organism tissues. On the other hand, if an excessive amount of exogenous insulin is injected, hypoglycaemia events may take part, and it will carry to serious consequences, like coma or death.
The objective in treatments for diabetes type 1 is to keep the glucose level in the limits set by healthy people. In order to accomplish this, it’s common to try to imitate the behaviour of a non-pathological pancreas. This is complicated because the glucose regulation system is affected by factors like diet, exercise and patient’s behaviour regarding the disease. Due to this, there isn’t an optimal therapy for each patient. The patient must change constantly it’s therapy to adjust to the factors cited before.
An artificial pancreas (PA) is an autonomous system that allows controlling automatically the glucose, realising instant measures of the glucose level. It informs to a control’s algorithm without the need of the patient’s intervention. With this, it reduces the need of attention from the patient. Glucose is measured in the interstitial tissue by subcutaneous sensors. This sensors require frequent calibration and has a really limited life span. Also, the insulin is supplied in subcutaneous tissue and it suffers from degradation and a retard until it reaches the blood. The PA’s development faces today several challenges both technological and methodological. Some of the most relevant are: problems with control algorithms to face the delays of the insulins absorption; problems with the control algorithms because of the lack of a hormone which causes the opposite effect (it only controls the increases of insulin, but not the decrease); the need of sensors with more reliable and without calibration.
In order to accomplish this project, a Virginia/Padova simulator will be used, making use of a population of 10 adults and 10 teenagers.
This project’s objectives are: 1) Implementation of real situations found in the clinic experimentation, where the simulator will be implemented to act with lack of measures and with daily calibrations needed; 2) propose several algorithms to accomplish the reduction of the hyperglycaemia in the postprandial period. Some of those algorithms will evaluate the pre-prandial period before taking any decision in relation to the insulins doses, and then it will decide the doses.
In conclusion, the algorithms that will evaluate the glucose in periods before consumption of food accomplish a better glycaemic control in the postprandial period and between lunch and dinner.