Diseño de un PID de acción predictiva aplicado a diabetes tipo 1

Abstract

La diabetes tipo 1 es una enfermedad crónica caracterizada por la destrucción de las células beta del páncreas por parte del propio sistema inmunitario del paciente, lo que conlleva una deficiencia total de insulina y origina concentraciones elevadas de glucosa en sangre. Por ello es necesario administrar insulina de forma exógena, ya sea mediante bombas de insulina (CSII Continuous Subcutaneous Insulin Infusion) o mediante terapia basada en plumas (ICT Intensive Conventional Therapy) para asegurar el control glucémico. Un PA, es un sistema electromecánico compuesto por: bomba de infusión de insulina, sensor subcutáneo de glucosa y algoritmo de control. El PA realiza un control automático de la glucosa mediante dosis óptimas y periódicas de insulina, efectuando medidas de la glucosa subcutánea (SC) y comunicándose con un sistema de control en el que tiene una intervención mínima el paciente. Aunque todavía son muchos los obstáculos que quedan por abordar en el desarrollo del PA, entre los que destacan los siguientes: calibración de los sensores, retardos de absorción de insulina, seguridad, retardos del sensor subcutáneo, etc. En este proyecto se parte del controlador HyPID-PC (Controlador híbrido PI-D Predictivo y Correctivo, en su versión actualizada de 2017, H01PID) que únicamente trabaja con la predicción de la glucosa SC a un horizonte de predicción fijo de 30 minutos. La principal modificación es la introducción de un carácter predictivo en la acción del control del PID, o sea, en la infusión de la insulina, por lo que se requiere de la incorporación de predicciones parciales para el cálculo de las componentes de un controlador PID. Para justificar los resultados obtenidos y comprobar la viabilidad del método desarrollado, se han propuesto cuatro experimentos realizados con el simulador UVA/Padova aprobado por la FDA: 1) se mostrarán los resultados individualizados de la población de pacientes obtenidos del controlador H2PISA y se comparará este con otros algoritmos de control aplicados en simulación; 2) se mostrarán los resultados de trabajar con diferentes horizontes de predicción; 3) se estudiará la sensibilidad del target ante modificaciones del mismo; y 4) se mostrará la robustez frente a desbalanceos de la terapia CSII. Los criterios que se tendrán en cuenta para establecer la bondad de los resultados obtenidos en los boxplot serán los siguientes: 1) el mínimo tiempo posible de suspensión de la bomba; 2) el máximo tiempo dentro de la banda de normoglucemia gruesa (70-140 mg/dl); y 3) conseguir igualar o mejorar los resultados comparados con otros algoritmos utilizando menos dosis de insulina. Se ha demostrado la viabilidad en simulación del algoritmo H2PISA aplicado al PA para el control glucémico ambulatorio y su mejora respecto otros PIDs y la terapia CSII.
Abstract:
Type 1 diabetes is a chronic disease characterized by the destruction of the beta cells of the pancreas by the patient's own immune system, which leads to a total insulin deficiency and causes elevated levels of glucose in blood. Therefore, it is necessary to administer insulin exogenously, via either (CSII Continuous Subcutaneous Insulin Infusion) insulin pumps or therapy based on feathers (ICT Intensive Conventional Therapy) to ensure the glycemic control. A PA is an electromechanical system composed of: pump infusion of insulin, subcutaneous glucose sensor and a control algorithm. PA performs an automatic control of glucose through optimal and regular doses of insulin, making subcutaneous glucose (SC) measures and communicating with a control system in which the patient has a minimal intervention. Although there are still many obstacles that are addressed in the development of the PA, including the following: calibration of sensors, delays in absorption of insulin, delays the subcutaneous sensor, etc. This project is part of HyPID-PC controller (Controller hybrid PI-D predictive and corrective, version updated 2017, H01PID) that only has the prediction in the SC with a fixed prediction horizon of 30 minutes. The main change is the introduction of a character predictive PID control action, i.e. insulin infusion, so it requires the incorporation of partial predictions for the calculation of the components of a PID controller. To justify the results and test the feasibility of the method developed four experiments with the UVA/Padova Simulator approved by the FDA have been proposed: 1) the individual results of the patient population will be displayed obtained the driver H2PISA and this will be compared with other control algorithms applied in simulation; 2) will show the results of working with different prediction horizons; 3) examine the sensitivity of the target before modifications thereof; and 4) the robustness against imbalances of CSII therapy will be displayed. The criteria will be taken into account to establish the goodness of the results obtained in the boxplot will be the following: 1) the minimum time of suspension of the pump; 2) the maximum time within the band of thick normoglycemia (70 - 140 mg/dl); and 3) get equal or better performance compared to other algorithms using fewer doses of insulin. The viability in simulation of the H2PISA algorithm applied to PA for ambulatory glycemic control and its improvement with respect to other PIDs and CSII therapy has been demonstrated.