DD282616A5

DD282616A5 - Einrichtung zur belastungsangepassten steuerung von infusionspumpen

Info

Publication number: DD282616A5
Application number: DD32791889A
Authority: DD
Inventors: Heinz Langer
Original assignee: Forsch Koerperkultur U Sport
Priority date: 1989-04-24
Filing date: 1989-04-24
Publication date: 1990-09-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur belastungsangepaszten Steuerung von Infusionspumpen, die sowohl in Infusionspumpen mit automatischer Steuerung mittels Glukosesensor als auch in solchen mit halbautomatischer Steuerung einsetzbar ist. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dasz an den das Dosieraggregat der Infusionspumpe steuernden Mikrorechner eingangsseitig ein Herzfrequenzsensor angekoppelt ist.{Humanmedizin; Diabetis; Infusionspumpen; Steuerung; Insulinzufuhr; Bedarfsanpassung; Regelparameter; Herzfrequenz}

Description

-2- 282 Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Steuerugn von Infusionspumpen zu schaffen, die die Insulinzufuhr belastungsangepaßt reguliert und sowohl eine negative als auch positive Insulin-Glukose-Charakteristik ermöglicht. Die Aufgabe wird unter Verwendung einer Infusionspumpe gelöst, deren Insulinzufi/hr zum Diabetiker entweder automatisch durch einen Blutglukosesensor oder teilautomatisch über personenspezifische Iniülindosierungsprofile mittels Mikrorechner gesteuert wird. Erfindungsgemäß wird als weiterer Regelparameter die Herzfrequenz eingeführt, indem der das Dosioraggregat der Insulinpumpe steuernde Mikrorechner mit einem Herzfrequenzsensor in Verbindung steht. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn zwischen den Mikrorechner und den Herzfrequenzsensor eine Signalübertragungseinrichtung und ein Differenzier- und Summierglied angeordnet ist. Dieses summiert oberhalb eines Grenzwertes die Herzfrequenzwerte über die Zeiteinheit und gibt die Werte an den Mikrorechner ab.

Die Herzfrequenz als weiterer Steuerungsparameter ist besonders vorteilhaft, da sich bei diesem Parameter der Zustand der nahrungsaufnahme signifikant vom Zustand physischer bzw. psychischer Belastungen unterscheidet. Damit ist über diesen Parameter eine Umsteuerung der automatischen Insulindosierung vom Bereich der positiven Insulin-Glukose-Charakteristik zum negativen Bereich möglich. Bei für die Nahrungsaufnahme typischen Körperhaltungen bleibt die Herzfrequenz im Bereich von 60 bis 90 Schlägen/min, während sie unter physischer Belastung, aber auch bei psychischem Druck oberhalb von Schlägen/min liegt bzw. liegen kann. Weitere Vorteile begründen sich in folgenden Punkten:

- Für Menschen mittleren Alters ist im Bereich von 100... 170 Schlägen/mineine lineare Beziehung zwischen der Herzfrequenz und der ergcmetrischen (physischen) Leistung nachgewiesen (Tiedt et al; Med. Sport Berlin 13 (1973], 87). Erst oberhalb einer Herzfrequenz von 170 Schlägen/min erfolgt eine asymptotische Annäherung an den Maximalv;ert.

- Für den Zustand einer ausgeglichenen Dauerleistung (steady state) gibt es im Herzfrequenzbereich von 80... 190 Schlagen/ min eine lineare Beziehung zwischen Pulsfrequenz und der Sauerstoffaufnahme bei steigender Leistung (Mellerowicz et al; Grundriß der medizinischen Leistungsergometrie, 3. Auflage; München, Wien, Baltimore, Urban und Schwarzenberg, 1979, S. 73).

- Die maximale Sauerstoffaufnahme verringert sich ohne regelmäßige sportliche Betätigung mit dem Ziel der Verbesserung biologischer Leistungsvoraussetzungen zwischen dem 20. und dem 40. Lebensjahr bei Männern im Mittel von 50cm³/kg Körpermasse/min auf etwa 40cm³/kg Körpermasse/min, d. h. um etwa 20%, und zwischen dem 40. und dem 60. Lebensjahr von etwa 40 auf etwa 35cmVkg Körpermasse/min, d. h. um etwa 12,5% (Robinson; Arbeitsphysiologie; 10 [1938], 251). Für Frauen liegsn analoge Veränderungen vor.

Hierbei und in den folgenden Ausführungen wird unter

• maximaler Sauerstoffaufnahme (VO_2msx) das maximale Sauerstoffaufnahmevermögen als ein Maß für die maximale aerobe Energiewandlung über eine be-timmte Zeit verstanden,

• Sauerstoffaufnahme (VO₂) die Säuerst rffmenge verstanden, die ein Mensch bei definierter Belastung aufnehmen kann (Bruttokriterium der Energiewandlung),

• relativer Sauerstoffaufnahme (%VO_2msx) das Maß der tatsächlichen Sauerstoffaufnahme über eine bestimmte Zeit bezogen a^pjf das maximale Sauerstoffaufnahmevermögen verstanden.

- Als Folge der sich bsi Normalpersonen nur langsam ändernden maximalen Sauerstoffaufnahme besteht langfristig eine lineare Beziehung zwischen der Sauerstoffaufnahme und der relativen Sauerstoffaufnahme.

- Bei gleichlanger Dauer körperlichen Belastungen gibt es nach Langer und Scharschmidt (Der Ei. Muß der Intensität auf den Plasmainsulinspiegel bei Ausdauerbelastungen im Sport; Med. Sport Berlin, 21 [1981], 268-269) eine negative Korrelation zwischen der r Dativen Sauerstoffaufnahme und der Senkung der Insulinkonzentration im Plasma während der Belastung. Die korrelative Beziehung besitzt die Form

wobei ΔΙ die Senkung der Insulinkonzentration im Plasma und a und b Konstanten sind.

Bei vergleichbarer Belastungsintensität wird die Insulinkonzentration im Plasma in Form eines Quotienten mit der Blutglukosekonzentration nach der Gleichung

tan (F^#AI/AG) = F(t) = K.e"*·¹ (2)

reguliert. Hierin sind ΔΙ der Veränderung der Insulinkonzentration während der körperlichen Belastung, AG die Veränderung der Glukosekonzentration im gleichen Zeitraum, F* ein empirisch ermittelter Anpassungsfaktor in der Maßeinheit (Winkelgrad χ mmol χ nmor'),F(t) Zeitfunktion als Folge derzeitabhängigen Größen I und G, K, und K₂ Konstanten und t die Zeit, niese Ghichung gilt für eine Belastung im Minutenbereich bis zur Dauer von 5 bis 7 Stunden. Bei einer Intensität im aeroben/anaeroben Übergangsbereich haben die Konstanten K₁ und K₂ die Größe 177,2 bzw. 0,0022. Bei einer niedrigeren Intensität (aerober Bereich) sind die Konstanten Ki und K₂ niedriger. Im Belastungsbereich von etwa 0,5 bis etwa 2,0 Stunden kann die Variation der über den Nurmalwert erhöhten Glukosekonzentration bei Stoffwechselgesunden in erster Näheru^j vernachlässigt werden. Das gilt besonders, wenn die Gleichung (2) zur Korrektion von Regulationsvorgängen nach Gleichung (1) verwendet wird. Wir haben gefunden, daß in diesem Falle als zu regulierende Größe eine nach der empirisch ermittelten Funktion

Ai s B + A l„t (3)

abfallende Konzentration des Plasmainsulins mit B = 0,1140 und A = -0,0406 bleibt. Die Gleichung ist z. B. für eine angenäherte Zeitkorrektur zu verwenden, wenn keine kontinuierliche Bestimmung der Glukosekonzentration zur Verfügung steht.

- Gut eingestellte manifeste Diabetiker mit regelmäßiger körperlicher Betätigung haben unter physischer Belastung einen Energiestoffwechsel, der im Prinzip von dem Stoffwechsel gesunder Personen nicht abwoicht (Pruett et al; Muscular exercise and metabilism in male juvenile diabetics; I. Energy metabolism during exercise; Scand. J. elin. Lab. Invest. 32 [1973], 139— 147). Dies berechtigt zur Übertragung der für Stoffwechselgesunde gefundenen Gleichungen auf die Stoffwechselregulation von eingestellten Diabetikern bei körperlicher Betätigung.

Die örfindungsgemäße Lösung ermöglicht sowohl eine automatische als auch halbautomatische Steuerung. Bei automatischer Steuerung der Infusionspumpe mittels Glukosesensor erfolgt die Differenzierung der positiven bzw. der negativen Insulin-Glukose-Charakteristik anhand der Herzfrequenz. Als Herzfrequenzgrenzwert haben sich 90 ...95 Schläge/min als güsntig erwiesen.

Bei halbautomatischer Steuerung der Insulindosierung wird während physischer bzw. psychischer Belastungen die lineare Beziehung zwischen Herzfrequenz und Sauerstoffaufnahme in Verknüpfung mit der Prinzipgleichung für den Zusammenhang von Insulinspiegelsenkung im Plasma und relativer Sauerstoffaufnahme bei 30min Belastung als Basissteuerung für die individuelle ergometrische Austastung benutzt. Eine Modifikation der Insulindosierung wird über die aufsummierte Differenz von Herzfrequenz und einer Grenzfrequenzvorgabe erzielt. Sie erzeugt unter Benutzung der Beziehung von Belastungsdauer und Insulinspiegelsenkung (bei Vernachlässigung der Variation der erhöhten Giukosekonzentration im Plasma) eine zeitabhängige Verringerung der Dosierung im Sinne einer Senkung der Plasmainsulinkonzentration. Hierzu wird die Möglichkeit der Vorwahl eines unteren Herzfrequenzgrenzwertes genutzt, mit dessen Hilfe nur die Zeit oberhalb des unteren Grenzwertes zur Wirkung kommt. Es ist möglich, sowohl mit der aufsummierten Zeit im Sinne einer Belastungszeit als auch mit einer aufsummierten Herzfrequenzdifferenz im Sinne einer zeitlichen Belastungswirkung zu arbeiten (softwareseitig im Mikrorechner). Eine Nullstellung der Summation erfolgt, wenn beispielsweise in mehr als 5 hintereinanderliegenden Zeitintervallen der untere Grenzwert der Herzfrequenz unterschritten wird

Im folgenden wird die erfindungsgemäße Lösung an einem Ausführungsbeispiel erläutert.

Ausführungsbeispiel

In dem Blockschaltbild ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung dargestellt. Mittels des Herzfrequenzsensors 1 wird die Herzfrequenz des Diabetikers ständig erfaßt. Das Meßsignal wird nach entsprechender Aufarbeitung einer Signalübertragungseinrichtung 2 zugeführt, der ein Differenzier- und Summierglied 3 folgt. Das Differenzier- und Summierglied 3 ist über den Mikrorechner 4 mit dem Dosieraggregat 5 der Infusionspumpe verbunden. Der Mikrorechner 4 kann weiterhin in bekannter Weise mit einem kontinuierlich oder diskontinuierlich messenden Glukosesensor in Verbindung stehen.

In Abhängigkeit von der Anordnung des Dosieraggregates 5 kann die Signalübertragungseini ichtung 2 auch aus zwei Teilbaugruppen bestehen, zwischen denen die Signale telemetrisch übertragen werden. Durcn das mit dem Mikrorechner 4 in Verbindung stehende Differenzier- und Summierglied 3 ist es möglich, ein hohes Maß der Anmaßung an die Belastungssituation des Diabetikers zu erreichen. Insbesondere ist es möglich, die Herzfrequenz nur oberhalb eines einstellbaren Grenzwertes über die Zeit zu summieren und diese Größe zur Steuerung des Mikrorechners einzusetzen.

Claims

1. Einrichtung zur belastungsangepaßten Steuerung von Infusionspumpen, deren Insiilinzufuhr zum Diabetiker entweder automatisch durch einen Blutglukosesensor oder halbautomatisch über patientenspezifische Insulindosierungsprofile mittels Mikrorechnergesteuert wird, gekennzeichnet dadurch, daß an den das Dosieraggregat (5) der Infusionspumpe steuernden Mikrorechner (4) eingangsseitig ein an sich bekannter Herzfrequenzsensor (1) angekoppelt ist.

2. Einrichtung nach Anspruch !,gekennzeichnet dadurch, daß zwischen dem Mikrorechner (4) und dem Herzfrequenzsensor (1) eine Signalübertragungseinrichtung (2) und ein Differenzier- und Summierglied (3) angeordnet ist, das Herzfrequenzwerte oberhalb eines Grenzwertes bezogen auf die Zeiteinheit summiert und periodisch an den M^:!;rorechner (4) abgibt.

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur belastungsangepaßten Steuerung von Inf'jsionspumpen, die sowohl in Infusionspumpen mit automatischer Steuerung mittels Glukosesensnr als auch in solchen mit halbautomatischer Steuerung einsetzbar ist.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Der Diabetes mellitus ist eine komplexe permanente Stoffwechselerkrankung, die von einem mehr oder weniger stark ausgeprägten Mangel an dem Stoffwechselhormon Insulin begleitet ist. Durch ein- bis mehrmalige tägliche Injektionen von körperfremden Insulin kann der Glukosekonzentrationserhöhung entgegengewirkt werden. Jedoch läßt sich mit dieser Behandlungsform nur bedingt eine Übereinstimmung zwischen dem Insulinangebot und dem sich standig ändernden Insulinbedarf des Organismus für den Glukosestoffwechsel erzielen. Zur Erzeugung einer angepaßteren Insulinzufuhr beim Diabetiker sind Insulinpumpen bekannt. Automatische Varianten müssen in der Steuerung der Insulindosierung im Idealfall bei der Glukosekonzentration des Blutes ansetzen (W. Bruns: Why do we need an intracorporal glucose sensor? A clinician's viewpoint; Biomed-Biochim Acta; im Druck). Bisher fehlen jedoch praktikable Lösungen für Glukosesensoren, die kontinuierlich über einen längeren Zeitraum die Konzentration im Blut messen. Bekannte Einrichtungen zur Steuerung der Infusionspumpen arbeiten deshalb diskontinuierlich, indem der Kohlenhydratstatus mittels Meßstreifen über die Glukoseausscheidung im Urin erfaßt wird. Andere Steuereinrichtungen arbeiten computergestützt, indem der Insulinbedarf unter verschiedenen Situationen ausgetastet wird und diese so ermittelten Insulindosierungsprofile auf die Injektionstherapie transponiert werden (Albisser et al, Insulin dosage adjustment using manual methods and computer algorithms - a comparative study; Med. Biol. Eng. Comput. 24 [19861,577-584).

Aus der DE 3435647 ist eine Einrichtung zur prospektiven automatischen Bestimmung individualspezifischer Glukoseregulationsparameter bekennt, bei der nach Beendigung einer Testphase mittels eines Mikrorechnersystems die individuellen Stoffwechselparamoter durch Approximation des gemessenen Glukosekonzentrationsverlaufs ermittelt und danach die individualspezifischen Glukoseregulationsparameter unter verschiedenen simulierten Belastungsbedingungen des Diabetikers berechnet werden.

Den bekannten Steuerungsmechanismen der Insulindosierung liegt jedoch ein Steuerungsmangel in der Form zugrunde, daß nur auf den Zusammenhang zwischen Glukose und Insulin bei Nahrungsaufnahme (positive Insulin-Glukose-Charakteristik) orientiert wird. Für Handsteuerungen ist bekannt, daß unter physischer bzw. psychischer Belastung eine Senkuno der Insulinkonzentration erforderlich ist, ohne daß Zusammenhänge zur Glukosekonzentration des Plasmas unter Belastung exakt in der Literatur beschrieben sind. Durch Untersuchungen von Langer und Buhl (Die Regulation des biologischen Teilsystems Plasmainsulin-Blutglukose in Abhängigkeit von der Belastungszeit bei unterschiedlichen Streckenlängen im VL-Bereich des leichtathletischen Laufs; Med. Sport Berlin; im Druck) wird das Vorliegen einer negativen Insulin-Glukose-Chankteristik für physische Relastungszustände für Belastungszeiten zwischen 15 und 150 Minuten nachgewiesen, in deren Konsequenz automatische Insulinpumpen allein mit einem Glukosesensor zur Steuerung der Insulindosierung nicht mehrzu beherrschen iind. In der automatischen Form der Insulinpumpe wird eine Umsteuerung zwischen positiver und negativer Insulin-Glukose-Charakteristik erforderlich. Auch bei diskontinuierlicher Steuerung der Irisulinpumpe über Meßstreifenablesung zur Glukoseausscheidung im Urin kann die belastungsbedingte Herabsetzung der Insulinkonzentration im Blut nicht ausreichend simuliert werden, da einerseits bei einer Regulierung über die Glukoseausscheidung im Urin eine große Zeitkonstante in der Steuerung wirksam wird und andererseits nicht bekannt ist, inwieweit die belastungsbedingte Erhöhung der Blutglukosekonzentration bei kurzen physischen bzw. psychischen Belastungen zu einer Glukoseausscheidung im Urin des Diabetikers führt, die als Pseudo-Nahrungseffekt zu einer Erhöhung der Insulindosierung, nicht aber zu einer Senkung führen würde. Als Folge sind Hypoglykämien, besonders unter physischer Belastung nicht auszuschließen.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist eine Einrichtung, die den Insulinbedarf bei der Insulintherapie von Diabetikern zeit- und situationsgerechter erfaßt und die !ns'jlinzufuhr dementsprechend steuert.