ES2334733B2 - Sistema de control adaptativo en lazo cerrado de infusion continua de insulina por inversion de un modelo de glucemia. - Google Patents
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Abstract
Sistema de control adaptativo en lazo cerrado de
infusión continua de insulina por inversión de un modelo de
glucemia.
Se trata de un método de control glucémico en
lazo cerrado que tiene por objetivo inducir normoglucemia en un
paciente con diabetes. El método es aplicable mediante un sistema
de infusión de insulina por vía intravenosa o subcutánea.
Utiliza como única fuente de información la
medida de un sensor continuo de glucosa subcutáneo y emplea un
modelo matemático de la dinámica de glucemia adaptado al paciente.
La originalidad consiste en combinar un método de control por
inversión de un modelo de glucemia con un método de ajuste
adaptativo para controlar las desviaciones de glucemia por ingestas.
Este método es aplicable a otros procesos en el campo médico,
veterinario o industrial, siendo necesario disponer de un modelo
matemático de su dinámica y que las variables a controlar sean de
naturaleza continua.
Description
Sistema de control adaptativo en lazo cerrado de
infusión continua de insulina por inversión de un modelo de
glucemia.
Esta invención se enmarca en el sector de
control automático de sistemas biológicos y presenta como principal
campo de aplicación la diabetes tipo 1 en la que es necesario un
tratamiento con insulina, no obstante se puede aplicar en cualquier
otro campo de la medicina que pretenda remediar, a través de la
tecnología, una disfunción fisiológica mediante la dosificación de
un fármaco al paciente. De igual modo y con la misma idea se puede
aplicar al sector veterinario para la dispensación de fármacos a los
animales. Asimismo se puede aplicar en el sector industrial para
controlar en lazo cerrado cualquier sistema continuo en el tiempo
del que se disponga información de las variables a controlar.
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Ya desde la década de los 70 se está intentando
crear el Páncreas Artificial (PA) con distintos equipos de medida,
de infusión y con métodos diversos de control glucémico [6]. La
presente invención se encuadra en el campo del control glucémico en
lazo cerrado.
Hasta la fecha son muchos los trabajos
presentados en este campo y pocos los que se han llevado a la
práctica, debido principalmente a la no disponibilidad de métodos
efectivos de medida continua de glucosa y las dificultades para su
posterior procesamiento. Uno de los problemas que presentan los
métodos de control glucémico es la complejidad del escenario de
funcionamiento debido en gran medida a las variaciones en la
fisiología de los pacientes y las variaciones de las acciones
diarias del paciente como son las ingestas y el ejercicio físico. A
esta variabilidad hay que sumar los problemas de los retardos
presentes en el proceso de control, como son el retardo asociado a
la absorción de insulina y el retardo asociado a la medida
subcutánea de la glucosa que se relaciona con la concentración en
sangre que hubo un tiempo atrás (15-30 minutos). La
mayoría de los métodos de control funcionan de forma reactiva a un
error, por lo que el retardo de la acción de control (absorción de
una infusión de insulina) pueden ocasionar situaciones de riesgo,
debido a episodios de hipo e hiperglucemia, siendo el más
comprometedor para la vida el primero.
Hasta la fecha la comunidad científica ha
trabajado principalmente con los siguientes tipos de algoritmos de
control en lazo cerrado: control Proporcional Integral y Derivativo
(PID), control por modelo predictivo (MPC), control borroso y
control robusto, en sus versiones invariantes y adaptativa [3]. En
el año 2001 aparece una patente que protege un dispositivo de
dosificación de insulina basado en un método PID [5] y en 2006
Steil [15] realiza un experimento clínico con un regulador PID. Para
evitar las hipoglucemias, una táctica utilizada en los
controladores que dependen de un error, es elevar el nivel de
referencia (valor ideal de la normoglucemia) lo que tiene como
consecuencia un aumento de la glucemia media, alejando el control
glucémico respecto de la acción médica ideal y comprometiendo la
seguridad de la terapia por hiperglucemias.
Según la comunidad científica es necesario
proponer un método adaptativo [4] ante las variaciones de los
parámetros de los pacientes si se quiere conseguir unos resultados
ajustados a cada paciente, además hay que desarrollar métodos que
"cancelen" los retardos existentes. Por estos motivos, los
autores centran su invención en el método de control adaptativo
realimentado mediante inversión de un modelo de glucemia (o modelo
del sistema glucorregulatorio), que ejecuta el sistema de
control.
Algunos trabajos ya ha sido presentados con
control glucémico adaptativo como Fisher et al. [4] que en
1987 ya se plantearon la necesidad de utilizar sistemas de control
adaptativos; en 1988 Woodruff et al. [7] propusieron un
control adaptativo autosintonizado con un filtro de Kalman; en 1992
Jushász et al. [8] proponen un control adaptativo por modelo
de referencia para un reducido número de medidas; en 1994 Candas
et al. [9] propusieron un controlador adaptable con un modelo
muy simple del sistema glucorregulatorio; en 2001 Bellazzi et
al. [10] afirman que son buenas soluciones el control
adaptativo por modelo de referencia (Regla del MIT) y los sistemas
autosintonizados; 2003 Chee et al. [11] realizan un control
adaptativo PID basado en tabla ajustable; en 2004 Hovorka [12]
realiza un estudio de las técnicas adaptativas con pocas medidas y
con medición continua, este estudio puede considerarse como la base
de nuevas estrategias de control glucémico en lazo cerrado.
También algunos trabajos han sido presentados
referentes a la inversión de un modelo de glucemia como
Neatposarnvanit y Boston que en 2002 [13] utilizaron esta técnica
para definir unos estimadores de la insulinemia. Si bien no
introdujeron el concepto de control en lazo cerrado por inversión
del modelo de glucemia y no fueron utilizados como sistema de
regulación automático.
La presente invención une la novedad del control
glucémico por inversión de un modelo de glucemia con la adaptación
de sus parámetros por un modelo de referencia que a su vez es un
control glucémico en lazo cerrado por inversión ideal que no
considera los retardos en la absorción de insulina ni en la medida,
con el objetivo de realizar un cálculo automático de las dosis de
infusión de insulina que se aplicaría directamente a una persona
con diabetes.
Los autores de la presente invención han
presentado en un congreso nacional una propuesta preliminar de
control glucémico por inversión invariante del modelo de Berger
Rodbar Guyton y Lehmann [1][2]. En dicha propuesta [14] el control
realizado es invariante, no incluye adaptación, e introduce una
topología básica que permite construir un controlador adaptativo en
pacientes simulados exclusivamente con el modelo de Berger Rodbar
Guyton y Lehmann. El controlador por inversión descrito es muy
simple e inaplicable en pacientes reales pues carece de un modelo
del sensor de glucosa, tiene en cuenta exclusivamente la última
administración de insulina y utiliza unos estimadores estáticos
condicionados por el modelo anteriormente citado [1][2].
La presente invención tiene como novedad la
definición de una nueva topología que permite que el método de
inversión pueda aplicarse a pacientes reales pues tiene en cuenta
el sensor continuo de glucosa y el dispositivo de infusión de
insulina. Adicionalmente, para estimar la insulinemia del paciente
considera las administraciones de insulina previas relevantes en el
momento de actuación. Los estimadores han sido modificados y por
tanto los métodos de estimación presentados en este documento
también son novedades de esta invención. Otra novedad respecto al
trabajo publicado [14] es el método concreto de adaptación, acorde
a la topología conceptual, que adapta los parámetros del método
inverso de infusión continua de una forma automática que podemos
denominar como controlador inverso adaptativo. En la publicación
[14] se menciona la posibilidad de la existencia del sistema
adaptativo presentando una función de coste. En la presente patente
se reivindica una función de coste alternativa con la que se han
obtenido mejores resultados.
En el ámbito de la propiedad industrial si bien
existen patentes de control adaptativo, no se ha encontrado ninguna
que aplique el control adaptativo al control glucémico por
inversión de un modelo. Solo se ha encontrado una referencia que
protege un dispositivo de control glucémico con un método muy
básico [5]. Allí se referencian otras patentes que han calculado de
otras formas no automáticas las infusiones continuas por bomba de
insulina.
La base del sistema de control adaptativo de
control glucémico que se presenta en la invención es un control por
inversión del modelo del sistema glucorregulatorio del paciente,
también denominado modelo de glucemia, que obtiene la dosis,
intravenosa y subcutánea, adecuada de insulina para inducir la
normoglucemia. El método inverso adaptativo calcula la insulinemia
óptima (11) para que las variaciones de glucemia idealmente sean
nulas respecto a una glucemia de referencia (19) independientemente
del estado metabólico y de las acciones del paciente como son las
ingestas de alimentos y el ejercicio físico, consideradas como
acciones perturbadoras del sistema de control metabólico. Hasta la
fecha y hasta donde han podido indagar los autores, no se ha
aplicado el concepto de control por inversión de un modelo de
glucemia en el control glucémico en lazo cerrado, es decir, que
utilice la medida la glucosa como base de cálculo de la siguiente
dosis de infusión de insulina. El mecanismo de adaptación de los
parámetros de control del regulador que calcula la insulinemia
óptima se realiza por un sistema de adaptación basado en la regla
del MIT (14) [16].
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Los pasos de los que consta el método adaptativo
en lazo cerrado de dosificación de insulina por inversión de un
modelo de glucemia que ejecuta el sistema de control son los
siguientes para cada momento de actuación:
- Paso 1:
- Medición de la glucemia (6) del paciente, por vía intravenosa o subcutánea, siendo dicho nivel dependiente de las ingestas de alimentos (4) del paciente y registro de un histórico finito de las administraciones previas de insulina (5) al paciente.
- Paso 2:
- A partir de las dosis de previas de insulina (5) se estima la insulinemia (7) del paciente mediante el uso de un modelo de dinámica de la absorción de insulina.
- Paso 3:
- A partir de la medida de glucemia (6), de las dosis previas de insulina (5) y de la estimación de insulinemia (7) se estiman las perturbaciones generadas por la absorción de ingestas de alimentos (9), mediante un estimador de ingestas (8) definida por la ecuación 6.
- Paso 4:
- A partir de la medida de glucemia (6), de la estimación de la insulinemia (7) y de la estimación de la absorción de ingestas (9), se calcula, utilizando un regulador inverso (10) definido por la ecuación 5, la insulinemia óptima (11). Dicha insulinemia óptima eliminaría la variabilidad de la glucemia del paciente debida a la absorción de ingestas de alimentos.
- Paso 5:
- A partir de los resultados del paso 4 y, empleando un calculador de dosis de insulina (12), definido por la ecuación 8, se calcula la dosis, o bolo de insulina (5), necesaria para inducir normoglucemia en el paciente, que serán diferentes según sea la administración de la insulina por vía subcutánea o por vía intravenosa.
- Paso 6:
- Empleando un sistema de adaptación basado en la regla del MIT (14) para adaptar el método al paciente, definido según la ecuación 13, y a través de un lazo de control glucémico ideal de referencia, que no considera los retardos de medida de glucemia o absorción, se calcula la insulinemia de referencia (18) y la glucemia de referencia (19).
- Paso 7:
- Se comparan la insulinemia de referencia (18) con la insulinemia (7) del paciente, y la glucemia de referencia (19) con la medida de glucemia (6) para obtener los errores de desviación insulinemia (22) y de glucemia (21). Con los errores, se define una función de coste, definida por la ecuación 12, para la obtención de las variaciones temporales de los parámetros de control del regulador inverso (10) y del calculador de dosis de insulina (12), elegidos como grados de libertad, que son la ganancia K_{IV} (15) y K_{u} (16) respectivamente, definidos según la ecuación 14, que se utilizan a su vez para ajustar la dosis de insulina que ha de administrarse a un paciente concreto, es decir para ajustar el lazo de control al paciente.
- Paso 8:
- Validación de la dosis, o bolo de insulina, que se va a administrar al paciente utilizando unas normas de seguridad basadas en limitar los de bolos de insulina entre un mínimo y un máximo, y anular el bolo de insulina cuando ocurren episodios hipoglucémicos, según la ecuación 11. Una vez administrada la insulina al paciente comenzaría de nuevo el método con el paso 1.
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La idea del regulador inverso (10) surge cuando
se desea obtener la insulina adecuada para que, en condiciones de
normoglucemia, los consumos, aportaciones externas de glucosa y
transformaciones de la glucosa se compensen en todo momento. La
dificultad de la inversión de un modelo de glucemia reside en la no
linealidad del modelo que hay que invertir y sobre todo de las
normas de seguridad. El modelo de glucemia del paciente viene dado
por la siguiente ecuación:
Donde G es la glucemia (6),
G_{in} la absorción de la ingestas, G_{NHGB} el
balance hepático, G_{out} el consumo periférico,
G_{kid} la excreción renal o glicosuria, V el
volumen de dilución de la insulina y t es el instante de
tiempo de evaluación.
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En condiciones de normoglucemia no existe
excreción renal, por lo que para conseguir que las variaciones sean
nulas, se tiene que cumplir que:
La relación de distribución de la ingesta de
alimentos, entre la capacidad metabólica del hígado y el consumo
periférico dependiente de la insulina, podemos considerarla del 50%
en personas con diabetes [17]. El consumo periférico independiente
de la insulina lo aporta el hígado, puesto que siempre tiene que
existir independientemente de las ingestas. Con estas
consideraciones se tiene que las variaciones glucémicas son:
Donde G_{out} (I_{eq}), es el
consumo periférico dependiente de la insulinemia; G_{out}
(G_{I}), es el consumo periférico independiente de la
insulina y el resto de parámetros se detallan en [14].
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Despejando de la ecuación anterior la
insulinemia:
Donde I_{IVp}, I_{IVh} son las
insulinemias parciales necesarias para absorber las proporciones
x de ingestas dadas por el consumo periférico y el balance
hepático respectivamente.
\newpage
Despejando de la ecuación 4 las insulinemias
parciales y sumadas de forma ponderada con un offset:
donde: I_{IVo}, es la
insulinemia óptima para absorber las ingestas (4) ajustada al
paciente (1), a través de los siguientes grados de libertad:
K_{IV}, es una ganancia de actuación e I_{IVb}
que ajustaría el nivel mínimo de insulinemia. Los grado de libertad
se eligen de tal forma que se ajuste el control glucémico a cada
paciente.
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La ecuación 5 define el regulador inverso (10)
que se utiliza para obtener la insulinemia óptima (11), que
eliminaría la variabilidad de la glucemia del paciente debida a la
absorción de ingestas de alimentos.
Las perturbaciones más importantes sobre el
nivel glucémico son las ingestas y el ejercicio físico. Con las
ingestas se aumentan los niveles de glucosa y con el ejercicio
aumentan o disminuyen dependiendo de los niveles de insulina. En el
caso de perturbaciones generadas por ingestas de alimentos, para
resolver el flujo de absorción de la ingesta de la Ecuación 2 es
necesario "medir" las ingestas (4), lo que de forma práctica y
eficiente es una tarea tan difícil como la de controlar la diabetes,
por tanto se recurre a un método que realice una estimación de la
absorción de las mismas. El estimador de ingestas (8) realiza un
cálculo aproximado de la absorción de ingestas de alimentos (9) de
las ingestas reales (4) sin necesidad de recurrir a una medida
externa al método o a la intervención del paciente para
proporcionar información detallada de las ingestas.
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La novedad de la invención es la realización de
un estimador de absorción de ingestas basado en un modelo de
glucemia y condicionado por unos grados de libertad que puedan
ajustarse a un paciente concreto. Este estimador de de absorción de
ingestas (8) obtiene la estimación de la absorción de ingestas (9)
mediante las siguientes ecuaciones:
Donde \hat{G}_{in} es la estimación de la
absorción; \hat{I}_{IV} es una estimación de la insulinemia del
paciente; \hat{G} una estimación de la actividad glucémica y
A y B grados de libertad para el ajuste del estimador
a cada paciente.
\vskip1.000000\baselineskip
El resultado directo del regulador inverso (10)
es la concentración de insulina en plasma deseada para un control
óptimo, es aplicable directamente vía intravenosa y por tanto no es
aplicable directamente por vía subcutánea. Por tanto, se ha de
plantear un calculador de bolos de insulina (12) que convierta el
dato de insulinemia óptima (11), bajo unas normas de seguridad para
salvaguardar la integridad física del paciente, en una infusión
efectiva de insulina de administración vía subcutánea. El calculador
de dosis de insulina (12) por inversión realiza un cálculo
aproximado de las infusiones de insulina por vía subcutánea
utilizando solamente la información de la insulinemia óptima (11),
utilizando las siguientes ecuaciones:
Las discretizaciones de las ecuaciones
diferenciales se han realizado por técnicas rectangulares;
I_{IVo}, es la insulinemia óptima para cancelar la
variabilidad glucémica; \hat{u}_{I}, es la estimación de las
infusiones; f(k) es la absorción de 1U de insulina
rápida y b es un parámetro cinético de la insulina; ver [14]
para más detalles.
De las ecuaciones anteriores se obtiene la dosis
o bolo de insulina para administrar al paciente:
Donde: q_{i} son pesos de importancia,
extraídos de las ecuaciones 7.
\vskip1.000000\baselineskip
El control glucémico aporta un grado de libertad
para la adaptación a cada paciente, pero además se ha de tener en
cuenta el histórico de absorción debido a las dosis previas de
insulina (5) y a la forma de administración, ya que el resultado es
diferente si la infusión es subcutánea o intravenosa:
\vskip1.000000\baselineskip
- Vía subcutánea:
\vskip1.000000\baselineskip
- Vía intravenosa:
Donde: K_{u} (16), es una ganancia de
ajuste al paciente o sensibilidad de bolo, y es un grado de
libertad obtenido para el control del bolo, Donde: q_{i}
son pesos de importancia, extraídos de las ecuaciones 7,
I_{IVo} es la insulinemia óptima propuesta por el regulador
inverso (10) e \hat{I}_{IV} es una estimación de la insulinemia
del paciente.
\vskip1.000000\baselineskip
Para la validación del bolo insulina subcutáneo
se utilizan unas normas de seguridad (12) basadas en limitar los
bolos de insulina entre un mínimo y un máximo y en condicionar el
bolo de insulina cuando ocurren episodios hipoglucémicos, con lo que
resulta una limitación del bolo insulina, según las ecuaciones:
Donde u_{b} es un nivel basal de
insulina y u_{m} un nivel máximo.
\vskip1.000000\baselineskip
Otra de las novedades de la presente invención
es un método concreto de adaptación, que podemos denominar como
controlador inverso adaptativo. El método propuesto obtiene las
variaciones temporales de los parámetros de control del regulador
inverso (10) y del calculador de bolos de insulina (12), elegidos
como grados de libertad, que son la ganancia K_{IV} (15) y
K_{u} (16) respectivamente, que se utilizan a su vez para
ajustar la dosis de insulina que ha de administrarse a un paciente
concreto, es decir para ajustar el lazo de control al paciente. La
adaptación se realiza mediante una ecuación recursiva obtenida por
un sistema de adaptación basado en la Regla del MIT (14) [16].
La presente invención aporta las siguientes
novedades al método de adaptación basado en la Regla del MIT:
- -
- Utilizar un control glucémico ideal de referencia en lazo cerrado que no considera los retardos de medida de glucemia o absorción de insulina.
- -
- Utilizar una función de coste compuesta por dos sumandos ponderados, uno que penaliza las desviaciones de glucemia, o sea, de las diferencias entre la glucemia del paciente respecto de la de referencia, y otro que penaliza las desviaciones en la insulinemia, es decir, de la insulinemia del paciente respecto de la de referencia.
Donde e_{G} es el error de penalización
del desvío de la glucemia (21) medida respecto del modelo de
referencia, e_{i} es el error de penalización de los
retardos de absorción por las desviaciones de insulinemia (22) de
las infusiones propuestas por el calculador de dosis, y
x_{G} y x_{I} pesos de ponderación.
La regla del MIT establece que hay que variar
los parámetros en el tiempo en dirección contraria al gradiente de
la función de coste:
Después de realizar las derivadas parciales de
las variables de interés respecto a los parámetros y reagrupar
términos:
Donde P_{I}, F_{I} y
F_{G} son funciones resultantes de la derivación.
\vskip1.000000\baselineskip
Figura 1: Es la topología del sistema de control
adaptativo en lazo cerrado de infusión continua de insulina por
inversión de un modelo de glucemia, a partir de un sistema de
adaptación basado en la regla del MIT (14) por modelo de
referencia. El sistema de adaptación interacciona con el lazo de
control del paciente (13) al paciente a través de los grados de
libertad elegidos para el control glucémico, que son
K_{IV} (15) y K_{u} (16), parámetros de control
del regulador inverso y del calculador de dosis de insulina
respectivamente. En el lazo de control del paciente (13) se
encuentra el propio paciente (1) con sistema de infusión (23) y un
medidor de glucosa (3) con el que se obtiene el valor de la
glucemia (6) y los sistemas encargados de determinar la dosis
óptima: el regulador inverso (10) con el que se obtiene la
insulinemia óptima (11), el estimador de absorción de ingestas de
alimentos (8) que propone la absorción de ingestas de alimentos (9)
de las ingestas reales (4), el estimador de insulimemia del
paciente (2) con el que se estima el valor de insulinemia (7) del
paciente debido a las infusiones de insulina previas (5) y al
calculador de dosis de insulina (12).
Figura 2: Es la topología del control en lazo
cerrado ideal en lazo cerrado, que no considera los retardos en la
absorción de la insulina ni los retardos en la medida de glucosa.
Dicha topología fija un modelo de glucemia de referencia (19)
obtenida con un modelo de glucemia (17) y de insulinemia de
referencia (18) obtenida a través de un regulador inverso ideal
(20). Con los datos de la glucemia de referencia (19) y glucemia
(6) del paciente e insulinemia de referencia (18) e insulinemia (7)
del paciente se obtienen las desviaciones de glucemia (21) e
insulinemia (22) con las que se ajusta de forma automática los
parámetros K_{IV} (15) y K_{u} (16), parámetros de
control del regulador inverso y del calculador de dosis de insulina
respectivamente.
\vskip1.000000\baselineskip
En este apartado se describe una posible
realización práctica detallada para que una persona con diabetes
pueda tratar su enfermedad con la invención propuesta.
Para comenzar a ejecutarse el método que ejecuta
en el sistema de control propuesto en la presente invención es
necesario medir la glucemia (6) del paciente, por ejemplo
utilizando un sensor continuo de glucosa. Con la medida de la
glucemia (6) y las dosis previas de insulina (5) que han sido
administradas en instantes anteriores, se estima la insulinemia (7)
del paciente con un estimador de insulinemia (2). La estimación de
la insulinemia del paciente se utiliza: para estimar con un modelo
de absorción de ingestas (8), la absorción de ingestas de alimentos
(9) causada por las ingestas (4) y calcular el bolo de insulina con
el calculador de dosis de insulina (12). Con el dato de estimación
de la absorción de ingestas (9), de la insulinemia (7), y de la
glucemia (6) se obtienen las variaciones temporales de los
parámetros que adaptan el lazo de control del paciente (13)
concreto. La adaptación se realiza mediante un modelo de referencia,
que es un sistema de control ideal que no contempla los retardos de
absorción de los bolos de insulina y ni en la medida de glucemia
del paciente. Comparando el comportamiento ideal dado por el modelo
de referencia y el comportamiento real del paciente, se obtienen
unas desviaciones de la glucemia (21) e insulinemia (22) con las que
se ajustan los parámetros del regulador inverso, K_{IV}
(15), y del calculador de dosis, K_{u} (16), del lazo de
control del paciente (13). Por último, se obtiene el valor efectivo
de la dosis de insulina con el calculador de dosis de insulina
(12).
La presente patente tiene su principal
aplicación como sistema autónomo de infusión subcutánea de insulina
para el tratamiento de la diabetes, pero también puede utilizarse
en administración intravenosa de insulina aplicando directamente la
salida del regulador sin el estimador de dosis o incluso puede
aplicarse en cualquier otro sistema médico de administración
controlada y autónoma de medicamentos en el campo médico como por
ejemplo unidades de cuidados intensivos, o incluso en el campo
veterinario. La aplicación en el campo industrial es la de
controlador de procesos con variables continuas como son la
temperatura, presión, variables cinemáticas, fuerzas, energía,
potencia o el ph por citar algunas.
Esta invención presenta una interesante
aplicación en el campo del tratamiento de la diabetes, de tal forma
que evita la intervención del paciente eliminando así la componente
subjetiva que presentan las terapias con insulina. El método
presentado decide por el paciente cuánta insulina se ha de
administrar en cada instante, independientemente de si realiza una
ingesta o está en periodo de ayuno. Además el método no solo es
adaptable a los cambios y variaciones que puede sufrir el cuerpo
humano a lo largo del tiempo, sino que se adapta a cualquier
paciente. Por tanto se muestra la aplicación universal de la
invención para el tratamiento de la diabetes, que podría ser
instalado en cualquier sistema hardware y aplicado de una forma
rápida a un paciente, reduciendo el tiempo que el endocrino
necesita para el tratamiento de la diabetes de un paciente,
reduciendo así el coste sanitario.
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Salgado. Control System Desing. G.C. Prentice Hall,
New Jersey 2001.
Claims (7)
1. Sistema de control adaptativo en lazo cerrado
de infusión continua de insulina por inversión de un modelo de
glucemia configurado para determinar la dosis óptima de insulina
para administrar al paciente diabético, por vía subcutánea o
intravenosa, con objeto de inducir normoglucemia, que
comprende:
- -
- medidor de glucosa (3) configurado para obtener el valor de la glucemia (6) del paciente, por vía intravenosa o subcutánea y medios de registro de un histórico finito de las administraciones previas de insulina (5) al paciente,
- -
- estimador de insulinemia (2) configurado para estimar, a partir de las dosis previas de insulina (5), el valor de insulinemia (7) del paciente mediante el uso de un modelo de dinámica de la absorción de insulina,
- -
- estimador de absorción de ingestas de alimentos (8) configurado para estimar la absorción de ingestas de alimentos (9), a partir de la medida de glucemia (6), de las dosis previas de insulina (5) y de la estimación de insulinemia (7),
- -
- un regulador inverso (10) configurado para calcular la insulinemia óptima (11), capaz de eliminar la variabilidad de glucemia del paciente, a partir de la medida de glucemia (6), de la estimación de la insulinemia (7) y de la estimación de la absorción de ingestas (9),
- -
- un calculador de dosis de insulina (12) configurado para calcular la dosis o bolo de insulina para inducir normoglucemia, que variará en función de si la vía de administración es intravenosa o subcutánea,
- -
- un sistema de adaptación basado en la regla del MIT (14) configurado para calcular la insulinemia de referencia (18) y la glucemia de referencia (19) para la adaptación del método al paciente concreto,
- -
- medios de obtención de las variaciones temporales de los parámetros de control del regulador inverso (10) y del calculador de dosis de insulina (12), elegidos como grados de libertad, que son la ganancia K_{IV} (15) y K_{u} (16) respectivamente, que se utilizan a su vez para ajustar la dosis de insulina que ha de administrarse a un paciente concreto, es decir para ajustar el lazo de control al paciente,
- -
- medios de validación de la dosis, o bolo de insulina, para administrar al paciente en función de una limitación de los de bolos de insulina entre un mínimo y un máximo basados en criterios de seguridad y anular la administración del bolo de insulina en caso de un episodio hipoglucémico, y
- -
- sistema de infusión (23) configurado para administrar la insulina al paciente (1).
\vskip1.000000\baselineskip
2. Sistema de control adaptativo según
reivindicación 1 caracterizado porque el estimador de
absorción de ingestas de alimentos (8) está configurado para
realizar la estimación de la absorción de ingestas de alimentos (9)
mediante la siguiente ecuación:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Donde \hat{G}_{in} es la estimación de la
absorción; \hat{I}_{IV} es una estimación de la insulinemia del
paciente; \hat{G} una estimación de la actividad glucémica y
A y B grados de libertad para el ajuste del
estimador.
\vskip1.000000\baselineskip
3. Sistema de control adaptativo según
reivindicaciones 1 y 2 caracterizado el regulador inverso
(10) está configurado para realizar el cálculo de la insulinemia
óptima (11) para la absorción de las ingestas (4) mediante la
siguiente ecuación:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
donde: I_{IVo}, es la
insulinemia óptima para absorber las ingestas (4) ajustada al
paciente (1), a través de los siguientes grados de libertad:
K_{IV}, es una ganancia de actuación e I_{IVb}
que ajustaría el nivel mínimo de
insulinemia.
\vskip1.000000\baselineskip
4. Sistema de control adaptativo según
reivindicaciones 1 a 3 caracterizado porque el calculador de
dosis de insulina (12) está configurado para:
- en el caso de que se administre al paciente
por vía intravenosa, realizar el cálculo de la dosis de insulina
mediante la siguiente ecuación:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Donde: u_{IV} son las dosis de insulina
intravenosas, K_{u} (16), es una ganancia de ajuste al
paciente o sensibilidad de bolo y es un grado de libertad obtenido
para el control del bolo, I_{IVo} es la insulinemia óptima
propuesta por el regulador inverso (10) e \hat{I}_{IV} es una
estimación de la insulinemia del paciente,
- en el caso de que se administre al paciente
por vía subcutánea, realizar el cálculo de la dosis de insulina
mediante la siguiente ecuación:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Donde: u_{SC} son las dosis de insulina
subcutáneas; K_{u} (16) es una ganancia de ajuste al
paciente o sensibilidad de bolo y es un grado de libertad obtenido
para el control del bolo; q_{i} son pesos de importancia,
extraídos de las ecuaciones 7; I_{IVo} es la insulinemia
óptima propuesta por el regulador inverso (10) e \hat{I}_{IV} es
una estimación de la insulinemia del paciente.
\vskip1.000000\baselineskip
5. Sistema de control adaptativo según
reivindicaciones 1 a 4 caracterizado porque la insulinemia
de referencia (18) y la glucemia de referencia (19) se calculan en
base a un control glucémico en lazo cerrado por inversión ideal,
sin los retardos en las absorciones de los bolos de insulina ni en
la medida de glucosa, o sea, un control directo por vía
intravenosa.
\vskip1.000000\baselineskip
6. Sistema de control adaptativo según
reivindicaciones 1 a 5 caracterizado porque para el ajuste
de los grados de libertad del lazo de control del paciente (13) a
través de la regla del MIT se emplea la siguiente función de
coste:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Donde e_{G} es el error de penalización
de las desviaciones de glucemia (21) medida respecto del modelo de
referencia, e_{I} es el error de penalización por las
desviaciones de insulinemia (22) de los retardos de absorción de las
infusiones propuestas por el calculador de dosis, y x_{G}
y x_{I} pesos de ponderación y los parámetros
K_{IV} (15) y K_{u} (16) se ajustan según la
ecuación:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Donde P_{I}, F_{I} y
F_{G} son funciones resultantes de la derivación;
T_{S} es el periodo de ejecución del método.
\vskip1.000000\baselineskip
7. Sistema de control adaptativo según
reivindicaciones 1 a 6 caracterizado porque para la
validación del bolo de insulina propuesto por el calculador de dosis
de insulina (12), se obtienen las restricciones de infusión de
insulina basadas en limitar los de bolos de insulina entre un
mínimo y un máximo, y condicionar el bolo de insulina cuando
ocurren episodios hipoglucémicos, de acuerdo a las ecuaciones:
Donde u_{IV} son las dosis de insulina
intravenosas; u_{SC} son las dosis de insulina
subcutáneas; u_{b} es un nivel basal de infusión;
u_{m} un nivel máximo y G la medida de glucemia
(6).
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|---|---|---|---|
| ES200702143A ES2334733B2 (es) | 2007-07-31 | 2007-07-31 | Sistema de control adaptativo en lazo cerrado de infusion continua de insulina por inversion de un modelo de glucemia. |
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|---|---|---|---|
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|---|---|
| ES2334733A1 ES2334733A1 (es) | 2010-03-15 |
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|---|---|---|---|---|
| US9827371B2 (en) * | 2012-03-23 | 2017-11-28 | Dipartimento Di Ingegneria Civile E Architettura Dell‘Universita’ Degli Studi Di Pavia | Method for controlling the delivery of insulin and the related system |
-
2007
- 2007-07-31 ES ES200702143A patent/ES2334733B2/es not_active Expired - Fee Related
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| ES2334733A1 (es) | 2010-03-15 |
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