جاده طولانی به یک پانکوراس کاملاً مستقل مصنوعی: تعادل پیشرفت و هاردلس مداوم

برای میلیون ها نفر که با دیابت نوع 1 زندگی می کنند، بار روزانه تست های سوزن، شمارش کربوهیدرات و انجام دادن انسولین دستی بی وقفه است. وعده یک پانکراس مصنوعی کاملاً خودکار - یک سیستم که به طور خودکار فشار می آورد گلوکز خون و انسولین بدون هر گونه ورودی کاربر - نشان دهنده یک جاه طلبی فنی در فن آوری پزشکی است. چنین سیستم صرفاً کنترل گلوکز را بهبود نمی بخشد؛ با این وجود نیاز به یک مشکل انتقال دهنده زمان (A) دارد، هنوز هم می تواند یک سیستم عامل فعال سازی بسیار خودکار را از طریق کند.

چه چیزی یک پانکوراس مصنوعی کاملاً مستقل باید انجام دهد

یک پانکراس مصنوعی کاملاً مستقل، در هسته خود، یک سیستم فیزیکی سایبری که به طور مداوم گلوکز بیناستاز طریق یک مانیتور مستمر گلوکز (CGM) را اندازه گیری می کند، پردازش هایی که داده ها از طریق یک الگوریتم کنترل، و دستور می دهد تا یک دوز دقیق مورد نیاز برای نگه داشتن گلوکز خون در محدوده تنگ فیزیولوژیکی فعلی، که هنوز هم دستی نیاز به اعلام غذا و هشدار به طور کامل، بدون هر گونه اختلال در زمان، حتی یک سیستم ورودی بدن و یا هر گونه استرس بسیار قوی دارد.

چندین گروه تحقیقاتی و شرکت، از جمله بتا بیونیک، مراقبت از دیابت Tandem و Medtronic، پیشرفت های فزاینده ای داشته اند.سیستم های تجاری مانند Medtronic MiniMed 780G و Tandem’s Control-IQ به سطوح قابل توجهی از اتوماسیون دست یافته اند، اما آنها همچنان هیبریدی هستند.

چالش های فنی: هسته کنترل خودکار

تنوع فیزیکی و الگوریتم های کنترل

سیستم تنظیم گلوکز بدن انسان یک فرایند پیچیده، غیر خطی و زمان متغیر بیولوژیکی است. عواملی مانند ریتم شبانه روزی، تغییرات حساسیت به انسولین به دلیل ورزش یا بیماری و جذب غیر قابل پیش بینی غذا یک مشکل کنترل را بسیار چالش برانگیزتر از هر فرایند صنعتی می کند.یک سیستم کاملا مستقل باید در زمان واقعی با این پویایی پیش بینی و انطباق کند.

الگوریتم های کنترل در سیستم های فعلی AID معمولا بر اساس کنترل پیش بینی مدل (MPC) یا کنترل کننده های متناسب (PID) با ماژول های ایمنی است.این الگوریتم ها نیاز به پارامترهای تنظیم شده بر فیزیولوژی کاربر دارند، اغلب نیاز به تقویت دوره ای دارند.برای خودمختاری کامل، الگوریتم باید به طور مداوم یاد بگیرد و بدون مداخله کاربر سازگار شود.

دقت سنسور و عدم صلاحیت

CGM چشم سیستم است.هر تاخیر یا خطا در خواندن گلوکز می تواند باعث شود الگوریتم تصمیم گیری های ضعیف را انجام دهد. فعلی CGMs اندازه گیری گلوکز مایع بین المللی، که پشت گلوکز خون توسط 5 تا 15 دقیقه عقب می رود، این تاخیر به ویژه در طول تغییرات سریع گلوکز مشکل است - به عنوان مثال، پس از غذا یا ورزش - که در آن سنسور ممکن است گزارش دهد که میزان قابل توجهی از تغییر در قند واقعی است.

برای دستیابی به استقلال کامل، دقت سنسور باید به نقطه ای که الگوریتم می تواند به داده ها حتی بدون تأیید انسانی اعتماد کند، بهبود یابد.[۱۰] سنسورهای بدون کالیبراسیون واقعی ( با حداقل تاخیر می تواند یک اولویت تحقیق کلیدی مانند FLT 2:JDRF و سنسورهای هیچ یک از معیارهای نظارت بر محیط زیست مبتنی بر شاخص های فعلی را به طور کامل در نظر بگیرند.

داروهای انسولین و Gap Speed

انسولین مورد استفاده در پمپ های امروزی - حتی آنالوگ های فوق العاده سریع - دارای یک نمایه دارویی است که بسیار از ایده آل است.پس از تزریق، قله جذب در حدود 60-90 دقیقه و همچنان فعال برای سه تا پنج ساعت شروع آهسته و اقدام طولانی مدت است که الگوریتم تنها می تواند خطا را تصحیح کند، اغلب منجر به بازگشت هیپوبیگلیسمی یا بیش از حد است.

ایمنی و تحمل خطا

در یک سیستم کاملا مستقل، هیچ پشتیبان انسانی برای گرفتن اشتباه وجود ندارد [۱] یک باگ نرم افزار، انحصار پمپ، یا شکست سنسور می تواند منجر به هیپوگلیسمی شدید یا کتواس دیابتی شدید در عرض چند دقیقه شود.سیستم باید چندین لایه ایمنی را به عنوان یک سیستم ایمنی اضافی، الگوریتم های ایمنی ضعیف و روال های تشخیصی قوی (FLT0sk) کدک کدر کند. [F]

چالش تشخیص غذا

یکی از سخت ترین جنبه های اتوماسیون کامل، انجام وعده های غذایی بدون اطلاع کاربر است.یک وعده غذایی باعث افزایش سریع گلوکز خون می شود که نیاز به تحویل انسولین به موقع برای جلوگیری از هیپرگلیسمی دارد، به این معنی است که تشخیص غذا باید تقریبا بلافاصله پس از خوردن، تحقیقات فعلی بر استفاده از رد و شتم CGM برای تشخیص غذا از طریق الگوی تشخیص یا یادگیری ماشین - به عنوان مثال، به دنبال یک متخصص تغذیه با استفاده از روش های تشخیص فیبروئید، می تواند منجر به تشخیص غیر قابل اعتماد باشد.

فرصت ها: آنچه که استقلال کامل می تواند تحویل دهد

کنترل تقریباً عادی Glycemic Control و کاهش پیچیدگی ها

مزیت اولیه پزشکی یک پانکراس مصنوعی کاملاً مستقل توانایی حفظ گلوکز در محدوده بسیار تنگ است – مثلاً 70-140 mg / dL – تقریباً کل روز. سیستم های هیبریدی فعلی می توانند به میزان زمان در محدوده (TIR) از 70-180 میلی گرم / dL از 70-80٪ برسند، اما هدف برای خودمختاری کامل خواهد بود.95٪ از کاهش شدید ابتلا به هیپوکسیو به طور چشمگیری کاهش عوارض طولانی مدت زمان بروز آن است.

کاهش سلامت روان شناسی برسر دیابت

مدیریت خود دیابت از نظر ذهنی خسته کننده است. هوشیاری مداوم - چک کردن گلوکز، محاسبه کربوهیدرات ها، نگرانی در مورد ورزش، خواب و استرس - منجر به نرخ بالای (FLT:0) بی درنگ می شود [FLT 1] و تقویت سیستم های مستقل باعث حذف بار شناختی مرتبط با مصرف انسولین می شود بدون اینکه از قبل از حد مصرف، اضطراب کامل در بهبود کیفیت خواب و مواد غذایی به طور کامل جلوگیری شود.

گسترش دسترسی به Advanced Therapy

سیستم های فعلی AID نیاز به آموزش قابل توجه و سواد فنی دارند.بسیاری از بیماران به دلیل سن، توانایی شناختی یا به سادگی عدم دسترسی به کلینیک های تخصصی دیابت از آنها استفاده نمی کنند.یک سیستم کاملا مستقل که نیاز به ورودی کاربر یا آموزش ندارد می تواند دسترسی به درمان پمپ انسولین را دموکراتیزه کند.برای کودکان، بیماران مسن یا کسانی که دارای اختلالات شناختی هستند، یک دستگاه آموزش هسته ای برای بهبود می تواند باشد.

تنظیم مقررات و چشم انداز تجاری

مسیر FDA و i اجازه می دهد Bionic Pancreas Precedent

FDA یک مسیر تنظیم کننده رو به جلو برای سیستم های مصنوعی پانکراس ایجاد کرده است، از جمله نامگذاریها به عنوان (FLT:0) دستگاه های لودر (FLT:1) و یک طبقه بندی اختصاصی برای سیستم های تحویل انسولین خودکار (درجه دوم) که نیاز به یک وعده غذایی دوگانه دارند، می تواند هیچ مرحله ای از i Let Bionic Pancreas را نشان دهد در سال 2023] یک نقطه عطف بود: آنها نیاز به یک وعده غذایی دقیق دارند (من هنوز هیچ چیز نمی تواند نشان دهد یا غذا را به یک محصول دقیق (به آن "به عنوان "به عنوان "هیچ وجه نمی تواند نشان دهد.

بازگشت به بازار و پذیرش بازار

علی رغم شواهد بالینی از سود، سیستم های AID به طور جهانی تحت پوشش بیمه قرار نمی گیرند (هزینه دستگاه ها - از جمله CGMs، پمپ ها و قابل محاسبه - می تواند هزاران دلار در سال باشد.یک سیستم کاملا مستقل، به ویژه یک بیونیک، حتی گران تر باشد. قیمت گذاری مبتنی بر ارزش افزوده است که ممکن است به کاهش قیمت های بازار کمک کند.

ملاحظات اجتماعی و اخلاقی

اتوماسیون کامل سوالات اخلاقی مهمی را مطرح می کند. چه کسی مسئول شکست سیستم است - تولید کننده نرم افزار، توسعه دهنده نرم افزار، پزشک پیش از تجویز، یا بیمار؟ اگر یک کاربر به دلیل یک مشکل نرم افزاری که باعث بیش از حد می شود، مسئولیت نیاز به تعمیر و نگهداری از مواد مخدر دارد، علاوه بر این، ایمنی داده ها یک نگرانی است: این سیستم ها مقادیر زیادی از داده های بهداشتی را تولید می کنند که می تواند به درستی مورد سوء استفاده قرار گیرد. [F]

همچنین خطر بیش از حد اعتماد وجود دارد، حتی یک سیستم کاملاً مستقل ممکن است با موارد لبه مواجه شود – یک سیگنال سنسور از دست رفته، یک شکست پمپ، یک وعده غذایی غیر معمول – که نیاز به مداخله کاربر دارد، باید هنوز هم شامل هشدارها و حالت های ایمنی شکست خورده باشد، اما طراحی رابط انسان-ماشین برای "بدون کاربر-input" سناریو چالش برانگیز است آموزش کاربر باید از مدیریت روزانه به ندرت، به مدت زمان دشوار، و دشوار باشد.

مسیر های آینده: 10 سال آینده

کارشناسان پیش بینی می کنند که سیستم های کاملاً خودکار مصنوعی حداقل برای یک دهه دیگر در دسترس نخواهد بود.[۱] نقاط عطف کلیدی شامل توسعه انسولین های غیر تهاجمی و قابل ایمپلنت هستند.[۱۰] آزمایش هایی که انسولین را کاهش می دهند و نیاز به کالیبراسیون ندارند با استفاده از الگوریتم های کلیدی خود را باز می کنند: [FLT۲]

به طور موازی، پیشرفت در هوش مصنوعی - به ویژه یادگیری عمیق برای پیش بینی زمان - ممکن است تشخیص قوی تر غذا و پیش بینی گلوکز شخصی را فعال کند، با این حال، مسیر تحقیق به اجرای بالینی طولانی است و نیاز به اطمینان دقیق دارد. Hybrid رویکرد که ترکیب مدل های فیزیولوژیکی با یادگیری ماشین ممکن است بهترین تعادل بین و ایمنی عملکرد را ارائه دهد، همچنین در حال توسعه یک چارچوب پیش از بازار است که آنها را در حال توسعه دهد.

در نهایت، پانکراس مصنوعی کاملاً مستقل یک دستگاه نیست، بلکه یک همگرایی تکنولوژیکی در حال تحول است – از تکنولوژی CGM، علوم انسولین، تئوری کنترل و یادگیری ماشین.چالش قابل توجه است، اما فرصت آزاد کردن میلیون ها نفر از افراد از خواسته های مداوم خود مدیریت دیابت، آن را به یکی از مهم ترین اهداف مهندسی پزشکی زمان ما تبدیل می کند.