مقدمه: یک دوره جدید در مراقبت از دیابت

ملانوما، به ویژه دیابت نوع 1 (T1D)، بار روزانه بی وقفه ای از نظارت بر گلوکز خون، تزریق انسولین و هوشیاری مداوم در برابر بالا و پایین های خطرناک را اعمال می کند، برای دهه ها، بیماران این وضعیت را از طریق آزمایش های خودکار انگشت و چندین تزریق روزانه یا پمپ های انسولین، که نیاز به تصمیم گیری نزدیک به حد و حصر دارند، پیشرفت های اخیر در زمینه انتقال فیزیکی (همچنین سیستم های کنترل خودکار) دارند.

این سیستم ها یک دستگاه نیستند، بلکه یک پلت فرم یکپارچه با ترکیب یک مانیتور گلوکز مداوم (CGM)، یک پمپ انسولین و یک الگوریتم کنترل است.با خودکار کردن تحویل انسولین بر اساس خواندن گلوکز در زمان واقعی، سیستم های پانکراس مصنوعی تقلید از حلقه بازخورد فیزیولوژیکی یک پانکراس سالم، این مقاله به بررسی تکنولوژی در عمق، بررسی شواهد فعلی و تایید قانونی، چالش های باقی مانده، بحث می کند و بررسی می کند که چگونه سیستم های پزشکی شخصی شده است.

سیستم پانکوراس مصنوعی چیست؟

یک سیستم پانکراس مصنوعی (APS) یک سیستم تحویل انسولین حلقه بسته است که به طور خودکار نرخ انسولین پایه را در پاسخ به داده های نظارت بر گلوکز مداوم تنظیم می کند.هدف این است که سطح گلوکز خون را در محدوده هدف حفظ کند (معمولا 70 تا 180 میلی گرم / dL) تا حد ممکن، به حداقل رساندن هیپوaگلیسمی و هیپرگلیسمی بر خلاف سیستم های باز که یک کاربر به صورت دستی برای ارائه الگوریتم های پمپ بسته، تنظیم می کند.

اجزای اصلی شامل:

  • فعال Glucose Monitor (CGM): سنسور زیر پوستی که سطح گلوکز بین المللی را هر 1 تا 5 دقیقه اندازه گیری می کند، داده ها را به صورت بی سیم به کنترل کننده انتقال می دهد.
  • داخل سولپولین: یک دستگاه پوشیدنی که به طور سریع عمل می کند انسولین را از طریق یک مجموعه تزریق دریافت می کند. پمپ دستورات را از الگوریتم دریافت می کند و همچنین می تواند برای بولوس دستی استفاده شود.
  • ] الگوریتم کنترل: ] [مغز] سیستم، معمولاً بر روی تلفن هوشمند، کنترل اختصاصی، یا خود پمپ میزبانی می شود. Algorithms از مدل های ریاضی از خویشاوندی گلوکز و عمل انسولین برای محاسبه میزان تحویل انسولین مطلوب استفاده می کند.

انواع الگوریتم های رایج شامل کنترل پیش بینی مدل (MPC)، کنترل کننده های متناسب (PID) و سیستم های منطق فازی است.هر رویکرد دارای معامله از نظر پاسخگویی، ثبات و توانایی رسیدگی به اختلالات غذایی و ورزش است.

اولین سیستم های بسته هیبریدی (به عنوان مثال، Medtronic 670G، 780G) تا حدودی خودکار نرخ های پایه اما هنوز نیاز به پرخاش های غذایی پرتلاش کاربر دارند، سیستم های پیشرفته تر (به عنوان مثال، Tandem Control-IQ، Omnipod 5) ارائه می دهند که دارای بوهای خودکار و کنترل بهتر شبانه هستند.

چگونه Pancreas مصنوعی کار می کند؟

چرخه عملیاتی یک سیستم پانکراس مصنوعی را می توان به سه مرحله مداوم تقسیم کرد: سنجش، محاسبات و ارزیابی.

مرحله ی پیری

سنسور CGM که تحت پوست قرار می گیرد (معمولاً در شکم یا بازوی بالا) غلظت گلوکز را در مایع interstitial اندازه گیری می کند، در حالی که گلوکز بینسالانه در پشت گلوکز خون 5 تا 15 دقیقه قرار می گیرد، الگوریتم های مدرن برای جبران استفاده از فیلترهای پیش بینی کننده متفاوت هستند؛ برخی از سیستم ها (به عنوان مثال Dexcom G6) در حال حاضر به سنسورهای انگشت دوره ای (g) نیاز دارند.

مرحله محاسباتی

خواندن گلوکز هر 1 تا 5 دقیقه به الگوریتم ارسال می شود که بر روی یک کنترل کننده اختصاصی یا یک برنامه تلفن هوشمند اجرا می شود.این الگوریتم روند را تجزیه و تحلیل می کند، تحویل انسولین اخیر (اینولین در داخل صفحه) و پیش بینی سطح گلوکز آینده با استفاده از یک مدل ریاضی، آن را محاسبه می کند میزان تزریق انسولین بهینه برای 5 تا 30 دقیقه بعد از محدودیت های پیشرفته، ایمنی، هنگام تحویل سریع مانند انسولین یا کاهش سرعت.

مرحله ی تعیین کننده

دوز انسولین محاسبه شده توسط پمپ به عنوان یک میکروبولوس یا با تنظیم نرخ پایه تحویل داده می شود. بسیاری از سیستم ها همچنین بولوس های اصلاح خودکار را ارائه می دهند زمانی که گلوکز از آستانه تجاوز می کند. کاربران توانایی برای دفع دستی سیستم برای وعده های غذایی، ورزش یا خطاهای سنسور را حفظ می کنند.

این حلقه بازخورد مداوم 24/7 عمل می کند، به طور قابل توجهی کاهش بار تنظیمات دستی بالینی نشان داده است که استفاده از سیستم های بسته هیبریدی باعث افزایش زمان در برد (TIR، 70-180 mg / dL) از حدود 60٪ تا 70٪ در مقایسه با درمان پمپ های سنسور افزایش می یابد.

مزایای مستند سیستم های Pancreas مصنوعی

پایه شواهد حمایت از سیستم های پانکراس مصنوعی قوی است، با آزمایش های کنترل شده تصادفی متعدد و مطالعات دنیای واقعی نشان می دهد بهبود معنی دار در نتایج گلیک و کیفیت زندگی.

  • ] بهبود زمان در محدوده: متاآنالیز 40 مطالعه نشان داد که سیستم های حلقه بسته به طور متوسط TIR را با میانگین 12 تا 15 درصد (از 60٪ به 75٪) افزایش می دهد.
  • فرضیه ی افت یافته: تعلیق انسولین خودکار و پیش بینی مدیریت کم گلوئکوز به طور چشمگیری کاهش میزان بروز هیپوگلیسمی شدید مانند Tandem Basal-IQ (پیش از جراحی) و کنترل-IQ نشان داده است به کاهش 50٪ در حوادث هیپوگلیسمی.
  • HbA1c: بسیاری از کاربران به کاهش HbA1c از 0.3 -0.8٪ (از -8.5% به 7.5٪) ، بهبود مرتبط با کاهش خطرات عوارض میکروواسکول طولانی مدت.
  • مدیریت روزانه کاهش یافته Burden: نظرسنجی ها نشان می دهد که کاربران زمان کمتری را صرف تصمیم گیری در درمان می کنند، اضطراب دیابت کمتری را تجربه می کنند و نمرات رضایت بالاتر را گزارش می دهند.
  • ]Potential for Better-Term Results: با صاف کردن گشت و گذار گلیسمیک و کاهش هر دو سیستم های هیپرگلیسمی و هیپوگلیسمی، حلقه بسته ممکن است خطر ابتلا به رتینوپاتی دیابتی، نتروپاتی، و بیماری های قلبی عروقی را در طول مدت طولانی کاهش دهد.

این مزایا در جمعیت های مختلف، از جمله بزرگسالان، نوجوانان، کودکان به عنوان 2 ساله و زنان باردار مبتلا به دیابت نوع 1 (به ویژه گروه چالش برانگیز) نشان داده شده است.

شواهد بالینی و تاییدیه های نظارتی

آژانس های نظارتی پتانسیل سیستم های پانکراس مصنوعی را به رسمیت شناخته اند، با چندین دستگاه که FDA و CE را دریافت می کنند، اولین سیستم حلقه بسته هیبریدی، سیستم مینی Med 670G Medtronic در سال 2016 تایید شد.

  • (FDA-ified 2023): اضافه کردن بولوسهای اصلاح خودکار، اهداف گلوکز قابل تنظیم (100-120 میلی گرم / dL)، و یک رابط کاربری ساده برنامه تلفن همراه، آزمایش های بالینی کاربران را به دست آوردن TIR>80٪ نشان داد.
  • کنترل مراقبت از دیابت (IQ (FDA تایید 2019): استفاده از یک Dexcom G6 CGM و در Tandem t:slim X2 پمپ است. سیستم به طور خودکار تنظیم می کند و تزریق خودکار اصلاح می کند.
  • Omnipod 5 (FDA تایید شده 2022: یک پمپ پچ لوله بی، ضد آب یکپارچه با Dexcom G6 نشان داد TIR بهبود از 61٪ به 74٪ و رضایت کاربر بالا.
  • اجازه دهید Bionic Pancreas (FDA- تایید 2023): رویکرد متفاوتی را با نیاز به وزن بدن کاربر و اعلام غذای محدود (بارف، ناهار، شام) برای شروع، استفاده از یک الگوریتم سازگار است که یادگیری الگوهای فردی.مطالعات کاهش سطح بالا را با توجه به زمان بهبود یافته نشان می دهد، اما در طول زمان کمی بهبود یافته است.

برای جزئیات بیشتر، به اطلاعات خودکار تحویل انسولین (FLT:1) و مرور کلی انجمن دیابت آمریکا از تکنولوژی پانکراس مصنوعی مراجعه کنید.

چالش ها و فرصت ها

علی رغم پیشرفت قابل توجه، چندین مانع باید برای دسترسی به سیستم های پانکراس مصنوعی و موثر در سطح جهانی مورد توجه قرار گیرد.

هزینه و پوشش بیمه

هزینه ترکیبی از CGM، پمپ انسولین و کنترل کننده می تواند سالانه 100.000 دلار تجاوز کند، حتی با بیمه. بسیاری از برنامه های بهداشتی نیاز به درمان گام یا مجوز قبلی دارند.برای افرادی که در کشورهای کم درآمد و متوسط درآمد هستند، این سیستم ها بدون هزینه مدل های قیمت گذاری نوآورانه، رقبای عمومی و تغییرات سیاست برای بهبود عدالت و عدالت لازم است.

قابلیت های آموزشی و

پیچیدگی یک مانع باقی می ماند. کاربران باید سنسور را درک کنند، دوباره پر شدن پمپ، تزریق تغییرات را تنظیم می کنند و چگونگی رسیدگی به خطاهای سیستم یا شکست (به عنوان مثال، از دست دادن سنسور، انحصار) برنامه های آموزش و رابط کاربری شهودی برای کاهش منحنی یادگیری ضروری است.

قابلیت اطمینان در سراسر جمعیت های Diverse

الگوریتم ها اغلب با استفاده از داده های کارآزمایی های بالینی تنظیم می شوند که ممکن است همه گروه های نژادی، قومی یا سنی را نشان ندهند. پویایی گلوکز با سن، ترکیب بدن، عملکرد کلیه و سطح فعالیت متفاوت است. سیستم ها باید در جمعیت های گسترده تر معتبر باشند و شخصی سازی الگوریتم (به عنوان مثال تنظیم برای تنوع حساسیت به انسولین) یک منطقه تحقیقاتی فعال باقی می ماند.

دقت سنسور و عدم صلاحیت

دقت CGM به طور کلی عالی است (م سنگین 8 تا 10 درصد برای سنسورهای مدرن)، اما خطا می تواند در طول تغییرات سریع گلوکز رخ دهد (به عنوان مثال، پس از غذا یا ورزش) Lag در اندازه گیری مایع بین المللی می تواند منجر به بیش از حد و یا کمبود تحویل انسولین شود. سیستم های هورمون دوگانه (با گلوکاگون) تحت بررسی برای کاهش خطر هیپوگلیسمی هستند، اما هنوز به علت مشکلات ثبات به بازار نرسیده اند.

امنیت سایبری و حریم خصوصی داده ها

ارتباطات بی سیم بین پمپ ها، سنسورها و تلفن های هوشمند آسیب پذیری ها را معرفی می کند. رمزگذاری امن و به روز رسانی های نرم افزار قوی برای محافظت از ایمنی بیمار و داده ها ضروری است.

استقلال بیمار و پذیرش روانی

برخی از کاربران ترجیح می دهند کنترل دستی را حفظ کنند و ممکن است به اتوماسیون شفاف، تنظیمات قابل تنظیم و استراتژی های پذیرش تدریجی اعتماد کنند. مطالعات طولانی مدت نشان می دهد که اکثریت قریب به اتفاق کاربرانی که درمان حلقه بسته را آغاز می کنند، همچنان به استفاده از آن ادامه می دهند و نشان می دهند که رضایت بالا یک بار ایجاد شده است.

بررسی جامع تحقیقات مداوم می تواند در مخزن PubMed آزمایشات پانکراس مصنوعی یافت شود.

آینده پزشکی دیابت شخصی

سیستم های پانکراس مصنوعی یک سنگ بنای مراقبت از دیابت شخصی هستند، اما چشم انداز بسیار فراتر از تکنولوژی فعلی بسته حلقه بسته است.

هوش مصنوعی و شخصی سازی پیش بینی کننده

مدل های یادگیری ماشین می توانند داده های گلوکز تاریخی، زمان غذا، الگوهای ورزشی و حتی شاخص های استرس (به عنوان مثال، ضربان قلب، کیفیت خواب) را تجزیه و تحلیل کنند تا پیش بینی سفرهای گلیکمی را انجام دهند. سیستم های آینده ممکن است یادگیری عمیق را برای ایجاد مدل های پیش بینی گلوکز فردی که در طول زمان سازگار می شوند، به عنوان مثال، یک سیستم ممکن است یاد بگیرد که افزایش قند بعد از ظهر کاربر به طور معمول بزرگتر و زودتر، و تنظیم شده است.

سیستم های چند نفره

اضافه کردن گلوکاگون (برای افزایش قند خون) و احتمالاً آملینلین یا پیملینتید (برای کم کردن معده) می تواند یک پانکراس مصنوعی دو یا چند قلو ایجاد کند که هر دو از آن ها را به طور دقیق کنترل کرده اند در مطالعات کوچک اما بی ثباتی گلوکاگون در راه حل توسعه تجاری محدودی دارد که شامل سیستم های انسولین و آگاگون طبیعی تر می شود.

ادغام با سنسورهای قابل تحمل و برنامه های بهداشتی

داده های از Smartwatchs ( ضربان قلب، فعالیت، خواب)، مقیاس های هوشمند (صندوق بدن)، و برنامه های ورود غذا می تواند با داده های CGM و انسولین ترکیب شود تا یک فن آوری دیجیتال جامع ایجاد کند.این داده های چند منظوره می تواند برای تنظیم الگوریتم های تحویل انسولین در زمان واقعی استفاده شود.به عنوان مثال، تشخیص یک اجرا از طریق ردیاب تناسب اندام می تواند باعث کاهش موقت در شرکت های پایه انسولین شود. [F]

نظارت از راه دور و Telehealth

ارائه دهندگان خدمات بهداشتی می توانند به داده های گلوکز در زمان واقعی، هشدار سیستم و الگوهای استفاده از راه دور برای تنظیم تنظیمات دسترسی داشته باشند و فقط در زمان مربیگری ارائه دهند.این مدل به ویژه در طول بیماری های همه گیر و برای بیماران در مناطق روستایی ارزشمند است. ادغام سیستم های پانکراس مصنوعی با سیستم های telehealth می تواند به جای مراقبت های واکنشی فعال باشد.

توسعه فراتر از دیابت نوع 1

در حالی که بیشتر تحقیقات پانکراس مصنوعی بر روی T1D متمرکز شده است، این تکنولوژی برای دیابت نوع 2 مورد بررسی قرار می گیرد، به ویژه در بیماران مبتلا به انسولین درمانی فشرده، تحویل انسولین خودکار می تواند هیپوگلیسمی را کاهش دهد و مدیریت ساده برای افرادی که دیابت نوع 2 دارند که نیاز به رژیم های پیچیده انسولین دارند.

الگوریتم شفافیت و نوآوری Open-Source

پروژه های مبتنی بر جامعه مانند OpenAPS و Loop نشان داده اند که کاربران با انگیزه می توانند سیستم های حلقه بسته خود را بسازند و کار کنند، اغلب با نتایج قابل مقایسه با سیستم های تجاری، این تلاش ها باعث شده است تا تولید کنندگان و تنظیم کنندگان را به سرعت نوآوری و اتخاذ استانداردهای باز تر ترغیب کنند. آینده احتمالا شامل اجزای قابل همکاری (intererable CGM، پمپ، و الگوریتم) است که کاربران را قادر می سازد تا دستگاه ها و دستگاه های مختلف را با هم ترکیب کنند.

برای یک نگاه عمیق به سیستم های پانکراس مصنوعی منبع باز، ببینید باز کردنAPS طراحی مرجع .

نتیجه گیری

سیستم های مصنوعی پانکراس از نمونه های آزمایشی به ابزارهای معتبر و تجاری موجود منتقل شده اند که به طور معنی داری زندگی افراد مبتلا به دیابت را بهبود می بخشد، با خودکار کردن تحویل انسولین، این سیستم ها بار نظارت مداوم گلوکز و تصمیم گیری را کاهش می دهند، کنترل گلیسمیک را بهبود می بخشد و یک نگاه اجمالی به آینده ای ارائه می دهند که مدیریت دیابت واقعا شخصی شده است.