Johdanto

Keinotekoisen haimajärjestelmän kehittäminen on yksi kunnianhimoisimmista diabeteksen hoidossa. Näissä automaattisissa insuliinin annostelujärjestelmissä yhdistyvät jatkuva glukoosin monitori (CGM), insuliinipumppu ja kontrollialgoritmi, joka jäljittelee terveen haiman toimintaa. Lapsille, joilla on tyypin 1 diabetes, luotettava tekohaima voi vähentää dramaattisesti jatkuvaa glukoosin tarkistusta ja insuliinin säätöä ja samalla pienentää riskiä sekä hypoglykemian että pitkän aikavälin komplikaatioiden. Kuitenkin tämän teknologian muuttaminen aikuisväestöstä lastenkäyttäjille tuo mukanaan joukon vaikuttavia teknisiä esteitä, jotka kattavat sensorien suorituskyvyn, algoritmin mukautumiskyvyn, laitteiston suunnittelun ja sääntelyn turvallisuuden. Tässä artikkelissa tarkastellaan näitä haasteita ja tarkastellaan innovaatioita, jotka tasoittavat tasaisesti tietä kohti turvallisia, tehokkaita ja lasten kannalta ystävällisiä keinopank.

Viimeaikaiset kliiniset tutkimukset ovat osoittaneet, että hybridejä suljettuja silmukkajärjestelmiä voidaan parantaa 10 .15% lasten kohorteissa verrattuna sensorilla opetettuun pumppuhoitoon. Kuitenkin tie täysin automatisoituihin, valvomattomiin järjestelmiin lapsille on edelleen jyrkkä. Lasten ja aikuisten fysiologiset erot ovat suuria.Näin ollen lasten ja aikuisten välillä on fysiologisia eroja, kuten insuliiniherkkyyden lisääntyminen, glukoosin nopeammat vaihtelut ja arvaamaton kasvu.

Tärkeimmät tekniset haasteet lasten keinotekoisten haitallisten kehitys

Anturi Tarkkuus ja miniaturointi

CGM on perusta kaikki suljettu-silmukka järjestelmä. Lapsipotilailla, anturin on oltava paitsi erittäin tarkka, mutta myös fyysisesti pieni ja mukava päivittäin kulumista lapsen käsivarsi, vatsa, tai reidet. Lapset ovat ohuempi ja vähemmän ihonalainen kudos kuin aikuiset, jolloin sensori asentaa kivulias ja lisää riskiä sijoiltaanmenon. Lisäksi nopea kasvu ja toistuvat muutokset kehon koostumus voi vaikuttaa sensorien suorituskykyä ajan. Haaste on pahentaa tarvetta pidempi sensori kulumista elinikä (7.14 päivää) vähentää tulehduksen ja fibroosin asentaminen asennussivustolla, jotka ovat merkittävä syy edistyneille bioyhteensopivia pinnoitteita tai joustavat sähköde malleja. Lisäksi -kehon vastaus[[[]]] lasten iholle ominaisella].

Algoritmi Sopeutumiskyky muuttuvaan fysiologiaan

Lapset ja aikuiset ovat paljon dynaamisempia. Kasvupyrkimyksiä, hormonaalisia vaihteluja murrosiän aikana, ennalta arvaamatonta liikuntaa ja epäsäännöllisiä ateriamalleja kaikki aiheuttavat nopeita ja usein dramaattisia veren glukoosin vaihteluja. Hallintaalgoritmi, joka toimii hyvin paikallaan olevan aikuisen kannalta, voi olla reagoimatta riittävän nopeasti lapseen sprint-piikkiin leikkikentällä tai yllätyssynttäkakkuun. Algoritrin on siksi oltava [] adaptiiviselta ja usein dramaattiselta verensokeritasolta.

Laitteiden integrointi ja käyttökelpoisuus

Keinotekoinen haimajärjestelmä koostuu useista osista.CGM, insuliinipumppu, ohjain (usein älypuhelin tai omistettu laite) ja viestintäyhteydet. Lapselle koko järjestelmän on oltava huomaamaton, kestävä ja vedenpitävä. Tubeeraus voi sotkeutua nukkuessa tai leikittäessä; liimalaastarit voivat aiheuttaa ihoärsytystä tai allergisia reaktioita; ja pumpun itsensä on oltava riittävän pieni mahtumaan vaatteisiin ilman että se on suuri. Akun kesto on myös kriittinen: keskipäivällä kuoleva järjestelmä voi jättää lapsen ilman insuliinin toimitusta tuntikausiksi. Suljetun lokerolaitteen suunnittelu, joka yhdistää kaikki nämä osat yhteen lasten pakkaukseen, on edelleen merkittävä tekninen haaste.

Yhteentoimivuus ja viestinnän luotettavuus

Langaton kommunikointi CGM:n, pumpun ja ohjaimen välillä on tyypillisesti Bluetooth Low Energyn kautta. Lasten ympäristössä muiden laitteiden signaalihäiriöt, fyysinen este vaatteiden tai huonekalujen kautta, ja ohjaimen akun tyhjennys voi häiritä suljettua silmukkaa. Menetetty yhteys yli muutaman minuutin ajan voi aiheuttaa insuliinin toimittamisen tauon tai siirtymisen ennalta ohjelmoituihin perustasoihin, mikä saattaa johtaa hyperglykemiaan. Valmistajat ottavat käyttöön []-järjestelmän, jolla voidaan ylläpitää liitäntää []]-järjestelmän, joka mahdollistaa automaattisen insuliininjakelujärjestelmän , jota tuetaan -aloitteessa.

Sensoriteknologian kehitys

Next-Generation Jatkuva Glukoosimonitorit

Viime vuosina on havaittu merkittäviä parannuksia CGM-teknologiassa. Dexcom G7 ja Abbott Freestyle Libre 3 -laitteet ovat nyt huomattavasti pienempiä[]] kuin edeltäjänsä, ja niiden inserttisyvyys optimoitu lasten iholle. Nämä anturit käyttävät kehittyneitä sähkökemiallisia elementtejä ja tehdaskalibroituja malleja, jolloin päivittäinen sormien jalustan kalibrointien tarve poistuu. Tarkkuus, mitattuna keskiarvolla absoluuttisesta suhteellisesta erosta (MARD), on pudonnut alle 9 prosenttia lasten kohorteissa, jotka täyttävät automaattisen insuliinin jakelun tiukat vaatimukset, jotka ovat myös kehittäneet anturit, joilla on tehostettu biokompesitiiviset pinnoitteet tulehdusten ja signaalien kulkeutumisen vähentämiseksi pidennetyn kulumisen aikana.

Ei-invasiiviset ja minimaalisesti invasiiviset lähestymistavat

Neulojen poistamiseksi useat ryhmät harjoittavat ei-invasiivisia glukoosin seurantamenetelmiä. Optiset sensorit käyttävät lähi-infrapunaa tai Raman spektroskopiaa, transdermaalista käänteisionitoforeesia ja mikroneulerakenteet ovat eri kehitysvaiheissa. Vaikka ei-invasiiviset CGM:t eivät ole vielä vastanneet kaupallisten ihonalaisten anturien tarkkuutta, [] mikroneula-pohjaisten laitteiden [] . Ne läpäisevät vain uloimman ihokerroksen. Esimerkiksi yliopiston tutkijat ovat osoittaneet kivuttoman mikroneulalaastarin, joka mittaa glukoosia interstitiaalinesteessä ja kommunikoi langattoisella tavalla älypuhelimella. Jos tällaiset teknologiat ovat kypsiä, ne voivat parantaa lasten käyttöönolevien käyttäjien hyvinvointia ja mukavuutta.

Anturi Kestävyys ja kalibrointi reaalimaailman olosuhteissa

Lasten on oltava aktiivisia ja niiden anturien on kestettävä taivutusta, vaikutuksia, hikeä ja uimista. Valmistajat käyttävät nyt joustavia virtapiirialustoja ja vankkoja vedenpitäviä liimoja, jotka säilyttävät eheyttä 10.14 päivän ajan. Samalla automatisoidut kalibrointialgoritmit, jotka [[] itsekorjaavat[[[]]]] signaalin drifikaation tai paine- tai paine- tai paine- tai paine-aine-esineet (tunnetaan paineen aiheuttamaksi vaimennus) integroidaan suljettuun silmukka-laitteistoon. Nämä edistysaskeleet varmistavat, että CGM-tiedot, jotka syötetään algoritmiin, pysyvät luotettavina myös silloin, kun on kyse lasten päivittäisestä elämästä kaoottisesta tilasta. Dexcom G6 ja G7 käyttävät tehdas-kalibroitua suunnittelua, jossa anturia on esisäädelty valmistuksen aikana, vähentäen kalibrointivirheitä, jotka ovat aiemmin syntyneet käyttäjän-rakennnaista sormista.

Algoritmin optimointi pediatriseen fysiologiaan

Koulutus Machine Learning Models lastentautien data

Opintojakson aikana on tarkoitus kehittää oppilaskohtaisia malleja, jotka ovat erityisen hyvin lasten kannalta, koska MPC soveltuu lasten glukoosi-insuliini-dynamiikkaan ja sen avulla voidaan optimoida insuliinin annostelua.

Fyysisen aktiivisuuden ja ruoka-ajan vaihtelun käsittely

Yksi vaikeimmista algoritmisista haasteista on ennalta ilmoittamatta tapahtuvan liikunnan vaikutusten ennustaminen. Lapsilla jopa lievä fyysinen toiminta voi aiheuttaa glukoosin nopeaa alenemista, kun taas voimakas anaerobinen liikunta (esim. spring) voi aiheuttaa ohimenevän nousun. Edistyneet algoritmit sisältävät nyt [] aktiivisuuden toteamisen []] käyttäen älykello- tai puhelin- ja algoritmin kiihtyvyystietoja. Jos algoritmi aistii kohonneita liikemalleja, se voi proaktiivisesti vähentää perusinsuliinin määrää tai antaa hiilihydraatteja koskevan ehdotuksen. Samoin, aterianilmaisinmoduulien on oltava huolellisesti viritettyjä, jotta vältetään liian voimakas reagoiminen vääriin positiivisiin tuloksiin. Viimeaikainen työ Virginian yliopistosta Diabetes-teknologialle .] käyttää yhdistelmämenetelmää, joka vähentää jokaisen väliaineen tai aktiviteetin ilmoittamista manuaalisesti.

Turvallisuuden rajoitteet ja turvamekanismit

Koska lapset eivät aina voi viestiä hypoglykemian oireita, algoritmilla on oltava useita turvallisuustasoja. Ennakoiva alhainen glukoosin keskeytys on nyt standardi: kun algoritmi ennustaa glukoosin arvon alle tietyn kynnyksen 30 minuutissa, se automaattisesti keskeyttää insuliinin toimittamisen ja hälyttää huoltajaa. Lisärajoitteet sisältävät maksimit yhden boluksen raja-arvot, muutosnopeuden vaimennusten ja . Nämä turvallisuusbolukset ovat tarkoituksellisesti varovaisia. Jokainen päätös rajoittaa lasten fysiologiasta johdettua turvakuorta. Monet järjestelmät vaativat myös matemaattisesti järjestelmän uudelleenvaltuutusta esimerkiksi älypuhelimen sovelluksen avulla ennen normaalin toiminnan aloittamista keskeytyksen jälkeen.

Personointi digitaalisten kaksosten kautta

Seuraava askel algoritmin optimoinnissa on digitaalisen kaksosen käyttö.Mitä virtuaalista kopiota lapsesta on käytössä samanaikaisesti reaalimaailman laitteen kanssa? Kun digitaalinen kaksonen voi jatkuvasti päivittää malliaan sensoritietojen perusteella, se voi simuloida ...mitä-if... skenaarioita (esim., . . . . ... jos annan tämän annoksen nyt, mikä glukoosi on kahdessa tunnissa?....) ja antaa algoritmille mahdollisuuden valita turvallisimman toiminnan. Tulevien järjestelmien kliiniset tutkimukset digitaalisten - win-parannettujen MPC:n kanssa ovat osoittaneet parempaa aikaa --in-range ja vähemmän hypoglykeemisiä tapahtumia verrattuna vakioalgoritmien. Yhdistettynä pilvipohjaiseen koneoppimiseen, joka yhdistää dataa moniin käyttäjiin, tulevat olemaan yhä henkilökohtaisempia.

Turvallisuus- ja sääntelynäkökohdat

FDA ja kansainväliset sääntelypuitteet

U.S. Food and Drug Administration on vahvistanut erityiset lasten vaatimukset keinotekoisille haimalaitteille. ]FDA.s Tekon pancreas-laitejärjestelmän ohje [], valmistajien on tehtävä kliinisiä tutkimuksia, joissa on mukana lapsia yli 2-vuotiaita lapsia, joiden haittavaikutusten, kuten vaikean hypoglykemian, diabeettisen ketoasidoosin ja laitevian, tarkka seuranta on myönnetty useille pediatrisille keinotekoisille haimajärjestelmille. Säännöstössä on usein mukana ihmisen tekijöiden validointitutkimus[[], jotta varmistetaan, että huoltajat ja vanhemmat lapset voivat asianmukaisesti käyttää järjestelmää, tulkita hälytyksiä ja reagoida vikoihin. Euroopassa vastaavia vaatimuksia säännellään lääketieteellistä laitetta koskevalla asetuksella (MDR), jossa edellytetään myös kliinistä näyttöä lasten alaryhmille.

Kyberturvallisuus ja tietosuoja

Tekohain järjestelmät perustuvat langattomaan viestintään .Tyypillisesti Bluetooth Low Energy.Auto-, pumppu- ja valvoja- (usein älypuhelin) välillä. Tämä hyökkäyspinta herättää huolta pumpun luvattomasta käytöstä tai insuliinin toimituskomentojen haitallisesta muuttamisesta. Sääntelyelimet vaativat nyt valmistajia toteuttamaan vahvoja []-cyberturvallisuustoimenpiteitä, mukaan lukien salatut tietojen siirtotavat, pariskuntien väliset luvaton tunnistus ja väärentämisen estävän laiteohjelmiston päivitykset. Lasten laitteita varten on annettu lisäsuoja, jotta lapsi ei vahingossa pääse eroon turvaominaisuuksista. JDRF[ ja muut edunvalvontaryhmät ovat julkaisseet alan kattavia turvastandardeja vaativia valkoisia papereita.

Hoitaja hälytys Väsymys ja käyttäjän varaama suunnittelu

Hälytykset matalan glukoosin, korkean glukoosin, anturivirheiden, pumpun tukkeumien ja akkuvaroitusten varalta voivat johtaa nopeasti hälytysväsymystä vanhemmille. Jos järjestelmä on liian äänekäs, huoltajien on voitava poistaa hälytykset tai jättää ne huomiotta, kumota turvaverkko. Tämän torjumiseksi nykyaikaiset järjestelmät älykkäästi priorisoivat hälytykset, tukahduttavat ei-kriittiset ilmoitukset yöllä ja käyttävät kasvavaa kiiretasoa. Käyttöliittymän on oltava riittävän intuitiivinen, jotta stressiinen vanhempi ymmärtääkseen yhdellä silmäyksellä. Ihmistekijöiden tekniset tutkimukset ovat nyt vakio-osa kehitystä, jossa iteratiiviset testit suoritetaan kotiympäristössä, jossa huoltajan kokemus on optimoitava.

Kliininen validointi ja todelliset tulokset

Lastentautien kliiniset tutkimustulokset

Äskettäiset maamerkit ovat osoittaneet hybridien suljettujen silmukkajärjestelmien tehon lapsilla. [CLOSE-tutkimus (Control-IQL in Youth) (Control-IQL in the Youth) -tutkimus osoitti, että Tandem Control-IQ-järjestelmää käyttävät lapset saavuttivat keskimäärin 70%:n ajanoton, kun taas kontrolliryhmässä ne olivat 56%:n luokkaa, eikä vakavia hypoglykemiaa, käyttäjien virheitä ja pitkän aikavälin tuloksia ole lisätty. Kahdeksan lapsitutkimuksen meta-analyysi osoitti, että sensori-aukeaman pumpun hoito, suljettujen sammutusjärjestelmien ja laaja-alaisen koulutuksen ja reaalimaailman käytön välillä on ollut eroja.

Käyttäjän palaute ja iteratiiviset parannukset

Käyttäjän ääni on tärkeä näiden järjestelmien jalostamiseksi. JDRF[] ja ovat ilmoittaneet jatkuvasti, että perheet priorisoivat unilaadun (ilmaisyöhähälytykset), harkinnan (pienempien) ja yksinkertaisuuden (lähinnä manuaalisen boluksen käynnistämisen vaiheet). Vastauksena valmistajat ovat ottaneet käyttöön unen toimintatilan[[]], joka tiukentaa glukoosin käyttöä koskevia tavoitteita yön yli, ja [ boluslaskimet[[[[]]]], jotka oppivat lapsen insuliini-to-karbohydraatti-järjestelmän.

Tulevaisuuden ohjeet

Tekoälyn ja digitaalisten kaksosten integrointi

Seuraavana rajana on -digitaalisen kaksosen -teknologian käyttö. Jos annan tämän annoksen, mikä on glukoosin määrä kahdessa tunnissa, mutta myös makropähkinän koostumus, ja jos algoritmin avulla voidaan valita turvallisin toiminta. Digitaalisten ja erittäin tehokkaiden MPC-järjestelmien varhaiset kliiniset tutkimukset ovat osoittaneet parempaa aikaa ja vaihtelua ja vähemmän hypoglykeemisiä tapahtumia verrattuna vakioalgoritmiin. Yhdessä pilvipohjaisen koneen kanssa, joka yhdistää tietoja moniin käyttäjiin, tulevat järjestelmät tulevat yhä enemmän henkilökohtaisemmiksi.

Implantoitavat ja täysin suljetut silmukkajärjestelmät

Tutkijat pyrkivät myös täysin implantoitavissa oleviin keinotekoisiin haiman komponentteihin. Implantoitava CGM, joka kestää 90..180 päivää, voisi poistaa usein sensorien muutosten tarpeen, kun taas implantoitava insuliinipumppu, jossa on täytettävissä oleva säiliö, poistaisi ulkoiset letkut kokonaan. [SENSE-hanke[] (Entraditional Control -teknologia) tutkii biohajoavia sensoreita, jotka hajoavat vaarattomasti tietyn ajanjakson jälkeen ja vähentävät ulkokehon reaktioita. Implantoitavat laitteet vaativat kuitenkin kirurgisia toimenpiteitä ja kantavat infektio- ja muuton riskejä, joten niiden rooli lasten hoidossa voidaan alun perin varata vanhemmille nuorille tai lapsille, joilla on äärimmäisiä sensori-adhesion ongelmia.

Potilaslähtöinen suunnittelu ja tosimaailman näyttö

Lasten keino haiman menestys riippuu myös lasten ja heidän perheidensä hyväksynnästä. Tulevaisuuden kehitys korostaa enemmän ko-suunnittelua[.]. Lasten, vanhempien ja lasten endokrinologien ottaminen mukaan kaikissa vaiheissa konseptista lopputuotteeseen. Gamisointi, kuten palkkiosovellukset, jotka kannustavat lapsia pitämään glukoosin pitoisuussä, on osoittanut lupausta lisätä sitoutumista. Lisäksi tosimaailman näyttö, joka kerätään suurten rekisterien (esim. T1D Exchange) kautta, auttaa sääntelyviranomaisia ja valmistajia jatkuvasti parantamaan turvallisuutta ja käytettävyyttä. Tavoitteena on edistää vakuutusturvaa ja laajaa adoptiota. Alkututkimukset viittaavat siihen, että keinotekoiset haimajärjestelmät vähentävät diabetesta ja parantavat niiden tuottavuutta, mikä lisää niiden osallistumista. Lisäksi tosimaailmassa kerättyjä tietoja (esim. T1D Exchange) auttaa sääntelyviranomaisia ja valmistajia parantamaan jatkuvasti turvallisuutta ja parantamaan sairauden hallintaa.

Lasten keino haiman kehittämisen teknisten esteiden ylittäminen on monitieteinen yritys, joka edellyttää sensoritieteen, koneoppimisen, materiaalitekniikan ja ihmisen tekijöiden suunnittelun kehittämistä. Vaikka haasteita on edelleen algoritmeissa ja laitteiden kulumiskyvyssä.Innovointi kiihtyy.Akatemian, teollisuuden ja sääntelyelinten yhteistyön jatkuessa luvattu turvallinen, tehokas ja lapsiystävällinen keino haima siirtyy jatkuvasti laboratoriosta jokapäiväiseen kliiniseen käytäntöön. Tämä teknologia ei tarjoa vain parempaa glukoosin hallintaa, vaan myös todellista parannusta elämänlaatuun.