התפתחות משלוח סגור-Loop Insulin

מטרתה לשחזר את התפקוד הפיזיולוגי של pancreas בריאה הובילה טכנולוגיית סוכרת במשך עשרות שנים. משאבות אינסולין מוקדמות וצגים גלוקוז רצופים (CGM) כל ניהול גליצרמי משופר בנפרד, אבל הלבלב המלאכותי - הידוע גם כמערכת סגורה-loop - מייצג שילוב אמיתי של חישה, חישוב, ומשלוח אוטומטי.

בעוד מערכות סגורות ראשוניות הסתמכות רק על קריאה לגלוקוז כדי לשנות את האינסולין הבזל והבולוס, הם לא יכלו לצפות את ההשפעות העמוקות של פעילות גופנית, ארוחות, לחץ, או לישון על רמות גלוקוז בדם.הדור הבא של טכנולוגיית הלבלב מלאכותית מנסה לגשר על הפער הזה על ידי הפחתה של נתונים מישולים, יומני מזון ואפילו חיישנים פיזיולוגיים כדי ליצור התפתחות הוליסטית יותר ותגובה.

כיצד פועל Pancrea מלאכותי

בליבתו, מערכת הלבלב מלאכותי מורכבת משלושה מרכיבים משולבים: לפקח גלוקוז מתמשך (CGM) שמצביע על גלוקוז בין-דתי כל כמה דקות, משאבת אינסולין המספקת אינסולין מהיר, ואלגוריתם בקרה מחשב את המינון אינסולין המתאים.האלגוריתם, לעתים קרובות על בסיס יחסי- integral-derative-derative-pID) או מודל-predic control מסגרת (MP) מחליט במידה רבה כדי לשמור על טווח אינסולין.

מערכות סגורות מוקדמות דורשות למשתמשים להודיע באופן ידני על ארוחות או להתאים את שיעורי הבסטל זמניים עבור פעילות גופנית - הגבלה כי מופחתת אוטונומיה.מחקר מודרני משלבת למידה מכונה וניתוח חיזוי כדי להכשיר את ההחלטות האלה.על ידי עיבוד זרמי נתונים של אורח חיים, האלגוריתם יכול לצפות סיורים גלוקוז לפני שהם מתרחשים, המאפשרת התאמות אינסולין טרום-מספקטיבי כי לחקות את יכולת הלבלב בריאים להגיב למגוון רחב של קלטות.

אדריכלות שליטה ו-Data Fusion

שתי גישות אלגוריתמיות עיקריות שולטות בתחום. MPC משתמש במודל מתמטי של דינמיקת גלוקוז-ינסולין כדי לחזות רמות גלוקוז עתידיות ואופטימיזציה של משלוח אינסולין על פני אופק מתגלגל. pID בקרים להגיב באופן יחסי לשגיאה הנוכחית של גלוקוז, האינטגראלי שלו (התקבלות האחרונות), ואת נגזרתו (השינוי) שלה נהנה מקלטי נתונים נוספים; לדוגמה, MPC יכול לשלב הערכות של פחמימות וסימנים לב כדי להתאים את הפעילות הגופנית שלה.

טכניקות היתוך נתונים משלבות זרמי חיישן מרובים - CGM, accelerometer, צג קצב הלב, טמפרטורת העור ואפילו התנהגות העור - לאמדן מצב אחד. תמונה זו של ההקשר המטבולי של המשתמש מאפשרת לאלגוריתם להבחין בין יום sentary ליום של עבודה פיזית אינטנסיבית, התאמת רגישות אינסולין בהתאם.

התפקיד הקריטי של נתונים בסגנון החיים

רגולציה Glycaemic אינה רק פונקציה של אינסולין וגלוקוז; זה מאוד טבילה עם התנהגויות יומיומיות. פעילות גופנית מגבירה את הרגישות אינסולין במשך שעות, לפעמים עד 12-24 שעות לאחר ניתוח, סיכון מאוחר-onset hypoglycaemia אם אינסולין dosing לא אחראי על "זיכרון שבץ" (exrcise), במיוחד אלה גבוה שומן וחלבון, איטי גז ריק וגורם לעיכוב תגובות הורמון הרחם כי הם עלולים להפחית את רמות נמוכות יותר של אינסולין, אם הם עלולים להפחית את רמות נמוכות יותר של דלקת הדם, אם הם עלולים להפחית את רמות נמוכות יותר, אם הם עלולים להפחית את החמצן נוגדות דלקת הדם נוגדות דלקת הדם, אם הם עלולים להפחית את רמת לחץ דם סטנדרטית לחץ דם, אם הם עלולים להפחית את רמות לחץ דם, במיוחד.

נתוני אורח החיים חודרים מאפשר לפנוקריטיס מלאכותיים לטפל בגורמים אלה לא כאנומליות אלא כמשתנים צפויים.המערכת יכולה ללמוד דפוסים אופייניים של המשתמש - קפה, הפסקת צהריים, מפגשים שבועיים - והתאמה מוקדמת של שיעורי ביאט או סף.שינוי זה מתגובה לשליטה הוא ההבטחה הבסיסית של אוטומציה מונחת על ידי נתונים.

מדוע אלגוריתמים מסורתיים נופלים קצרים

אפילו מערכות הגלוקוז המתקדמות ביותר רק סגורות נאבקות עם ארוחות לא ידועות ופעילות גופנית לא מתוכננת.ללא נתונים באורח החיים, בקר יכול להגיב רק לאחר גלוקוז מתחיל לעלות או ליפול, המוביל היפרגליקמיה פוסט-משפטי או hypoglycaemia המושרה פעילות גופנית.מדריך קלט באופן פרואקטיבי את המשתמש והוא הסתברות שגיאה.

סוגי נתונים בסגנון חיים והשפעותיהם

חוקרים מזהים כמה קטגוריות של נתונים של אורח חיים אשר משולבים כיום באב טיפוס הלבלב מלאכותי.כל סוג מציע כוח חיזוי ייחודי ומציג אתגרים נפרדים במונחים של דיוק חיישן, תאימות למשתמש ופרשנות אלגוריתמית.

  • (FLT:0) פעילות גופנית נתונים FLT:1: Accelerometry, ספירת צעד, קצב לב ודפוסי תנועה מסייעים להעריך את צריכת האנרגיה ואת עוצמת התרגיל.
  • (FLT:0) מידע הקשור ל-Mealve (FLT:1): ספירת פחמימות באמצעות אפליקציה ניידת או אפילו הדמיה אוטומטית של מזון יכולה לספק את המאקרו-תזונה של הארוחה.עם זאת, ההשפעה הגליקמית של שומן וחלבון קשה יותר לדגם, כך שמערכות מתחילות לשלב קלטות של הרכב מעורבבות כדי לעכב או להאריך את העברת אינסולין.
  • (FLT:0)Stress ו- מצב רגשי מצב רוחי (מצב מנטאלי):1: חיישנים בעלי יכולת ללבוש מדידת העור, קצב הלב ורמת השינה יכולים לסמן לחץ חריף או כרוני. Algorithms יכול אז להעלות באופן זמני את יעד הגלוקוז או להגביר את הרגישות לאינסולין כדי להפחית את היפרגליקמיה המושרה ללחץ.
  • (FLT:0) מדדי משקל (FLT:1: Duration, Quality andשלבים (REM vs. Deep Sleep) משפיעים על הרגישות לאינסולין ושחרור הורמון נגד רגולציה.מערכות שמזהות שינה ירודה יכולות להתאים את שיעורי הבסטל לילה למניעת תופעה או היפרגלימיה ממושכת.
  • (FLT:0)Menstrual מחזור וריאציות הורמונליות וריאציות הורמונליות: מחקר מראה יותר ויותר כי רגישות אינסולין משתנה לאורך מחזור הווסת ובמהלך גיל המעבר. מספר קטן של מחקרים אוספים כעת נתונים הקשורים מחזור כדי להתאים את אינסולין משלוח בהתאם.

זרמי נתונים אלה משולבים לעתים קרובות לתוך מודל מותאם אישית כי הוא מעודכן באופן רציף באמצעות למידת מכונה.לדוגמה, מערכת עשויה ללמוד כי משתמש מסוים תמיד חווה עלייה של 30 מ"ג / dL גלוקוז כאשר הם מתחילים את הבוקר שלהם (לחץ פסיכולוגי) ולהתאים את קצב הבסטל הבוקר בהתאם.עם הזמן, הלבלב מלאכותי בונה תאום דיגיטלי של התגובה המטבולית של המשתמש לאירועים שונים.

היתרונות של אוטומציה של נתונים-Driven

היתרון העיקרי של שילוב נתוני אורח החיים הוא שיפור תוצאות גליגליצריות מבלי להגדיל את העומס הקוגניטיבי על המשתמש.על ידי הפעלת קבלת החלטות שהייתה בעבר ידנית (הודעות מיידיות, טיפול טרום טיפול, ניהול מתח), המערכת משחררת את הפרט מערגן מתמיד. ניסויים קליניים הראו כמה יתרונות למדידה.

  • (FLT:0) הוליד hypoglycaemia במהלך ואחרי התעמלות: מערכות באמצעות קצב לב ונתונים accelerometer יכול להפחית אינסולין בישומי עד 50% במהלך פעילות מתונה, להפחית את הסיכון של סוכר בדם נמוך הקשור לפעילות גופנית על ידי יותר מ -70% במחקרים מסוימים.
  • (FLT:0) מעקב אחרי אימון גופני של LT:1; תחזיות חיזוי המבוססות על גודל הארוחה והרכב, בשילוב עם גילוי מוקדם של עלייה בגלוקוז, משפרות את משך הזמן ב -10-15 נקודות בהשוואה לאספקת אינסולין אוטומטית סטנדרטית.
  • (FLT:0) עדיף על יציבות לילה 1 (Valveing איכות השינה וסמן הלחץ מסייע למנוע את תופעת השחר ולהפחית hypoglycaemia nocturnal, שיפור קריאה גלוקוז בבוקר.
  • (FLT:0) איכות החיים מוכחת 1: משתמשים מדווחים פחות מצוקה סוכרתית, פחות אזעקה, ואמון גדול יותר ביכולת המערכת לטפל בגמישות היומיומית.אוטומציה מפחיתה את הצורך בבדיקות גלוקוז תכופות ותיקוןי מזהמים.
  • (FLT:0) התאמת יכולת הסתגלות של 1 בינואר: כאשר האלגוריתם לומד דפוסים של משתמש, הוא יכול להתאים באופן אוטומטי לשינויים בשגרה - כגון לוח זמנים עבודה חדש, נסיעות ברחבי אזורי זמן, או וריאציות עונתיות בפעילות גופנית.

מחקרים ומחקרים קליניים

קבוצות מחקר רבות וחברות חוקרות באופן פעיל מערכות הלבלב מלאכותיות של סגנון חיים.המכון הלאומי לסוכרת ומחלות עיכול ו- Kidney Disease (NIDDK) LT:1 מכספים מספר ניסויים רבים חוקרים באסטרטגיות שונות של אינטגרציה נתונים.פרויקט אחד בולט, הניסוי הבינלאומי לסוכרת Closed-Loop (ID) הוא בדיקות מערכת מבוססת MPC אשר משתמשת בלב וספירה מצעד חכם לניהול רכב.

מאמץ חלוצי נוסף מגיע מאוניברסיטת וירג'יניה ומרכז הסוכרת של הרווארד, שבו הלבלב מלאכותי "חכם" משלב זיהוי ארוחה באמצעות מצלמה לבישה שתצלומים מזון והערכות פחמימות, שומן וחלבון.המערכת מחשבת בולוס מורחב כדי להתמודד עם ההשפעה הגליקפית העיכובה של ארוחות עתירי שומן.

בחזית המסחרית, מערכת 780G של מדטרוניק כבר מציעה צורה של התאמה לאינסולין אוטומטי, אבל היא עדיין דורשת הודעות ארוחות.בינתיים, פרויקט Tidepool Loop, יוזמה קוד פתוח, מוגדלת לתוך מוצר מסחרי שיאפשר שילוב של זרמי נתונים נוספים.

אתגרים ושיקולים אתיים

למרות ההבטחה, כמה מהמכשולים נשארים לפני מערכות הלבבות המונעות על ידי אורח חיים הפכו למיינסטרים.FLT:0 Data פרטיות ואבטחהFLT:1 הם ראשי תיבות: מערכת שאוספת קצב לב, מיקום GPS, דפוסי שינה וצריכה תזונתית יוצרת פרופיל בריאות רגיש מאוד.

(FLT:0) אלגוריה דיוק ובטיחות FIRLT:1) מציב אתגרים.מודלים של למידת מכונות המאומנים על אוכלוסייה אחת לא יכולים להכלל אנשים עם אורח חיים אחר, רקע גנטי, או תחלואה. חיובי כוזב מ חיישן מתח או ארוחה לא מחושבת יכול לגרום שגיאות מינון מסוכן.

(FLT:0User נטל ועייפות חיישן 1) לא ניתן להתעלם ממנו, בעוד המטרה היא להפחית את המאמץ האנושי, כמה מקורות נתונים - כמו הזנת מזון או קיטור חיישן - שמירה ידנית וייתכן להרתיע אימוץ. מעצבים חייבים להכות איזון בין עשירות נתונים ופשטות.

(FLT:0) גישה וזמינות FLT:1 הם גם קריטיים.מערכות הסגורות הנוכחיות יקרות, והוספת חיישנים מתקדמים כמו שעונים חכמים או צגלוקוז פלאש מגבירים את העלות. Payers ומערכות בריאות זקוקים לראיות לחיסכון בעלויות לטווח ארוך באמצעות סיבוכים מופחתים ומרפאות כדי להצדיק כיסוי.

כיוונים עתידיים וחדשנות

המחקר הוא מאיץ לעבר הלבלב מלאכותי לחלוטין, בסגנון חיים-אדפטיבית, כמה חידושים של הדור הבא נמצאים באופק.

  • (FLT:0) מערכות מופרי-hormone LT:1; הוספת glucagon או pramlintide למשאבת האינסולין יכול עוד סיורים גלוקוז חלק. Lifestyle נתונים יכולים להנחות את התזמון והמינון של הורמונים משניים אלה - לדוגמה, ירידה במשלוח glucagon במהלך התרגיל כאשר הגוף באופן טבעי מקטין את ייצור הגלוקוז אנדוגנזוגן.
  • (FLT:0) היתוך חיישן בר קיימא 1R: מערכות עתידיות כנראה משלבות CGM, חיישן קצב לב אופטי, מדמטר של שלוש צירים, חיישן טמפרטורה עור, ואפילו מנתח ביוסמן זיעה לתוך כתם יחיד שמתקשר עם אלגוריתם המשאבה.
  • (FLT:0) מודלים מבוססי AI inferenceFIRLT:1: כדי לשמר את חיי הסוללה ולהגן על הפרטיות, מודלים של למידת מכונה על שכפול יעבדו נתונים באורח מקומי במקום לשלוח אותו לענן.זה מקטין סיכונים לביטחה וביטחוניים תוך מתן הסתגלות בזמן אמת גם כאשר קישוריות אבדה.
  • (FLT:0 מותאמים דיגיטלית תאומות FLT:1): שימוש בגלוקוז ההיסטורי של המשתמש, אינסולין ונתוני אורח חיים, תאום דיגיטלי של חילוף החומרים של הפרט ניתן ליצור ולסימולציה בין לילה.הלבבות המלאכותיים יכולים אז "לבדוק" אסטרטגיות שונות של מינון בשריקו לפני החלתם, המוביל לשליטה בטוחה ויעילה יותר.
  • (FLT:0) התנהגותית אנקדונדים ואימון: מעבר לאוטומציה של המינון, המערכת יכולה לספק המלצות אישיות - כמו להציע חטיף מראש או להזכיר למשתמש להתייבשות - בהתבסס על אותו נתונים באורח החיים.זה מעביר את הלבלב המלאכותי ממכשיר רפואי טהור לעוזר בריאות הוליסטית.

ככל שהחידושים האלה מתבגרים, הלבלב המלאכותי צפוי להיות מרכיב סטנדרטי של טיפול בסוכרת, בדומה לשאיבה אינסולין ו- CGMs הם היום.המשולב המרכזי יהיה כמה חלקה הוא משתלב לתוך חיי המשתמש ללא תשומת לב תובענית או קלט ידני.

מסקנה

האוטומציה של התאמות מינון אינסולין בהתבסס על נתוני אורח חיים מייצגת שינוי פרדיגמטי בניהול סוכרת.על ידי מעבר לולאות משוב גלוקוז בלבד ואימוץ העושר של מידע קונטקסטואלי – פעילות גופנית, ארוחות, שינה ולחץ – הלבלב מלאכותי יכול להציע לולאות משוב אישיות, פרואקטיביות ומינימום טיפול פולשני של אנשים סביב פרטיות, אלגוריתם, נגישות, ולהישאר, הקהילה עושה התקדמות קבועה של זמן כדי לשפר את רמת חיים אוטונומית, במקום טיפול עצמי.

(ב) [ה] [ה]] [ה]] [ה]] [ה]], ראו את כתב העת המלאכהי של האגודה האמריקאית לסוכרת:2 [ה] עבור תוצאות הניסוי האחרונות, או לבקר ב-FLT 3,3] דף הפנסים המלאכותיים של JDRFLT:4 עבור מידע מוכוון-מטופל.