Table of Contents

Наслідок довгої розвідки космічної техніки — від розширених решток борту Міжнародного космічного вокзалу (ІСС) до майбутнього місячних місій Артемісу та присуджених екіпажів до Марса — дає нове покоління медичних технологій. Серед найбільш перспективних нововведень — штучна підшлункова система, призначена для автоматичного регулювання рівня глюкози. Спочатку розроблені для управління цукровим діабетом 1 на Землі, ця технологія має трансформативний потенціал для підтримки здоров’я астроната в екстремальному середовищі простору. Мікрогравітність, радіаційні та ресурсні обмеження створюють унікальні виклики, які необхідно вирішувати, але вони також приводять інновації, які можуть покращити догляд за мільйонами наших людей.

Імперативне управління клекозами за межами низькоземного орбіту

Історично, космічні агентства, такі як НАСА, виключили членів екіпажу з інсулінозалежній цукровий діабет з багаторічних місій через ризики гіпоглікемії і складність управління інсуліном в мікрогравітності. Однак, як комерційний простіррозширюється і місії зростають довше, демографічна космічні мандрівників пересувається. Навіть недіабетичні астрономи відчувають суттєві зміни в метаболізмі глюкози при просвіті. Дослідження показали, що мікрогравітність позначає зміни чутливості до інсуліну і толерантності до глюкози, частково через зсуви рідини, які впливають на обсяг крові і розподіл. Стресові гормони, змінені візерунки сну, фізичні зміни

Необхідність стає ще більш гострою для місії Марса. Час переходу від 6–9 місяців кожного шляху, що поєднується з поверхневим перебуванням, що перевищує один рік, тобто, що члени екіпажу не можуть спиратися на наземну медичну підтримку через затримки зв'язку до 20 хвилин на одну сторону. Ручний контроль глюкози та налаштування інсуліну буде проходити неприйнятне когнітивне навантаження на астрономаути, які вже керує кількома критичними завданнями. Повністю автономна система, яка працює безперервно на фоні, не просто зручно, — це вимога безпеки.

Основні компоненти системи Closed-Loop

Штучний підшлункової залози, також відомий як система доставки замкненого вузла, поєднує три основні компоненти: безперервний контроль глюкози (CGM), інсуліновий насос, а також алгоритм управління. Заходи CGM міжституційні рівні глюкози кожні кілька хвилин і передає дані бездротово до контролера, що посилюється смартфон або спеціальний пристрій. Алгоритм обробляє ці читання і керує насосом, щоб забезпечити точні дози швидкого інсуліну при необхідності, з метою підтримки глюкози в рамках цільового діапазону. Додаткові системи також включають другий гормон, глукагон, щоб запобігти або виправити гіпоглікемію, створюючи двоконовий пропорційний

На Землі комерційні системи, такі як Medtronic MiniMed 670G і Tandem t:slim X2 з Control-IQ, показали чудові глікозні результати, порівняно з традиційними насосними терапіями або декількома щоденними ін'єкційами. Однак адаптація цих споживчих пристроїв для простору вимагає переосмислення кожного компонента, щоб витримати запуск вібрації, випромінювання, мікрогравітності та обмеженого залишку.

Фізіологічна юрделі в мікрогравіті

Алтеровані фармакокінетики субшкірної інсуліну

У мікрогравітності, боділі рідини зсуву цефаладу — перегородити голову — зменшити венозний басейн в ногах і збільшити центральний обсяг крові. Цей перерозподіл змінює поглинання і просвітлення підшкірно вводять інсулін. Параболічні експерименти польотів і дослідження ІС показали, що фармакокінетика інсуліну може змінитися, з потенційними відмінностями в піку і тривалістю. Наприклад, швидкість поглинання може прискорити або уповільнювати залежно від місця ін'єкцій і локальної тканини перфузії. Ця непередбачувана здатність робить відкриті дозування (дещо далеко пацієнт вручну розраховує і вводяє інсулін) меншою динамікою, можливо, можливо, можливо, якщо

Безперервна клекоза монітора Точність під мікрогравітністю

КГМ вимірюють глюкозу в міжступінчастій рідині підшкірної тканини. У мікрогравітності міжчасова динаміка рідини може змінюватися, оскільки не існує гравітаційної конвекції. Це може змінити час відставання між змінами глюкози та міжстим читанням глюкози - критичним фактором для виконання петля. Додатково, вставки датчика можуть бути уражені зниженим натяжністю шкіри, що призводить до мікро-мов, що пошкоджені читання. Дослідження на ІКС почали характеризувати ці ефекти, але виділені експерименти все ще необхідні для перевірки алгоритмів калібрування CGM для довгої ємності. Деякі дослідники пропонують автоматично перерізні дані, що , що , що використовуються , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

Флюїдні Shifts і Глюкоз розподільчі

За рахунок інсулінового поглинання загальний розподіл глюкози та його очищення від зміни крові в мікрогравітності. Центральне розширення рідини змінює кровоплину та функції нирок, яка може вплинути на виробництво глюкози та виведення глюкози. Контрагулятивно-регулятивне гормональне реагування на гіпоглікемію також може бути відбілений через модифіковану вегетативну функцію нервової системи. Штучні підшлункової залози повинні бути надійними для більш широкого спектру метаболічних станів, ніж зіткнулися на Землі. Адаптивні алгоритми, які вивчають індивідуальну відповідь члена екіпажу з часом, ймовірно, будуть набагато ефективніше, ніж стаціонарні системи.

Інженерні виклики для глибокої відповідальності

Радіаційні ефекти на електроніка та біологічні речовини

Прості радіаційні умови – це місце галактичного космічного випромінювання, сонячні частинки, що перенесли радіаційні пояси – це подвійна загроза. Для електроніки високоенергетичні частинки можуть викликати однопосередні осади, ригель-ап, а поступове деградацію компонентів. КГМ і інсулінові насоси повинні бути розроблені з радіаційно-твердою електронікою або використовувати щитовидні та надмірні можливості. Комерційно доступні пристрої споживача не радіаційно-тверді, вони, ймовірно, не будуть протягом тижнів або місяців в глибокому просторі. Космічні варіанти вимагають нестандартних інтегрованих ланцюгів (АСІК) або польових програмованих масивів.

Для біологічних тканин випромінювання підвищує окислювальну стрес і може пошкодити клітинки підшлункової бета, потенційно погіршуючи цукровий діабет протягом часу. Штучні підшлункової залози, що використовуються в просторі, повинні бути надійними проти апаратної недостатності і здатні компенсувати для прогресивної втрати ендогенного інсуліну виробництва. Деякі дослідники використовують для радіопротекції радіопротекторних методів або вбудованих резервів глюкону, щоб захопити від погіршення глікологічного контролю.

Ефективність ресурсів та мініатуризація

Кожен кілограм корисного навантаження на глибоку місію є дорогоцінною. Система штучних підшлункової залози повинна бути компактною, легкою, і енергоефективною. Поточний споживач CGMs і інсулінових насосів порівняно невеликими, але інтегруючи їх в єдиний пристрій з надійним джерелом живлення - дозволяє швидко перезаряджається за допомогою сонячних масивів або паливних клітин - перебудовується інженерний виклик. Споживачі, такі як інсулін, глюкона, сенсорні електроди, і батареї, повинні зберігатися протягом місяця або років з мінімальним деградаціям. Залишилося не опція на місії Марса, але система повинна працювати з кінцевим набором 3Dtu-сервера.

Механічна інтеграція в мікрогравітність

Механічні компоненти, такі як насоси і клапани, поводяться по-різному в мікрогравітності. Бугельне утворення в інсулінових резервуарах може порушити потік, оскільки газові кишенята не піднімаються і відокремлюють від рідини, як вони роблять на Землі. Фрикція в рухомих частинах може змінюватися через відсутність гравітаційних сил на мастилах. Флюїдна адгезію до поверхонь може вплинути на точність дозування. Датчик вставки - дрібні голки або нитки, які проникають на шкіру - не сидять належним чином через зниження натягу шкіри. Машильні розчини повинні враховуватися для цих явищ, можливо, через активне управління тиском, гідрофобні покриття, пружинно-завантажені механізми вставки або дегазації.

Автономія та толерантність до запору

На даний момент, коли вони мають обмежений час для усунення несправностей та обмеженого доступу до запасних частин. Штучні підшлункової залози повинні бути високонадійними, з небезпечними режимами, які запобігають гіпоглікемії або важкому гіперглікемії. Недостатність у датчиках та насосах є важливим. Система повинна бути автономна: вона повинна працювати з мінімальним втручанням людини, автоматично калібрувати, самооцінювати та оповіщення тільки при необхідності. Зв'язки затримки до 20 хвилин міжземним та Марсом, що автоматично можуть бути використані для повторного голосування, тому алгоритми з двома подвійними датчиками, які можуть автоматично реагувати на подвійні.

Прориви руху через космічні пригоди

Технології датчика

Вимоги до космосу – це розвиток ГМ, які менші, більш точні та довговічні. Дослідники досліджують неінвазивні датчики з використанням оптичних або електромагнітних методів, які можуть усунути необхідність транскутанних зон. Датчики флуоресценції, наприклад, менш схильні до пошкодження випромінювання і можуть бути імплантовані підшкірно для тривалого використання. Ще один підхід використовує при інфрачервоній спектроскопії для вимірювання глюкози через шкіру. Такі датчики будуть корисними для людей з Землі, які потребують більш тривалого часу носіння та менших калібрувальних речовин, які потенційно навіть постійними датчиками імплантації з термінами життя декількох років.

Адаптивно-вчитися алгоритми

Алгоритми, які регулюють штучну підшлункову залозу, повинні адаптуватися до зміни фізіології протягом часу. У просторі, де інсулін чутливість може повільно дрейфувати через атрофію м'язів, зсуви рідини, або радіаційний вплив, моделі машинного навчання можуть безперервно перенапружуватися на вхідних даних. Підходи підвищення кваліфікації можуть оптимізувати дозування інсуліну без необхідності чітких моделей фізіологічних змін. Ці ж адаптивні алгоритми можуть застосовуватися до систем на основі Землі для пацієнтів, які інсулін потребує зміни через хворобу, вправу або стресу. Наприклад, система, яка вивчає для прогнозування післяпродажних глюкозаних екскурсій на основі складу їжі і термінів може зменшити гіпотично-емічний синдром.

Архітектура та архітектура

Вимоги до високої автономії в просторі полягає в тому, що розвиток ієрархічної несправності. Шар моніторингу здоров'я може постійно оцінити рівень сенсора здоров'я, продуктивність насоса і стійкість алгоритму. Якщо компонент деградує, система переналаштуває автоматично—то, переключаючи на запасний насос або зменшити надбавку інсуліну фактором безпеки при очікуванні втручання людини. Вихаючи алгоритми, які порівнювати два або три незалежних глукоза читання може відхилити не вдалося датчик. Ці архітектури можуть бути прийняті для критичних медичних пристроїв на Землі, зокрема для пацієнтів з неускладністю гіпоглікемії, які потребують найвищої надійності.

Переваги напилок для напилення

Багато технологій спочатку розроблені для космосу, знайшли Застосування на основі Землі—мініатуровані електронні пристрої, телемедицина та віддалений моніторинг є основними прикладами. Системи штучного підшлункової залози, що рафіновані для простору, практично напевно призведе до більш міцних, компактних та автономних пристроїв для людей з діабетом всюди. Система, яка може вижити запуск вібрацій та глибоке космічне випромінювання, ймовірно, буде більш міцним, ніж сучасні пристрої для споживачів. Біпряме знання, що розподіляють між космічними агентствами та компаніями медичного пристрою, прискорює інновації як для секторів. Наприклад, CGM, призначений для роботи протягом двох років без заміни в космосі, може трансформуватися на цукровий діабет, які в даний час замінять датчики кожні сім-чотирання до чотирнадцять кожні сім-чотирнадцять протягом чотирьох днів.

Ініціативи та колаборативні шляхи

У рамках програми «Енергетика космічних досліджень» було проведено декілька дослідницьких ініціатив. Програма дослідження НАСА вже ведеться за фінансової підтримки Міністерства освіти і науки України. Програма досліджень діагностичних досліджень (НАСА) була адаптована до деяких законодавчих актів.

Приватні компанії, в тому числі, що розвиваються комерційні космічні станції та космічних апаратів, також інвестують в автоматизоване управління здоров'ям. SpaceX's Crew Dragon перевозила медичне обладнання для ІСС, а майбутні комерційні звички можуть включати спеціальні медичні затоки, здатні підтримувати штучну операцію підшлункової залози. Некомерційна організація JDRF продовжує фінансувати дослідження в розширені закриті системи, які можуть бути адаптовані для екстремальних середовищ. Міжнародна космічна станція Національна лабораторія також солікізує пропозиції для демонстрацій технологій, які можуть скористатися як космічні дослідження та наземна охорона здоров'я.

Дорожня карта Марса: інтеграція штучного підшлунку в системи охорони здоров'я Crew

Шукаю вперед, щоб екіпажу місії до Марса, штучний підшлунок стає майже незамінним. Поєднання тривалої мікрогравітності, високої радіації та обмеженого залишку робить керівництво ручним управлінням глюкози непрактично. Повністю автономний, несправний і ресурсно-ефективний штучний підшлункової залози може служити кутовим каміньом більшої медичної системи. Деякі концепції включають імплантовані варіанти, які можуть тривати всю місію без заміни, а інші пропонують люкс зносних і обмежених компонентів, призначені для легкої заміни під час подорожі. Майбутні системи можуть включати в себе кілька гормонів—інсулін, глюконка, і, можливо, амілін досягає навіть більш тісного ризику.

Також, у випадку, якщо у вас є можливість грати в роль. Психологічні напруження та когнітивне навантаження повинні бути зведені до мінімуму, пристрій, який працює мовчно на фоні, видаючи тільки важливі оповіщення, допоможуть зберегти моральну і продуктивність екіпажу. Як гетерогенні команди астрономів, включаючи комерційні та міжнародні партнери, - це більш поширений, штучний підшлунок повинен бути розроблений для різних типів тіла, віків, метаболічних профілів. Система повинна також інтерфейсуватися з мережею центрального моніторингу здоров'я космічного корабля, надання даних до працівника медичних працівників екіпажу для аналізу трендів та довгострокового планування здоров'я.

Висновок

Розвиток штучних підшлункової залози для використання в космічних місіях не просто ніша інженерна проблема— це каталізатор для прориву медичних технологій, який принесе користь людства в цілому. Надійшовши глухі мікрогравітності, випромінювання та ресурсних обмежень виготовляти пристрої, які більш надійні, автономні, адаптивні, ніж що-небудь доступні сьогодні. Співпраця між космічними агентствами, академічними дослідниками та медичними компаніями-пристрою є важливим для перетворення цього бачення в реальність. Як ми готуємо для надсилання людини більш глибоким в сонячну систему, штучні підшлункової залози є головним прикладом як строгі установки космічного руху, які покращують життя на Землі.