Controle da glicemia induzida por refeições para o tipo

Dec 13, 2023

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 12228 (2022) Citar este artigo

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Neste estudo, um método de retrocesso adaptativo é proposto para regular a glicemia induzida por refeições para pacientes diabéticos tipo 1. O controlador de retrocesso é usado para controlar o nível de glicose no sangue e um algoritmo adaptativo é utilizado para compensar a glicose no sangue induzida pelas refeições. Além disso, a eficácia do método proposto é avaliada comparando os resultados em dois estudos de caso diferentes: na presença de falhas do atuador e na perda da entrada de controle por um curto período de tempo durante o tratamento. Os efeitos de refeições não anunciadas três vezes ao dia são investigados para um paciente nominal em todos os casos. Argumenta-se que o retrocesso adaptativo é o método de controle preferido em ambos os casos. A teoria de Lyapunov é utilizada para provar a estabilidade do método proposto. Os resultados obtidos indicaram que o controlador retroativo adaptativo é estável e o nível desejado de concentração de glicose está sendo rastreado com eficiência.

O diabetes mellitus é um grupo de doenças metabólicas que leva à hiperglicemia1 ou hipoglicemia2, onde devido a defeitos na secreção de insulina, ação da insulina ou ambas3, o nível de glicose fica acima ou abaixo da zona segura, respectivamente4. Segundo a OMS, o diabetes é uma das principais causas de morte no mundo, enquanto 422 milhões de pessoas em todo o mundo têm diabetes.

Segundo a American Diabetes Association, existem quatro tipos de diabetes: tipo 1, tipo 2, diabetes gestacional (diabetes durante a gravidez) e tipos específicos de diabetes (como defeitos genéticos na ação da insulina)5. O diabetes tipo 1 (DM1) é uma condição crônica na qual a destruição das células \(\upbeta\) pancreáticas tipicamente culmina em deficiência absoluta de insulina (o pâncreas libera pouca ou nenhuma quantidade de insulina)6. Os principais sintomas do DM1 são poliúria (produção excessiva de urina), polidipsia (sensação de sede extrema) e perda de peso7. Nos Estados Unidos, de acordo com o CDC (Centro de Controle e Prevenção de Doenças), mais de 34 milhões (cerca de 1 em 10) têm diabetes, onde 5 a 10 por cento têm diabetes tipo 1. Um esquema das consequências do diabetes a longo prazo é ilustrado na Fig. 1. O risco de DM1 está aumentando em todo o mundo e cerca de 90.000 crianças são diagnosticadas a cada ano8. Com isso, a injeção de insulina exógena, para o resto da vida do paciente, é necessária para manter o nível de glicose do diabetes tipo 1 seguro9.

Um esquema das consequências do diabetes a longo prazo.

Atualmente, ninguém sabe como prevenir o diabetes tipo 1, mas sabemos como controlá-lo. A forma mais comum é injetar insulina diariamente até 4 ou 5 vezes. Outro método é a infusão de insulina subcutânea continuamente. A comparação da eficácia entre esses dois métodos pode ser encontrada em10,11. Mas outra nova abordagem promissora foi investigada pela introdução do pâncreas artificial, onde o diabetes encontra a teoria do controle. O pâncreas artificial, também conhecido como circuito fechado de controle da glicemia, é um sistema que combina um sensor, um algoritmo de controle e uma bomba de insulina12. Nessa abordagem, o objetivo é imitar a função da insulina pancreática, na qual o sensor fornece as medidas da concentração de glicose no sangue (BGC) e passa as informações para um sistema de controle de feedback que decidiria a quantidade de insulina necessária para manter a glicose do paciente dentro da zona segura13.

Para projetar um pâncreas artificial, vários métodos e algoritmos de controle foram propostos na literatura. Para citar alguns, um controlador baseado em PID é proposto para fornecer um ajuste de parâmetros em tempo real14,15. In16, o controlador PID é projetado de forma que seja ligado somente após as refeições e permaneça desligado antes. O controlador preditivo de modelo (MPC) está entre os métodos amplamente investigados17,18,19 de acordo com sua vantagem; sua capacidade de se adaptar às mudanças que ocorrem na variabilidade interpaciente com o passar do tempo. No entanto, a eficiência do MPC depende de quão preciso é o modelo assumido. Outro método aplicado na literatura são os algoritmos de lógica fuzzy que requerem um conjunto de regras baseadas em conhecimento avançado do sistema ou problema20,21. Um esquema de controle adaptativo é proposto em 22, no qual o controlador é ajustado de acordo com as mudanças no comportamento do sistema. O método backstepping, introduzido pela primeira vez em 23 para sistemas dinâmicos não lineares, está entre os métodos de controle mais populares. Possui procedimento de desenho recursivo e mostrou-se altamente aplicável no controle da glicemia24,25, porém flexível para ser utilizado em conjunto com outros métodos, principalmente com controle adaptativo26,27. Para trazer o controle adaptativo para a imagem, a teoria de Lyapunov28,29,30 é a chave para determinar a regra adaptativa. Mas, para controlar a glicemia de DM1 usando o algoritmo backstepping, ainda existe uma lacuna na literatura se é vantajoso aplicar também o controle adaptativo, para compensar o efeito incerto das refeições. Existem várias abordagens para lidar com as incertezas da dinâmica do sistema. Para citar alguns, uma técnica é usar uma rede neural31, enquanto a outra é o controle adaptativo ou uma combinação de ambos32. Comparado ao backstepping, o backstepping adaptativo pode permitir incertezas do modelo, embora possa ficar fora de controle usando o método backstepping. Portanto, o retrocesso adaptativo é mais confiável, especialmente na presença de incertezas, que podem ser vistas em aplicações do mundo real. Até onde sabemos, não há investigação sobre uma comparação entre a eficiência dos métodos backstepping e adaptativo para controlar o DM1 com uma perturbação incerta das refeições. Além disso, nosso algoritmo de retrocesso adaptativo proposto é robusto na presença de falhas do atuador e perda de entrada de controle por um curto período de tempo, em comparação com pesquisas anteriores sobre esse assunto na literatura.