بخشی از مقاله
چکیده
دیابت یکی از بیماریهای شایع در جهان است. هدف، نگهداشتن گلوکز خون در حد طبیعی بدن بین 110-70 میلی گرم بردسیلیتر میبا شد. در این مقاله تنظیم گلوکز خون با ا ستفاده از طراحی یک کنترل کننده منا سب جهت تزریق مقدار منا سب ان سولین بیان گردیده ا ست. مدل ریا ضی ا ستفاده شده در این مقاله مدل غیرخطی تاخیری پالمبو بوده که یکی ازکاملترین مدلهای غیرخطی مح سوب می شود. همچنین برای اولین بار از یک روش ترکیبی کنترل فازی و جایابی قطب تو سط الگوریتم بهینه شدهی ریشه رونده جهت بهینه سازی توابع ع ضویت بخش فازی ا ستفاده شده ا ست، و روش خطی سازی فیدبک بهعنوان روش ترکیبی، برای تنظیم سطح گلوکز خون بیماران ا ستفاده شده تا بتوان م سئلهی جایابی محل قطبهای حلقه ب سته مطلوب در روش پالمبو و همچنین قرارگیری قطبهای حلقه ب سته در مکانی دورتر از محور موهومی رفع شود. از جمله مزایای روش پیشنهادی میتوان به عملکرد مناسب کنترلکننده پیشنهادی برای تنظیم سطح گلوکز خون و همچنین مقاومت بالا در مقابل حضور عدم قطعیت و اغتشاش اشاره نمود. در نهایت نتایج شبیهسازی روشهای کنترلی پیشنهادی با روش کنترلی مبتنی بر جایابی قطب پالمبو مقایسه گردیده که بیانگر عملکرد فوق العادهی کنترل کنندهی پیشنهادی با کمترین خطای ممکن میباشد.
کلید واژه: منطق فازی، الگوریتم بهینهسازی ریشه رونده، سیستم تنظیم گلوکز انسولین، نرخ تزریق انسولین، خطی سازی فیدبک
-1 مقدمه
دیابت یکی ازشایعترین و خطرناکترین بیماریهای شناخته شده حال حاضر دنیا است. بیماری دیابت را میتوان به دو نوع وابسته به انسولین IDDM - 1 - - که در این نوع لوزالمعده شخص
مبتلا به دیابت قادر به ترشح انسولین نمیباشد - ، و نوع غیر وابسته به انسولین NIDDM - 2 بهینه سازی ریشه روندهRRA9، که روش ریاضیاتی الهام شده از - که در آن لوزالمعده شخص مبتلا به دیابت قادر به تولید و تر شح ان سولین میبا شد اما میزان جذب آن در بدن بسیار اندک است - تقسیم بندی نمود. از اینروافراد مبتلا به دیابت به نظارت مداوم قند خون نیاز دارند. تاکنون
مدلهای ریاضی متعددی برای توصیف مکانیزم گلوکز و انسولین معرفی شدها ند، که این 3 مدل ها شا مل مدل برگمن - یکی ازابتداییترین مدلهای ارائه شده - ، از مدلهای غیرخطی پیچیده،
میتوان به مدل سورنسن، مدل غیرخطی پیچیده تاخیردار به مدل کانگ و مدل دالامن که دربردارندهی معادلات غیرخطی شامل دوبخش برای مدلسازی گلوکز و دو بخش برای مدلسازی انسولین میباشند.
روشهای کنترلی متعددی جهت کنترل سطح گلوکز خون مبتنی بر مدلهای ریا ضی مختلف ارائه شده ا ست.همچنین از روشهای بهینهسازی ارائه شده میتوان به روش بهینهسازی 7PSO،که از پرواز گروهی پرندگان الهام گرفته شده و روش گرگ خاکستری8که ازروش زندگی اجتماعی و نحوهی شکار آنها الهام گرفته شده است اشاره کرد. دراین مقاله از روش عملکرد ری شههای رونده از بع ضی گیاهان در طبیعت - مانند گیاه توت فرنگی و گندمی - میباشد، که توسط گسترش همزمان ریشه و سرریشهها برای جستجوی منابع آب و مواد معدنی انجام می شود ا ستفاده شده ا ست. روشهای بهینه سازی باعث سرعت همگرایی و پایداری بی شتر وکاهش زمان محا سبات می شود.
یک کنترلکننده مدلغزشی قدرتمند با مدل داخلی و مدار حلقه بسته برای کنترل قند خون در دیابتهای نوع1 ارائه شده است که پانکراس مصنوعی حلقه بسته برای جلوگیری از خطر،هیپوگلیسمی و همچنین برای جلوگیری از عوارض هایپرگلیسمی ایجاد شده است. کنترلکننده ارائه شده با استفاده از تلفیق روش های مدلغزشی و کنترلکن نده مدل داخلی برای بهبود
عملکرد پس از پیوند، طراحی شده است و یک کنترلکننده پیشخور به قطعه تزریق انسولین اضافه شده است. این کنترلکن نده قدرت قا بل قبولی در م قا بل تغییرات خ طا ها،
حساسیت انسولین، عدم هماهنگی مدل و بیمار در محاسبه محتوای وعدههای غذایی نشان میدهد.[1]
ردیابی گلوکز خون با استفاده از تزریق انسولین زیر جلدی مبتنی بر مدل ریاضی غیرخطی تاخیردار پالمبو1برای تنظیم گلوکز-انسولین استفاده شده است .در این مقاله برای اولین بار با استفاده از ترکیبی ازکنترل کننده منطق فازی بهینه شده توسط الگوریتم ژنتیک با جایابی قطب بهعنوان روش ترکیبی برای تنظیم سطح قند خون در بیماران دیابتی استفاده شده است.[2] کاهش خطرات دردیابت نوع1 با استفاده از کنترل کننده + برای کاهش خطر هایپرگلیسمی2و هیپوگلیسمی3در دیابتهای شیرین نوع1 - T1DM - 4 طراحی شد. این ساختار از سه جزء اصلی تشکیل شده است: کنترلکننده قوی +، حلقه بازخورد انسولین - IFL - 5، و یک مکانیزم ایمنی[3]. - SM - 6
یک روش شناسایی غیر خطی برای مدلسازی بی ماران د یابتی، با چ ندین روش مدلسازی مبتنی بر اصول اولیه با تکنیکهای ورودی خروجی پیشنهاد شده است.این روش به یک مطالعه تجربی در مورد شناسایی و تخمین تمرکز قندخون در پنج بیمار دیابتی نوع1 اعمال شده است.[4] هدف روش، ابعاد حالت متغیر برای تشخیص غذا و تخمین حجم غذا از طریق درمان انسولین برای دیابت نوع1 میباشد. روش پیشنهادی:یک الگوریتم بُعد حالت متغییر - VSD - 7 توسعه داده شده است تا وعدههای غذایی بیان ن شده را ت شخیص دهد و اندازه وعدهی غذایی را تخمین بزند، درحالیکه یک فیلتر کالمن روی یک مدل حالت ساکن زمانی که هیچ وعده غذایی مشخص نشود عمل میکند، و به یک مانور مدل حالت تغییر میکند تا اطلاعات وعده غذایی را تا زمانی که تنوع گلوکز دریافتی از غذا مقدار قابل توجهی باشد تخمین بزند.[5]
مدل شبیهساز وعده غذایی از سیستم گلوکز-انسولین درحالت بعد صرف غذا میتواند در چندین موقعیت کارآمد باشد،شامل آزمایش سنسورهای گلوکز، الگوریتمهای تزریق انسولین و سیستمهای پشتیبانی تصمیمگیری برای دیابت. استراتژی مشابه همچنین بر روی یک پایگاه داده کوچکتر برای گسترش این مدل به دیابت نوع2 بهکاربرده شده است.[6] مطالعه اثرات مخلوط غیر خطی برای بهبود تخمین پارامتر مدل کمینه گلوکز شبیهسازی شده در نمونه برداری متمرکز و پراکنده آزمون تحمل گلوکز داخل وریدی - IVGTT - 8 معمولا توسط حداقل مربعات - WLSs - 9 بر روی هر داده موضوعی تخمین زده شده هستند. گاهی او قات با اطلا عات پراک نده، پارامتر های منحصر بهفرد نمیتوانند بهطور رضایت بخشی بهدست آیند. در چنین مواردییک رویکرد جمعیت میتواند ترجیح داده شود.[7]
هدف عنصر بازخورد کمک-ایمنی برای لوزالمعده مصنوعی در دیابتهای نوع1، تحویل خودکار انسولین برای کنترل گلیسمی10یعنی،کنترل قند خون حلقه بسته است. یکی از چالشهای لوزالمعده مصنوعی این است که، از واکنش بیشتر کنترلکننده که منجر به هیپوگلیسمی، مخصوصا در اواخر دوره بعد از صرف غذا می شودجلوگیری کند.[8] محیط شبیه سازی برای ارزیابی، طراحی شده تا توسعه و آزمایش از سیستمهای تحویل انسولین حلقه بسته دردیابتهای نوع - T1DM - 1 را پشتیبانی کند. اجزای اصلی ازمحیط شبیه سازی شامل: یک مدل ریا ضیاتی ازخون که یک جمعیت مجازی با T1DM را نشان میدهد، مدل تنظیمات قند اندازه گیری قند خون، و مدل تحویل انسولین می باشد.[9] مدل استدلال فازی تکامل یافته برای شناسایی هیپوگلیسمی یک عار ضه جانبی جدی از درمان با ان سولین در بیماران دارای دیابت میباشد.
پارامترهای فیزولوژیکی - ضربان قلب، فاصله QT تصحیح شده از سیگنال الکتروکاردیوگرام - - ECG - بهطور پیو سته اندازه گرفته می شوند تا شنا سایی زود هنگام ق سمتهای کاهش قندخون در بیماران دیابتی نوع - T1DM - 1 مهیا شود. برای بهینه سازی قوانین فازی و توابع عضویت فازی FRM یک الگوریتم تکاملی بهنام بهینهسازی انبوهذرات ترکیبی با عملکرد جهش مورد برر سی قرار گرفته شده ا ست.[10] مدل قوی کنترل پیش بینی قند خون بر اساس PBPK/PD نشان میدهد که مدل ذکر شده برای MPCها در تنظیم کنترل قند خون مناس است و قدرت پیشبینی آن در ترکیب با مدل چارچوب مبتنی بر پایگاه داده یک پار چه برای غل به بر چالش های موجود در توسعه سیستمهای AGC کمک خواهد کرد.
اهمیت این مطالعه یک رویکرد جدید و قوی مکانیکی برای AGC که از یک ساختار PBPK استفاده میکند میباشد.[11]این مقاله به صورت زیر سازماندهی شده ا ست: در بخش2 برخی از مدلهای ریاضی ارائه شده برای سیستم تنظیم گلوکز-انسولین و معادلات دیفرانسیل مدل ریاضی غیرخطی تأخیردار پالمبو بیان شده ا ست. در بخش3 روش کنترلی پی شنهادی ارائه شده، سپس در بخش4 شبیهسازی مدل سیستم برای بیمار مبتلا به د یا بت با پارامتر های مختلف ارا ئه گرد یده و در ن ها یت در بخش5 به بررسی نتایج حاصل از روش کنترل پیشنهادی پرداخته شده است.
-2 مدل ریاضی گلوکز-انسولین
برخی از مهمترین مدلهای ارائه شده که در بالا از آنها نام برده شد، برای سی ستم تنظیم گلوکز-ان سولین ارائه شده اند که شامل: مدل حداقل برگمن در سال [12] 1981، مدل سورنسن در سال [13] 1985، مدل کانگ در سال [14] 2006 و مدل دالامن در سال [6] 2007 میباشند. در سالهای اخیر مدلهای غیر خطی تأخیردار بیشتر مورد توجه محققان قرار گرفته است. در این مقاله، از مدل ریا ضی ارائه شده تو سط پالمبو و همکاران در سال 2007 استفاده شده است.[15] روش پالبو نسبت به روشهای دیگر یک سری مزایا دارد که میتوان به آنها اشاره کرد: -1تاخیرزمانیای که در این روش لحاظ شده است، معادل زمان بالا رفتن سطح گلوکز خون تا زمان تزریق انسولین میباشد.
-2 پیچ یدگی م عادلات دیفرانس یل در این روش نس بت به روشهای دیگر دارای تاخیر کاهش یافته است.-3 سازگاری بیشتراین روش با آزمایشات بالینی انجام شده بر روی افراد سالم. حال به تشریح معادلات دیفرانسیل در روش پالمبو پرداخته میشود:در روابط فوق، f - G - تابعی غیر خطی است که تاثیر اعمال تاخیر ز مانی افزایش سطح گلوکز خون بر نرخ تحو یل انسولین از لوزالمعده را مدل میکند. u - t - ورودی کنترل میباشد و d - t - اختلالات اجتناب ناپذیر در نظر گرفته شده است. در جدول1 کلیه پارامترهای استفاده شده در این روش توضیح داده شده اند.
