用于一型糖尿病血糖调节的无模型iPID控制器

Posted 2022-08-10 studyer_domi

1、内容简介

略
482-可以交流、咨询、答疑

2、内容说明

摘要—目的设计使大量虚拟1型糖尿病（T1D）患者的空腹和餐后血糖能自动调节。

方法：采用无模型智能PID（iPID）注入胰岛素。iPID的可行性已在具有和不具有测量噪声的两个模拟器上进行了生物信息学测试。第一个仿真器是从长期线性时不变模型得出的。该控制器还通过UVa / Padova代谢模拟器对10名成年人进行了25次/受试者的验证，以进行噪声鲁棒性测试。

结果：在没有测量噪声的情况下，iPID模仿了正常的胰腺分泌，并且对餐食的反应比标准PID更加迅速。使用UVa / Padova仿真器，测试了针对CGM噪声的鲁棒性。 与标准PID相比，iPID可以在目标中获得更高的时间百分比，从而减少了在高血糖情况下的时间。

结论：两次不同的T1D模拟器测试表明，与标准PID相比，iPID能够更快地检测到食物扰动并对其做出更快的反应。智能部分使控制器在进餐后变得更加主动快速，同时又不忽略安全性。建议进行进一步的研究可在执行器约束下改进此类系统的iPID智能部分的计算。任何改进都会影响无模型控制器的整体性能。

重要性：简单结构的iPID是类似PID的控制器的一个改进，因为它结合了经典的PID优良特性和新的自适应功能。

索引词-1型糖尿病，血糖调节，人工胰腺，无模型控制，PID，智能PID。

1. 介绍

1型糖尿病（T1D）患者的血糖自动调节是长久以来人造胰腺项目的最终目标。该研究的核心是控制算法，该算法可闭合胰岛素泵和连续葡萄糖测量（CGM）传感器之间的回路。随着技术的迅速发展和诱人的经济市场，挑战现在更多是在软件方面而不是硬件方面。目的是通过自动胰岛素给药代替紧张的开环疗法的方式来提高T1D患者的生活质量。

比例积分微分（PID）与模型预测控制（MPC）是目前人工胰腺研究的主要内容。最近一些研究使用MPC进行了一些门诊临床试验：[1]和[2]。根据[3]提供的统合分析，考虑到MPC的参数是凭经验得出的或基于可能不是最佳选择的模型，因此MPC的性能并不优于PID。最简单的PID算法可模拟胰岛β细胞的胰岛素输送[4]。但是，全自动PID并不是可行的解决方案，需要一些基础剂量以改善其餐后性能[5]。

餐后高血糖是一个有挑战性的开放性问题，正如文献中经常报道的那样，许多PID研究提出手动添加餐前大剂量以减少半自动控制的餐后血糖波动，例如[6]，[7]和[ 5]。作为他们研究的一个观点，[7]建议在进食后将PID算法调整为更具攻击性。膳食检测方案通常与MPC配合使用，以通过启动可变参考轨迹[8]来改善餐后血糖表现或在检测到膳食时添加前馈胰岛素推注[9]。

根据以前的研究表明在餐后高血糖和晚期低血糖之间保持平衡是主要的挑战。因此，PID研究纳入了预期的胰岛素反馈（IFB），以减少前期运动后的夜间低血糖[10]。其他人使用IFB补偿在狗身上进行测试时胰岛素药代动力学/药代动力学特性的延迟[11]。与在人类受试者上测试的常规PID相比，PID + IFB可改善晚期餐后低血糖症[12]。

在本研究中，选择了无模型控制，因为它在无模型设计的框架内提供了PID控制的简单功能。与以前的PID研究相反，经过改进后的控制算法是完全自动化的，没有任何前馈或IFB项。因此，可以说它为上述开放性问题提供了一种新的解决方案。无模型控制通过超局部模型描述了未知参数，其中运用对输入/输出测量的独特知识在线估算了目前还未完全研究清楚的的动态变化和扰动。如果通过PID控制器关闭环路，则将其命名为智能PID或iPID[13]。无模型控制器在众多应用中显示出高效的性能[14]，[15]和[16]。

修改了针对[17]中的禁食阶段设计的标准iPID并在此后进行了测试，包括通过UVa / Padova仿真器对较大的一组T1D患者的进餐干扰。控制器的无模型属性只需要输出血糖值（BG）和控制器的输入信号。尽管如此，对未知动态系统的这种估计仍然高度依赖能够处理测量噪声的有效数值微分器。在有和没有CGM测量噪声的情况下，均可对iPID进行计算机测试。在无噪音的情况下，iPID在餐后产生快急剧快速的浓注状输注，在消化过程中中等速率注射胰岛素，在禁食期间输入胰岛素速率较低（即基础速率）。标准的PID控制器通常可以提供这种吸引人的基础推注胰岛素自动注入速度。它模仿了快速冲动的第一阶段正常的胰腺胰岛素分泌，随后在餐后出现长期缓慢的胰岛素分泌。在这项工作中，实验表明与在两个不同模拟器上的标准PID相比，iPID对进餐的反应更快。首先，使用来自雷恩和南特大学医院的临床数据对五名虚拟患者进行测试。虚拟患者通过T1D胰岛素-葡萄糖模型进行模拟[18]。第一次测试时不会产生测量噪音。随后，对十名成人的UVa / Padova T1D模拟器进行了计算机测试，包括测量噪声。

本文的组织如下：第二部分展示了无模型控制特点，包括未知动态的估计。第三部分介绍了控制器的实现：iPID和标准PID设计。第四节总结了本文中的方法以及每个模拟器的应用膳食方案。第五节介绍了长期仿真器的仿真结果和统计分析。在第V.B节中介绍了UVa / Padova仿真器的结果。结论和观点在第六节中给出。

3、仿真分析

 

 

4、参考论文

Model Free iPID Control for Glycemia Regulation of Type-1 Diabetes  Taghreed MohammadRidha , Mourad A¨ıt-Ahmed, Lucy Chaillous, Michel Krempf, Isabelle Guilhem, Jean-Yves Poirier, and Claude H. Moog , Fellow, IEEE 智能PID参数整定及其在血糖控制中的应用_迟继强