[发明专利]用于控制归因于人工胰腺中的闭环控制器的传感器替换的调谐因子的方法和系统

说明书

本发明描述并示出了一种用于管理糖尿病的系统以及在控制器中编程的方法，该系统包括注入泵、葡萄糖传感器和控制器。该注入泵被配置成递送胰岛素。该葡萄糖传感器感测受检者体内的葡萄糖水平并且提供表示受检者体内的葡萄糖水平的输出信号。该控制器被编程成从葡萄糖传感器和泵中的至少一者接收信号并且被配置成向泵发布信号以递送由使用模型预测控制件的反馈控制器基于受检者的期望的葡萄糖水平、递送的胰岛素量和所测量葡萄糖水平确定的胰岛素量。该控制器还被配置成通过使用微控制器中的模型预测控制器的调谐因子(R)作为保守设定来递送胰岛素，否则该系统保持控制器的当前调谐因子(R)。

背景技术

糖尿病是因胰腺无法产生足够量的激素胰岛素，从而导致身体代谢葡萄糖的能力降低而引起的慢性代谢紊乱。此障碍导致高血糖，即血浆中存在过量的葡萄糖。持续性高血糖和/或低胰岛素血症已与具有截肢风险的多种严重症状和危及生命的长期并发症例如脱水、酮症酸中毒、糖尿病性昏迷、心血管疾病、慢性肾衰、视网膜损害和神经损害相关联。由于恢复内源性胰岛素生产尚不可能，故提供恒定血糖控制以便使血糖水平始终维持在正常范围内的永久性治疗必不可少。这样的血糖控制是通过定期供给外部胰岛素到患者的体内、从而降低血糖的升高的水平来实现。

外部生物诸如胰岛素通常使用通过皮下注射器每日多次注射速效和中效药物的混合物来施用。已发现以这种方式可实现的血糖控制程度是次优的，这是因为递送不像生理激素制备，根据生理激素制备激素以较低速率并且在更延长的时间段内进入血流。改善的血糖控制可以通过所谓的“密集激素”疗法实现，所述疗法基于每日多次注射，包括每日一次或两次注射用于提供基本激素的长效激素，以及在每次进餐前以与进餐多少成比例的注射量另外注射速效激素。虽然传统注射器已至少部分地被胰岛素笔所取代，然而频繁注射对于患者特别是不能可靠地自我施用注射的患者而言非常不方便。

糖尿病治疗的实质性改善已通过药物递送装置的开发实现，减轻患者对注射器或药物笔的需要并且管理每日多次注射。药物递送装置允许药物以与天然存在的生理过程具有较大相似性的方式递送药物，并且可以经控制以符合标准或个别修改的协议以为患者提供更好的血糖控制。

此外，可以通过药物递送装置实现直接递送至腹膜内注射空间或静脉中。药物递送装置可被构造为用于皮下布置的植入式装置，或者可被构造为带有输液器的外部装置，用于经由导管、插管或透皮药物传送诸如穿过贴剂的经皮插入皮下注入到患者。外部药物递送装置安装在衣服上，隐藏在衣服下或衣服内或者安装在身体上，并且通常经由内置到该装置或在单独的远程装置上的用户界面来控制。

需要血液或间质葡萄糖监测来实现可接受的血糖控制。例如，由药物递送装置递送合适量的胰岛素需要患者频繁确定他或她的血糖水平并且将此值手动输入到外部泵的用户界面，所述用户界面然后计算对默认值或当前使用中的胰岛素递送协议的合适修改，即剂量和定时，并且随后与药物递送装置通信以相应地调整其操作。通常使用间歇性测量装置例如手持式电子表来执行血糖浓度的确定，所述装置经由基于酶的测试条接收血液样本并且基于酶反应计算血糖值。

在过去二十年中，也已与药物递送装置一起使用连续葡萄糖监测(CGM)以允许闭环控制被注入到糖尿病患者体内的胰岛素。为允许闭环控制注入的胰岛素，已与人体中的葡萄糖与激素之间的代谢相互作用的数学模型一起使用比例-积分-微分(“PID”)控制器。PID控制器可基于代谢模型的简单规则来加以调谐。然而，当PID控制器被调谐或配置成激进地调节受检者的血糖水平时，可发生设定水平的过冲，这通常在振荡之后发生，而这在血糖调节的情况下极不可取。已研究另选的控制器。已确定用于其中过程涉及大的时间延迟和系统响应的石化行业的模型预测控制器(“MPC”)最适合胰岛素、胰高血糖素与血糖之间的复杂相互作用。MPC控制器已被证实比PID更稳键，因为MPC在确定MPC的输出时考虑控制变化和限制的不久的将来影响，而PID通常在确定将来变化时仅涉及过去的输出。可在MPC控制器中实施限制，使得MPC防止系统在已达到极限时失控。MPC控制器的另一益处在于在某些情况下MPC中的模型可理论上补偿动态系统变化，而对于反馈控制诸如PID控制，此动态补偿将是不可能的。