控制與計算分離的胰島素泵動態控制實現方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及的是一種醫療設備領域的控制技術，具體是一種控制與計算分離的胰 島素泵動態控制實現方法。
【背景技術】
[0002] 目前在醫學界還沒有根治糖尿病的手段，醫院里針對糖尿病患者的治療也僅僅局 限于飯前定時定量注射胰島素，因此利用醫療設備代替或者部分代替胰島的血糖調節功能 成為了一個必要的、可行的選擇。因此，醫學界長期的夢想是希望能開發出新的便攜式的醫 療設備，代替人胰腺中胰島素的分泌，從而使血糖達到理想的類似生理狀態下的調控水平。 在科學共同體的長期努力下，目前國際上已經有多家公司研制出了便攜式的胰島素泵，并 投入應用。這種胰島素泵是由泵、小注射器和與之相連的輸液管組成，它基本用途是按照人 體需要的劑量將胰島素注射到使用者的皮下，保持全天血糖穩定，以達到控制糖尿病的目 的。
[0003] 通過查閱資料，在動態胰島素泵控制領域已經申請了一些專利，它們的主要思路 是前端胰島素泵通過血糖儀采集血糖變化值，作為胰島素泵控制模塊的輸入，控制模塊通 過控制模型算出胰島素的注入量，給注入部件發出控制指令，實現胰島素的注入。
[0004] 上述控制系統在理論上是可行的，但在實際運行過程中，會存在以下兩個問題：
[0005] 1)采集數據量大，胰島素泵中控制模塊無法存儲這些數據。因為胰島素泵需要 實時和連續注入胰島素，就必須隨身攜帶胰島素泵，所以，胰島素泵體積越小巧、越輕便，越 好，現在的胰島素泵已經做到半個手掌大小。這樣，胰島素泵的控制模塊通常采用嵌入式、 低功耗系統來實現。因此，胰島素泵的控制系統的計算能力和存儲能力都比較小。動態血 糖采集通常一分鐘采集一次血糖數據，甚至采集間隔可以更短，這樣，會造成大量血糖數據 涌入控制模塊，而控制模塊根本無法儲存這些數據。
[0006] 2)計算量大，胰島素泵控制模塊無法實時完成。為了實現胰島素注入量的準確控 制，胰島素泵控制模塊要采用一些模型預測控制算法，這些算法需要大量數據進行建模分 析和決策。這些算法對計算能力的需求是遠遠超過了嵌入式低功耗系統的計算能力，會導 致應該實時的控制無法實時完成。
[0007] 經過對現有技術的檢索發現，中國專利文獻號CN102197304A公開（公告）日： 2011. 09. 21，公開了一種能夠簡便且高精度地測定伴隨糖尿病患者的生活活動的血糖值 等，并且能夠簡便地臨床應用伴隨糖尿病患者的生活活動的測定值的測定裝置、胰島素注 射裝置、測定方法、胰島素注射裝置的控制方法及程序。血糖值測定裝置100包括血糖值傳 感器200、及測定伴隨人體活動的活動信息的加速度傳感器112，CPU110根據測定出的活動 信息來控制是否能夠執行血糖值測定電路部113的測定動作。另外，CPUllO將測定出的血 糖值與由加速度傳感器112測定出的活動信息對應關聯地記錄在記錄部111中，并顯示在 顯示部102中。另外，CPUl 10將由血糖值傳感器200測定出的血糖值與由加速度傳感器112 檢測出的數據組合而執行各模式處理。但該技術無法實現數據的便利存儲，雖然涉及血糖 值的測量以及胰島素的注射，并未介紹這些數據如何存儲，對于數據量過大的問題沒有提 出解決方案。此外，該技術是一種針對糖尿病患者日常一些重要數據的測定裝置，不能夠根 據患者的血糖數據提出胰島素的實時控制。
【發明內容】
[0008] 本發明針對現有技術存在的上述不足，提出一種控制與計算分離的胰島素泵動態 控制實現方法，將模型計算和實時控制分離在不同的設備上，減少前端胰島素泵的離線數 據存儲容量需求，另一方面使得胰島素注射達到計算準確和實時控制。
[0009] 本發明是通過以下技術方案實現的：
[0010] 本發明前端胰島素泵和后端計算機之間通過無線通信進行信息傳輸，前端胰島素 泵將血糖檢測值發送到后端計算機，后端計算機將更新的控制策略發給前端胰島素泵，其 中：前端胰島素泵采用后端計算機發來的控制策略實現動態控制，后端計算機實現模型的 數據訓練和優化。
[0011] 本發明具體包括以下步驟：
[0012] 1)前端胰島素泵對k天t時的血糖值y(t，k)采用離線優化方式進行存儲；
[0013] 2)當前端胰島素泵和后端計算機之間建立無線通信時，前端胰島素泵立刻上傳血 糖數據，且在數據傳輸完畢后立刻清空存儲空間；
[0014] 3)當后端計算機收到前端胰島素泵傳來的血糖值后進行數據分析并生成新的控 制參數，并在下一次建立無線連接時發送給前端胰島素泵，并由前端胰島素泵基于新控制 參數進行短期數據采集以驗證新的控制參數。
[0015] 所述的數據分析是指：將所述的血糖數據和預設的血糖值安全范圍進行比較，當 血糖值落在這個時段血糖值安全范圍內，則維持現有控制策略；否則將進行控制策略更新， 并在建立無線連接時將新的控制參數發送給前端胰島素泵。
[0016] 所述的控制策略更新是指：當血糖值比安全范圍上限要大，則根據血糖值和安全 范圍上限相差的數量減小代價函數的α 3;當血糖值比安全范圍下限要小，則根據血糖值和 安全范圍上限相差的數量增大代價函數的α 3的值，即控制參數。
[0017] 所述的代價函數是指：
[0018] Ω '竺 EAiai〔y;〔t+l+j,k〕-Kt+l+j|t,k))2+Efi〇l ?2〔r〔t+i|t,k〕)2+a:#r〔t+^^ u (t, k) = u (t, k - I)+r (t, k)，其中：u (t, k)表示在k天t時的胰島素輸注速率，y (t, k)表 示k天t時刻的血糖值，M代表控制限，N代表預測限，權重αι、α2、α3分別用于調整跟蹤 誤差、更新律和更新律變化的相對重要性。
[0019] 當前端胰島素泵收到α 3，即新的控制參數后帶入代價函數公式，根據代價函數得 到新的控制率函數咻k〕@ argminn，該函數表示當Ω取得最小值時r(t，k)的值，在使用 新的控制參數后的2小時內不再與后端計算機進行通信，即短期數據采集，所得到的血糖 數據將由后端計算機進行所述數據分析。 技術效果
[0020] 與現有技術相比，本發明對數據的存儲做了改進優化，在長時間內，通過增加取樣 的時間間隔來減小數據量，從而節約存儲空間；由于閉環控制和模型優化分離，因此患者可 以僅攜帶含有閉環控制算法的裝置進行血糖控制，而更為復雜的數據訓練和模型優化則在 后端計算機進行。
【附圖說明】
[0021] 圖1為實施例1中胰島素泵分離動態控制模型結構示意圖。
[0022] 圖