EPIC (Entorno de P��ncreas Artificial con Interfaz Cl��nica)

La Diabetes Mellitus se define como el trastorno del metabolismo de los carbohidratos, resultante de una producci��n insuficiente o nula de insulina en las c��lulas beta del p��ncreas, o la manifestaci��n de una sensibilidad reducida a la insulina por parte del sistema metab��lico. La diabetes tipo 1 se caracteriza por la nula producci��n de insulina por la destrucci��n de las c��lulas beta del p��ncreas. Si no hay insulina en el torrente sangu��neo, la glucosa no puede ser absorbida por las c��lulas, produci��ndose un estado de hiperglucemia en el paciente, que a medio y largo plazo si no es tratado puede ocasionar severas enfermedades, conocidos como s��ndromes de la diabetes. La diabetes tipo 1 es una enfermedad incurable pero controlable. La terapia para esta enfermedad consiste en la aplicaci��n ex��gena de insulina con el objetivo de mantener el nivel de glucosa en sangre dentro de los l��mites normales. Dentro de las m��ltiples formas de aplicaci��n de la insulina, en este proyecto se usar�� una bomba de infusi��n, que unida a un sensor subcut��neo de glucosa permitir�� crear un lazo de control aut��nomo que regule la cantidad optima de insulina aplicada en cada momento. Cuando el algoritmo de control se utiliza en un sistema digital, junto con el sensor subcut��neo y bomba de infusi��n subcut��nea, se conoce como p��ncreas artificial endocrino (PAE) de uso ambulatorio, hoy d��a todav��a en fase de investigaci��n. Estos algoritmos de control metab��lico deben de ser evaluados en simulaci��n para asegurar la integridad f��sica de los pacientes, por lo que es necesario dise��ar un sistema de simulaci��n mediante el cual asegure la fiabilidad del PAE. Este sistema de simulaci��n conecta los algoritmos con modelos metab��licos matem��ticos para obtener una visi��n previa de su funcionamiento. En este escenario se dise���� DIABSIM, una herramienta desarrollada en LabViewTM, que posteriormente se traslad�� a MATLABTM, y basada en el modelo matem��tico compartimental propuesto por Hovorka, con la que poder simular y evaluar distintos tipos de terapias y reguladores en lazo cerrado. Para comprobar que estas terapias y reguladores funcionan, una vez simulados y evaluados, se tiene que pasar a la experimentaci��n real a trav��s de un protocolo de ensayo cl��nico real, como paso previo al PEA ambulatorio. Para poder gestionar este protocolo de ensayo cl��nico real para la verificaci��n de los algoritmos de control, se cre�� una interfaz de usuario a trav��s de una serie de funciones de simulaci��n y evaluaci��n de terapias con insulina realizadas con MATLABTM (GUI: Graphics User Interface), conocido como Entorno de P��ncreas artificial con Interfaz Cl��nica (EPIC). EPIC ha sido ya utilizada en 10 ensayos cl��nicos de los que se han ido proponiendo posibles mejoras, ampliaciones y/o cambios. Este proyecto propone una versi��n mejorada de la interfaz de usuario EPIC propuesta en un proyecto anterior para gestionar un protocolo de ensayo cl��nico real para la verificaci��n de algoritmos de control en un ambiente hospitalario muy controlado, adem��s de estudiar la viabilidad de conectar el GUI con SimulinkTM (entorno gr��fico de Matlab de simulaci��n de sistemas) para su conexi��n con un nuevo simulador de pacientes aprobado por la JDRF (Juvenil Diabetes Research Foundation). SUMMARY The diabetes mellitus is a metabolic disorder of carbohydrates, as result of an insufficient or null production of insulin in the beta cellules of pancreas, or the manifestation of a reduced sensibility to the insulin from the metabolic system. The type 1 diabetes is characterized for a null production of insulin due to destruction of the beta cellules. Without insulin in the bloodstream, glucose can���t be absorbed by the cellules, producing a hyperglycemia state in the patient and if pass a medium or long time and is not treated can cause severe disease like diabetes syndrome. The type 1 diabetes is an incurable disease but controllable one. The therapy for this disease consists on the exogenous insulin administration with the objective to maintain the glucose level in blood within the normal limits. For the insulin administration, in this project is used an infusion pump, that permit with a subcutaneous glucose sensor, create an autonomous control loop that regulate the optimal insulin amount apply in each moment. When the control algorithm is used in a digital system, with the subcutaneous senor and infusion subcutaneous pump, is named as ���Artificial Endocrine Pancreas��� for ambulatory use, currently under investigate. These metabolic control algorithms should be evaluates in simulation for assure patients��� physical integrity, for this reason is necessary to design a simulation system that assure the reliability of PAE. This simulation system connects algorithms with metabolic mathematics models for get a previous vision of its performance. In this scenario was created DIABSIMTM, a tool developed in LabView, that later was converted to MATLABTM, and based in the compartmental mathematic model proposed by Hovorka that could simulate and evaluate several different types of therapy and regulators in closed loop. To check the performance of these therapies and regulators, when have been simulated and evaluated, will be necessary to pass to real experimentation through a protocol of real clinical test like previous step to ambulatory PEA. To manage this protocol was created an user interface through the simulation and evaluation functions od therapies with insulin realized with MATLABTM (GUI: Graphics User Interface), known as ���Entorno de P��ncreas artificial con Interfaz Cl��nica��� (EPIC).EPIC have been used in 10 clinical tests which have been proposed improvements, adds and changes. This project proposes a best version of user interface EPIC proposed in another project for manage a real test clinical protocol for checking control algorithms in a controlled hospital environment and besides studying viability to connect the GUI with SimulinkTM (Matlab graphical environment in systems simulation) for its connection with a new patients simulator approved for the JDRF (Juvenil Diabetes Research Foundation).

P��ncreas artificial basado en un controlador Smith param��trico

La diabetes mellitus es una enfermedad que se caracteriza por la nula o insuficiente producci��n de insulina, o la resistencia del organismo a la misma. La insulina es una hormona que ayuda a que la glucosa llegue a los tejidos perif��ricos y al sistema nervioso para suministrar energ��a. Actualmente existen dos tipos de terapias aplicada en tejido subcut��neo: mediante inyecci��n m��ltiple realizada con plumas, y la otra es mediante infusi��n continua de insulina por bomba (CSII). El mayor problema de esta terapia son los retardos por la absorci��n, tanto de los carbohidratos como de la insulina, y los retardos introducidos por el sensor subcut��neo de glucosa que mide la glucosa del l��quido intersticial, lo deseable es controlar la glucosa en sangre. Para intentar independizar al paciente de su enfermedad se est�� trabajando en el desarrollo del p��ncreas endocrino artificial (PEA) que dotar��a al paciente de una bomba de insulina, un sensor de glucosa y un controlador, el cual se encargar��a de la toma de decisiones de las infusiones de insulina. Este proyecto persigue el dise��o de un regulador en modo de funcionamiento en CL, con el objetivo de conseguir una regulaci��n ��ptima del nivel de glucosa en sangre. El dise��o de dicho regulador va a ser acometido utilizando la teor��a del control por modelo interno (IMC). Esta teor��a se basa en la idea de que es necesario realimentar la respuesta de un modelo aproximado del proceso que se quiere controlar. La salida del modelo, comparada con la del proceso real nos da la incertidumbre del modelo de la planta, frente a la planta real. Dado que seg��n la teor��a del modelo interno, estas diferencias se dan en las altas frecuencias, la teor��a IMC propone un filtro paso bajo como regulador en serie con la inversa del modelo de la planta para conseguir el comportamiento deseado. Adem��s se pretende implementar un Predictor Smith para minimizar los efectos del retardo de la medida del sensor. En el proyecto para conseguir la viabilidad del PEA se ha adaptado el controlador IMC cl��sico utilizando las ganancias est��ticas de un modelo de glucosa, a partir de la ruta subcut��nea de infusi��n y la v��a subcut��nea de medida. El modo de funcionamiento del controlador en SCL mejora el rango de normoglucemia, necesitando la intervenci��n del paciente indicando anticipadamente el momento de las ingestas al controlador. El uso de un control SCL con el Predictor de Smith mejora los resultados pues se a��ade al controlador una variable sobre las ingestas con la participaci��n del paciente. ABSTRACT. Diabetes mellitus is a group of metabolic diseases in which a person has high blood sugar, due to the body does not produce enough insulin, or because cells do not respond to the insulin produced. The insulin is a hormone that helps the glucose to reach to outlying tissues and the nervous system to supply energy. There are currently two types of therapies applied in subcutaneous tissue: the first one consists in using the intensive therapy with an insulin pen, and the other one is by continuous subcutaneous insulin infusion (CSII). The biggest problems of this therapy are the delays caused by the absorption of carbohydrates and insulin, and the delays introduced by the subcutaneous glucose sensor that measures glucose from interstitial fluid, it is suitable to control glucose blood. To try to improve these patients quality of life, work is being done on the development of an artificial endocrine pancreas (PEA) consisting of a subcutaneous insulin pump, a subcutaneous glucose sensor and an algorithm of glucose control, which would calculate the bolus that the pump would infuse to patient. This project aims to design a controller for closed-loop therapy, with the objective of obtain an optimal regulation of blood glucose level. The design of this controller will be formed using the theory of internal model control (IMC). This theory is based on the uncertainties given by a model to feedback the system control. Output model, in comparison with the actual process gives the uncertainty of the plant model, compared to the real plant. Since the theory of the internal model, these differences occur at high frequencies, the theory proposes IMC as a low pass filter regulator in series with the inverse model of the plant to get the required behavior. In addition, it will implement a Smith Predictor to minimize the effects of the delay measurement sensor. The project for the viability of PEA has adapted the classic IMC controller using the gains static of glucose model from the subcutaneous infusion and subcutaneous measuring. In simulation the SemiClosed-Loop controller get on the normoglycemia range, requiring patient intervention announce the bolus priming connected to intakes. Using an SCL control with the Smith Predictor improves the outcome because a variable about intakes is added to the controller through patient intervention.