基于胰岛素基础率估计的人工胰腺系统自抗扰控制.docx
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【基于胰岛素基础率估计的人工胰腺系统自抗扰控制】 糖尿病是一种常见的慢性疾病,以高血糖为主要特征,可能导致多种并发症,如神经病变、心血管疾病、肾病和视网膜病变。中国糖尿病患者数量庞大,对预防和控制糖尿病的技术需求日益增长。人工胰腺系统作为一种创新的闭环给药系统,旨在通过实时监测血糖水平并自动调节胰岛素输注,以实现安全有效的血糖控制。 人工胰腺系统通常包括三个主要部分:动态葡萄糖监控传感器(CGM)、胰岛素泵和控制器。控制器的设计是整个系统的关键,它根据CGM提供的实时血糖信息来调整胰岛素泵的输注量。目前,PID控制和模型预测控制(MPC)是临床试验中最常用的算法。PID控制以其简单易用的特性被早期应用在人工胰腺控制中,而MPC则通过在线优化算法解决了复杂的约束问题,对血糖控制有显著效果。 尽管PID和MPC在一定程度上改善了血糖控制,但它们依赖于胰岛素基础率(basal insulin rate)进行设计,而这个基础率因患者个体差异而变化且难以准确估计。这会导致控制性能下降。因此,已有研究开始探索参数自适应方法,如通过Run-to-Run方法调整胰岛素基础率和餐前大剂量,或采用贝叶斯优化学习算法以长时间数据为基础实现参数自适应,提高控制水平。模型预测迭代学习控制(MPILC)则通过学习患者生活方式来优化闭环控制器参数,进一步提升控制性能,并在临床试验中得到验证。 考虑到人体的复杂性和建立精确血糖代谢模型的困难,自抗扰控制(Adaptive Disturbance Rejection Control, ADRC)成为了一个有吸引力的解决方案。ADRC算法能应对强扰动、不确定模型和非线性情况,保持良好的控制性能,已在多个领域得到广泛应用。文献中的自抗扰控制研究涉及线性扩张状态观测器(ESO)的优化、自适应ESO的设计以及在非线性扰动系统中的稳定性证明。这些发展为解决胰岛素基础率估计不准确的问题提供了新思路。 本文提出的自抗扰血糖闭环控制算法结合了参数自适应能力,通过动态估计胰岛素基础率并利用反馈控制方法计算胰岛素剂量,减少了对准确基础率信息的依赖。同时,引入动态胰岛素输注约束以确保闭环控制的安全性。通过FDA认可的UVA/Padova T1DM血糖代谢仿真器进行验证,该算法能有效调整胰岛素基础率,减少与实际值的偏差,实现更安全有效的血糖控制。 此外,考虑到人工胰腺系统向便携式和家用化的趋势,本文的研究结果对于设计满足这些需求的智能血糖管理系统具有重要的实践意义。通过结合自抗扰控制和参数自适应,本文的工作有望为糖尿病患者提供更加个性化和高效的血糖管理方案。
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