一种智能控制的闭环式人工胰腺系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种人工胰腺系统，尤其是一种智能控制的闭环式人工胰腺系统，属 于糖尿病治疗设备领域。
【背景技术】
[0002] 闭环式人工胰腺（Artificial Pancreas，AP) -般包括三个部分：连续血糖监测 系统（Continuous Glucose Monitoring System，CGMS)、控制算法（Control Algorithm， CA)和可进行精确胰岛素输注的胰岛素泵（Insulin Pump，IP)。
[0003] 40多年来，各国专家在人工胰腺的三个方面（CGMS、IP和CA)取得了很多重要的进 展，目前已经有较成熟的CGMS和IP产品上市。控制算法是人工胰腺的大脑，21世纪以来， 国外AP控制算法的研宄，部分已进入临床实验阶段。在这些算法中，研宄比较深入的主要 有三类：比例微积分（PID)算法，模糊逻辑（FL)算法和模型预测控制（MPC)算法。
[0004] 1)PID算法。PID算法是传统控制理论中的经典算法，广泛应用于工业控制领域， 其在AP中的研宄思路是用比例、微分、积分三个分量来尽可能地模拟人体0细胞分泌胰岛 素的生理传输过程；PID算法简单直观，参数较少，便于计算，比例、积分和微分三个分量较 好地跟踪了血糖的快速、慢速变化，但随着时间的延长，会出现积分饱和现象，需要进行校 正，而且由于人体存在胰岛素残留效应的影响，也需要加入胰岛素反馈模块进行校正。
[0005] 2)FL算法。FL算法是智能控制的主要研宄领域之一。其在AP中应用的原理是首 先对临床糖尿病治疗长期实践积累的经验进行较为全面的总结，建立专家知识库，然后运 用模糊数学的基本理论和方法，把临床治疗经验规则的条件、操作用模糊集表示，并把这些 模糊控制规则及有关信息（如临床评价指标等）作为知识存入专家知识库中，然后根据实 时监测的血糖数据，运用模糊推理，得出相适应的胰岛素输注剂量参数。该FL算法依托临 床专家将临床糖尿病治疗长期实践积累的经验知识建立为专家知识库，转化为模糊逻辑控 制规则，符合临床治疗的常规经验，易于为临床医生所理解。
[0006] 3)MPC算法。MPC算法是一种基于模型的控制算法，其基本的工作思路如图1所 示。首先对人体糖代谢生理过程进行初步的数学建模，作为初始的预测模型；然后根据在时 间t k之前已知的测量血糖y和胰岛素输注速率u，对该模型参数进行优化，再计算此时的胰 岛素输注速率及未来的预测血糖，以缩小预测血糖与目标血糖间的差距；在时间〖^又会 获得新的测量血糖y k+1，如果yk+1与前一步预测的时间t k+1&的血糖值不同，该模型就会再 次优化，如此循环往复，直至测量血糖值稳定在目标血糖，计算模型也随之稳定下来。
[0007] MPC算法基于病人糖代谢生理模型，每一步均基于当前测量血糖值进行重新计算， 优点是计算结果能更好跟踪血糖变化，但缺点是病人代谢模型非常复杂，计算量很大，需要 在实时性和准确性之间取得较好的平衡。
[0008] 据调查与了解，目前公开的现有技术如下：
[0009] 申请公开号为CN103889317A的发明专利申请，公开了一种用于监测和控制糖尿 病患者的血糖水平的统一平台，它描述了一种能够利用来自不同监测技术的数据并且能够 在若干可扩缩水平向患有糖尿病的患者提供帮助，范围从关于长期趋势和预后的建议到实 时自动闭环控制（人工胰腺）的灵活系统；这些可扩缩监测和治疗策略由被称为糖尿病辅 助（DiAs)平台的统一系统递送；该系统提供用于实现各种监测、咨询和自动糖尿病治疗算 法或方法的基础；针对各个患者的细节，并且在任何给定时刻针对患者风险评估定制DiAs 推荐。然而该专利申请仅仅提供了一种监测和控制糖尿病的技术平台的构想，对如何进行 糖尿病患者的血糖监测、如何闭环控制患者的血糖水平和如何对患者的预后提出建议等关 键技术问题都未能明确，无法对专利技术做出清晰、有效的界定。
[0010] 授权公告号为CN201658692U的实用新型专利，公开了一种人工胰腺系统，它提供 了一种能自动检测血糖浓度的胰岛素注射系统，具体包括可连续地、自动地对人体血糖浓 度进行检测的葡萄糖自动感应系统CGM、用于分析血糖浓度和计算最佳用药量的血糖控制 系统以及根据注射量信号而对人体进行胰岛素注射的自动注射系统；所述葡萄糖自动感 应系统CGM与血糖控制系统连通；所述血糖控制系统与自动注射系统连通。本实用新型将 葡萄糖自动感应系统CGM和自动注射系统有机地结合起来，有效地实现了检测和治疗的集 成，为患者提供了安全的、适当的、剂量精确的胰岛素注射，令患者可获得最好的治疗效果。 该专利虽然包括了葡萄糖自动感应系统、用于分析血糖浓度和计算最佳用药量的血糖控制 系统以及胰岛素自动注射系统，但其并未明确该系统是否为闭环控制、是否为实时控制，而 且其最核心的血糖控制系统采用何种技术进行控制也未能明确，因而并未能反映最新的人 工胰腺技术发展趋势。
【发明内容】
[0011] 本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种智能控制的闭环式人工 胰腺系统，该系统采用的控制算法结合了 PID算法和FL算法的优点，能够大大降低人体血 糖的波动范围，将血糖水平控制在设定的目标区间，提高胰岛素注射疗法的精确性和有效 性，使糖尿病患者的血糖水平接近甚至达到正常人的标准，大大降低各种并发症的产生，提 高患者的生存质量。
[0012] 本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
[0013]一种智能控制的闭环式人工胰腺系统，包括连续血糖监测设备、智能控制器和胰 岛素输注设备，所述智能控制器分别与连续血糖监测设备和胰岛素输注设备连接；
[0014] 所述连续血糖监测设备，用于按照设定时间间隔对人体血糖浓度进行连续监测；
[0015] 所述智能控制器，用于实时接收连续血糖监测设备的人体血糖监测数据，并根据 实时人体血糖监测数据，利用内置的模糊自适应比例微积分控制算法，计算出实时的胰岛 素输注设备给药量；其中，所述模糊自适应比例微积分控制算法具体为：
[0016] 采用比例微积分算法模拟人体0细胞分泌胰岛素的生理传输过程，作为基本模 型，并采用模糊逻辑算法对比例微积分算法建立的基本模型中的各个参数进行滚动优化， 如图4所示，对胰岛素输注设备进行智能控制；
[0017] 所述胰岛素输注设备，用于接收智能控制器计算出的实时胰岛素输注设备给药 量，并根据实时胰岛素输注设备给药量，对人体进行实时输注。
[0018] 作为一种实施方案，所述采用比例微积分算法模拟人体0细胞分泌胰岛素的生 理传输过程，作为基本模型，该模型如下式所示：
[0019]
[0020] 其中，人体0细胞因血糖变化分泌的胰岛素量PID(t)由比例分量、积分分量和微 分分量构成，GB为设定目标血糖值，G为实时测量血糖值，K p、K#P KD分别是比例分量、积分 分量和微分分量的增益；所述比例分量对应于实测血糖值偏离目标血糖值时的胰岛素分泌 量，当实测血糖值等于目标血糖值时则为0 ;所述积分分量用于调整血糖围绕目标值上下 微幅波动时的胰岛素分泌量；所述微分分量对应于血糖快速变化时迅速调节胰岛素分泌。
[0021] 作为一种实施方案，所述连续血糖监测设备采用葡萄糖传感器。
[0022] 作为一种实施方案，所述胰岛素输注设备采用胰岛素泵。
[0023] 作为一种实施方案，所述智能控制器通过无线信号分别与连续血糖监测设备和胰 岛素输注设备连接。
[0024]本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
[0025] 1、本发明的智能控制器内置有模糊自适应比例微积分控制算法，可以根据实时监 测到的人体血糖数据，自动、即时、微量、智能地调整胰岛素输注设备给药量，从而进行实时 输注，形成胰岛素输注与连续血糖监测的闭环控制系统，即人工胰腺，能够大大降低人体血 糖的波动范围，将血糖水平控制在设定的目标区间，提高胰岛素注射疗法的精确性和有效 性，使糖尿病患者的血糖水平接近甚至达到正常人的标准，大大降低各种并发症的产生，提 高患者的生存质量。
[0026] 2、本发明所形成的闭环式人工胰腺系统，在控制算法上，有机结合现有技术在 PID(比例微积分）算法和FL(