Skip to main content
SUPERVISOR
Maryam Zekri,Marzieh Kamali
مریم ذکری (استاد راهنما) مرضیه کمالی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Mina Mohammadi Zahrani
مینا محمدی زهرانی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391

TITLE

Adaptive Model Based Predictive Control of Insulin _ Glucose System in Patients with Type 1 Diabetes
: Diabetes is a disorder of body metabolism of blood glucose by insulin. In type 1 diabetes, pancreatic ?-cells that are responsible for the secretion of insulin in the body are destroyed by the immune system, so patient has to inject insulin. In traditional way to control type 1 diabetes, doctor by taking a regular day profile of blood glucose determines the dose of insulin that is injected intravenously several times a day. The disadvantage of this method is that it limits the patient to a particular life style of food and physical activity. Because by changing these factors, prescribed insulin dose would not be appropriate and hyperglycemia or hypoglycemia may be seen. In addition, some factors that influence blood glucose profile, such as stress, excitement and etc. are not under our control and may cause undesired operation of this way. The hypoglycemia short time adverse effects include blurred vision, loss of consciousness, coma and even death. The hyperglycemia in the long term lead to vascular disease, kidney and eye malfunction. According to the ineffectiveness of this method and mentioned problems, the importance of closed-loop and adaptive control of glucose _ insulin system that is the subject of this thesis is obvious. Closed loop control presented in this thesis consists of three parts: patient, identification and control algorithm. The challenge involved in this work is intense effect of food disturbance on system and also delay of subcutaneous injection and delay of continuous blood glucose sensor. In this study, from physiological models provided for the person with diabetes, Hovorka model is used as a virtual patient. The on line identification system is used to identify the effects of foreign factors that influence glucose _ insulin dynamic, that we cannot control them in traditional way, so the system is adaptive. In fact, in this step recursive least squares method is used to make a mathematical model (ARX and Hammerstein) by the data received from the virtual patient and model is updated every ten minutes. Then, in controller block by using model predictive control, we try to set blood glucose within the desired band with presence of delay. In this step by applying GPC and NMPC controllers at identified models, it is seen that NMPC has better performance but it droppes into hypoglycemia range for a short time. The conventional method to improve the performance of the system against food disturbance consist of adding feedforward control that need to manually enter the information of food that is eaten. Finally, unlike conventional method, we add glucose as a new control input that is equivalent of injecting glucose serum, and use multi-variable control system to improve the performance of the controller. In this situation, the hypoglycemia after applying food disturbance is removed but two inputs NMPC has better performance than two inputs GPC, so it is introduced as ideal controller. Key Words- Diabetes, Control of blood glucose concentration level, Adaptive control, System identification, Model Predictive control
بیماری دیابت اختلالی در سوخت و سازگلوکز خون توسط انسولین است. در دیابت نوع 1 در اثر واکنش سیستم ایمنی بدن سلول های ? لوزالمعده که مسئول ترشح انسولین در بدن هستند از بین رفته، در نتیجه بیمار مجبور به تزریق انسولین است. در روش متداول کنترل این نوع از دیابت، پزشک با در نظر گرفتن پروفایل گلوکز خون در روز های عادی، دوز انسولین مورد نیاز را تعیین می‌کند که طی چند وعده در روز و به صورت وریدی تزریق می‌شود. از معایب این روش محدود شدن بیمار به یک سبک زندگی خاص از نظر غذا و تحرک بدنی است. زیرا با تغییر این عوامل پروفایل گلوکز خون نیز تغییر کرده و دوز انسولین از پیش تعیین شده مناسب نخواهد بود و ممکن است افزایش یا کاهش بیش از حد گلوکز خون یا به عبارتی هایپرگلایسمی و هایپوگلایسمی را شاهد باشیم. به علاوه بعضی عوامل مؤثر بر پروفایل گلوکز خون مانند استرس، هیجان وغیره تحت کنترل ما نیست که می‌تواند باعث عملکرد نامطلوب این روش شود. لازم به ذکر است هایپوگلایسمی در کوتاه مدت اثرات نامطلوبی چون تاری دید، کاهش هوشیاری، کما و حتی مرگ فرد را در پی دارد. هایپرگلایسمی نیز در دراز مدت باعث بیماری های عروقی، کلیوی، چشمی وغیره می‌شود. با توجه به ناکارآمد بودن این روش و مشکلات گفته شده ضرورت کنترل حلقه بسته و تطبیقی سیستم گلوکز _ انسولین که موضوع مورد بحث این پایان نامه است مشخص می‌شود. کنترل حلقه بسته ارائه شده در این پایان نامه شامل سه قسمت فرد بیمار، شناسایی سیستم و کنترل کننده است. چالش موجود درکار نیز اثر شدید اختلال غذا بر سیستم و همچنین تأخیر ناشی از سنسور اندازه گیری پیوسته گلوکز خون و تزریق زیر پوستی است. در این تحقیق، از یکی از مدل های فیزیولوژیک ارائه شده برای فرد دیابتی به نام مدل Hovorka به عنوان بیمار مجازی استفاده می‌شود. در قسمت شناسایی سیستم با استفاده از شناسایی بر خط سعی می‌شود تأثیرعوامل خارجی بر دینامیک گلوکز _ انسولین که در روش سنتی کنترلی بر آن نداشتیم را وارد کار کرده که البته تطبیقی بودن سیستم نیز از همین قسمت ناشی می‌شود. در واقع در این مرحله با استفاده از روش حداقل مربعات بازگشتی از داده های دریافت شده از بیمار مجازی، مدلی ریاضی (ARX و Hammerstein) ارائه می‌شود که این مدل هر ده دقیقه به روز می‌شود. در قسمت کنترل کننده با استفاده از کنترل پیش بین سعی می‌شود با وجود تأخیر، کنترل مناسبی روی سیستم اعمال کرده و گلوکز خون در محدوده‌ی مطلوب تنظیم شود. در این مرحله با اعمال کنترل کننده هایی چون GPC و NMPC بر مدل هایی که در مرحله‌ی قبل شناسایی شده است، مشخص می‌شود کنترل پیش بین غیرخطی عملکرد بهتری دارد، لکن گلوکز خون برای مدتی وارد ناحیه هایپوگلایسمی می‌شود. در نهایت بر خلاف روش رایج که با اضافه کردن کنترل پیش خور سعی در بهبود عملکرد کنترل کننده در دفع اختلال غذا دارد و مستلزم وارد کردن مقدار غذای مصرفی به صورت دستی است، ما با اضافه کردن گلوکز به عنوان یک ورودی کنترل جدید که معادل با تزریق سرم قندی است و چند متغیره کردن کنترل کننده سعی می‌کنیم عملکرد سیستم کنترل را بهبود دهیم. در این حالت هر چند مشکل هایپوگلایسمی بعد از اعمال اختلال غذا به کلی مرتفع می‌شود اما مشاهده می‌شود که کنترل کننده‌ی NMPC دو ورودی عملکرد بهتری نسبت به GPC دو ورودی دارد و به عنوان کنترل کننده‌ی ایده آل معرفی می‌شود. کلمات کلیدی: دیابت، کنترل سطح گلوکز خون، کنترل تطبیقی، شناسایی سیستم،کنترل پیش بین

ارتقاء امنیت وب با وف بومی