پیش به سوی پانکراس مصنوعی : مدل ریاضی و کنترل دیابت

دیابت با مزه یک بیماری مزمن است که در آن مقدار قند خون به دلیل تولید ناکافی انسولین یا فقدان پاسخ بدن به انسولین افزایش می یابد.

 دیابت نوع 1 به دلیل فقدان  یا اختلال عملکرد سلولهای بتا در پانکراس ایجاد می شود.  دیابت نوع 2 به دلیل اختلال در سیستم تنظیمی انسولین – گلوگز ایجاد می شود. اصلی ترین روش کنترل دیابت تزریق زیر جلدی انسولین آنالوگ از طریق پمپ های انسولین است.

 در مقاله ای که 14 اکتبر در ژورنال SIAM(ژورنال ریاضی کاربردی) به چاپ رسید ،مدل ریاضی جدیدی  که توسط محققین برای تزریق انسولین دربیماران مبتلا به دیابت نوع 1 و 2 ابداع گردیده است، معرفی شد.

در این مدل ریاضی ، تزریق انسولین از طریق پمپ انسولین بصورت ایمپالس های متناوب  به بدن بیمار تحویل داده می شود.

 مدیریت دیابت از طریق پمپ انسولین معمولاً بصورت یک روش حلقه ی باز صورت می گیرد که در آن قند خون بصورت متناوب توسط یک قند سنج اندازه گیری شده و سپس از طریق خوردن کربوهیدرات درصورت پایین بودن قندخون یا تزریق یک دوز انسولین  در صورت بالا رفتن قندخون، نوسانات قند کنترل می شود. دراین حالت  اگر چه اطمینان از تامین انسولین کافی برای بدن بسیار مهم است اما همیشه خطر افت قند خون به علت تزریق اضافی انسولین و جذب زیاد قند از خون، بیماران را تهدید می کند.علاوه بر این، دراین روش باید بدقت رژیم غذایی وتزریق انسولین رعایت وتنظیم گردد.

درتحقیقات فعلی دانشمندان بروی روش حلقه ی بسته تمرکز کرده اند دراین حالت دستگاه های خودکار پزشکی بر اساس مقدار قندخون لحظه ای، تحویل انسولین مورد نیاز در زمان مورد نظر را تنظیم می کنند.

در سیستم حلقه ی بسته بر اساس مقدار قندخون، انسولین درموقع موردنظر تحویل داده می شود. این حالت تقریباً شبیه به عملکرد اندوکرینی پانکراس طبیعی سالم است و به همین علت آنرا پانکراس مصنوعی می نامند. کارآزمایی های اولیه ی بالینی در مورد استفاده از این سیستم پانکراس مصنوعی نتایج امیدوارکننده ومثبتی را نشان می دهد.

این نوع سیستم تأثیر عمده ای در بهبود روش زندگی بیماران دیابتی دارد و بیمار از تزریق دستی انسولین وکنترل سختگیرانه ی رژیم غذایی بی نیاز می گردد.

فاکتورکلیدی در این سیستم کنترل آلگوریتمی است که تحویل انسولین را بر اساس  مقدار قند خون با در نظر گرفتن خطاهای اندازه گیری و تأخیرهای سینتیکی  تنظیم می کند.

 با این وجود تولید یک لوزالعمده مصنوعی به علت عدم اطمینان به مدلهای پیش بینی کننده و روشهای دقیق سنجش قند خون بعلاوه  ناکارآمدی کنترل آلگوریتم ها هنوز بطور کامل امکان پذیر نشده است.

دراین مقاله از مدلهای معادلات دیفرانسیل برای شبیه سازی تزریق  انسولین درسیستم های حلقه ی باز و بسته استفاده گردید. آلگوریتم ها بدقت  برای تعیین زمان و دوز تزریق انسولین بر پایه ی فیزیولوژی و متابولیسم بدن  درترشح انسولین برای جلوگیری از حملات افت قندخون یا  افزایش آن طراحی گردید. مدلها سپس از نظر کیفی وعددی از طریق  تزریقهای انسولین آنالوگ درمحیط دیابت نوع 1 و 2 ارزیابی گردید.

 درمدل حلقه ی باز تزریق مقدار یکسانی انسولین درفواصل دوره ای انجام می شود که فرکانس و دوز تزریق انسولین بر اساس مجموعه ای از پارامترها انتخاب می شود. درکنترل لوپ باز، آنالیز مدل نشان داد که دوز کمتر با فرکانس تحویل  بیشتر برای کنترل قندخون بیماران موثرتر است. این مدل تزریق زیر پوستی مداوم انسولین را (CSII)که در حال حاضر بصورت کلینیکی مورد استفاده قرار می گیرد، تایید می کند.

درمدل حلقه ی بسته ، تزریق انسولین زمانی صورت می گیرد که مقدار قند خون از یک آستانه ی مشخص بر اساس بازخورد خودکار سیستم نظارت بر گلوکز بالاتر رود. آنالیز های مدل لوپ بسته نشان می دهد که استفاده از  دوز بزرگتری از انسولین با درنظر گرفتن دقیق جلوگیری از حمله ی هیپوگلایسمی ،ارجحیت دارد. این مدل دربیمارانی که هنوز توانایی  ترشح مقدار کمی انسولین را دارند مفید است. دراین حالت از تحویل انسولین بیشتر با رسیدن پیام کاهش قندخون ممانعت می گردد.

 دراین تحقیق مشخص گردید که تحویل انسولین بصورت  دوره ای (سیستم باز) و بصورت وابسته به شرایط (حلقه ی یا سیستم بسته) و ایمپالسی می تواند به عنوان  مدل تحویل انسولین استفاده شود.

 به گفته ی دکتر GUO: آلگوریتم های کارآمد و موثری دراین مدل استفاده شده است که می تواند درکنترل لوپ بسته در پانکراس مصنوعی استفاده شود. این آلگوریتم ها میزان انسولین و زمان تحویل آنرا تعیین وتنظیم می کنند.

صحت عملکرد این آلگوریتم ها در طراحی پانکراس مصنوعی از اهمیت خاصی برخوردار است. نرم افزارهایی برای صحت این طراحی براساس این مدل با شبیه سازی مناسب از توابع ورودی مقدار قند خون ساخته می شود. در آینده دانشمندان با گنجاندن جنبه های خاص فیزیولوژی بدن در نرم افزار پانکراس مصنوعی و استفاده از آمار بیماران برای تنظیم ظریف پارامترهای استفاده  شده در آلگوریتم ، حساسیت این  سیستم را افزایش خواهند داد.

محققین می گویند: در آینده،  از طریق در نظر گرفتن تأخیر زمانی  فیزیولوژیکی و تأخیرهای مکانیکی درسیستم وتخمین پارامترهای مدل  با روشهای آماری پیشرفته و صحیح ، به بهبود واصلاح این مدل خواهند پرداخت .

منبع:  www. sciencedaily.com/releases/2012/10/12100413445.htm