유형별 식사로 인한 혈당 조절

Dec 13, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 12228(2022) 이 기사 인용

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본 연구에서는 제1형 당뇨병 환자의 식사로 유도되는 혈당을 조절하기 위한 적응적 백스텝 방법을 제안한다. 백스테핑 컨트롤러를 이용해 혈당량을 조절하고, 식사로 인해 유발된 혈당을 보상하기 위해 적응형 알고리즘을 활용한다. 또한, 제안된 방법의 유효성은 두 가지 다른 사례 연구(액추에이터 결함이 있는 경우 및 치료 중 짧은 동안 제어 입력의 손실이 있는 경우)의 결과를 비교하여 평가됩니다. 모든 경우에 명목상의 환자를 대상으로 하루에 세 번 예고되지 않은 식사의 효과를 조사했습니다. 두 경우 모두 적응형 백스테핑이 선호되는 제어 방법이라고 주장됩니다. Lyapunov 이론은 제안된 방법의 안정성을 증명하는 데 사용됩니다. 얻은 결과는 적응형 백스테핑 컨트롤러가 안정적이고 원하는 포도당 농도 수준이 효율적으로 추적되고 있음을 나타냅니다.

당뇨병은 고혈당증1 또는 저혈당증2을 유발하는 대사 질환의 일종으로, 인슐린 분비, 인슐린 작용 또는 둘 다의 결함으로 인해 혈당 수치가 각각 안전 구역보다 높아지거나 낮아집니다4. WHO에 따르면 당뇨병은 세계 주요 사망 원인 중 하나이며, 전 세계적으로 4억 2200만 명이 당뇨병을 앓고 있습니다.

미국 당뇨병 협회(American Diabetes Association)에 따르면 당뇨병에는 1형, 2형, 임신성 당뇨병(임신 중 당뇨병), 특정 유형의 당뇨병(인슐린 작용의 유전적 결함 등) 등 4가지 유형이 있습니다5. 제1형 당뇨병(T1D)은 췌장 \(\upbeta\) 세포 파괴가 일반적으로 절대 인슐린 결핍으로 끝나는 만성 질환입니다(췌장은 인슐린 양을 거의 또는 전혀 방출하지 않음)6. 제1형 당뇨병의 주요 증상은 다뇨증(과도한 소변 생성), 다음증(극심한 갈증) 및 체중 감소입니다7. CDC(질병통제예방센터)에 따르면 미국에서는 3,400만 명 이상(약 10명 중 1명)이 당뇨병을 앓고 있으며, 그 중 5~10%가 제1형 당뇨병을 앓고 있습니다. 장기적으로 당뇨병의 결과에 대한 도식은 그림 1에 설명되어 있습니다. 제1형 당뇨병의 위험은 전 세계적으로 증가하고 있으며 매년 거의 90,000명의 어린이가 진단을 받습니다8. 따라서 제1형 당뇨병의 혈당치를 안전하게 유지하기 위해서는 환자의 남은 생애 동안 외인성 인슐린 주사가 필요하다9.

당뇨병의 장기적 결과에 대한 개략도.

현재 제1형 당뇨병을 예방하는 방법을 아는 사람은 아무도 없지만 이를 조절하는 방법은 알고 있습니다. 가장 일반적인 방법은 인슐린을 매일 최대 4~5회 주사하는 것입니다. 또 다른 방법은 피하 인슐린을 지속적으로 주입하는 것이다. 이 두 가지 방법의 효능 비교는10,11에서 확인할 수 있습니다. 그러나 당뇨병이 제어 이론을 충족시키는 인공 췌장의 도입으로 또 다른 새로운 유망한 접근법이 조사되었습니다. 폐쇄 루프 혈당 제어라고도 알려진 인공 췌장은 센서, 제어 알고리즘 및 인슐린 펌프가 결합된 시스템입니다12. 이 접근 방식의 목표는 센서가 혈당 농도(BGC) 측정값을 제공하고 그 정보를 피드백 제어 시스템에 전달하여 인슐린이 얼마나 필요한지 결정하는 췌장 인슐린의 기능을 모방하는 것입니다. 환자의 혈당을 안전지대 내로 유지합니다13.

이러한 인공 췌장을 설계하기 위해 여러 제어 방법과 알고리즘이 문헌에 제안되었습니다. 몇 가지 예를 들면, 매개변수의 실시간 조정을 제공하기 위해 PID 기반 컨트롤러가 제안됩니다14,15. 16에서는 PID 제어기가 식사 후에만 켜지고 식사 전에는 꺼지도록 설계되었습니다. 모델 예측 컨트롤러(MPC)는 장점에 따라 널리 조사되는 방법 중 하나입니다. 시간이 지남에 따라 환자 간 변동성에서 발생하는 변화에 적응하는 능력입니다. 그러나 MPC의 효율성은 가정된 모델이 얼마나 정확한지에 따라 달라집니다. 문헌에 적용되는 또 다른 방법은 시스템이나 문제에 대한 고급 지식을 기반으로 한 일련의 규칙이 필요한 퍼지 논리 알고리즘입니다. 시스템 동작의 변화에 ​​따라 컨트롤러가 조정되는 적응형 제어 방식이 22에서 제안되었습니다. 비선형 동적 시스템에 처음 도입된 백스테핑 방법은 널리 사용되는 제어 방법 중 하나입니다. 이는 재귀적 설계 절차를 가지고 있으며 혈당 조절에 적용 가능성이 높은 것으로 입증되었지만24,25, 특히 적응형 제어26,27와 같은 다른 방법과 함께 사용할 수 있는 유연성이 있습니다. 적응 제어를 그림으로 가져오려면 Lyapunov 이론28,29,30이 적응 규칙을 결정하는 열쇠입니다. 그러나 백스테핑 알고리즘을 이용하여 제1형 당뇨병 환자의 혈당을 조절하기 위해서는 식사의 불확실한 효과를 보완하기 위해 적응형 조절도 함께 적용하는 것이 유리하다면 문헌상 공백이 여전히 존재한다. 시스템 역학의 불확실성을 처리하기 위한 다양한 접근 방식이 있습니다. 몇 가지 예를 들면, 한 가지 기술은 신경망을 사용하는 것이고(31), 다른 하나는 적응형 제어 또는 이 둘을 조합하는 것입니다32. 백스테핑과 비교하여 적응형 백스테핑은 모델의 불확실성을 허용할 수 있지만 백스테핑 방법을 사용하면 제어 범위를 벗어날 수 있습니다. 따라서 적응형 백스테핑은 특히 실제 응용 프로그램에서 볼 수 있는 불확실성이 있는 경우 더욱 안정적입니다. 우리가 아는 한, 불확실한 식사 방해로 T1D를 조절하기 위한 백스테핑의 효율성과 적응형 백스테핑 방법 간의 비교에 대한 조사는 없습니다. 또한 제안된 적응형 백스테핑 알고리즘은 이 주제에 대한 문헌의 이전 연구와 비교하여 짧은 시간 동안 액추에이터 결함 및 제어 입력 손실이 있는 경우에도 강력합니다.