Tip 1 diyabet (T1DM) hastaları için glikoz kontrol algoritmalarının geliştirilmesi

Bu çalışmada, Tip 1 diyabet (T1DM) hastalarının kan glikozu (Blood Glucose-BG) değerini müsaade edilen aralıklarda tutabilmek amacıyla, yeni, açık ve kapalı çevrim kontrol algoritmaları geliştirilmiştir. Geliştirilen algoritmalar UVA Padova T1DM simülatörü (T1DMS) üzerinde denenerek geçerli kılınmış ve algoritmaların etkinliği gözlenmiştir. Çalışmanın ilk bölümünde, T1DM hastalarının BG kontrolü için yeni bir açık çevrim kontrol algoritması geliştirilmiştir. En fazla dalgalanmanın yaşandığı öğün sonrası dönem, hastaların sahip olacakları ortalama BG değerini belirleyen zaman aralığıdır. Bu çalışmada, hastaların en çok kullandığı üç parametre yardımıyla, mümkün olan en iyi öğün sonrası BG değerleri elde edilmeye çalışılmıştır. Bu üç parametre; öğün öncesi BG değeri, öğünde alınacak karbonhidrat miktarı ve insülin enjeksiyonundan sonra öğüne başlayıncaya kadar beklenen süreyi ifade eden fark zamanıdır. Bu çalışmada, sistemde var olan baskın lineer etki sebebiyle BG parametresine ait tüm uç değerlerin, bu üç parametrenin hastaya özel bir katsayı matrisiyle çarpılarak elde edilebileceği öngörülmüştür. Bu üç parametreye ait kayıtlar kullanılarak, bir tür sistem tanılama yaklaşımıyla oluşturulan lineer denklemlerden, hastaya özel katsayı matrisi deneysel olarak elde edilmiştir. Bu matris kullanılarak ideal bekleme süresi belirlenmiştir. Bu sürenin uygulanmasıyla da en iyi öğün sonrası BG değerleri elde edilebilmiştir. Belirlenen katsayı matrisi sayesinde, öğün sonrası hipoglisemi, hiperglisemi ve ortalama BG değerleri, sırasıyla, 0.95, 0.99 ve 0.98 regresyonla öngörülebilmiştir. Çalışmanın ikinci bölümünde T1DM hastalarının BG kontrolü için, yeni bir yaklaşımla, kapalı çevrim kontrol algoritmaları geliştirilmiş, T1DMS kullanılarak denenmiş ve algoritma etkinlikleri gözlemlenmiştir. Öncelikle literatürde önerilen klasik Oransal-Türevsel (PD) denetleyici kullanılarak, 80 saatlik süre boyunca, kapalı çevrim BG regülasyonu yapılmaya çalışılmıştır. Denemelerde, BG düzenleme mekanizmasının tam lineer olmaması ve katsayı optimizasyonu sıkıntıları sebebiyle, hipoglisemi ve hiperglisemi sınırlarının aşıldığı görülmüş, istenilen netice alınamamıştır. BG düzenleme mekanizmasının değişken metabolik parametreleri, kontrol dinamiğinin de değişmesini gerektirmektedir. Bunun üzerine yeni bir yaklaşım olarak, denetleyici katsayılarının sistem tanılama yardımıyla belirlenmesine çalışılmıştır. Önce sistem tanılamayla insülin metabolizması modeli elde edilmiş, bu matematiksel model kullanılarak insan metabolizmasına eşdeğer BG düzenleme devresi oluşturulmuştur. Bu eşdeğer devre kullanılarak parçacık sürü optimizasyonu (PSO) algoritması yardımıyla katsayı optimizasyonu yapılmıştır. Bu optimal denetleyici ile BG değerleri beklentileri karşılayacak seviyede normal sınırlara çekilebilmiş ve hipoglisemi tamamen önlenebilmiştir. Buna ilave olarak, denetleyicinin zamanla değişen metabolizma dinamiklerine uyum sağlayabilmesi için denetleyici katsayılarının başlangıçta bir defa optimizasyonunun yapılması yeterli olmayacağından, mevcut denetleyiciye, Yinelemeli En Küçük Kareler (RLS) tabanlı bir adaptif denetleyici paralel olarak ilave edilmiştir. Elde edilen bu yeni ikili denetim yapısı kullanıldığında, BG değerlerinin normal aralıkta kalma oranı %91 seviyesine yükselmiş ve hipoglisemi oluşmamıştır. Aynı denetleyici 200 saatlik yeni bir senaryoda tekrar test edilmiş, sonuç olarak, BG'nin normal aralıkta kalma süresi %90 olarak gerçekleşirken hipoglisemi oluşumu da tamamen ortadan kaldırılmıştır. Bu ikili yapıda, temel denetim işlevini, sade yapısıyla PD denetleyici yapmış, başlangıç şartları için en uygun katsayı optimizasyonu ise sistem tanılama yardımıyla elde edilen model üzerinden PSO algoritmasıyla yapılmıştır. Sistemin değişen şartlara uyumunu sağlayacak adaptif kontrol yeteneği ise RLS tabanlı denetleyici ile elde edilmiştir. Bu çalışmada ayrıca PSO ve RLS mekanizmalarının başarım üzerindeki etkinliği de analiz edilmiştir. BG'nin normal aralıkta gerçekleşme oranının hedeflenen seviyede gerçekleşmesi ve hipogliseminin tamamen ortadan kaldırılmış olması sebebiyle, geliştirilen denetim yapısının, hipoglisemiyi algılama yetisi olmayan çocuklar başta olmak üzere, tüm diyabet hastalarında kullanılabileceği görülmüştür.