[发明专利]一种基于血糖变化趋势的人工胰腺自适应自抗扰控制器

说明书

本发明提供一种基于血糖变化趋势的人工胰腺自适应自抗扰控制器，包括跟踪微分器模块、扩维观测器模块、非线性反馈模块和约束模块，其中，所述非线性反馈模块的非线性反馈模型为：u＝(‑fhan(k₁e₁,k₂e₂,r₂,a)‑z₃)/b₀其中，k₁,k₂,a为根据血糖变化趋势自适应的参数，r₂称为控制量增益；e₁和e₂为血糖浓度及其变化率设定值与估计值之间的误差信号，z₃为总干扰的估计值；b₀为已知增益系数。本发明把作用于被控对象的所有不确定因素作用都归结为“未知扰动”而用对象的输入输出数据对它进行估计并给予补偿。因此本控制器算法对个人参数不准，模型不确定，进食干扰，饭前剂量不准等扰动具有一定的鲁棒性。

技术领域

本发明涉及一种基于血糖变化趋势的人工胰腺自适应自抗扰控制器，属于人工胰腺系统技术领域。

背景技术

正常健康人的血糖浓度是由胰岛素和胰高血糖素协同调节的。胰高血糖素由胰腺中的α细胞分泌，能够升高血糖浓度，而胰岛素由胰腺中的β细胞分泌，能够降低血糖浓度。当由于自身免疫性破坏导致β细胞丧失功能或者死亡，胰岛素完全不分泌时，此症状为Ⅰ型糖尿病，当β细胞不能产生足量的胰岛素时，此症状为Ⅱ型糖尿病。无论Ⅰ型、Ⅱ型糖尿病都是以高血糖为特征的代谢性疾病，并会导致心血管疾病、慢性肾脏病、糖尿病足、视网膜病变等严重长期并发症，与心血管病、呼吸疾病和肿瘤统称为四大慢病。

得益于血糖传感器以及胰岛素泵的技术发展，人工胰腺得以实施，实现更为有效的糖尿病治疗，尽可能保证血糖浓度在正常范围内：70-180mg/dl。人工胰腺系统是一闭环控制系统，如图1所示，其主要由三部分组成：动态血糖监控(血糖传感器)，可进行胰岛素输注的胰岛素泵，以及能基于连续测量的血糖值实时调整胰岛素输注量的控制器。但控制器中的控制算法作为人工胰腺的关键核心部分，其设计面临着许多挑战：

1)被控过程难以精确建模。由于人体结构及动态的复杂性，人体血糖代谢过程是一个复杂的、非稳态、多变量、强耦合、高阶非线性系统，且个体间甚至同个体不同时段胰岛素灵敏度都不同，导致这一系统还是时变、变参数系统。

2)多种类型的干扰。人体正常生活所包括的摄食，运动，饮酒等活动，以及压力和情绪变化等都会给血糖代谢系统带来干扰，这些都是难以被测量的。

3)非对称动力学。摄食后消化吸收所带来的血糖升高是一快速响应的动力学过程，而经皮下注射的胰岛素通过吸收并作用使血糖降低是一缓慢的动力学过程，以及血糖传感器通过皮下细胞间液与血管中血糖的浓度差测量血糖浓度也有一定的时间滞后和不准确性。

4)高血糖和低血糖的不对称性风险。高血糖是糖尿病患者长期并发症的主要原因，然而“胰岛素-血糖”系统是一正值系统，胰岛素的输注值以及系统状态值只为正值，当为尽快消除高血糖有可能会注射过量的胰岛素造成而后的低血糖现象。

现有的进入临床实验的闭环控制算法主要有PID控制和模型预测控制(MPC)。PID作为工业上实用的控制算法，其也是最先用于人工胰腺系统，利用血糖浓度目标值与实际值之间误差的比例、积分、微分的加权和形式来形成反馈控制量，具有结构简单，易于实现的特点，但也受限于结构简单，血糖代谢系统的特性包括上述所需考虑的问题挑战都无法在控制器设计中体现，有积分饱和现象，容易造成在血糖持续上升时胰岛素注射过量。MPC能直接处理各种约束条件下的控制问题，对系统模型有一定的鲁棒性，通过预测未来的输出，寻找最优或次优的控制量，可以很方便地处理摄食，胰岛素吸收延迟等，具有性能优越的特点，但算法复杂度较高，控制器运行占用较多计算资源，不利于在嵌入式系统中可靠实现。因此如何设计能有效兼容PID控制器结构简单和MPC控制器性能优越的特点，并保证安全性的控制器对于人工胰腺系统具有重要意义。

发明内容