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    胰島素泵治療糖尿病通常遵循一種開(kāi)環(huán)控制方法，即個(gè)人可以周期性地利用血糖儀檢測自己的血糖水平，如果血糖水平過(guò)低可以通過(guò)進(jìn)食一些糖類(lèi)食物來(lái)調節，如果血糖水平過(guò)高則可以通過(guò)注射一定劑量的胰島素來(lái)調節。

    雖然胰島素對糖尿病患者非常重要，但這種方法也帶來(lái)了低血糖癥的風(fēng)險，因為過(guò)量的胰島素會(huì )促使體內糖分被過(guò)度吸收并最終導致低血糖。此外，這種方法要求糖尿病患者在飲食和胰島素注射方面遵守嚴格的規律。

    目前的研究集中于閉環(huán)控制方法，其相應的醫療設備將提供一種應對于葡萄糖濃度的變化而進(jìn)行相應的胰島素自動(dòng)化管理。閉環(huán)控制系統根據糖濃度水平和輸送胰島素之間的實(shí)時(shí)反饋來(lái)實(shí)現，類(lèi)似于一個(gè)健康胰臟的內分泌功能，因此，這樣的醫療設備也被稱(chēng)為人工胰臟。關(guān)于人工胰臟的早期臨床試驗已經(jīng)有了一些積極的成果。

    該系統將極大地改善糖尿病患者的生活方式，解除他們手動(dòng)注射的麻煩，并使其飲食控制不必那么嚴格。這里，控制算法至關(guān)重要，它要在考慮測算誤差以及動(dòng)力學(xué)時(shí)滯的同時(shí)，根據血糖水平控制胰島素的輸入。然而，人工胰臟在研發(fā)過(guò)程中因缺乏可靠的預測性模型、精確檢測糖濃度的方法和高效的控制算法而受阻。

    這篇論文利用微分方程模型模擬開(kāi)環(huán)控制系統和閉環(huán)控制系統中胰島素的注射，依據人體生理機能和胰島素分泌的新陳代謝，精心設計了確定胰島素注射時(shí)間和劑量的算法，確保低血糖和高血糖的癥狀均不會(huì )出現。然后，對在I-型和II-型糖尿病環(huán)境中利用胰島素類(lèi)似物的注射進(jìn)行了定性和定量分析。

    開(kāi)環(huán)模型考慮在周期間隔點(diǎn)注射等量的胰島素，注射的頻率和劑量根據參數設置來(lái)選取。“在開(kāi)環(huán)控制中，模型分析表明小劑量高頻率的注射在控制血糖水平方面更有效，這也肯定了目前臨床中應用的連續皮下胰島素注射（CSII）是高效的，”資深作者李嘉旭和宋新宇解釋道。

    閉環(huán)模型建議當血糖監測系統的自動(dòng)反饋表明血糖濃度達到一個(gè)特定閾值時(shí)再注射胰島素。“閉環(huán)控制的模型分析表明，在慎重考慮避免低血糖癥狀出現的前提下，大注射劑量的效果更佳”， 文章的作者們說(shuō)。當患者仍保持一定的分泌少量胰島素的功能時(shí)，這將是很有價(jià)值的，因為當檢測信號表明較低血糖水平時(shí)，將不會(huì )再有過(guò)量的胰島素注入。

    因此，文章表明，胰島素的輸入可由周期脈沖（開(kāi)環(huán)）和狀態(tài)脈沖（閉環(huán)）兩種方式模擬。

    “基于這個(gè)模型，有效且高效的算法將被開(kāi)發(fā)出來(lái)并應用于人工胰臟的閉環(huán)控制，即確定胰島素注入的時(shí)間和劑量，” 李嘉旭和宋新宇說(shuō)。“在人工胰臟的設計過(guò)程中，檢驗有效性是非常重要的，用于檢驗的軟件可以根據這些模型通過(guò)對糖類(lèi)攝入函數的合理模擬開(kāi)發(fā)出來(lái)。”

    未來(lái)的研究還將涉及到：將人體生理機能的特質(zhì)因素考慮到人工胰臟軟件的設計中以求達到更高的靈敏度，以及利用病人的統計數據調整所用算法中參數的取值。“我們將通過(guò)進(jìn)一步考慮人體的生理時(shí)滯和系統的機械時(shí)滯的方式以及選取合理的統計學(xué)方法估計模型參數的方式繼續改進(jìn)模型。”