کنترل سطح قند خون بیماران دیابتی به کمک منطق فازی

موضوع : کنترل سطح قند خون بیماران دیابتی به کمک منطق فازی

توضیح : این فایل به صورت ورد و آماده چاپ می باشد

چکیده- بیماری دیابت به شرایط حادی اطلاق می¬شود که در آن تولید و مصرف انسولین در بدن دچار اختلال شده و در نتیجه¬ غلظت گلوکز در خون افزایش می¬یابد. نگه¬داری سطح گلوکز خون در نرمال¬ترین حد ممکن عوارض بلندمدت ناشی از بیماری دیابت را به¬طور قابل ملاحظه¬ای کاهش داده و منجر به کاهش هزینه¬های مرتبط با این بیماری می¬گردد. در بیماران دیابتی سیستم درونی تنظیم گلوکز که به-درستی عمل نمی¬کند، با یک الگوریتم کنترلی به¬منظور تنظیم سطح گلوکز خون جایگزین می¬شود. برای توسعه¬ی یک الگوریتم کارآمد آشنایی با نحوه¬ی عملکرد سیستم تنظیم گلوکز در یک فرد سالم ضروری است. در این تحقیق برای توصیف دینامیک¬های غیرخطی سیستم گلوکز- انسولین در بیماران مبتلا به دیابت نوع 1 از مدل مینیمال برگمان استفاده شده است. سپس یک کنترلر فازی با هدف تنظیم نرخ تزریق انسولین با فرض وجود اغتشاش و درنظرگرفتن تغییرات پارامترهای مدل پیشنهاد شده است. نتایج شبیه¬سازی¬ها نشان می¬دهد که کنترلر پیشنهادی توانسته سطح گلوکز خون را با موفقیت تنظیم نماید. هم¬چنین کارایی کنترلر مورد نظر یعنی رباست بودن و دقت بالای آن با وجود اغتشاش¬های فیزیکی مانند مصرف ماده¬ی غذایی از طریق شبیه¬سازی¬ها تایید می¬شود.    
واژگان کلیدی- دیابت، غلظت گلوکز خون، نرخ تزریق انسولین، مدل مینیمال برگمان، کنترل فازی.
1- مقدمه
در بدن انسان، تعداد زیادی حلقه¬ی طبیعی فیدبک¬دار برای حفظ تعادل حیاتی وجود دارد. ناتوانی یا سوءعمل هر یک از این حلقه¬ها باعث بروز بیماری¬های جدی با عوارض کوتاه یا بلندمدت می¬شود. بیماری دیابت یکی از انواع بیماری¬هایی است که در نتیجه¬ی عملکرد نادرست این حلقه¬های طبیعی در بدن ایجاد می¬شود.
ديابت، يک بيماري متابوليکي است که در آن بدن انسولين را به¬طور مناسب توليد يا مصرف نمي¬نمايد.
در حالت طبیعی، غذا در معده تبدیل به گلوکز یا قندخون می¬شود. قند از معده به جریان خون وارد می¬گردد. لوزالمعده (پانکراس) هورمون انسولین را ترشح می¬کند و این هورمون باعث می¬شود قند از جریان خون وارد سلول¬های بدن شود. در نتیجه مقدار قندخون در حد نرمال و متعادل باقی می¬ماند.
ولی در بیماری دیابت، انسولین به میزان كافی در بدن وجود ندارد و یا انسولین موجود قادر نیست تا وظایف خود را به درستی انجام دهد، در نتیجه به علت وجود مقاومت در برابر آن، قندخون نمی¬تواند به¬طور مؤثری وارد سلول¬های بدن شود و مقدار آن بالا می¬رود.
بالا بودن قندخون در درازمدت باعث بروز عوارضی در سیستم قلب و عروق، كلیه‌ها، چشم و سلسله¬ی اعصاب می¬گردد.
دیابت یکی از شایع¬ترین بیماری¬های انسانی در زمان ماست. در برآورد و تخمینی كه در سال 1985 انجام شده مشاهده شده است كه 30 میلیون نفر در سراسر جهان مبتلا به بیماری دیابت بودند، اما امروزه حدود 194 میلیون نفر به بیماری دیابت مبتلا هستند كه در مقایسه با 20 سال گذشته 6 برابر شده است ]19[. آمارها نشان می¬دهد که اگر جلوی پیشرفت این بیماری همه‌گیر گرفته نشود تا سال 2025 شمار مبتلایان در سطح جهانی 50 درصد رشد خواهد داشت ]20[. طبق آمارهای بدست آمده، در کشور آمریکا در سال 2005 میلادی 8/20 میلیون نفر - 7 درصد کل جمعیت- به بیماری دیابت مبتلا بوده¬اند ]21[. از هر 20 ایرانی یک نفر به دیابت مبتلاست و نیمی از این تعداد نمی‌دانند که دیابت دارند. هر 10 ثانیه یک نفر در جهان به دلیل عدم آگاهی از دیابت و روش کنترل آن، جان خود را از دست می¬دهد. هر 30 ثانیه یک نفر در جهان به علت عدم آگاهی از دیابت و روش کنترل آن، پای خود را از دست می¬دهد ]22[.
در سه دهه¬ی اخير تحقيقات گسترده¬اي در زمينه کنترل قندخون در بيماران مبتلا به ديابت نوع اول انجام گرفته است. مقالات مختلف، استفاده از روش¬هاي گوناگون كنترل كلاسيك و مدرن را پيشنهاد مي¬دهند كه طبعاً هر كدام مزايا و معايب خود را دارند ]12-1[. در اغلب اين مقالات ابتدا مدل غيرخطي تاثير متقابل گلوكز و انسولين، خطي سازي شده و سپس از روشهاي كنترل خطي جهت بهبود شرايط بيمار استفاده مي شود. اما كنترلرهاي خطي ممكن است در مداواي بيماراني كه در شرايط بسيار حادي قرار دارند، با شكست مواجه گردند. در واقع اگر شرايط بيمار فاصله زيادي با شرايط نرمال داشته باشد، مدل خطي ديگر معتبر نبوده و نبايد جهت طراحي كنترلر مورد استفاده قرار گيرد.
به¬طور کلي استراتژي¬هاي کنترلي به كار رفته در اين زمينه را مي¬توان به سه دسته¬ی کنترل حلقه¬باز، حلقه¬بسته و نيمه¬حلقه¬بسته تقسيم نمود. در روش¬هاي کنترل حلقه¬باز، پزشک يک دُز  معين انسولين را دو يا سه بار در روز به بيمار تزريق مي¬کند. اين روش کنترلي بسيار ساده و پر کاربرد است. هر چند که اگر بيمار در معرض تغييرات شديد قند خون باشد، اين روش کارايي چندان خوبي نخواهد داشت. در روش¬هاي کنترل حلقه¬بسته، انسولين به¬طور پيوسته تزريق شده و سطح گلوکز خون به صورت بلادرنگ مانيتور مي¬شود. استراتژي ديگر کنترل نيمه¬حلقه¬بسته است. در روش¬هاي کنترلي نيمه¬حلقه¬بسته، قندخون در فواصل زماني معين اندازه گرفته شده و نرخ تزريق انسولين با توجه به اين نمونه¬برداري¬ها تنظيم مي¬شود. طبعاٌ اين نوع کنترل بسيار ساده¬تر بوده و هزينه¬ی کمتري در بر خواهد داشت.
يكي از مشكلات كليه¬ی روش¬هاي كنترل كلاسيك در برخورد با سيستم¬هاي بيولوژيكي آن است كه اين روش¬ها معمولاً به-شدت به پارامترهاي مدل وابسته هستند. در حالي¬كه اين پارامترها معمولاً مقادير مشخص و ثابتي نداشته و از يك فرد به فرد ديگر تغيير مي¬كنند. با استفاده از تكنيك¬هاي كنترل فازي كه كمتر به مدل رياضي سيستم وابسته هستند، مي¬توان اين مشكل را برطرف نمود.
در این مقاله ديناميک هاي غير خطي تاثير متقابل گلوکز و انسولين، با کمک مدل مينيمال ارائه شده توسط برگمان مدل مي-شود. سپس یک کنترلر فازی با هدف تنظیم نرخ تزریق انسولین با فرض وجود اغتشاش و درنظرگرفتن تغییرات پارامترهای مدل پیشنهاد شده است. نتایج شبیه¬سازی¬ها نشان می¬دهد که کنترلر پیشنهادی توانسته سطح گلوکز خون را با موفقیت تنظیم نماید. هم-چنین کارایی کنترلر مورد نظر یعنی رباست بودن و دقت بالای آن با وجود اغتشاش¬های فیزیکی مانند مصرف ماده¬ی غذایی از طریق شبیه¬سازی¬ها تایید می¬شود.
فهرست مطالب
چکیده    1
1- مقدمه    1
2- مدل ریاضی    3
3- طراحی کنترلر    4
3-1 شبيهسازيها و نتايج    5
4- منابع    13