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(cè)自己的血糖水平，如果血糖水平過(guò)低可以通過(guò)進(jìn)食一些糖類食物來(lái)調(diào)節(jié)，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(diào)節(jié)。

    雖然胰島素對(duì)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(xiǎn)，因?yàn)檫^(guò)量的胰島素會(huì)促使體內(nèi)糖分被過(guò)度吸收并最終導(dǎo)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(yán)格的規(guī)律。

    目前的研究集中于閉環(huán)控制方法，其相應(yīng)的醫(yī)療設(shè)備將提供一種應(yīng)對(duì)于葡萄糖濃度的變化而進(jìn)行相應(yīng)的胰島素自動(dòng)化管理。閉環(huán)控制系統(tǒng)根據(jù)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(xiàn)，類似于一個(gè)健康胰臟的內(nèi)分泌功能，因此，這樣的醫(yī)療設(shè)備也被稱為人工胰臟。關(guān)于人工胰臟的早期臨床試驗(yàn)已經(jīng)有了一些積極的成果。

    該系統(tǒng)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(yán)格。這里，控制算法至關(guān)重要，它要在考慮測(cè)算誤差以及動(dòng)力學(xué)時(shí)滯的同時(shí)，根據(jù)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(yù)測(cè)性模型、精確檢測(cè)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(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)中胰島素的注射，依據(jù)人體生理機(jī)能和胰島素分泌的新陳代謝，精心設(shè)計(jì)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(xiàn)。然后，對(duì)在I-型和II-型糖尿病環(huán)境中利用胰島素類似物的注射進(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(jù)參數(shù)設(shè)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(yīng)用的連續(xù)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(dāng)血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)反饋表明血糖濃度達(dá)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(xiàn)的前提下，大注射劑量的效果更佳”， 文章的作者們說(shuō)。當(dāng)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?yàn)楫?dāng)檢測(cè)信號(hào)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(yīng)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(shè)計(jì)過(guò)程中，檢驗(yàn)有效性是非常重要的，用于檢驗(yàn)的軟件可以根據(jù)這些模型通過(guò)對(duì)糖類攝入函數(shù)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(jī)能的特質(zhì)因素考慮到人工胰臟軟件的設(shè)計(jì)中以求達(dá)到更高的靈敏度，以及利用病人的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)調(diào)整所用算法中參數(shù)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(tǒng)的機(jī)械時(shí)滯的方式以及選取合理的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法估計(jì)模型參數(shù)的方式繼續(xù)改進(jìn)模型。”