"تحليل مقارن لهياكل تحكم PID لتنظيم الجلوكوز في مرض السكري من النوع الأول: دراسة قائمة على المحاكاة باستخدام نموذج بيرغمان"

المؤلفون

  • Aleisawee Alsseid College of Electronic Technology - Bani Walid المؤلف
  • Issa Eldbib College of Electronic Technology, Bani Walid, المؤلف
  • Shefaallah Melad College of Electronic Technology, Bani Walid, المؤلف
  • Haneeyah Omran College of Electronic Technology, Bani Walid, المؤلف
  • Nehal A. Alsseid College of Electronic Technology, Bani Walid, المؤلف

DOI:

https://doi.org/10.65568/gujes.2026.020108

الكلمات المفتاحية:

التحكم في الجلوكوز (أو تنظيم سكر الدم)، المتحكم التناسبي التكاملي التفاضلي، البنكرياس الاصطناعي، مرض السكري من النوع الأول

الملخص

"يعد تنظيم مستويات الجلوكوز في الدم تحدياً حرجاً في إدارة مرض السكري من النوع الأول (T1D)، حيث يضعف إنتاج الأنسولين الداخلي. تقدم هذه الدراسة تحليلاً مقارناً شاملاً لمختلف استراتيجيات التحكم الكلاسيكية لتنظيم الجلوكوز، استناداً إلى نموذج بيرغمان الأدنى (Bergman Minimal Model).

قمنا بتقييم أداء المتحكمات التناسبية (P)، والتناسبية التكاملية (PI)، والتناسبية التفاضلية (PD)، والتناسبية التكاملية التفاضلية (PID)، والتي تم تنفيذها في كل من التكوينات المتسلسلة والمتوازية. تم إخضاع النظام لاضطرابات فسيولوجية، بما في ذلك تناول الوجبات، لمحاكاة الظروف الواقعية.

تم تقييم أداء المتحكمات بدقة باستخدام مجموعة من المقاييس، تشمل: تكامل الخطأ المطلق (IAE)، وتكامل مربع الخطأ (ISE)، وتكامل الخطأ المطلق المرجح زمنياً (ITAE)، وتكامل مربع الخطأ المرجح زمنياً (ITSE)، وتكامل جهد التحكم (ICE)، إلى جانب مواصفات المجال الزمني مثل وقت الاستقرار، وتجاوز الحد (Overshoot)، ووقت الصعود، وخطأ الحالة المستقرة.

تشير نتائجنا إلى أنه على الرغم من أن متحكم PID المتسلسل أظهر التنظيم الأكثر فعالية، إلا أنه يتطلب جهد تحكم قد يكون غير عملي من الناحية السريرية. في المقابل، يوفر متحكم PID المتوازي أفضل حل وسط بين الدقة والاستقرار واستهلاك الأنسولين، مما يجعله مرشحاً أكثر ملاءمة لأنظمة التحكم الآلي في الجلوكوز. تؤكد هذه النتائج على الأهمية البالغة لهيكل المتحكم في التطبيقات الطبية الحيوية، وتسلط الضوء على إمكانات التصميمات القائمة على PID في تطوير تقنيات البنكرياس الاصطناعي المستقبلية. تم تنفيذ النظام قيد البحث مع استراتيجيات التحكم المختلفة باستخدام برنامج MATLAB."

 

المراجع

[1]International Diabetes Federation, IDF Diabetes Atlas Ninth Edition 2019.

[2]Ajmera, I., Swat, M., Le Novere, N. And Chelliah, V. (2013) ‘The impact of mathematical modelling on the understanding of diabetes and related complications’ CPT Pharmacometrics& Systems Pharmacology, vol. 2, no. 2, pp. E54.

[3]Z. Trajanoski and P. Wach, “Neural predictive controller for insulin delivery using the subcutaneous route,” IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. 45,no. 9, pp. 1122–1134, Sep. 1998.

[4] R. S. Parker, F. J. Doyle III, and N. A. Peppas, “A model-based algorithm for blood glucose control in type I diabetic patients,” IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. 46, no. 2, pp. 148–157, Feb. 1999.

[5]Chew YH, Shia YL, Lee CT, Majid FA, Chua LS, Sarmidi MR, et al. Modeling of oscillatory bursting activity of pancreatic β-cells under regulated glu¬cose stimulation. Mol Cell Endocrinol 2009; 307:57- 67; PMID:19524127; http://dx.doi.org/10.1016/j. mce.2009.03.005.

[6]Han K, Kang H, Choi MY, Kim J. Mathematical model of the glucose-insulin regulatory system: From the bursting electrical activity in pancreatic β-cells to the glucose dynamics in the whole body. (preprint).

[7]G. W. Swan, “An optimal control model of diabetes mellitus,” Bull.Math. Biol., vol. 44, no. 6, pp. 793–808, 1982.

[8]World Health Organization. Classification of Diabetes Mellitus; World Health Organization: Geneva, Switzerland, 2019.

[9] Boutayeb, A.; Chetouani, A. A population model of diabetes and prediabetes. Int. J. Comput. Math. 2007, 84, 57–66. [CrossRef]

[10] An, J.; Nichols, G.A.; Qian, L.; Munis, M.A.; Harrison, T.N.; Li, Z.;Wei, R.;Weiss, T.; Rajpathak, S.; Reynolds, K. Prevalence and incidence of microvascular and macrovascular complications over 15 years among patients with incident type 2 diabetes. BMJ Open Diabetes Res. Care 2021, 9, e001847. [CrossRef]

[11]Gatwood, J.; Chisholm-Burns, M.; Davis, R.; Thomas, F.; Potukuchi, P.; Hung, A.; Kovesdy, C.P. Evidence of chronic kidneydisease in veterans with incident diabetes mellitus. PLoS ONE 2018, 13, e0192712.

[12]P. Saeedi, I. Petersohn, P. Salpea, B. Malanda, S. Karuranga, N. Unwin,S. Colagiuri, L. Guariguata, A.A. Motala, K. Ogurtsova, J.E. Shaw, D. R. Williams, Global and regional diabetes prevalence estimates for 2019 andprojections for 2030 and 2045: results from the international diabetes federation diabetes Atlas, 9th edition, Diabetes Res. Clin. Pract. 157 (2019), 107843.

[13] M.A. Atkinson, G.S. Eisenbarth, A.W. Michels, Type 1 diabetes, Lancet 383 (2014)69–82.A.D. Cherrington, Banting lecture 1997, Diabetes 48 (1999) 1198–1214.

[14]A. Cinar, Advances in artificial pancreas control systems, J. Process Control 81(2019) 221–222.

[15] J.C. Pickup, H. Keen, J.A. Parsons, K.G. Alberti, Continuous subcutaneous insulin infusion: an approach to achieving normoglycaemia, Br. Med. J. 1 (1978) 204–207.

[16]El Haout, S.; Fatani, M.; Farha, N.A.; AlSawaftah, N.; Mortula, M.; Husseini, G.A. Modeling the Effects of Chemotherapy and Immunotherapy on Tumor Growth. J. Biomed. Nanotechnol. 2021, 17, 2505–2518. [CrossRef]

[17]Centers for Disease Control and Prevention. Incidence of Newly Diagnosed Diabetes. Available online: https://www.cdc.gov/ diabetes/data/statistics-report/newly-diagnosed-diabetes.html (accessed on 9 October 2022).

[18]F. Chee, T. Fernando, and P. V. van Heerden, “Closed-loop glucose control in critically-ill patients using continuous glucose monitoring system (CGMS) in real-time,” IEEE Trans. Inf. Technol. Biomed., vol. 7, no. 1, pp. 43–53, Mar. 2003.

[19]Bergman, R. N., Ider, Y. Z., Bowden, G. R. &Cobelli, C. (1979). Quantitative estimation of insulin sensitivity, Am. J. Physiol. Vol. 236, pp. E667-E677

[20] Bergman, R. N. &Cobelli, C. (1980). Minimal modeling, partition analysis and the estimation of insulin sensitivity, Fed. Proc. Vol. 39, pp. 110-115.

[21] Bergman, R. N., Bortolan, G., Cobelli, C. &Toffolo, G. (1980). Identification of a minimal model of glucose disappearance for estimating insulin sensitivity, in Proceedings of the 5th IFAC Symposium on Identification and System Parameter Estimation, (Isermann, Ed.), Bergman, Oxford, Vol. 2, pp. 883-890

[22]Mitsis, G. D., Markakis, M. G., &Marmarelis, V. Z. (2009). Nonlinear modeling of the dynamic effects of infused insulin on glucose: comparison of compartmental with Volterra models, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol. 56, No. 10, pp. 2347-2358.

[23]Gyorgy, E., Jozef, K. T. &Levente, K. (2015). Adaptive control solution for type 1 diabetes control. Applied Computational Intelligence and Informatics, IEEE 10th Jubilee Int. Symposium, 215-220.

[24]Gomez, A. M., Marin Carrillo, L. F., &MunosVelandia, O. M. (2017). Long-term efficacy and safety of sensor augmented insulin pump therapy with low-glucose suspend feature in patients with type 1 diabetes. Diabetes Tech. Ther. Vol. 19, No. 2, pp. 109-114

[25]Forlenza, G. P., Pinhas-Hamiel, O., &Liljenquist, D. R. (2019). Safety evaluation of the Minimed 670G System in children 7-13 years of age with type 1 diabetes, Diabetes Tech. Ther. Vol. 21, No. 1, pp. 11-19

[26]Gomez, A. M., Marin Carrillo, L. F., &MunosVelandia, O. M. (2017). Long-term efficacy and safety of sensor augmented insulin pump therapy with low-glucose suspend feature in patients with type 1 diabetes. Diabetes Tech. Ther. Vol. 19, No. 2, pp. 109-114

[27]Hassan, F. U., Adil, M., Khaqan, A., Shuja, S., Tiwana, M. I., Hassan, Q. U., Malik, S. and Riaz, R. A. (2017). Closed loop blood glucose control in diabetics. Biomedical Research, Vol. 28, No.16, pp. 7230-7236.

[28]Kwach, B., Ongati, O., &Simwa, R. (2011). Mathematical model for detecting diabetes in the blood, Applied Mathematical Sciences, Vol. 56, pp. 279-286

[29]J. D. Bronzino and D. R. Peterson, The Biomedical Engineering Handbook, 4th ed. Boca Raton, FL, USA: CRC Press, 2015.

[30]C. Ionescu, Y. Zhou, and J. A. T. Machado, ``Special Issue: Advances in fractional dynamics and control,'' J. Vib. Control, vol. 22, no. 8, pp. 1969_1971, 2016.

[31]A. Haidar, ``The arti_cial pancreas: How closed-loop control is revolutionizing diabetes,'' IEEE Control Syst. Mag., vol. 36, no. 5, pp. 28_47, Oct. 2016.

[32]E.Ackerman,L.C.Gatewood,J.W.Rosevear,G.D.Molnar. “Model studies of blood glucose regulation, ” Bull. Math. Biophys.vol.27,pp.21-37,1965

[33]R.N.Bergman,L.S.Phillips,C.Cobelli. “Physiologic evaluation of factors controlling glucose tolerance in man,” J.Clin.Invest,vol.68,pp.1456- 1467,1981.

[34] C.Cobelli, A.Mari. “Validation of mathematical models of complex endocrine-metabolic systems. A case study on a model of glucose regulation, ” Med. Biol. Eng. Comput,vol.21,pp.390-399,1983.

[35]R.Hovorka,V.Canonico,L.J.Chassin,U.Haueter,M.MassiBenedetti,M.O.Federici,T.R.Pieber,H.C.Schaller,L.Schaupp,T.Vering,M.E.Wilinska“Non- linear model predictive control of glucose concentration in subjects with type 1 diabetes,”Physiol.Meas,vol.25, pp.905-920,2004.

[36]Lind, M., Polonsky, W., Hirsch, I.B, et al.: ‘Continuous glucose monitoring vs. conventional therapy for glycemic control in adults with type 1 diabetes treated with multiple daily insulin injections: the goldrandomized clinical trial’, J. Am. Med. Assoc., 2017, 317, (4), pp. 379–387.

[37]Steil, G.M., Rebrin, K., Janowski, R., et al.: ‘Modeling-cell insulin secretion implications for closed-loop glucose homeostasis’, Diabetes Technol. Ther., 2003, 5, (6), pp. 953–964

[38] Athena Makroglou, Jiaxu Li, Yang Kuang, Mathematical models and software tools for the glucose-insulin regulatory system and diabetes: an overview, Applied Numerical Mathematics, Volume 56, Issues 3–4, 2006, Pages 559-573, ISSN 0168-9274,https://doi.org/10.1016/j.apnum.2005.04.023.

التنزيلات

منشور

2026-03-15