Сегодня алгоритмы повсюду узнают о потребностях человека и соответствующим образом настраивают его. Музыкальные сервисы подгоняют плейлисты. Розничные продавцы предлагают конкретные рекомендации по продукту. Платформы социальных сетей постоянно рассчитывают следующий лучший контент для отображения в режиме реального времени.
Связанный контент
- Устройство для мониторинга крови, навеянное комарами
Биомедицинский инженер Бостонского университета Эдвард Дамиано и его коллеги, включая старшего научного сотрудника Фираса Эль-Хатиба, использовали аналогичную логику для решения медицинской задачи: как автоматически регулировать уровни инсулина и глюкагона у пациентов с диабетом 1 типа в режиме реального времени.
Команда разрабатывает и тестирует вместе с группой в Массачусетской больнице общего назначения устройство, называемое бионической поджелудочной железой. Хотя название может вызвать в воображении видения Железного Человека и супер-ботов, реальный продукт - это адаптация общих инструментов, которые уже используют многие пациенты с диабетом 1 типа.
В настоящее время пациенты носят внешние инсулиновые помпы, часто на животе. Портативный насос подает инсулин своим пользователям через катетер или пластиковую трубку, вставленную под кожу живота, но его необходимо регулярно проверять, чтобы убедиться, что он делает это с правильной скоростью. Вместе насос, катетер и стальная или тефлоновая игла, которая проходит под кожей, составляют так называемый «инфузионный набор». Пациенты также полагаются на непрерывные датчики глюкозы. Крошечный датчик вставляется под кожу вместе с передатчиком, очень похоже на насос, и удерживается на месте с помощью лейкопластыря. Он контролирует уровень глюкозы и передает эту информацию на внешнее устройство, используя электрический сигнал. Прямо сейчас пациенты также должны вручную отслеживать информацию, которую предоставляет датчик.
Бионическая поджелудочная железа использует алгоритм управления для соединения этих двух частей. Он действует как мост между непрерывным датчиком глюкозы и насосом, устраняя необходимость постоянно проверять любой из них.
Как это работает: датчик фиксирует уровень сахара в крови человека и отправляет эти данные на смартфон. Алгоритм управления, который запускается на смартфоне, использует только что полученные данные для определения потребностей пациента в инсулине и глюкагоне. Смартфон использует сигнал Bluetooth для отправки этой информации двум насосам, которые носит пациент, один для инсулина и один для глюкагона, которые затем вводят необходимое количество каждого.
Используя сигнал Bluetooth, смартфон связывается с двумя насосами, один для инсулина и один для глюкагона. (Бионическая команда поджелудочной железы) Алгоритм
Основой устройства является алгоритм управления, разработанный Дамиано и его командой. Он начинается с знакомства с некоторыми ключевыми параметрами пациентов - их возрастом, весом и, что наиболее важно, составом сахара в крови и его изменениями. Получив эту информацию, алгоритм дает точные рекомендации, каждые пять минут, 24 часа в сутки, в общей сложности 288 основных ежедневных решений о том, сколько инсулина или глюкагона их насосы должны выпустить в кровоток пациента.
«Мы рады разработке подхода, который может снизить бремя диабета», - говорит Стивен Рассел, главный исследователь в клинической команде.
Диабетикам необходимы инъекции инсулина, когда их уровень сахара в крови слишком высок, и глюкагона, когда он слишком низок, чтобы предотвратить такие состояния, как гипергликемия и гипогликемия. Синдром «мертвых в постели» - это редкое, но внезапное фатальное колебание уровня сахара в крови, которое может возникнуть во время сна молодого человека с диабетом 1 типа. В настоящее время больные диабетом должны постоянно и вручную контролировать уровень сахара в крови, чтобы убедиться, что он не поднимается и не падает до опасного уровня. По словам Салеха Ади, основателя и директора клиники Madison для детского диабета при Калифорнийском университете в Сан-Франциско, средний пациент проверяет уровень сахара в крови от 4 до 10 раз в день.
Повседневная жизнь с бионической поджелудочной железой
В нынешнем виде пользователь должен калибровать бионическую поджелудочную железу два раза в день, коля указательным пальцем и предоставляя каплю крови для определения уровня глюкозы перед завтраком и ужином. Эти значения используются в качестве ориентиров. Владелец также может объявить прием пищи, предупреждая о грядущих изменениях уровня сахара в крови. В течение дня система будет стремиться максимально приблизить пациента к его или ее целевому уровню глюкозы. Пользователи должны ежедневно заменять запасы глюкагона и инсулина, заполняя резервуары в своих насосах, хотя команда надеется, что это будет происходить реже, поскольку в этой области будет происходить больше научных достижений. Конечная цель - разработать бионическую поджелудочную железу, способную работать полностью автономно.
«По мере того, как вы продолжаете изменяться в ежедневных временных рамках, эта вещь будет продолжать адаптироваться к вам в соответствующих временных масштабах», - говорит Дамиано.
Эта система является одной из первых, которая способна вводить как инсулин, так и глюкагон. Предыдущие версии команды вместе с другими устройствами Кембриджского университета, Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и Университета Вирджинии могли обеспечить инсулин только благодаря тому, что нестабильный глюкагон находится в растворе.
Личная причина
У 15-летнего сына Дэмиано, Дэвида, диабет 1 типа. Его диагноз, будучи ребенком, вдохновил Дамиано на создание этого устройства.
«Когда моему сыну было около года, мне пришло в голову, что я мог бы сыграть свою роль в улучшении его ухода», - говорит Дамиано, который работал над математической моделью кровотока в организме.
Его работа с Эль-Хатибом над бионической поджелудочной железой началась в 2001 году, когда технология, в которой он нуждался, все еще находилась в стадии разработки. Инсулиновая помпа уже существовала, но непрерывно появлялся непрерывный датчик глюкозы, который мог определять уровень сахара в крови под кожей. Дамиано сосредоточился на пьесе, которую, как он знал, он мог изменить. «Моя лаборатория взяла на себя ум системы, - говорит он.
В то время как его команда работала над этим аспектом устройства, были параллельные усовершенствования в датчиках и других элементах, необходимых для работы этого изобретения. Компании, в том числе Dexcom и Medtronic, имеют усовершенствованные датчики, которые непрерывно отслеживают уровень сахара в крови. Яш Сабхарвал и его команда в Xeris Pharmaceuticals разработали способ стабилизации глюкагона в растворе.
«Искусственная поджелудочная железа с использованием только инсулина - это все равно что пытаться водить машину, где у вас есть ускоритель и нет тормоза», - говорит Сабхарвал, главный операционный директор Xeris Pharmaceuticals. «Мы разработали состав глюкагона, который может быть стабильным в течение двух лет по сравнению с текущим решением, которое необходимо смешивать в реальном времени».
Тестирование устройства
В 2004 году, после того как он покинул Университет штата Иллинойс и получил звание профессора в Бостонском университете, Дамиано начал тестировать свой алгоритм контроля на свиньях с диабетом. Он оценил, насколько точно он может отслеживать уровень сахара в крови и порекомендовал правильные дозы инсулина или глюкагона.
После некоторых положительных результатов Дамиано познакомился с Расселом в 2006 году, и вместе они получили разрешение FDA для своего первого исследования на людях. С тех пор они проводят клинические испытания, в том числе те, которые проверяют устройство на взрослых дома и детей в летнем лагере.
Один из отдыхающих, который тестировал бионическую поджелудочную железу в прошлом году, держит смартфон, который запускает алгоритм. (Бионическая команда поджелудочной железы) Команда смогла изучить, как устройство функционирует и адаптируется к активному образу жизни, позволяя участникам испытаний «быть самими собой» и регулярно проходить обычные занятия, еду и упражнения. При этом они обнаружили, что бионическая поджелудочная железа более эффективна, чем насосная система с ручным управлением.
«Мы перешли от запуска алгоритма на ноутбуке со свиньями к запуску на ноутбуке с людьми до запуска на iPhone, чтобы люди могли носить его с собой», - говорит Дамиано.
Туристы, использующие бионическую поджелудочную железу во время одного из испытаний, с главным клиническим исследователем Стивеном Расселом. (Диатриба) Дамиано и Рассел проведут испытания с Университетом Массачусетса, Массачусетской больницей общего профиля, Стэнфордским университетом и Университетом Северной Каролины в Чапел-Хилле до 2017 года. В исследовании 2016 года будет рассмотрено влияние использования бионической поджелудочной железы на пациентов в течение год.
«В наших клинических испытаниях случаются всевозможные глюки, потому что это механическое устройство», - говорит Дамиано, ссылаясь на тайм-аут датчиков, пустые картриджи с инсулином и плохую связь между различными частями. Сигналы тревоги предупреждают пользователя о наличии неисправностей для смягчения этих проблем, но команда ищет способы их предотвращения.
Следующий шаг: полностью интегрированное устройство
Дамиано стремится иметь полностью интегрированное устройство - одно устройство размером с iPhone 5 с инсулиновой помпой, глюкагоновым насосом, датчиком и приемником в комплекте для инфузии с питанием от батареи - готовое к отъезду сына в колледж в 2018 году.
«Диабет 1 типа требует уникального количества людей. Я не могу вспомнить ни о каком другом заболевании, когда мы передаем лекарство пациенту и говорим: «Вы сами решаете, сколько принимать», - говорит Рассел. «У нас есть возможность изменить парадигму лечения диабета».
«Люди сегодня управляют своим уровнем сахара в крови в темноте», - говорит Дамиано.
Оказание помощи больным диабетом 1 типа является первоочередной задачей Дамиано, но, надеемся, говорит он, работа его команды пойдет на пользу пациентам с диабетом 2 типа, а затем повысит точность капельниц инсулина, которые используются в больничных условиях.
Когда доступна полностью функционирующая бионическая поджелудочная железа, пациентам с сахарным диабетом 1 типа и родителям детей с этим заболеванием не нужно думать о сахаре в крови каждую секунду.
«Если пятилетний бегает 100 ярдов, вам, возможно, придется отрегулировать его инсулин», - говорит Ади. «Если мы сможем забрать все это, мы сможем восстановить спонтанность».
