Modelo y control automático de la glucosa en sangre en pacientes con Diabetes Mellitus tipo 1 (DM1)

Abstract

La Diabetes Mellitus es una enfermedad que afecta al sistema metabólico, en concreto al páncreas y a la hormona insulina, y que es una de las principales causas de muerte debido al cada vez mayor aumento de casos en la población y las enfermedades y posibles complicaciones que puede generar en caso de no estar bien controlada.

En este trabajo me centraré en especial en la Diabetes Mellitus tipo 1, de origen autoinmune, para la que aún no se ha desarrollado una cura. Es por ello que en este tipo de diabetes un buen control de la glucosa en sangre es esencial, haciendo que esta se encuentre el máximo tiempo posible en un rango de valores normales mediante inyecciones externas de insulina.

A lo largo del trabajo se presentan diferentes técnicas de control aplicadas a un modelo matemático biológico que simula el sistema glucorregulatorio del cuerpo humano, usando para ello las herramientas MATLAB Y Simulink. Primero se estudia y se simula el modelo escogido, basado en el Modelo de Bergman, para analizar su comportamiento. Posteriormente, se diseña un primer controlador PID básico, tanto en tiempo continuo como discreto, al que más tarde se le añaden una serie de mejoras para desarrollar un control más realista. Por último, se diseña un controlador basado en MPC como técnica de control más avanzado. Se realizan pruebas con cada uno de los controladores llevados a cabo de las que posteriormente se podrán sacar unas comparaciones entre los controladores y unas conclusiones finales.

Diabetes Mellitus is a chronic disease that affects the metabolic system, specifically the pancreas and the insulin hormone, and which is one of the main death causes due to the each-time-higher increase of cases in population, as well the different diseases and possible complications that can be caused in case the diabetes is not correctly controlled.

This project is focused on type 1 Diabetes Mellitus, with an autoimmune origin, that has no known cure yet. Hence, a good control of the glucose in the blood is essential in this type of diabetes, getting this glucose to be in the range of normal values as long as possible thanks to external insulin injections.

Throughout the project, different control techniques applied to a mathematical biologic model which simulates the glucoregulatory system are presented, using for these the MATLAB and Simulink tools. First of all, the model chosen, which is based on the Bergman’s Model, is studied and simulated in order to analyze its performance. Afterwards, a first, basic, PID controller is designed, both in continuous and discrete time. A series of improvements are lately added to this PID controller in order to make it more realistic. Finally, a MPC controller is designed as a more advanced control technique. Different experiments are carried out with each one of the controllers that have been designed, so we can realize a comparison between then and draw some final conclusions.