vědecká konference 2019

StudentSká

vědecká konference 2019

Gaming for diabetes

Martin ´Ubl¹, Tom´aˇs Koutn´y²

1 ´Uvod

Diabetes mellitus, lidovˇe t´eˇz cukrovka, je civilizaˇcn´ı choroba. Vyznaˇcuje se zv´yˇsenou hladinou koncentrace gluk´ozy v krvi. Pˇr´ıliˇs vysok´a hodnota t´eto koncentrace (hyperglyk´emie) zp˚usobuje v dlouhodob´em mˇeˇr´ıtku v´aˇzn´e komplikace, napˇr. poˇskozen´ı org´an˚u. Z tohoto d˚uvodu je nutn´e tuto hladinu regulovat pravideln´ym d´avkov´an´ım hormonu inzulin, kter´y nen´ı schopn´e tˇelo pacienta s diabetem produkovat v˚ubec, nebo nedostateˇcn´e mnoˇzstv´ı. Inzulin je moˇzn´e d´avkovat jednor´azov´ymi bolusov´ymi d´avkami, napˇr. pˇred j´ıdlem, pˇr´ıpadnˇe tzv. baz´aln´ı inzulin kontinu´alnˇe inzulinovou pumpou. Nadbytek inzulinu v tˇele vˇsak m˚uˇze zp˚usobit, ˇze bude hladina koncentrace gluk´ozy v krvi pˇr´ıliˇs n´ızk´a (hypoglyk´emie), coˇz s sebou rovnˇeˇz nese komplikace.

D´avkovat inzulin preciznˇe je ale pro pacienta obt´ıˇzn´y ´ukol – mnoˇzstv´ı cukr˚u v potravˇe je obvykle hrub´y odhad, a rovnˇeˇz by pacient musel neust´ale kontrolovat hladiny koncentrace gluk´ozy a upravovat d´avkov´an´ı ruˇcnˇe. Odezva lidsk´eho tˇela na inzulin se nav´ıc v r´amci dne i dlouhodobˇe mˇen´ı. Proto je pro efektivn´ı regulaci nutn´e pouˇz´ıvat inzulinovou pumpu, kter´a je schopna se pacientovi pˇrizp˚usobit dle mˇeˇren´ych hodnot a ˇcasto i nˇejak´e formy pˇredpovˇedi.

Transformace probl´emu inzulinov´e terapie do formy hry m˚uˇze pˇrin´est nov´e poznatky v problematice rozhodov´an´ı pˇri d´avkov´an´ı inzulinu v re´aln´em ˇcase.

2 Regulace

Mezi metody pro v´ypoˇcet optim´aln´ı d´avky baz´aln´ıho inzulinu se ˇrad´ı algoritmy zaloˇzen´e na modelovˇe-predikˇcn´ım ˇr´ızen´ı (MPC), proporci´alnˇe-integr´alnˇe-derivaˇcn´ım regul´atoru (PID) nebo fuzzy logic. Tyto algoritmy vˇsak st´ale ˇcasto vykazuj´ı urˇcitou nestabilitu a obt´ıˇznˇe se lad´ı.

Dalˇs´ı moˇznost´ı je pro dan´eho pacienta odvodit personalizovan´y model metodami, kter´e popsal De Falco et al. (2018). Oproti jin´ym druh˚um ˇr´ızen´ı, kter´e vnitˇrnˇe pouˇz´ıvaj´ı jeden mo- del, pouze pro kaˇzd´eho pacienta jinak parametrizovan´y, by tento pˇr´ıstup umoˇznil pˇrizp˚usobit celou podobu modelu. Tato metoda by ovˇsem vyˇzadovala velkou datovou mnoˇzinu s co moˇzn´a nejlepˇs´ı regulac´ı inzulinovou terapi´ı. S dostateˇcnˇe pˇresn´ym modelem pacienta a simulaˇcn´ım fra- meworkem je vˇsak moˇzn´e chov´an´ı pacientova tˇela generovat, jedin´y probl´em z˚ust´av´a v ˇcasov´e ˇradˇe d´avek inzulinu. V souˇcasnosti vyuˇz´ıvan´e modely pacienta popsal napˇr. Bergman et al.

(1979) nebo Hovorka et al. (2004).

3 Pˇrevod probl´emu do mobiln´ı hry

Probl´em inzulinov´e terapie byl analogicky pˇreveden do hry pro mobiln´ı telefon. Zvo- len´a hern´ı postava (´Ikaros) nesm´ı pˇres moˇre letˇet ani pˇr´ıliˇs vysoko, ani pˇr´ıliˇs n´ızko – obdobnˇe jako pacient by nemˇel m´ıt kocentraci gluk´ozy v krvi pˇr´ıliˇs vysokou nebo n´ızkou. Gener´atorem probl´em˚u je samotn´y model pacienta, jehoˇz v´ystup v podobˇe namˇeˇren´e koncentrace gluk´ozy je

1student doktorsk´eho studijn´ıho programu Inˇzen´yrsk´a informatika, obor Informatika a v´ypoˇcetn´ı technika, e- mail: ublm@kiv.zcu.cz

2NTIS - Nov´e technologie pro informaˇcn´ı spoleˇcnost, e-mail: txkoutny@ntis.zcu.cz

66

pouˇzit jako pozice hern´ı postavy v analogick´em svˇetˇe. Tento model d´ale pˇrij´ım´a v n´ahodn´ych intervalech j´ıdla, kter´a se ve hˇre projev´ı jako extern´ı vliv v podobˇe vˇetru. Hr´aˇc ovl´ad´a analo- gii virtu´aln´ı pumpy, kter´a byla do hry pˇrevedena jako rychlost m´av´an´ı kˇr´ıdly hern´ı postavy.

Hr´aˇc m´a d´ale moˇznost jednor´azovˇe v´yraznˇe zrychlit pohyb kˇr´ıdel tlaˇc´ıtkem, coˇz tvoˇr´ı analogii bolusov´ych d´avek inzulinu.

Po celou dobu hry je vyhodnocov´ano sk´ore podle vzd´alenosti od stˇredov´e ˇc´ary, jakoˇzto analogie metriky souˇctu absolutn´ıch chyb od c´ılov´e glykemie. Uˇzivatelsk´e rozhran´ı bylo rea- lizov´ano pomoc´ı technologie Xamarin v jazyce C#, v´ypoˇcetn´ı ˇc´ast a simulaˇcn´ı framework byl tvoˇren komponentami syst´emu SmartCGMS (Koutny a Ubl (2018)).

Obr´azek 1:Analogick´y pˇrevod modelu pacienta do hry; 1) pˇrevod j´ıdla na pˇrek´aˇzku ve hˇre, 2) pˇrevod koncentrace gluk´ozy na pozici hern´ı postavy, 3) pˇrevod ovl´ad´an´ı inzulinov´e pumpy na rychlost m´av´an´ı kˇr´ıdly

4 Z´avˇer

Byla vytvoˇrena jednoduch´a hra, d´ıky kter´e je moˇzn´e generovat datov´e mnoˇziny pro odvo- zen´ı modelu optim´aln´ı inzulinov´e terapie. Hra bude d´ale rozv´ıjena, a to jak po str´ance estetick´e, tak psychologick´e. Hr´aˇc, kter´emu je probl´em inzulinov´e terapie skryt, m´a totiˇz potenci´al dato- vou mnoˇzinu zat´ıˇzit chybou zp˚usobenou subjektivn´ı percepc´ı prvk˚u hern´ıho svˇeta.

Podˇekov´an´ı

Tento pˇr´ıspˇevek byl podpoˇren grantov´ymi projekty PUNTIS-LO1506 a SGS-2019-016.

Literatura

Bergman, R.N., Ider, Y.Z., Bowden, C.R., a Cobelli, C. (1979)Quantitative estimation of insulin sensitivity. American Journal of Physiology-Endocrinology and Metabolism, 236 (6), pp.

E667.

De Falco, I., Cioppa, A.D., Koutny, T., Krcma, M., Scafuri, U., a Tarantino, E. (2018) Gene- tic Programming-based induction of a glucose-dynamics model for telemedicine. Journal of Network and Computer Applications, 119 (1), pp. 1–13.

Hovorka, R., Canonico, V., Chassin, L.J., Haueter, U., Massi-Benedetti, M., Orsini Federici, M., Pieber, T.R., Schaller, H.C., Schaupp, L., Vering, T., Wilinska, M.E. (2004)Nonlinear model predictive control of glucose concentration in subjects with type 1 diabetes. Physiological Measurement, 25 (4), pp. 905–925.

Koutny, T., Ubl, M. (2018) Parallel software architecture for the next generation of glucose monitoring. Procedia Computer Science, 141 (1), pp. 279–286.

67