I dag lærer algoritmer overalt en persons behov og tilpasser oplevelser i overensstemmelse hermed. Musiktjenester skræddersy afspilningslister. Forhandlere tilbyder specifikke produktanbefalinger. Sociale medieplatforme beregner konstant det næste bedste indhold, der skal vises, i realtid.
Relateret indhold
- En blodovervågningsenhed Inspireret af myg
Boston University's biomedicinske ingeniør Edward Damiano og hans kolleger, inklusive seniorforsker Firas El-Khatib, har brugt lignende logik til at tackle en medicinsk udfordring: hvordan man automatisk regulerer insulin- og glukagonniveauer hos type 1-diabetespatienter i realtid.
Holdet udvikler og tester sammen med en gruppe på Massachusetts General Hospital et udstyr, der kaldes en bionisk bugspytkirtel. Mens navnet muligvis fremkalder visioner om Iron Man og super-bots, er det faktiske produkt en tilpasning af almindelige værktøjer, som mange patienter af type 1-diabetes allerede bruger.
I øjeblikket bærer patienter eksterne insulinpumper, ofte på deres underliv. Den bærbare pumpe leverer insulin til sine brugere gennem et kateter eller et plastrør indsat under huden på deres mave, men det skal kontrolleres regelmæssigt for at sikre, at det gør det til de rigtige priser. Tilsammen udgør pumpen, kateteret og en stål- eller teflonnål, der går under huden, hvad der kaldes et "infusionssæt." Patienterne er også afhængige af kontinuerlige glukosesensorer. Den lille sensor indsættes under huden sammen med dens sender, ligesom pumpen, og holdes på plads med et båndhjælp-lignende klæbemiddel. Den overvåger glukosemængden og transmitterer denne information til en ekstern enhed ved hjælp af et elektrisk signal. Lige nu skal patienter også manuelt spore de oplysninger, sensoren giver.
Den bioniske bugspytkirtel bruger en kontrolalgoritme til at forbinde disse to stykker. Den fungerer som en bro mellem den kontinuerlige glukosesensor og pumpen og tager det konstante behov for at kontrollere en af dem.
Sådan fungerer det: sensoren fanger en persons blodsukker og sender disse data til en smartphone. Kontrolalgoritmen, der kører på smartphonen, bruger de data, den netop har modtaget til at bestemme patientens insulin- og glukagonbehov. Smarttelefonen bruger et Bluetooth-signal til at sende disse oplysninger til to pumper, som patienten har på sig, en til insulin og en til glukagon, som derefter administrerer de nødvendige mængder af hver.
Ved hjælp af et Bluetooth-signal kommunikerer en smartphone til to pumper, en til insulin og en til glukagon. (Bionic Pancreas Team) Algoritmen
Enhedens rygrad er kontrolalgoritmen, som Damiano og hans team har udtænkt. Det starter med at lære nogle få nøgleparametre at kende - deres alder, deres vægt og, vigtigst af alt, sammensætningen af deres blodsukker, og hvordan det ændrer sig. Når den har denne information, fremsætter algoritmen en nøjagtig anbefaling hvert femte minut, 24 timer i døgnet, i alt 288 pivotale daglige beslutninger, om hvor meget insulin eller glukagon deres pumper skal frigive i en patients blodbane.
”Vi er begejstrede for at udvikle en tilgang, der kan reducere byrden af diabetes, ” siger Steven Russell, hovedundersøger i det kliniske team.
Diabetikere har brug for insulininjektioner, når deres blodsukker er for højt og glucagon, når det er for lavt, for at forhindre tilstande som hyperglykæmi og hypoglykæmi. "Dødt i sengen" -syndromet er en sjælden, men pludselig, dødelig svingning i blodsukkeret, der kan forekomme i, mens en ung person med type 1-diabetes sover. I øjeblikket skal diabetespatienter konsekvent og manuelt overvåge deres blodsukker for at sikre, at det ikke spidser eller falder til farlige niveauer. Ifølge Saleh Adi, grundlægger og direktør for Madison Clinic for Pediatric Diabetes ved University of California, San Francisco, kontrollerer den gennemsnitlige patient hans eller hendes blodsukker mellem 4 og 10 gange dagligt.
Dagligt liv med en bionisk bugspytkirtel
Som det står i dag, skal en bruger kalibrere den bioniske bugspytkirtel to gange om dagen ved at stikke en pegefinger og give en dråbe blod for at kommunikere glukoseniveauer før morgenmad og middag. Disse værdier bruges som referencepunkter. En bærer kan også annoncere måltider ved at advare enheden om kommende ændringer i blodsukkeret. I løbet af dagen vil systemet sigte mod at få en patient så tæt som muligt på hans eller hendes målglukoseniveau. Brugere skal udskifte deres glukagon- og insulinforsyning dagligt ved at genpåfylde reservoirerne i deres pumper, selvom teamet håber, at dette bliver mindre hyppigt, efterhånden som der foretages mere videnskabelige fremskridt på området. Slutmålet er at udvikle en bionisk bugspytkirtel, der er i stand til at køre helt autonomt.
”Når du fortsætter med at ændre sig på en daglig tidsplan, vil denne ting fortsætte med at tilpasse sig dig på en tidsplan, der er relevant, ” siger Damiano.
Dette system er et af de første, der har været i stand til at administrere både insulin og glucagon. Tidligere versioner af teamet sammen med andre enheder fra Cambridge University, UC Santa Barbara og University of Virginia kunne kun levere insulin på grund af, hvor ustabil glukagon er i opløsning.
En personlig årsag
Damianos 15-årige søn, David, har type 1-diabetes. Hans diagnose som spædbarn er det, der inspirerede Damiano til at skabe denne enhed.
”Da min søn var omkring et år gammel, forekom det mig, at der kan være en måde, jeg kunne spille en rolle i at forbedre hans pleje, ” siger Damiano, der havde arbejdet på en matematisk model for blodgennemstrømning i kroppen.
Hans arbejde med El-Khatib på den bioniske bugspytkirtel begyndte i 2001, en tid, hvor den teknologi, det krævede, stadig var under udvikling. En insulinpumpe eksisterede allerede, men en kontinuerlig glukosesensor, der kunne registrere blodsukkerniveauet under huden, var lige ved at dukke op. Damiano fokuserede på det stykke, som han vidste, at han kunne ændre. ”Mit laboratorium tog på sig smarts af systemet, ” siger han.
Mens hans team har arbejdet med dette aspekt af enheden, har der været samtidige fremskridt i sensorer og andre elementer, der er nødvendige for at få denne opfindelse til at fungere. Virksomheder inklusive Dexcom og Medtronic har raffinerede sensorer, der kontinuerligt sporer blodsukkeret. Yash Sabharwal og hans team hos Xeris Pharmaceuticals har udviklet en måde at stabilisere glukagon i opløsning.
”En kunstig bugspytkirtel kun med insulin er som at prøve at køre en bil, hvor du har en gaspedal og ingen bremse, ” siger Sabharwal, administrerende direktør i Xeris Pharmaceuticals. "Vi har udviklet en glukagonformulering, der kan være stabil i to år, sammenlignet med den nuværende løsning, der skal blandes i realtid."
Test af enheden
I 2004, efter at han forlod University of Illinois til et professorat ved Boston University, begyndte Damiano at teste sin kontrolalgoritme hos diabetiske svin. Han vurderede, hvor nøjagtigt det kunne spore deres blodsukkerniveau og anbefale de rigtige doser insulin eller glukagon.
Efter nogle positive resultater mødte Damiano Russell i 2006, og sammen opnåede de FDA-godkendelse til deres første menneskelige undersøgelse. De har foretaget kliniske forsøg lige siden, herunder nogle der tester enheden på voksne derhjemme og børn i sommerlejr.
En af campisterne, der testede den bioniske bugspytkirtel sidste år holder op med smartphonen, der kører algoritmen. (Bionic Pancreas Team) Holdet har været i stand til at studere, hvordan enheden fungerer og tilpasser sig en aktiv livsstil ved at give forsøgsdeltagere mulighed for at "være sig selv" og opleve regelmæssige rutiner, mad og øvelser. Mens de gør det, har de fundet, at den bioniske bugspytkirtel er mere effektiv end et pumpesystem, der manuelt betjenes.
”Vi er gået fra at køre algoritmen på en bærbar computer med svin til at køre den på en bærbar computer med mennesker til at køre den på en iPhone, så folk kan bære den med sig, ” siger Damiano.
Campere, der bruger den bioniske bugspytkirtel under en af forsøgene med den vigtigste kliniske efterforsker Steven Russell. (Diatribe) Damiano og Russell vil gennemføre forsøg med University of Massachusetts, Massachusetts General Hospital, Stanford University og University of North Carolina ved Chapel Hill gennem 2017. En undersøgelse i 2016 vil se på virkningen af at bruge en bionisk bugspytkirtel på patienter i løbet af en år.
”I vores kliniske forsøg er der alle slags svigt, der sker, fordi det er en mekanisk kontraktion, ” siger Damiano, og citerer sensorer, der udløber tid, tomme insulinpatroner og dårlige forbindelser mellem de forskellige dele. Alarmer for at advare brugeren, når der er noget funktionsfejl på plads for at afhjælpe disse problemer, men teamet leder efter måder at forhindre dem.
Det næste trin: En fuldt integreret enhed
Damiano bestræber sig på at have en fuldt integreret enhed - en enkelt enhed på størrelse med en iPhone 5 med en insulinpumpe, glukagonpumpe, sensor og modtager i et batteridrevet infusionssæt - klar til sin søns afgang til universitetet i 2018.
”Type 1-diabetes spørger en unik mængde mennesker. Jeg kan ikke tænke på nogen anden sygdom, hvor vi overleverer medicinen til patienten og siger: 'Du bestemmer, hvor meget du skal tage, ' siger Russell. "Vi har mulighed for at ændre paradigmet inden for diabetespleje."
”Folk i dag administrerer deres blodsukker i mørke, ” siger Damiano.
At hjælpe dem med type 1-diabetes er Damianos første prioritet, men forhåbentlig, siger han, vil hans teams arbejde komme til gavn for patienter med type 2-diabetes og senere forbedre nøjagtigheden af insulindråber, der bruges i hospitalets omgivelser.
Når en fuldt fungerende bionisk bugspytkirtel er tilgængelig, behøver patienter af type 1-diabetes og forældre til børn med en tilstand ikke at tænke på blodsukker hvert sekund.
”Hvis en femårig løber 100 yards, skal du muligvis justere hans insulin, ” siger Adi. "Hvis vi kan fjerne alt dette, kan vi gendanne spontaniteten."
