Selbstgebautes drahtloses autonomes Management für Insulinpumpen.

„Ich bin jetzt ein Cyborg!“ — verkündet stolz der Australier Liam Zibidi, ein junger Programmierer, Blockchain-/Fullstack-Engineer und Schriftsteller, wie er sich auf den Seiten seines dem Blog. Anfang August hat er sein DIY-Projekt zur Entwicklung eines tragbaren Geräts abgeschlossen, das er ohne falsche Bescheidenheit „künstliche Bauchspeicheldrüse“ nennt. Es handelt sich vielmehr um eine selbstregulierende Insulinpumpe, und unser Cyborg hat in einigen Aspekten seiner Kreation keine leichten Wege gesucht. Mehr über das Konzept des Geräts und die Open-Source-Technologien, auf die er sich stützt — im Folgenden im Artikel.

Illustrationen mit Ausnahme des Geräteschemas stammen aus Liams Blog

Diabetes für Dummies

Liam hat Diabetes Typ 1.
Wenn korrekt, bezeichnet das Wort „Diabetes“ eine Gruppe von Erkrankungen mit erhöhtem Diurese — der Ausscheidung von Urin. Der Anteil der Menschen mit Diabetes mellitus (DM) ist jedoch größer, und die kurze Bezeichnung hat sich inoffiziell für DM eingebürgert. Bereits im Mittelalter wurde bei den meisten Patienten mit DM das Vorhandensein von Zucker im Urin festgestellt. Es dauerte eine beträchtliche Zeit, bis das Hormon Insulin entdeckt wurde (das auch als das erste vollständig sequenzierte Protein in der Geschichte gelten sollte) und seiner Rolle im Pathogenese von DM.
Insulin ist das wichtigste Hormon, das den Stoffwechsel vieler Substanzen reguliert, aber seinen größten Einfluss hat es auf den Kohlenhydratstoffwechsel, insbesondere auf den „Hauptzucker“ — Glukose. Für den Metabolismus von Glukose ist Insulin, grob gesagt, ein Signalmolekül in den Zellen. An der Oberfläche der Zellen gibt es spezielle Insulinrezeptormoleküle. Wenn Insulin sich an diese bindet, wird ein Signal zur Auslösung einer Kaskade biochemischer Reaktionen gesendet: Die Zelle beginnt, aktiv Glukose durch ihre Membran aufzunehmen und sie innerhalb der Zelle zu verarbeiten.
Der Prozess der Insulinproduktion kann mit dem Einsatz von Freiwilligen verglichen werden, die gekommen sind, um gegen eine Überschwemmung zu kämpfen. Der Insulinspiegel hängt von der Menge an Glukose ab: Je mehr Glukose vorhanden ist, desto höher steigt der Insulinspiegel als Reaktion. Ich wiederhole: entscheidend ist der Spiegel im Gewebe und nicht die Anzahl der Moleküle, die direkt proportional zur Glukose ist, denn Insulin bindet sich nicht an Glukose und wird nicht für ihren Stoffwechsel verwendet, genauso wie die Freiwilligen nicht das ankommende Wasser trinken, sondern Deiche bestimmter Höhe bauen. Es ist notwendig, diesen bestimmten Insulinspiegel an der Zelloberfläche zu halten, so wie die Höhe der temporären Deiche in überschwemmten Gebieten.
Es ist klar, dass ein Mangel an Insulin den Glukosestoffwechsel stört, sodass Glukose nicht in die Zellen gelangt und sich in biologischen Flüssigkeiten anreichert. Das ist der Pathogenese von Diabetes mellitus. Früher gab es die verwirrende Terminologie „insulinabhängiger/unabhängiger Diabetes“, doch es ist korrekter, so zu klassifizieren: Typ-1-Diabetes ist ein physischer Insulinmangel (der häufigste Grund dafür ist der Tod der Zellen der Bauchspeicheldrüse); Typ-2-Diabetes ist eine verringerte Reaktion des Körpers auf das eigene Insulin (die Ursachen sind noch nicht vollständig geklärt und vielfältig). Typ 1 – die Anzahl der Freiwilligen ist gering geworden und sie können keine Dämme mehr bauen; Typ 2 – die Dämme sind normal hoch, aber entweder undicht oder quer gebaut.

Problem der manuellen Regulierung

Beide Typen führen, wie sich zeigt, zu einem erhöhten Glukosespiegel außerhalb der Zellen – im Blut und Urin, was sich negativ auf den gesamten Körper auswirkt. Man muss leben, indem man zählt internationale und Broteinheiten im Spritzen und auf dem Teller. Man kann jedoch nicht ständig manuell regulieren, was der Körper selbst gemacht hat. Der Mensch muss schlafen, und während des Schlafes fällt der Insulinspiegel weiter; in bestimmten Lebenssituationen kann es vorkommen, dass man nicht rechtzeitig essen kann — und dann sinkt der Blutzucker aufgrund des künstlich gehaltenen Insulinspiegels. Im Grunde genommen befindet sich das Leben in einem Tunnel des Glukosespiegels, über und unter dem liegt das Koma.
Teilweise wurde dieses Problem durch moderne Geräte gelöst, die an die Stelle von Spritzen getreten sind – Insulinpumpen. Diese Geräte verwenden eine kontinuierlich eingesetzte Unterhautinjektion, um Insulin in dosierten Mengen automatisch abzugeben. Doch allein die komfortable Abgabe garantiert keine korrekte Insulintherapie ohne Daten über den aktuellen Glukosespiegel. Dies ist ein weiteres Sorgenkind für Mediziner und Biotechnologen: Schnelltests und die korrekte Vorhersage der Insulin- und Glukosedynamik. Technisch wurde dies in Form von Systemen zur kontinuierlichen Glukoseüberwachung – CGM – umgesetzt. Dies sind verschiedene Geräte, die kontinuierlich Daten von einem dauerhaft unter die Haut eingesetzten Sensor lesen. Diese Methode ist weniger traumatisch und für die Nutzer attraktiv, als die klassische. Fingerprick, aber diese ist genauer und wird empfohlen, wenn der Zuckergehalt stark „gestürzt“ ist oder sich schnell verändert.
Der Mensch – in der Regel der Patient selbst – ist das Bindeglied in diesem System. Er regelt die Insulinzufuhr basierend auf den Werten des Blutzuckermessgeräts und den zu erwartenden Trends: Hat er Süßes gegessen oder plant er, das Mittagessen auszulassen? Doch im Vergleich zur präzisen Elektronik wird der Mensch zum schwachen Glied – was passiert, wenn er während des Schlafs eine starke Hypoglykämie erleidet und das Bewusstsein verliert? Oder sich auf andere Weise unangemessen verhält, das Gerät vergisst/überspringt/falsch einstellt, besonders wenn es ein Kind ist? In solchen Fällen denken viele Menschen darüber nach, Systeme mit Rückmeldungen zu schaffen, damit das Insulinabgabegerät sich nach den Messwerten der Blutzucker-Sensoren orientiert.

Rückmeldung und Open Source

Gleichzeitig entsteht das Problem, dass es sowohl auf dem Markt viele Pumpen als auch viele Blutzuckermessgeräte gibt. Zudem handelt es sich hierbei um Ausgabegeräte, die einen gemeinsamen Prozessor und Software benötigen, die sie steuert.
Auf Habr wurden bereits Artikel veröffentlicht [1, 2] über die Zusammenführung zweier Geräte zu einem System. Neben der Hinzufügung eines dritten Falls werde ich auch ein wenig über globale Projekte berichten, die die Bemühungen von Enthusiasten bündeln, die solche Systeme selbst zusammenstellen möchten.

Das OpenAPS-Projekt (Open Artificial Pancreas System, freies künstliches Pankreas) wurde von Dana Lewis aus Seattle ins Leben gerufen. Ende 2014 entschloss sie sich, ebenfalls Typ-1-Diabetikerin, zu einem solchen Experiment. Nachdem sie es ausprobiert und ihr Gerät dann ausführlich beschrieben hatte, eröffnete sie schließlich die Projektseite, in dem ausführlich beschrieben wird, wie Sie Ihre CGM-Glukosemessgerät und Pumpe selbstständig in verschiedenen Variationen von verschiedenen Herstellern mit den erforderlichen Zwischenkomponenten, Softwareoptionen auf Github und einer Fülle von Dokumentationen aus der wachsenden Benutzer-Community kombinieren können. Der wichtigste Aspekt, auf den OpenAPS Wert legt, ist: „Wir helfen Ihnen mit detaillierten Anleitungen, aber Sie müssen alles selbst erledigen“. Tatsächlich steht eine solche Aktivität kurz vor ernsthaften Sanktionen von der FDA (amerikanische Food and Drug Administration, die für alle Medikamente und Medizinprodukte zuständig ist). Und obwohl sie Ihnen nicht verbieten kann, zertifizierte Geräte zu manipulieren und sie in DIY-Systeme zu integrieren, um sie für den eigenen Gebrauch zu verwenden, wird jeder Versuch, Ihnen dabei zu helfen oder es zu verkaufen, streng bestraft. Eine zweite, ebenso wichtige Idee von OpenAPS ist die Sicherheit des Selbstbau-Systems. Die Dokumentation in Form voneinigen Hunderten von Artikeln und klaren, detaillierten Algorithmen zielt darauf ab, dass der Patient sich selbst hilft und nicht schadet.

Nightscout-Konto-Fenster
Ein anderes Projekt, Nightscout, ermöglicht es Nutzern, Daten von ihren CGM-Geräten in Echtzeit über Smartphones, Smartwatches und andere Geräte in der Cloud zu speichern sowie die erhaltenen Daten zu visualisieren und zu verarbeiten. Das Projekt zielt darauf ab, die Nutzung der Daten so informativ und benutzerfreundlich wie möglich zu gestalten und bietet auch ausführliche Anleitungen, zum Beispiel, fertige Konfigurationen von Glukometern mit Smartphones verschiedener Betriebssysteme sowie notwendiger Software und Zwischen-Transmitter.
Die Datenvisualisierung ist wichtig, um tägliche Schwankungen des Glukosespiegels in Ihrem Lebensstil zu erkennen und gegebenenfalls Anpassungen bei Verhalten und Ernährung vorzunehmen, die Daten in ansprechenden grafischen Darstellungen auf dem Smartphone oder Smartwatch zu übermitteln sowie Trends des Glukosespiegels in naher Zukunft vorherzusagen. Darüber hinaus können diese Daten von der OpenAPS-Software gelesen und verarbeitet werden. Genau dies nutzt Liam in seinem Projekt. Auf der KDPV des Artikels sind seine persönlichen Daten aus dem Cloud-Service abgebildet, wobei die violette "Gabel" auf der rechten Seite die prognostizierten Glukosespiegel darstellt, die von OpenAPS vorhergesagt werden.

Liams Projekt

Im Blogartikel können Sie mehr über das Projekt erfahren. Hier möchte ich jedoch versuchen, es etwas schematischer und anschaulicher darzustellen.
Die Hardware umfasst die folgenden Geräte: Die Insulinpumpe von Medtronic, die Liam ursprünglich hatte; den CGM (Glukosemonitor) FreeStyle Libre mit NFC-Sensor; dazu – den Transmitter MiaoMiao, der die Daten vom Haut-NFC-Sensor über Bluetooth an das Smartphone überträgt; einen Mikrocomputer Intel Edison als Prozessor zur Steuerung des gesamten Systems mit Open APS; das Explorer HAT – ein Funktransmitter, um das letzte Gerät mit dem Smartphone und der Pumpe zu verbinden.
Der Kreis hat sich geschlossen.

Die gesamte Hardware hat Liam 515 Euro gekostet, mit Ausnahme der Pumpe, die er zuvor hatte. Alle Teile bestellte er über Amazon, einschließlich des nicht mehr produzierten Edison. Auch die Unterhautsensoren für den CGM Libre sind keine günstigen Verbrauchsmaterialien – 70 Euro pro Stück, die eine Haltbarkeit von 14 Tagen haben.

Software: Zunächst die Linux-Distribution Jubilinux für Edison, gefolgt von der Installation von OpenAPS, wobei der Gerätedesigner, laut seinen Aussagen, einige Schwierigkeiten hatte. Danach – die Einrichtung der Datenübertragung von CGM auf das Smartphone und in die Cloud, für die er eine persönliche Version der xDrip-Anwendung lizenzieren musste (150 Euro), sowie die Konfiguration von Nightscout – diese musste er über spezielle Plugins mit OpenAPS 'verkuppeln'. Auch gab es Probleme mit dem gesamten Gerät, aber die Nightscout-Community hat Liam erfolgreich bei der Fehlersuche unterstützt.

Natürlich könnte man denken, dass der Autor das Projekt überkompliziert hat. Der schon lange nicht mehr produzierte Intel Edison wurde von Liam als „energieeffizienter als Raspberry Pi“ ausgewählt. Auch das Apple-Betriebssystem brachte Schwierigkeiten mit Lizenzfragen und Kosten, die mit einem Android-Smartphone vergleichbar sind. Dennoch ist seine Erfahrung wertvoll und wird zur Entwicklung zahlreicher ähnlicher DIY-Geräte beitragen, die darauf abzielen, die Lebensqualität vieler Menschen zu verbessern – Menschen, die immer mehr lernen, auf ihre eigenen Fähigkeiten und Kenntnisse zu vertrauen.
Liam reflektiert darüber, dass der Typ-1-Diabetes ihn unfrei machte und das von ihm entwickelte Gerät eine Möglichkeit ist, psychologischen Komfort und Kontrolle über seinen eigenen Körper zurückzugewinnen. Neben der Rückkehr zu einer normalen Lebensweise war die Schaffung eines insulinpumpensystems mit Rückmeldung für ihn eine kraftvolle Form des Selbstausdrucks. "Es ist besser, meinen Stoffwechsel mit JS-Code zu kontrollieren, als im Krankenhaus zu landen" — schreibt er.

Quelle: habr.com