Selbstgemachte drahtlose autonome Steuerung einer Insulinpumpe

„Ich bin jetzt ein Cyborg!” – stolz erklärt der Australier Liam Zibidi, ein junger Programmierer, Blockchain\/Fullstack-Ingenieur und Schriftsteller, wie er sich auf den Seiten seines Blogs. Anfang August hat er sein DIY-Projekt zur Erstellung eines tragbaren Geräts abgeschlossen, das er ohne falsche Bescheidenheit als „künstliche Bauchspeicheldrüse“ bezeichnet. Dabei handelt es sich eher um eine selbstregulierende Insulinpumpe, und unser Cyborg hat in einigen Aspekten seiner Schöpfung keine leichten Wege gesucht. Mehr über das Konzept des Geräts und die Open-Source-Technologien, auf die er sich gestützt hat – im Folgenden im Artikel.

Illustrationen mit Ausnahme des Geräteschemas stammen aus Liam's Blog

Diabetes für Dummies

Liam hat Diabetes Typ 1.
Wenn man es genau nimmt, bedeutet das Wort „Diabetes“ eine Gruppe von Erkrankungen mit erhöhtem Diurese – Ausscheidung von Urin, aber der Anteil der Patienten mit Diabetes mellitus (DM) ist größer, und die kurze Bezeichnung hat sich stillschweigend für DM durchgesetzt. Bereits im Mittelalter wurde bei den meisten DM-Patienten das Vorhandensein von Zucker im Urin festgestellt. Es dauerte eine ganze Weile, bis das Hormon Insulin entdeckt wurde (das außerdem als erstes vollständig sequenzierte Protein in der Geschichte gelten sollte) und seine Rolle in der Pathogenese von DM.
Insulin ist ein wichtiges Hormon, das den Stoffwechsel vieler Substanzen reguliert, aber seinen größten Einfluss hat es auf den Kohlenhydratstoffwechsel, insbesondere auf den „Haupt“-Zucker – Glukose. Für den Glukosestoffwechsel ist Insulin in den Zellen, grob gesagt, ein Signalmolekül. Auf der Oberfläche von Zellen gibt es spezielle Insulinrezeptormoleküle. Wenn Insulin sich auf sie „setzt“, gibt es das Signal zur Auslösung einer Kaskade biochemischer Reaktionen: Die Zelle beginnt aktiv, Glukose durch ihre Membran nach innen zu transportieren und sie intern zu verarbeiten.
Der Prozess der Insulinproduktion kann mit der Arbeit von Freiwilligen verglichen werden, die gekommen sind, um gegen Überschwemmungen 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: Der entscheidende Faktor ist der Spiegel im Gewebe, nicht die Anzahl der Moleküle, die direkt proportional zur Glukose ist, denn Insulin bindet sich nicht direkt an Glukose und wird nicht für ihren Metabolismus verbraucht, so wie die Freiwilligen nicht das anströmende Wasser trinken, sondern Dämme einer bestimmten Höhe bauen. Es ist notwendig, diesen bestimmten Insulinspiegel an der Zelloberfläche aufrechtzuerhalten, ebenso wie die Höhe der provisorischen Dämme in den überfluteten Gebieten.
Es ist klar, dass, wenn es an Insulin mangelt, der Glukosestoffwechsel gestört ist, Glukose nicht in die Zellen gelangt und sich in biologischen Flüssigkeiten ansammelt. Dies ist die pathogenetische Grundlage von Diabetes mellitus. Früher gab es eine verwirrende Terminologie wie "insulinabhängiger/unabhängiger Diabetes", aber es ist korrekter zu klassifizieren: Typ-1-Diabetes ist ein physischer Mangel an Insulin (häufigste Ursache ist der Zelltod in 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 - es gibt weniger Freiwillige, und sie schaffen es nicht, die Dämme zu bauen; Typ 2 - die Dämme sind normal hoch, aber entweder löchrig oder quer gebaut.

Das Problem der manuellen Regulierung

Beide Typen führen, wie klar wird, zu einem erhöhten Glukosespiegel außerhalb der Zellen - im Blut, im Urin, was sich negativ auf den gesamten Organismus auswirkt. Man muss leben und zählen internationale und Broteinheiten in der Spritze und auf dem Teller entsprechend. Aber man kann nicht ständig das regulieren, was der Körper selbst erledigt hat. Der Mensch muss schlafen, und im Schlaf sinkt der Insulinspiegel weiter; der Mensch kann aufgrund alltäglicher Umstände nicht rechtzeitig essen - und dann wird der Blutzuckerspiegel durch den künstlich aufrechterhaltenen Insulinspiegel sinken. Im Grunde genommen findet sich das Leben in einem Tunnel der Glukosegrenzen wieder, dessen obere und untere Grenze das Koma ist.
Teilweise besteht die Lösung dieses Problems in modernen Geräten, die die Spritzen ersetzt haben – Insulinpumpen. Dies ist ein Gerät, das eine kontinuierlich unter die Haut eingeführte Nadel verwendet, um Insulin automatisch in dosierter Form zuzuführen. Doch allein die bequeme Zufuhr garantiert keine korrekte Insulintherapie ohne Daten über den aktuellen Blutzuckerspiegel. Das stellt eine weitere Herausforderung für Mediziner und Biotechnologen dar: Schnelltests und die richtige Prognose der Insulin- und Glukosedynamik. Technisch wird dies in Form von Systemen zur kontinuierlichen Glukoseüberwachung – CGM – umgesetzt. Diese sind verschiedene Geräte, die kontinuierlich Daten von einem unter die Haut implantierten Sensor lesen. Diese Methode ist weniger invasiv und für die Nutzer attraktiver als die klassische Blutentnahme, jedoch ist letztere genauer und wird empfohlen, wenn der Blutzucker stark „gesunken“ ist oder sich anderweitig schnell verändert.
Ein Zwischenlink in diesem System ist die Person – in der Regel der Patient selbst. Er passt die Insulinzufuhr je nach Blutzuckerwert und erwartetem Trend an – ob er Süßes gegessen hat oder plant, das Mittagessen auszulassen. Doch vor dem Hintergrund präziser Elektronik wird der Mensch zur schwächeren Glied – was, wenn er im Schlaf eine starke Hypoglykämie erleidet und das Bewusstsein verliert? Oder sich anderweitig unangemessen verhält, das Gerät vergisst/auslässt/falsch einstellt, insbesondere wenn er noch ein Kind ist? Viele Menschen haben über solche Fälle nachgedacht und Systeme mit Rückmeldung entwickelt – damit die Insulinzufuhr sich an den Ausgaben der Glukosesensoren orientiert.

Rückmeldung und Open Source

Allerdings ergibt sich sofort ein Problem – es gibt viele Pumpen und Glukometer auf dem Markt. Darüber hinaus sind dies alles Ausgabegeräte, die einen gemeinsamen Prozessor und eine Software benötigen, die sie steuert.
Auf Habré wurden bereits Artikel [1, 2] veröffentlicht, die sich mit der Integration dieser beiden Geräte zu einem System befassen. Neben der Hinzufügung eines dritten Falls werde ich ein wenig über globale Projekte erzählen, die die Bemühungen von Enthusiasten bündeln, die ähnliche Systeme selbstständig zusammenstellen möchten.

Das OpenAPS-Projekt (Open Artificial Pancreas System, freies künstliches Pankreas), gegründet von Dana Lewis aus Seattle. Ende 2014, selbst Typ-1-Diabetikerin, entschied sie sich, ein ähnliches Experiment zu starten. Nachdem sie ihr Gerät ausprobiert und ausführlich beschrieben hatte, eröffnete sie schlussendlich die Projektwebsite, die detailliert beschreibt, wie man seinen CGM-Glukometer und die Pumpe in verschiedenen Varianten von verschiedenen Herstellern mit den notwendigen Zwischengeräten und Softwareoptionen auf GitHub kombiniert, begleitet von einer Vielzahl von Dokumentationen aus der wachsenden Benutzergemeinschaft. Der wichtigste Aspekt, auf den OpenAPS Wert legt, ist: „Wir helfen Ihnen mit detaillierten Anleitungen, aber Sie müssen alles selbst umsetzen“. Denn solch eine Aktivität steht kurz vor ernsthaften Sanktionen von der FDA (der amerikanischen Food and Drug Administration, die für alle Medikamente und medizinischen Geräte zuständig ist). Und während sie Ihnen nicht verbieten kann, zertifizierte Geräte zu zerlegen und sie in DIY-Systeme zu integrieren, um sie an sich selbst anzuwenden, wird jeder Versuch, Ihnen dabei zu helfen oder es zu verkaufen, streng bestraft. Eine zweite, jedoch ebenso wichtige Idee von OpenAPS ist die Sicherheit des DIY-Systems. Die Dokumentation in Form voneinigen Hundert Artikeln und klaren, detaillierten Algorithmen soll sicherstellen, dass der Patient sich selbst hilft und nicht schadet.

Nightscout-Konto-Fenster
Ein weiteres Projekt, Nightscout, ermöglicht es den Nutzern, die Daten ihrer CGM-Geräte in Echtzeit über Smartphones, Smartwatches und andere Geräte in einen Cloud-Speicher hochzuladen sowie diese Daten zu betrachten und zu verarbeiten. Das Projekt zielt darauf ab, die Daten so informativ und benutzerfreundlich wie möglich zu nutzen und enthält außerdem detaillierte Anleitungen, beispielsweise zu fertigen Konfigurationen von Glukometern mit Smartphones verschiedener Betriebssysteme und der erforderlichen Software sowie Zwischentransmittern.
Die Visualisierung von Daten ist wichtig, um tägliche Schwankungen des Glukosespiegels in Ihrem Lebensstil zu bestimmen und mögliches Verhalten sowie Essgewohnheiten zu korrigieren, um Daten in einer bequemen grafischen Form auf Ihr Smartphone oder Ihre Smartwatch zu übertragen, um Trends des Glukosespiegels in naher Zukunft vorherzusagen, und außerdem können diese Daten von OpenAPS-Software gelesen und verarbeitet werden. Genau das nutzt Liam in seinem Projekt. Auf der KDPV der Artikel befinden sich seine persönlichen Daten von einem Cloud-Dienst, wobei die lila „Gabel“ auf der rechten Seite die vorhergesagten Glukosespiegel darstellt, die von OpenAPS prognostiziert wurden.

Liams Projekt

Über das Projekt kann man ausführlich in dem entsprechenden Beitrag seines Blogs nachlesen, ich werde nur versuchen, es schematisch und anschaulich zusammenzufassen.
Die Hardware umfasst folgende Geräte: die Insulinpumpe Medtronic, die Liam ursprünglich hatte; das CGM (Glukosemessgerät) FreeStyle Libre mit NFC-Sensor; dazu einen MiaoMiao-Transmitter, der die Daten vom Haut-NFC-Sensor per Bluetooth an das Smartphone überträgt; einen Intel Edison-Mikrocomputer als Prozessor zur Steuerung des gesamten Systems mit Open APS; und ein Explorer HAT — ein Funkübertrager zur Verbindung des letzteren mit dem Smartphone und der Pumpe.
Der Kreis hat sich geschlossen.

Der gesamte Hardwareteil hat Liam 515 Euro gekostet, abgesehen von der Pumpe, die er zuvor hatte. Alle Geräte hat er bei Amazon bestellt, auch den eingestellten Edison. Zudem sind die unter der Haut eingesetzten Sensoren für CGM Libre nicht günstig — 70 Euro pro Stück, die für 14 Tage ausreichen.

Die Software: Zunächst das Linux-Distributionspaket Jubilinux für Edison und daraufhin die Installation von OpenAPS, mit der der Entwickler, seinen eigenen Angaben nach, einige Mühen hatte. Dann die Konfiguration der Datenübertragung vom CGM auf das Smartphone und in die Cloud, wofür er eine persönliche Version der xDrip-App lizenzieren musste (150 Euro) und die Nightscout-Konfiguration — diese musste er mithilfe spezieller Plugins mit OpenAPS "verheiraten". Zudem gab es Probleme mit der Funktionalität des gesamten Geräts, aber die Nightscout-Community hat Liam erfolgreich bei der Fehlersuche geholfen.

Natürlich kann es den Anschein haben, dass der Autor das Projekt überkompliziert hat. Der längst eingestellte Intel Edison wurde von Liam als „energieeffizienter als der Raspberry Pi“ ausgewählt. Auch Apple OS bereitete Schwierigkeiten mit der Softwarelizenz und kostete ähnlich viel wie ein Android-Smartphone. Dennoch ist seine Erfahrung wertvoll und wird zur Sammlung zahlreicher ähnlicher Projekte für selbstgebaute Geräte beitragen, die für relativ wenig Geld die Lebensqualität vieler Menschen merklich verbessern sollen. Menschen, die immer mehr lernen, auf ihre eigenen Fähigkeiten und Fertigkeiten zu vertrauen.
Liam denkt darüber nach, dass SD 1.0 ihn unfrei gemacht hat, und das von ihm erschaffene Gerät ist ein Weg, sich den psychologischen Komfort der Kontrolle über den eigenen Körper zurückzugewinnen. Neben der Rückgewinnung eines normalen Lebensstils wurde die Schaffung eines Systems für eine Insulinpumpe mit Rückmeldung für ihn zu einer kraftvollen Erfahrung der Selbstdarstellung. "Es ist besser, seinen Stoffwechsel mit JS-Code unter Kontrolle zu haben, als ins Krankenhaus zu kommen" - schreibt er.

Quelle: habr.com