Hemlagad trådlös fristående kontroll av insulinpumpen

«Jag är nu en cyborg!» — säger den australiensiska programvaruutvecklaren Liam Zabidi stolt, en ung programmerare, blockchain/fullstack-ingenjör och författare, som han presenterar sig själv på sina blogg. I början av augusti avslutade han sitt DIY-projekt för att skapa en bärbar enhet, som han utan falsk blyert kallade „konstgjord bukspottkörtel“. Det handlar snarare om en självreglerande insulnpump, och vår cyborg har i vissa aspekter av sin skapelse inte sökt efter genvägar. Mer om konceptet för enheten och de öppna källkodsteknologier som han stödde sig på — nedan i artikeln.

illustrationer utom enheten schematiska bild hämtades från Liams blogg

Diabetes för dummies

Liam har typ 1-diabetes.
Om vi ser till terminologin, så innebär ordet „diabetes“ en grupp sjukdomar med ökad diures, det vill säga urinutsöndring, men andelen personer med just diabetes mellitus (DM) är större, och den korta benämningen har i praktiken blivit standard för diabetes mellitus. Inte förrän medeltiden observerade man hos de flesta som led av DM att deras urin innehöll socker. Det tog ganska lång tid innan hormonet insulin upptäcktes (som också skulle bli den första fullt sekvenserade proteinet i historien) och dess roll i patogenesen av DM.
Insulin är ett av de viktigaste hormonerna som reglerar metabolismen av många ämnen, men den mest betydande påverkan har det på kolhydratmetabolismen, inklusive socker som anses vara „huvudsocker“ — glukos. För metabolismen av glukos i cellerna fungerar insulin som en sorts signalsubstans. På ytan av cellerna finns speciella insulinreceptorer. När insulin „sätter sig“ på dem, ger det signaler att starta en kaskad av biokemiska reaktioner: cellen börjar aktivt transportera glukos in i sig genom sin membran och bearbeta den inuti.
Insulin production can be likened to the work of volunteer workers who come to fight flooding. The level of insulin depends on the amount of glucose: the more glucose there is, the more the total insulin level rises in response. I reiterate: what matters is the level in the tissues, not the number of molecules, which is directly proportional to glucose, since insulin does not bind to glucose itself and is not consumed in its metabolism, just as volunteers do not drink the incoming water, but build dams of a certain height. It is necessary to maintain this specific level of insulin on the surface of cells, just as the height of temporary dams must be maintained in flooded areas.
It is clear that if there is a shortage of insulin, glucose metabolism is disrupted, preventing it from entering the cells, which causes it to accumulate in biological fluids. This is the pathogenesis of diabetes. Previously, there was confusing terminology such as 'insulin-dependent/independent diabetes', but it is more accurate to classify it this way: Type 1 diabetes is a physical shortage of insulin (the most common cause is the death of pancreatic cells); Type 2 diabetes is a decreased response of the body to its own insulin levels (the reasons are not yet fully understood and are diverse). Type 1 is when there are few volunteers and they cannot build the dams quickly enough; Type 2 is when the dams are of normal height, but they may be leaky or built incorrectly.

The problem of manual regulation

Both types, as becomes clear, lead to elevated glucose levels outside the cells—in the blood, urine, which has a negative impact on the entire body. One must live while counting international och bread units in the syringe and on the plate, respectively. But one cannot manually regulate everything that the body did automatically all the time. A person needs to sleep, and during sleep, insulin levels continue to fall; a person may, due to everyday circumstances, miss a meal on time—and then their sugar will drop under the effects of artificially maintained insulin levels. Essentially, life turns out to be in a tunnel with limits on glucose levels, above and below which lies a coma.
Delvis är lösningen på detta problem moderna enheter som har ersatt sprutor – insulinpumpar. Detta är en anordning som använder en kontinuerligt insatt underhudsnål för automatisk dosering av insulin. Men enbart en bekväm insulindosering garanterar inte korrekt ersättningsterapi utan data om den aktuella glukosnivån. Detta är en ytterligare huvudvärk för läkare och biotekniker: snabbtester och korrekt prognostisering av insulin- och glukosnivåernas dynamik. Teknologiskt har detta realiserats i form av system för kontinuerlig glukosmätning – CGM. Det är olika enheter som kontinuerligt läser av data från en ständig sensor insatt under huden. Denna metod är mindre traumatisk och mer attraktiv för användarna än den klassiska. fingerprick, men den senare är mer exakt och rekommenderas att användas om blodsockret har sjunkit kraftigt eller förändras snabbt över tid.
Mellanledet i detta system är människan – vanligtvis själva patienten. De justerar insulindoseringen beroende på mätresultaten från blodsockermätaren och den förväntade trenden – om de ätit något sött eller planerar att hoppa över lunchen. Men i en värld av exakt elektronik blir människan den svaga länken – vad händer om de under natten får en svår hypoglykemi och förlorar medvetandet? Eller beter sig på annat sätt oansvarigt, glömmer/skippar/ställer in enheten felaktigt, särskilt om det är ett barn? För sådana fall har många funderat på att skapa system med återkoppling – så att insulinenheten orienterar sig efter data från glukossensorerna.

Återkoppling och open source

Men genast uppstår ett problem – det finns många pumpar och blodsockermätare på marknaden. Dessutom är detta alla utförande enheter, och de behöver en gemensam processor och mjukvara som styr dem.
Det har redan publicerats artiklar på Habré [1, 2] om ämnet att integrera två enheter i ett system. Utöver att lägga till ett tredje fall, kommer jag att berätta lite om globala projekt som samlar entusiaster som vill bygga sådana system själva.

OpenAPS-projektet (Open Artificial Pancreas System, en fri artificiell bukspottkörtel) grundades av Dana Lewis från Seattle. I slutet av 2014 bestämde hon, som också är typ 1-diabetiker, sig för att genomföra ett sådant experiment. Efter att ha provat och sedan noggrant beskrivit sin enhet, öppnade hon så småningom projektets webbplats, där det beskrivs i detalj hur man själv kan koppla ihop sina CGM-blodsockermätare och pumpar, i olika variationer från olika tillverkare, med nödvändiga mellanliggande enheter, mjukvarualternativ på Github och en mängd dokumentation från det växande användarsamfundet. Det viktigaste aspekt som OpenAPS betonar är att "vi hjälper er med detaljerade instruktioner, men ni måste göra allt själva". Saken är den att sådan verksamhet ligger ett steg bort från allvarliga sanktioner från FDA (amerikanska Food and Drug Administration, vilket omfattar alla läkemedel och medicinska produkter). Och även om den inte kan förbjuda dig att bryta certifierade apparater och koppla ihop dem i hemmagjorda system för egen användning, så kommer varje försök att hjälpa dig göra det eller sälja det att straffas strängt. Den andra, men inte mindre viktiga idén bakom OpenAPS är säkerheten hos det hemmagjorda systemet. Dokumentationen i form avett par hundra artiklar och tydliga, detaljerade algoritmer syftar just till att hjälpa den sjuke, inte skada sig själv.

Nightscout-kontofönstret
Ett annat projekt, Nightscout, gör det möjligt för användare att ladda upp data från sina CGM-enheter till en molnlagring i realtid genom smartphones, smartklockor och andra enheter samt att se och bearbeta de insamlade uppgifterna. Projektet syftar till att maximera den informativa och användarvänliga användningen av data och innehåller också detaljerade guider, till exempel, färdiga konfigurationer av blodsockermätare med smartphones med olika operativsystem och nödvändig mjukvara och mellanliggande sändare.
Datavisualisering är viktig för att bestämma dagliga fluktuationer i glukosnivåer utifrån din livsstil och möjlig korrigering av beteende och kostvanor. Den gör det möjligt att överföra data i en användarvänlig grafisk form till din smartphone eller smarta klocka, för att förutsäga trender i glukosnivåer på kort sikt. Dessutom kan dessa data läsas av och bearbetas av OpenAPS-programvara. Det är precis detta som Liam använder i sitt projekt. På KDPV-artikeln finns hans personliga data från en molntjänst, där den lila 'gafeln' till höger representerar de förväntade glukosnivåerna, förutspådda av OpenAPS.

Liams projekt

Om projektet kan man läsa mer detaljerat i hans bloggpost, jag ska bara försöka sammanfatta det mer schematiskt och visuellt.
Hårdvaran omfattar följande enheter: en Medtronic insulinpump, som Liam hade från början; CGM (glukometer) FreeStyle Libre med NFC-sensor; till detta en MiaoMiao-sändare som överför data från den hudbaserade NFC-sensorn till smartphone via Bluetooth; en Intel Edison mikrodator, som fungerar som processorn för att styra hela systemet med hjälp av Open APS; Explorer HAT, en radiotransmitta för att koppla sista enheten till smartphone och pump.
Cirkeln är sluten.

Hela hårdvarudelen kostade Liam 515 euro, exklusive pumpen som han hade tidigare. Alla enheter beställdes från Amazon, inklusive den ur produktion tagna Edison. Dessutom är de underhudssensorer för CGM Libre dyra förbrukningsvaror — 70 euro för en, som räcker i 14 dagar.

Programvaran: För det första en Linux-distribution, Jubilinux för Edison, och därifrån installationen av OpenAPS, vilket, enligt uppgift från enheten, var ganska besvärligt. Därefter konfiguration av datatransfer från CGM till smartphone och molnet, för vilket han var tvungen att licensiera en personlig kompilering av applikationen xDrip (150 euro) och konfigurera Nightscout — han behövde 'äktenskap' mellan den och OpenAPS via speciella plugins. Det uppstod också problem med enhetens funktionalitet, men Nightscout-communityn hjälpte Liam framgångsrikt med att hitta buggar.

Självklart kan det verka som att författaren har komplicerat projektet. Den länge avvecklade Intel Edison valdes av Liam som "mer energieffektiv än Raspberry Pi". Apples operativsystem bidrog också med licensproblem och kostnader som kan jämföras med de för en Android-smartphone. Men hans erfarenheter är värdefulla och kommer att bidra till många liknande projekt av hemgjorda enheter som har potential att avsevärt förbättra livskvaliteten för många människor till en relativt låg kostnad. Människor som allt mer vänjer sig vid att lita på sina egna förmågor och färdigheter.
Liam reflekterar över att typ 1-diabet kunde få honom att känna sig ofri, och den enhet han skapade är ett sätt att återfå den psykologiska komforten av kontroll över sin egen kropp. Utöver att återfå en normal livsstil har skapandet av ett insulindrivande system med feedback blivit en kraftfull upplevelse av självuttryck för honom. "Det är bättre att hålla sitt ämnesomsättning under kontroll med kod i JS än att åka till sjukhuset," skriver han.

Källa: habr.com