Wie Algorithmen von AID-Systemen die Insulinzufuhr steuern

Berlin, 19.08.2021

Der Traum von der künstlichen Bauchspeicheldrüse, bzw. einer diese näherungsweise realisierenden technischen Lösung – Algorithmen sollen ihn verwirklichen. Sie sind die Schnittstelle zwischen rt(Real Time)CGM-Systemen und Insulinpumpen. Klingt doch ganz einfach: das eine misst in Echtzeit, dass andere gibt die passende Menge Hormon ab. Wozu braucht es dann einen Algorithmus? „Weil Insulinzufuhr und Glukosemessung nicht physiologisch sind“, sagt Dr. Andreas Thomas, Physiker und Experte auf dem Gebiet der Algorithmen für AID-Systeme.

Im Jahr 2019 kam in Deutschland das erste kommerzielle Hybrid-AID(automated insulin delivery; Deutsch automatisierte Insulindosierung)-System für Menschen mit Typ-1-Diabetes auf den Markt. Hybrid, da das System zwar automatisch den basalen Insulinbedarf anhand der Glukosewerte reguliert, die Boli zu den Mahlzeiten aber noch manuell durch den*die Patienten*in gesteuert werden. In diesem Jahr wird der Markteintritt weiterer Systeme mit mehr Funktionen erwartet, so die automatische Gabe von Korrekturboli. Die Komplexität dieser Technologie könnte Ärzte*innen und Diabetesberater*innen vor Herausforderungen stellen – und auch die Patienten*innen könnten angesichts der neuen Systeme unsicher sein und Fragen haben. Doch keine Angst, Sie müssen nicht alle Details kennen – oder, wie Experte Dr. Thomas sagt: „Ob Sie wissen, wie die Windows-Software programmiert ist, ist keine Voraussetzung dafür, dass Sie einen Computer bedienen können.“

Die Aufgabe eines Algorithmus –Abweichungen von der Physiologie ausgleichen

Der Algorithmus errechnet auf Grundlage der Messwerte des Glukosesensors die Insulindosis. Die Wirkung des Insulins ist jedoch nicht mit Stoffwechselgesunden zu vergleichen, weshalb physiologische Unterschiede ausgeglichen werden müssen. Gespritzt ins subkutane Gewebe, deshalb wirkt das Insulin zunächst peripher und dann erst hepatisch, also verzögert. Die Bremsung der hepatischen Glukoseausschüttung erfolgt also immer mit Zeitverzug.1

Verzögerungen bestehen ebenfalls bei der Messung: Die Glukosekonzentration in der interstitiellen Flüssigkeit, in welcher der Glukosesensor misst, unterscheidet sich insbesondere bei schnellen Anstiegen und Abfällen (etwa durch körperliche Aktivität oder Stress und auch bei Mahlzeiten) deutlich von der, die im Blut gemessen werden kann.1 CGM-Systeme rechnen diesen Unterschied zumindest zum Teil heraus und ermitteln einen Hybridwert. Dennoch müssen Algorithmen prädiktiv arbeiten, denn ein Glukoseanstieg lässt sich im Interstitium erst später als im But messen. Bei einem Glukoseabfall ist die Verzögerung sogar noch etwas größer.2 Nicht zuletzt müssen Algorithmen auch bestimmte Sicherheitsaspekte berücksichtigen.1

So wird die Insulinabgabe gesteuert

Algorithmen, welche die automatische Insulinabgabe steuern, mussten gar nicht neu erfunden werden. Sie begegnen uns im Alltag ständig, ob zur Steuerung von Heizungsanlagen, im Straßenverkehr oder als hormoneller Regelkreis im Organismus. Hierbei ist im Falle der Regulierung des Glukosespiegels die Glukosekonzentration die Regelgröße, Insulin die Stellgröße.1 Da der Algorithmus nicht nur die Insulinabgabe auf Grundlage der aktuellen Glukosekonzentration steuern, sondern auch zwei bis drei Stunden vorausberechnen soll, fließen als Randbedingungen die Insulinempfindlichkeit und die Insulinwirkung ein.1 Gegebenenfalls werden auch Informationen zur Kohlenhydrataufnahme, körperliche Aktivität und Stress berücksichtigt.1 So berechnet der Algorithmus die erwartete Glukosekonzentration und schließlich auch die Insulindosis, die zur Senkung des Glukosespiegels benötigt wird. Zukünftige Systeme basieren auf selbstlernenden Algorithmen, welche die Parameter individuell und situationsabhängig anpassen. Hierzu sind Methoden der künstlichen Intelligenz notwendig.1 Teilweise sind aktuelle Systeme in einem kleinen Umfang schon selbstlernend.

Wie unterschieden sich die Algorithmen?

Die Algorithmen unterscheiden sich in der Art und Weise, wie verschiedene Parameter (Insulinempfindlichkeit, Insulinwirkung, Kohlenhydrataufnahme, körperliche Aktivität, Stress usw.) miteinbezogen und inwieweit prädiktive Glukosewerte errechnet werden.1 Die klinischen Ergebnisse der in unterschiedlichen AID-Systemen eingesetzten Algorithmen sind durchaus vergleichbar3,4,5. Die drei wesentlichen Algorithmen sind:

PID (Proportional-Integral-Derivativ)6
Der PID-Algorithmus ist der einfachste, also der, der am wenigsten Faktoren berücksichtigt. Ausgehend von einem Zielwert von 120mg/dl Glukose nimmt er in Abhängigkeit der Größe der Abweichung Änderungen vor: Liegt die Glukosekonzentration in der Nähe des Sollwerts, wird eine proportionale Menge Insulin abgegeben, bei Werten über dem Sollwert ist diese stetig (integral) und bei sehr hohen Werten derivativ (starker Insulinbolus). Die Insulinempfindlichkeit ermittelt sich der Algorithmus anhand des durchschnittlichen Tagesinsulinbedarfs, die Insulinwirkdauer wird eingestellt. Dieser Algorithmus ist nicht zur Regulierung großer Glukoseanstiege und –abfälle (z.B. Mahlzeiten, körperliche Aktivität) geeignet und es erfolgt keine prädiktive Berechnung der Auswirkung der Insulinabgabe auf den Glukosespiegel.1

MPC-(Model Predictive Controller)7,8,9 inklusive Modifikationen10
Hier werden die aktuellen Werte mit einem Referenzmodell verglichen. Als prädiktiver Kontrollalgorithmus kann dieser Algorithmus prospektiv den Glukosespiegel berechnen und legt nicht nur die aktuellen Werte zu Grunde. Dennoch ist auch er nur eingeschränkt zur Regulation schneller Glukoseveränderungen geeignet.1

 

Fuzzy-Logic (DreaMed-Algorithmus)11,12,13
PID- und MPC-Algorithmus passen sich nur bedingt an den*die Patient*in an. Der Fuzzy-Logic-Algorithmus ist da anders – die Steuerung erfolgt mittels individuell angepasster und ständig aktualisierter Behandlungsregeln. Die Regeln sind in „Wenn-dann-Szenarien“ mit entsprechenden Anpassungen hinterlegt. Hier können auch verschiedene Faktoren gleichzeitig berücksichtig werden: etwa „WENN der Glukosespiegel zu hoch ist UND es soll Sport getrieben werden, DANN gib kein Insulin ab“. Die zukünftigen Voll-AID-Systeme, also Systeme, die sowohl die basale Insulinzufuhr, als auch die Mahlzeitenboli automatisch abgeben, werden nach diesem Prinzip arbeiten. Die Herausforderung dabei ist die automatisierte Insulinabgabe zu den Mahlzeiten. Hier ist eine nahezu physiologische Regulation notwendig.1

Fazit

Die verschiedenen Algorithmen haben unterschiedliche Vor- und Nachteile, sind jedoch bei den aktuell erhältlichen Hybrid-AID-Systemen hinsichtlich der klinischen Ergebnisse durchaus vergleichbar. Die Herausforderung besteht in der Anpassung an die aktuelle Lebenssituation. Mit Ausblick auf Advanced-Hybrid- und Voll-AID-Systeme wird der Fuzzy-Logic-Algorithmus in Zukunft wohl an Bedeutung gewinnen.


Quellen:
1. Thomas A. Vortrag Algorithmen für AID-Systeme Zukunftsboard Digitalisierung, 14.Juli 2021
2. Thomas A et al. Diabetes, Stoffwechsel und Herz, 2021; 30 (2) Seite 118-127
3. Benhamou PY et al. Lancet Digit Health 2019; 1(1): e17-e25
4. Bergenstal RM et al. JAMA 2016; 316(13): 1407-1408
5. Brown SA et al. N Engl J Med 2019; 381(18): 1707-1717
6. Steil GM et al. Diabetes 2006; 55(12): 3344-50
7. Bequette BW et al. 2013 J Diabetes Sci Technol. 2013; 7(6): 1632–1643
8. Hovorka R et al. Lancet 2010; 375(9716): 743-51
9. Elleri D et al. Pediatr Diabetes 2012; 13(6): 449-53
10. Quemerais MA J Diabetes Sci Technol 2014; 8(6): 1177-84
11. Atlas E et al. Diabetes Care 2010; 33(5): 1072-1076
12. Namri R et al. Diabetes Technol Ther 2012; 14(8): 728-35
13. Namri R et al. Diabetes Care 2014; 37(11): 3025-32

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