Methods of computational optimization for automated insulin therapy control

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The control automation of insulin-dosing technical systems for patients with type 1 diabetes mellitus is an urgent task of biomedical engineering. The development of computing technologies allows using complex nonlinear predictive models for calculating optimal control actions. The use of such models makes it necessary to develop efficient methods for numerically solving stiff systems of nonlinear ordinary differential equations, developing efficient methods for parametric identification of mathematical models and developing efficient methods for optimizing control actions. The paper presents a set of studies and numerical experiments aimed at formalizing computational problems, identifying known methods and algorithms for solving the problems and experimentally evaluating the efficiency of selected methods and algorithms. It is demonstrated that the LSODA algorithm is efficient in numerically solving the model equations, using the Adams method when in nonstiff areas and the backward differentiation formula on stiff areas. A method for optimizing parametric identification is proposed by using the «basin hopping» global optimization method with a Nelder–Mead local minimizer. For solving the problem of multidimensional conditional optimization of control actions, the COBYLA method has shown the highest efficiency, ensuring the finding of optimal parameters on household computers in an acceptable time.

About the authors

Kirill V. Pozhar

National Research University of Electronic Technology (MIET)

Author for correspondence.
Email: pozhar@bms.zone
ORCID iD: 0000-0001-9879-0220
SPIN-code: 6609-8070

Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor; associate professor, Institute of Biomedical Systems

Russian Federation, Zelenograd, Moscow

Dmitry A. Chuprakov

National Research University of Electronic Technology (MIET)

Email: 89120209984d@gmail.com
ORCID iD: 0009-0002-9384-2049
SPIN-code: 2753-4276

lab assistant, Laboratory of Systems of Artificial Biomedical Regulation, Institute of Biomedical Systems

Russian Federation, Zelenograd, Moscow

References

  1. Laptev D.N. Continuous glucose monitoring in patients with type 1 diabetes mellitus. A teaching aid for doctors and nurses to conduct “Schools for patients with diabetes mellitus”. Moscow: National Medical Research Center of Endocrinology, 2023. 60 p.
  2. Strukova E.I., Pozhar K.V., Chuprakov D.A. Development of a mathematical model of glucose metabolism in type 1 diabetes mellitus based on enzymatic kinetics equations. Moscow: Meditsinskaya Tekhnika. 2025. (In press)
  3. Bonet-Monroig X. et al. Performance comparison of optimization methods on variational quantum algorithms. Physical Review A. 2023. Vol. 107. No. 3. P. 032407.
  4. Chuprakov D.A., Pozhar K.V. Analysis of methods for calculating optimal parameters for insulin boluses in automated insulin therapy systems with control based on predictive models. Biomedical Engineering. 2023. Vol. 57. No. 2. Pp. 102–106.
  5. Dalla Man C., Camilleri M., Cobelli C. A system model of oral glucose absorption: validation on gold standard data. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 2006. Vol. 53. No. 12. Pp. 2472–2478.
  6. Dalla Man C., Rizza R.A., Cobelli C. Meal simulation model of the glucose-insulin system. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 2007. Vol. 54. No. 10. Pp. 1740–1749.
  7. Dalla Man C. et al. The UVA/PADOVA type 1 diabetes simulator: New features. Journal of Diabetes Science and Technology. 2014. Vol. 8. No. 1. Pp. 26–34.
  8. Farman M. et al. Stability analysis and control of the glucose insulin glucagon system in humans. Chinese Journal of Physics. 2018. Vol. 56. No. 4. Pp. 1362–1369.
  9. Hairer E., Wanner G. Stiff differential equations solved by Radau methods. Journal of Computational and Applied Mathematics. 1999. Vol. 111. No. 1–2. Pp. 93–111.
  10. Hindmarsh A.C., Petzold L.R. LSODA, ordinary differential equation solver for stiff or non-stiff system. 2005.
  11. Home P.D., Mehta R. Insulin therapy development beyond 100 years. The Lancet Diabetes & Endocrinology. 2021. Vol. 9. No. 10. Pp. 695–707.
  12. Home P.D. An overview of insulin therapy for the non‐specialist. In: Diabetes, obesity and metabolism. 2025.
  13. Jones D.R. Direct global optimization algorithm. In: Encyclopedia of optimization. 2001. Pp. 431–440.
  14. Kovatchev B. Automated closed-loop control of diabetes: The artificial pancreas. Bioelectronic Medicine. 2018. Vol. 4. No. 1. P. 14.
  15. Litinskaia E.L., Pozhar K.V., Zhilo N.M. Problems and methods of a closed-loop blood glucose control system construction. Journal of Physics. Conference Series. IOP Publishing. 2021. Vol. 2091. No. 1. P. 012020.
  16. Lu L. et al. A fast parametric modelling algorithm with the Powell method. Physiological Measurement. 1995. Vol. 16. No. 3A. P. A39.
  17. Miháliková I. et al. Best-practice aspects of quantum-computer calculations: A case study of the hydrogen molecule. Molecules. 2022. Vol. 27. No. 3. P. 597.
  18. Pozhar K.V., Bazaev N.A., Litinskaia E.L. In silico testing of a control algorithm for a personalized insulin therapy system. In: IEEE conference of Russian young researchers in electrical and electronic engineering (ElConRus). IEEE, 2021. Pp. 2842–2846.
  19. Thomas A., Heinemann L. Algorithms for automated insulin delivery: an overview. Journal of Diabetes Science and Technology. 2022. Vol. 16. No. 5. Pp. 1228–1238.
  20. Vettoretti M., Facchinetti A. Combining continuous glucose monitoring and insulin pumps to automatically tune the basal insulin infusion in diabetes therapy: A review. Biomedical Engineering Online. 2019. Vol. 18. No. 1. P. 37.
  21. Wales D.J., Doye J.P.K. Global optimization by basin-hopping and the lowest energy structures of Lennard–Jones clusters containing up to 110 atoms. The Journal of Physical Chemistry A. 1997. Vol. 101. No. 28. Pp. 5111–5116.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Simulation of typical dynamics of blood glucose concentration during a single meal

Download (81KB)
3. Fig. 2. Dynamics of blood glucose concentration with thresholds of glycogen production and renal excretion

Download (106KB)


License URL: https://www.urvak.ru/contacts/

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».