Zustands- und Parameterschätzung von dynamischen Stoffwechselmodellen für ein personalisiertes modellbasiertes Diabetes-Management

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christoph Ament
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 339175157

In diesem Forschungsvorhaben wird ein modellbasiertes Verfahren zur personalisierten Diagnostik bei Patienten mit Diabetes mellitus entwickelt, welches den Blutglukoseverlauf auf Basis eines Modells des Glukose-Insulin-Metabolismus schätzt. Das Modell soll mittels etablierter Blutzuckermessungen sowie neuartigen Sensoren identifiziert werden. Analysen zur Steuerbarkeit und Beobachtbarkeit von Zuständen und Parametern des Systems schließen sich an. Die für das Modell benötigten Parametersätze sollen an das jeweilige Individuum angepasst sein, um bessere Vorhersagen erzielen zu können, als dies mit generischen Modellansätzen möglich ist. Krankhafte Veränderungen des Stoffwechselsystems, wie sie bspw. bei Diabetes mellitus auftreten, können durch eine Veränderung der Parameter individuell charakterisiert werden. Die gewonnenen Methoden können Nutzer bei ihrer Diagnose und Therapie unterstützen.Diabetes mellitus ist eine chronische Stoffwechselerkrankung. Sie resultiert aus der Unfähigkeit des Körpers Insulin zu produzieren und/oder zu nutzen. Unabhängig des konkreten Typs benötigen Betroffene eine lebenslange Insulintherapie.Die Diabetestherapie zielt darauf ab, den gestörten physiologischen Regelkreis der Glukose-Insulin-Homöostase durch eine künstliche Regelung zu unterstützen. Als Sensor kann der Patient den Glukosespiegel im Blut oder im Unterhautgewebe messen. Als Aktor kann Insulin gespritzt werden. Die Regelung übernimmt der Patient nach erfolgter Schulung selber.Stoffwechselvorgänge sind, ebenso wie technische Systeme, durch Differenzialgleichungen beschreibbar. Daher ist anzunehmen, dass auch hier ein modellbasiertes Vorgehen Vorteile bei der Behandlung (wie Diagnose und Therapie) haben wird.Bisherige Ansätze der Identifikation berücksichtigen den individuellen Zustand eines Patienten nur unzureichend, da große Variabilität im Stoffwechselverhalten von Mensch zu Mensch auftritt und auch sehr gute Standardmodelle die Vorgänge nur für Mittelwerte über Kollektive korrekt wiedergeben. Die Medizin versucht dies aktuell durch die Entwicklung einer ,Personalisierten Medizin' anzugehen. Für einen modellbasierten Ansatz heißt das, neben feingranularen Modellen der Stoffwechselvorgänge, eine effiziente und persönliche Modellidentifikation zu entwickeln, die nur wenige Messdaten benötigt. Der Fokus liegt hier auf neuartigen, kontinuierlich messenden Sensoren. Damit ist erstmals die Dynamik in den Signalverläufen erfassbar.Daraus sollen diagnostische Aussagen ableitbar sein, die in ihrer Qualität besser sind, als es bei der Betrachtung nur starrer Grenzwerte möglich ist.Auf Basis maßgeschneiderter Modelle kann die Therapie verbessert werden. Dies kann dadurch geschehen, die Insulintherapie auf Basis des aktuellen Zustandes des Patienten anzupassen oder auch die Anzahl an Blutzuckermessungen zu optimieren. Unter Berücksichtigung von Störgrößen wie Mahlzeiten oder körperlicher Aktivität wird eine Prädiktion zukünftiger Blutzuckerwerte möglich.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich(e): Professorin Dr. Claudia Eberle