DD282616A5

DD282616A5 - DEVICE FOR CHARGING ACCURATE CONTROL OF INFUSION PUMPS

Info

Publication number: DD282616A5
Application number: DD32791889A
Authority: DD
Inventors: Heinz Langer
Original assignee: Forsch Koerperkultur U Sport
Priority date: 1989-04-24
Filing date: 1989-04-24
Publication date: 1990-09-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur belastungsangepaszten Steuerung von Infusionspumpen, die sowohl in Infusionspumpen mit automatischer Steuerung mittels Glukosesensor als auch in solchen mit halbautomatischer Steuerung einsetzbar ist. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dasz an den das Dosieraggregat der Infusionspumpe steuernden Mikrorechner eingangsseitig ein Herzfrequenzsensor angekoppelt ist.{Humanmedizin; Diabetis; Infusionspumpen; Steuerung; Insulinzufuhr; Bedarfsanpassung; Regelparameter; Herzfrequenz}The invention relates to a device for load-adapted control of infusion pumps, which can be used both in infusion pumps with automatic control by means of glucose sensor as well as in those with semi-automatic control. The essence of the invention consists in the fact that a heart rate sensor is coupled on the input side to the microcomputer controlling the dosing unit of the infusion pump. diabetes; Infusion pumps; Control; Insulin delivery; Needs adjustment; Control parameters; Heart rate}

Description

-2- 282 Darlegung des Wesens der Erfindung-2- 282 Explanation of the nature of the invention

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Steuerugn von Infusionspumpen zu schaffen, die die Insulinzufuhr belastungsangepaßt reguliert und sowohl eine negative als auch positive Insulin-Glukose-Charakteristik ermöglicht. Die Aufgabe wird unter Verwendung einer Infusionspumpe gelöst, deren Insulinzufi/hr zum Diabetiker entweder automatisch durch einen Blutglukosesensor oder teilautomatisch über personenspezifische Iniülindosierungsprofile mittels Mikrorechner gesteuert wird. Erfindungsgemäß wird als weiterer Regelparameter die Herzfrequenz eingeführt, indem der das Dosioraggregat der Insulinpumpe steuernde Mikrorechner mit einem Herzfrequenzsensor in Verbindung steht. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn zwischen den Mikrorechner und den Herzfrequenzsensor eine Signalübertragungseinrichtung und ein Differenzier- und Summierglied angeordnet ist. Dieses summiert oberhalb eines Grenzwertes die Herzfrequenzwerte über die Zeiteinheit und gibt die Werte an den Mikrorechner ab.The object of the invention is to provide a device for the control of infusion pumps, which regulates the insulin delivery load-adapted and allows both a negative and positive insulin-glucose characteristic. The object is achieved by using an infusion pump whose insulin supply to the diabetic is controlled either automatically by a blood glucose sensor or semi-automatically by means of microcomputers via person-specific injection dosing profiles. According to the invention, the heart rate is introduced as a further control parameter in that the microcomputer controlling the dosing unit of the insulin pump is connected to a heart rate sensor. In this case, it is advantageous if a signal transmission device and a differentiating and summing element are arranged between the microcomputer and the heart rate sensor. This sums the heart rate values above the time unit above a limit value and outputs the values to the microcomputer.

Die Herzfrequenz als weiterer Steuerungsparameter ist besonders vorteilhaft, da sich bei diesem Parameter der Zustand der nahrungsaufnahme signifikant vom Zustand physischer bzw. psychischer Belastungen unterscheidet. Damit ist über diesen Parameter eine Umsteuerung der automatischen Insulindosierung vom Bereich der positiven Insulin-Glukose-Charakteristik zum negativen Bereich möglich. Bei für die Nahrungsaufnahme typischen Körperhaltungen bleibt die Herzfrequenz im Bereich von 60 bis 90 Schlägen/min, während sie unter physischer Belastung, aber auch bei psychischem Druck oberhalb von Schlägen/min liegt bzw. liegen kann. Weitere Vorteile begründen sich in folgenden Punkten:The heart rate as a further control parameter is particularly advantageous because in this parameter, the state of the food intake significantly different from the state of physical or mental stress. With this parameter, a changeover of the automatic insulin dosage from the range of the positive insulin-glucose characteristic to the negative range is possible. In body postures that are typical for food intake, the heart rate remains in the range of 60 to 90 beats / min, while under physical strain, but also at psychic pressure, it may be above beats / min. Further advantages are based on the following points:

- Für Menschen mittleren Alters ist im Bereich von 100... 170 Schlägen/mineine lineare Beziehung zwischen der Herzfrequenz und der ergcmetrischen (physischen) Leistung nachgewiesen (Tiedt et al; Med. Sport Berlin 13 (1973], 87). Erst oberhalb einer Herzfrequenz von 170 Schlägen/min erfolgt eine asymptotische Annäherung an den Maximalv;ert.For middle-aged people, between 100 and 170 beats a linear relationship between heart rate and ergmetric (physical) performance has been demonstrated (Tiedt et al., Med. Sport Berlin 13 (1973), 87) Heart rate of 170 beats / min is an asymptotic approach to Maximalv.

- Für den Zustand einer ausgeglichenen Dauerleistung (steady state) gibt es im Herzfrequenzbereich von 80... 190 Schlagen/ min eine lineare Beziehung zwischen Pulsfrequenz und der Sauerstoffaufnahme bei steigender Leistung (Mellerowicz et al; Grundriß der medizinischen Leistungsergometrie, 3. Auflage; München, Wien, Baltimore, Urban und Schwarzenberg, 1979, S. 73).- For the state of a steady state steady state (steady state), there is a linear relationship between pulse rate and oxygen uptake with increasing power in the heart rate range of 80 ... 190 beats / min (Mellerowicz et al., Grundriss der medizinische Leistungsergometrie, 3rd edition; , Vienna, Baltimore, Urban and Schwarzenberg, 1979, p. 73).

- Die maximale Sauerstoffaufnahme verringert sich ohne regelmäßige sportliche Betätigung mit dem Ziel der Verbesserung biologischer Leistungsvoraussetzungen zwischen dem 20. und dem 40. Lebensjahr bei Männern im Mittel von 50cm³/kg Körpermasse/min auf etwa 40cm³/kg Körpermasse/min, d. h. um etwa 20%, und zwischen dem 40. und dem 60. Lebensjahr von etwa 40 auf etwa 35cmVkg Körpermasse/min, d. h. um etwa 12,5% (Robinson; Arbeitsphysiologie; 10 [1938], 251). Für Frauen liegsn analoge Veränderungen vor.- The maximum oxygen uptake is reduced without regular exercise with the aim of improving biological performance requirements between the age of 20 and 40 in men on average from 50cm ³ / kg body mass / min to about 40cm ³ / kg body mass / min, ie about 20%, and between 40 and 60, from about 40 to about 35cmVkg of body mass / min, ie about 12.5% (Robinson, Arbeitsphysiologie, 10 [1938], 251). For women there are analogous changes.

Hierbei und in den folgenden Ausführungen wird unterHere and in the following remarks under

• maximaler Sauerstoffaufnahme (VO_2msx) das maximale Sauerstoffaufnahmevermögen als ein Maß für die maximale aerobe Energiewandlung über eine be-timmte Zeit verstanden,• maximum oxygen uptake (VO _2msx ) _understood the maximum oxygen uptake _capacity as a measure of the maximum aerobic energy conversion over a given time,

• Sauerstoffaufnahme (VO₂) die Säuerst rffmenge verstanden, die ein Mensch bei definierter Belastung aufnehmen kann (Bruttokriterium der Energiewandlung),• oxygen uptake (VO ₂ ) understood as the acidity that a human being can absorb under defined load (gross criterion of energy conversion),

• relativer Sauerstoffaufnahme (%VO_2msx) das Maß der tatsächlichen Sauerstoffaufnahme über eine bestimmte Zeit bezogen a^pjf das maximale Sauerstoffaufnahmevermögen verstanden.• Relative oxygen uptake (% VO _2msx ) is the measure of actual oxygen uptake over a given time, a ^p jf is the maximum oxygen uptake capacity.

- Als Folge der sich bsi Normalpersonen nur langsam ändernden maximalen Sauerstoffaufnahme besteht langfristig eine lineare Beziehung zwischen der Sauerstoffaufnahme und der relativen Sauerstoffaufnahme.- As a result of the maximum change in oxygen consumption, which changes only slowly, there is a long-term linear relationship between oxygen uptake and relative oxygen uptake.

- Bei gleichlanger Dauer körperlichen Belastungen gibt es nach Langer und Scharschmidt (Der Ei. Muß der Intensität auf den Plasmainsulinspiegel bei Ausdauerbelastungen im Sport; Med. Sport Berlin, 21 [1981], 268-269) eine negative Korrelation zwischen der r Dativen Sauerstoffaufnahme und der Senkung der Insulinkonzentration im Plasma während der Belastung. Die korrelative Beziehung besitzt die FormAccording to Langer and Scharschmidt (Der Ei., Intensity on the plasma insulin levels in endurance exercise in sports, Med. Sport Berlin, 21 [1981], 268-269) there is a negative correlation between the r decrease in insulin concentration in plasma during exercise. The correlative relationship has the form

wobei ΔΙ die Senkung der Insulinkonzentration im Plasma und a und b Konstanten sind.where ΔΙ is the decrease in insulin concentration in plasma and a and b are constants.

Bei vergleichbarer Belastungsintensität wird die Insulinkonzentration im Plasma in Form eines Quotienten mit der Blutglukosekonzentration nach der GleichungAt comparable exercise intensity, the plasma insulin concentration will be in the form of a quotient of the blood glucose concentration according to the equation

tan (F^#AI/AG) = F(t) = K.e"*·¹ (2)tan (F ^# AI / AG) = F (t) = Ke "* * ¹ (2)

reguliert. Hierin sind ΔΙ der Veränderung der Insulinkonzentration während der körperlichen Belastung, AG die Veränderung der Glukosekonzentration im gleichen Zeitraum, F* ein empirisch ermittelter Anpassungsfaktor in der Maßeinheit (Winkelgrad χ mmol χ nmor'),F(t) Zeitfunktion als Folge derzeitabhängigen Größen I und G, K, und K₂ Konstanten und t die Zeit, niese Ghichung gilt für eine Belastung im Minutenbereich bis zur Dauer von 5 bis 7 Stunden. Bei einer Intensität im aeroben/anaeroben Übergangsbereich haben die Konstanten K₁ und K₂ die Größe 177,2 bzw. 0,0022. Bei einer niedrigeren Intensität (aerober Bereich) sind die Konstanten Ki und K₂ niedriger. Im Belastungsbereich von etwa 0,5 bis etwa 2,0 Stunden kann die Variation der über den Nurmalwert erhöhten Glukosekonzentration bei Stoffwechselgesunden in erster Näheru^j vernachlässigt werden. Das gilt besonders, wenn die Gleichung (2) zur Korrektion von Regulationsvorgängen nach Gleichung (1) verwendet wird. Wir haben gefunden, daß in diesem Falle als zu regulierende Größe eine nach der empirisch ermittelten Funktionregulated. Herein, ΔΙ of the change in insulin concentration during exercise, AG the change in glucose concentration in the same time period, F * an empirically determined adjustment factor in the unit of measure (angular degree χ mmol χ nmor '), F (t) time function as a consequence of currently dependent quantities I and G, K, and K ₂ constants and t the time, this gichung applies to a load in the minute range to the duration of 5 to 7 hours. At an intensity in the aerobic / anaerobic transition region, the constants K ₁ and K _{2 have} the size 177.2 or 0.0022. At a lower intensity (aerobic range), the constants Ki and K _{2 are} lower. In the loading range of about 0.5 to about 2.0 hours, the variation of the glucose concentration, which has been increased above the reference value, in metabolic health can be neglected in the first instance. This is especially true when equation (2) is used to correct regulatory processes according to equation (1). We have found that, in this case, the quantity to be regulated is a function determined empirically

Ai s B + A l„t (3)Ai s B + A l 't (3)

abfallende Konzentration des Plasmainsulins mit B = 0,1140 und A = -0,0406 bleibt. Die Gleichung ist z. B. für eine angenäherte Zeitkorrektur zu verwenden, wenn keine kontinuierliche Bestimmung der Glukosekonzentration zur Verfügung steht.decreasing concentration of the plasma insulin with B = 0.1140 and A = -0.0406 remains. The equation is z. B. to use for an approximate time correction, if no continuous determination of the glucose concentration is available.

- Gut eingestellte manifeste Diabetiker mit regelmäßiger körperlicher Betätigung haben unter physischer Belastung einen Energiestoffwechsel, der im Prinzip von dem Stoffwechsel gesunder Personen nicht abwoicht (Pruett et al; Muscular exercise and metabilism in male juvenile diabetics; I. Energy metabolism during exercise; Scand. J. elin. Lab. Invest. 32 [1973], 139— 147). Dies berechtigt zur Übertragung der für Stoffwechselgesunde gefundenen Gleichungen auf die Stoffwechselregulation von eingestellten Diabetikern bei körperlicher Betätigung.- Well-established manifest diabetics with regular physical activity have an energy metabolism under physical stress that, in principle, does not counterbalance the metabolism of healthy individuals (Pruett et al., Muscular exercise and metabilism in male juvenile diabetics, I. Energy metabolism during exercise, Scand Elin Lab. Invest 32 [1973], 139-147). This entitles the transfer of the equations found for metabolic health to the metabolic regulation of adjusted diabetics during physical activity.

Die örfindungsgemäße Lösung ermöglicht sowohl eine automatische als auch halbautomatische Steuerung. Bei automatischer Steuerung der Infusionspumpe mittels Glukosesensor erfolgt die Differenzierung der positiven bzw. der negativen Insulin-Glukose-Charakteristik anhand der Herzfrequenz. Als Herzfrequenzgrenzwert haben sich 90 ...95 Schläge/min als güsntig erwiesen.The solution according to the invention enables both automatic and semi-automatic control. In the case of automatic control of the infusion pump by means of the glucose sensor, the differentiation of the positive or negative insulin-glucose characteristic takes place on the basis of the heart rate. The heart rate limit has been found to be 90 ... 95 beats / min.

Bei halbautomatischer Steuerung der Insulindosierung wird während physischer bzw. psychischer Belastungen die lineare Beziehung zwischen Herzfrequenz und Sauerstoffaufnahme in Verknüpfung mit der Prinzipgleichung für den Zusammenhang von Insulinspiegelsenkung im Plasma und relativer Sauerstoffaufnahme bei 30min Belastung als Basissteuerung für die individuelle ergometrische Austastung benutzt. Eine Modifikation der Insulindosierung wird über die aufsummierte Differenz von Herzfrequenz und einer Grenzfrequenzvorgabe erzielt. Sie erzeugt unter Benutzung der Beziehung von Belastungsdauer und Insulinspiegelsenkung (bei Vernachlässigung der Variation der erhöhten Giukosekonzentration im Plasma) eine zeitabhängige Verringerung der Dosierung im Sinne einer Senkung der Plasmainsulinkonzentration. Hierzu wird die Möglichkeit der Vorwahl eines unteren Herzfrequenzgrenzwertes genutzt, mit dessen Hilfe nur die Zeit oberhalb des unteren Grenzwertes zur Wirkung kommt. Es ist möglich, sowohl mit der aufsummierten Zeit im Sinne einer Belastungszeit als auch mit einer aufsummierten Herzfrequenzdifferenz im Sinne einer zeitlichen Belastungswirkung zu arbeiten (softwareseitig im Mikrorechner). Eine Nullstellung der Summation erfolgt, wenn beispielsweise in mehr als 5 hintereinanderliegenden Zeitintervallen der untere Grenzwert der Herzfrequenz unterschritten wirdIn semi-automatic control of insulin dosing, the linear relationship between heart rate and oxygen uptake, in conjunction with the principle equation for the relationship of insulin level reduction in plasma and relative oxygen uptake at 30min load, is used as the basis control for the individual ergometric blanking during physical or mental stress. A modification of the insulin dosage is achieved by adding up the difference between the heart rate and the cutoff frequency. Using the relationship of exercise duration and insulin level reduction (neglecting the variation in plasma enhanced glucose concentration), it produces a time-dependent reduction in dosage in terms of lowering plasma insulin concentration. For this purpose, the possibility of preselecting a lower heart rate limit is used, with the help of which only the time above the lower limit comes into effect. It is possible to work with both the accumulated time in the sense of a stress time as well as with an accumulated heart rate difference in the sense of a temporal load effect (on the software side in the microcomputer). A zeroing of the summation occurs when, for example, in more than 5 consecutive time intervals, the lower limit of the heart rate is exceeded

Im folgenden wird die erfindungsgemäße Lösung an einem Ausführungsbeispiel erläutert. In the following, the solution according to the invention will be explained using an exemplary embodiment.

Ausführungsbeispielembodiment

In dem Blockschaltbild ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung dargestellt. Mittels des Herzfrequenzsensors 1 wird die Herzfrequenz des Diabetikers ständig erfaßt. Das Meßsignal wird nach entsprechender Aufarbeitung einer Signalübertragungseinrichtung 2 zugeführt, der ein Differenzier- und Summierglied 3 folgt. Das Differenzier- und Summierglied 3 ist über den Mikrorechner 4 mit dem Dosieraggregat 5 der Infusionspumpe verbunden. Der Mikrorechner 4 kann weiterhin in bekannter Weise mit einem kontinuierlich oder diskontinuierlich messenden Glukosesensor in Verbindung stehen.In the block diagram, an embodiment of the device according to the invention is shown. By means of the heart rate sensor 1, the heart rate of the diabetic is constantly detected. The measurement signal is supplied after appropriate processing of a signal transmission device 2, which follows a differentiating and summing 3. The differentiating and summing member 3 is connected via the microcomputer 4 with the dosing unit 5 of the infusion pump. The microcomputer 4 can furthermore be connected in a known manner with a continuously or discontinuously measuring glucose sensor.

In Abhängigkeit von der Anordnung des Dosieraggregates 5 kann die Signalübertragungseini ichtung 2 auch aus zwei Teilbaugruppen bestehen, zwischen denen die Signale telemetrisch übertragen werden. Durcn das mit dem Mikrorechner 4 in Verbindung stehende Differenzier- und Summierglied 3 ist es möglich, ein hohes Maß der Anmaßung an die Belastungssituation des Diabetikers zu erreichen. Insbesondere ist es möglich, die Herzfrequenz nur oberhalb eines einstellbaren Grenzwertes über die Zeit zu summieren und diese Größe zur Steuerung des Mikrorechners einzusetzen.Depending on the arrangement of the metering 5, the Signalübertragungseini direction 2 may consist of two sub-assemblies between which the signals are transmitted telemetrically. By means of the differentiating and summing element 3 which is connected to the microcomputer 4, it is possible to achieve a high degree of presumption of the burden situation of the diabetic. In particular, it is possible to sum the heart rate only over an adjustable limit value over time and to use this variable to control the microcomputer.

Claims

1. Device for load-adapted control of infusion pumps whose insulin delivery to the diabetic is controlled either automatically by a blood glucose sensor or semi-automatically via patient-specific insulin dosage profiles by microcomputer, characterized in that the metering unit (5) controlling the infusion pump microcomputer (4) on the input side a known per se Heart rate sensor (1) is coupled.

2. Device according to claim!, Characterized in that between the microcomputer (4) and the heart rate sensor (1) a signal transmission device (2) and a differentiating and summing element (3) is arranged, which sums heart rate values above a limit based on the time unit and periodically to the ^M:; write rorechner (4!).

For this 1 page drawing

Field of application of the invention

The invention relates to a device for load-adapted control of Inf'jsionspumpen, which can be used both in infusion pumps with automatic control by Glucose Sensor No. and in those with semi-automatic control.

Characteristic of the known state of the art

Diabetes mellitus is a complex, permanent metabolic disorder that is accompanied by a more or less pronounced lack of the metabolic hormone insulin. One to several daily injections of nonself insulin can be used to counteract the increase in glucose concentration. However, with this form of treatment it is only possible to a limited extent to achieve a match between the supply of insulin and the constantly changing insulin requirement of the organism for the glucose metabolism. Insulin pumps are known to produce a more appropriate insulin delivery in diabetics. In the control of insulin dosage, automatic variants must ideally start with the blood glucose concentration (Bruns: Why do we need an intracorporal glucose sensor? A clinician's viewpoint; Biomed-Biochim Acta; in press). So far, however, there are no practical solutions for glucose sensors that continuously measure the concentration in the blood over a longer period of time. Known devices for controlling the infusion pump therefore work discontinuously by the carbohydrate status is detected by means of measuring strips on the glucose excretion in the urine. Other control devices work computer-assisted by blanking insulin requirements under different situations and by transposing these insulin dosage profiles to injection therapy (Albisser et al, Insulin dosage adjustment using manual methods and computational algorithms - a comparative study; Med. Biol. Eng. Comput. 24 [19861,577-584].

DE 3435647 discloses a device for the prospective automatic determination of individual-specific glucose regulation parameters in which, after completion of a test phase using a microcomputer system, the individual metabolic parameters are determined by approximation of the measured glucose concentration profile and then the individual-specific glucose regulation parameters are calculated under different simulated exercise conditions of the diabetic.

The known control mechanisms of insulin dosage, however, is based on a lack of control in the form that only the relationship between glucose and insulin during food intake (positive insulin-glucose characteristic) is oriented. For hand controls, it is known that a decrease in insulin concentration is required under physical or psychological stress, without describing correlations with the glucose concentration of the plasma under load exactly in the literature. By investigations of Langer and Buhl (The regulation of the biological subsystem Plasmainsulin-Blutglukose as a function of the load time with different route lengths in the VL range of the Leichtathletischen run, Med. Sport Berlin, in the pressure) the existence of a negative insulin glucose Chankteristik for physical stress states have been demonstrated for exposure times between 15 and 150 minutes, as a consequence of which automatic insulin pumps can no longer be controlled solely with a glucose sensor for controlling insulin dosing. In the automatic form of the insulin pump, a reversal between positive and negative insulin-glucose characteristics is required. Even with discontinuous control of the irisulin pump via Meßstreifenabelung for glucose excretion in the urine, the stress-related reduction of insulin concentration in the blood can not be sufficiently simulated, as on the one hand at a regulation on glucose excretion in the urine a large time constant in the control is effective and on the other hand is not known to what extent The stress-related increase in the blood glucose concentration in short physical or mental stress leads to a glucose excretion in the urine of the diabetic, which would lead to a pseudo-nutritional effect to an increase in insulin dosage, but not to a reduction. As a result, hypoglycemia, especially under physical stress can not be ruled out.

Object of the invention

The aim of the invention is a device that detects the insulin needs in insulin therapy of diabetics time and situation appropriate and controls the! Ns'jlinzufuhr accordingly.