IT201800005918A1 - SYSTEM FOR THE DETECTION OF MALFUNCTIONS IN DEVICES FOR THE ADMINISTRATION OF INSULIN - Google Patents

SYSTEM FOR THE DETECTION OF MALFUNCTIONS IN DEVICES FOR THE ADMINISTRATION OF INSULIN Download PDF

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Description

Descrizione dell’invenzione industriale avente per titolo: Description of the industrial invention entitled:

“SISTEMA PER LA RILEVAZIONE DI MALFUNZIONAMENTI IN “SYSTEM FOR DETECTION OF MALFUNCTIONS IN

DISPOSITIVI PER LA SOMMINISTRAZIONE DI INSULINA” DEVICES FOR THE ADMINISTRATION OF INSULIN "

CAMPO TECNICO TECHNICAL FIELD

La presente invenzione è relativa al settore dei sistemi per il rilevamento di malfunzionamenti in apparati medicali. In particolare, l’invenzione si riferisce ad un sistema per la rilevazione di malfunzionamenti in dispositivi per la somministrazione di insulina, come ad esempio dispositivi comprendenti una pompa di insulina ed un sensore di glucosio. L ’invenzione si riferisce inoltre ad un dispositivo di questo tipo incorporante un tale sistema di rilevamento. The present invention relates to the sector of systems for detecting malfunctions in medical devices. In particular, the invention refers to a system for detecting malfunctions in devices for the administration of insulin, such as devices comprising an insulin pump and a glucose sensor. The invention also refers to a device of this type incorporating such a detection system.

STATO DELL’ARTE STATE OF THE ART

Il diabete di tipo I è una malattia in cui il paziente non produce più insulina ed ha dunque bisogno che questa venga somministrata artificialmente mediante un apposito dispositivo medicale, quale una pompa per l’insulina. Spesso tale pompa di insulina è integrata con un sensore di glucosio ed in taluni casi l’erogazione è automatizzata da un algoritmo di controllo (pancreas artificiale). Type I diabetes is a disease in which the patient no longer produces insulin and therefore needs to be artificially administered using a special medical device, such as an insulin pump. Often this insulin pump is integrated with a glucose sensor and in some cases the delivery is automated by a control algorithm (artificial pancreas).

Mentre la pompa per l’insulina infonde periodicamente una dose prefissata di insulina mediante un ago sottocutaneo collegato alla pompa mediante un catetere, il pancreas artificiale è un sistema più avanzato che lavora in anello chiuso. While the insulin pump periodically infuses a predetermined dose of insulin through a subcutaneous needle connected to the pump via a catheter, the artificial pancreas is a more advanced system that works in a closed loop.

Oltre alla semplice pompa per insulina, il pancreas artificiale comprende anche un sensore atto a rilevare il valore di glicemia del paziente stesso. Il sensore misura periodicamente, ad esempio ogni cinque minuti, la glicemia del paziente ed invia l’informazione ad un’unità di controllo che comanda la pompa e decide quanta insulina somministrare allo scopo di mantenere sotto controllo i valori glicemici del paziente. In addition to the simple insulin pump, the artificial pancreas also includes a sensor capable of detecting the patient's blood glucose value. The sensor periodically measures, for example every five minutes, the patient's blood glucose and sends the information to a control unit that controls the pump and decides how much insulin to administer in order to keep the patient's blood glucose values under control.

Un problema di questo tipo di dispositivi medicali è che possono capitare guasti o malfunzionamenti potenzialmente molto pericolosi per la salute del paziente. Sia il sensore, sia la pompa potrebbero rompersi o non funzionare correttamente, con il rischio di somministrare quantità sbagliate di insulina. Tuttavia, anche in assenza di rotture della pompa o del sensore ci possono essere altre problematiche che incidono sul corretto funzionamento del dispositivo medicale, ad esempio il catetere che collega la pompa all’ago potrebbe sfilarsi e l’insulina non essere somministrata. A problem with this type of medical device is that failures or malfunctions can occur which are potentially very dangerous for the patient's health. Both the sensor and the pump could break or malfunction, with the risk of delivering the wrong amounts of insulin. However, even in the absence of pump or sensor breakages, there may be other problems that affect the correct functioning of the medical device, for example the catheter that connects the pump to the needle could come off and the insulin cannot be administered.

Data l’importanza di una corretta somministrazione di insulina, i produttori di pancreas artificiali stanno utilizzano sistemi per rilevare il malfunzionamento del dispositivo medicale ed avvertire il paziente del malfunzionamento. Given the importance of proper insulin administration, manufacturers of artificial pancreases are using systems to detect the malfunction of the medical device and warn the patient of the malfunction.

Alcuni produttori misurano la forza esercitata dal motore della pompa nell’infondere l’insulina e determinano se ci sono problemi nell’erogazione dell’insulina. Some manufacturers measure the force exerted by the pump motor in infusing the insulin and determine if there are problems in delivering the insulin.

Altri sistemi di rilevamento del malfunzionamento del pancreas artificiale utilizzano un modello matematico del paziente per fare delle previsioni sull’andamento nel tempo della glicemia. Se le misure del sensore si scostano dalle previsioni fornite dal modello oltre una certa tolleranza, allora ciò viene interpretato come un malfunzionamento del dispositivo medicale e viene segnalato un allarme all’utente. Questo approccio model-based ha però il limite che è difficile individuare un modello che vada bene per ogni paziente. Other systems for detecting malfunctioning of the artificial pancreas use a mathematical model of the patient to make predictions on the trend of blood sugar over time. If the sensor measurements deviate from the predictions provided by the model beyond a certain tolerance, then this is interpreted as a malfunction of the medical device and an alarm is signaled to the user. However, this model-based approach has the limit that it is difficult to identify a model that is suitable for each patient.

Un’alternativa ai sistemi model-based, è costituita dai sistemi model-free che si basano sull’analisi di dati storici. Sostanzialmente, questi sistemi effettuano un’analisi dei dati raccolti e da essi apprendono quali sono le modalità di funzionamento “normali” ed i comportamenti “anomali” , secondo un criterio di classificazione che dipende dal metodo. Per esempio, uno dei metodi più semplici assume che se un valore è molto distante dagli altri osservati è probabilmente un’anomalia (outlier). Questi metodi possono essere divisi in supervised (ad apprendimento supervisionato) e unsupervised (ad apprendimento non supervisionato) a seconda del fatto che richiedano o meno una procedura preliminare di etichettatura dei dati storici come "guasto"/ "non guasto". An alternative to model-based systems is constituted by model-free systems that are based on the analysis of historical data. Basically, these systems perform an analysis of the collected data and learn from them what are the "normal" operating modes and "anomalous" behaviors, according to a classification criterion that depends on the method. For example, one of the simpler methods assumes that if a value is very distant from the others observed it is probably an anomaly (outlier). These methods can be divided into supervised (supervised learning) and unsupervised (unsupervised learning) depending on whether or not they require a preliminary procedure of labeling historical data as "failed" / "not failed".

Un esempio di metodi model-free, applicato alla rilevazione di malfunzionamenti di dispositivi medicali per la somministrazione di insulina è descritto in Rojas et al. “Multivariate statistical analysis to detect insulin infusion set failure,” in A merican Control Conference (A CC), 2011. IEEE, 2011, pp. 1952– 1957. In questo articolo, Rojas et al. utilizzano metodi ad apprendimento supervisionato per allenare un classificatore a rilevare guasti della pompa insulinica. An example of model-free methods, applied to the detection of malfunctions of medical devices for the administration of insulin is described in Rojas et al. “Multivariate statistical analysis to detect insulin infusion set failure,” in A merican Control Conference (A CC), 2011. IEEE, 2011, pp. 1952– 1957. In this article, Rojas et al. use supervised learning methods to train a classifier to detect insulin pump failures.

Il principale svantaggio dei sistemi model-free supervisionati è quello di richiedere un insieme di dati etichettati come “guasto"/ "non guasto" sufficiente a consentire l’apprendimento. Tali dati non sono tuttavia facilmente disponibili poiché durante il periodo di raccolta dei dati, il paziente si trova a dover utilizzare un dispositivo medicale il cui funzionamento non è noto e potrebbe essere difettoso. I dati devono essere quindi etichettati retrospettivamente da un operatore con lo svantaggio di richiedere un’operazione molto complessa, lunga e soggetta ad errori. Infatti, tale procedura può essere fatta solo su un piccolo gruppo di pazienti che possano essere tenuti sotto controllo, per poi utilizzare l’insieme di dati su larga scala nei dispositivi medicali che vengono venduti. Così facendo, tuttavia, i dati storici raccolti non sono i dati storici dello specifico paziente e si perde, in parte, il vantaggio dei sistemi model-based, che è quello di essere adattati e personalizzati sul singolo paziente. The main disadvantage of supervised model-free systems is that they require a set of data labeled as "failed" / "not failed" sufficient to allow learning. However, such data is not readily available because during the data collection period, the patient finds himself having to use a medical device whose functioning is not known and could be faulty. The data must therefore be retrospectively labeled by an operator with the disadvantage of requiring a very complex, time-consuming and error-prone operation. such a procedure can only be done on a small group of patients who can be monitored, and then use the large-scale dataset in the medical devices that are sold. In doing so, however, the historical data collected is not the data. history of the specific patient and, in part, the advantage of model-based systems is lost, which is to be adapted and customized ti on the individual patient.

È quindi sentita la necessità di sistemi di rilevazione di guasti in dispositivi medicali per la somministrazione di insulina che siano efficienti e adattabili al singolo paziente. The need is therefore felt for systems for detecting failures in medical devices for the administration of insulin which are efficient and adaptable to the individual patient.

SCOPI E RIASSUNTO DELL'INVENZIONE PURPOSE AND SUMMARY OF THE INVENTION

Uno scopo della presente invenzione è quello di risolvere le problematiche dei dispositivi medicali per la somministrazione di insulina, ed in particolare dei sistemi per la rilevazione di malfunzionamenti in questo tipo di dispositivi. An object of the present invention is to solve the problems of medical devices for administering insulin, and in particular of systems for detecting malfunctions in this type of device.

È, in particolare, uno scopo della presente invenzione quello di presentare un sistema per la rilevazione di malfunzionamenti in dispositivi per la somministrazione di insulina, quali dispositivi con pompa di insulina e sensore di glucosio, come ad es. il pancreas artificiale. In particolare, è uno scopo della presente invenzione quello di presentare un sistema per la rilevazione di malfunzionamenti del tipo model-free ad apprendimento non supervisionato. In particular, an object of the present invention is to present a system for detecting malfunctions in devices for the administration of insulin, such as devices with insulin pump and glucose sensor, such as e.g. the artificial pancreas. In particular, it is an object of the present invention to present a system for detecting malfunctions of the model-free type with unsupervised learning.

È anche scopo della presente invenzione quello di presentare un sistema per la rilevazione di malfunzionamenti in un dispositivo per la somministrazione di insulina del tipo model-free ad apprendimento non supervisionato che possa essere personalizzato sul paziente a cui è applicato il dispositivo medicale. It is also an object of the present invention to present a system for detecting malfunctions in a device for the administration of insulin of the model-free type with unsupervised learning that can be customized on the patient to whom the medical device is applied.

Questi ed altri scopi della presente invenzione sono raggiunti mediante un sistema per rilevare malfunzionamenti in dispositivi per la somministrazione di insulina del tipo comprendenti almeno un sensore di monitoraggio di glucosio presente nel sangue di una persona e una pompa di infusione di insulina, incorporante le caratteristiche delle rivendicazioni allegate, le quali formano parte integrante della presente invenzione. These and other objects of the present invention are achieved by means of a system for detecting malfunctions in devices for the administration of insulin of the type comprising at least one sensor for monitoring glucose present in the blood of a person and an insulin infusion pump, incorporating the characteristics of the appended claims, which form an integral part of the present invention.

In una forma di realizzazione, il sistema comprende: In one embodiment, the system comprises:

- un’unità di elaborazione dati atta a ricevere misure della concentrazione di glucosio dal detto sensore di monitoraggio di glucosio ed ulteriormente atta a ricevere misure della quantità di insulina infusa dalla detta pompa di infusione; - a data processing unit adapted to receive glucose concentration measurements from said glucose monitoring sensor and further adapted to receive measurements of the amount of insulin infused by said infusion pump;

- un’unità di immissione dati operativamente connessa all’unità di elaborazione dati e atta a ricevere da un utente stime della quantità di carboidrati assunti; - a data entry unit operationally connected to the data processing unit and capable of receiving estimates from a user of the amount of carbohydrates consumed;

- un’unità di memorizzazione operativamente connessa all’unità di elaborazione dati e atta a memorizzare le misure della concentrazione di glucosio, le misure della quantità di insulina infusa e le stime della quantità di carboidrati assunti. - a storage unit operationally connected to the data processing unit and suitable for storing glucose concentration measurements, measurements of the amount of insulin infused and estimates of the amount of carbohydrates consumed.

A partire dalle misure conservate nell’unità di memorizzazione, l’unità di elaborazione dati calcola, in un dato istante di tempo, una stima dell’insulina residua presente nel sangue (IOB), e una stima del glucosio residuo presente nel sangue (COB). From the measurements stored in the storage unit, the data processing unit calculates, at a given instant of time, an estimate of the residual insulin present in the blood (IOB), and an estimate of the residual glucose present in the blood (COB ).

L’unità di elaborazione dati calcola il valore di una variabile DCOB(t) che rappresenta la variazione di glucosio corrente pesata per il residuo dei carboidrati ingeriti e stimati essere ancora presenti nel sangue: The data processing unit calculates the value of a DCOB variable (t) which represents the change in current glucose weighted by the residue of ingested carbohydrates and estimated to still be present in the blood:

dove la variabile che descrive la derivata delle misure della concentrazione di glucosio nel tempo, COB(t) è la variabile che descrive, nel tempo, la stima dei carboidrati residui presenti nel sangue, α e β sono due costanti positive. La variabile DCOB(t) verrà indicata nel seguito “variazione di glucosio pesata” o “variazione di glucosio pesata sui carboidrati residui” . where the variable that describes the derivative of the measurements of glucose concentration over time, COB (t) is the variable that describes, over time, the estimate of residual carbohydrates present in the blood, α and β are two positive constants. The variable DCOB (t) will be indicated in the following "weighted glucose variation" or "glucose variation weighted on residual carbohydrates".

Inoltre l’unità di elaborazione dati è ulteriormente atta a calcolare una variabile ICOB(t) che rappresenta una stima dell’insulina residua pesata per il residuo dei carboidrati ingeriti e stimati essere ancora presenti nel sangue: In addition, the data processing unit is further able to calculate an ICOB variable (t) which represents an estimate of the residual insulin weighted by the residue of ingested carbohydrates and estimated to still be present in the blood:

dove IOB(t) è la variabile che descrive, nel tempo, la stima dell’insulina residua presente nel sangue, γ e δ sono due costanti positive. Nel seguito, tale variabile sarà chiamata “insulina residua pesata” o “insulina residua pesata sui carboidrati residui” . where IOB (t) is the variable that describes, over time, the estimate of residual insulin present in the blood, γ and δ are two positive constants. In the following, this variable will be called "weighted residual insulin" or "residual carbohydrate weighted residual insulin".

Inoltre, l’unità di elaborazione dati è atta a eseguire almeno un algoritmo di rilevamento di valori anomali per rilevare valori anomali all’interno di un insieme di dati paziente. Ciascuno dei dati paziente comprende almeno una terna di valori costituita da: un valore della variabile variazione del glucosio pesta (DCOB) in un dato istante di tempo, un valore dell’insulina residua pesata (ICOB) nell’istante di tempo, e una misura della concentrazione di glucosio effettuata dal sensore nell’istante di tempo. In addition, the data processing unit is capable of executing at least one anomalous value detection algorithm to detect anomalous values within a set of patient data. Each of the patient data includes at least one triplet of values consisting of: a value of the variable glucose change (DCOB) in a given instant of time, a value of the weighted residual insulin (ICOB) in the instant of time, and a measurement of the glucose concentration carried out by the sensor in the instant of time.

L ’unità di elaborazione dati è atta a generare un segnale di allerta se l’algoritmo rileva almeno un valore anomalo all’interno dell’insieme dati paziente. The data processing unit is able to generate an alert signal if the algorithm detects at least one anomalous value within the patient data set.

La terna proposta costituisce una particolare trasformazione non lineare dei segnali acquisiti dall’unità di elaborazione dati, ed è sostitutiva (o integrativa) di tali segnali per via del fatto che incrementa notevolmente la possibilità di evidenziare anomalie. The proposed triad constitutes a particular non-linear transformation of the signals acquired by the data processing unit, and is a replacement (or supplementary) of these signals due to the fact that it significantly increases the possibility of highlighting anomalies.

Preferibilmente, l’algoritmo di rilevamento di valori anomali è del tipo ad apprendimento non supervisionato. A ncor più preferibilmente, tale algoritmo è il Local Outlier Factor (LOF) e/ o il Connectivity-based Outlier Factor (COF) e/ o il Isolation Forest (iForest). Preferably, the outlier detection algorithm is of the unsupervised learning type. Furthermore, more preferably, this algorithm is the Local Outlier Factor (LOF) and / or the Connectivity-based Outlier Factor (COF) and / or the Isolation Forest (iForest).

In tal modo è possibile determinare le anomalie tramite apprendimento non supervisionato effettuato sui dati del paziente su cui è applicato il dispositivo medicale e senza necessitare di etichettature del tipo “guasto/ non guasto” da fornire al dispositivo. In this way it is possible to determine the anomalies through unsupervised learning carried out on the patient data on which the medical device is applied and without the need for “faulty / not faulty” labeling to be provided to the device.

In una forma di realizzazione, l’unità di elaborazione dati è atta a impiegare almeno un algoritmo di rilevamento di valori anomali del tipo ad apprendimento non supervisionato selezionato tra il Local Outlier Factor (LOF), il Connectivitybased Outlier Factor (COF) e il Isolation Forest (iForest) ai dati della variazione di glucosio pesata (DCOB), ai dati dell’insulina residua pesata (ICOB) e ai dati della misura della concentrazione di glucosio. L ’unità di elaborazione dati è atta a generare un segnale di allerta se l’algoritmo di rilevamento di valori anomali genera un risultato esterno ad un range di valori soglia predefinito. In one embodiment, the data processing unit is adapted to employ at least one outlier detection algorithm of the unsupervised learning type selected from the Local Outlier Factor (LOF), the Connectivity based Outlier Factor (COF) and the Isolation Forest (iForest) to Weighted Glucose Change (DCOB) data, Weighted Residual Insulin (ICOB) data, and Glucose Concentration Measurement data. The data processing unit is able to generate an alert signal if the anomalous value detection algorithm generates a result outside a predefined range of threshold values.

Dunque, preferibilmente il sistema opera impiegando uno o più algoritmi su un set di tre dati definiti dalla variazione di glucosio pesata (DCOB), dall’insulina residua pesata (ICOB) e dalla misura della concentrazione di glucosio. Therefore, the system preferably operates using one or more algorithms on a set of three data defined by the weighted glucose variation (DCOB), the weighted residual insulin (ICOB) and the measurement of the glucose concentration.

In una ulteriore forma di realizzazione, l’unità di elaborazione dati è atta a impiegare almeno un algoritmo di rilevamento di valori anomali del tipo ad apprendimento non supervisionato selezionato tra il Local Outlier Factor (LOF), il Connectivity-based Outlier Factor (COF) e il Isolation Forest (iForest) a una porzione di lavoro dei dati della variazione di glucosio pesata (DCOB), dall’insulina residua pesata (ICOB) e dai dati della misura della concentrazione di glucosio. La porzione di lavoro è definita escludendo un numero predefinito di dati in istanti temporali anteriori e un numero predefinito di dati in istanti temporali posteriori rispetto ad un predeterminato istante di tempo. In a further embodiment, the data processing unit is adapted to employ at least one outlier detection algorithm of the unsupervised learning type selected from the Local Outlier Factor (LOF), the Connectivity-based Outlier Factor (COF) and the Isolation Forest (iForest) to a working portion of the weighted glucose change (DCOB), weighted residual insulin (ICOB) data, and glucose concentration measurement data. The work portion is defined by excluding a predefined number of data in earlier time instants and a predefined number of data in later time instants with respect to a predetermined time instant.

Ciò consente, nella valutazione dell’algoritmo, di non considerare un insieme di dati fortemente correlati e quindi diminuire ulteriormente la densità nell’intorno di dati anomali, aumentando perciò le performance. This allows, in the algorithm evaluation, not to consider a set of strongly correlated data and therefore further decrease the density around anomalous data, thus increasing performance.

Questi ed altri scopi della presente invenzione sono ulteriormente raggiunti mediante un dispositivo per la somministrazione di insulina che comprende una pompa di insulina, un sensore di glucosio ed un sistema di rilevamento di malfunzionamenti incorporante le caratteristiche delle rivendicazioni allegate, le quali formano parte integrante della presente invenzione. These and other objects of the present invention are further achieved by means of an insulin delivery device comprising an insulin pump, a glucose sensor and a malfunction detection system incorporating the features of the appended claims, which form an integral part of the present invention. invention.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Queste e ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno evidenti dalla descrizione della forma di realizzazione preferita, illustrata a titolo esemplificativo e non limitativo nella allegata figura, in cui: These and further characteristics and advantages of the present invention will become evident from the description of the preferred embodiment, illustrated by way of non-limiting example in the attached figure, in which:

- la Figura 1 è una vista schematica di un dispositivo per la somministrazione di insulina incorporante il sistema per rilevare malfunzionamenti in dispositivi per la somministrazione di insulina, in accordo con la presente invenzione. Figure 1 is a schematic view of an insulin delivery device incorporating the system for detecting malfunctions in insulin delivery devices, according to the present invention.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL’INVENZIONE DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Mentre l’invenzione è suscettibile di varie modifiche e costruzioni alternative, alcune forme di realizzazione preferite saranno descritte qui di seguito in dettaglio. Si deve intendere, comunque, che non vi è alcuna intenzione di limitare l’invenzione alla specifica forma di realizzazione descritta, ma, al contrario, l’invenzione intende coprire tutte le modifiche, costruzioni alternative, ed equivalenti che ricadano nell’ambito dell’invenzione come definito nelle rivendicazioni. While the invention is susceptible to various modifications and alternative constructions, some preferred embodiments will be described below in detail. It must be understood, however, that there is no intention of limiting the invention to the specific embodiment described, but, on the contrary, the invention intends to cover all modifications, alternative constructions, and equivalents that fall within the scope of the invention as defined in the claims.

L ’uso di “ad esempio” , “ecc.” , “oppure” indica alternative non esclusive senza limitazione a meno che non altrimenti indicato. L’uso di “comprende” e “include” significa “comprende o include, ma non limitato a” a meno che non altrimenti indicato. The use of "for example", "etc." , “Or” means non-exclusive alternatives without limitation unless otherwise indicated. The use of "includes" and "includes" means "includes or includes, but not limited to" unless otherwise indicated.

Nel seguito verrà descritta una forma di realizzazione preferita, come illustrata in Figura 1, del sistema 11 per rilevare malfunzionamenti in dispositivi per la somministrazione di insulina del tipo comprendenti almeno un sensore di monitoraggio di glucosio presente nel sangue di una persona e una pompa di infusione di insulina. Ulteriormente, verrà descritta una forma di realizzazione preferita, come illustrata in Figura 1, di un pancreas artificiale 1 comprendente un sensore 21 di monitoraggio di glucosio presente nel sangue di una persona e una pompa 31 di infusione di insulina e integrante il sistema 11 per rilevare malfunzionamenti. In the following, a preferred embodiment will be described, as illustrated in Figure 1, of the system 11 for detecting malfunctions in devices for the administration of insulin of the type comprising at least one sensor for monitoring glucose present in the blood of a person and an infusion pump. of insulin. Further, a preferred embodiment will be described, as illustrated in Figure 1, of an artificial pancreas 1 comprising a sensor 21 for monitoring glucose present in the blood of a person and an insulin infusion pump 31 and integrating the system 11 for detecting malfunctions.

Secondo una ulteriore forma di realizzazione (non illustrata), il sistema per rilevare malfunzionamenti in dispositivi per la somministrazione di insulina potrebbe essere realizzato mediante un’architettura centralizzata atta a rilevare malfunzionamenti in uno o più dispositivi per la somministrazione di insulina collegati alla suddetta architettura centralizzata. Tale architettura, preferibilmente del tipo cloud, potrebbe consentire la rilevazione dei malfunzionamenti da remoto. Nella presente forma di realizzazione, la pompa 31 di infusione di insulina è un dispositivo che consente l'infusione in modo continuo, 24 ore su 24, di insulina nel tessuto sottocutaneo di un paziente favorendo il raggiungimento del miglior controllo glicemico possibile. La pompa 31 di infusione è in grado di somministrare insulina nel tessuto sottocutaneo mediante infusione basale continua, per mantenere normali i valori della glicemia nel periodo di digiuno, e mediante infusione di un bolo rapido, per regolare i valori della glicemia in relazione all’assunzione di un pasto o a valori glicemici troppo elevati. Caratteristica peculiare delle pompe ad infusione è quella di infondere insulina in modo continuo con la possibilità di variare la velocità di infusione durante la giornata secondo le necessità dell'individuo, riproducendo così in modo più preciso la presenza fisiologica dell’ormone nel corpo che varia nell'arco della giornata. According to a further embodiment (not shown), the system for detecting malfunctions in devices for the administration of insulin could be realized by means of a centralized architecture able to detect malfunctions in one or more devices for the administration of insulin connected to the aforementioned centralized architecture . This architecture, preferably of the cloud type, could allow the detection of malfunctions remotely. In the present embodiment, the insulin infusion pump 31 is a device that allows the continuous infusion, 24 hours a day, of insulin into the subcutaneous tissue of a patient, helping to achieve the best possible glycemic control. The Infusion Pump 31 is capable of delivering insulin into the subcutaneous tissue by continuous basal infusion, to maintain normal fasting blood glucose values, and by rapid bolus infusion, to adjust blood glucose values in relation to intake. a meal or too high blood glucose values. A peculiar characteristic of infusion pumps is that of continuously infusing insulin with the possibility of varying the infusion rate during the day according to the needs of the individual, thus reproducing in a more precise way the physiological presence of the hormone in the body which varies in the span of the day.

In particolare, con il termine “infusione in modo continuo” si intende, nella presente invenzione, che la pompa 31 di infusione, o il relativo dispositivo di controllo, è atta a misurare la quantità di insulina infusa al paziente in predeterminati istanti di tempo. In particular, with the term "continuous infusion" it is meant, in the present invention, that the infusion pump 31, or the relative control device, is adapted to measure the quantity of insulin infused to the patient at predetermined instants of time.

Il sensore 21 di monitoraggio continuo di glucosio è inserito anch’esso nel tessuto sottocutaneo del paziente per misurare la concentrazione di glucosio ad istanti di tempo predefiniti, evitando al paziente di operare la medesima misura mediante la puntura del dito. The continuous glucose monitoring sensor 21 is also inserted into the patient's subcutaneous tissue to measure the glucose concentration at predefined instants of time, avoiding the patient from making the same measurement by pricking the finger.

Il pancreas artificiale 1 può essere provvisto sia della pompa 31 di infusione che del sensore 21 di monitoraggio, ovvero essere operativamente connesso a quest’ultimo. Inoltre, il pancreas artificiale 1 secondo la presente invenzione è ulteriormente provvisto del sistema 11 per rilevare malfunzionamenti in dispositivi per la somministrazione di insulina secondo la presente invenzione o può essere operativamente accoppiato a quest’ultimo. The artificial pancreas 1 can be equipped with both the infusion pump 31 and the monitoring sensor 21, or be operationally connected to the latter. Furthermore, the artificial pancreas 1 according to the present invention is further provided with the system 11 to detect malfunctions in devices for the administration of insulin according to the present invention or can be operatively coupled to the latter.

Il sistema 11 per rilevare malfunzionamenti secondo la presente invenzione consente, dunque, di rilevare i malfunzionamenti che possono affliggere la pompa 31 di infusione in merito a difetti meccanici, occlusioni o distaccamenti della pompa 31 medesima dal catetere. I suddetti difetti possono infatti portare a infondere una ridotta quantità di insulina che può portare il soggetto all’iperglicemia, ovvero ad elevati valori di glucosio nel sangue. The system 11 for detecting malfunctions according to the present invention therefore allows to detect the malfunctions that can afflict the infusion pump 31 with regard to mechanical defects, occlusions or detachments of the pump 31 itself from the catheter. The aforementioned defects can in fact lead to infusing a reduced amount of insulin which can lead to hyperglycemia, or high blood glucose values.

Il suddetto sistema 11 comprende un’unità 111 di elaborazione dati, un’unità 311 di immissione dati e un’unità 211 di memorizzazione. The aforementioned system 11 includes a data processing unit 111, a data entry unit 311 and a storage unit 211.

L’unità 111 di elaborazione dati comprende uno o più microprocessori programmati per attuare una pluralità di operazioni come definito nel funzionamento in seguito descritto. In particolare, l’unità 111 di elaborazione dati secondo la presente invenzione è operativamente connessa al suddetto sensore 21 di monitoraggio di glucosio e alla suddetta pompa 31 di infusione di insulina. A tal proposito, l’unità 111 di elaborazione dati è atta a ricevere misure della concentrazione di glucosio di un paziente dal sensore 21 di monitoraggio continuo di glucosio, denominata “g(t)” . Inoltre, l’unità 111 di elaborazione dati è atta a ricevere misure della quantità di insulina infusa al paziente dalla pompa 31 di infusione, denominata “i(t)” . Quest’ultimo valore i(t) comprende tanto la somministrazione di infusione basale continua, quanto la somministrazione di bolo rapido. The data processing unit 111 comprises one or more microprocessors programmed to carry out a plurality of operations as defined in the operation described below. In particular, the data processing unit 111 according to the present invention is operatively connected to the aforementioned glucose monitoring sensor 21 and to the aforementioned insulin infusion pump 31. In this regard, the data processing unit 111 is designed to receive measurements of a patient's glucose concentration from the continuous glucose monitoring sensor 21, called "g (t)". In addition, the data processing unit 111 is adapted to receive measurements of the amount of insulin infused to the patient by the infusion pump 31, called "i (t)". The latter value i (t) includes both the administration of a continuous basal infusion and the administration of a rapid bolus.

L’unità 311 di immissione dati è , ad esempio, costituita da un’interfaccia di immissione dati, o interfaccia utente, provvista direttamente sul dispositivo pancreas 1 artificiale o da un sistema esterno operativamente connesso a questo. The data entry unit 311 is, for example, made up of a data entry interface, or user interface, provided directly on the artificial pancreas 1 device or by an external system operatively connected to it.

A titolo esemplificativo, tale sistema esterno può comprendere un dispositivo a connessione senza fili, ad esempio uno smartphone o dispositivi simili. In particolare, l’unità 311 di immissione dati è operativamente connessa all’unità di elaborazione dati e atta a ricevere dall’utente la stima della quantità di carboidrati assunti in uno o più dei detti istanti di tempo denominato “m(t)” , che si sanno essere associati all’aumento del glucosio postprandiale. By way of example, this external system can comprise a wireless connection device, for example a smartphone or similar devices. In particular, the data input unit 311 is operatively connected to the data processing unit and is able to receive from the user the estimate of the quantity of carbohydrates consumed in one or more of said instants of time called "m (t)", which are known to be associated with increased postprandial glucose.

Infine, l’unità 211 di memorizzazione è preferibilmente del tipo non volatile, ad esempio un’unità 211 di memorizzazione disposta nel dispositivo pancreas 1 artificiale o in un sistema esterno operativamente simile a quanto descritto in precedenza per l’unità 311 di immissione dati. In particolare, l’unità 211 di memorizzazione è operativamente connessa all’unità 111 di elaborazione dati e atta a memorizzare la misura della concentrazione di glucosio g(t), la misura di quantità di insulina infusa i(t) e la stima della quantità di carboidrati m(t) assunti nei detti istanti di tempo. Tale memorizzazione consente, dunque, di mantenere i dati relativi all’andamento dei suddetti segnali per il calcolo delle successive variabili, come nel seguito descritte. Finally, the storage unit 211 is preferably of the non-volatile type, for example a storage unit 211 arranged in the artificial pancreas device 1 or in an external system that is operationally similar to that described above for the data entry unit 311. In particular, the storage unit 211 is operatively connected to the data processing unit 111 and suitable for storing the measurement of the glucose concentration g (t), the measurement of the quantity of insulin infused i (t) and the estimate of the quantity of carbohydrates m (t) taken in in said instants of time. This storage allows, therefore, to keep the data relating to the performance of the aforementioned signals for the calculation of the subsequent variables, as described below.

L’utente può essere modellato come un sistema dinamico il cui output da controllare, in ciascun istante di tempo, è la misura della concentrazione di glucosio g(t). Tale output è influenzato dalla misura di quantità di insulina infusa i(t) e dalla stima della quantità di carboidrati m(t) assunti nei medesimi istanti di tempo. The user can be modeled as a dynamic system whose output to be controlled, at each instant of time, is the measure of the glucose concentration g (t). This output is influenced by the measurement of the quantity of insulin infused i (t) and by the estimate of the quantity of carbohydrates m (t) taken in the same instants of time.

Dunque, un set di potenziali variabili che descrivono lo stato del sistema in ciascun istante di tempo, in accordo con l’arte nota, è il seguente: g(t), ġ(t), i(t) e m(t), in cui ġ(t) è la variabile che descrive la derivata delle misure della concentrazione di glucosio nel tempo g(t). Therefore, a set of potential variables that describe the state of the system at each instant of time, according to the known art, is the following: g (t), ġ (t), i (t) and m (t), where ġ (t) is the variable describing the derivative of the measurements of glucose concentration over time g (t).

Tuttavia, l'insulina infusa in un determinato istante di tempo non ha impatto diretto sul comportamento del sistema nel medesimo istante di tempo ma sul comportamento del medesimo sistema nelle successive 1-8 ore. Ciò è dovuto alla dinamica di assorbimento lento e alla persistenza dell'insulina passata, la cui concentrazione diminuisce esponenzialmente in un range temporale pari a 4-8 ore posteriori all’infusione di insulina. Dunque, sulla base dei suddetti parametri, ovvero a partire dalle misure conservate nell’unità 211 di memorizzazione, l’unità 111 di elaborazione dati è atta a calcolare, in un dato istante di tempo, la stima dell’insulina residua presente nel sangue (IOB) come funzione della misura della quantità di insulina assunta in ciascun istante di tempo i(t). In particolare, il valore di IOB in un determinato istante temporale è preferibilmente calcolato come convoluzione della misura i(t) con una funzione di decadimento esponenziale, come descritto e incorporato per referenza in / . Ellingsen, E. Dassau, H . Z isser, B. Grosman, M. W. Percival, L . Jovanovioc, and F. J. Doyle III, “Safety constraints in an artificial pancreatic _ cell: an implementation of model predictive control with insulin on board,” Journal of diabetes science and technology, vol. 3, no.3, pp. 536–544, 2009. However, the insulin infused in a given instant of time does not have a direct impact on the behavior of the system at the same instant of time but on the behavior of the same system in the following 1-8 hours. This is due to the slow absorption dynamics and persistence of past insulin, whose concentration decreases exponentially over a time range of 4-8 hours after the insulin infusion. Therefore, on the basis of the aforementioned parameters, or starting from the measurements stored in the storage unit 211, the data processing unit 111 is able to calculate, at a given instant of time, the estimate of the residual insulin present in the blood ( IOB) as a function of the measure of the amount of insulin taken at each instant of time i (t). In particular, the IOB value at a given time instant is preferably calculated as a convolution of the measure i (t) with an exponential decay function, as described and incorporated by reference in /. Ellingsen, E. Dassau, H. Z isser, B. Grosman, M. W. Percival, L. Jovanovioc, and F. J. Doyle III, “Safety constraints in an artificial pancreatic _ cell: an implementation of model predictive control with insulin on board,” Journal of diabetes science and technology, vol. 3, no.3, pp. 536-544, 2009.

Allo stesso modo, i pasti ingeriti in un determinato istante di tempo non hanno alcun impatto sul comportamento del sistema in quello stesso istante, poiché i pasti sono assorbiti in 15-45 minuti e si dissolvono gradualmente nelle successive 4-6 ore. Dunque, sulla base dei suddetti parametri, ovvero a partire dalle misure conservate nell’unità 211 di memorizzazione, l’unità 111 di elaborazione dati è atta a calcolare, in un dato istante di tempo, la stima dei carboidrati residui presente nel sangue (COB) come funzione della stima della quantità di carboidrati assunti in ciascun istante di tempo m(t). In particolare, il valore di COB in un determinato istante temporale è preferibilmente calcolato come convoluzione della misura m(t) con una funzione di decadimento esponenziale, come descritto e incorporato per referenza in M. Schiavon, C. Dalla Man, Y . C. Kudva, A . Basu, and C. Cobelli, “Quantitative estimation of insulin sensitivity in type 1 diabetic subjects wearing a sensor-augmented insulin pump,” Diabetes care, vol. 37, no. 5, pp.1216–1223, 2014. Similarly, meals ingested at a given instant of time have no impact on the behavior of the system at that instant, as meals are absorbed in 15-45 minutes and gradually dissolve over the next 4-6 hours. Therefore, on the basis of the aforementioned parameters, or starting from the measurements stored in the storage unit 211, the data processing unit 111 is able to calculate, in a given instant of time, the estimate of the residual carbohydrates present in the blood (COB ) as a function of the estimate of the quantity of carbohydrates consumed in each instant of time m (t). In particular, the COB value at a given time is preferably calculated as a convolution of the measure m (t) with an exponential decay function, as described and incorporated by reference in M. Schiavon, C. Dalla Man, Y. C. Kudva, A. Basu, and C. Cobelli, “Quantitative estimation of insulin sensitivity in type 1 diabetic subjects wearing a sensor-augmented insulin pump,” Diabetes care, vol. 37, no. 5, pp. 1216–1223, 2014.

Dunque, un set di potenziali variabili che descrivono meglio lo stato del sistema in ciascun istante di tempo, in accordo con l’arte nota, è il seguente: g(t), ġ(t), IOB(t) e COB(t). Therefore, a set of potential variables that better describe the state of the system at each instant of time, according to the known art, is the following: g (t), ġ (t), IOB (t) and COB (t ).

Per migliorare la possibilità di scoperta del guasto rispetto all’arte nota, il sistema 11 secondo la presente invenzione determina eventuali anomalie sulla base di un set di variabili modificato e migliorato definito da una trasformazione non lineare dei segnali acquisiti ( g(t), m(t) e i(t) ) e/ o elaborati ( ġ(t), IOB(t), COB(t) ) dall’unità 111 di elaborazione dati, e memorizzate nell’unità 211 di memorizzazione, come nel seguito dettagliatamente descritto. To improve the possibility of detecting the fault with respect to the known art, the system 11 according to the present invention determines any anomalies on the basis of a modified and improved set of variables defined by a non-linear transformation of the acquired signals (g (t), m (t) and i (t)) and / or processed (ġ (t), IOB (t), COB (t)) by the data processing unit 111, and stored in the storage unit 211, as described in detail below .

A tal proposito, l’unità 111 di elaborazione dati è atta a calcolare, in un dato istante di tempo, una variabile denominata “variazione di glucosio pesata” o “variazione di glucosio pesata sui carboidrati residui” (DCOB) come funzione della derivata prima della misura della concentrazione di glucosio nel sangue pesata per la stima dei carboidrati ingeriti ed ancora presenti nel sangue COB. Preferibilmente, la variabile variazione di glucosio ponderato (DCOB) è descritta dalla seguente formula In this regard, the data processing unit 111 is able to calculate, in a given instant of time, a variable called "weighted glucose variation" or "residual carbohydrate weighted glucose variation" (DCOB) as a function of the first derivative the measurement of the glucose concentration in the blood weighted for the estimate of the carbohydrates ingested and still present in the blood COB. Preferably, the variable weighted glucose variation (DCOB) is described by the following formula

in cui in which

la variabile che descrive la derivata prima della misura della the variable describing the first derivative of the measure of

concentrazione di glucosio nel sangue, blood glucose concentration,

la variabile che descrive, nel tempo, la stima dei carboidrati the variable that describes, over time, the estimate of carbohydrates

residui presenti nel sangue (COB), e residues present in the blood (COB), e

sono due costanti, preferibilmente positive e preferibilmente predefinite. they are two constants, preferably positive and preferably predefined.

In dettaglio: in condizioni non anomale, ci si attende una crescita dei valori di glicemia in risposta a un pasto. Quindi, valori di COB elevati sono, anche in condizioni di corretto funzionamento, associati a variazioni di glicemia elevate. In questa condizione però, il rapporto DCOB risulta piccolo. A l contrario, durante un'occlusione della pompa 31 di infusione, la glicemia aumenta persistentemente anche non in risposta ad un pasto e pertanto anche in corrispondenza di valori di COB bassi o nulli. Quando COB(t) è piccolo o uguale a zero (ossia distante dai pasti), DCOB(t) è fortemente influenzato dalla variazione del glucosio ġ(t). Quindi, grandi valori positivi di DCOB(t) si verificano solo quando il glucosio aumenta in maniera sproporzionata non in corrispondenza di pasti e sono sintomi di fallimento della pompa 31 di infusione. In detail: in non-abnormal conditions, blood glucose values are expected to rise in response to a meal. Hence, elevated COB values are, even under conditions of proper functioning, associated with elevated blood glucose variations. In this condition, however, the DCOB ratio is small. On the contrary, during an occlusion of the infusion pump 31, the blood glucose increases persistently even not in response to a meal and therefore also in correspondence with low or zero COB values. When COB (t) is small or equal to zero (i.e. distant from meals), DCOB (t) is strongly influenced by the change in glucose ġ (t). Hence, large positive DCOB (t) values occur only when glucose rises disproportionately not at meals and are symptoms of infusion pump 31 failure.

Dalla descrizione si evince come la variabile variazione di glucosio pesata DCOB(t), diminuisca l'importanza della variazione del glucosio ġ(t) quando il valore di COB è grande (pasti) e la amplifichi quando COB è piccolo (digiuno). From the description it can be seen how the weighted glucose variation DCOB (t) decreases the importance of the glucose variation ġ (t) when the COB value is large (meals) and amplifies it when COB is small (fasting).

Le costanti sono costanti predefinite, preferibilmente positive, che consentono di aumentare l'impatto di un segnale sull’altro. The constants are predefined constants, preferably positive, which allow you to increase the impact of one signal on the other.

Inoltre, l’unità 111 di elaborazione dati è atta a calcolare, per ognuno degli istanti di tempo, una variabile ICOB denominata “insulina residua pesata” o “ insulina residua pesata sui carboidrati residui” . Preferibilmente, la variabile insulina residua pesata (ICOB) è descritta dalla seguente formula In addition, the data processing unit 111 is able to calculate, for each of the instants of time, an ICOB variable called "residual weighted insulin" or "residual insulin weighted on residual carbohydrates". Preferably, the weighted residual insulin variable (ICOB) is described by the following formula

in cui in which

la variabile che descrive, nel tempo, la stima dell’insulina residua the variable that describes, over time, the estimate of residual insulin

presente nel sangue (IOB), present in the blood (IOB),

la variabile che descrive, nel tempo, la stima dei carboidrati the variable that describes, over time, the estimate of carbohydrates

residui presente nel sangue (COB), e residues present in the blood (COB), e

sono due costanti, preferibilmente positive e preferibilmente they are two constants, preferably positive and preferably

predefinite. predefined.

In condizioni di corretto funzionamento del dispositivo 1, per mantenere il soggetto in un buon controllo metabolico, i nuovi carboidrati ingeriti vengono compensati da una somministrazione extra di insulina, ovvero il bolo rapido. Quindi dopo un pasto IOB tenderà a crescere molto anche in caso di corretto funzionamento, ma in questa condizione il valore di ICOB rimane piccolo perché contestualmente cresce anche COB. A l contrario, in presenza di un guasto, la pompa 31 tenta di neutralizzare il glucosio g(t) aumentando l’infusione di insulina. Il tentativo però non ha successo, dal momento che l'insulina i(t) non viene effettivamente somministrata per colpa del guasto. In tal caso il valore di IOB aumenta significativamente rispetto al valore di COB. Per esempio, se il guasto avviene distante dal pasto IOB aumenta mentre COB resta piccolo e ICOB risulta essere molto alto. In conditions of correct functioning of the device 1, in order to keep the subject in a good metabolic control, the new carbohydrates ingested are compensated by an extra administration of insulin, that is the rapid bolus. So after a meal IOB will tend to grow a lot even in case of correct functioning, but in this condition the ICOB value remains small because COB also grows at the same time. On the contrary, in the presence of a fault, the pump 31 tries to neutralize the glucose g (t) by increasing the insulin infusion. However, the attempt is unsuccessful, since insulin i (t) is not actually administered due to the fault. In this case the IOB value increases significantly compared to the COB value. For example, if the fault occurs far from the meal, the IOB increases while the COB remains small and the ICOB is very high.

Dalla descrizione si evince come la variabile insulina residua pesata diminuisca l'importanza di IOB quando COB è grande poiché grandi valori simultanei di questa quantità sono attesi nei pazienti diabetici. A l contrario, il denominatore non penalizza IOB quando COB(t) è piccolo, quindi grandi valori positivi di ICOB sono sintomatici di un grande sforzo per abbassare il glucosio g(t). From the description it is clear that the weighted residual insulin variable decreases the importance of IOB when COB is large since large simultaneous values of this quantity are expected in diabetic patients. Conversely, the denominator does not penalize IOB when COB (t) is small, so large positive ICOB values are symptomatic of a great effort to lower glucose g (t).

Le costanti ,ome , sono costanti predefinite, preferibilmente positive, che consentono di aumentare l'impatto di uno segnale sull’altro. The constants, ome, are predefined constants, preferably positive, which allow you to increase the impact of one signal on the other.

Infine, l’unità 111 di elaborazione dati è atta ad eseguire almeno un algoritmo di rilevamento di valori anomali per rilevare valori anomali all’interno di un insieme di dati paziente, in cui ciascuno dei dati paziente comprende almeno una terna di valori, preferibilmente costituita da un valore della variabile variazione di glucosio pesato (DCOB) in un dato istante di tempo, un valore della variabile insulina residua pesata (ICOB) in detto istante di tempo, e una misura della concentrazione di glucosio effettuata dal sensore 21 in detto istante di tempo. Finally, the data processing unit 111 is adapted to execute at least one anomalous value detection algorithm for detecting anomalous values within a patient data set, in which each of the patient data comprises at least one set of three values, preferably consisting of from a value of the weighted glucose variation variable (DCOB) at a given instant of time, a value of the weighted residual insulin variable (ICOB) at said instant of time, and a measurement of the glucose concentration carried out by the sensor 21 at said instant of time time.

Dunque, l’unità 111 di elaborazione dati è atta a generare un segnale di allerta se l’algoritmo rileva almeno un valore anomalo all’interno dell’insieme dati paziente. Preferibilmente, l’unità 111 di elaborazione dati genera un segnale di allerta se l’algoritmo rileva un risultato esterno ad un range di valori soglia predefinito. Therefore, the data processing unit 111 is capable of generating an alert signal if the algorithm detects at least one anomalous value within the patient data set. Preferably, the data processing unit 111 generates an alert signal if the algorithm detects a result outside a predefined range of threshold values.

Dunque, il set di caratteristiche preferite che descrivono lo stato del sistema in un dato istante di tempo, in accordo con la presente invenzione, è il seguente: g(t), ICOB(t) e DCOB(t). Preferibilmente, inoltre, le costanti Therefore, the set of preferred characteristics which describe the state of the system at a given instant of time, according to the present invention, is the following: g (t), ICOB (t) and DCOB (t). Preferably, moreover, the constants

ono tutte uguali e pari a 10. V alori differenti possono comunque essere they are all equal and equal to 10. Different values can still be

impiegati. employees.

A ltre realizzazioni dell’invenzione possono espandere la terna comprendendo derivate successive dei segnali g(t), IOB(t), COB(t), ICOB(t) e DCOB(t) e loro combinazioni, possibilmente non lineari. Other embodiments of the invention can expand the triad including successive derivatives of the signals g (t), IOB (t), COB (t), ICOB (t) and DCOB (t) and their combinations, possibly non-linear.

L’algoritmo di rilevamento di valori anomali utilizzato dall’unità di elaborazione secondo la presente invenzione è preferibilmente del tipo ad apprendimento non supervisionato e model-free. The anomalous value detection algorithm used by the processing unit according to the present invention is preferably of the unsupervised and model-free learning type.

In tal modo è possibile determinare le anomalie tramite apprendimento non supervisionato effettuato sui dati del paziente su cui è applicato il dispositivo medicale e senza necessitare di etichettature del tipo “guasto/ non guasto” da fornire al dispositivo e senza necessitare di determinare un modello matematico per la risposta normale del paziente (model-free). In this way it is possible to determine the anomalies through unsupervised learning carried out on the patient data on which the medical device is applied and without the need for "faulty / not faulty" labeling to be provided to the device and without the need to determine a mathematical model for the patient's normal response (model-free).

Gli algoritmi che saranno nel seguito discussi sono il Local Outlier Factor (LOF), il Connectivity-based Outlier Factor (COF) e il Isolation Forest (iForest). Ulteriori algoritmi possono comunque essere impiegati e rientrano nel concetto inventivo secondo la presente invenzione. The algorithms that will be discussed below are the Local Outlier Factor (LOF), the Connectivity-based Outlier Factor (COF) and the Isolation Forest (iForest). Further algorithms can however be used and fall within the inventive concept according to the present invention.

Come descritto in precedenza, preferibilmente il sistema 11 opera impiegando uno o più algoritmi, in particolare selezionati tra LOF, COF e iF, su un set di tre dati definiti dalla variabile variazione di glucosio pesata DCOB(t), dall’insulina residua pesata ICOB(t) e dalla misura della concentrazione di glucosio g(t) e in grado di descrivere compiutamente il sistema. As previously described, the system 11 preferably operates by employing one or more algorithms, in particular selected from LOF, COF and iF, on a set of three data defined by the variable glucose variation DCOB (t), from the weighted residual insulin ICOB (t) and by measuring the glucose concentration g (t) and able to fully describe the system.

Gli algoritmi LOF e COF appartengono alla famiglia di metodi basati sulla densità . Tali approcci sono basati sullo studio valori di vicinato: un’osservazione in una regione densa è considerato un inlier, ovvero valore non anomalo, mentre un dato punto in una regione a bassa densità è considerato come un outlier, ovvero valore anomalo. The LOF and COF algorithms belong to the family of density-based methods. These approaches are based on the study of neighborhood values: an observation in a dense region is considered an inlier, or a non-anomalous value, while a given point in a low-density region is considered an outlier, or an anomalous value.

L’idea di base dell’algoritmo LOF risiede nella comparazione della densità di un punto rispetto ai punti vicini invece di considerare tutti i punti nel set di dati. Così facendo è possibile identificare regioni con densità similari e punti con una densità significativamente inferiore rispetto ai suoi vicini, quest’ultimi identificati come outlier. L ’unità 111 di elaborazione dati è atta a impiegare almeno il suddetto algoritmo di rilevamento di valori anomali del tipo ad apprendimento non supervisionato LOF all’intero set di caratteristiche preferite che descrivono lo stato del sistema, ovvero ai dati della variabile variazione di glucosio pesata DCOB(t), dell’insulina residua pesata ICOB(t) e della misura della concentrazione di glucosio. Dunque, l’unità 111 di elaborazione dati è atta a generare un segnale di allerta se l’algoritmo rileva un valore anomalo all’interno dell’insieme dati paziente, ovvero un risultato esterno ad un range di valori soglia predefinito. The basic idea of the LOF algorithm lies in comparing the density of a point with respect to neighboring points instead of considering all the points in the data set. By doing so, it is possible to identify regions with similar densities and points with a significantly lower density than its neighbors, the latter identified as outliers. The data processing unit 111 is adapted to use at least the above-mentioned algorithm for detecting abnormal values of the unsupervised learning type LOF to the entire set of preferred characteristics which describe the state of the system, that is to the data of the variable weighted glucose variation. DCOB (t), ICOB weighted residual insulin (t) and measurement of glucose concentration. Therefore, the data processing unit 111 is able to generate an alert signal if the algorithm detects an anomalous value within the patient data set, or a result outside a predefined range of threshold values.

L’impiego di tale algoritmo non verrà descritto in dettaglio nel seguito, in quanto simile a quanto già descritto e incorporato per referenza in M. M. Breunig, H .-P. Kriegel, R. T. Ng, and J. Sander, “Lof: identifying density-based local outliers,” in A CM sigmod record, vol. 29, no.2. A CM, 2000, pp. 93–104. The use of this algorithm will not be described in detail below, as it is similar to what has already been described and incorporated by reference in M. M. Breunig, H.-P. Kriegel, R. T. Ng, and J. Sander, “Lof: identifying density-based local outliers,” in A CM sigmod record, vol. 29, no.2. A CM, 2000, pp. 93-104.

L’algoritmo COF è una versione modificata di LOF, più efficace in caso di strutture dati complesse e a bassa dimensionalità. The COF algorithm is a modified version of LOF, more effective in the case of complex and low-dimensional data structures.

Anche in tal caso l’unità 111 di elaborazione dati è atta a impiegare almeno il suddetto algoritmo di rilevamento di valori anomali del tipo ad apprendimento non supervisionato COF all’intero set di caratteristiche preferite che descrivono lo stato del sistema, ovvero la variabile variazione di glucosio pesata DCOB(t), la variabile insulina residua pesata ICOB(t) e la misura della concentrazione di glucosio. Dunque, l’unità 111 di elaborazione dati è atta a generare un segnale di allerta se l’algoritmo rileva un valore anomalo all’interno dell’insieme dati paziente, ovvero un risultato esterno ad un range di valori soglia predefinito. Also in this case the data processing unit 111 is adapted to use at least the above-mentioned algorithm for detecting anomalous values of the unsupervised learning type COF to the entire set of preferred characteristics which describe the state of the system, i.e. the variable variation of DCOB weighted glucose (t), ICOB weighted residual insulin variable (t) and measure of glucose concentration. Therefore, the data processing unit 111 is able to generate an alert signal if the algorithm detects an anomalous value within the patient data set, or a result outside a predefined range of threshold values.

L’impiego di tale algoritmo non verrà descritto in dettaglio nel seguito, in quanto simile a quanto già descritto e incorporato per referenza in J. Tang, Z . Chen, A . W.-c. Fu, and D. Cheung, “A robust outlier detection scheme for large data sets,” in 6th Pacific-A sia Conf. on K nowledge Discovery and Data Mining. Citeseer, 2001 e in J. Tang, Z . Chen, A . Fu, and D. Cheung, “Enhancing effectiveness of outlier detections for low density patterns,” A dvances in K nowledge Discovery and Data Mining, pp. 535–548, 2002. The use of this algorithm will not be described in detail below, as it is similar to what has already been described and incorporated by reference in J. Tang, Z. Chen, A. W.-c. Fu, and D. Cheung, “A robust outlier detection scheme for large data sets,” in 6th Pacific-A is Conf. On K nowledge Discovery and Data Mining. Citeseer, 2001 and in J. Tang, Z. Chen, A. Fu, and D. Cheung, “Enhancing effectiveness of outlier detections for low density patterns,” A dvances in K nowledge Discovery and Data Mining, pp. 535-548, 2002.

L’algoritmo iF si basa sull’ipotesi che i punti anomali devono essere pochi e isolati. L ’'idea principale di questo metodo si basa sul concetto di partizionamento dello spazio: un punto isolato, ovvero un’anomalia, richiede in media un numero inferiore di iterazioni di partizioni dello spazio per essere isolato attraverso partizionamento rispetto ad un valore non anomalo. The iF algorithm is based on the hypothesis that anomalous points must be few and isolated. The main idea of this method is based on the concept of space partitioning: an isolated point, or an anomaly, requires on average fewer iterations of space partitions to be isolated through partitioning than a non-anomalous value.

Anche in tal caso l’unità 111 di elaborazione dati è atta a impiegare almeno il suddetto algoritmo di rilevamento di valori anomali del tipo ad apprendimento non supervisionato iF all’intero set di caratteristiche preferite che descrivono lo stato del sistema, ovvero la variabile variazione di glucosio pesata DCOB(t), l’insulina residua pesata ICOB(t) e la concentrazione di glucosio. Dunque, l’unità 111 di elaborazione dati è atta a generare un segnale di allerta se l’algoritmo rileva un valore anomalo all’interno dell’insieme dati paziente, ovvero un risultato esterno ad un range di valori soglia predefinito. Also in this case the data processing unit 111 is able to use at least the above-mentioned algorithm for detecting anomalous values of the unsupervised learning type iF to the entire set of preferred characteristics which describe the state of the system, i.e. the variable variation of DCOB weighted glucose (t), ICOB weighted residual insulin (t) and glucose concentration. Therefore, the data processing unit 111 is able to generate an alert signal if the algorithm detects an anomalous value within the patient data set, or a result outside a predefined range of threshold values.

L’impiego di tale algoritmo non verrà descritto in dettaglio nel seguito, in quanto simile a quanto già descritto e incorporato per referenza in F. T. L iu, K . M. Ting, and Z .-H . Zhou, “Isolation forest,” in Data Mining, 2008. ICDM’08. Eighth IEEE International Conference on. IEEE, 2008, pp. 413–422. The use of this algorithm will not be described in detail below, as it is similar to what has already been described and incorporated by reference in F. T. L iu, K. M. Ting, and Z.-H. Zhou, "Isolation forest," in Data Mining, 2008. ICDM'08. Eighth IEEE International Conference on. IEEE, 2008, pp. 413-422.

Gli algoritmi, in particolare LOF e COF, sono metodi che catturano efficacemente punti isolati. Tuttavia nel problema oggetto di questa invenzione i punti sono fortemente correlati temporalmente e mai completamente isolati, perché il paziente, pochi istanti prima dell’istante corrente, si trova sempre in una condizione non troppo dissimile dalla condizione attuale. Questo fa sì che le anomalie siano generalmente più difficili da rilevare che in altri problemi in cui i metodi LOF e COF sono utilizzati come arte nota. Prima di applicare uno o più dei suddetti algoritmi è possibile modificare il set di dati, ovvero la porzione di lavoro dei suddetti algoritmi, escludendo un numero predefinito di dati in istanti temporali anteriori e un numero predefinito di dati in istanti temporali posteriori rispetto ad un predeterminato istante di tempo. In tal modo, i punti normali di dati saranno ancora più incorporati in una regione a cluster, mentre i punti anomali saranno più isolati e possibilmente lontani dalla regione a cluster definita. In altre parole, questa procedura consente all’algoritmo di non considerare un insieme di dati fortemente correlati e quindi diminuire ulteriormente la densità nell’intorno di dati anomali, aumentando perciò le performance. Algorithms, especially LOF and COF, are methods that effectively capture isolated points. However, in the problem of this invention the points are strongly correlated temporally and never completely isolated, because the patient, a few moments before the current instant, is always in a condition not too dissimilar from the current condition. This causes anomalies to be generally more difficult to detect than in other problems where LOF and COF methods are used as prior art. Before applying one or more of the aforementioned algorithms, it is possible to modify the data set, that is the working portion of the aforementioned algorithms, excluding a predefined number of data in earlier temporal instants and a predefined number of data in later temporal instants with respect to a predetermined instant of time. In this way, the data normal points will be even more embedded in a clustered region, while the anomalous points will be more isolated and possibly further away from the defined cluster region. In other words, this procedure allows the algorithm not to consider a set of strongly correlated data and therefore further decrease the density around anomalous data, thus increasing performance.

Tale selezione è , in particolare, possibile grazie alla memorizzazione dei dati nell’unità 211 di memorizzazione durante la loro misura. La selezione del numero di istanti temporali anteriori e posteriori da escludere è funzione delle scelte progettuali relative all’impiego dei relativi algoritmi e può essere effettuata in una fase di messa a punto del sistema 11. This selection is, in particular, possible thanks to the storage of data in the storage unit 211 during their measurement. The selection of the number of front and rear time instants to be excluded is a function of the design choices relating to the use of the related algorithms and can be carried out in a system setup phase 11.

Il sistema 11 di rilevazione di anomalie, e il relativo pancreas 1 artificiale, secondo la presente invenzione risulta dunque efficiente e adattabile al singolo paziente. In particolare, il sistema 11 per la rilevazione di malfunzionamenti è di tipo model-free e non supervisionato, pertanto è possibile determinare le anomalie sui dati del paziente su cui è applicato il dispositivo medicale e senza necessitare di etichettature del tipo “guasto/ non guasto” da fornire al dispositivo e senza necessitare di determinare un modello matematico per la risposta normale del paziente. The anomaly detection system 11, and the relative artificial pancreas 1, according to the present invention is therefore efficient and adaptable to the individual patient. In particular, the system 11 for the detection of malfunctions is of the model-free and unsupervised type, therefore it is possible to determine the anomalies on the patient data on which the medical device is applied and without the need for "faulty / not faulty" labeling ”To be supplied to the device and without the need to determine a mathematical model for the patient's normal response.

In particolare, mediante il set di variabili preferite che descrivono lo stato del sistema in ciascun istante di tempo, in accordo con la presente invenzione (g(t), ICOB(t) e DCOB(t)) e che costituiscono una trasformazione non lineare dei segnali acquisiti dall’unità 111 di elaborazione dati, è possibile descrivere il sistema più efficacemente per l’individuazione dei guasti rispetto a quanto possibile con i segnali medesimi in un singolo istante temporale. Così facendo si incrementa notevolmente la possibilità di evidenziare anomalie con qualsiasi tipo di algoritmo e, in particolare, con gli algoritmi del tipo model-free non supervisionato, ad esempio gli algoritmi LOF, COF e iF descritti in precedenza. In particular, by means of the set of preferred variables that describe the state of the system at each instant of time, in accordance with the present invention (g (t), ICOB (t) and DCOB (t)) and which constitute a non-linear transformation of the signals acquired by the data processing unit 111, it is possible to describe the system more effectively for identifying the faults than is possible with the same signals in a single instant in time. Doing so greatly increases the possibility of highlighting anomalies with any type of algorithm and, in particular, with unsupervised model-free algorithms, for example the LOF, COF and iF algorithms described above.

Claims (9)

RIVENDICAZIONI 1. Sistema (11) per rilevare malfunzionamenti in dispositivi per la somministrazione di insulina del tipo comprendenti almeno un sensore (21) di monitoraggio di glucosio presente nel sangue di una persona e una pompa (31) di infusione di insulina, il sistema (11) comprendendo: - un’unità (111) di elaborazione dati atta a ricevere misure della concentrazione di glucosio dal detto sensore (21) di monitoraggio di glucosio ed ulteriormente atta a ricevere misure della quantità di insulina infusa dalla detta pompa (31) di infusione; - un’unità (311) di immissione dati operativamente connessa all’unità (111) di elaborazione dati e atta a ricevere da un utente stime della quantità di carboidrati assunti; - un’unità (211) di memorizzazione operativamente connessa all’unità (111) di elaborazione dati e atta a memorizzare le misure della concentrazione di glucosio, le misure della quantità di insulina infusa, le stime della quantità di carboidrati assunti; in cui, a partire dalle misure conservate nell’unità (211) di memorizzazione, l’unità (111) di elaborazione dati è atta a calcolare, in un dato istante di tempo, una stima dell’insulina residua presente nel sangue (IOB), e una stima del glucosio residuo presente nel sangue (COB), il sistema (11) è caratterizzato dal fatto che la detta unità (111) di elaborazione dati è atta a calcolare il valore di una variabile DCOB(t) definita come: CLAIMS A system (11) for detecting malfunctions in insulin delivery devices of the type comprising at least one sensor (21) for monitoring a person's blood glucose and an insulin infusion pump (31), the system (11 ) including: - a data processing unit (111) adapted to receive glucose concentration measurements from said glucose monitoring sensor (21) and further adapted to receive measurements of the amount of insulin infused by said infusion pump (31); - a data entry unit (311) operationally connected to the data processing unit (111) and capable of receiving estimates from a user of the amount of carbohydrates consumed; - a storage unit (211) operationally connected to the data processing unit (111) and suitable for storing glucose concentration measurements, measurements of the amount of insulin infused, estimates of the amount of carbohydrates taken; in which, starting from the measurements stored in the storage unit (211), the data processing unit (111) is able to calculate, at a given instant of time, an estimate of the residual insulin present in the blood (IOB) , and an estimate of residual blood glucose (COB), the system (11) is characterized by the fact that the said data processing unit (111) is able to calculate the value of a DCOB variable (t) defined as: dove <) >è la variabile che descrive la derivata della concentrazione di glucosio nel tempo, COB(t) è la variabile che descrive, nel tempo, la stima del glucosio residuo presente nel sangue, α e β sono due costanti positive, in cui l’unità (111) di elaborazione dati è ulteriormente atta a calcolare una variabile IOCB(t) definita come: where <)> is the variable that describes the derivative of the glucose concentration over time, COB (t) is the variable that describes, over time, the estimate of the residual glucose present in the blood, α and β are two positive constants, in which the data processing unit (111) is further adapted to calculate a variable IOCB (t) defined as: dove IOB(t) è la variabile che descrive, nel tempo, la stima dell’insulina residua presente nel sangue, γ e δ sono due costanti positive, ed in cui l’unità (111) di elaborazione dati è atta a eseguire almeno un algoritmo di rilevamento di valori anomali per rilevare valori anomali all’interno di un insieme di dati paziente, in cui ciascuno di detti dati paziente, in un instante temporale, comprende almeno una terna di valori, detta terna di valori essendo costituita da un valore della variabile DCOB(t) in un dato istante di tempo, un valore della variabile ICOB(t) in detto istante di tempo, e una misura della concentrazione di glucosio effettuata dal detto sensore (21) in detto istante di tempo, ed in cui detta unità (111) di elaborazione dati è atta a generare un segnale di allerta se detto algoritmo rileva almeno un valore anomalo all’interno dell’insieme dati paziente. where IOB (t) is the variable that describes, over time, the estimate of residual insulin present in the blood, γ and δ are two positive constants, and in which the data processing unit (111) is capable of executing at least one anomalous value detection algorithm to detect anomalous values within a set of patient data, in which each of said patient data, in an instant of time, comprises at least one triplet of values, said triplet of values being constituted by a value of the variable DCOB (t) at a given instant of time, a value of the variable ICOB (t) at said instant of time, and a measurement of the glucose concentration carried out by said sensor (21) at said instant of time, and in which said data processing unit (111) is capable of generating an alert signal if said algorithm detects at least one anomalous value within the patient data set. 2. Sistema (11) secondo la rivendicazione 1, in cui il detto algoritmo di rilevamento di valori anomali è del tipo ad apprendimento non supervisionato. System (11) according to claim 1, wherein said outlier detection algorithm is of the unsupervised learning type. 3. Sistema (11) secondo la rivendicazione 2 in cui il detto algoritmo di rilevamento di valori anomali del tipo ad apprendimento non supervisionato è il Local Outlier Factor (LOF). System (11) according to claim 2 wherein said algorithm for detecting anomalous values of the unsupervised learning type is the Local Outlier Factor (LOF). 4. Sistema (11) secondo la rivendicazione 2 in cui il detto algoritmo di rilevamento di valori anomali del tipo ad apprendimento non supervisionato è il Connectivity-based Outlier Factor (COF). System (11) according to claim 2 wherein said algorithm for detecting anomalous values of the unsupervised learning type is the Connectivity-based Outlier Factor (COF). 5. Sistema (11) secondo la rivendicazione 2 in cui il detto algoritmo di rilevamento di valori anomali del tipo ad apprendimento non supervisionato è il Isolation Forest (iForest). System (11) according to claim 2 wherein said algorithm for detecting anomalous values of the unsupervised learning type is the Isolation Forest (iForest). 6. Sistema (11) secondo una o più delle rivendicazioni da 2 a 5, in cui la detta unità (111) di elaborazione dati è atta a impiegare almeno un algoritmo di rilevamento di valori anomali del tipo ad apprendimento non supervisionato selezionato tra il Local Outlier Factor (LOF), il Connectivity-based Outlier Factor (COF) e il Isolation Forest (iForest) ai dati della detta variabile DCOB(t), ai dati della detta variabile ICOB(t) e ai dati della detta misura della concentrazione di glucosio, e in cui la detta unità (111) di elaborazione dati è atta a generare un segnale di allerta se detto algoritmo di rilevamento di valori anomali genera un risultato esterno ad un range di valori soglia predefinito. System (11) according to one or more of claims 2 to 5, wherein said data processing unit (111) is adapted to employ at least one anomalous value detection algorithm of the unsupervised learning type selected from Local Outlier Factor (LOF), the Connectivity-based Outlier Factor (COF) and the Isolation Forest (iForest) to the data of the said variable DCOB (t), to the data of the said ICOB variable (t) and to the data of the said measurement of the concentration of glucose, e wherein said data processing unit (111) is adapted to generate an alert signal if said anomalous value detection algorithm generates a result outside a predefined threshold value range. 7. Sistema (11) secondo la rivendicazione 6, in cui la detta unità (111) di elaborazione dati è atta a impiegare almeno un algoritmo di rilevamento di valori anomali del tipo ad apprendimento non supervisionato selezionato tra il Local Outlier Factor (LOF), il Connectivity-based Outlier Factor (COF) e il Isolation Forest (iForest) a una porzione di lavoro dei detti dati della detta variabile DCOB(t), ai dati della detta variabile ICOB(t) e ai dati della detta misura della concentrazione di glucosio, in cui la detta porzione di lavoro è definita escludendo un numero predefinito di dati in istanti temporali anteriori e un numero predefinito di dati in istanti temporali posteriori rispetto ad un predeterminato istante di tempo. System (11) according to claim 6, wherein said data processing unit (111) is adapted to employ at least one outlier detection algorithm of the unsupervised learning type selected from the Local Outlier Factor (LOF), the Connectivity-based Outlier Factor (COF) and the Isolation Forest (iForest) to a working portion of the said data of the said DCOB variable (t), the data of the said ICOB variable (t) and the data of the said measure of the concentration of glucose, wherein said work portion is defined by excluding a predefined number of data in earlier time instants and a predefined number of data in later time instants with respect to a predetermined time instant. 8. Dispositivo per la somministrazione di insulina comprendente una pompa di infusione insulina, un sensore di glucosio ed un sistema (11) di rilevamento di malfunzionamenti secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 7. Insulin delivery device comprising an insulin infusion pump, a glucose sensor and a malfunction detection system (11) according to one or more of claims 1 to 7. 9. Dispositivo secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto di essere un pancreas artificiale (1). 9. Device according to claim 8, characterized in that it is an artificial pancreas (1).
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