Отказ от ответственности «Я не медицинский работник»!

Здесь я четко заявляю, что я не врач и не медицинский работник! Я пишу эти посты только для того, чтобы отразить свой опыт и поделиться своей историей о том, как я использовал технологии на личном уровне для решения одной из утомительных и важных задач, с которыми мы сталкиваемся в нашей повседневной жизни. Таким образом, этот контент не является профессиональной медицинской консультацией, диагностикой или лечением!

1. Пре-

Я разделил свою рецензию на 3 части, которые я публикую последовательно. В этом первом посте я намереваюсь описать проблему и предоставить необходимые знания предметной области, чтобы упростить последующие посты.

Во втором посте будут описаны данные, их извлечение, подготовка и преобразование. В последнем (третьем) посте будет рассказано о моделировании и о том, как я использовал алгоритм AWS DeepAR для решения обсуждаемой проблемы.

На данный момент два других поста еще не опубликованы, я обновлю эти строки ссылками, когда опубликую.

2. Чем я делюсь?

Быть родителем ребенка с диабетом 1 типа (СД1) — это своего рода хлопотно, даже если вам повезло обзавестись умными системами, такими как система непрерывного мониторинга уровня глюкозы (CGM) и инсулиновые помпы. Это небольшие компьютеризированные устройства, имитирующие работу поджелудочной железы человека путем непрерывной доставки малых доз инсулина короткого действия. Тем не менее, эти устройства все еще нуждаются в тщательной настройке и параметризации для доставки нужного количества инсулина в нужное время. Значения параметров и факторов в основном рассчитываются и устанавливаются врачами-диабетологами при обсуждении с пациентом (в нашем случае с родителем).

Периодически (например, каждые 2 месяца) врач-диабетолог просматривает уровни глюкозы в крови, зарегистрированные CGM, и количества инсулина, вводимого инсулиновой помпой, и пытается скорректировать определенные факторы, стремясь поддерживать уровень глюкозы в крови в пределах допустимого диапазона. Обычно значения устанавливаются в соответствии с некоторыми правилами и извлекаются из опыта, закономерностей и тенденций.

Я считаю, что для нас большая честь иметь доктора, который готов обсуждать технические детали. Таким образом, на каждой контрольной встрече мы проводим глубокую дискуссию, похожую на сеанс мозгового штурма, чтобы решить, какой параметр оставить, а какой отрегулировать.

Откровенно говоря, эти обсуждения всегда щекотали мое настроение в отношении извлечения знаний и идей из данных, поскольку то, что мы в основном пытаемся сделать, — это найти некоторые закономерности в исторических данных и попытаться оптимизировать параметры помпы, чтобы поддерживать уровень глюкозы в крови в пределах допустимого диапазона. ! Похоже, это вполне реальная проблема с машинным обучением! Это подстегнуло мою нынешнюю страсть к AWS и ее алгоритмам машинного обучения, поэтому я попытался поэкспериментировать с AWS, чтобы внести ясность в наши обсуждения по настройке параметров! Да, возможно, еще не очевидно, почему моя проблема является прекраснымпримером использования AWS, поэтому позвольте мне объяснить детали проблемы, чтобы лучше ознакомиться с техническими терминами.

3. Действует как поджелудочная железа

Парадоксально, что мы не можем актуализировать ни мудрое изречение ученого и философа Бенджамина Франклина (1706–1790) "Ешь, чтобы жить, а не живи, чтобы есть", ни саркастическую цитату анонима. "Я не ем, чтобы жить, я живу, чтобы есть"; не обладая хорошо функционирующей поджелудочной железой!

Поджелудочная железа — это орган, который играет очень важную роль в преобразовании пищи, которую мы едим, в топливо для клеток организма. Основной функцией поджелудочной железы является регулирование уровня глюкозы в крови. Поджелудочная железа вырабатывает гормон, называемый инсулином, в ответ на повышенный уровень глюкозы в крови. Инсулин действует как ключ 🗝️, открывая клетку, позволяя глюкозе проникать в клетку и использоваться для получения энергии. Я попытался визуально упростить идею в анимации ниже.

Таким образом, без инсулина глюкоза остается в кровотоке, что может привести к опасным осложнениям, таким как так называемая гипергликемия. Если гипергликемию не лечить, это может привести к еще более серьезной проблеме, состоянию, которое называется кетоацидоз (диабетическая кома!). Без надлежащего производства инсулина организм не может доставлять глюкозу в клетки, и организм реагирует, расщепляя жировые отложения, чтобы использовать их для получения энергии!

Следствием этого временного средства производства энергии путем расщепления жиров является производство отходов, называемых кетонами. Грустно осознавать, что наш организм не переносит большого количества кетонов и пытается избавиться от них через мочевыделительную систему. Но еще печальнее знать, что если организм не может высвободить все кетоны и они накапливаются в кровотоке, кетоацидоз будет опасен для жизни и потребует немедленного лечения.

График ниже из [[1]](https://en.wikipedia.org/wiki/Blood_sugar_level) показывает, как выработка инсулина идет рука об руку с повышением уровня глюкозы, вызванным приемом пищи.

Из приведенного выше графика вы можете многое понять, но два важных наблюдения, которые необходимо понять для нашей задачи машинного обучения, которая также четко сопоставляется с двумя компонентами инсулина, используемыми инсулиновой помпой для имитации поджелудочной железы:
1. Есть пики ( всплески) выработки инсулина поджелудочной железой каждый раз, когда организм потребляет пищу. Инсулиновая помпа пытается имитировать эти пики, вводя быстродействующий инсулин перед едой, и это называется Болюс.
2. График выше никогда не пересекает 0 по оси Y. Другими словами, поджелудочная железа непрерывно круглосуточно вырабатывает некоторое базовое количество инсулина. Чтобы имитировать это, в течение дня постоянно вводят базальный инсулин в качестве инсулина более длительного действия, который помогает поддерживать стабильный уровень глюкозы днем ​​и ночью.

Этот график из [[2]](https://www.keshred.com/insulin/) показывает, что два типа инсулина базальный и болюсный работают вместе, чтобы имитировать функцию поджелудочной железы.

4. «Сколько инсулина вводить» — игра факторов

Теперь мы знаем, что инсулиновые помпы — это интеллектуальные устройства, которые прикрепляются к телу пациента и пытаются имитировать функцию поджелудочной железы, доставляя оба типа инсулина — базальный и болюсный.

Мы пробовали использовать разные типы инсулиновых помп, и каждая из них имела для нас свои плюсы и минусы. Наконец, мы уже несколько лет пользуемся системой [Omnipod](https://www.omnipod.com/). Несмотря на то, что в Omnipod по-прежнему отсутствует замкнутая система управления по сравнению с продуктами [Medtronic] (https://www.medtronicdiabetes.com), т. е. он не позволяет CGM (датчик глюкозы) связываться напрямую для введения инсулина. , мы по-прежнему видим, что его бескамерная система является большим преимуществом для нашего активного ребенка.

4.1 Базовая программа

Инсулиновая помпа PDM позволяет настроить базальную программу (т. е. расписание) для подачи предварительно установленного количества инсулина для каждого предварительно установленного периода времени. Я сначала думал, что базал должен иметь только одно значение на весь день/неделю, но оказалось необходимость смены инсулина в течение дня исходя из уровня активности человека и других условий. У нас также может быть несколькобазальных программ для различных уровней активности и условий, таких как выходные или дни занятий в тренажерном зале. На изображении ниже показано, как базальная программа выглядит в виде графика и в виде списка, который хранится в Omnipod PDM (персональный менеджер диабета).

4.2 Настройки болюса

Принимая решение о приеме пищи, мы также должны решить, сколько инсулина мы принимаем для этого приема пищи. В этот момент мы должны взять ручку и лист бумаги и рассчитать болюсную дозу, состоящую из двух компонентов:
1. Компонент, который пропорционален содержанию углеводов в прием пищи с коэффициентом пропорциональности, который называется Коэффициент отношения инсулина к углеводам (ICF). Эта МКФ определяет, сколько углеводов может быть обработано одной единицей инсулина.
2. Обычно уровень глюкозы в крови находится на нежелательном уровне из-за распространения некоторой ошибки. Например, если мы неправильно рассчитали количество углеводов на завтрак, уровень глюкозы в крови может оставаться высоким до обеда, если мы не исправим как можно быстрее. Следовательно, второй болюсный компонент рассчитывается во время еды или когда это необходимо в течение дня. Этот компонент коррекции контролируется поправочным коэффициентом (CF), который определяет, насколько одна единица инсулина снижает уровень глюкозы в крови, и затем мы можем рассчитать, сколько инсулина нам нужно. для достижения оптимального (предпочтительного) целевого уровня глюкозы в крови, т.е. 5,0 ммоль/л.

Итак, для расчета болюсной дозы мы используем это простое уравнение:

В качестве примера предположим, что мы заранее решили, что эти коэффициенты должны быть ICF=20 и CF=10. И предположим, что пациент хотел бы выпить чашку молока, содержащего 10 г углеводов. В этот момент мы измерили глюкозу крови, она составила 7,0 ммоль/л; однако нам бы хотелось, чтобы он был на уровне 5,0 ммоль/л. Таким образом, чтобы рассчитать болюс, мы подставляем эти значения в приведенное выше уравнение, и это приведет к болюсной дозе 0,70 единиц, как показано ниже:

Теперь вы можете представить себе выполнение этого расчета каждый раз, когда пациенту нужно что-нибудь съесть! Все становится сложнее, когда вы знаете, что эти ICF и CF обычно имеют разные значения для разного времени суток, например. ICF может быть 20,0 на завтрак, но 15,0 на обед! Вот почему наличие инсулиновой помпы с калькулятором болюса вместе с CGM (непрерывный мониторинг глюкозы) может избавить вас от многих хлопот.

Мы можем сравнить ситуацию, когда у нас нет умных устройств, и ситуацию, когда они у нас есть. В таблице ниже я резюмирую шаги/действия, которые мы должны пройти, если мы «решаем» поесть. Я описываю, как мы выполняем каждый шаг в обеих ситуациях.

5. Мотивация использовать машинное обучение?

Да, пока это выглядит удовлетворительно и умно, а таблица выше дает довольно позитивную картину того, как CGM и инсулиновая помпа ловко снимают с наших плеч огромное бремя. Однако, чтобы обеспечить эффективный и жесткий контроль уровня сахара в крови, мы должны оптимально разработать базальную программу и болюсные факторы. Мы уже упоминали, что эти факторы могут иметь широкий диапазон настроек, не только в измерении значения фактора, но также в измерении времени и активности. Другими словами, эти факторы имеют разные оптимальные значения в течение дня, в зависимости от активности и многих других условий. Я предполагаю, что это будет выглядеть как график, ниже которого это приводит к неограниченному количеству значений.

Обычно оптимальные значения факторов устанавливаются в соответствии с некоторыми правилами и опытом. Поскольку по-прежнему значительная часть процедуры настройки выполняется эмпирически, я считаю это сильной мотивацией для использования машинного обучения, чтобы, по крайней мере, дать некоторое представление. Моя мотивация также поддерживается тем фактом, что эти устройства регистрируют значительный объем данных, на которых можно учиться.

В следующем посте я попытаюсь сформулировать проблему в терминологии науки о данных и контексте машинного обучения и обсудить извлечение и преобразование данных.