New systems and algorithms for automating the control of drug administration into the human body require mandatory verification before testing directly on patients. The main task is to create a software tool capable of conducting a comprehensive evaluation of the efficiency of developed systems and algorithms of automated insulin therapy. In this work, a software concept for evaluating the efficiency of automated insulin therapy systems with three modes of operation is proposed. The three modes of operation are: testing the algorithm of insulin pump control, testing the mathematical model of human metabolism and model identification. The software is based on the mathematical model of human metabolism characterized by a high degree of completeness and accuracy. It was shown that numerical solution of the model for the given scenario of external perturbations and given control algorithm makes it possible to evaluate the control efficiency both graphically and by a set of statistical, technical and medical metrics. The simulation of errors in the technical elements of the insulin therapy system, such as insulin pump and glucose monitor, and of time and amplitude delays of user input of external perturbations data is implemented. It is possible to compare custom mathematical models, written as systems of ordinary differential equations, with the built-in model. The software that is open-source and written using Python language allows creation of a digital twin of a real patient for further use in simulations by identifying the built-in mathematical model from a set of experimental data. A graphical interface has been developed and methods for solving differential equations and optimization have been selected. The application of the developed software will allow the acceleration and simplification of the development process of new methods, control algorithms and mathematical models used to automate insulin therapy of patients with type 1 diabetes.
Новые системы и алгоритмы автоматизации управления введением лекарственных средств в организм человека требуют обязательной верификации до проведения испытаний непосредственно на пациентах. Для комплексной оценки эффективности раз-рабатываемых систем и алгоритмов автоматизированной инсулинотерапии требуется со-здание программного инструмента. В работе предложена методика программного обеспе-чения для оценки эффективности функционирования системы автоматизированной инсулинотерапии, имеющего три режима работы: проверка алгоритма управления инсу-линовым насосом, проверка математической модели метаболизма человека и идентифика-ция модели. В основе программного обеспечения использована математическая модель метаболизма человека, характеризующаяся высокой степенью полноты и точности. Пока-зано, что численное решение модели для заданных сценария внешних возмущений и алгоритма управления позволяет как графически, так и по набору статистических, технических и медицинских метрик оценить эффективность управления. Реализована имитация погрешностей технических элементов системы инсулинотерапии, таких как инсулиновый насос и монитор глюкозы, а также временных и амплитудных задержек введения данных о внешних возмущениях пользователем. Возможно сравнение пользовательских математических моделей, записанных в виде систем обыкновенных дифференциальных уравнений, со встроенной моделью. Программное обеспечение, реализованное на языке Python с открытым исходным кодом, позволяет создавать цифровой двойник реального пациента для дальнейшего использования в симуляциях путем идентификации встроенной математической модели по набору экспериментальных данных. Разработан графический интерфейс и подобраны методы решения дифференциальных уравнений и методы оптимизации. Применение предложенного программного обеспечения позволит ускорить и упростить процесс разработки новых методов, алгоритмов управления и математических моделей, используемых для автоматизации инсулинотерапии пациентов с сахарным диабетом 1-го типа.