DIABÈTE DE TYPE 1 : Analyseur non intrusif et pancréas artificiel
Juin 2008
Guy Béchet
gabechet(arobase)gmail.com

1) Introduction

PREMIÈRE PARTIE : OBSERVATIONS ET MODÈLES

2)Modèle d'une personne normale

La nature a conçu un dispositif qui règle le débit de l'insuline fabriquée en l'infusant selon la valeur de la glycémie, afin de maintenir celle-ci dans une fourchette de valeurs. Cette action se fait en permanence et en temps réel. Il s'agit donc d'un asservissement.
L'équilibre d'un système contrôlé par rétroaction mesure continuellement la marge d’erreur (l'écart) qui le sépare de l’objectif à atteindre (ici 100 mg/dl), c'est à dire une position d'équilibre prédéfinie.

Fig 1: Modèle d'une personne normale

Les deux piliers indissociables de cette rétroaction sont :
1. La mesure continue de la glycémie en temps réel.
2. Le débit instantané d'insuline nécessaire, correspondant.

Pour soigner un diabète de type 1, il "suffit" de plagier ce qu'a conçu la nature.
Il faut réaliser :
- Avant tout, une sonde de glycémie temps réel et non intrusive (sans la goutte de sang). C'est la partie la plus complexe.
- Un automate qui va injecter directement dans une veine un débit d'insuline ajusté en permanence en temps réel, par la sonde.

DEUXIÈME PARTIE : RÉALISATIONS

3) Réalisation de la sonde : CGMS

La sonde évoquée ici est un analyseur continu de glycémie. Il en existe au moins trois types :
1. Les implantées.
Elles nécessitent une légère intervention chirurgicale annuelle. On aimerait que le changement se fasse tous les cinq ou dix ans, car c'est vraiment intrusif !
2. Celles qui nécessitent d'enfoncer une aiguille ou électrode dans la peau. Il faut changer l'électrode régulièrement (5 à 7 jours), le dispositif est donc intrusif et les forums américains des utilisateurs montrent qu'il y a un temps d'étalonnage et une précision parfois insatisfaisants. Les résultats sont en retard de quelques minutes par rapport à la glycémie réelle.
L'asservissement d'un automate sera donc impossible (voir chapitres ci-après).
3. Celles qui sont non intrusives. C'est l'objet du chapitre suivant.

3.1) Lecteurs non intrusifs.

3.1.1) Idées de réalisation pour la partie capteur.

Premières idées : La propagation des ondes est un domaine de la physique s'intéressant aux déplacements des ondes électromagnétiques dans les milieux.
Lorsque les rayons du soleil frappent une vitre, ils se réfléchissent sur cette vitre ou la traversent avec une déviation (réfraction) dans leur propagation. En mesurant les variations de ces angles de réflexion ou de réfraction vis à vis de la peau qui remplace la vitre, on peut espérer avoir une relation avec les valeurs glycémiques. Dans la réalité on prendra un spectre de fréquences beaucoup plus large (jusqu'aux ondes sonores), afin d'essayer d'extraire l'information du bruit par compensation, car d'autres facteurs peuvent influencer la valeur de ces angles.

Un autre type d'idées, basées sur la diffusion, consiste à bombarder (toujours avec une onde) une cible (la peau) et d'analyser le spectre correspondant. L'analyse du spectre avec ses variations de densité, permettra peut-être de déduire la concentration des éléments constituant la peau, c'est à dire la glycémie.

La piste électrique : L'impédance de la peau, c'est à dire sa résistance vis à vis d'un courant électrique sinusoïdale à une fréquence précise, varie peut-être en fonction de la glycémie.

Cette sonde pourrait se matérialiser sous la forme d'une boucle d'oreille, attachée par le biais d'une pince, au lobe de l'oreille. Un émetteur radio évitera d'avoir un fil.
Il doit exister bien d'autres idées, mais il s'agit assurément du coeur du problème. Tant que ce sujet, n'aura pas été l'objet d'une réalisation complète, fiable et fonctionnelle, tout le reste sera caduque.

Imaginons qu'au moins une des idées précédentes ait fait l'objet d'une réalisation de sonde fiable et fonctionnelle ... Nous pouvons alors entrer plus précisément dans la réalisation.

On essaie d'agrandir le temps entre deux mesures afin de s'éloigner du seuil d'incertitude, pour déterminer le sens et la vitesse de variation.

Fig 2: Principe des mesures

Il n'y a pas besoin de mémoriser les valeurs de la journée et encore moins des jours précédents (le calcul de l'écart type peut se faire en temps réel). Au maximum, à 16T près, seul le moment présent compte, et cela est d'autant plus vrai avec un diabète de type 1. La période T, correspondant à l'échantillonnage des mesures, pourra être de 1 minute à 2 minutes.

Nous partons du principe que le lecteur de glycémie doit être réalisé et utilisé pendant deux à cinq ans avant la mise au point du pancréas artificiel abordée ci-après. Par la suite la qualité de cet affichage sera peut-être moins importante.

3.2) Remarques.

Bien que l'on soit encore loin du traitement en temps réel du point de vue débit d'insuline, puisqu'on n'est ici encore qu'au stade d'injections sous-cutanées de quantités d'insulines, un lecteur de ce type constitue à lui seul, une révolution considérable car il permet de prévoir ses glycémies et de disposer enfin du seul jalon indispensable à la réalisation des pancréas artificiels.

4) Réalisation de l'automate : Pancréas artificiel

Il s'agit d'effectuer les mêmes fonctionnalités que celle décrites dans le chapitre "Modèle d'une personne normale". L'automate doit donc adapter en temps réel le débit instantané de l'insuline en se servant de la sonde précédente. Le schéma de principe suivant, met en valeur la rétroaction.

L'idée de départ était de faire une analogie avec une rétroaction en électronique analogique où l'équation est G = g/(1-ßg). "g " est le gain du système non asservi et "ß" le gain de la rétroaction. Le gain est le rapport de la grandeur de sortie sur la grandeur d'entrée. Ces gains sont complexes au sens mathématique (a+ib). On voit que lorsque ßg=1, le dénominateur s'annule et G tend vers l'infini, ce qui entraîne des oscillations. Mais cette approche mathématique n'est peut-être pas nécessaire car "g " est trop difficile à écrire ; il inclut en effet, selon cette proposition de réalisation, la réaction chimique de l'insuline dans sa transformation du glucose en énergie ...

Nous dirons donc simplement, que dans notre schéma ci-dessus, "ß" et "g", comme dans les oscillateurs en électronique analogique, introduisent des légers retards dus ici à :
- La réaction physiologique de l'insuline (l'action dans le sang n'est pas instantanée),
- La pompe à insuline qui ne pousse pas instantanément le piston de la cartouche.
Nous nous retrouvons donc avec un déphasage temporel inévitable entre action et réaction, qui se matérialisera par des oscillations plus ou moins amorties.

Toute instabilité de la boucle aboutirait aux problèmes majeurs suivants :
1. Le couplage est trop lâche : les oscillations glycémiques ont une amplitude trop grande et passent dans des zones d'hyper et d'hypoglycémie. Cette courbe explique à elle seule, pourquoi la valeur d'un HbA1c peut être plus mauvaise sur un patient équipé d'un prototype de pancréas artificiel que sur un DT1 soigné de manière classique.

Fig 7 : Principe du pancréas artificiel
2. Le même cas que précédemment mais les oscillations continuent indéfiniment (oscillateur où ßg tend vers 1).
Ces problèmes peuvent survenir si un des éléments n'est pas stable. Par exemple, supposons que la réaction physiologique de l'insuline s'effectue dans une fourchette de temps et non selon un temps fixe, immuable. Cette fourchette est-elle influencée par le débit de l'insuline et par son rendement, variable selon l'activité physique ? Même si toute injection sous-cutanée est à proscrire (à cause des trop grandes disparités dans les temps d'actions), les éventuelles variations de couplage seront donc à étudier avec le plus grand soin.

Ce pancréas artificiel pourrait se porter au poignet, comme une montre. Les premiers modèles devront afficher la glycémie et disposer d'un avertisseur sonore afin de contrôler le bon fonctionnement de l'asservissement et arrêter l'automate en cas d'urgence (oscillations entretenues). L'aiguille qui injecte l'insuline, aura évidemment un diamètre le plus faible possible et sera insérée dans une veine à proximité du poignet. Comment dans ces conditions éviter les septicémies tout en gardant la même aiguille une semaine ou plus ? Faudra-t-il une assistance médicale pour aider à changer et insérer la nouvelle aiguille ? Ces questions ne sont pas insurmontables et lorsqu'il n'y aura plus que cela à résoudre, nous ne serons pas loin du but.

5) Conclusion

1. On peut s'interroger sur la pauvreté de la métrologie de la glycémie qui n'a pas progressé significativement depuis la découverte au Canada du rôle de l'insuline vers 1920. Pourtant l'observation de la glycémie chez une personne normale montre bien que la nature a choisi d'effectuer une rétroaction pour confiner la glycémie dans une fourchette étroite. Cette constatation élémentaire a bien dû être effectuée dés les débuts des années 1920, 1930. Alors pourquoi une telle erreur d'appréciation de la part des spécialistes d'aujourd'hui, qui semblent laisser faire depuis presque 90 années ? Est-ce les laboratoires qui freinent, en rachetant les petites entreprises qui ont réalisé ces sondes afin d'étouffer dans l'oeuf leurs découvertes, et de continuer ainsi à vendre leurs électrodes ? On pense à la montre Suisse Pendragon disparue du jour au lendemain en 2006 sans aucune explication !

2. La réalisation d'un pancréas artificiel ne sera plus qu'un problème de stabilité de la rétroaction dès lors que l'on disposera de lecteurs de glycémie à affichage continu.

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