I n d on e s ian   Jou r n al   o f   E lec t r ica l   E n gin e e r in g  a n d   Com p u t e r   S c ience   Vo l .   3 8 ,   N o .   2 ,  M a y   20 2 5 ,   pp.   1 339 ~ 1 35 2   I S S N:  2 502 - 4 7 52 ,   DO I :  10 . 11591/i j e e cs .v 3 8 . i 2 . pp 1 339 - 1 35 2             1339     Jou r n al  h o m e page :  ht tp: // ij e e cs . iaes c or e . c om   A  n ov e l  ap p r oac h  f or  g e n e r a t in g p h y si ol ogi c al  i n t e r p r e t a t io n s  t h r ou gh   m ac h i n e   le ar n in g       Md .   Jah ir u l   I s l a m 1 ,  M d .   Nas im   Adn an 2 ,   M d .   M or ad u l   S id d iq u e 2 , 3 ,   Rom an a  Rahm an   E m a 2 ,    M d .   Al am   Hos s ain 2 ,   S ye d   M d .   Gal ib 2   1 D e pa r tm e nt   of  C o mpu te r  S c ie n c e  a nd E ngi n e e r in g ,   B a ngl a de s h U ni ve r s it y  E ngi n e e r in g a nd  T e c hn o l o g y , D ha ka , B a ngl a d e s h   2 D e pa r tm e nt   of  C o mpu te r  S c ie n c e  a nd E ngi n e e r in g ,   J a s ho r e  U n iv e r s it y   of   S c i e n c e  a nd  T e c hn o l o g y ,  J a s hor e ,  B a ngl a d e s h     3 D e pa r tm e nt   of  C o mpu te r  S c ie n c e  a nd E ngi n e e r in g ,   U ni ve r s it y   of   I n f o r ma ti o n  T e c hn o l o g y   a nd   S c i e n c e s  ( U I T S ) ,   D ha ka , B a ngl a de s h       Ar t ic l e   I n f o     AB S T RA CT   A r ti c le  h is tor y :   R e c e i ve d  A pr   21 ,   202 4   R e vi s e d  No v   10 ,  202 4   A c c e pt e d  N o v   24 ,   202 4       Pre d i c t i n g   b l o o d   g l u co s e   t r e n d s   an d   i m p l emen t i n g   s u i t ab l e   i n t e r v e n t i o n s   are   c ru ci al   f o r  m a n ag i n g   d i ab e t e s .   Mo d e rn   s en s o r   t ech n o l o g i e s   en ab l e   t h e  c o l l ec t i o n   o f  c o n t i n u o u s   g l u c o s e   m o n i t o r i n g   (CG M)  d at a  al o n g   w i t h   d i e t   an d   ac t i v i t y   r ec o r d s .   H o w ev e r,   m a ch i n e   l e arn i n g   (ML )  t ech n i q u e s   are   o ft en   u s ed   fo r  g l u co s e  l e v e l   p red i c t i o n s   w i t h o u t   e x p l i c i t   p h y s i o l o g i c a l   i n t e rp re t at i o n .   T h i s   s t u d y   i n t ro d u ce s   a  me t h o d   t o   e x t rac t   p h y s i o l o g i c a l   i n s i g h t s   fro m   ML - b as e d   g l u c o s e   f o rec as t s   u s i n g   c o n s t rai n e d   p ro g ra mm i n g .   A   f ee d - f o r w a r d   n eu ral   n e t w o rk   (FF N N )  i s   t rai n e d   fo r  g l u c o s e   p red i c t i o n   u s i n g   CG M  d at a,   d i e t ,   an d   a c t i v i t y   l o g s .   A d d i t i o n al l y ,   a  p h y s i o l o g i c a l   m o d e l   o f  g l u c o s e  d y n ami c s   i s   o p t i mi zed   i n   t an d em   w i t h   FFN N   fo r ec a s t s   u s i n g   s e q u en t i al   q u ad rat i c  p ro g ra mmi n g   an d   i n d i v i d u al i z e d   c o n s t rai n t s .   Co m p ari s o n s   b e t w een   t h e   c o n s t rai n e d   r e s p o n s e   an d   ML   p r e d i c t i o n s   s h o w   h i g h e r  r o o t   me an   s q u ar e  e rro r   (RMSE )   i n   ce rt ai n   i n t e rv al s   f o r  t h e  c o n s t rai n e d   ap p ro ach .   N ev e rt h e l e s s ,   Cl ark e   e rr o r  g ri d   (CE G )  a n al y s i s   i n d i c at e s   a cce p t ab l e  a cc u ra cy   fo r   t h e  c o n s t rai n e d   me t h o d .   T h i s   co m b i n ed   ap p ro ac h   me r g es   t h e   g e n e ra l i zat i o n   c ap ab i l i t i e s   o f   ML   w i t h   p h y s i o l o g i c a l   i n s i g h t s   t h ro u g h   co n s t rai n e d   o p t i mi zat i o n .   K e y w o r d s :   B l o o d  gl uc o s e   m o ni t o r i n g   M a c hi ne   l e a r ni ng   P hy s i o l o g i c a l   i n t e r pr e t a t i n g  c o n s t r a i n e d  pr o gr a m mi ng   P hy s i o l o g i c a l   i n t e r pr e t a t i n g  d i a b e t e s   m a na ge m e n t     Th i s   i s   a n   o p en   a c ces s   a r t i c l e  u n d e r   t h e  CC  B Y - SA   l i cen s e.     C or r e s pon din g  A u th or :   M d.   Na s i m   A d n a n   De pa r t m e n t   o f   C o m put e r   S c i e n c e   a n d  E n g i ne e r i n g ;   J a s h o r e   Uni v e r s i t y   o f   S c i e n c e   a n d  T e c hn o l o g y   J a s h o r e - 7408,   B a n g l a de s h     E m a i l :  n a s im . a d n a n@j u s t . e du. b d       1.   I NT RODU C T I ON     A   s t ud i e s   ut i li z e d  m a c hi ne   l e a r ni ng  ( M L )   a l go r i t hm s   to   m a ke   pr e d i c t i o n s   r e ga r d i n g  t h e   l e v e l   o f   g l uc o s e   i n  t h e   bl o o d  [ 1]   de m o n s t r a t e   t h e   e x t e n s i v e   ut i li z a t i o n   o f   d i ve r s e   M L   a ppr o a c h e s .   T h e s e   e nc o m pa s s   n e ur a l   n e t wo r ks   ( NN ) ,   de c i s i o n   f o r e s t s   ( DF ) ,   s up por t  v e c t or   m a c hi ne   ( S VM ) ,   de c i s i o n   t r e e   ( D T ) ,   a n d  a dd i t i o n a l   f o r e c a s t i n g  t e c hni qu e s .   R e c e n t   r e s e a r c h   [ 2]   h a s   e m p l o y e d  a   m u l t i - t i e r e d  l o n g  s h o r t  t e r m   m e m o r y   ( L S T M )   f r a m e wo r k  to   f o r e c a s t   l e v e l s   o f   bl o o d  g l uc o s e   i n   in d i v i dua l s   w i t h   t y p e   1  d i a b e t e s   ( T 1D) .   T hi s   m o de l   ut i li z e s   t h e   Ohi o   T 1DM   da t a s e t  [ 3]   a n d  pr o v i d e s   pr e d i c t i o n s   f o r   30  a n d  60 - m i nut e   i n t e r v a l s .   T h e   a f o r e m e n t i o n e d   da t a s e t  a n d  L S T M   n e t wo r k  h a v e   b e e n   a pp li e d  i n  v a r i o us   r e s e a r c h   e n de a v o r s   [ 4] .   F ur t h e r m o r e ,   a   n o v e l   t e c h ni que   f o r   f o r e c a s t i n g  bl o o d  g l uc o s e   l e v e l s   h a s   b e e n   de v e l o p e d,   ut i l i z i ng  a   d e e p  r e c ur r e n t   n e ur a l   n e t wo r k   ( R NN )   a ppr o a c h   w i t h   s t a c ke d  L S T M   a r c hi t e c t ur e   [ 5] .   T hi s   i nn o v a t i v e   a ppr o a c h   i nc o r p o r a t e s   K a lm a n  s m o ot hi n g  to   m i t i ga t e   s e n s o r   f a u l t s   by   c o r r e c t i n g   e r r o n e o us   r e a di n gs   f r o m   c o n t i n uo us   gl u c o s e   m o ni t o r i n g   ( C GM )   de vi c e s   t h a t   r e s u l t   f r o m   s e n s o r   i n a c c ur a c i e s .   Va r i o us   M L   t e c hni que s   we r e   e m p l o y e d  o n   a   uni q ue   T 1D   da t a s e t,   c o n s i s t i n g  o f   29, 601  r e c o r ds   f r o m   47  i n d i v i dua l s   [ 6] .   Un e x pe c t e dl y ,   t h e   m o s t   e f f e c t i v e   pr e d i c t or ,   whi c h   c o m bi ne d  t wo   Ga us s i a n   P r o c e s s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2 5 0 2 - 4 7 52   In do n e s i a n   J   E l e c   E n g   &   C o m p  S c i ,  Vo l .   3 8 ,   N o .   2 ,  M a y   20 2 5 :   1 339 - 1 35 2   1340   R e gr e s s i o n   m o de l s ,   pr o duc e d  s ur pr i s i ng ly   i na c c ur a t e   r e s ul t s .   T hi s   o ut c o m e   im p li e s   t h a t   t h e   s t a n da r d  d i a b e t e s   d i a r y   i nf o r m a t i o n ,   r o u t i ne ly   g a t h e r e d,   m i g h t   b e   i ns u f f i c i e n t   f o r   de v e l o p i ng  pr e c i s e   bl o o d  g l uc o s e   f o r e c a s t i ng   m o de l s .   T h e   s t ud y   i n   [ 7]   e m p l o y e d  a   da t a s e t  o f   124  C GM   tr a c e s   ga t h e r e d  o v e r   a   10 - da y   pe r i o d  us i n g   t h e   m o s t  r e c e n t   De x c o m   G6  s e ns o r .   T h e   r e s e a r c h e r s   e va l u a t e d  30   di s t i n c t   l i ne a r   a n d  n o nli ne a r   pr e d i c t i v e   a l go r i t hm s ,   i nc l ud i ng  e s t a bli s h e d  m e t h o ds   s uc h   a s   AR I M A   a nd  v a r i o us   ML   a ppr o a c h e s   l i ke   S VR ,   RF ,   F NN N,   a n d  L S T M   n e t wo r ks .   T h e   f i nd i ngs   i nd i c a t e d  s i m il a r   a c c ur a c y   l e v e l s   b e t we e n   t h e   m o s t  e f f e c t i v e   l i ne a r   a l go r i t hm   ( A R I M A )   a n d  t h e   to p - pe r f o r m i ng  n o nli ne a r   a l go r i t hm ,   pa r t i c u l a r ly   i n   t e r m s   o f   hy po g l y c e m i a   de t e c t i o n .   B ot h   m e t h o ds   de m o ns t r a t e d   c o m pa r a bl e   pr e c i s i o n   a n d  r e c a l l   r a t e s ,   wi t h   AR I M A   a c hi e vi ng  64%   pr e c i s i o n ,   82%   r e c a l l ,   a n d   o n e   f a l s e   a l a r m   da il y ,   w hil e   S VR   s h o we d  63%   p r e c i s i o n ,   69%   r e c a l l ,   a n d  0. 5  f a l s e   a l a r m s   pe r   da y .   T o  a i m   o f   pr e d i c t i n g  bl o o d  gl uc o s e   l e v e l s   i n  pe o p l e   wh o   h a v e   T1 D ,   a   s t udy   [ 8]   ut i l i z e d  t w o   di f f e r e n t   n e ur a l   ne t wor k  a pp r o a c h e s :  a n   o p t i mi z e d  f e e d - f o r wa r d   n e ur a l   ne t wor k  ( F F NN )   a n d  a   pr o p o s e d  o p t i m a l  n o nli ne a r   a ut or e gr e s s i ve   ne ur a l   ne t wor k.   T h e   pr e d i c t i o n   t i m e f r a m e   r a n ge d  f r o m   15  t o   30  m i nut e s .   T h e   m o de l s   we r e   t r a i n e d  a n d  v a li da t e d  us i ng  s im u l a t e d  C GM   d a t a   ge n e r a t e d  by   A I D A ,   a   m a t h e m a t i c a l   d i a b e t e s   s im u l a t o r .   An o t h e r   s t udy   [ 9]   e x a m i ne d  a n   i nn o v a t i v e   m u l t i - c o m po n e n t   de e p  l e a r ni ng  m o de l   f o r   pr e d i c t i n g   l e v e l s   of   bl o o d  g l uc o s e   i n   m u l t i p l e   s t e ps   a h e a d.   T h e   m o de l   u n de r we n t   c o m pr e h e n s i ve   qua n t i t a t i v e   a n d  qua li t a t i v e   a s s e s s m e n t   ut i li z i ng  a c t ua l   bl o o d  g l uc o s e   da t a   f r o m   97  pa t i e n t s .   A dd i t i o na l ly ,   a   s t ud y   [ 10]   i n t r o duc e d  a   Di l a t e d  R NN   f o r   pr o j e c t i n g  g l uc o s e   l e v e l s   w i t h   a   30   m i nut e s   ho r i z o n .   T hi s   m e t h o d  de m o ns t r a t e d  s upe r i o r   pe r f o r m a nc e   c o m pa r e d  to  e xi s t i n g  a l go r i t hm s ,   i n c l ud i ng  C NN ,   S VR ,   a n d  A uto r e gr e s s i v e   m o de l s   ( A R X) .   T h e   s t ud y   e m p h a s i z e d  t h e   e f f i c a c y   o f   d i l a t e d  c o n ne c t i o n s   i n   e nh a n c i ng  g l uc o s e   f o r e c a s t i n g  pr e c i s i o n .   Ş a hi n   a n d  Ay d ı n   [ 11]   de v e l o pe d  a n   a r t i f i c i a l   n e ur a l  n e t wor k  to  f o r e c a s t   l e ve l s   of   bl o o d  gl u c o s e   f o r   30   mi nut e s   to   60   m i nut e s   i n t e r v a l s .   T he   ne t wor k   wa s   t r a i n e d  ut i l i z i ng  p hy s i o l o g i c a l   m o de l s   f o r   i ns u li n  a d m i n i s t r a t i o n ,   c a r b o hy dr a t e   c o n s u m pt i o n ,   a n d  e xe r c i s e ,   i n   c o nj u n c t i o n   w i t h   hi s t o r i c a l   C G M   da t a   f r o m   s ix  i nd i v i dua l s   w i t h   T 1D.   T hi s   a ppr o a c h   o f f e r s   r e duc e d  c o m put a t i o n a l   c o m p l e x i t y   c o m pa r e d  to  de e p   l e a r ni ng   m e t h o ds ,   r e n de r i n g  i t   s ui t a bl e   f o r   i m p l e m e n t a t i o n   on   po r t a bl e   o r   e m b e dd e d  s y s t e m s .   T h e   m o de l   a i m s   to  c a p t ur e   pa t i e n t s ’   p hy s i o l o g i c a l   pa t t e r n s   a n d  ge n e r a t e   a c c ur a t e   p r e d i c t i o ns   dur i n g  m o ni t o r i n g.   A   s e pa r a t e   i nv e s t i ga t i o n   [ 12]   e m p l o y e d  a   R NN   t r a i n e d  e n d - to - e n d  f o r e c a s t   t h e   l e v e l s   o f   g l uc o s e   i n  t h e   bl o o d  up  to   a n   h o ur   i n   a d v a nc e .   T hi s   m e t h o d  e l im i na t e s   t h e   n e c e s s i t y   f o r   f e a t ur e   e n g i n e e r i ng   or   da t a   pr e pr o c e s s i ng,   t h e r e by   e nha n c i ng  c o m put a t i o n a l   e f f i c i e nc y .   F u r t h e r m o r e ,   t h e   m o de l   pr o vi de s   a   c onf i de n c e   m e a s ur e   f o r   pr e di c t i o ns ,   a s s i s t i n g  us e r s   i n   i n t e r pr e t i n g  t h e   f o r e c a s t e d  v a l ue s .   T h e   s t ud y   e v a l ua t e d  t hi s   a ppr o a c h   us i n g  s t a n da r d  m e t r i c s   s uc h   a s   r o ot   m e a n   s qua r e   e r r o r   ( R M S E )   a n d  a   g l uc o s e - s pe c if i c   m e a s ur e   t e r m e d  t h e   s ur v e il l a n c e   e r r or   g r i d  ( S E G) .   An   a l t e r n a t i v e   s t ud y   [1 3]   c o n s t r uc t e d  a   C NN   m o de l   ut i li z i ng  c a us a l   d i l a t e d  C NN   l a y e r s   a n d  W a ve Ne t   a l go r i t hm s .   T hi s   m o de l   e m p l o y e d  f o ur   i n put   f i e l ds   f r o m   t h e   O hi o T 1DM   da t a s e t ,   wi t h   t a r ge t s   r e pr e s e n t i n g  g l uc o s e   c h a n ge s   o v e r   a   30 - m i nut e   s pa n An   e va l ua t i o n   o f   t h e   m o de l ’ s   pe r f o r m a n c e   wa s   c a r r i e d  o u t   wi t h   t h e   s uppo r t   o f   t h e   R M S E ,   a n d  t h e   a v e r a ge   o f   t h e   b e s t   R M S E   b e t we e n   6   pa t i e n t s   wa s   r e por t e d  to  b e   21. 72.   T h e   us e   o f   t h e s e   m o de l s   h a s   n o t  b e e n   i m p l e m e n t e d   f o r   m a k i ng  c l i n i c a l   d e c i s i o n s   i n   d i a b e t e s   c a r e .     T h e   o nl y   k n o wn   a pp li c a t i o n   o f   M L   - b a s e d  pr e d i c ti ve   m o de l s   a ppe a r s   to   b e   i n   ge n e r a t i n g  a l e r t s   f o r   pot e n t i a l   upc o m i ng  hy po g l y c e mi c   e v e n t s   [ 14] .  On e   s i g nif i c a n t   l im i t a t i o n   i s   t h a t   t h e r e   a r e   n o   c l i n i c a l   e x p lan a t i o ns   pr o vi de d  f o r   t h e   gl u c o s e   t r a j e c to r y   t h a t   wa s   pr e di c t e d.   M or e o v e r ,   ML   m o de l s   o f t e n   o v e r pr e d i c t   hy po gly c e mi a   a n d  un de r pr e d i c t   hy pe r g ly c e mi c   po i n t s   i n   t h e   f o r e c a s t e d  gl uc o s e   tr a j e c t or y   [ 15] .  T h e   di s c u s s i o n   n o w  t ur n s   to  e x a mi n i ng  t h e   n a t ur e   o f   phy s i o l o g i c a l   i n t e r pr e t a t i o n   t h a t   c o n t r i b ut e s   to  t h e r a pe ut i c   de c i s i o n - m a k i ng.     T o  i ll us t r a t e   t h i s   c o n c e pt ,   we   c o n s i de r   m o de l s   de ve l o pe d  f o r   di a b e t e s   m a n a ge m e n t   de c i s i o n s .   T h e   s t ud y   [ 16]   s ugge s t s   t h a t   n um e r o us   p r e di c t i ve   m o de l s   o f   g l u c o s e   dy n a mi c s ,   u t i li z e d  f o r   i ns u l i n  do s a ge   e s t i m a t i o n ,   a r e   c a us a l   a n d  f o r m u l a t e d  us i n g  m a t h e m a t i c a l   e qu a t i o n s .   T he s e   m o de l s ’   pa r a m e t e r s   r e pr e s e n t   s pe c i f i c   met a b o l ic   f e a t ur e s ,   p r o vi d i ng  phy s i o l o g i c a l   i ns i g h t s .   H o we v e r ,   s uc h   m a t h e m a t i c a l   m o de l s   f a c e   c h a ll e n ge s   i n   de t e c t i ng   c o m p l e x   pa t t e r n s   e m be dde d  w i t hi n   e x t e n s i ve   r e t r o s pe c t i v e   C GM   da t a ,   s i mi l a r   to  M L   m o de l s .   T o  d a t e ,   t h e r e   a ppe a r   to  b e   n o   a tt e m pt s   to   e x tr a c t  phy s i o l o g i c a l   i n t e r p r e t a t i o n s   f r o m   M L - b a s e d  f o r e c a s t i n g  a ppr o a c he s .   T h e   pr e c e d i n g  d i s c us s i o n   s ugge s t s   a   m e t h o d  to  e nh a n c e   t h e   e f f i c a c y   o f   M L   pr e d i c t i v e   m o de l s   i n  d i a b e t e s   m a n a ge m e n t .   A   m e t a b o l i c a l ly   s i g ni f i c a n t   pe r i o d  f o r   a n   i nd i vi du a l ’ s   phy s i o l o g y   t y p i c a l ly   s pa n s   t h r e e   ( 03)   to  s i x   ( 06)   h o ur s   o f   C GM   da t a .   B y   e x t r a c t i n g   a   s ub s t a n t i a l   po r t i o n   o f   t h e   pr e di c t e d  pr o f i l e   f r o m   a n   M L - b a s e d  m o de l   a n d  i n c o r po r a t i n g  i t   i n t o   a   pe r s o n a l ize d  m a t h e m a t i c a l   f r a m e wo r k  wi t h   c o n s t r a i n t s ,   i t   b e c o m e s   po s s i b l e   t o  r e c r e a t e   t h a t   s e g m e n t   w i t h   p hy s i o lo gi c a l   i n t e r pr e t a t i o n   a n d  c a us a l   r e a s o ni n g.   T he   c h o s e n   m a t h e m a t i c a l   f r a m e wo r k ’ s   s t r uc t ur e   di r e c t l y   inf l ue n c e s   t h e   qua l i t y   o f   t h e   a n t i c i pa t e d  phy s i o l o g i c a l   i n t e r pr e t a t i o n .   R e s e a r c h   h a s   s h o wn   t h e   a pp l i c a t i o n   o f   o pe r a t i o n s   r e s e a r c h   ( OR )   t e c h ni que s   o r   c o n s t r a i n e d   pr o g r a m mi ng  t o   c l i n i c a l   da t a .   F o r   e x a m p l e ,   Va hi d i  [ 17]   de m o ns t r a t e d  h o w  s e que n t i a l   qua dr a t i c   pr o gr a m mi ng,   a n   OR   m e t h o d,   c o ul d  b e   us e d  to   a s s e s s   o r ga n   d y s f un c t i o n   by   m o de li ng  g l uc o s e   d y na mi c s   i n   a   t y pe   2  di a b e t i c   ( T 2D)   pa t i e n t   us i n g  c l i n i c a l   da t a .   F ur t h e r m o r e ,   B e n g i o   e t  al.   [ 18 ]   pr o vi de   a n   o v e r vi e w  o f   v a r i o us   s t r a t e gi e s   f o r   c o m bi n i ng  M L   a n d  OR   to   a ddr e s s   c o m p l e x   pr obl e m s .   I t  i s   i m po r t a n t  to  e m p ha s i z e   t h a t   s uc c e s s f u l   O R   a pp l i c a t i o n   r e qu i r e s   a   we l l - de f i ne d  m a t h e m a t i c a l   m o de l   [ 19] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n do n e s i a n   J   E l e c   E n g  &   C o m p  S c i     I S S N:   2 5 0 2 - 4 7 52         A   nov e l   appr oac h  f or   ge ne r ati ng  phy s iol ogical  int e r pr e tat ions   f r om  mac hine  …   ( M d.   J ahir ul  I s lam )   1341   T hi s   r e s e a r c h   im p l e m e n t s   t h e   s ugge s t e d  a ppr o a c h   to   c r e a t e   a   c o m bi ne   m o de l   t h a t   i n t e gr a t e s   a   n u m be r   o f   b e n e f i t s   a s s o c i a t e d  w i t h   da t a - dr i ve n   a n d  p hy s i o l o g i c a l   a ppr o a c h e s   F i gur e   1.   T h e   s t r a t e gy   e m p l o y s   OR   t e c h ni que s   i n  c o nj u n c t i o n   w i t h   M L   f o r e c a s t i n g.   S pe c i f i c a ll y ,   a   F F NN   pr e d i c t i o n   m o de l   i s   d e v e l o pe d  us i n g   C GM   da t a ,   di e t a r y   i nf o r m a t i o n ,   a n d  a c t i vi t y   l o g s   f r o m   a   T 2D  pa t i e n t   to   ge n e r a t e   M L - b a s e d  pr e d i c t i o n s .   S i m u l t a n e o us l y ,   a   c o n s t r a i n t   b a s e d  p hy s i o l o g i c a l   f r a m e wo r k  f o r   h a n d li ng  g l uc o s e ,   pr e vi o us ly   de v e l o pe d  a n d   v a li da t e d  i n   a   s e p a r a t e   s t udy ,   i s   ut i li z e d  f o r   OR   [ 20] .   T h i s   m o de l   c a pt ur e s   t h e   m e t a b o l i c   s a t ur a t i o n   r e l a t i o n s hi p   b e t we e n   p l a s m a   v a r i a bl e s   ( i n c l ud i ng  g l uc o s e ,   i ns u l i n ,   a n d  g l uc a go n )   a n d  m e t a b o l i c   pr o c e s s   r a t e s   us i n g  a   hy pe r b o l i c   t a n ge n t   f u n c t i o n .   T h e   e n t i r e   da t a s e t  o f   a c t ua l   C GM   r e a d i n gs   a n d  pr oto c o l   i nf o r m a t i o n   i s   us e d  to  o p t i mi z e   t h e   m o de l   o n   a   s e g m e n t - by - s e g m e n t   b a s i s ,   e s t i m a t i n g  t h e   m a g ni t ude   o f   hi g he r   s a t ur a t i o n   c o n s t r a i n t s .   Af t e r   de t e r m i n i ng  t h e   f i na l   hi g h e r   s a t ur a t i o n   c o n s t r a i n t s ,   t h e   F F NN   m o de l ’ s   f o r e c a s t e d  s e que n c e s   a r e   opt i mi z e d   w i t hi n  t h e   s a m e   p hy s i o l o g i c a l   m o de l   u n de r   T he   g l uc o s e   c o n c e n t r a t i o n   pr o f i l e   w a s   r e pr o duc e d  w i t h   a   phy s i o l o g i c a l   b a s i s   r e l a t i v e   t o  t h e s e   de f i ne d  r e s t r i c t i o n s .           F i g ur e   1.   A   hy b r i d  pr e d i c t i o n   m o de l   f o r   bl o o d  gl u c o s e   dy n a mi c s       T h e   e n t i r e   pr o c e s s   i s   i ll us t r a t e d   i n   F i gur e   2.   R M S E   wa s   us e d   to  a s s e s s   t h e   di f f e r e n c e s   b e t we e n   t h e   t r a j e c t o r i e s   o f   OR   a n d  M L   f r o m   a c t ua l   C G M   da t a .   T h e   OR   r e s po n s e   s h o we d  a n   i nc r e a s e   i n   R M S E ,   whi c h   c a n  b e   a t t r i b ut e d  to   t h e   o p t i m i z a t i o n   pr o c e s s   i nv o l vi ng  m u l t i p l e   c o n s t r a i n t s   a n d  t h e   us e   o f   f e we r   p l a s m a   va r i a bl e s .   Ho we v e r ,   wh e n   c o m pa r e d  t o   t h e   a c t ua l   g l uc o s e   pr of i l e ,   t h e   O R   r e s po n s e   yi e l de d  pr o m i s i ng  r e s u l t s   i n   t he   C l a r ke   e r r o r   g r i d  ( C E G )   a n a ly s i s ,   w i t h   m o s t   po i n t s   f a ll i ng  w i t hi n   t h e   c li n i c a ll y   a c c e pt a bl e   r e g i o n .   T h e   pa pe r ’ s   s t r uc t u r e   i s   a s   f o ll o ws :  s e c t i o n   2  pr o vi de s   i nf o r m a t i o n   a b o ut  t h e   da t a   s e t ,   M L   m o de l ,   t h e   s e l e c t e d  phy s i o l o g i c a l   m o de l ,   a n d  va r i o us   pa r a m e t e r s   a n d  c o n s t r a i n t s .   S e c t i o n   3  pr e s e n t s   t h e   R e s u l t s   o b t a i n e d   f r o m   t h e   pr o p o s e d  m o de l s .   S e c t i o n   4  o f f e r s   a   t h or ough   d i s c us s i o n   o f   t h e   e x pe r i m e n t a l   f i nd i ng s .   I n   c on c l u s i o n ,   t h e   wor k  i s   b r o ugh t   to  a   c l o s e   w i t h   c o n c l ud i ng  o b s e r v a t i o n s   i n   s e c t i o n   5.       2.   M E T HO D S   2 . 1.     Dat as e t   d e s c r ip t ion   I ni t i a l ly ,   A   F F NN   pr e d i c t i ve   m o de l   wa s   de ve l o pe d   a n d  v a li da t e d  us i n g  a   20 - da y   da t a s e t   f r o m   a   T 2D   pa t i e n t .   T hi s   da t a s e t,   r e f e r e n c e d  i n   a   s t udy   by   R o l li n s   e t  al.   [ 19] ,   i n c l ude d  C GM   da t a ,   phy s i c a l   a c t i vi t y  r e c o r ds ,   a n d  c a r b o hy dr a t e   ( C HO )   i n t a ke   e ve n t s .   T h e   C GM   da t a   un de r we n t   s m o ot hi n g  us i n g  M AT L AB   f u nc t i o ns ,   wi t h   t h e   r e s u l t s   di s p l a y e d  f o r   a     24 - h o ur   pe r i o d  i n   F i gur e   3.   A s   s h o wn   i n   F i gur e   4,   c a r b o hy dr a t e   c o n s u m pt i o n   e v e n t s   we r e   r e c o r de d   a s   di s c r e t e   o c c ur r e n c e s   w i t hi n   t h e   da t a s e t .   T o  r e pr e s e n t   gl uc o s e   a ppe a r a n c e   f r o m   t h e   gu t   a s   a   c o n t i n uo us   phy s i o l o g i c a l   s i g na l ,   t h e   c a r b o hy dr a t e   qua n t i t y   wa s   t r a n s f o r m e d  us i n g  a   f a r m wo r k   c r e a t e d  by   E l s h o f f   e t  al .   [ 21] .   T h e   s e ns e   we a r   a r m b a n d ’ s   p hy s i c a l   a c t i vi t y   da t a   wa s   c o n ve r t e d  i n t o  a   c o n t i n uo us   s i g n a l   F i gur e   5  us i ng   a   di f f e r e n t i a l   e qua t i o n   o f   pe r c e n t a ge   o f   t h e   m a xim u m   v o l u m e   o f   o xy ge n   ( P VO 2 m a x )   f r o m   e xi s t i n g  l i t e r a t ur e   [ 22] .   T hi s   c o n t i n uo us   phy s i c a l   a c t i vi t y   s i g n a l   s h o we d  a   c o r r e l a t i o n   c o e f f i c i e n t   o f   - 0. 00896  wi t h   C GM   da t a ,   w i t h   t h e   n e ga t i v e   s i g n   i n d i c a t i n g  a n   i nv e r s e   r e l a t i o n s hi p  b e t we e n   C G M   a n d  o n - b o a r d  a c t i vi t y .   Due   to  t h e   we a k  c o r r e l a t i o n   b e t we e n   a c t i vi t y   da t a   a n d  C GM ,   a   n e w  s y n t h e t i c   a c t i vi t y   s i g n a l   F i gur e   6  wa s   c r e a t e d   f o r   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2 5 0 2 - 4 7 52   In do n e s i a n   J   E l e c   E n g   &   C o m p  S c i ,  Vo l .   3 8 ,   N o .   2 ,  M a y   20 2 5 :   1 339 - 1 35 2   1342   e x pe r im e n t a l   pur po s e s   i n   t hi s   s t ud y .   T hi s   s y n t he t i c   s i g na l   d e m o n s t r a t e d  a   c o r r e l a t i o n   c o e f f i c i e n t   o f   - 0. 1123  w i t h   C GM   da t a .   T h e   us e   o f   s y n t h e t i c   a c t i vi t y   s i g n a ls   do e s   n ot   c o m pr o m i s e   t h e   va l i d i t y   o f   t h e   r e s e a r c h   f i nd i ng s.           F i g ur e   2.   T h e   pr o c e s s   o f   c a r r y i n g  o ut  OR   o n   M L - ba s e d  g l uc o s e   pr e d i c t i n g  m e t h o d           F i gur e   3 .  C o n t i n uo us   g l uc o s e   m o ni t o r i n g  da t a   o f   a   T 2D  pa t i e n t   o v e r   t we n t y   ( 20 )   da y s           F i gur e   4 .  L o gge d   di e t   e v e n t s   o f   a   T 2D  pa t i e n t   o v e r   t we n t y   ( 20 )   da y s           F i gur e   5 .  Da i ly   pa t t e r n   o f   phy s i c a l   a c t i vi t y   ( % VO 2m a x )   o v e r   20   da y s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n do n e s i a n   J   E l e c   E n g  &   C o m p  S c i     I S S N:   2 5 0 2 - 4 7 52         A   nov e l   appr oac h  f or   ge ne r ati ng  phy s iol ogical  int e r pr e tat ions   f r om  mac hine  …   ( M d.   J ahir ul  I s lam )   1343       F i gur e   6 .  S y n t h e t i c   a c t i vi t y   pr o f il e   o v e r   20  da y s       2. 2 .    B u il d in g  t h e   M L   m od e l     A   r e vi e w  o f   t h e   l i t e r a t ur e   r e v e a l e d  t h a t   F F NN s   we r e   t h e   pr e f e r r e d  c h o i c e   f o r   de v e l o p i ng  pr e d i c t i ve   m o de l s   t o  f o r e c a s t   s h o r t - t e r m   g l uc o s e   l e v e l s .   C o n s e que n t l y ,   t hi s   s t ud y   e m p l o y e d  F F NN s   to   c r e a t e   a   M L   m o de l   us i n g  t h e   pr e vi o us ly   de s c r i be d  da t a s e t.   T h e   M L   m o d e l   s t r uc t ur e ,   s h o wn   i n   F i gur e   7,   wa s   de t e r mi ne d  b y  a n a ly z i ng  pr i o r   m o de l   a r c hi t e c t ur e s   a n d  e v a l ua t i ng  t h e   c o r r e l a t i o n   b e t we e n   s e que n c e s   i n   t h e   d i a b e t i c   da t a s e t .   T h e   F F NN   m o de l   c o r r e l a t e s   g l uc o s e   da t a   a t   t i m e   t + N  w i t h   g l uc o s e   l e v e l s   a n d  t h e   s u m   o f   c a r b o hy dr a t e   i n t a ke   a n d  p hy s i c a l   a c t i vi t y   f r o m   t i m e   t   to   t - 5.   N   de n otes   t h e   n u m be r   o f   t i m e   po i n t s ,   c a l c u l a t e d  by   d i v id i n g  t h e   pr e d i c t i o n   h o r i z o n   ( P H)   by   t h e   s a m p li ng  f r e que n c y .   T h e   m o de l   a l s o   i nc o r p o r a t e s   t i m e s t a m p s   to  a c c o un t  f o r   da i ly   f l uc t ua t i o ns   i n   p l a s m a   g l uc o s e   c o n c e n t r a t i o n.   T h e   F F NN   de s i g n   i s   m a de   up  o f   a   s i n g l e   c o n c e a led  l a y e r   t h a t  h a s   10  n e ur o n s   a n d  a   l a y e r   f o r   o u tpu t   t h a t  c on t a i n s   a   s i ng l e   n e ur o n ,   us i n g  hy pe r b o l i c   t a n ge n t   a n d  l i ne a r   a c t i v a t i o n   f u nc t i o ns ,   r e s pe c t i ve l y .   O n   a   tot a l   o f   f i f t e e n   da y s ’   wo r t h   o f   da t a ,   t h e   B a y e s i a n   R e gu lar i z a t i o n   B a c kpr o pa ga t i o n   a l go r i t hm   wa s   ut i li z e d  t o  t r a i n   t he   pr e d i c t i v e   a l go r i t hm ,   a n d  t h e   r e m a i n i ng  i nf o r m a t i o n   we r e   ut i li z e d  f o r   t e s t i n g  pur p o s e s   [ 23] .   T h e   pr e de f i ne d  s e tt i n gs   o f   t h e   “ f i t n e t ”   pr o g r a m   c a n   b e   f o un d  i n   t h e   M A T L AB   too l b o x .     2. 3 .    De s c r ip t ion   of   t h e   ad op t e d   p h ys iol ogica l   m od e l     T hi s   s e c t i o n   pr e s e n t s   a   c o n c i s e   s u mm a r y   o f   t h e   c o n s t r a i n t - b a s e d  m a t he m a t i c a l   m o de l   [ 20]   ut i l i z e d  in  t h e   pa pe r .   T h e   m o de l ,   r oot e d   i n   bl o o d  gl uc o s e   r e gu l a t i o n   phy s i o l o g y   [ 24] ,   r e c o gni z e s   t h a t  gl uc o s e   a n d  h o r m o n e   c o n c e n t r a t i o ns   i n   p l a s m a   r e f l e c t   t h e   c u m u l a t i v e   e f f e c t s   o f   c ha n ge s   i n   m e t a b o l i c   r a t e s ,   whi c h   a r e   i n   t u r n   s i g nif i c a n t l y   a f f e c t e d  by   t h e s e   s a m e   c o n c e n t r a t i o n s .   T hi s   r e c i pr o c a l   i n t e r a c t i o n   c r e a t e s   a   m e t a b o l i c   e c o s y s t e m ,   il l us t r a t e d  i n   F i gur e   8.   T hi s   e c o s y s t e m   f u nc t i o ns   w i t hi n   a   f r a m e wo r k  o f   r a t e - b a l a n c e - c o n c e n t r a t i o n   pr i nc i p l e s .   T h e   m o de l   c o n s i s t s   o f   f o ur   c o m pa r t m e n t s ,   i n c l ud in g  t h r e e   p l a s m a   v a r i a bl e s   ( g l uc o s e ,   i ns u li n ,   a n d  g l uc a go n )   a n d  e i g h t   m e t a b o l i c   pr o c e s s   r a t e s .   E x t e r n a l   f a c to r s   li ke   e x e r c i s e   d i r e c t l y   a f f e c t   t h e s e   m e t a b o l i c   pr o c e s s e s .   A   hy pe r b o l i c   t a n ge n t   f u n c t i o n ,   s h o wn   i n   F i gur e   9  [ 25] ,   c h a r a c t e r i z e s   t h e   c o n n e c t i o n   b e t we e n   p l a s m a   v a r i a bl e s   a n d  m e t a b o l i c   pr o c e s s   r a t e s .   T hi s   f u nc t i o n   i s   e m p l o y e d  f o r   t w o  m a i n   r e a s o ns   w i t hi n  t h e   r a t e - b a l a n c e   c o n c e n t r a t i o n   m o de l .   F i r s t ly ,   i t   e n a bl e s   t h e   i n c o r po r a t i o n   o f   c l i ni c a l   a n d  s a t ur a t i o n   c o n s t r a i n t s .   S e c o n d,   i t   a l l o w s   f o r   t h e   r e p r e s e n t a t i o n   o f   a   m e t a b o l i c   s pe c t r um   t h a t   i ll u s t r a t e s   h o w  pl a s m a   v a r i a bl e s   i nf l ue n c e   m e t a b o l i c   pr o c e s s e s ,   f a c i li t a t i n g  p hy s i o l o g i c a l   i n t e r pr e t a t i o n .           F i gur e   7 .  A r c hi t e c t ur e   o f   F F NN   b a s e d  pr e d i c t i v e   m o de l   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2 5 0 2 - 4 7 52   In do n e s i a n   J   E l e c   E n g   &   C o m p  S c i ,  Vo l .   3 8 ,   N o .   2 ,  M a y   20 2 5 :   1 339 - 1 35 2   1344       F i g ur e   8.   A   pa r a d i g m   o f   g l uc o s e   d y na m i c s   ba s e d  o n   r a t e - b a l a nc e - c o n c e n t r a t i o n           F i g ur e   9.   A   s i g m o i d  r e l a t i o n s hi p  t a ke s   p l a c e   b e t we e n   t h e   c o n c e n t r a t i o n   a n d  t h e   e f f e c t s       T h e   phy s i o l o g i c a l   s t r uc t u r e   o f   t h e   a do p t e d   m o de l   i s   pr e s e n t e d  i n   t a b u l a r   f o r m a t   i n   T a bl e   1.   E a c h   c e ll   w i t hi n   t h e   t a bl e   s pe c i f i e s   t h e   n a t ur e   o f   t h e   hy p e r b o l i c   t a n ge n t   f u n c t i o n   r e pr e s e n t i n g  t h e   e f f e c t   o f   c o r r e s po n d i n g   p l a s m a   v a r i a bl e s   o r   e x t e r n a l   s t i m u li   o n   t h e   r e l e v a n t   pr o c e s s   r a t e .       = ( + ) 2 + ( − ) 2   × ta nh (   × ( − + ) )   ( 1)     I n   t hi s   c o n t e x t ,   X   de n o t e s   t h e   c o n c e n t r a t i o n   o f   g l uc o s e ,   i ns u l i n,   g l uc a go n ,   o r   e x e r c i s e .   T h e   t e r m   “ Ex ”   s i g nif i e s   t h e   im pa c t   o f   X  o n   t h e   r a t e   o f   a   s p e c i f i c   m e t a b o l i c   pr o c e s s ,   a s   de p i c t e d  i n   F i gur e   8.   E x   in duc e s   a   m u l t i p l i c a t i v e   i nf l ue n c e   o n   t h e   b a s a l   r a t e   o f   e a c h   m e t a b o l i c   pr o c e s s .       T a bl e   1.   T h e   m e t a b o l i c   r e l a t i o n s hi p  a m o n g  p l a s m a   a tt r i b ut e s   a n d  t h e   pr o c e s s e s   o f   m e t a b o l i s m   w i t hi n  t h e   l o g i c a l   c o m pa r t m e n t s   c o n s i de r e d   P la s ma   v a r ia bl e s   L i v e r   M us c le   ti s s ue   P a nc r e a s   P la s ma   c o mp o und    M e ta bo li c   o p e r a ti o ns   R e le a s e   of   g lu c o s e     U pt a ke   of   g lu c o s e   U pt a ke   of   g lu c o s e     S e c r e ti o n  of   i ns ul in     S e c r e ti o n  of   g lu c a g o n    D e gr a da ti o n  of   i ns ul in     U pt a ke   of   n e r ve   U pt a ke   of   R B C   G lu c o s e   mo l e c ul e s                   S ubs ta nc e   i ns ul in                   H o r m o n e   g lu c a g o n                   E xe r c is e                     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n do n e s i a n   J   E l e c   E n g  &   C o m p  S c i     I S S N:   2 5 0 2 - 4 7 52         A   nov e l   appr oac h  f or   ge ne r ati ng  phy s iol ogical  int e r pr e tat ions   f r om  mac hine  …   ( M d.   J ahir ul  I s lam )   1345   2 . 3. 1 .  Gl u c os e   d yn am ics   -   R e l e a s e   o f   l i ve r   g l uc o s e :  A do pt i o n   R a t e   o f   HT P   =   r a t e   o f   b a s a l   ×   E g l uc o s e ×   E g l uc a go n   ×   E i n s u li n;       -   Up t a ke   o f   g l uc o s e   by   t h e   l i ve r :  HPT   Up t a ke   R a t e   =   r a t e   o f   b a s a l   ×   E i ns u l i n  ×   E g l uc o s e ;           -   M us c l e   bl o o d  gl uc o s e   upt a ke :  A do p t i o n   R a t e   o f   M T =   r a t e   o f   b a s a l   ×   E g l uc o s e   ×   E e x e r c i s e   ×   E i n s u li n;     -   Up t a ke   o f   g l uc o s e   by   t h e   c e n t r a l   n e r v o us   s y s t e m :   A do pt i o n   R a t e   o f   NS  =   r a t e   o f   b a s a l   ×   E g l uc o s e ;     -   R e d  bl o o d  c e l l   g l uc o s e   upt a ke :  A do p t i o n   R a t e   o f   R B C   =   r a t e   o f   b a s a l   ×   E g l uc o s e ;           -   Ur i n a t i o n   g l uc o s e   e x t r a c t i o n :  R a t e   o f   S p i ll i ng  Ur in e   =   0. 5  ×   ( l e v e l   o f   g l u c o s e   -   c u to f f ) ;     -   Ne t   C h a n g e   =   P r e s e n c e   R a t e   o f   t h e   GU T   +   D i s c ha r ge   R a t e   o f   HPT   –   A do pt i o n   R a t e   o f   HPT – A do pt i o n   -   -   -   R a t e   o f   M T   –   A do p t i o n   R a t e   o f   NS  –   R a t e   o f   S p i ll i ng  Ur i n e   –   A do pt i o n   R a t e   o f   R B C ;         -   P l a s m a   G l uc o s e   S to r a ge   =   I ni t i a l   P l a s m a   G l uc o s e   L e v e l   +   ∫ Ne t   C h a n g e     -   P l a s m a   G l uc o s e   C o n c e n t r a t i o n   =   P l a s m a   G l uc o s e   S to r a ge   /   ( V o l u m e   o f   D i s t r i b ut i o n   ×   10) ;     -   V o l u m e   o f   D i s t r i b ut i o n   =   20%   ×   ( B o dy   W e i g h t ) ;     2 . 3. 2 .  I n s u l in   d yn am ics   -   R e l e a s e   o f   i ns u l i n  f r o m   t h e   pa nc r e a s :  I _  R e l e a s e   R a t e   =   r a t e   o f   ba s a l   ×   E g l uc o s e   ×   E c h a n ge   -   E c h a n ge   =   ( a + b ) /2+( a - b ) /2  ×   t a nh   ( c   ×   ( C h a n ge   t h e   l e v e l s   o f   pr e s e nc e   g l uc o s e   –   B a s a l   +   d) ) ;     -   De pl e t i o n   o f   i ns u li n  i n   p l a s m a :  I _  De pl e t i o n   R a t e   =   0. 075   ×   ( Am o un t   o f   Ne t   I n s u li n )   ×   E e x e r c i s e ;     -   Ne t   C h a n g e   =   I _  R e l e a s e   R a t e   –   I _  De pl e t i o n   R a t e   + I _P r e s e n c e   R a t e ;     -   T ot a l   I n s u li n  =   I ni t i a l   P l a s m a   I n s u li n   L e v e l   +   ∫   Ne t   C h a n ge ;       -   P l a s m a   I n s u li n   C o n c e n t r a t i o n   =   T ot a l   I n s u li n   /  V o l u m e   o f   D i s t r i b ut i o n .       -   V o l u m e   o f   D i s t r i b ut i o n   =   20%   ×   ( B o dy   W e i g h t ) ;   -   A ppa r e n t   c o n c e n t r a t i o n   o f   g l u c o s e   =   P l a s m a   G l u c o s e   L e v e l   +   P r e s e n c e   R a t e   o f   t h e   GU T   ×   0. 20;   -   P e r c e i v e d  g l uc o s e   c h a n ge   =   ( A ppa r e n t   c o n c e n t r a ti o n   o f   g l uc o s e   ( t)   –   A ppa r e n t   c o n c e n t r a t i o n   o f   g l uc o s e   ( t - 1) ) /0. 1;   T h e r e ,   a   t i m e s t a m p  i s   de n o t e d  by   t .     2 . 3. 3 .  Gl u c agon   d yn am ics   -   R e l e a s e   o f   pa nc r e a t i c   g l uc a go n :  G _  R e l e a s e   R a t e   =   r a t e   o f   b a s a l   ×   E g l uc o s e ;   -   De gr a da t i o n   o f   g l uc a go n :  G_  De p l e t i o n   R a t e   =   0. 20  ×   ( Ne t   P l a s m a   G l u c a go n   Am o u n t ) ;   -   Ne t   C h a n g e   =   G_  R e l e a s e   R a t e   –   G_  De pl e t i o n   R a t e ;   -   P l a s m a   G l uc a go n   C o nc e n t r a t i o n   =   T ot a l   G l u c a go n   /  Vo l u m e   o f   D i s t r i b ut i o n .     -   V o l u m e   o f   D i s t r i b ut i o n   =   20%   ×   ( B o dy   W e i g h t ) ;          -   A c c o r di n g  to  [ 24 ] ,   t h e   b a s a l   r a t e s   o f   a   n u m b e r   o f   dif f e r e n t   m e t a b o l i c   pr o c e s s e s   a n d  c o n s t a n t s   we r e   o b ta i n e d.       2 . 3. 4 .   P ar am e t e r   an d   c on s t r ain t   e s t im at ion   T h e   p hy s i o l o g i c a l   f r a m e wo r k   d y n a mi c s   i nv o l ve   14  e f f e c t s   a n d  56  a d j us t a bl e   a t t r i b ut e s .   H o we v e r ,     by   ut i li z i ng  phy s i o l o g i c a l   k n o w l e dge   a n d  i n s i g h t s   f r o m   n u m e r o us   o p t i mi z a t i o n   a tt e m pt s ,   i t   b e c a m e   c l e a r   t h a t  s o m e   a tt r i b ut e s   c a n   b e   a s s u m e d  w i t h o ut   t h e   o p t i mi z a t i o n   pr o c e s s .   T h e s e   i nc l ude d   pa r a m e t e r s   l i nk e d  to   t h e   s m a l l e s t   e f f e c t   m a g ni t ude   f o r   a   s pe c if i c   p l a s m a   v a r i a bl e ’ s   c o n c e n t r a t i o n   b a s e d  o n   a   s pe c if i c   r a t e   o f   t h e   pr o c e dur e ,   e i t h e r   t h e   ‘ a ’   o r   ‘ b ’   pa r a m e t e r   i n   t h e   e qua t i o n   whi c h   de s c r i be s   t h e   hy pe r b o l i c   t a n ge n t   e f f e c t     F i gur e   9 .  A   f ur t h e r ,  s uc h   a tt r i b ut e   wa s   ‘ d ’ ,  t h a t   de t e r m i ne d  t h e   pl a s m a   v a r i a bl e   c o n c e n t r a t i o n ’ s   o pe r a t i n g  r a n ge   mi dpo i n t .   A s   a   r e s u l t ,   e x c l ud i ng  t h e s e   a s s u m a bl e   pa r a m e t e r s ,   o nl y   24   a t t r i b ut e s   n e e de d  t o  b e   o p t i mi z e d  a n d   f i ne - t un e d  o v e r   t h e   e n t i r e   e x p e r i m e n t a l   da t a s e t .    T h e s e   t a r ge t e d   a tt r i b ut e s   i n c l ude d  t h e   hi g h e s t   e f f e c t   m a g ni t ude   e qua t i o ns   ( ‘ a ’ / ’ b ’   pa r a m e t e r )   a n d  t h e   t r i gge r   s l o pe   ( ‘ c ’ ) .   T h e   pa r a m e t e r   e s t i m a t i o n   o p t i mi z a t i o n   pr o bl e m   b e ga n   w i t h   pr e de t e r m i ne d  ba s a l   a n d  i ni t i a l  s t a t e   v a r i a bl e   va l ue s ,   a c c o r di n g  t o   da t a   a n d  un de r l yi ng  a s s u m pt i o n s .   T h e   o p t i mi z a t i o n   pr o c e s s   i nv o l v e d   a pp l yi ng  c o n s t r a i n t s   to   t h e   c h o s e n   m o de l   p a r a m e t e r s .    I n   e v e r y   c a s e ,   t h e   a tt r i b ut e s   ‘ a ’   or   ‘ b ’   e xhi b it e d  p o s i t i v e   v a l u e s .   Dur i n g  t h e   e s t i m a t i o n   o f   i nd i v i dua li z e d  c o n s t r a i n t s   a n d  s ubs e que n t   OR   i mp l e m e n t a t i o n ,   t h e   r a n ge   f o r   a tt r i b ut e s   w i t h   gr e a t e r   v a l ue s     ( ‘ a ’   n o r   ‘ b ’ )   wa s   de f i ne d  a s   o n e   to  i nf i n i t y .   P a r a m e t e r s   w i t h   l o we r   v a l ue s   we r e   de t e r m i ne d  b a s e d   o n   phy s i o l o g i c a l   k n o w l e dg e .   T h e   pa r a m e t e r   ‘ c ’   c o n s i s t e n t l y   d i s p l a y e d  n e g a t i ve   va l u e s   a c r o s s   a ll   e f f e c t   e qua t i o n s .   I t s   r a n ge   wa s   e s t a bli s h e d  t h r o ugh   e x t e ns i ve   e x pe r i m e n t a t i o n   a n d  r e f i ne m e n t .   X m   =   [ X b   –   ( ± d) ]   e n s ur e d  t h a t   ‘ d ’   r e pr e s e n t e d   wh e n   t h e   c o n c e n t r a t i o n   o f   t h e   s u bs t r a t e   i s   a t   i t s   m i dd l e   po i n t   wi t hi n   t h e   o pe r a t i o n a l   r a n g e ,   Xb   de n o t e d   c o n c e n t r a t i o n   o f   t h e   b a s a l .   C o n s e que n t l y ,   X m   r e m a i ne d  wi t hi n   t h e   i n t e r v a l   [ X1,   X2] .   I n   t h e   c o n t e x t  o f   n o nli ne a r   o p t i mi z a t i o n   i s s ue s   w i t h   c o n s t r a i n t s ,   t h e   o bj e c t i v e   f u n c t i o n  s e e ks   t o   r e duc e   t h e   o v e r a l l   d i s pa r i t y   b e t we e n   t h e   r e s u l t s   o f   t h e   m o de l   a n d  t h e   r e f e r e n c e   da t a   s o ur c e .  An   o pt i m a l   s e t   o f   m o de l   pa r a m e t e r s   pr o duc e s   r e s ul t s   t h a t  c l o s e ly   m a t c h   t h e   r e f e r e n c e   i nf o r m a t i o n .   T h e   o b j e c t i v e   f u n c t i o n  c a n   b e   e x pr e s s e d  a s   f o l l o ws :        ∑ ( | −  | ) = 1   ( 2)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2 5 0 2 - 4 7 52   In do n e s i a n   J   E l e c   E n g   &   C o m p  S c i ,  Vo l .   3 8 ,   N o .   2 ,  M a y   20 2 5 :   1 339 - 1 35 2   1346   w h e r e         r e pr e s e n t s   c o n c e n t r a t i o n s   o f   t h e   p l a s m a   g luco s e   a t   t i m e   i ;   w hi l e          is   s i g nif i e s   t h e   pe r t i n e n t   c l i n i c a l   a s s e s s m e n t s .  ‘ n ’   r e pr e s e n t s   t h e   v o l u m e   o f   t h e   da t a ,   a n d  ϴ  de n o t e s   t h e   v a l ue   c o m pr i s i ng  f r a m e wo r k   a tt r i b ut e s .     2 . 3. 5 .   P e r f o r m in g  OR  on   M L   r e s p on s e   I n   a pp ly i ng  O R   to   M L - b a s e d  r e s po n s e s ,   t h e   f o r e c a s t e d  gl uc o s e   t r a j e c t o r i e s   w e r e   d i vi de d  i n t o   s e g m e n t s   c o r r e s po n d i n g  to  a   t h r e e - h o ur   P H .   E a c h   da y ’ s   f o r e c a s t e d  pr o f i l e   wa s   f ur t h e r   pa r t i t i o n e d  i n t o  e i g h t   i n t e r v a l s .   S ub s e qu e n t l y ,   e a c h   s e g m e n t   f r o m   a l l   i n t e r v a l s   wa s   s ubj e c t e d  to   o p t i m i z a t i o n   w i t hi n   t h e   c o n s t r a i n e d   m o de l ,   a l o n g s i d e   t h e   c a r b o hy dr a t e s   t h a t  a r e   pe r t i n e n t   o n   b o a r d ,  c o n t i n uo us l y   o c c ur r i n g  a c t i vi t y   s i g na l ,   a n d  pr e vi o u s ly  o u t l i ne d  i nd i vi du a l i z e d  l im i t a t i o ns   a n d  r e s t r i c t i o n s .   T he   o p t i mi z a t i o n   pr o bl e m   wa s   a ddr e s s e d  u s i n g  t he   pr o c e dur e   de t a i l e d  i n   t h e   pr e c e d i n g  s u b s e c t i o n .   S ub s e que n t l y ,   b ot h   t h e   o p t i mi z e d  r e s po n s e   ( OR   r e s pon s e )   a n d   t h e   M L   f o r e c a s t   o f   g l uc o s e   c o n c e n t r a t i o n   we r e   i n t e gr a t e d   f o r   c o m pa r i s o n   w i t h   t h e   a c t ua l   p l a s m a   gl uc o s e   c o n c e n t r a t i o n   s e que n c e .   E v a l ua t i o n   wa s   c o n duc t e d  us i n g  R M S E   a n d  C EG   a n a ly s i s   [ 26]   a s   pe r f o r m a n c e   m e t r i c s .     2 . 3. 6 .  I n   s il icon   op e r at ion s   f o r   t h e r ap e u t ic  d e c is ion     I n   m a k i ng  t h e r a pe ut i c   de c i s i o ns ,   t h e   e s t i m a t i o n   o f   C HO   i n t a ke ,   phy s i c a l   a c t i vi t y   i n t e ns i t y ,   o r   i n s u li n   do s a ge   i s   c r uc i a l   t o   c o n t r o l l i ng   l e v e l s   o f   p l a s m a   g luco s e   dur i n g   t h e   n o r m o g l y c e mi c   t h e   s c o pe   o f   f o r   a   s pe c i f i c   dur a t i o n .   C o n duc t i n g  m u l t i p l e   i n  s il i c o   o pe r a t i o ns   w i t hi n   t h e   o pt i m i z e d  phy s i o l o g i c a l   m o de l   a ll o w s   f o r   t h e   c a l i br a t i o n   o f   g l uc o s e   t r a j e c t or i e s   w i t hi n   a n   e x pe c t e d  r a n ge .   A s   a n   il l us t r a t i v e   e x a m p l e ,   t hi s   a r t i c l e   c o n duc t s   i n  s i li c o   o pe r a t i o ns   i nv o l vi ng  t h r e e   C HO   i n g e s t i o n   e v e n t s   ( 50g,   75g,   a n d  100g,   r e s pe c t i ve l y )   to  o b s e r v e   t h e   c o r r e s po n d i n g  g l u c o s e   v a r i a t i o ns .   E a c h   a m o un t   o f   C HO   i s   c o n s i de r e d  a n   a ppr o pr i a t e   a c t i o n   do s e   f o r   a   pa r t i c u l a r   m o m e n t ,   a i m e d  a t   a c hi e vi n g  a n   a c c e pt a bl e   g l uc o s e   t r a j e c to r y   i n   t h e   i n   s il i c o   o pe r a t i o n .         3.   RE S UL T S   F i gur e   10  d i s p l a y s   t h e   OR   f o r   M L   f o r e c a s t i n g  du r i n g  t h e   12:00  p m   t o   3 :00  pm   pe r i o d  o n   da y   f i r s t ,   ge n e r a t e d  f r o m   t h e   t e s t i n g  s u bs e t   ut i l i z e d  by   t h e   da t a s e t .   F i gur e s   11  a n d  12  s h o wc a s e   t h e   m e t a b o l i c   c h a r a c t e r i s t i c s   o u t l i ne d  i n   t h e   phy s i o l o g i c a l   m o de l ’ s   a r c hi t e c t ur e ,   o b t a i n e d  by   a pp lyi ng  c o n s t r a i n t   pr o g r a m mi ng  t o   t h e   M L   r e s po n s e .   S pe c i f i c a ll y ,   F i gur e   11  de m o ns t r a t e s   h o w  l i ve r   m e t a b o l i s m ,   s pe c i f i c a ll y   h e pa t i c   r e l e a s e   a n d  upt a ke ,   i s   i nf l ue n c e d  by   p l a s m a   c o n c e n t r a t i o ns   o f   g l uc a go n ,   g l uc o s e ,   a n d  i ns u li n .   T h e   c ur ve   i nd i c a t e s   i n   F i gur e   11( a )   t h a t  h e pa t i c   r e l e a s e   i n c r e a s e s   w i t h   r i s i ng  g l uc a go n   l e ve l s ,   s h o w i n g  a   s t i m u l a t o r y   e f f e c t   a t   h i g he r   c o n c e n t r a t i o n s .     As   p l a s m a   g l u c o s e   c o n c e n t r a t i o n   i nc r e a s e s ,   h e p a t i c   g l uc o s e   r e l e a s e   de c r e a s e s ,   i n d i c a t i n g  a n   i nh i b i t o r y   e f f e c t   ( F i gur e   11( b ) ) .   T h e   e f f e c t   de c r e a s e s   a s   i ns u l in   l e v e l s   r i s e ,   s i g nif yi ng  i ns u li n ’ s   s uppr e s s i ve   r o l e   i n   g l u c o s e   r e l e a s e   f r o m   t h e   l i ve r   ( F i gur e   11( c ) ) .  F i gur e   11( d)   s h o ws   a   p o s i t i v e   c o r r e l a t i o n ,   w i t h   hi g h e r   gl uc o s e   c o n c e n t r a t i o ns   l e a d i ng  to   i n c r e a s e d  h e pa t i c   upt a ke .   F i n a ll y ,   a s   i ns u li n  l e v e l s   r i s e ,   h e pa t i c   upt a ke   o f   g l uc o s e   a l s o   i n c r e a s e s ,   un de r s c o r i n g  i ns u li n ’ s   s t i m u l a t or y   e f f e c t   o n   t hi s   m e t a b o l i c   pa t h wa y   ( F i gur e   11( e ) ) .    F i gur e   12  i l l u s t r a t e s   t h e   m e t a b o l i c   a n d  p hy s i o l o g i c a l   d i s c i p li ne   o f   g l uc o s e   a n d  i ns u li n  a n d  a c t i vi t y   o n  m us c l e ,   pa n c r e a s ,   a n d  p l a s m a .   I n   t h e   F i gur e   M u s c l e   12( A )   ( a ) ,   c a n   o b s e r v e   t h e   e f f e c t   o f   g l uc o s e   a c t i vi t y   i n   m us c l e   m o l e c u l e s ,   i n d i c a t i n g  t h e   r e a c t i o ns   o f   m us c l e   t i s s ue s   w i t h   r e s pe c t   to  di f f e r e n t   gl uc o s e   l e v e l s .   F i gur e   12A ( b )   s h o ws   t h e   r o l e   o f   i ns u li n   i n  r e gu l a t i n g  m u s c l e   a c t i vi t y ,   e m p h a s i z i ng  i t s   i m po r t a n c e   i n   g l uc o s e   up t a ke   a n d  e n e r g y   ut i l i z a t i o n   o n   t h e   ot h e r   h a n d,   F i gur e   12A ( c )   c o v e r s   t h e   r e l a t i o n s hi p  be t we e n   g l uc o s e   a nd  m u s c l e   a bs o r p t i o n ,   r e pr e s e n t i n g  t h e   m i n im a l   d y na mi c a l  r e s po n s e   o f   m u s c l e   a b s o r pt i o n   i n   r e ga r ds   to  c i r c u l a t i n g  g l uc o s e .     F o r   t h e   P a n c r e a s   i n   F i gur e   12( B ) ,   Gl uc o s e   R e gu l a t i o n   a n d  Ho r m o n e   S e c r e t i o n   P a n e l   F i gur e   12B ( a )   e x p l o r e s   t h e   p l a s m a   g l uc o s e   c h a n ge s   a n d  t h e i r   d i s r upt i o n   o f   t h e   a bil i t y   o f   t h e   p a n c r e a s   t o   pe r f o r m   m e t a b o l i c   h o m e o s t a s i s .   F i gur e   12B ( b )   s h o ws   h o w  i nc r e a s i n g  pl a s m a   g l uc o s e   c o n c e n t r a t i o ns   s t i m u l a t e   t h e   pa n c r e a s   to  s e c r e t e   i ns u li n ,   e m p h a s i z i ng  t h e   ke y   f e e d ba c k  be t we e n   g l uc o s e   a n d  i ns u l i n.   I n   F i gur e   12B ( c ) ,   t hi s   r e pr e s e n t s   t h e   n e ga t i v e   f e e d ba c k  l o o p   by   w hi c h   g l u c a go n   s e c r e t i o n   m us t   b e   i nhi b i t e d  a t   hi g h   g l uc o s e   l e v e l s   t o  m a i n t a in  bl o o d  s uga r   h o m e o s t a s i s .   I n   t e r m s   o f   t h e   P l a s m a   F i gur e   12( C )   r e f l e c t s   t i s s ue /s y s t e mi c   e f f e c t s   o f   a c t i vi t y   a n d  g l u c o s e .     F i gur e   12C ( a )   s h o ws   t h a t   phy s i c a l   a c t i vi t y   a l t e r s   t h e   i n s u li n  l if e s pa n   i n   p l a s m a ,   whi c h   f ur t h e r   s ugge s t s   t h e   pr e s e nc e   o f   e x e r c i s e - m e d i a t e d  r e gu l a t i o n   i n   i ns u li n   t ur n o v e r .   T h e   F i gur e   12C ( b )   i nve s t i ga t e   t h e   e f f e c t s   o f   p l a s m a   g l uc o s e   l e v e l s   o n   R B C   a b s o r pt i o n ,   i m p lyi n g  a   gl uc o s e   r e gu l a t e d  R B C   f u n c t i o n .   L a s t l y ,   F i gur e   12C   ( c )   f e a t ur e s   t h e   r e l i a n c e   o f   t h e   n e r v o us   s y s t e m   o n   g l u c o s e   a n d  h o w  t h e   p l a s m a   g l u c o s e   c o n c e n t r a t i o n   d i r e c t l y   dr i v e s   i t s   upt a ke   a n d  pr o vi de s   e n e r g y   f o r   t h e   n e r v o us   s y s te m .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n do n e s i a n   J   E l e c   E n g  &   C o m p  S c i     I S S N:   2 5 0 2 - 4 7 52         A   nov e l   appr oac h  f or   ge ne r ati ng  phy s iol ogical  int e r pr e tat ions   f r om  mac hine  …   ( M d.   J ahir ul  I s lam )   1347       F i g ur e   10.   P r o duc i n g  OR   r e s po n s e   by   o pt i mi z i ng  phy s i o l o g i c a l   m o de l       S i m il a r   s pe c t r a   wi t h   v a r yi ng  i n t e n s i t i e s   a r e   e s t i m a t e d  by   pe r f o r m i ng  e qu i va l e n t   o pe r a t i o n s   f o r   f o r e c a s t i n g  o v e r   f i ve   c o m p l e t e   da y s .   T a bl e   2  pr e s e n t s   t h e   c o m pa r a t i v e   o ut c o m e   o f   M L   a n d  OR   f r a m e wo rk   a c r o s s   e i g h t   di s t i n c t   i n t e r v a l s   o f   t i m e ,   f o r   a   pe r i o d  o f   f i ve   f u l l   d a y s .   F ur t h e r m o r e ,   F i gur e   1 3   d i s p l a y s   a   s c a t t e r   p l o t  i ll us t r a t i n g  t h e   C EG   An a ly s i s   f i nd i n g s   f o r   b oth   OR   a n d  M L   r e s po n s e s .     F i gur e   1 4( a )   de m o n s t r a t e   t h e   r e s u l t s   o f   t h e   i n   s il ico   o pe r a t i o n   w i t hi n   t h e   o pt i mi z e d  OR   m o de l   f o r   t h e r a pe ut i c   de c i s i o n - m a k i ng.   T h e   s i m u l a t e d  gl uc o s e   a ppe a r a nc e   r a t e   f o l l o w i ng  o r a l   g l uc o s e   c o n s u mpt i o n   o f   50g,   75g,   a n d  100g  i s   s h o wn   i n   F i gur e   1 4( b )   i ll u s t r a t e s   t h e   r e s u l t a n t   e f f e c t   o f   t h e s e   g l uc o s e   i nge s t i o ns   on   p l a s ma   g l uc o s e   l e ve l s .           ( a )   ( b )         ( c )   ( d)       ( e )     F i gur e   11 .   L i ve r   -   He pa t i c   r e l e a s e   i s   i m pa c t e d  by   t h e   pr e s e n c e   o f   g l uc a go n ;   ( a ) ,   gl uc o s e ,   ( b )   i n s u li n ,     ( c )   h e pa t i c   upt a ke   i s   a f f e c t e d  by   g l u c o s e ,   ( d )   a n d  i n s u li n ,   a n d  ( e )   r e s pe c t i ve l y .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2 5 0 2 - 4 7 52   In do n e s i a n   J   E l e c   E n g   &   C o m p  S c i ,  Vo l .   3 8 ,   N o .   2 ,  M a y   20 2 5 :   1 339 - 1 35 2   1348         ( a )   ( b )   ( c )   ( A )           ( a )   ( b )   ( c )   ( B )           ( a )   ( b )   ( c )   ( C )     F i gur e   12.   M us c l e   ( A )   -   I m p a c t   o f   ( a )   gl uc o s e   a c t i vi t y   ( b )   o n   i ns u li n   a n d  ( c )   g l uc o s e   a bs o r p t i o n   by   t he   m us c l e ,  P a n c r e a s   ( B )   –   ( a )   C h a n ge s   i n   g l u c o s e   l e ve l s   a n d  t h e i r   e f f e c t s   o n   gl uc o s e   ( b )   o n   t h e   r e l e a s e   of   i ns u l i n ,   ( c )   T h e   i m pa c t   o f   g l uc o s e   o n   t h e   r e l e a s e   o f   g l uc a g o n ,  P l a s m a   ( C )   –   ( a )   I m pa c t   o f   a c t i vi t y   o n   t h e   de gr a da t i o n   o f   i ns u l i n.   ( b )   I m pa c t   o f   g l u c o s e   o n   t h e   a bs o r p t i o n   o f   R B C ,   ( c )   I m pa c t   o f   g l uc o s e   o n   t h e   n e r v o us   s y s t e m ’ s  a bs o r p t i o n   o f   g l uc o s e       T a bl e   2 .   C o m pa r i s o n   o f   OR   r e s po n s e   v s .   go a l   a n d  ML   r e s po n s e   v s .   go a l   a c r o s s   05  c o m p l e t e   da y s     a t   03   h o ur s   P H   P e r i o d   A ppr o a c h   R M S E   A r e a  ( A )   A r e a  ( B )   A r e a  ( C )   A r e a  ( D )   A r e a  ( E )   9: 00 pm  –   12: 00 a m   OR   25.9 ±12.8   64.4 ± 21.7   33.4 ± 21.04   0   2.1 ± 4.8   0   ML   29.5 ± 7.6   53.2 ± 12.9   45.8 ± 11.5   0   1 ± 2.2   0   6: 00 pm  –   9: 00 pm   OR   31.8 ± 10.4   49.8 ± 19.5   50.2 ± 19.5   0   0   0   ML   23.9 ± 8.4   53.2 ± 31.3   46.8 ±3 1.3   0   0   0   3: 00 pm  –   6: 00 pm   OR   22.4 ± 8.93   61.2 ± 30.3   38.8 ± 30.3   0   0   0   ML   25.6 ± 7.2   57 ± 21.38   43  ± 21 .4   0   0   0   12: 00 pm  –   3: 00 pm   OR   22.9 ± 11.3   57.3 ± 42.3   42.7 ± 42.3   0   0   0   ML   22.4 ± 16.1   64 ± 39.8   36 ± 39.8   0   0   0   9: 00 a m  –   12: 00 pm   OR   30 ± 5.8   27.4 ± 29.2   68.4 ± 25.6   0   4.1 ± 9.2   0   ML   24.4 ± 6.5   56 ± 28.9   39.9 ± 20.4   0   4.1 ± 9.2   0   6: 00 a m  –   9: 00 a m   OR   19.7 ± 7   70.7 ± 24   28.4 ± 23.4   0   0.9 ± 2   0   ML   17.3 ± 7.6   78.2 ± 30.2   20.9 ± 29.3   0   0.9 ± 2   0   3: 00 a m  –   6: 00 a m   OR   13.6 ± 7.7   74.3 ± 30.3   25.7 ± 30.3   0   0   0   ML   10.6 ± 4   91.2 ± 12.3   8.8 ± 12.3   0   0   0   12: 00 a m  –   3: 00 a m   OR   20.6 ± 14.1   65.7 ±  44.8   34.3 ± 44.8   0   0   0   ML   21 ± 11.9   65.1 ± 37.8   34.9 ± 37.8   0   0   0         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.