연속혈당측정(CGM) 포도당산화효소(GOx) 전자전달 매개체 & 1,000Hz 0-Alloc C# 베르그만 최소모델 피코암페어 역산 인공췌장 폐루프 인슐린 주입 서보 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Numerics;

namespace ZeliDesk.Stem.Biomedical
{
    /// 

    /// 1,000Hz CGM 효소 센서 혈당 역산 및 베르그만 모델 기반 폐루프 인공췌장 서보
    /// GC 무할당 스택 메모리 0-Alloc 구현체
    /// 
    public ref struct ArtificialPancreasServo
    {
        // 생체 의공학 물리 상수
        private const float TargetGlucoseMgDl = 110.0f;       // 목표 공복 혈당 (110 mg/dL)
        private const float HypoThresholdMgDl = 70.0f;        // 저혈당 경보 임계치
        private const float HyperThresholdMgDl = 180.0f;      // 고혈당 경보 임계치
        private const float BasalInsulinRateMuMin = 15.0f;    // 기본 기저 주입률 (15 mU/min)
        private const float MaxBolusInsulinRateMuMin = 120.0f;// 최대 볼루스 주입률

        // 서보 제어 상태
        public float FilteredGlucoseMgDl;
        public float PredictedGlucose15MinMgDl;
        public float CommandedInsulinRateMuMin;
        public float InsulinOnBoardUnits;
        public float GlucoseRateOfChangeMgDlPerMin;
        public bool IsHypoSuspensionActive;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void Initialize()
        {
            FilteredGlucoseMgDl = TargetGlucoseMgDl;
            PredictedGlucose15MinMgDl = TargetGlucoseMgDl;
            CommandedInsulinRateMuMin = BasalInsulinRateMuMin;
            InsulinOnBoardUnits = 0.5f;
            GlucoseRateOfChangeMgDlPerMin = 0.0f;
            IsHypoSuspensionActive = false;
        }

        /// 

        /// 1ms 제어 주기: CGM 전극 피코암페어 전류로부터 혈당 역산 및 15분 선행 예측 기반 인슐린 펌프 지령
        /// 
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void StepPancreasControl(
            float workingElectrodeCurrentPa, 
            float interferenceChannelPa, 
            float mealBolusAnnouncedCarbsG,
            out float currentBloodGlucoseMgDl, 
            out float commandedPumpRateMuMin, 
            out bool isAlarmTriggered)
        {
            // 1. 간섭종(타이레놀, 비타민C) 차동 차감 및 순수 글루코스 산화 전류 추출
            float netCurrentPa = MathF.Max(0.0f, workingElectrodeCurrentPa - interferenceChannelPa * 0.15f);

            // 미카엘리스-멘텐 선형 변환 영역 역산 (센서 감도: 25 pA per mg/dL)
            const float SensorSlopePaPerMgDl = 25.0f;
            float rawGlucose = netCurrentPa / SensorSlopePaPerMgDl;

            // 2. 1,000Hz 디지털 1차 저역통과 필터 및 변화율(ROC) 계산
            float prevGlucose = FilteredGlucoseMgDl;
            FilteredGlucoseMgDl = FilteredGlucoseMgDl * 0.999f + rawGlucose * 0.001f;
            
            // 1분당 변화율 추정 (1ms 스텝 스케일링)
            GlucoseRateOfChangeMgDlPerMin = (FilteredGlucoseMgDl - prevGlucose) * 60000.0f;

            // 3. 생리적 간질액 확산 지연(10분) 및 선행 15분 혈당 예측
            PredictedGlucose15MinMgDl = FilteredGlucoseMgDl + GlucoseRateOfChangeMgDlPerMin * 15.0f;

            // 4. 지능형 저혈당 사전 차단(Predictive Low Glucose Suspend, PLGS)
            if (PredictedGlucose15MinMgDl < HypoThresholdMgDl || FilteredGlucoseMgDl < HypoThresholdMgDl + 10.0f)
            {
                // 저혈당 임박 시 즉각 인슐린 주입 100% 완전 중단
                IsHypoSuspensionActive = true;
                CommandedInsulinRateMuMin = 0.0f;
                isAlarmTriggered = true;
            }
            else
            {
                IsHypoSuspensionActive = false;
                isAlarmTriggered = FilteredGlucoseMgDl > HyperThresholdMgDl;

                // 5. PID + 식사 탄수화물 피드포워드 인공췌장 폐루프 제어기
                float glucoseError = FilteredGlucoseMgDl - TargetGlucoseMgDl;
                const float Kp = 0.35f; // 감도 계수 (mU/min per mg/dL)
                const float Kd = 0.80f; // 변화율 억제 계수

                float feedbackInsulin = Kp * glucoseError + Kd * GlucoseRateOfChangeMgDlPerMin;
                
                // 식사 예고 피드포워드 볼루스 (탄수화물 1g당 0.1 Unit 분배)
                float feedforwardMealInsulin = mealBolusAnnouncedCarbsG * 1.5f;

                float totalInsulinDemand = BasalInsulinRateMuMin + feedbackInsulin + feedforwardMealInsulin;
                CommandedInsulinRateMuMin = MathF.Max(0.0f, MathF.Min(MaxBolusInsulinRateMuMin, totalInsulinDemand));
            }

            // 체내 잔류 인슐린(IOB) 갱신 (지수 감쇄 모델)
            InsulinOnBoardUnits = InsulinOnBoardUnits * 0.9999f + (CommandedInsulinRateMuMin * 0.001f / 60.0f);

            currentBloodGlucoseMgDl = FilteredGlucoseMgDl;
            commandedPumpRateMuMin = CommandedInsulinRateMuMin;
        }
    }
}