基于大數據糖尿病患者膳食管理系統的設計

章琦，章瑋，白正玉

當前我國糖尿病患者人數近1億，其中，2型糖尿病患者占糖尿病患者的90%以上，該類患者病程中各個階段的預防及控制都應以飲食治療為基礎［1］，養成合理的飲食習慣以減少并發癥的發生對2型糖尿病患者尤為重要，但很多糖尿病患者在飲食治療的認識上存在一定的誤區［2］，不利于糖尿病的治療和控制。國務院在2017年頒布的《中國防治慢性病中長期規劃（2017—2025年）》提出了糖尿病高危人群健康干預項目，要通過飲食治療推進糖尿病患者病情的有效預防與治療。

近年來，利用信息技術實現對糖尿病患者的信息化管理取得了良好進展，陳纖纖等［3］將人工智能技術用于胰島素閉環控制系統研究中，并指出系統仍需進一步的專家知識庫的積累、醫療與人工智能深度合作來不斷完善；倪家遠［4］提出基于決策樹的糖尿病診斷專家系統，實現了糖尿病診斷、病例載入、知識庫管理、用戶信息管理等功能；閔超［5］建立基于專家系統的遠程糖尿病管理平臺輔助醫生為患者制定糖尿病管理計劃。在解決流程復雜的方案設計問題上，研究者常采用規則推理、模糊推理、基于實例推理等方法，其中基于實例推理方法是人工智能領域中，一種依靠存儲實例問題及其解決方案并通過調整這些解決方案來解決新的類似問題的方法［6］，包括知識構建、知識獲取、知識檢索、知識修訂和知識重用5個部分［7］。

為了解決臨床中糖尿病患者膳食管理工作繁瑣、飲食治療效果不佳及糖尿病患者數量龐大與營養師稀缺等問題，本研究基于生命周期法設計系統。第一，梳理國內外關于糖尿病患者膳食管理的相關理論、研究現狀、信息化進程及模型構建的相關技術；第二，通過實地調研和深入訪談了解糖尿病患者膳食管理的業務流程及在每個環節所需要的詳細信息；第三，選用基于實例推理的方法來實現糖尿病患者膳食管理系統中的數據挖掘功能與智能推理功能；第四，利用德爾菲法與專家探討研究中的關鍵問題，設計科學、有效的糖尿病患者膳食管理系統。該系統有利于提高糖尿病患者臨床飲食治療的效率，保證膳食管理方案的科學性和有效性，滿足患者個性化需求，同時可以合理配置醫療資源，促進慢性病醫療信息化發展。

1 糖尿病患者膳食管理要求

飲食治療是糖尿病5項治療方法中最基本的治療方法，主要通過控制每日攝入總能量和保證營養素比例來達到控制飲食、合理營養的目的，同時利用食品交換、營養計劃等方法，做到飲食內容多樣化、適量補充微營養素。基于現有研究，根據《實用營養師手冊》［8］并結合臨床調研內容，得到糖尿病患者的膳食管理工作步驟如下：（1）考慮患者個人身體狀況。在進行糖尿病患者綜合化膳食干預時，首先要對患者身體情況進行綜合評估，了解患者的飲食偏好、生理指征數據等信息［9］，根據患者個人身高、體質量、年齡、勞動強度等信息并結合病情和營養狀況確定每天熱能供給量。（2）估算每日所需能量。首先，利用Broca法計算患者標準體質量及其BMI值，BMI=體質量/身高2，按WHO標準BMI 18.5～24.9 kg/m2為正常，我國標準 BMI 18.5～23.9 kg/m2為正常［10］，并依據限制超重及肥胖者、放寬消瘦及體質量不足者至正常體質量的原則處理BMI值；其次，基于處理后的BMI值，參照體力勞動強度表［11］確定每日每千克標準體質量所需能量；最后，根據公式“每日所需能量=標準體質量×每日每千克標準體質量所需能量”計算出患者每日所需能量值。（3）營養素分配。根據《中國居民膳食指南》［12］確定患者飲食中各類營養素的攝入量比例，每日蛋白質提供的能量應占膳食總能量的15%～20%，或成人按每日每千克體質量1.0～1.5 g提供；每日脂肪攝入量占膳食總能量的20%～35%，可按照每日每千克體質量0.6～1.0 g攝入脂肪；每日碳水化合物攝入量占膳食總能量的50%～60%，同時要提高纖維飲食量，每日膳食纖維的攝入量為40 g左右。（4）飲食分配和餐次安排。一天至少保證三餐，早、中、晚餐能量按25%、40%、35%比例分配［8］，在體力活動量穩定情況下，飲食要做到定時、定量。每餐主副食搭配且應有糖類、蛋白質和脂肪。注射胰島素或易發生低血糖者，要求在三餐之間加餐，加餐能量應從正餐總量中減去，做到加餐不加量；不用胰島素的患者，也可適當少量多餐以減輕單次餐對胰腺的負擔。（5）飲食方案多樣化設計。根據患者每日攝入總熱量值，結合患者飲食偏好、個人習慣，借助食物互換法［8］對患者的飲食方案進行多樣化設計，為患者提供多種可供選擇的飲食方案。

基于上述要求，糖尿病患者膳食管理需要依據患者個人的性別、年齡、身高、體質量、空腹血糖和勞動強度等信息，結合總熱量控制原則，設計營養均衡、內容多樣的飲食方案，因此在糖尿病患者膳食管理系統中需要輸入評估所得的生理情況指標信息，作為系統智能推理、方案決策的依據。

2 糖尿病患者膳食管理系統分析

2.1 基于實例推理的實例信息表設計 實例推理是人工智能領域中一種基于知識的問題求解和學習的方法，主要通過尋找與待求問題相似的歷史案例，利用已有經驗或結果中的特定知識，即具體案例來解決新問題。實例推理把一個已解決的過去的問題描述成特定的問題信息集及解決方案集存儲在實例數據庫中，當新問題出現時，系統通過訪問數據庫獲取過去相似問題及其解決方案，并加以評價、修正，最終用于解決新的問題。在糖尿病患者膳食管理系統建設中，數據庫工程師與營養師合作，營養師根據臨床工作經歷，編制20～50個不同糖尿病患者的飲食方案，由數據庫工程師編寫成實例信息表存入數據庫中，作為系統中實例推理算法推理的歷史案例。實例信息表主要包括實例編號、性別、年齡、身高、體質量、空腹血糖、勞動強度、推薦攝入量等信息（見表1）。

表1 糖尿病患者膳食管理系統實例信息表Table 1 Diet treatment scheme developed by the diabetic dietary management system for a case of diabetes

2.2 糖尿病患者膳食管理系統流程設計 基于現有研究，結合中國居民營養飲食方案編制步驟、糖尿病患者的飲食原則，設計糖尿病患者膳食管理系統工作流程。系統中數據挖掘、智能匹配等功能通過實例推理算法來實現，醫護人員通過對患者進行身體檢查和評估，將獲取的患者生理指征輸入系統界面，系統采用相似度計算模型來實現案例匹配，系統主要工作流程見圖1。根據流程圖可知，糖尿病患者膳食管理系統工作流程可分為7個步驟：（1）輸入患者生理指征。醫護人員通過患者病歷、現場檢查及詢問等方式，充分了解患者的身體現狀，獲取患者生理指征，并在系統界面中填入患者的身高、體質量、BMI值、年齡、勞動強度和性別等信息，作為糖尿病患者膳食管理系統智能決策的依據。（2）檢索實例庫。系統將患者生理指征與數據庫中實例信息進行相似度匹配，根據待求病例與實例庫中各實例之間的推薦攝入量差異值大小，匹配出符合條件的實例，按照營養食譜編制要求［8］，兩者差異應小于±10%。若系統不存在滿足上述條件的實例，則轉到步驟（3）；若系統存在多個滿足條件的實例，則轉到步驟（4）。（3）制定患者膳食方案。工作人員充分了解患者的生理狀況，根據糖尿病患者膳食管理流程為患者編制新的個性化膳食方案，同時將生成的新方案信息存入實例數據庫中。（4）智能決策。系統智能匹配過程主要包括：第一，計算相似度，包括局部相似度計算和整體相似度計算，通過實例中各個具體參量之間的局部相似度值及評價所得的各參數的權重值計算得出實例間的整體相似度值，整體相似度值最高的為最優參考方案；第二，篩選、評價相似方案，根據患者的生理指征及個人偏好，醫護人員對系統給出的相似度較高的幾個方案進行二次篩選和評價，選出可用于該患者的一個或多個方案；第三，修改相似方案，結合評價結果，對二次篩選出的方案進行修改和優化，最終生成適用于患者的個性化膳食管理方案。（5）判斷是否符合飲食原則。根據上述生成的新飲食方案中的各項食物名稱，系統從食物營養成分數據庫中獲取各項食物的營養成分，并分別計算各項營養素的總量，從而得出一日食譜中的營養素比例，最后判斷是否符合要求，若不符合要求，則轉到步驟（2）；若符合要求，則轉到步驟（6）。（6）打印患者膳食方案。上述工作完成后，打印出患者膳食方案并反饋給患者，供患者在飲食治療中使用。（7）存入數據庫。將生成的膳食方案存入數據庫中，供接下來使用。不斷擴充數據庫中的案例數量，提高系統決策的準確性，實現大數據存儲、挖掘和管理，推動對糖尿病患者的信息化管理和智能化服務。

圖1 糖尿病患者膳食管理系統流程圖Figure 1 Flow chart of diabetic diet management system

3 糖尿病患者膳食管理系統設計

3.1 系統設計原則 （1）科學性：進行充分的臨床調研，并對調研獲取的糖尿病患者膳食管理工作流程進行必要的優化和改善，將飲食內容、患者情況等信息轉化成系統適用的表達方式，使其符合科學管理及系統開發的要求。（2）經濟性：選用合理的系統設計方法與開發技術，在滿足系統運行要求下，減少不必要的費用支出。一方面，工作流程要與系統功能相匹配，不宜復雜化系統設計；另一方面，設計過程中，應保留與檔案系統等其他系統的接口，以滿足日后糖尿病患者膳食管理業務流程變化而產生的費用支出。（3）可靠性：為了確保系統安全有效運行、滿足患者提供個性化需求，需要建立安全、可靠的系統架構，既要實現系統必要功能，又要在用戶安全、數據安全上提供有力的反應機制，如多用戶使用系統的線程安全性、用戶數據做好封裝等。（4）以患者需求為導向：系統功能建立在真實有效的患者需求上，以滿足患者需求為基本導向，各項業務流程在系統功能展現上做到簡潔直觀、人機友好，有一定的實用價值。

3.2 系統功能設計 系統功能設計主要包括系統所能實現的功能、結構及與數據庫的結構關系，可通過系統功能結構圖來表示（見圖2）。基于大數據的糖尿病患者膳食管理系統主要包含以下功能：（1）用戶管理：分為用戶注冊和用戶登錄兩部分，其中用戶登錄分為患者、醫護人員和管理人員登錄3個模塊。（2）患者信息采集：錄入患者的身高、體質量、BMI值、年齡、勞動強度和性別等生理指征。（3）計算推薦攝入量：根據錄入的患者生理指征計算患者的推薦攝入量值。（4）膳食智能管理：包括數據挖掘、智能決策和生成膳食方案3個部分。數據挖掘是根據患者的個人生理指征利用實例推理算法對數據庫中存儲的實例信息進行挖掘，找出可供使用的相似案例；智能決策是參考系統推薦的相似案例，為患者制定個性化、科學合理的膳食管理方案；生成膳食方案，即將系統得出的糖尿病患者膳食管理方案導出。（5）數據庫維護：指對數據庫中存儲的所有信息數據進行修改、查詢等維護，包括用戶信息庫、案例信息庫、食物互換信息庫、營養成分信息庫和患者信息庫。

圖2 糖尿病患者膳食管理系統功能結構圖Figure 2 Functional structure of diabetic diet management system

3.3 系統架構設計 系統架構圖是將系統要實現的功能分解后按照層次畫出來的圖表。功能結構圖由上到下按照功能層次劃分，基于大數據的糖尿病患者膳食管理系統包括用戶層、應用層、數據層和支持層4層（見圖3）。

圖3 基于大數據的糖尿病患者膳食管理系統架構圖Figure 3 Framework of diabetic diet management system developed using big data

用戶層主要是通過可視化界面實現系統與用戶的交互，其中用戶包括3類人群：患者、醫護人員和管理人員。患者可以在系統中查看個人膳食管理方案、與醫護人員交流和填寫個人信息及需求；醫護人員可登錄系統進行患者信息采集，將評估所得的患者生理指征錄入系統，并利用智能決策功能生成糖尿病患者的膳食管理方案；管理人員可在系統中進行信息采集、智能決策、用戶信息管理、患者信息管理和數據庫維護，實現對系統中各類信息數據的查詢、修改等。

應用層為系統功能的實現，為患者、醫護人員提供了一個良好的糖尿病患者膳食管理環境，同時給出了系統化的膳食方案設計過程，即在不同的膳食方案編制階段封裝不同的基礎算法和數據處理方法，達到最優化的設計目標。在系統中，通過基于實例推理的方法來匹配、篩選供選用的實例，解決糖尿病患者膳食管理復雜、個性化程度高的問題。

數據層由用戶信息庫、案例信息庫、患者信息庫、食物互換信息庫和營養成分信息庫5個庫構成。用戶信息庫用于存儲用戶注冊的賬號、密碼、個人情況等信息，是實現系統用戶登錄功能的數據基礎；案例信息庫用于存儲典型完整的膳食管理方案案例，案例信息庫在系統的使用中不斷豐富和擴展，為提高系統的準確性和高效性提供了基礎；患者信息庫用于存儲患者的賬號信息，以及患者在系統中填寫的個人生理、需求等信息；食物互換信息庫參考《實用營養師手冊》將不同能量糖尿病飲食食物互換表存入數據庫；營養成分信息庫來源于《實用營養師手冊》中的營養成分信息表，包含各類食品每百克中營養素成分信息，可供用戶在使用中查詢和了解［8］。

支持層主要包括維持系統運行的硬件與軟件，包括顯示器、服務器、網絡環境、操作系統等，是保證系統有效運行的基礎。

4 糖尿病患者膳食管理系統界面設計

本研究設計的基于大數據的糖尿病患者膳食管理系統的實現主要分為MySQL數據庫存儲部分和VB可視化界面建立部分，通過將二者連接使用來實現系統的主要功能。各項功能的操作界面均用VB編程語言實現，主要包括登錄界面、主菜單界面、患者信息采集界面、膳食方案制定界面、營養成分查詢界面等。

4.1 登錄界面 登錄界面是用戶使用個人賬戶和密碼登錄系統的界面（見圖4）。用戶登錄系統時，若用戶已在系統中注冊賬戶，則直接選擇身份并登錄系統；若用戶尚未在系統中進行注冊，則點擊“注冊”填寫個人信息注冊賬戶。

圖4 登錄界面Figure 4 Login interface

4.2 主菜單界面 主菜單界面是用戶登錄系統后顯示的包含系統功能菜單的界面（見圖5）。以管理人員操作系統為例，主菜單界面中展示了用戶可操作的系統功能，包括患者信息采集、膳食方案制定、營養成分查詢、食物互換和數據庫管理等。其中數據庫管理菜單還包括5個二級菜單：用戶信息數據庫、案例信息數據庫、患者信息數據庫、營養成分信息數據庫和食物互換信息數據庫，管理人員可在菜單欄中選擇要進行管理的數據庫，實現對系統中數據信息的增加、修改、刪除、查詢等維護。

圖5 主菜單界面Figure 5 Main menu interface

4.3 患者信息采集界面 患者信息采集界面用于填入患者的個人生理指征，作為系統膳食管理方案制定的基礎和依據（見圖6）。在系統中輸入患者的身高、體質量、年齡、勞動強度及性別信息后，系統會計算出患者的BMI值和推薦攝入量，作為膳食管理方案智能決策的基礎。

圖6 患者信息采集界面Figure 6 Patient information collection interface

4.4 膳食管理方案制定界面 膳食管理方案制定界面是用戶使用系統對患者進行膳食管理的界面（見圖7）。用戶填入患者信息，系統跳轉至膳食管理方案制定界面，點擊“膳食方案匹配”，系統計算出數據庫中與該患者信息相似的案例，并將推薦案例信息顯示在界面中；醫護人員選擇相似度較高的可參考案例，并對其修改和評價后生成適合患者使用的膳食管理方案，最后將生成新方案存入系統，可供患者登錄系統查詢，同時也可豐富系統數據庫中的案例；實現了數據挖掘、智能推理功能，同時提高系統使用便捷性。

圖7 膳食方案制定界面Figure 7 Diet plan making interface

4.5 營養成分查詢界面 營養成分查詢界面是查詢各類食物營養成分表的界面（見圖8）。用戶可在界面中輸入食物編號或食物名稱查詢食物的營養成分信息，同時可在界面中添加、修改食物營養成分信息，便于用戶了解食物營養成分，判別食用量。

圖8 營養成分查詢界面Figure 8 Nutrient ingredients query interface

5 討論

糖尿病是各國關心的主要慢性病之一，關系著國民健康水平，飲食治療作為一種低成本、低副作用的治療方法，在糖尿病患者病程的各個階段都很重要。基于實例推理數據挖掘和知識學習技術是人工智能中一種經典的知識學習方法，適用于糖尿病患者的膳食管理，可以改善飲食治療流程，為患者提供高質量、高水平的個性化醫療服務，減輕醫療工作強度。

我國智慧醫療相關發展政策和規劃不斷提出，近幾年智慧醫療在信息化建設、數據挖掘、知識學習、智慧門診方面發展迅速。本文提出了基于大數據的糖尿病患者膳食管理系統，歸納了糖尿病患者飲食方案的編制流程，將飲食方案設計的流程規范化。進一步歸納出糖尿病患者飲食信息表，并指出飲食方案設計中需要輸入的條件信息作為系統運作的基礎信息，其中使用推薦攝入量作為中間參量在系統推理時進行初步匹配，篩選待參考實例，并使用相似度計算模型進一步計算匹配，篩選出實例數據庫中可參考的實例進行評價與重用，同時設計了實例數據庫、食物營養成分數據庫等作為實現系統功能的大數據基礎。

本研究設計智能決策系統，能有效輔助和優化糖尿病患者臨床飲食治療工作，參考歷史案例進行智能決策的方法，可以有效減少營養師膳食管理方案編制工作量；利用食物互換法編制內容多樣的飲食方案，能科學有效地滿足患者膳食的個性化需求；基于大數據的信息管理交互平臺，為患者、醫護人員及管理者之間交流互動提供了良好的環境，推動了信息化智慧醫療的發展。因此，本研究設計的基于大數據的糖尿病患者膳食管理系統具有較高的研究價值和較強的實用性和科學性，同時為糖尿病的智能預防、控制和治療提供了一個有效的方法。

本研究仍存在進一步思考、鉆研的空間，本研究提出的智能決策系統在投入臨床使用前，存在數據庫基礎數據信息不足的問題，需要在臨床使用中進一步擴充數據庫，以提高系統的準確性。因此，為了建立數據充足、決策準確的糖尿病患者飲食智能決策系統還需要進行大量的臨床實例統計與分析，并且在使用過程中不斷擴充、豐富數據庫，從而確保系統的實用性和準確性。

作者貢獻：章琦負責論文撰寫；章瑋負責主題構思及設計；白正玉負責文獻收集、審核修改。

本文無利益沖突。