糖尿病營養知識庫的構建研究

孟轉轉 ，高星 ，王巖 ，秦盼盼 ，胡紅濮

國際糖尿病聯合會2019年報告顯示，我國20～79歲人群 中，約有1.16億人口罹患糖尿病，成為世界上糖尿病患病人數最多的國家，同時還有1.37億人為糖耐量受損狀態［1］。營養干預作為糖尿病治療的基礎和“五駕馬車”之一，已經被多項研究證實對于糖尿病患者的血糖控制、并發癥預防等具有明顯效果［2-3］，并且還可以降低醫療成本［4］。有證據表明，營養干預不僅對糖尿病患者有益，對于糖尿病前期患者疾病的逆轉也有積極意義［5］。然而調查顯示，患者對于醫學營養干預有著較高的需求，但實際依從性較差，產生高需求和低依從的矛盾主要表現在：一方面，飲食教育或指導常位于糖尿病患者需求的前幾位甚至首位［6］；另一方面，患者飲食控制不佳的情況十分突出［7-8］。矛盾背后的原因可能是基層醫生數量不足以覆蓋龐大的患者群體［9］，而借助知識庫對患者進行營養管理，可以極大地提高效率，解決醫生數量不足的問題。不僅如此，知識庫可以存儲大量食物和食譜數據，能在符合營養管理要求的基礎上給患者提供更多的飲食選擇，滿足患者的個性化需求，有助于提高患者依從性［10-11］。國內已有學者設計了糖尿病診療和非藥物治療知識庫和應用等［12-13］，市場上也已經有一些糖尿病患者管理軟件，但是這些研究和設計均較側重糖尿病的診療和藥物治療，營養管理相關研究相對較少，而已有的應用軟件無法完成全過程和長期的糖尿病營養管理［14］?；谶@些不足，本研究針對糖尿病營養管理的全過程設計并構建糖尿病營養知識庫，以實現對糖尿病患者進行全過程營養管理的目的。

1 資料與方法

1.1 資料來源 查閱我國官方發布的糖尿病指南、行業標準、專家共識及權威教科書等，如《中國糖尿病醫學營養治療指南（2013）》［15］、《WS/T 601—2018 妊娠期糖尿病患者膳食指導》［16］、《中國2型糖尿病防治指南（2017年版）》［17］、《中國成人糖尿病前期干預的專家共識》［18］、《中國1型糖尿病診治指南（節選）》［19］、《內科學》［20］、《臨床營養學》［21］等，以“糖尿病”“營養治療”“知識庫”“diabetes”“nutrition management”“knowledge base”等為主題、關鍵詞及摘要檢索詞，在中國知網、萬方數據知識服務平臺、維普網、PubMed、Web of Science數據庫檢索2000—2020年發表的糖尿病患者營養管理的相關文獻。

1.2 研究方法 糖尿病營養知識庫的構建包括知識采集、知識表示、知識庫的應用和測試三部分。用人工采集的方法摘錄前述權威資料中糖尿病營養治療的方案、規則等相關知識，借助光學字符識別（optical character recognition，OCR）技術等完成對紙質資料、圖片資料等的識別和摘錄。知識表示采用本體表示法，用醫藥領域常用的七步法完成本體構建，借助protege軟件，將采集到的資料拆分、轉化為類、實例、屬性、關系等計算機可識別的語言并存儲到軟件中，建立各部分知識的聯系。知識庫應用和測試階段，利用protege軟件，進行知識的可視化展示、知識查詢等功能，利用protege軟件自帶的推理機，對知識庫進行邏輯檢驗。

2 糖尿病營養知識庫的構建

制定糖尿病營養方案的要點包括控制總攝入量和保證營養均衡，此外還要注意特殊患者需忌口。本研究所設計的糖尿病營養知識庫對患者進行營養管理的過程如圖1所示，用戶輸入疾病信息和人口學特征數據，知識庫對數據進行加工，輸出營養食譜，過程大致包括6個主要節點。其中，糖尿病前期患者和糖尿病患者營養方案的輸出需經過疾病診斷、標記特殊患者、計算總熱量、分配營養素、篩選食物5個步驟。健康人群和高危人群無需進行特殊的飲食管理，只需消除或避免高危因素如戒煙戒酒即可，糖尿病營養知識庫只針對其輸出飲食注意事項，不輸出具體的營養方案。

圖1 糖尿病患者營養管理過程Figure 1 Nutrition management process for diabetes patients

2.1 疾病診斷 糖尿病及其他疾病的確診，需要事先在其他醫療環節完成，當前環節僅利用其診斷結果進行流程的判定和糖尿病營養方案的選擇。這一步依靠若干個條件函數完成，以用戶的空腹血糖（fasting blood glucose，FPG）和口服葡萄糖耐量試驗（oral glucose tolerance test，OGTT）結果數據和醫生的診斷為判斷的參數。利用FPG和OGTT判斷用戶的數據是流向患病群體還是非患病群體，判斷是否需要對該用戶進行較為嚴格的營養管理。由于糖尿病營養管理方案的制定需要考慮多方面要素，不同患者制定營養方案的規則略有不同，因此還需要利用醫生的診斷結果判斷患病用戶的數據具體流向知識庫中哪一條營養方案制定規則。在糖尿病營養知識庫中需要用到的疾病診斷結果包括糖尿病的分型和其他疾病及并發癥情況。這一步判斷完成后，數據結果流入標記特殊患者和計算總熱量環節。

2.2 標記特殊患者 標記特殊患者這一步主要用于區分同時患有其他疾病或出現糖尿病并發癥的患者與普通糖尿病患者，并在知識庫中將所患疾病與飲食宜忌匹配。如普通糖尿病患者無需大量補充維生素及微量元素［15］，而所有類型糖尿病患者妊娠期間應每日額外補充葉酸400 μg［16］；建議普通患者日攝入食鹽量不超過6.00 mg，而糖尿病合并高血壓患者日推薦攝入食鹽量應不超過4.25 mg；推薦普通患者每日攝入蛋白質0.8～1.2 g/kg，而腎臟病患者每日蛋白質攝入量建議不超過0.8 g/kg，透析患者可適當增加蛋白質攝入量［17］。這一步的實現依靠對食物和患者屬性的標記，分別在構建知識庫和應用時完成，即將知識庫中所有食物的營養素含量、食用宜忌等信息作為食物的屬性存儲到知識庫中，在應用階段將患者的糖尿病分型、其他疾病及并發癥情況等作為患者的臨時信息存儲在知識庫系統中，用于后續計算攝入熱量和選擇推薦食物。

2.3 計算總熱量 為了兼顧實用性和可操作性，本研究設計的糖尿病營養知識庫輸出的營養方案是以三大宏量營養素的建議攝入量和不同營養素推薦選擇的食物原材料的形式呈現，不具體到菜譜。每日攝入熱量主要根據患者的糖尿病類型、年齡、身高、體質量、勞動強度和患者原每日攝入總熱量中一個或多個因素來確定，不同患者所需熱量的計算公式略有差異，如圖2所示。將這些計算公式轉換成計算機可識別的語言存儲到知識庫的規則庫中，在使用時依據患者的不同屬性調用不同的公式，將患者的基本數據代入熱量計算公式即可得到各類糖尿病患者每日應攝入的總熱量。

圖2 糖尿病患者攝入總熱量計算公式［15-19］Figure 2 Calculation formula of total calorie intake in diabetic population

特殊類型糖尿病患者因病因復雜、人數較少，我國目前還沒有發布針對性的營養指南或專家共識，營養方案的制定需在臨床醫師或營養師的指導下進行，本研究暫不討論特殊類型糖尿病患者的營養管理。

2.4 分配營養素 計算糖尿病患者每日所需攝入的總熱量后，還需將總熱量按指南等建議的比例分配到各營養素中，營養素攝入的比例主要指三大宏量營養素的比例，由糖尿病類型決定，不同類型的糖尿病患者之間營養素攝入的比例較為接近，但不完全相同，如圖3所示。這一步的處理與計算攝入總熱量的方式基本相同，將不同類型的糖尿病患者的營養素配比轉換為計算機可識別的公式，存儲到知識庫的規則庫中，在完成每日所需攝入的總熱量的計算之后，調用營養素配比公式，將總熱量轉換為各營養素應攝入的熱量。營養素分配結果流入篩選食物環節，并存儲到營養方案表中。

圖3 糖尿病患者攝入宏量營養素配比Figure 3 Ratio of macronutrients intake in diabetic population

2.5 篩選食物 在篩選食物環節主要實現適宜食物推薦和所需熱量到食物重量的換算兩個功能。依據第二步標記的特殊患者，將患者不適宜食用的食物排除，這一步主要依靠帶條件的隨機公式實現，將標記的每一條屬性均作為一個排除條件，排除不宜食用的食物，在符合條件的食物中隨機選擇若干種作為推薦食物，如指南建議糖尿病腎病患者以動物蛋白代替植物蛋白，那么糖尿病腎病患者在這一步選擇時就將豆制品排除。依據第三、四步計算得到的營養素攝入量和所篩選出的食物的三大宏量營養素含量算出各個食物應攝入的重量，結果即產出的營養方案，輸出到用戶并存儲到營養食譜表中。

2.6 判斷高危因素 這一環節主要適用于血糖水平正常的健康人群，疾病診斷環節后，健康者在糖尿病營養知識庫系統中選擇自身存在的高危因素，系統輸出與高危因素匹配的飲食注意事項。輸出的飲食注意事項僅針對可控制、可避免的危險因素如超重、吸煙等，無法避免的危險因素如年齡不納入本環節的分析。

3 糖尿病營養知識庫的應用和測試

3.1 業務應用

3.1.1 指導糖尿病患者營養管理 營養管理對糖尿病前期和糖尿病患者至關重要，目前各類糖尿病管理應用也能夠提供一定的糖尿病營養管理知識或輔助功能如健康科普、食物熱量查詢等。但這些應用提供的知識和功能較為分散，對患者來說指導性和實用性不強。營養知識庫應整合必要的功能，提供完整的營養管理服務，產出可直接使用的營養食譜，解決患者輾轉于多個應用而無法獲得具體詳細指導的問題，完成一站式服務。

3.1.2 營養服務個性化 不同年齡、分類的糖尿病患者對營養方案的需求各不相同，如青少年患者應著重考慮飲食方案的營養性以保障身體發育所需，成年人應嚴格控制攝入總熱量以控制血糖、延緩疾病的發展，老年人應首要考慮提高生存質量，不能一味追求低熱量等。一套方案無法滿足所有患者，對于不同的患者必須考慮其特殊情況，提出有針對性的方案?；诓煌颊咧g差異化的營養需求，知識庫應將患者的患病情況、人口學特征等數據與營養管理建議等一一匹配，并盡可能細化數據粒度，設置高效的檢索及篩選方式，以便從知識庫的大量數據中篩選出最合適的數據形成營養方案。

3.2 用戶應用

3.2.1 醫生應用 醫生具有對患者進行疾病綜合管理的需求，糖尿病營養管理是其中重要的一環，糖尿病營養知識庫是疾病綜合管理系統中重要的組成部分，擔任著一部分營養師的職責。在臨床診療活動中，將本研究設計的糖尿病營養知識庫嵌入醫院的患者管理系統中，醫生借助糖尿病營養知識庫為患者提供營養方案，與處方等共同形成重要的醫療建議。糖尿病營養知識庫的應用可以極大減輕醫生的工作負擔，提高工作效率。

3.2.2 患者應用

3.2.2.1 營養食譜獲取便捷 在糖尿病營養管理的過程中，為了提高患者的依從性，達到更好地控制血糖的目的，需要盡量降低患者的學習成本，減少患者的復雜操作，直接向患者提供完整可用的營養食譜，同時應保證食譜中的食材是常見和易得的。將本研究所設計的糖尿病營養知識庫嵌入到醫院的患者管理系統后，患者無需輾轉于多個應用之間，在醫院就診時同時獲得醫生的藥物診療方案和基于該知識庫的營養方案，利用糖尿病營養知識庫，患者僅需輸入年齡、身高、體質量等基本信息和糖尿病類型、其他疾病患病情況，就可以按需求獲得一日或多日食譜。

3.2.2.2 營養食譜多樣化 營養管理工作是長期持續的，糖尿病營養知識庫需要產出大量的食譜。為了避免患者使用一段時間后因厭煩而棄用營養食譜，應保證知識庫中食材的多樣化和食材組合方式的多樣化，即保證食譜的多樣化。因此食物庫必須足夠大，盡可能覆蓋所有的常見食材，同時應包含一定數量的非日常食材，以滿足各類患者的需求。盡量均衡同類食物被選擇的概率，避免少數食材頻繁出現或相似食譜短期內大量重復的現象。

3.2.2.3 滿足個人飲食喜好 在滿足食譜實用性和多樣化的基礎上，還應盡量考慮患者的飲食喜好。在保證熱量控制和營養均衡的同時，還應盡量兼顧患者在飲食方面的幸福感。在知識庫系統形成營養方案后，患者可以根據自己的偏好替換食材，調整食譜?；颊咴谑匙V制定過程中的適度參與也有利于提高其依從性［22］。

3.3 功能設計 為了滿足業務需求和用戶需求，糖尿病營養知識庫具備數據采集、存儲、運算、查詢、更新和修改等功能。

3.3.1 患者數據采集 借助糖尿病營養知識庫進行營養管理需要輸入患者的基本信息和患病情況，以此來輸出個性化的營養食譜。糖尿病營養知識庫具備患者數據采集的功能。

3.3.2 數據有序存儲 糖尿病營養知識庫直接產出食材及其組合形成營養食譜，因此糖尿病營養知識庫的基礎功能是有序存儲食材信息。為了滿足輸出個性化食譜的需求，將糖尿病營養知識庫中的食物與其屬性一一匹配，便于后續步驟的篩選。糖尿病營養知識庫中存儲的食材屬性包括名稱、類別、熱量、營養素含量、食用宜忌、食療功效等。為了滿足食譜多樣化的需求，糖尿病營養知識庫中存儲足量的食材信息。除此之外，糖尿病營養知識庫也將運行過程中產生的數據進行存儲，以便于后續步驟的調用。

3.3.3 數據運算 將輸入的患者信息轉變為輸出的營養食譜，需要經過知識庫的運算過程。糖尿病營養知識庫中除了設置有序存儲數據的食物庫，還設置用于數據運算的規則庫，存儲在知識庫運行的每一步中需用到的計算公式。數據庫在運行過程中，調用采集到的信息、存儲的知識及運行中產生的新信息并代入規則庫中的計算公式，得出運算結果直至輸出最終的營養食譜。

3.3.4 數據查詢 糖尿病營養知識庫具備數據查詢功能，便于用戶以食材名稱、種類、食療功效、營養素含量等字段作為關鍵詞檢索相應結果，并能夠根據一定邏輯將檢索結果排序。數據查詢功能可以在篩選食物階段幫助患者按個人偏好替換食材、調整食譜，也可以充當搜索引擎的角色，幫助用戶查詢、了解食物屬性等營養知識。

3.3.5 數據更新和修改 隨著醫療技術的進步和醫療實踐的豐富，糖尿病營養知識會逐漸變得更加精準和豐富，為了保證知識的及時更新，糖尿病營養知識庫具備數據更新和修改的功能，便于在相關指南、專家共識和食物信息等更新后對糖尿病營養知識庫中的相應信息做出調整。

4 討論

本研究從糖尿病營養管理過程中數據流向切入，論述了糖尿病營養知識庫核心環節的構建。并從業務、用戶和功能3個角度分析了本研究所設計構建的糖尿病營養知識庫的應用場景和功能，糖尿病營養知識庫在業務方面需要完成全過程的營養管理和提供個性化的服務；在用戶方面需要滿足醫生管理患者的需要和患者對營養食譜便捷性、多樣性等的需求；在功能方面需要具備數據的采集、有序存儲、運算、查詢、更新和修改功能。

糖尿病一直是慢性病領域的研究熱點［23］，以營養和運動為主的生活方式干預及飲食養生等成為糖尿病管理研究的熱頻詞匯［24-25］，營養治療等生活方式干預已經被多項試驗證實對于各類糖尿病患者生存質量的提升存在顯著意義［26-27］。隨著計算機技術的發展，近年來國內外學者對可用于糖尿病診療和患者自我管理的應用進行了大量研究。

ROLLO等［28］綜述了近年來關于糖尿病自我管理電子技術的研究，比較了短信、移動應用、網絡應用、電子游戲、虛擬現實、增強現實和可穿戴技術7種糖尿病營養和運動自我管理的電子技術應用的優缺點。這些應用從功能角度大致可以分為輔助管理工具和健康教育工具。輔助管理工具直接提供自我管理方案或相關建議；健康教育工具將營養知識融合于視頻、游戲或設定的情景體驗中，使糖尿病營養知識變得生動而有趣，不失為一個對患者進行營養指導的新思路。但健康教育工具對設備和內容創作的要求均較高，短時間內無法推廣到更大范圍，特別是經濟不發達地區。

目前相關研究的主流仍然是糖尿病自我管理系統的設計開發和應用。YOO 等［29］、BOOTH 等［30］、KABEZA 等［31］在各自設計的模型之上，開發了為糖尿病相關用戶提供健康行為和飲食管理服務的移動應用；TOLEDO等［32］提出的營養管理框架同時兼顧了患者的營養管理和個人偏好，基于該框架設計的系統還能用于生成每日膳食計劃；MING等［33］在當地首創性地開發了基于圖像識別技術的食物識別系統，該系統還能分析所識別食物的營養，使用該系統可以大幅度提升數據采集的效率；AHN等［34］在前期開發的網絡飲食管理指南的基礎上，開發了可移動的程序，并且在后續的對比試驗中證實移動應用的加入比單純利用網絡飲食管理指南等進行離線學習更能促進患者飲食的積極改變；BURGERMASTER等［35］將營養師制定營養方案的模型編碼到函數中形成推理機，利用推理機將患者數據和專家知識相結合，輸出營養建議，模擬營養師制定營養方案的過程。該推理機能夠發揮一定的效能，但是準確率有待提升。

國內張芳芳［36］在構建適用于中文醫學領域的自動問答系統框架的基礎上，構建了糖尿病生活方式干預的自問自答系統；張宇［37］構建了基于Web的高血壓和糖尿病的非藥物治療知識庫，并進行了可信度測試。相比之下國內對于糖尿病營養干預系統的研究較少，而對于診療系統的研究較多。但目前國內市場上已經出現了較為豐富的糖尿病管理移動應用。本研究調查了移動應用市場下載量大于1萬人次的糖尿病管理移動應用21個及3個用戶基數較大的健身類移動應用的飲食管理模塊，這些應用可以在不同程度上實現飲食記錄、營養知識科普、醫護團隊咨詢、營養師付費課程學習、食物信息查詢和簡單食譜推薦等功能，這些功能基本涵蓋了糖尿病營養管理中的所有環節，但這些應用缺乏對全流程功能的整合，而且沒有將知識深度融合?；颊邿o法依靠單個移動應用完成完整的營養管理過程，應用長期實用性較差。

本研究所設計、構建的糖尿病營養知識庫從實用的角度出發，將患者的營養管理的全過程進行了整合，并且存儲了豐富的食物數據，用戶可以借助其完成完整且長期的營養管理。此外，糖尿病營養知識庫在構建的過程中參考了中醫理論中的食藥養生知識，對藥典規定的藥食同源的食物進行了標記，并且糖尿病營養知識庫中存儲了中醫典籍中關于消渴的食療方劑，方便對用戶做出推薦。本研究設計的糖尿病營養知識庫也存在一些不足，如為了方便計算，在食物推薦環節并未將維生素、礦物質等微量元素納入計算公式，可能導致用戶依照知識庫提供的營養方案攝入的微量元素與實際的需求不符合；由于技術條件的限制，本研究設計的糖尿病營養知識庫只能實現較為簡單的查詢，還未實現模糊語義查詢功能，可能會給用戶的操作帶來不便。在后續的深入研究中需要繼續完善算法，提高糖尿病營養知識庫的實用性和操作的方便性。

作者貢獻：孟轉轉進行文章的構思與設計，資料收集、整理，撰寫論文；孟轉轉、高星、王巖、秦盼盼、胡紅濮進行研究的實施與可行性分析，論文的修訂；高星、王巖、秦盼盼、胡紅濮負責文章的質量控制及審校；胡紅濮對文章整體負責，監督管理。

本文無利益沖突。