人工智能技術(shù)在糖尿病管理中的應(yīng)用進(jìn)展

侯鈴宇 張 璇 沈 芳 何承元 林靜靜 丁小容

糖尿病( DM)是一組以血糖濃度升高為特征的代謝紊亂的全球性“流行病”,2015年，全球約有4.15億人患有DM，預(yù)計(jì)到2040年將增至6.42億[1]。2013年，中國(guó)成年人DM的總患病率為10.9%，DM前期的患病率估計(jì)為35.7%[2]。2017年，全球范圍內(nèi)約有500萬20～99歲年齡段的人死于DM。DM患病率、死亡人數(shù)和DM醫(yī)療費(fèi)用構(gòu)成了巨大的社會(huì)財(cái)政和衛(wèi)生系統(tǒng)負(fù)擔(dān)[3]。由于醫(yī)療公共衛(wèi)生資源分配不均，護(hù)士數(shù)量不足的現(xiàn)狀[4]，因此借助科技手段幫助醫(yī)護(hù)人員對(duì)DM管理是十分必要的。人工智能(AI)是科技技術(shù)快速發(fā)展的產(chǎn)物，是研究開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展的智能理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門技術(shù)科學(xué)，其三大主要分支為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、數(shù)據(jù)挖掘[5-6]。李蘭娟[7]指出有望通過AI改變醫(yī)療模式。AI可以集成慢病管理需要的知識(shí)與工具，將重復(fù)性的管理工作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化[8]。本文旨在對(duì)AI在DM診斷、血糖管理、個(gè)性化DM生活方式管理、DM并發(fā)癥預(yù)測(cè)及管理中的應(yīng)用進(jìn)行綜述。

1 AI技術(shù)診斷DM

AI技術(shù)為DM診斷帶來了新的機(jī)遇。AI技術(shù)開發(fā)的診斷專家系統(tǒng)是一種模擬醫(yī)學(xué)專家診斷疾病思維過程的程序系統(tǒng)，專家系統(tǒng)具有收集、整理和記錄專家知識(shí)的能力，從而給出診療建議，起到幫助醫(yī)生減少誤診的作用。Jayashree等[9]提出DM診斷專家系統(tǒng)，基于線性判別分析和廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的遺傳算法的準(zhǔn)確率約為80.2%，ROC曲線下面積為0.875，該研究結(jié)果表明DM診斷專家系統(tǒng)不僅減少了DM診斷的計(jì)算時(shí)間和成本，且提高了DM分類的準(zhǔn)確性。薛翔[10]在一項(xiàng)研究中結(jié)合醫(yī)療數(shù)據(jù)挖掘知識(shí)對(duì)DM數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，基于概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法建立了DM診斷模型(準(zhǔn)確率達(dá)到了 97.9%)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)DM的診斷，并能為醫(yī)生提供較為準(zhǔn)確的診療建議。該研究建議在以后的研究中還需要進(jìn)一步分析、處理更多的病歷數(shù)據(jù)，保證診斷準(zhǔn)確率及診療建議的準(zhǔn)確性。

2 AI技術(shù)提供血糖監(jiān)測(cè)管理

2.1 連續(xù)動(dòng)態(tài)血糖監(jiān)測(cè)儀(CGM)

預(yù)測(cè)、監(jiān)測(cè)與控制血糖是DM管理的重要方向。CGM是通過葡萄糖感應(yīng)器監(jiān)測(cè)皮下組織間液的葡萄糖濃度而間接反映血糖水平的監(jiān)測(cè)技術(shù)，可提供全面、可靠、連續(xù)的全天血糖信息及血糖波動(dòng)的趨勢(shì)[11]。CGM已被證明具有臨床價(jià)值，可降低低血糖和高血糖的風(fēng)險(xiǎn)，改善患者的生活質(zhì)量;CGM可以用于檢測(cè)低血糖并暫停胰島素輸注，直至血糖恢復(fù)到安全水平[12]。CGM包括回顧性CGM和實(shí)時(shí)CGM。Floyd等[13]發(fā)現(xiàn)使用CGM與自我血糖監(jiān)測(cè)相比，使用CGM患者的短期和長(zhǎng)期糖化血紅蛋白顯著降低，低血糖和高血糖持續(xù)時(shí)間顯著縮短。王春玲[14]研究發(fā)現(xiàn),實(shí)時(shí)CGM與便攜式血糖監(jiān)測(cè)儀相比，兩種監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)平均血糖水平無明顯的差異,但實(shí)時(shí)CGM監(jiān)測(cè)低血糖、無癥狀低血糖、 夜間無癥狀低血糖比例都高于便攜式血糖儀。目前，CGM監(jiān)測(cè)方法具有安全性、準(zhǔn)確性、便捷性、可靠性和實(shí)用性等優(yōu)勢(shì)，可對(duì)無癥狀低血糖事件進(jìn)行及時(shí)、動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)，易于推廣到家庭和社區(qū)。

2.2 人工胰腺(AP)

AP治療也被稱為閉環(huán)血糖控制，是一種新興的治療方案，結(jié)合胰島素泵和連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)和控制算法，以葡萄糖反應(yīng)方式(即單激素人工胰腺系統(tǒng))輸送胰島素[15]。AP不僅滿足改善血糖控制的臨床需求，而且減輕1型DM患者自我護(hù)理負(fù)擔(dān)[16]。Turksoy等[17]已經(jīng)開發(fā)了一個(gè)集成的多變量自適應(yīng)人工胰腺控制系統(tǒng),該系統(tǒng)有三個(gè)不同的模塊：第一個(gè)模塊是負(fù)責(zé)胰島素建議的自適應(yīng)控制算法；第二個(gè)模塊是一個(gè)低血糖早期報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)能提前25～30min檢測(cè)低血糖發(fā)作，并警告患者存在潛在的低血糖值；第三個(gè)模塊是自適應(yīng)膳食檢測(cè)模塊，該膳食檢測(cè)模塊能夠自動(dòng)提供膳食丸，以防止餐后高血糖的發(fā)生。AP對(duì)血糖控制有很大的幫助，但AP應(yīng)用到臨床仍是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程。首先，其精確性和安全性需要大量的臨床實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。其次，遠(yuǎn)程控制的穩(wěn)定性等方面有待提高，需進(jìn)一步改進(jìn)AP的硬件，以提供更精確的控制系統(tǒng)。

3 AI技術(shù)提供個(gè)性化DM生活方式管理

生活方式干預(yù)是2 型DM的基礎(chǔ)治療措施,應(yīng)貫穿于DM治療的始終，健康生活方式包括合理飲食、控制體重、適量運(yùn)動(dòng)等[18]。智能DM管理決策支持系統(tǒng)由一些工具組成，這些工具主要用于幫助患者、醫(yī)護(hù)人員管理DM，幫助患者和醫(yī)護(hù)人員系統(tǒng)記錄有關(guān)體力活動(dòng)、飲食、藥物、血糖測(cè)量等信息，并將其與支持患者和臨床醫(yī)護(hù)人員的工具結(jié)合起來，以提高治療效果[19]。智能DM管理決策支持系統(tǒng)充分考慮到患者的情感、時(shí)間以及患者意愿，能提供針對(duì)性、個(gè)性化的決策和生活方式管理服務(wù)。

3.1 運(yùn)動(dòng)管理

運(yùn)動(dòng)干預(yù)是生活方式管理的一個(gè)重要內(nèi)容，有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)對(duì)DM患者是有幫助的,有利于血糖控制，可促進(jìn)血液循環(huán)、改善心肺功能。由于AI和移動(dòng)健康技術(shù)提供了平臺(tái)，能幫助患者更易獲得健康行為指導(dǎo)計(jì)劃。Stein等[20]研究結(jié)果表明，使用百靈鳥人工智能減肥健康教練(HCAI)可以使DM患者體重減輕，還可以使患者健康行為發(fā)生改變，并具有很高的用戶接受度。該研究的經(jīng)驗(yàn)可應(yīng)用于指導(dǎo)未來臨床試驗(yàn),進(jìn)一步評(píng)估HCAI及設(shè)計(jì)智能系統(tǒng)促進(jìn)減肥、健康行為改變和慢性病的預(yù)防和自我管理。Yom-Tov等[21]研究27名久坐的2型DM患者提供基于智能手機(jī)的計(jì)步器和個(gè)人體育鍛煉計(jì)劃，患者被發(fā)送短信息服務(wù)信息，以鼓勵(lì)患者進(jìn)行體力活動(dòng)，通過強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法對(duì)信息進(jìn)行個(gè)性化處理，提高每個(gè)參與者對(duì)活動(dòng)方案的依從性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)手機(jī)應(yīng)用程序加上學(xué)習(xí)算法可以改善DM患者對(duì)運(yùn)動(dòng)的依從性，該算法可用于大量DM患者，以改善健康和血糖控制。

3.2 飲食管理

飲食管理對(duì)改善2型DM患者的血糖控制是有效的，AI和遠(yuǎn)程通信技術(shù)促進(jìn)的照片分析技術(shù)的改進(jìn)，使?fàn)I養(yǎng)素?cái)z入量的自動(dòng)評(píng)估成為可能，AI和手機(jī)支持的營(yíng)養(yǎng)干預(yù)有望成為親自營(yíng)養(yǎng)干預(yù)的替代方法[22]。Zhang等[23]研究一種移動(dòng)食品識(shí)別系統(tǒng)，該系統(tǒng)無需用戶干預(yù)，用戶只需拍下食物盤的照片，便可自動(dòng)識(shí)別食物并估計(jì)食物的熱量和營(yíng)養(yǎng)含量，現(xiàn)已將這個(gè)系統(tǒng)作為安卓智能手機(jī)應(yīng)用程序和web服務(wù)來實(shí)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)中，檢測(cè)15種不同種類的食物時(shí)，達(dá)到了85%以上的準(zhǔn)確率。 Norouzi等[24]研究DM零食推薦系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一個(gè)基于知識(shí)的智能手機(jī)應(yīng)用，其研究的重點(diǎn)是根據(jù)美國(guó)糖尿病協(xié)會(huì)的指導(dǎo)方針，開發(fā)結(jié)合AI技術(shù)和知識(shí)庫的推薦系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠根據(jù)季節(jié)(準(zhǔn)確率100%)和個(gè)人興趣(準(zhǔn)確率90%)向DM患者推薦各種零食，此系統(tǒng)被認(rèn)為能夠幫助DM患者采取更健康的飲食。由于參與者僅限于擁有手機(jī)的人，因此研究結(jié)果可能無法推廣到信息和通信技術(shù)素養(yǎng)相對(duì)較低的幾代人，這就需要在以后的研究中，納入信息和通信技術(shù)素養(yǎng)相對(duì)低的人群，可以在家屬和護(hù)士的指導(dǎo)下完成操作。

4 AI技術(shù)預(yù)測(cè)、管理DM并發(fā)癥

DM是一種慢性病，其并發(fā)癥嚴(yán)重影響患者的生存壽命和生活質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)AI技術(shù)在DM并發(fā)癥中的管理是極為重要的。機(jī)器學(xué)習(xí)是一種基于模式識(shí)別的AI，在機(jī)器學(xué)習(xí)中，稱為“訓(xùn)練數(shù)據(jù)”的給定數(shù)據(jù)集用于執(zhí)行預(yù)測(cè)，近年來已成為醫(yī)學(xué)研究中的一個(gè)寶貴工具[25]。王潔等[26]提出了一種基于Logistic回歸結(jié)合多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的2型DM并發(fā)癥預(yù)測(cè)模型，研究結(jié)果表明Logistic回歸結(jié)合多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)DM并發(fā)癥準(zhǔn)確率高達(dá)85%左右, 能為2型DM并發(fā)癥預(yù)測(cè)提供可靠的參考價(jià)值。

4.1 糖尿病腎病管理

糖尿病腎病是DM的嚴(yán)重并發(fā)癥之一,糖尿病腎病是導(dǎo)致終末期腎衰竭的最主要原因[27]。AI可以根據(jù)2型DM患者的電子病歷，利用大數(shù)據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)糖尿病腎病的進(jìn)展。 Makino等[28]研究采用AI技術(shù)，利用大數(shù)據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)處理自然語言和縱向數(shù)據(jù)，構(gòu)建糖尿病腎病預(yù)測(cè)模型，它使用參考期前6個(gè)月的時(shí)間序列數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)參考期后6個(gè)月的糖尿病腎病進(jìn)展，AI對(duì)糖尿病腎病加重的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率為71%。新的智能預(yù)測(cè)模型可以檢測(cè)糖尿病腎病的進(jìn)展，有助于更有效、更準(zhǔn)確的提供干預(yù)措施和減少血液透析。

4.2 糖尿病視網(wǎng)膜病變管理

糖尿病視網(wǎng)膜病變是導(dǎo)致失明的主要原因,遠(yuǎn)程眼科系統(tǒng)是相對(duì)成熟的遠(yuǎn)程醫(yī)療應(yīng)用?？沙掷m(xù)的視網(wǎng)膜遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)應(yīng)用一種廉價(jià)的便攜式設(shè)備，用于在不使用藥物擴(kuò)張瞳孔的情況下拍攝低光視網(wǎng)膜圖像，以及一種用于快速檢測(cè)和診斷糖尿病視網(wǎng)膜病變的計(jì)算機(jī)輔助方法，利用衛(wèi)生信息技術(shù)、醫(yī)療設(shè)備、移動(dòng)電話和健康移動(dòng)應(yīng)用程序以及軟件應(yīng)用程序來形成更全面的遠(yuǎn)程保健模式，改善保健協(xié)調(diào)、自我保健管理和教育，可對(duì)保健結(jié)果產(chǎn)生重大影響包括預(yù)防DM導(dǎo)致的視力喪失[29]。李萌等[30]研究結(jié)果表明,基于眼底閱片的眼科AI系統(tǒng)診斷符合率可同眼科高級(jí)職稱醫(yī)生水平相媲美,且其系統(tǒng)平均閱片時(shí)間短,閱片結(jié)果質(zhì)量穩(wěn)定,可為大規(guī)模糖尿病視網(wǎng)膜病變?nèi)巳汉Y查提供新的方法與系統(tǒng)。Natarajan等[31]研究結(jié)果表明，離線AI系統(tǒng)診斷糖尿病視網(wǎng)膜病變的敏感性和特異性分別為100.0%和88.4%，利用基于智能手機(jī)的眼底攝像頭的離線AI系統(tǒng)在社區(qū)篩查糖尿病視網(wǎng)膜病變方面具有前景，AI的使用將有助于在偏遠(yuǎn)地區(qū)篩查糖尿病視網(wǎng)膜病變。在今后可能需要一項(xiàng)樣本量更大的研究將結(jié)果推廣到一般人群。

4.3 糖尿病心血管疾病管理

研究顯示，我國(guó)40歲及以上DM患者中,半數(shù)以上處于心血管疾病發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)高危水平[32]。新一代遠(yuǎn)程醫(yī)療項(xiàng)目通常被稱為“遠(yuǎn)程醫(yī)療2.0”項(xiàng)目(也稱為“電子健康2.0”)，是利用新的信息和通信技術(shù)和Web 2.0技術(shù)，其中大多數(shù)研究都是建立在各種連接工具(藍(lán)牙和/或Wi-Fi)上，用于監(jiān)測(cè)1型和2型DM及其并發(fā)癥,通過遠(yuǎn)程監(jiān)控2.0平臺(tái)優(yōu)化DM患者的家庭監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)DM失代償風(fēng)險(xiǎn)情況及其心血管并發(fā)癥(如心肌梗死或慢性心力衰竭)[33]。遠(yuǎn)程管理必須納入家庭遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備和智能手機(jī)遠(yuǎn)程應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)，以便從任何地方進(jìn)行監(jiān)控和管理DM患者。

4.4 糖尿病足管理

足潰瘍約占1型DM患者的15%,85%的患者在截肢前發(fā)生足部潰瘍，足部病變的預(yù)防和妥善處理具有重要價(jià)值[34]。Fraiwan等[35]建立基于智能手機(jī)的熱成像系統(tǒng)，所提出的系統(tǒng)包括硬件以及必要的圖像處理和解釋軟件技術(shù)，該系統(tǒng)已成功地識(shí)別出溫度梯度大于2.2°C的熱點(diǎn)區(qū)域，這被認(rèn)為是可用于識(shí)別可能潰瘍的值，該系統(tǒng)提供的一種自動(dòng)識(shí)別DM患者可能發(fā)生足潰瘍的方法，可以幫助DM患者自我檢查足潰瘍。Quinn等[36]提出一種基于熱成像的足部溫度熱點(diǎn)檢測(cè)方法，旨在檢測(cè)足底表面潰瘍前熱點(diǎn)區(qū)域?qū)狳c(diǎn)區(qū)域的早期發(fā)現(xiàn)和治療可以降低潰瘍發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，該研究在10名健康參與者的足部模擬熱點(diǎn)，結(jié)果表明，60%的受試者正確檢測(cè)到熱點(diǎn)。從兩項(xiàng)研究來看，基于智能手機(jī)的熱成像系統(tǒng)和應(yīng)用可以早期發(fā)現(xiàn)和治療降低潰瘍發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn),能更好的對(duì)糖尿病足進(jìn)行管理。

5 小結(jié)與展望

本文著重討論了AI技術(shù)在DM診斷、血糖管理、個(gè)性化DM生活方式管理、DM并發(fā)癥的預(yù)測(cè)及管理的現(xiàn)狀。AI技術(shù)具有廣闊的前景，目前我國(guó)AI技術(shù)與醫(yī)療相結(jié)合還處在初步階段，要實(shí)現(xiàn)AI對(duì)DM的管理還有許多問題。首先,大部分DM患者是中老年人群，其對(duì)AI和現(xiàn)代化信息技術(shù)還不夠熟悉，這需要加大宣傳力度，提高智能管理設(shè)備的可接受度，提供更加人性化、個(gè)性化、針對(duì)性的智能管理系統(tǒng)、設(shè)備；其次，在智能DM管理中，要重視護(hù)士的重要性，加強(qiáng)對(duì)護(hù)士的培訓(xùn)，組成遠(yuǎn)程護(hù)士專家團(tuán)隊(duì)，定期通過云平臺(tái)、媒體平臺(tái)等對(duì)患者進(jìn)行健康宣教，使患者主動(dòng)的實(shí)現(xiàn)DM自我管理。在未來，AI技術(shù)在DM管理領(lǐng)域有以下幾個(gè)發(fā)展方向：第一，整合DM各種數(shù)據(jù)來源形成DM健康大數(shù)據(jù)，讓DM患者都有自己的電子健康檔案，用云平臺(tái)解決DM大數(shù)據(jù)問題；第二，AI技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、移動(dòng)終端及物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)結(jié)合來實(shí)現(xiàn)DM閉環(huán)管理；第三，醫(yī)院采用的電子病歷系統(tǒng)使用同樣的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范和管理DM數(shù)據(jù)；第四，將智能DM管理設(shè)備、產(chǎn)品推廣到社區(qū)和家庭。AI對(duì)醫(yī)療領(lǐng)域帶來極大的幫助，未來AI最大的作用是解決醫(yī)護(hù)人員簡(jiǎn)單重復(fù)的工作，提高醫(yī)護(hù)人員的工作效率，真正發(fā)揮醫(yī)護(hù)人員的智慧。