人工智能在腫瘤患者營養(yǎng)管理中的應(yīng)用研究進展

王仁芳 趙銳祎

人工智能(artificial intelligence,AI)是經(jīng)研究開發(fā)用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)[1],已經(jīng)被用于健康管理、輔助圖像診斷系統(tǒng)、新藥開發(fā)及語音識別、臨床決策系統(tǒng)[2],在患者健康指數(shù)評估、合理飲食指導(dǎo)、慢性病管理及疾病風(fēng)險預(yù)測等方面發(fā)揮作用[3]。腫瘤住院患者營養(yǎng)不良的發(fā)生率為40%～80%,營養(yǎng)不良可導(dǎo)致并發(fā)癥增加、生活質(zhì)量降低、病死率增高[4]。在臨床上,腫瘤患者營養(yǎng)問題常容易被忽視[5]。傳統(tǒng)的營養(yǎng)管理不能滿足腫瘤患者個體化營養(yǎng)需求,需要動態(tài)評估其營養(yǎng)風(fēng)險。AI在智能營養(yǎng)應(yīng)用程序、可穿戴傳感器和臨床營養(yǎng)管理領(lǐng)域的應(yīng)用范圍不斷擴展,能更好地監(jiān)測患者的營養(yǎng)狀況。文章綜述了AI在腫瘤患者營養(yǎng)管理中的應(yīng)用,并對應(yīng)用前景和困境進行總結(jié),在此基礎(chǔ)上分析該領(lǐng)域未來的發(fā)展。

1 人工智能營養(yǎng)管理工具

人工智能營養(yǎng)管理工具種類繁多,例如智能應(yīng)用程序、傳感器和可穿戴設(shè)備、自動交互式電話程序、電子病歷(electronic medical record,EMR)系統(tǒng)以及新興領(lǐng)域云計算系統(tǒng)。

1.1 智能應(yīng)用程序

智能應(yīng)用程序已廣泛用于慢性病患者的營養(yǎng)管理中[6],營養(yǎng)管理APP可以記錄和分析數(shù)據(jù),在相應(yīng)應(yīng)用程序中填入患者飲食情況即轉(zhuǎn)換為相應(yīng)營養(yǎng)成分,幫助患者進行營養(yǎng)評估和自我監(jiān)測[7]。目前,腫瘤患者群體龐大,但針對腫瘤患者進行營養(yǎng)管理的資源卻十分有限,智能應(yīng)用程序可作為管理途徑之一,應(yīng)用程序可以設(shè)置跟蹤腫瘤患者日常飲食,確定患者的飲食習(xí)慣和偏好,進而為患者提供個性化的飲食建議和目標(biāo)能量[8]。Keum等[9]將主觀整體評估簡表轉(zhuǎn)換成Pt-Global應(yīng)用程序,比較患者完成主觀整體營養(yǎng)評估量表紙質(zhì)表格與Pt-Global應(yīng)用程序所需的時間,結(jié)果顯示Pt-Global應(yīng)用程序可以快速簡單地進行系統(tǒng)營養(yǎng)風(fēng)險篩查,節(jié)省評估時間,同時可以提高患者對營養(yǎng)不良風(fēng)險的認識,驗證了Pt-Global應(yīng)用程序的便捷性及可行性?；谀芰科胶庥涗浬攀澈蜕眢w活動的智能應(yīng)用程序已證實可改善腫瘤患者的營養(yǎng)狀況。李瑤[10]的研究中,將基于手機APP的飲食管理程序應(yīng)用于頭頸部惡性腫瘤放療患者中,改善了放療患者的營養(yǎng)狀況。智能應(yīng)用程序可通過捕捉腫瘤患者飲食習(xí)慣和動態(tài)營養(yǎng)變化,持續(xù)監(jiān)測患者營養(yǎng)狀況,幫助患者達成營養(yǎng)目標(biāo)。但是,在支持個性化、以患者為中心的營養(yǎng)護理時,智能應(yīng)用程序的使用需要醫(yī)護人員的監(jiān)測及評估,不能由患者單獨使用。再者,智能應(yīng)用程序的使用依賴于智能手機設(shè)備及患者熟練使用智能設(shè)備的能力,部分老年患者對其使用可能存在一定的障礙。

1.2 可穿戴設(shè)備

可穿戴設(shè)備指直接穿在用戶身上,或是整合到用戶的衣服或配件的一種便攜式設(shè)備,可通過軟件支持以及數(shù)據(jù)交互、云端交互來實現(xiàn)強大的功能?？纱┐鞯臓I養(yǎng)管理設(shè)備[11]通過可穿戴傳感器提供一種簡單且非侵入性方式來為營養(yǎng)評估提供信息[12]。有研究通過應(yīng)用智能手表和腕帶[9]中的計步器和運動日記功能收集患者活動量,從而預(yù)測患者能量消耗,指導(dǎo)其營養(yǎng)管理。目前可穿戴設(shè)備在慢性病患者中得到廣泛應(yīng)用,而將飲食行為轉(zhuǎn)變?yōu)闋I養(yǎng)平衡的管理仍需進一步完善?？纱┐髟O(shè)備能夠監(jiān)測食物的攝入時間及化學(xué)變化,從而制定個性化營養(yǎng)方案[13]。澳大利亞墨爾本推出了全球首款個性化營養(yǎng)可穿戴設(shè)備——智能貼片,該設(shè)備可以通過測量飲食中的生物標(biāo)記物,幫助用戶控制并管理飲食[14]。該設(shè)備是基于一個復(fù)雜的傳感平臺和可伸縮的電子設(shè)備,能夠無痛地評估飲食生物標(biāo)記物,并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到一個應(yīng)用程序,然后該應(yīng)用程序會根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果向用戶提供飲食建議,讓用戶可以根據(jù)自己的身體狀況制定個性化飲食計劃,從而獲得并保持健康。相比于追蹤心率、身體活動、睡眠等指標(biāo)的智能手表,智能貼片的優(yōu)勢在于它的精確性[15]。有研究[16]應(yīng)用活動追蹤器(Fitbit Charge 3)可穿戴設(shè)備,監(jiān)測結(jié)腸癌患者圍手術(shù)期身體活動量和飲食攝入量,證實了可穿戴設(shè)備在結(jié)腸癌患者圍手術(shù)期營養(yǎng)管理中在適用性。

1.3 自動交互式電話程序

自動交互式電話程序是一個基于語音的移動營養(yǎng)監(jiān)測系統(tǒng),通過自然語言處理和文本挖掘技術(shù),以促進遠程營養(yǎng)監(jiān)測[17]。自動交互式電話程序可通過智能語音助手或人工智能驅(qū)動的對話,收集患者健康信息[18],并與衛(wèi)生系統(tǒng)的電子健康記錄相關(guān)聯(lián),遠程監(jiān)測患者疾病自我管理行為[19-20]。自動交互式電話程序可以實現(xiàn)以患者為中心的護理方法,能指導(dǎo)患者改善飲食質(zhì)量、監(jiān)測膳食攝入量,從而提高患者飲食依從性[21]。研究[22]顯示,對于接受輔助放化療的食管癌患者,交互式電話程序有助于提醒用戶進行自我營養(yǎng)管理,提高患者營養(yǎng)管理依從性,進而降低其營養(yǎng)失調(diào)的發(fā)生率。

1.4 EMR系統(tǒng)

EMR系統(tǒng)是采用電子設(shè)備保存、管理、傳輸和重現(xiàn)的數(shù)字化的患者醫(yī)療記錄[23]。臨床工作者可通過EMR系統(tǒng)來分析患者食物日記中食物的營養(yǎng)成分,估算營養(yǎng)攝入量,實時精確地記錄患者營養(yǎng)狀態(tài)變化[24],可以根據(jù)腫瘤患者需求完成營養(yǎng)篩查[25-26]。但是EMR數(shù)據(jù)的多維性、復(fù)雜性和不規(guī)則性為健康評估帶來了挑戰(zhàn),在一定層面上阻礙了臨床醫(yī)生有效提取可使用的信息[27-28]。腫瘤學(xué)復(fù)雜的內(nèi)容增加了EMR系統(tǒng)數(shù)據(jù)挖掘的難度[29],需要臨床工作者整合各項臨床指標(biāo)進行營養(yǎng)評估。

2 人工智能在腫瘤患者營養(yǎng)管理中的應(yīng)用價值

2.1 輔助營養(yǎng)篩查

營養(yǎng)篩查是營養(yǎng)診療的基礎(chǔ),早期識別出營養(yǎng)失調(diào)或有營養(yǎng)不良風(fēng)險的患者,對于及時實施營養(yǎng)干預(yù)至關(guān)重要[30]?；谌斯ぶ悄艿某醪綘I養(yǎng)篩查可以輔助臨床決策[31]。國外學(xué)者開發(fā)了預(yù)測腫瘤門診患者營養(yǎng)風(fēng)險的自動化營養(yǎng)篩查系統(tǒng)[32],在腫瘤門診的電子病歷中設(shè)置營養(yǎng)不良篩查工具[33],能夠更好地篩查出潛在營養(yǎng)不良風(fēng)險的患者。Yin等[31]開發(fā)了基于機器學(xué)習(xí)的決策支持系統(tǒng),用于識別腫瘤患者的營養(yǎng)不良情況,并對患者營養(yǎng)狀況進行分級。研究[32-35]發(fā)現(xiàn),在智能營養(yǎng)篩查系統(tǒng)中添加影響腫瘤患者營養(yǎng)狀況的關(guān)鍵詞,如食欲下降、惡心、嘔吐等,并將篩查系統(tǒng)與醫(yī)院電子病歷系統(tǒng)對接,通過提取與患者胃腸道相關(guān)的癥狀信息,自動識別出存在營養(yǎng)失調(diào)風(fēng)險的患者。目前,國內(nèi)外的學(xué)者逐漸意識到智能營養(yǎng)篩查對于腫瘤患者的重要性,更多的研究在探索如何對腫瘤患者群體快速地進行營養(yǎng)篩查和營養(yǎng)風(fēng)險分級。人工智能篩查可作為初步營養(yǎng)篩查手段,但目前的智能篩查研究顯示患者營養(yǎng)狀況與體重下降、影響進食的癥狀相關(guān)性高,但缺乏體重下降或改變的具體時間段及進食量減少的具體量,因此,精確的營養(yǎng)評估仍然需要醫(yī)護人員進一步的人工營養(yǎng)篩查與評估。

2.2 指導(dǎo)營養(yǎng)配餐系統(tǒng)的構(gòu)建

醫(yī)院內(nèi)均衡的營養(yǎng)及合理的配餐計劃可以為患者提供康復(fù)所需的營養(yǎng)素[36],特別是腫瘤患者,化療期間由于胃腸道反應(yīng),患者食欲較差,更希望醫(yī)院能提供針對患者營養(yǎng)狀況和口味偏好的個性化配餐[37]。構(gòu)建營養(yǎng)配餐系統(tǒng),建立營養(yǎng)膳食知識庫[38],借助電子調(diào)查問卷以及營養(yǎng)監(jiān)測聯(lián)合輔助工具[39],結(jié)合膳食營養(yǎng)素平均供給量表、食物成分量表、膳食搭配數(shù)學(xué)模型,并通過數(shù)據(jù)挖掘手段分析歷史配餐信息。將腫瘤患者人群分類模板與個體化配餐相結(jié)合,采用患者評估及配餐推薦等方式,實現(xiàn)了腫瘤患者個性化配餐需求[40]。目前普遍采用的智能化配餐推薦系統(tǒng)可通過錄入患者飲食習(xí)慣及疾病診療等信息,也可通過預(yù)設(shè)置配餐策略可在一定程度上提高配餐工作效率,可為腫瘤患者提供個體化的營養(yǎng)推薦方案,并進一步形成食譜計劃,為患者提供營養(yǎng)支持。

2.3 完善智能膳食評估

腫瘤患者機體消耗大,良好的營養(yǎng)是患者恢復(fù)的基礎(chǔ),因此,完善膳食評估極其重要。傳統(tǒng)的營養(yǎng)攝入量評估主要依賴膳食調(diào)查來實現(xiàn),但這種調(diào)查方式的準確性嚴重受限于被調(diào)查者的記憶力和調(diào)查者對食物重量的評估能力,而人工智能通過客觀記錄并智能分析患者飲食,極大地改善了因患者記憶模糊帶來的偏差。研究[41-42]表明,通過手機和營養(yǎng)應(yīng)用程序進行飲食評估具有可靠性和有效性。應(yīng)用基于攝像技術(shù)的膳食重量智能評估系統(tǒng)[43],可通過食物體積與參照物體積的關(guān)系比,來估算膳食重量,推算出膳食建議及可行食譜。系統(tǒng)將食物圖片與營養(yǎng)學(xué)知識結(jié)合在一起[44-45],提供患者每日飲食攝入的營養(yǎng)素參考信息,患者只需在餐前和餐后上傳食物圖片,系統(tǒng)即可自動分析圖像估算出各類食物的重量,并將食物重量映射為相應(yīng)的營養(yǎng)素攝入量,進而給出膳食營養(yǎng)攝入報告。與傳統(tǒng)的書面飲食日記相比,患者更傾向于使用智能應(yīng)用程序來記錄飲食。未來建議將膳食攝入量與身體活動量相結(jié)合,以獲得更合理的營養(yǎng)數(shù)據(jù)。

2.4 實時營養(yǎng)監(jiān)測

食欲不好、食物攝入不足是腫瘤患者營養(yǎng)不良的獨立危險因素,獲得足夠的營養(yǎng)對于疾病臨床轉(zhuǎn)歸和健康結(jié)局至關(guān)重要。營養(yǎng)監(jiān)測是在營養(yǎng)評估基礎(chǔ)上發(fā)起的營養(yǎng)管理指導(dǎo),實時營養(yǎng)監(jiān)測可動態(tài)指導(dǎo)個體營養(yǎng)風(fēng)險評估[46]。實時營養(yǎng)監(jiān)測允許患者自我評估和自我監(jiān)測[47],記錄每餐的食物攝入量[48],從而制定符合營養(yǎng)需求的膳食計劃。腫瘤患者定期行營養(yǎng)監(jiān)測在降低疾病相關(guān)營養(yǎng)不良的風(fēng)險方面起著關(guān)鍵作用[49]。監(jiān)測飲食的傳統(tǒng)方法是自我報告,對患者來說操作負擔(dān)較重[50]。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,人工智能技術(shù)通過飲食監(jiān)測工具可跟蹤飲食行為,實時監(jiān)測營養(yǎng),減輕操作負擔(dān)[51]。AI醫(yī)療啟動智能化的日常監(jiān)測管理和預(yù)警機制,結(jié)合生化檢查結(jié)果,實時分析并自動生成綜合報告,對惡性腫瘤患者進行營養(yǎng)監(jiān)測與隨訪,判斷營養(yǎng)膳食的數(shù)量和能量是否適合,并提出改進措施。人工智能技術(shù)通過共享數(shù)據(jù),可用于跟蹤和評估患者營養(yǎng)狀況,但要對不同疾病狀態(tài)的腫瘤患者進行個體化綜合評估還有一定的難度。

3 應(yīng)用前景及局限

基于人工智能的營養(yǎng)診療是一種安全、有效的營養(yǎng)管理方式,它可以輔助分析復(fù)雜的數(shù)據(jù),為患者提供個性化的營養(yǎng)分析,幫助臨床工作者進行臨床營養(yǎng)決策。人工智能算法可以分析大型數(shù)據(jù)集,以確定飲食與疾病結(jié)果之間的關(guān)聯(lián),使臨床工作者能夠提出基于證據(jù)的營養(yǎng)建議。人工智能設(shè)備還可以幫助跟蹤飲食攝入,提供反饋,并激勵患者選擇更健康的食物。 然而,人工智能在臨床營養(yǎng)中的應(yīng)用主要倫理挑戰(zhàn)之一是保護患者隱私和敏感信息。另外,基于人工智能的飲食評估工具目前無法解決傳統(tǒng)工具的局限性,人工智能算法營養(yǎng)數(shù)據(jù)庫并不總是可用的?？傊?人工智能具有轉(zhuǎn)化臨床營養(yǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)的潛力,但應(yīng)在醫(yī)生的指導(dǎo)下將其融入臨床實踐,以確?；颊甙踩矮@益。

4 小結(jié)

應(yīng)用人工智能進行營養(yǎng)和飲食護理可改善患者的飲食結(jié)構(gòu)和促進疾病恢復(fù)。人工智能的應(yīng)用有助于改進腫瘤患者飲食結(jié)構(gòu)和疾病預(yù)測模型,更好地收集、處理復(fù)雜的營養(yǎng)相關(guān)數(shù)據(jù),以及更好地監(jiān)測患者的營養(yǎng)狀況。但在實際應(yīng)用中依然存在局限,未來智慧化醫(yī)療領(lǐng)域需要不斷引入與完善新技術(shù),促使人工智能的實用性及科學(xué)性,更好地為腫瘤患者進行營養(yǎng)管理支持。