辛宗桂 何晨光 樊小毛 李 燁

1 中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 深圳 518055

2 東北大學(xué)中荷學(xué)院 沈陽 110004

3 華北水利水電大學(xué)軟件學(xué)院 鄭州 450045

引言

隨著科技水平的提高及經(jīng)濟的快速增長，近10年來，人們的生活方式和飲食習(xí)慣有了顯著的變化，我國的疾病譜也發(fā)生了重大改變。2010年中國18歲以上成人糖尿病患病率為11.6%，人數(shù)達(dá)到1.139億，其中男性6 050萬，女性5 340萬，18歲以上成人有一半為糖尿病前期患者(50.1%)。糖尿病患者病情知曉率不到1/3(30.1%)，僅1/4接受治療(25.8%)，接受過治療的患者，僅有略高于1/3血糖達(dá)標(biāo)[1]。從中國的人口角度看，糖尿病總體規(guī)模幾乎已達(dá)“警戒級別”(圖1所示)。如果沒有一個覆蓋全國的有效措施，中國可能在不久的將來會大量出現(xiàn)與糖尿病相關(guān)的并發(fā)癥，包括心血管疾病、中風(fēng)及慢性腎病、微循環(huán)障礙疾病等多種嚴(yán)重疾患；因此，糖尿病防控領(lǐng)域的市場需求非常大。根據(jù)R2G的2015年報告，在醫(yī)療健康領(lǐng)域，糖尿病相關(guān)的應(yīng)用占到五分之一，位于第二。針對此需求開發(fā)的移動應(yīng)用可以通過對患者的監(jiān)護(hù)，記錄患者的生活習(xí)慣、飲食習(xí)慣、生理參數(shù)等各種數(shù)據(jù)，自動檢測并推薦出最好的治療方案，起到行為干預(yù)的效果，從而預(yù)防各種并發(fā)疾病的發(fā)生，降低家庭在醫(yī)療健康方面的支出。

圖1 中國糖尿病患病率

糖尿病管理信息化的第一次探索是在20世紀(jì)60年代，當(dāng)時美國開始探索病案、慢性病管理的信息化，以麻省理工總醫(yī)院為代表，開發(fā)并投入使用了糖尿病電子病歷管理系統(tǒng)。隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展與成熟，在20世紀(jì)90年代，西門子公司研發(fā)了一款記錄糖尿病信息的多媒體系統(tǒng)。同時期的西方國家也陸續(xù)投入大量經(jīng)費開發(fā)糖尿病信息管理系統(tǒng)。2004年，美國總統(tǒng)布什在國情咨文演講中提出一個要求，他希望在10年內(nèi)能夠確保絕大部分的美國人擁有糖尿病的電子病歷，并以此為基礎(chǔ)建立國家慢性病信息管理系統(tǒng)，經(jīng)費估計達(dá)到2 760億美元。我國起步相對較晚，在20世紀(jì)80年代才開始疾病信息化管理的探索，多家醫(yī)院將糖尿病的病案用做索引標(biāo)記，通過攝片、沖洗等流程的縮微技術(shù)，對病歷進(jìn)行信息化的管理。

2011年3月29日召開的全國衛(wèi)生統(tǒng)計信息工作會議確定了我國“十二五”期間衛(wèi)生信息化建設(shè)的路線圖，要求各地加強建設(shè)健康檔案和電子病歷2個基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和1個專用網(wǎng)絡(luò)[2]。該計劃加速了衛(wèi)生服務(wù)信息化的建設(shè)，為實現(xiàn)以信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)的疾病管理提供硬件基礎(chǔ)。實際上，早在2002年，趙志剛等人就開發(fā)并推廣了第一個糖尿病電子病歷系統(tǒng)，其參考了日本和美國的管理方案，能夠通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸、儲存，隨時為醫(yī)生提供病人的病歷，更好地長期跟蹤病人的病情[3]。2006年，劉偉等人提出了門診改革方案，為門診引入糖尿病信息管理系統(tǒng)，并建立了上海市第一個糖尿病信息管理系統(tǒng)，每個病人都有專業(yè)的醫(yī)護(hù)人員管理，制定了初診與復(fù)診的常規(guī)檢查，并對糖尿病患者進(jìn)行2周一次的上門隨訪[4]。2007年，李杰等人研發(fā)了能夠高效管理和分析糖尿病的分布式、動態(tài)糖尿病信息管理系統(tǒng)(DIMS系統(tǒng))[5]。2013年，李領(lǐng)俠等人采用可視編程系統(tǒng)制作了糖尿病健康管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過對糖尿病病人實施長期、全面、動態(tài)、連續(xù)有效的管理，起到提高病人健康管理相關(guān)知識水平，改變其自我管理能力的作用[6]。2015年，曾小華等人開發(fā)設(shè)計了基于云平臺的糖尿病的院后健康監(jiān)測管理系統(tǒng)，基于“智能手機+移動終端”的移動醫(yī)療技術(shù)，解決了2型糖尿病患者院后體征數(shù)據(jù)測量、存儲和再利用問題，具有較高的應(yīng)用價值[7-10]。

在糖尿病管理系統(tǒng)探索的伊始，只是對電子病歷進(jìn)行存儲和傳輸，讓醫(yī)生能夠及時、順利地追蹤患者的詳細(xì)資料，并沒有做到對所存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析利用，患者也無法看到自己的病歷，缺乏醫(yī)患交互。雖然經(jīng)過積極的探索，開發(fā)者對上述幾個方面做出了相應(yīng)的調(diào)整，但依然有所不足。如劉偉等人的門診改革方案，給每個病人分配專業(yè)的醫(yī)護(hù)人員，無疑大大地增加了人力資源的壓力；曾小華等人設(shè)計的管理系統(tǒng)只是將醫(yī)學(xué)保健書籍中的一些方案或知識機械地移植到移動設(shè)備中，沒有做到因材施教，個性化處理，指導(dǎo)意義不強。

基于健康云平臺，本文研發(fā)個性化糖尿病管理應(yīng)用，實現(xiàn)了原始生理信息數(shù)據(jù)的分布式云存儲。根據(jù)用戶的健康情況、生活習(xí)慣、飲食習(xí)慣、生理參數(shù)等數(shù)據(jù)，利用雙聚類推薦方法進(jìn)行建模，給出個性化的飲食方案、用藥推薦、健康教育和醫(yī)療建議。應(yīng)用功能主要包括糖尿病患者的基本信息、血糖記錄、血壓記錄、心電監(jiān)測、飲食記錄、運動記錄、用藥情況，從而推送個性化生活方式，更好地控制并發(fā)癥的發(fā)作。

1 健康云平臺

為了能夠隨時、隨地同步用戶的數(shù)據(jù)，并對用戶的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，一個穩(wěn)定、安全、高并發(fā)的健康云平臺必不可少[11-12]。圖2展示了我們開發(fā)的整個健康云平臺：HCloud的系統(tǒng)架構(gòu)，包括web集群、消息隊列集群、數(shù)據(jù)庫集群和數(shù)據(jù)挖掘分析集群。用戶使用個性化糖尿病管理應(yīng)用的過程中，數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)自動上傳到健康云平臺中存儲，利用雙聚類推薦分析方法挖掘相似的糖尿病用戶，推送相似人群中病情控制最好的生活方式、用藥情況等信息，幫助用戶更好地控制糖尿病病情。

健康云平臺主要劃分為以下4個模塊。

1)web集群：包括負(fù)載均衡設(shè)備。將用戶的請求均衡地分散到web集群的節(jié)點，能夠提高環(huán)境總體的可靠性，可用性和可服務(wù)性，同時能夠更快地從意外中斷中恢復(fù)，從而將對用戶體驗的影響降至最低。

2)消息隊列集群。消息隊列是在消息的傳輸過程中保存消息的中間件，隊列的主要目的是提供路由并保證消息的可靠傳遞；如果發(fā)送消息時接收者不可用，消息隊列會保留消息，直到可以成功地傳遞它。

3)數(shù)據(jù)庫集群。由于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是任何一個信息系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)性能、數(shù)據(jù)可靠性、服務(wù)可用性是重要指標(biāo)。數(shù)據(jù)庫集群可提供負(fù)載均衡和自動優(yōu)化的能力。數(shù)據(jù)庫集群還具有冗余設(shè)計，可以保證理論上的數(shù)據(jù)零丟失。

4)數(shù)據(jù)挖掘集群。數(shù)據(jù)挖掘的任務(wù)包括一系列的生理數(shù)據(jù)預(yù)處理、分析和挖掘模型，從而更精確地推送個性化生活方式、用藥推薦、飲食方案等信息。

圖2 健康云平臺架構(gòu)

2 糖尿病管理應(yīng)用

國際糖尿病聯(lián)盟(IDF)將健康教育與心理改善、藥物改善、飲食改善、運動改善和血糖監(jiān)測形象地稱為糖尿病改善的五架馬車，正確駕馭五架馬車就能使糖尿病患者血糖長期控制穩(wěn)定，結(jié)合減少吸煙、飲酒、控制高血脂等其他有害因素，就能有效防止或減少糖尿病并發(fā)癥的發(fā)生，最終達(dá)到延長壽命、提高生活質(zhì)量的目標(biāo)。本文將從功能模塊、接口協(xié)議框架、生理信號數(shù)據(jù)采集、雙聚類推薦方法來闡述糖尿病管理應(yīng)用。

2.1 功能模塊

個性化糖尿病管理應(yīng)用主要分為6個功能模塊，包括用戶注冊，數(shù)據(jù)采集(心電、血壓、血糖、食譜、運動、用藥記錄等)，資訊，數(shù)據(jù)分析(統(tǒng)計、血糖曲線、歷史記錄)，親友圈，調(diào)查問卷(如圖3所示)。

圖3 個性化糖尿病管理應(yīng)用功能模塊

1)資訊。健康云平臺通過挖掘、分析用戶上傳的數(shù)據(jù)，為用戶推送更加貼近用戶實際情況的健康教育。

2)注冊。為了能夠享受專業(yè)的健康服務(wù)，用戶需要在健康云平臺上建立屬于個人的健康檔案。

3)數(shù)據(jù)采集。只有收集到足夠多的用戶個人生理數(shù)據(jù)，才能更好地確定用戶的身體健康狀況，采集的數(shù)據(jù)包括：心電、血糖值、血壓值、飲食習(xí)慣、運動情況、用藥記錄。

4)親友圈。親友可以通過本應(yīng)用及時地監(jiān)控患者的健康狀況，每次的健康評估，都會同時推送給患者跟親友團，親友可以看到患者的最近健康數(shù)據(jù)，并且相關(guān)的健康教育信息都會得到推送，使得親友能更加清楚患者的狀況并根據(jù)健康教育做出調(diào)整，起到督促患者健康作息。

5)數(shù)據(jù)分析。本應(yīng)用可以長期跟蹤記錄用戶的身體狀況，利用圖表，更加直觀地為用戶展示個人最近的健康情況。

6)調(diào)查問卷?？筛鶕?jù)知識庫進(jìn)行動態(tài)更新，掌握用戶的最新反饋信息，提升用戶體驗，為推薦算法改進(jìn)提供客觀依據(jù)。

2.2 接口協(xié)議框架

糖尿病管理應(yīng)用與健康云平臺之間的傳輸數(shù)據(jù)采用易于交互的JSON數(shù)據(jù)格式?？紤]到協(xié)議的通用性、簡潔性和統(tǒng)一編碼，結(jié)合糖尿病管理應(yīng)用的特點，本文設(shè)計的JSON格式的協(xié)議框架如下。

其中，code字段主要用戶客戶端來識別處理的結(jié)果；msg字段是返回客戶端的提示內(nèi)容信息；而result字段包含的是返回的數(shù)據(jù)結(jié)果，比如推薦的飲食信息。對于result數(shù)據(jù)有以下3種情況。

1)返回單個對象數(shù)據(jù)。

適用于僅返回單個模型的情景，如用戶登錄信息。

2)返回對象數(shù)組數(shù)據(jù)。

適用于返回一個模型列表的情景，如飲食內(nèi)容列表。

3)返回混合模式數(shù)據(jù)。

適用于比較復(fù)雜的組合型界面，返回模型的內(nèi)容和模型列表的內(nèi)容，大大增強了協(xié)議的靈活性。

2.3 生理信號數(shù)據(jù)采集

圖4 利用三合一設(shè)備數(shù)據(jù)采集

通過自主研發(fā)的配套采集設(shè)備，如微型動態(tài)心電儀Mini Holter、手握式三合一檢測器、血壓計、血糖儀等。利用手機終端檢測用戶身體狀況，按照每天不少于一次的頻率持續(xù)上傳自己的血壓、血糖、心電三合一等健康數(shù)據(jù)。此外還采集包括飲食習(xí)慣，生活方式，用藥記錄等行為信息。健康云平臺根據(jù)已有的數(shù)據(jù)通過算法建模，為用戶提供多種并發(fā)疾病的風(fēng)險評估及健康趨勢分析報告。如圖4所示為手握式三合一采集生理信號過程：首先是選擇要測量的項目，然后通過藍(lán)牙連接設(shè)備，最后三合一開始采集心率、脈率、血氧和心電的數(shù)據(jù)并自動上傳(如圖4所示)。

數(shù)據(jù)上傳至健康云平臺存儲并分析，實時反饋給用戶分析結(jié)果。圖5所示為檢測分析報告內(nèi)容，按順序依次為測量結(jié)果報告、生理信號的詳情、異常脈搏的具體參數(shù)。檢測分析報告直觀反映身體狀況，為指導(dǎo)合理飲食、運動及調(diào)整用藥提供科學(xué)依據(jù)。

2.4 雙重聚類推薦方法

根據(jù)已有糖尿病用戶的個人信息、生活習(xí)慣、用藥信息、運動情況、飲食情況，利用推薦系統(tǒng)建立糖尿病用戶與并發(fā)癥之間的關(guān)系，利用已有的選擇過程或相似性關(guān)系，挖掘糖尿病用戶潛在的并發(fā)癥，推送糖尿病用戶已有病例的最佳生活方式，控制后續(xù)并發(fā)癥的發(fā)作。本文基于糖尿病用戶和并發(fā)癥雙重聚類的協(xié)同過濾推薦算法，利用評分?jǐn)?shù)據(jù)稀疏差異度和并發(fā)癥類別構(gòu)造集合差異度度量公式，用在“糖尿病用戶—并發(fā)癥評分矩陣”上進(jìn)行項目聚類；同時采用2007年在Science發(fā)表的Affinity propagation聚類[13]方法對并發(fā)癥進(jìn)行聚類，具有自適應(yīng)確定聚類數(shù)目和簡單、快速適于處理大數(shù)據(jù)的優(yōu)點，省去了規(guī)范化處理過程。圖6是用戶和并發(fā)癥雙重聚類協(xié)同過濾算法流程圖，主要過程包括：1)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理得到用戶—并發(fā)癥矩陣；2)利用近鄰傳播(Affinity Propagation, AP)聚類方法分別對用戶和并發(fā)癥進(jìn)行聚類，生成用戶和并發(fā)癥的兩個最近鄰集；3)對最近鄰集采用協(xié)同過濾算法進(jìn)行預(yù)測評分并產(chǎn)生并發(fā)癥的推薦；4)求兩個子集的并發(fā)癥預(yù)測前N個評分的加權(quán)平均，按照從高到低進(jìn)行推薦。

3 個性化管理的實現(xiàn)

個性化，是指在大眾化的基礎(chǔ)上增加獨特、另類、擁有自己特質(zhì)的需要，常用來指具有個體特性的需求和服務(wù)。糖尿病的診療和管理一方面具有群體普遍性的特征，另一方面，由于其長期性以及家族遺傳因素、個人生活習(xí)慣和環(huán)境、既往病史和服藥方案的差異，不同個體特征的糖尿病管理需求是不同的。對于一個具體應(yīng)用來說，如何更好地體現(xiàn)個性化的需求和操作的便利性，將是個性化管理設(shè)計的重點。

圖5 檢測分析報告

圖6 基于用戶和并發(fā)癥的雙重聚類協(xié)同過濾算法流程圖

通過長期跟蹤，記錄用戶的生活方式、健康狀況，建立用戶的個人檔案，并在此基礎(chǔ)上，利用2.4節(jié)的雙重聚類推薦技術(shù)，本應(yīng)用對用戶和并發(fā)癥進(jìn)行聚類分析，為用戶推送最相似且并發(fā)癥控制效果最好的病友的生活方式、用藥情況等信息，滿足糖尿病管理應(yīng)用的個性化需求，為用戶量身定制全方位的個性化糖尿病管理方案。系統(tǒng)包括：資訊、生活方式、診療、圈子4個方面。如圖7所示。

1)資訊。主要包括糖尿病的健康教育、并發(fā)癥、治療、最新動態(tài)4個內(nèi)容。根據(jù)用戶的糖尿病類型，身體健康狀況推送對應(yīng)的健康教育。眾所周知，能否堅持合理飲食、運動、用藥及血糖檢測是治療糖尿病的關(guān)鍵與難點，而健康教育可以幫助患者加強對糖尿病的認(rèn)知，掌握科學(xué)運動、合理飲食、合理用藥與疾病歸轉(zhuǎn)之間的關(guān)系。在普及糖尿病基本常識的同時，讓用戶正確地認(rèn)識到糖尿病并發(fā)癥的發(fā)生和危害，糖尿病管理的重要性，使其能夠積極配合治療，及時了解身體狀態(tài)。同時推送糖尿病治療的最新技術(shù)，讓不同層次的用戶有更多的治療選擇。

圖7 推薦系統(tǒng)構(gòu)成

2)生活方式。糖尿病患者要控制病情，除了要積極治療外，還需要改變生活習(xí)慣。總得來說就是，“管住嘴，邁開腿，好好睡”。管住嘴，糖尿病人需要平衡飲食，并保證進(jìn)食時間的規(guī)律，以防止體內(nèi)血糖濃度起伏過大，從而控制病情。系統(tǒng)根據(jù)用戶的飲食習(xí)慣，為用戶推薦兼顧用戶口味的，合理的營養(yǎng)食譜。系統(tǒng)根據(jù)跟蹤用戶的運動狀況，結(jié)合用戶的健康狀況，勞動狀況，飲食習(xí)慣，為用戶定制合適的運動方案。人體內(nèi)的血糖的水平，跟節(jié)律體內(nèi)的時間是一樣的，如果休息不好就會導(dǎo)致血糖失控。糖尿病人按照正常的作息規(guī)律則應(yīng)該早上六點到七點之間起床，睡眠時間要保證至少七小時。

3)診療。根據(jù)用戶的用藥記錄、作息時間，為用戶制訂一個正規(guī)的注射或口服藥的規(guī)律，制訂一個合理作息用藥時間。同時也會根據(jù)最近的生理數(shù)據(jù)、飲食、運動情況，建議用戶減少或增加某藥物的劑量，以更健康的方式控制病情。用戶在用藥上有什么疑問也可以通過留言的方式，跟我們的專業(yè)醫(yī)生互動，我們會在最快的時間內(nèi)解決用戶的問題。

4)圈子。圈子是一個給廣大用戶交流的一個地方，首先系統(tǒng)會根據(jù)不同類型的用戶，將他們歸類到同一個圈子里，在里面，用戶可以把自己覺得有用的經(jīng)驗共享出去，同時也可以通過分享自己的情況來獲取糖友們的幫助。除了糖友外，用戶的親友也能夠關(guān)注用戶的身體狀況，進(jìn)而對用戶行為、飲食、運動進(jìn)行監(jiān)督。我們的醫(yī)生也會在圈子里瀏覽用戶分享的經(jīng)驗，回復(fù)用戶的問題，對優(yōu)秀的經(jīng)驗進(jìn)行頂置，讓更多的用戶受益。

4 總結(jié)

基于糖尿病管理的需求，通過個人行為干預(yù)、第三方激勵以及社區(qū)群體激勵等方式，聯(lián)合家人共同管理患者的病情，本文研發(fā)了一個糖尿病管理的應(yīng)用。通過跟蹤記錄患者的生活方式、飲食習(xí)慣、運動習(xí)慣、用藥記錄、生理數(shù)據(jù)等，運用雙重聚類推薦技術(shù)，為用戶建立個性化健康管理檔案，進(jìn)行用藥管理、運動干預(yù)、飲食干預(yù)等規(guī)范患者的生活作息，從而達(dá)到控制患者病情、降低家庭醫(yī)療支出、提高生活質(zhì)量的作用。此外，本應(yīng)用除了服務(wù)于糖尿病的日常管理之外，通過對用戶歷史數(shù)據(jù)進(jìn)一步地挖掘分析，可探索發(fā)現(xiàn)糖尿病并發(fā)癥新型誘導(dǎo)因子，并可由專業(yè)醫(yī)生進(jìn)行驗證及機理分析，從而提前進(jìn)行誘導(dǎo)因子的防控，降低并發(fā)癥發(fā)生的風(fēng)險。

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