Sviluppo e utilizzo di un metodo automatizzato di assunzione e valutazione del comportamento alimentare

Sommario

Questo protocollo mostra e spiega un nuovo metodo di valutazione dietetica basato sulla tecnologia. Il metodo consiste in un vassoio da pranzo con più bilance integrate e una videocamera. Il dispositivo è unico nel senso che incorpora misure automatizzate di assunzione di cibi e bevande e comportamento alimentare nel corso di un pasto.

Abstract

La stragrande maggioranza dei metodi di valutazione del comportamento alimentare e alimentare si basa su auto-rapporti. Sono onerosi e anche inclini a errori di misurazione. Le recenti innovazioni tecnologiche consentono lo sviluppo di strumenti di valutazione del comportamento dietetico e alimentare più accurati e precisi che richiedono meno sforzo sia per l'utente che per il ricercatore. Pertanto, è stato sviluppato un nuovo dispositivo basato su sensori per valutare l'assunzione di cibo e il comportamento alimentare. Il dispositivo è un normale vassoio da pranzo dotato di videocamera e tre stazioni di pesatura integrate separate. Le stazioni di pesatura misurano continuamente il peso della ciotola, del piatto e della tazza per bere nel corso di un pasto. La videocamera posizionata sul viso registra le caratteristiche del comportamento alimentare (masticazioni, morsi), che vengono analizzate utilizzando un software di espressione facciale automatica basato sull'intelligenza artificiale (AI). Il peso del vassoio e i dati video vengono trasportati in tempo reale su un personal computer (PC) utilizzando un ricevitore wireless. I risultati di interesse, come la quantità mangiata, il tasso di mangiare e la dimensione del morso, possono essere calcolati sottraendo i dati di queste misure nei punti di interesse. Le informazioni ottenute dall'attuale versione del vassoio possono essere utilizzate a scopo di ricerca, una versione aggiornata del dispositivo faciliterebbe anche la fornitura di consigli più personalizzati sull'assunzione alimentare e sul comportamento alimentare. Contrariamente ai metodi di valutazione dietetica convenzionali, questo dispositivo di valutazione dietetica misura l'assunzione di cibo direttamente all'interno di un pasto e non dipende dalla memoria o dalla stima delle dimensioni delle porzioni. In definitiva, questo dispositivo è quindi adatto per l'assunzione giornaliera di cibo principale e misure di comportamento alimentare. In futuro, questo metodo di valutazione dietetica basato sulla tecnologia può essere collegato ad applicazioni sanitarie o orologi intelligenti per ottenere una panoramica completa dell'esercizio fisico, dell'assunzione di energia e del comportamento alimentare.

Introduzione

Nella ricerca nutrizionale e nella pratica dietetica, è fondamentale avere buone misure su cosa, quanto e come le persone mangiano, per trovare soluzioni ai problemi di sovrappeso e obesità. Per valutare l'assunzione alimentare, vengono utilizzati questionari di auto-segnalazione spesso convenzionali come diari alimentari, richiami di 24 ore o questionari sulla frequenza alimentare¹. Questi metodi si basano sull'auto-report e sono quindi dispendiosi in termini di tempo e inclini a pregiudizi dovuti a risposte social-desiderabili, inadeguatezza della memoria e difficoltà nella stima delle dimensioni delle^{porzioni 2,3}. Oltre alle misure della qualità della dieta (tipo di cibo e quantità mangiata), è anche importante sapere come viene mangiato il cibo, poiché i comportamenti alimentari che rallentano l'assunzione di cibo hanno dimostrato di prevenire il consumo eccessivo all'interno di un^{pasto 4}. Per valutare il comportamento alimentare lo standard d'oro è quello di avere due osservatori annotare le registrazioni video di persone che mangiano^{un pasto 5}. Questo metodo è piuttosto laborioso e richiede molto tempo e non consente un feedback immediato sul comportamento.

I recenti progressi tecnologici ora offrono l'opportunità di combinare misure automatizzate di assunzione di cibo con misure automatizzate del comportamento alimentare nel corso di un pasto. In risposta a questi sviluppi, è stato sviluppato un nuovo metodo di valutazione dietetica basato su sensori, chiamato mEETr, l'acronimo delle due parole olandesi "Meter" (tradotto: dispositivo di misurazione) e "eet" (tradotto: mangiare). Il mEETr è un vassoio da pranzo regolare con tre stazioni di pesatura integrate (la figura1 dimostra il design del vassoio e delle piastre del sensore) e un supporto per fotocamera. Ogni stazione di pesatura è costituita da tre punti di misurazione posizionati triangolari per distribuire il peso. Le stazioni di pesatura misurano continuamente il peso della ciotola, del piatto e della tazza o del bicchiere durante il pasto. L'mEETr include anche un supporto per videocamera. Attualmente, il supporto della fotocamera è separato dal vassoio, ma per scopi di standardizzazione una fotocamera integrata dopo il prossimo aggiornamento di mEETr (una videocamera pieghevole) sarebbe l'ideale. La fotocamera facilita l'analisi automatizzata in tempo reale del numero di morsi e masticazioni e la durata del consumo, che consente la generazione di informazioni sul tasso di alimentazione e sulle dimensioni del morso. L'analisi automatizzata del comportamento alimentare viene eseguita con l'uso di un algoritmo di nuova sviluppo. Vari gruppi di ricerca hanno sviluppato dispositivi per fornire alle persone feedback in tempo reale sull'accelerazione del mangiare e sulla quantità di persone che^{mangiano 6}. Inoltre, le forche potenziate sono state sviluppate per fornire feedback in tempo reale sul numero di morsi e sulla loro frequenza all'interno di un pasto⁷. Inoltre, è stato sviluppato un sensore auricolare per misurare la microstruttura del mangiare in condizioni di vita^{libere 8,9}. Simile a questo dispositivo è l'impostazione utilizzata da Ioakimidis et^al.

Rispetto a questi dispositivi la novità del mEETr è che combina misure automatizzate di assunzione di cibo di due piatti e una tazza da bere (n = 3) e comportamento alimentare (ad esempio, tasso di mangiare, numero di morsi, dimensioni del morso e comportamento di masticazione) in un unico dispositivo. Il mEETr, come dimostrato, è adatto per misure all'interno dei pasti di assunzione di cibo e comportamento alimentare all'interno di un ambiente controllato (laboratorio alimentare), ma alla fine l'obiettivo è quello di utilizzare il mEETr in ambienti meno controllati in cui vengono utilizzati piani pasto ricorrenti come asili nido, case di riposo e ospedali.

In definitiva, il mEETr fornirà una misura più obiettiva e, come tale, più accurata e precisa dell'assunzione di cibo e del comportamento alimentare rispetto ai metodi di valutazione dietetica convenzionali e alla codifica manuale dei video. Migliori misure dell'assunzione di cibo gioverebbero alla ricerca nutrizionale e sanitaria, ma anche agli operatori sanitari nella loro sfida per combattere l'aumento delle malattie non trasmissibili legate agli^{alimenti 11}. In definitiva, l'mEETr può essere utilizzato in contesti di ricerca e assistenza sanitaria, nonché da utenti attenti alla salute a casa collegando l'mEETr alle tecnologie e al software esistenti, come altre app per la salute o orologi intelligenti. Nel complesso, queste misure sanitarie forniscono all'utente o al professionista sanitario una panoramica piuttosto diversificata e completa di una varietà di modelli di comportamento sanitario (ad esempio, assunzione di cibo, comportamento alimentare, dispendio energetico basato su misure di vita reale, sonno, stress) consentendo all'utente di ottimizzare la propria dieta e creare uno stile di vita sano.

Protocollo

Questo studio pilota è stato approvato dal METC dell'Università di Wageningen prima di iniziare il progetto.

ATTENZIONE: Tutti i partecipanti che hanno contribuito a questo progetto hanno fornito un consenso informato, compresa l'approvazione di immagini video che mostrano volti visibili e riconoscibili.

1. Preparazione del campione e consenso dei partecipanti

1. Preparare un succo (bicchiere o tazza), yogurt alla frutta (ciotola) e pezzi di frutta (piatto).
   NOTA: Questi alimenti sono selezionati solo a scopo dimostrativo(figura 2).
2. Recluta un partecipante o un volontario che accetti di partecipare allo studio.
3. Escludere i partecipanti che indossano occhiali (che non possono utilizzare lenti a contatto) e/o hanno peli sul viso (barba o baffi) per evitare errori di misurazione.
4. Informare i partecipanti dello studio e della raccolta dei dati (archiviazione dei dati, accessibilità). Ottenere autorizzazioni separate in caso di registrazioni video non anonime. Ottenere la firma del partecipante sul consenso informato prima di raccogliere i dati.

2. Configurazione del dispositivo e della posizione di misurazione

NOTA: questo protocollo è adatto per la raccolta dei dati in un ambiente controllato (laboratorioalimentare).

1. Assicurarsi che la luce nella stanza sia distribuita uniformemente ed evitare ombre sui volti dei partecipanti.
2. Evitare il rumore di fondo sulle registrazioni video a causa della presenza di persone diverse dal partecipante.
3. Seduti il partecipante su una sedia prima di un tavolo; con tavolo situato appena sotto il petto del partecipante.
4. Collegare il ricevitore wireless del vassoio e la webcam a un laptop.
5. Avvia il portatile. Assicurarsi che il laptop abbia le seguenti specifiche: CPU i7-10750H, SSD M.2 512 GB, Memoria 1x 16 GB, DDR4 2933 MHz memoria non ECC, sistema operativo a 64 bit.
6. Accendere il vassoio e assicurarsi che vi sia carica nel vassoio (luce verde).
7. Aprire rispettivamente il programma del connettore (dos), il ricevitore e il programma software del processore insieme al dashboard.
8. Controllare la qualità dell'immagine in ingresso nel programma del processore (Figura 3).
   NOTA: per rilevare il comportamento alimentare, la qualità dell'immagine deve essere all'interno dell'ultimo trimestre della barra delle applicazioni (verde); il più vicino possibile al 100% verde. La formazione di ombre può portare a una bassa qualità dell'immagine.
9. Assicurarsi che la cornice dell'immagine sia corretta per evitare una scarsa qualità dell'immagine. Assicurarsi che la testa del partecipante (sopra il cranio) fino al petto, comprese braccia e spalle, sia chiaramente visibile.

3. Sistema di pesatura e trasporto dati

1. Convalidare le misure prima dell'uso del mEETr per la prima volta.
   NOTA: Il dispositivo mEETr è costituito da un normale vassoio da pranzo disponibile in commercio (vassoio per la cena epossidico applicato in fibra) con tre stazioni di pesatura integrate(Figura 2).
2. Per convalidare l'configurazione, assicurarsi che il vassoio misure continuamente il peso di un piatto, una ciotola e un bicchiere da bere.
   NOTA: La precisione della bilancia su tutta la gamma dovrebbe essere dello 0,3%.
3. Non posizionare troppo peso su ogni piattaforma di pesatura. Il peso massimo per la piattaforma più grande (piatto da pranzo) è di 1,5 kg. Il peso massimo delle due piattaforme di pesatura più piccole (ciotola e vetro) è di 800 g. Il peso minimo che può essere misurato con precisione è di 1 g per ogni stazione di pesatura.
4. Assicurarsi che il piatto, la tazza e la ciotola non siano appoggiati sulla piattaforma o sul vassoio circostante. Utilizzare l'anello centrale per evitare questo.
   NOTA: Ogni stazione di pesatura è costituita da tre sensori di forza posizionati a triangolo che agiscono insieme come un'unica bilancia. Una posizione triangolare è stata scelta per bilanciare il peso.
5. Assicurarsi di mantenere il vassoio asciutto. Il vassoio include un pannello di base sottile da 50 mm (circuito centrale) sotto il vassoio che contiene l'elettronica.
6. Per il trasferimento dei dati, assicurarsi che il vassoio si connetta a un ricevitore wireless.
   NOTA: Trasferire i dati di pesatura a un intervallo di 1 s tramite un segnale radio a corto raggio (circa 1 m di distanza). Collegare il ricevitore a un personal computer (PC) tramite una porta USB.
7. I tre sensori di forza misurano le forze (o pesi), le riassumono e le convertono in un valore di peso calibrato.
8. Ricaricare il vassoio dopo ogni utilizzo.
   NOTA: Il vassoio è alimentato da un pacco batteria interno e può essere caricato con un caricabatterie USB. Un interruttore a scorrimento di accensione/spegnimento si trova vicino alla presa USB. Una carica completa della batteria prevede circa 20 ore di utilizzo.
9. Non pulire il vassoio in lavastoviglie; il vassoio non è a prova di lavastoviglie. Pulire il vassoio utilizzando uno spray detergente. Assicurarsi che il vassoio sia tenuto pulito e asciutto. I canali di perdita lungo le piattaforme scaricano fuoriuscite di liquidi.

4. Spiegazioni dei partecipanti e inizio dell'osservazione

1. Posizionare il mEETr davanti al partecipante.
2. Istruisi il partecipante a 1) mangia quanto vuole, 2) guarda dritto nella webcam mentre mangia e 3) non mettere le mani davanti al viso mentre mangia.
3. Avviare una nuova osservazione nel software del ricevitore. Registrare la data, il numero del partecipante, il sesso, l'età e i dati antropometrici del partecipante, ad esempio peso e altezza. Includere ulteriori informazioni come la condizione dello studio e la visita di studio nel nome dell'osservazione.
4. Premere Registra nel software del ricevitore per registrare l'osservazione.
5. Attivare il dashboard per controllare le registrazioni video e i dati in arrivo durante la raccolta dei dati (Figura 4).
6. Prima della registrazione, chiedi al partecipante di 1) alzare la carta con il numero del partecipante e 2) alzare la mano all'inizio e alla fine del pasto.
7. Termina l'osservazione quando il partecipante finisce di mangiare. Ci vogliono 2 minuti per trasferire tutti i dati su un foglio di calcolo.
8. Questa è la fine della sessione per il partecipante.
9. Scollegare la webcam e il vassoio-ricevitore dal laptop e pulirlo con un tessuto detergente o uno spray per la pulizia.

5. Valutazione e trasferimento dei dati

1. Aprire l'ultima osservazione nel software del ricevitore. Le misure automatizzate del comportamento alimentare vengono memorizzate sotto la voce Dati. Fare clic su Esporta dati per estrarre i dati non elaborati. Il file di output successivo contiene dati sul numero del partecipante, sul tempo reale, sul tempo relativo (da iniziare) e sulle variabili di comportamento alimentare (numero di morsi, numero di masticazioni, durata masticazione) per partecipante al test.
   NOTA: tutti i comportamenti sono contrassegnati dal tempo. Nel software del ricevitore, è possibile estrarre ulteriori dati esterni del vassoio, ad esempio i dati sul peso di ciascuno dei tre vassoi. I dati vengono registrati 10 volte al secondo e trasferiti. Il tempo di raccolta dei dati del vassoio viene sincronizzato con le registrazioni del comportamento alimentare.
2. Riepilogare e visualizzare i risultati in diversi grafici a barre all'interno del programma stesso. Esportare i risultati come dati non elaborati nei file di registro (xsl) (Figura 5).
3. Esportare i file di registro in un foglio di calcolo ed eseguire l'analisi dei dati utilizzando il programma statistico di preferenza.
4. Pulire i dati prima dell'analisi dei dati.
   NOTA: A causa delle distorsioni di pressatura con posate sulle piastre (causando un aumento di peso), i dati di pesatura del vassoio devono essere puliti su una curva Kaplan Meier con dimensioni del passo che indicano la dimensione del morso, la lunghezza del passo che indica il tempo tra i morsi. L'inizio della curva indica il peso iniziale, l'ultimo passaggio indica il peso finale) come segue.
   1. Smussare i punti di tempo alle misurazioni al secondo per filtrare i valori estremi.
   2. Impostare 5 g di limite, rilevare gli altipiani di peso (cioè nessuna variazione entro +/- 5 g) e le variazioni di peso (variazioni nel tempo superiori a 5 g) per indicare le dimensioni del morso e le variazioni di porzione.
   3. Escludere l'aumento di peso a causa delle posate rimaste sulla piastra.
      NOTA: L'output è il peso totale variazioni per stazione di peso inizio e fine pasto (= dimensione del pasto), dimensione media del morso e morsi al minuto.
5. Per determinare le variazioni del tasso di alimentazione (g/sec) e della dimensione del morso (g/bite) nel corso del pasto, integrare manualmente i dati sul peso del vassoio e il comportamento alimentare(Figura 6, Figura 7, Figura 8, Figura 9, Figura 10).

Risultati

Un tasso di ingestione più lento (Figura 7), dimensioni più piccole di sorso/morso (Figura 8) e più masticazioni (Figura 9) ha portato a un minore apporto dell'insalata rispetto allo yogurt e al succo (figura 6) misurato dal vassoio mEETr. I partecipanti hanno mangiato il 17% in meno di macedonia rispetto al succo di frutta. Tutte le caratteristiche del comportamento alimentare differivano tra succo, yo...

Discussione

Una dieta sana e un comportamento alimentare sano hanno dimostrato di svolgere un ruolo chiave nella prevenzione e nella soluzione del sovrappeso e dell'obesit๹. Tuttavia, molti dei metodi utilizzati per misurare l'assunzione alimentare e il comportamento alimentare sono onerosi per utenti, ricercatori e professionisti sanitari e possono essere di parte in quanto dipendono dalle stime della memoria e delle dimensioni delle porzioni. L'utilizzo del mEETr, indipendentemente o insieme ai metodi con...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Batteria	na	Pacco	batteria (LiPo) e caricare l'elettronica tramite un connettore della porta USB. Nessun dato da questa porta.
Programma di connessione	Noldus		Noldus Cruscotto del software di tecnologia dell'informazione nview
Vassoio per la cena	standard		in resina epossidica rinforzata con vetro
Scala più grande	per	una	bilancia personalizzata ad alta gamma basata su un metodo a triplo sensore di forza.
Scheda madre	e	scheda	madre Una scheda madre che converte le tre misure della bilancia in numeri di peso calibrati. Questa scheda contiene anche il trasmettitore RF a corto raggio a bassa potenza.
Sistema operativo Windows Microsoft			Windows 10 Pro 64 bit
Programma processore	Noldus Noldus		Software di tecnologia dell'informazione FaceReader
Programma ricevitore	Noldus		Noldus Software di tecnologia dell'informazione Observer
Ricevitore RF	na	na	Convertitore USB personalizzato collegato a un ricevitore RF. Questo ricevitore ha un'impostazione di squelch per renderlo sensibile alla gamma bassa.
		Due bilance a bassa gamma su misura basate su un metodo a triplo sensore di forza.