运动因素对糖尿病病人血糖变化的影响模型研究开题报告

 2021-08-08 12:08

1. 研究目的与意义

随着近年来我国经济的迅速发展,人民的生活水平也在不断提高,物质生活上发生了巨大的改变,饮食习惯也变得越来越趋向于高糖高脂类的食物,并且我国现已进入老龄化社会。伴随而来的不良后果是我国慢性病患者的大幅增加,其中糖尿病患者人数约为1.14亿,位居全世界糖尿病人数第一。

糖尿病是一种常见的代谢内分泌疾病,会带来许多疾病并发症从而严重威胁人类的身体健康。由于社会经济的快速发展、人民生活水平的提高、饮食结构的改变、日趋紧张的生活节奏以及少动多坐的生活方式等诸多因素的影响,发病率增高,并有逐年上升的趋势,糖尿病成了未来50年严重威胁人类健康的疾病之一,必须引起人类的关注!

糖尿病是一种由于胰岛素绝对不足或胰岛素代谢作用缺陷所引起的葡萄糖、蛋白质及脂质代谢紊乱的综合症。其主要特征及表现结果为血液循环中葡萄糖浓度异常升高,长期高葡萄糖浓度会导致眼,肾、神经、血管及心脏等组织器官的慢性并发症,甚至会有中风,截肢的危险。因此研究如何将血糖浓度控制在一个安全范围里从而控制住并发症并保证人们健康地生活工作意义重大!

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2. 国内外研究现状分析

近年来伴随着我国经济的迅速发展,人民的生活水平也在不断提高,人民的饮食习惯也变得越来越高糖高脂。从2017年国际糖尿病联盟(IDF)发布的数据看,我国糖尿病患者人数达1.144亿位居全球第一,占全球糖尿病患者人数的四分之一还多。庞大的患者群体必然会产生大量的医疗支出,据统计我国2017年糖尿病医疗支出为1100亿美元。糖尿病患者不仅要承受病痛的折磨,还因糖尿病的治疗而背负沉重的经济债务。糖尿病已经成为我国现阶段最为重要和棘手的公共卫生问题之一。关于糖尿病的治疗一直都处于控制加干预的阶段,难以完全治愈糖尿病。1935年,著名的糖尿病学家Joslin[1]总结出应把体力活动作为糖尿病的治疗工具,并形象地将运动疗法、饮食疗法和胰岛素疗法比喻为古代战车的三匹战马,是战胜糖尿病的三大法宝。1995年,国际糖尿病联盟(IFD)在世界糖尿病日(WDD)上重点强调五驾马车的观念,即糖尿病教育、糖尿病检测、药物治疗、运动治疗、和饮食治疗,同时认为运动疗法是治疗糖尿病的一项最基本方法,并提倡每日坚持一定量的体育活动。所以近年来我国关于糖尿病的研究也越来越多,在运动治疗方面也有了一些研究。比如吴鸿雁[2]的研究则主要分析饮食控制加运动对2型糖尿病患者的影响,通过对其所在医院糖尿病患者进行分组实验,得出结论为常规药物治疗配合饮食控制与运动控制可以有效控制患者血糖,利于糖尿病病情的控制与并发症的预防。夏亮[3]也同样做了和吴鸿雁相似的实验,并得到相同的结论。王克蓉[4]通过将80例糖尿病患者分为两组,在常规治疗的基础上分别对两组应用有氧运动与抗阻运动,对比两组的治疗效果。结论发现运动疗法有利于降低2型糖尿病患者的血脂、血糖水平,提高胰岛素的敏感性。张宗娟、朱跃[5]通过探讨高强度间歇有氧运动(HIIT)对糖尿病前期患者血糖、血脂及焦虑情绪的影响,结果为高强度间歇有氧运动能明显改善糖尿病前期患者的血糖、血脂水平以及焦虑情绪,疗效明显。王欢[6]通过把简阳市人民医院确诊的85例2型糖尿病患者随机分为对照组(n=44)和观察组(n=41)。对照组患者给予胰岛素泵注射、饮食控制、改变生活习惯及降压、调脂、抗血小板等综合治疗,观察组患者在综合治疗基础上进行适量的运动,通过比较两组患者干预前后血糖的相关指标[包括空腹血糖(FPG)和糖化血红蛋白(HbA1c)]、胰岛素抵抗指数(HOMA-IR)、血脂指标[包括总胆固醇(TC)、三酰甘油(TG)及低密度脂蛋白(LDL)]、体质指数(BMI)、身体成分[包括脂肪重量(FW)、去脂肪体重(LBM)]、最大摄氧量(VO2max)、踝肱指数(ABI)及2型糖尿病病人生活质量评定量表(DMQLS)评分。结论适量运动可有效降低T2DM患者血糖及BMI,改善胰岛素抵抗、脂代谢、身体成分,提高心肺耐力,延缓下肢动脉病变,提高患者生活质量。上面是运动疗法对2型糖尿病患者有积极意义的实验,对于2型糖尿患者通过运动控制血糖有重要的指导意义。运动疗法对妊娠期糖尿病也有明显的效果,李瑞芳[7]通过对其所在医院门诊常规检查的387名孕妇进行分组观察运动干预对降低妊娠期糖尿病(gestationaldiabetes mellitus,GDM)发生的效果,结果证明运动干预能有效降低妊娠期糖尿病的发生率。张颖、吴梅华、吴晓怡[8]等探讨抗阻运动对妊娠期糖尿病孕妇血糖的影响,将60例孕周大于28周的妊娠期糖尿病住院保胎患者按照住院先后顺序分为对照组和干预组,对照组给予常规护理及营养科配置糖尿病膳食,干预组在此基础上进行抗阻运动干预,比较2组血糖值。结果干预后干预组的空腹血糖及餐后2 h血糖明显低于对照组,差异有统计学意义(P0.05)。结论采用抗阻运动干预可有效控制需卧床休息的妊娠期糖尿病患者的血糖。卞捷娟[9]通过研究运动疗法联合心理护理干预妊娠糖尿病的临床应用效果。得到结论为在妊娠糖尿病治疗中运用运动疗法联合心理护理,能够有效改善患者的血糖水平和妊娠结局,有利于母婴安全,值得在临床中推广。庞少婷[10]将150例妊娠期糖尿病(GDM)患者平均分为对比组和研究组比较两组患者的妊娠结局,结果经过治疗,研究组患者的早产率、剖宫产率、伤口感染率、产后出血率、巨大儿的产出率、新生儿呼吸窘迫综合征的发生率均低于对比组患者,差异有统计学意义。用运动疗法治疗妊娠期糖尿病(GDM)的效果显著,可有效地改善患者的妊娠结局,确保母婴健康。郭红丽[11]在运动疗法对糖尿病预防和治疗的研究中得到的结论为糖尿病患者在给予基本的饮食控制和药物治疗的基础上联合运动疗法,可以有效的控制患者的病情,使之保持在平稳的基础上,且对糖耐量减低的患者有一定的预防发病的作用。以上说明了运动疗法在2型糖尿病和妊娠期糖尿病治疗和预防中有着明显的效果。此外,李博文、贾冕、张宁宁[12]等在有氧运动对糖尿病前期(PDM)人群血浆代谢物的影响研究中发现有氧运动对PDM患者血浆代谢物调节磷脂酰胆碱、溶血磷脂胆碱、鞘磷脂和油酸等物质可能是有氧运动改善PDM患者糖脂代谢的潜在生物学标志性。这些发现可帮助我们更好的理解有氧运动预防T2DM的作用机制。国外关于运动疗法在糖尿病控制中的研究相对要早,所以国外在这方面的研究较深入一些,Tasuku Terada 、 Alanna Friesen[13]等在研究糖尿病(T2D)患者运动诱导急性毛细血管葡萄糖(capbg)变化的相关因素实验中发现运动前有较高capbg的个体中,capbg的降低程度越大,表明运动对血糖升高人群的重要性。中等强度的运动可以降低血糖,但延长运动时间或短暂的高强度运动会使血糖下降更为明显,这可以通过饭后运动和抗高血糖药物进一步放大。在意大利糖尿病运动研究(IDES)中,在胰岛素治疗的2型糖尿病患者中,监督运动对改善血糖控制和肥胖和炎症的标志物是安全有效的,从而平衡胰岛素对这些参数的不良影响。Singleton、J. Robinson[14]等关于糖尿病常见的并发症长度依赖性神经病变的研究中,证明有氧运动可以改善神经病变症状并促进皮肤小直径纤维的再生。匹兹堡大学医学部的Dub,J.J.、Allison,K.F.[15]等对运动能改善胰岛素抵抗的研究发现胰岛素敏感性的提高与运动剂量呈剂量-反应分级关系,这一发现对临床运动处方的适应具有重要意义。瑞典雷布罗大学家庭医学研究中心的托马斯弗里茨;佩尔恩德尔;汉斯伯格;彼得恩费尔特[16]等对2型糖尿病患者在4个月内定期步行对代谢控制和心血管危险因素的影响进行研究。研究结果表明,每周步行3天相当于增加45分钟的正常体力活动可以改善患者的收缩压和舒张压、脂质代谢,2型糖尿病患者的肥胖指数和体重指数。匹兹堡医学院的R.R.Wing,L.H.Epstein,M.Paternostro Bayles[17]等进行了两项研究,以确定在2型(非胰岛素依赖型)糖尿病受试者的饮食计划中增加运动是否促进减肥或血糖控制。结果为与仅控制2型糖尿病患者的饮食相比,饮食和运动的结合可以改善体重减轻和血糖控制。

目前关于糖尿病患者血糖控制的主要方式为注射胰岛素,胰岛素作为唯一能够降血糖的激素对血糖控制的作用十分关键。但是对胰岛素的注射时间和剂量也有一定的要求。倘若注射的太早了,可能会造成患者低血糖,注射太晚又会使血糖高,所以过早过晚都会对患者的健康产生损害。同样剂量的多少也会产生类似的影响。于是对于血糖的变化规律的研究成为一个热点,通常关于血糖的变化运用数学建模来找到规律并对血糖进行预测,所以数学模型的好坏决定了血糖预测的精度。目前国内外在这方面建模的方法也多种多样。主要分两个方向进行建模,一个方向是基于人体的生理模型,此模型考虑了人体内影响血糖代谢过程的影响因素,虽然模型精度高但是建模过程也非常复杂,而且存在个体差异,不同个体的建模参数也不同。在1961年Bolie[18]首次提出了血糖预测的生理模型,该模型的目的是为了确定哪些生理敏感性系数主导正常胰岛素和葡萄糖耐受曲线的数学特性,通过动物实验的数据与模型数据的相关性分析,判断模型是否有效,获得主导胰岛素和葡萄糖稳态机制的系数。ckerman[19]在Bolie 提出的模型基础上进行了改进,提出了基于口服葡萄糖耐量测试(OralGlucose-Tolerance Test, OGTT)方法。1979 年,Bergman[20]提出了最小化模型(minimal model),并在1981年进一步改进了最小化模型 ,量化了静脉葡萄糖耐量试验(IntravenousGlucose-Tolerance Test, IVGTT)条件下胰腺反应和胰岛素敏感性。 随后,最小化模型衍生出一系列的生理模型。2004 年,Hovorka[21]等人融合葡萄糖子模型、胰岛素子模型和胰岛素作用子模型,建立了非线性葡萄糖-胰岛素代谢生理模型。 2007 年,Dalla Man[22]等人采用复杂的三重示踪法估计患者饮食的主要相关量,提出了 Cobelli 模型。归纳出的完整的葡萄糖-胰岛素代谢生理仿真模型成为了最初的人工胰脏仿真软件的依据。

另一个方向是基于过去血糖数值的数据模型,该模型运用患者过去一段时间的血糖变化数据进行建模,然后利用模型可以对患者未来一段时间内的血糖进行预测。此类模型相对生理模型较简单,操作便捷,成为了研究热点。数据模型的建模过程根据所使用的数学算法的不同又有一些差异,目前使用过的有递归神经网络模型、自回归模型、基于最小二乘法的AR模型、人工神经网络模型、灰色模型、机器学习算法模型等等。

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3. 研究的基本内容与计划

糖尿病是一组以高血糖为特征的代谢性疾病。高血糖则是由于胰岛素分泌缺陷或其生物作用受损,或两者兼有引起。糖尿病时长期存在的高血糖,导致各种组织,特别是眼、肾、心脏、血管、神经的慢性损害、功能障碍。

本课题主要想通过糖尿病患者血液循环中葡萄糖浓度的变化及运动影响因素着手,找到血糖浓度变化的规律及血糖浓度变化与运动因素的影响关系,借此建立数学模型,并运用模型进行预测,从而得到一个切实可行的糖尿病的运动控制辅助糖尿病治疗方案。所以首先本课题要做的是建立一个相对准确的血糖浓度变化模型,然后通过收集一些血糖浓度变化的数据来验证模型的精度。在建立出符合要求的模型后我们还要进一步研究运动对血糖浓度变化的影响,从而再建立一个在运动影响下的血糖浓度变化模型。从而使得糖尿病患者能够在该模型的指导下通过运动的方式来控制自己的血糖浓度在一个安全的范围内。

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4. 研究创新点

本课题的特色在于运用数学建模的方式来研究糖尿病患者的血糖浓度变化规律,通过建立糖尿病患者的血糖浓度变化模型来预测患者在未来一段时间内的血糖浓度变化趋势,再通过建立运动对血糖浓度变化的影响模型来控制血糖的变化。

从而得到一个切实可行的糖尿病的运动控制辅助糖尿病治疗方案。

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