Desenvolvimento conceitual e uso de um método automatizado de avaliação de consumo de alimentos e comportamento alimentar

Resumo

Este protocolo mostra e explica um novo método de avaliação alimentar baseado em tecnologia. O método consiste em uma bandeja de jantar com várias balanças de pesagem embutidas e uma câmera de vídeo. O dispositivo é único no sentido de que incorpora medidas automatizadas de consumo de alimentos e bebidas e comportamento alimentar ao longo de uma refeição.

Resumo

A grande maioria dos métodos de avaliação de comportamento alimentar e alimentar baseia-se em auto-relatos. São pesados e também propensos a erros de medição. As recentes inovações tecnológicas permitem o desenvolvimento de ferramentas de avaliação de comportamento alimentar e alimentar mais precisas e precisas que requerem menos esforço tanto para o usuário quanto para o pesquisador. Por isso, foi desenvolvido um novo dispositivo baseado em sensores para avaliar a ingestão de alimentos e o comportamento alimentar. O dispositivo é uma bandeja de jantar regular equipada com uma câmera de vídeo e três estações de pesagem embutidas separadas. As estações de pesagem medem o peso da tigela, do prato e do copo de beber continuamente ao longo de uma refeição. A câmera de vídeo posicionada no rosto registra características de comportamento alimentar (mastigações, mordidas), que são analisadas usando software de expressão facial automática baseado em inteligência artificial (IA). O peso da bandeja e os dados de vídeo são transportados em tempo real para um computador pessoal (PC) usando um receptor sem fio. Os resultados de juros, como a quantidade consumida, a taxa de alimentação e o tamanho da mordida, podem ser calculados subtraindo os dados dessas medidas nos momentos de interesse. As informações obtidas pela versão atual da bandeja podem ser usadas para fins de pesquisa, uma versão atualizada do dispositivo também facilitaria o fornecimento de conselhos mais personalizados sobre ingestão alimentar e comportamento alimentar. Ao contrário dos métodos convencionais de avaliação alimentar, este dispositivo de avaliação alimentar mede diretamente a ingestão de alimentos dentro de uma refeição e não depende da memória ou da estimativa do tamanho da porção. Em última análise, este dispositivo é, portanto, adequado para as medidas diárias de consumo de alimentos e comportamento alimentar. No futuro, esse método de avaliação dietética baseado em tecnologia pode estar ligado a aplicações de saúde ou relógios inteligentes para obter uma visão geral completa do exercício, da ingestão de energia e do comportamento alimentar.

Introdução

Na pesquisa nutricional e na prática dietética, é fundamental ter boas medidas do que, quanto e como as pessoas comem, para encontrar soluções para os problemas de sobrepeso e obesidade. Para avaliar a ingestão alimentar, muitas vezes são utilizados questionários convencionais de autorendimento, como diários alimentares, recalls de 24h ou questionários de frequência alimentar¹. Esses métodos se baseiam no auto-relato e, portanto, são demorados e propensos a preconceitos devido a respostas social-desejáveis, inadequação da memória e dificuldades em estimar tamanhos de porções^2,3. Além das medidas da qualidade da dieta (tipo de alimento e quantidade consumida), também é importante saber como o alimento é consumido, pois comportamentos alimentares que retardam a ingestão de alimentos têm sido mostrados para evitar o consumo excessivo dentro de uma refeição⁴. Para avaliar o comportamento alimentar, o padrão dourado é ter dois observadores anotando gravações de vídeo de pessoas comendo uma refeição⁵. Este método é bastante trabalhoso e demorado e não permite feedback imediato sobre o comportamento.

Os recentes avanços tecnológicos agora proporcionam a oportunidade de combinar medidas automatizadas de consumo alimentar com medidas automatizadas do comportamento alimentar ao longo de uma refeição. Em resposta a esses desenvolvimentos, foi desenvolvido um novo método de avaliação dietética baseado em sensores, chamado mEETr, o acrônimo das duas palavras holandesas 'Meter' (traduzido: dispositivo de medição) e 'eet' (traduzido: comer). O mEETr é uma bandeja de jantar regular com três estações de pesagem embutidas (Figura 1 demonstra o design da bandeja e das placas do sensor) e um suporte de câmera. Cada estação de pesagem consiste em três pontos de medição posicionados triangularmente para distribuir o peso. As estações de pesagem medem o peso da tigela, do prato e do copo ou do copo de beber continuamente durante a refeição. O mEETr também inclui um suporte de câmera de vídeo. Atualmente, o suporte da câmera é separado da bandeja, mas para fins de padronização uma câmera integrada após a próxima atualização do mEETr (um bastão de câmera de vídeo dobrável) seria ideal. A câmera facilita a análise automatizada em tempo real do número de mordidas e mastigações, e duração da alimentação, o que permite a geração de informações sobre a taxa de alimentação e o tamanho da mordida. A análise automatizada do comportamento alimentar é feita com o uso de um algoritmo recém-desenvolvido. Vários grupos de pesquisa desenvolveram dispositivos para fornecer às pessoas feedback em tempo real sobre a aceleração da alimentação e a quantidade que as pessoas comem⁶. Além disso, garfos aumentados foram desenvolvidos para fornecer feedback em tempo real sobre o número de mordidas e sua frequência dentro de uma refeição⁷. Além disso, foi desenvolvido um sensor auditivo para medir a microestrutura da alimentação em condições de vida gratuitas^8,9. Semelhante a este dispositivo é a configuração usada por Ioakimidis et al.¹⁰, onde medidas de vídeo foram combinadas com uma placa de pesagem para determinar a ingestão de alimentos, número de mordidas e comportamento de mastigação.

Em comparação com esses dispositivos, a novidade do mEETr é que ele combina medidas automatizadas de ingestão alimentar de dois pratos e um copo de bebida (n = 3) e comportamento alimentar (por exemplo, taxa de alimentação, número de mordidas, tamanho da mordida e comportamento de mastigação) em um dispositivo. O mEETr, como demonstrado, é adequado para medidas de alimentação e comportamento alimentar dentro de um ambiente controlado (laboratório alimentar), mas eventualmente o objetivo é usar o mEETr em ambientes menos controlados onde são utilizados planos de refeição recorrentes, como creches, asilos e hospitais.

Em última análise, o mEETr fornecerá uma medida mais objetiva e precisa do comportamento alimentar e de consumo alimentar do que os métodos convencionais de avaliação alimentar e a codificação manual dos vídeos. Melhores medidas do consumo alimentar beneficiariam a nutrição e a pesquisa em saúde, mas também os profissionais de saúde em seu desafio de combater o aumento das doenças não transmissíveis relacionadas a alimentos¹¹. Em última análise, o mEETr pode ser usado em pesquisas e configurações de cuidados de saúde, bem como por usuários conscientes da saúde em casa, vinculando o mEETr a tecnologias e softwares existentes, como outros aplicativos de saúde ou relógios inteligentes. Em geral, essas medidas de saúde fornecem ao usuário ou ao profissional de saúde uma visão geral bastante diversificada e completa de uma variedade de padrões de comportamento em saúde (por exemplo, consumo alimentar, comportamento alimentar, gasto energético baseado em medidas da vida real, sono, estresse) permitindo que o usuário otimize sua dieta e crie um estilo de vida saudável.

Protocolo

Este estudo piloto foi aprovado pela METC da Universidade de Wageningen antes de iniciar o projeto.

ATENÇÃO: Todos os participantes que contribuíram para este projeto forneceram um consentimento informado, incluindo a aprovação de imagens de vídeo mostrando rostos visíveis e reconhecíveis.

1. Preparação da amostra e consentimento do participante

1. Prepare um suco (copo ou xícara), iogurte de frutas (tigela) e pedaços de frutas (prato).
   NOTA: Estes alimentos são selecionados apenas para fins de demonstração(Figura 2).
2. Recrute um participante ou um voluntário que concorde em participar do estudo.
3. Exclua os participantes que usam óculos (que não podem usar lentes de contato) e/ou ter pelos faciais (barba ou bigode) para evitar erros de medição.
4. Informe os participantes sobre o estudo e a coleta de dados (armazenamento de dados, acessibilidade). Obtenha permissões separadas em caso de gravações de vídeo não anônimas. Obtenha a assinatura do participante sobre o consentimento informado antes de coletar dados.

2. Configuração do local de configuração do dispositivo e da medição

NOTA: Este protocolo é adequado para coleta de dados em umambiente controlado (laboratório de alimentação).

1. Certifique-se de que a luz na sala está uniformemente distribuída para evitar sombras no rosto dos participantes.
2. Evite o ruído de fundo nas gravações de vídeo devido à presença de indivíduos que não sejam o participante.
3. Sentar o participante em uma cadeira diante de uma mesa; com mesa localizada logo abaixo do peito do participante.
4. Conecte o receptor sem fio da bandeja e a webcam a um laptop.
5. Ligue o laptop. Certifique-se de que o laptop tenha as seguintes especificações: CPU i7-10750H, SSD M.2 512 GB, Memória 1x 16 GB, DDR4 2933 MHz não-ECC-memória, Sistema operacional 64 bits.
6. Ligue a bandeja e certifique-se de que há carga na bandeja (luz verde).
7. Abra o programa de conector (dos), o receptor e o programa de software do processador junto com o painel de instrumentos, respectivamente.
8. Verifique a qualidade da imagem recebida no programa do processador(Figura 3).
   NOTA: Para detectar o comportamento alimentar, a qualidade da imagem deve estar dentro do último trimestre da barra de tarefas (verde); o mais próximo possível de 100% verde. A formação de sombras pode levar à baixa qualidade de imagem.
9. Certifique-se de que o quadro de imagem está correto para evitar a má qualidade da imagem. Certifique-se de que a cabeça do participante (acima do crânio) até o peito, incluindo braços e ombros são claramente visíveis.

3. Sistema de pesagem e transporte de dados

1. Validar as medidas antes do uso do mEETr pela primeira vez.
   NOTA: O dispositivo mEETr consiste em uma bandeja de jantar disponível comercialmente regular (bandeja de jantar epóxi de fibra suspensa) com três estações de pesagem embutidas(Figura 2).
2. Para validar a configuração, certifique-se de que a bandeja mede continuamente o peso de um prato, tigela e copo de bebida.
   NOTA: A precisão da balança de pesagem em toda a faixa deve ser de 0,3%.
3. Não coloque muito peso em cada plataforma de pesagem. O peso máximo para a maior plataforma (prato de jantar) é de 1,5 kg. O peso máximo das duas plataformas de pesagem menores (tigela e vidro) é de 800 g. O peso mínimo que pode ser medido com precisão é de 1 g para cada estação de pesagem.
4. Certifique-se de que a placa, o copo e a tigela não estão descansando na plataforma ou na bandeja circundante. Faça uso do anel central para evitar isso.
   NOTA: Cada estação de pesagem consiste em três sensores de força posicionados em triângulo que atuam juntos como uma escala. Uma posição de triângulo foi escolhida para equilibrar o peso.
5. Certifique-se de manter a bandeja seca. A bandeja inclui um painel de base fino de 50 mm (placa de circuito central) abaixo da bandeja que contém a eletrônica.
6. Para transferência de dados, certifique-se de que a bandeja se conecte a um receptor sem fio.
   NOTA: Transfira os dados de pesagem em um intervalo de 1 s através de um sinal de rádio de curto alcance (cerca de 1 m de distância). Conecte o receptor a um computador pessoal (PC) através de uma porta USB.
7. Os três sensores de força medem as forças (ou pesos), somam-nas e convertem-nas em um valor de peso calibrado.
8. Recarregue a bandeja após cada uso.
   NOTA: A bandeja é alimentada por uma bateria interna e pode ser carregada com um carregador USB. Um interruptor de slides liga/desliga está localizado perto da tomada USB. Uma carga completa da bateria prevê cerca de 20 h de uso.
9. Não limpe a bandeja em uma lava-louça; a bandeja não é à prova de lava-louças. Limpe a bandeja usando um spray de limpeza. Certifique-se de que a bandeja está limpa e seca. Canais de vazamento ao longo das plataformas drenam derramamentos líquidos.

4. Explicações dos participantes e início da observação

1. Coloque o mEETr na frente do participante.
2. Instrua o participante a 1) comer tanto ou tão pouco quanto quiser, 2) olhar diretamente para a webcam enquanto come, e 3) não colocar as mãos na frente do rosto enquanto comer.
3. Inicie uma nova observação no software receptor. Registre a data, número do participante, sexo do participante, idade e dados antropométricos, como peso e altura. Inclua informações adicionais, como a condição do estudo e a visita ao estudo no nome da observação.
4. Pressione o Registro no software receptor para registrar a observação.
5. Ative o painel de instrumentos para verificar as gravações de vídeo e os dados recebidos durante a coleta de dados(Figura 4).
6. Antes da gravação, peça ao participante para 1) levantar o cartão com o número do participante, e 2) levantar a mão no início e no final da refeição.
7. Termine a observação quando o participante terminar de comer. Leva 2 minutos para transferir todos os dados para uma planilha.
8. Este é o fim da sessão para o participante.
9. Desconecte a webcam e o receptor de bandeja do laptop e limpe-a com um tecido de limpeza ou spray de limpeza.

5. Avaliação e transferência de dados

1. Abra a última observação no software receptor. As medidas automatizadas de comportamento alimentar são armazenadas sob o título Dados. Clique em Exportar dados para extrair os dados brutos. O arquivo de saída subsequente contém dados sobre o número do participante, tempo real, tempo relativo (para iniciar) e variáveis de comportamento alimentar (número de mordidas, número de mastigações, duração da mastigação) por participante do teste.
   NOTA: Todos os comportamentos são carimbados pelo tempo. No software receptor, podem ser extraídos dados externos adicionais da bandeja, por exemplo, os dados sobre o peso de cada uma das três bandejas. Os dados são registrados 10 vezes por segundo e transferidos. O tempo de coleta de dados da bandeja é sincronizado com as gravações de comportamento alimentar.
2. Resumir e visualizar os resultados em diferentes gráficos de barras dentro do próprio programa. Exporte os resultados como dados brutos em arquivos de log (.xsl)(Figura 5).
3. Exporte os arquivos de registro para uma planilha e realize a análise de dados usando o programa estatístico de preferência.
4. Limpe os dados antes da análise dos dados.
   NOTA: Devido às distorções de pressionar com talheres nas placas (causando um aumento de peso), os dados de pesagem da bandeja precisam ser limpos para uma curva Kaplan Meier com tamanho de passo indicando o tamanho da mordida, o comprimento do passo indicando o tempo entre as mordidas. O início da curva indica o peso inicial, a última etapa indica o peso final) da seguinte forma.
   1. Suavizar os pontos de tempo para medições por segundo para filtrar valores extremos.
   2. Defina limite de 5 g, detecte platôs de peso (ou seja, sem alteração dentro de +/- 5 g) e mudanças de peso (alterações ao longo do tempo maiores que 5 g) para indicar tamanhos de mordidas e alterações de porções.
   3. Exclua o aumento de peso devido aos talheres que permanecem na placa.
      NOTA: A saída é a mudança total de peso por estação de peso começar e terminar a refeição (= tamanho da refeição), tamanho médio da mordida e mordidas por minuto.
5. Para determinar as mudanças na taxa alimentar (g/seg) e no tamanho da mordida (g/bite) ao longo da refeição, integre manualmente os dados de peso da bandeja e o comportamento alimentar(Figura 6, Figura 7, Figura 8, Figura 9, Figura 10).

Resultados

Uma taxa de ingestão mais lenta(Figura 7),tamanhos menores de gole/mordida(Figura 8),e mais mastigações(Figura 9) levaram a uma menor ingestão da salada em comparação com o iogurte e o suco(Figura 6),medido pela bandeja mEETr. Os participantes comeu 17% menos da salada de frutas em comparação com o suco de fruta. Todas as características do comportamento alimentar diferem entre o suco, o iogurt...

Discussão

Uma dieta saudável e um comportamento alimentar saudável têm mostrado desempenhar um papel fundamental na prevenção e solução para o sobrepeso e obesidade¹¹. No entanto, muitos dos métodos utilizados para medir a ingestão alimentar e o comportamento alimentar são pesados para usuários, pesquisadores e profissionais de saúde e podem ser tendenciosos, pois dependem de estimativas de memória e tamanho das porções. O uso do mEETr, independentemente ou ao lado dos métodos convencionais ...

Materiais

Name	Company	Catalog Number	Comments
Battery	na	na	Battery pack (LiPo) and charge electronics via an USB port connector. No data from this port.
Connector program	Noldus		Noldus Information technology software dashboard nview
Dinner tray	na	na	Standard dinner tray from glass inforced epoxy
Larger scale	na	na	One high range custom made scale based on a triple force sensor method.
Mainboard	na	na	A mainboard converting the three scale measurements to calibrated weight numbers. This board also contains the low power short range RF transmitter.
OS Windows	Microsoft		windows 10 Pro 64 bit
Processor program	Noldus		Noldus Information technology software FaceReader
Receiver program	Noldus		Noldus Information technology software Observer
RF receiver	na	na	Custom build USB converter connected to a RF receiver. This receiver has a squelch setting for making it low range sensitive.
Small scales	na	na	Two low range custom made scales based on a triple force sensor method.