基于AHP-模糊綜合評判的上肢康復(fù)機(jī)器人康復(fù)評價(jià)方法

王建輝，張 程，紀(jì) 雯，顧德英

（1.東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽 110819；2.東北大學(xué)秦皇島分校，河北秦皇島 066004）

基于AHP-模糊綜合評判的上肢康復(fù)機(jī)器人康復(fù)評價(jià)方法

王建輝1，張 程2，紀(jì) 雯1，顧德英2

（1.東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽 110819；2.東北大學(xué)秦皇島分校，河北秦皇島 066004）

以5-DOF穿戴式上肢康復(fù)機(jī)器人為平臺，提出了一種基于AHP-模糊綜合評判的康復(fù)評價(jià)方法，依據(jù)康復(fù)醫(yī)學(xué)知識建立了AHP遞階康復(fù)評價(jià)模型，選取適當(dāng)?shù)腁HP-模糊關(guān)系合成算子逐階求取康復(fù)評價(jià)指標(biāo).通過實(shí)例驗(yàn)證了該評價(jià)方法具有一定的科學(xué)性及充分的可行性，為實(shí)現(xiàn)5-DOF上肢康復(fù)機(jī)器人的康復(fù)評價(jià)功能提出了一種新思路.

上肢康復(fù)機(jī)器人；AHP-模糊綜合評判；康復(fù)評價(jià)方法；AHP遞階模型

康復(fù)評價(jià)是臨床康復(fù)治療過程中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，通過對患者進(jìn)行各項(xiàng)信息的采集、分析并同標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，以協(xié)助康復(fù)醫(yī)師獲知其康復(fù)水平.在康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，傳統(tǒng)的臨床康復(fù)評價(jià)方法，如Brunnstrom評價(jià)法、Fugl-Meyer評價(jià)法、徒手肌力評價(jià)法、改良的Ashworth痙攣評價(jià)量表［1］等，均存在測量粗糙、處理簡單、結(jié)論單一等弊端，且在評價(jià)過程中易受到人為因素的影響，難以保證準(zhǔn)確地反映患者的康復(fù)水平.此外，由于傳統(tǒng)評價(jià)方法缺乏對各評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重及序化等方面的區(qū)分［2］，因此在評價(jià)結(jié)果上不能充分表現(xiàn)康復(fù)水平的“循序漸進(jìn)”，極易出現(xiàn)患者治療前后評價(jià)分?jǐn)?shù)動(dòng)態(tài)表現(xiàn)不顯著甚至幾乎無差別的情況，導(dǎo)致在康復(fù)心理上無法給患者以積極的促進(jìn)作用.與此同時(shí)，在機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，康復(fù)機(jī)器人作為機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)重要方向，近幾十年來受到越來越多的關(guān)注.現(xiàn)階段，大多數(shù)的康復(fù)機(jī)器人均為康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，而缺乏對患者進(jìn)行康復(fù)評價(jià)的功能，使得康復(fù)訓(xùn)練和康復(fù)評價(jià)無法緊密結(jié)合，不能充分發(fā)揮機(jī)器人在康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的優(yōu)勢［3-5］.本文提出一種適用于康復(fù)機(jī)器人的康復(fù)評價(jià)方法，采用AHP-模糊綜合評判法進(jìn)行康復(fù)評價(jià)指標(biāo)模型的建立及康復(fù)評價(jià)指標(biāo)的計(jì)算.

1 AHP-模糊綜合評判

模糊綜合評判法（FCM，fuzzy comprehensive evaluation method）是根據(jù)扎德所創(chuàng)立的模糊集合理論，應(yīng)用模糊關(guān)系合成的原理，從多因素角度對被評判事物的隸屬等級狀況進(jìn)行綜合性評判的一種方法，既可以根據(jù)事物的變化區(qū)間劃分出評價(jià)等級，又可以對事物屬于各評價(jià)等級的程度給出結(jié)論.同時(shí)，模糊集合的隸屬度理論將評價(jià)結(jié)果由定性轉(zhuǎn)化為定量，顯著地提高了評價(jià)的科學(xué)性和合理性［2］.層次分析法（AHP，analytic hierarchy process）是一種對權(quán)重矩陣賦權(quán)的方法，其基本原理是將目標(biāo)問題分解為若干組成部分，將這些組成部分排列成一種樹狀遞階層次結(jié)構(gòu)，逐層兩兩比較其重要性，綜合判斷以決定各部分的權(quán)重大小［6-7］.采用AHP對評判權(quán)重向量進(jìn)行賦權(quán)，既有效地避免了客觀賦權(quán)法的不確定性，緩解了主觀賦權(quán)法的絕對主觀性，同時(shí)亦便于從縱到橫、從部分到總體地對整個(gè)目標(biāo)問題進(jìn)行全面評價(jià).相對于常規(guī)多指標(biāo)評價(jià)方法，AHP-模糊綜合評判法對復(fù)雜系統(tǒng)的評價(jià)更加深入和客觀，可以更加全面和準(zhǔn)確地反映目標(biāo)問題的實(shí)際水平.

2 康復(fù)評價(jià)指標(biāo)的分析

通過對臨床康復(fù)治療的研究，醫(yī)學(xué)認(rèn)為，一般腦卒中患者在上肢康復(fù)過程中均會出現(xiàn)肌張力異常、運(yùn)動(dòng)模式異常、反射異常、聯(lián)合反應(yīng)等癥狀［8］.針對患者運(yùn)動(dòng)功能障礙表現(xiàn)的特點(diǎn)，可以得出上肢康復(fù)機(jī)器人康復(fù)評價(jià)指標(biāo)關(guān)系如圖1所示，并從關(guān)節(jié)活動(dòng)度評價(jià)、肌力評價(jià)、肌張力評價(jià)、運(yùn)動(dòng)控制功能評價(jià)、反射活動(dòng)評價(jià)、表面肌肉電信號評價(jià)等多個(gè)方面對患者進(jìn)行上肢康復(fù)評價(jià).

（1）關(guān)節(jié)活動(dòng)度評價(jià).關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍（ROM，rang of motion）是指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)所通過的最大運(yùn)動(dòng)弧度，即一個(gè)關(guān)節(jié)從起始端至終末端的正常運(yùn)動(dòng)范圍.關(guān)節(jié)活動(dòng)度評價(jià)是評價(jià)肌肉、骨骼、神經(jīng)病損患者的基本步驟，是評價(jià)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)功能損害的范圍與程度的指標(biāo)之一［9］.

圖1 上肢康復(fù)機(jī)器人康復(fù)評價(jià)指標(biāo)關(guān)系圖Fig.1 The rehabilitation evaluation index relationship diagram of upper limb rehabilitation robot

（2）肌力評價(jià).評價(jià)患者在主動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)肌肉或肌群收縮所產(chǎn)生的最大力量，借以評價(jià)肌肉的功能狀態(tài)及障礙的程度，是制定康復(fù)治療方案、評價(jià)康復(fù)療效、判斷預(yù)后的依據(jù)，常用于肌肉、骨骼、神經(jīng)系統(tǒng)病損的評價(jià)，尤其對周圍神經(jīng)系統(tǒng)病損的功能評價(jià)十分重要［9-10］.

（3）肌張力評價(jià).肌張力指肌肉在靜息狀態(tài)下的一種不隨意的、持續(xù)的、細(xì)小的收縮，是被動(dòng)活動(dòng)肢體或按壓肌肉時(shí)所感覺到的阻力，肌張力增高、低下或肌張力障礙是中樞神經(jīng)或周圍神經(jīng)系統(tǒng)損傷的重要特征［9-10］.肌張力評價(jià)是判定神經(jīng)系統(tǒng)功能狀況的重要依據(jù).

（4）運(yùn)動(dòng)控制功能評價(jià).運(yùn)動(dòng)控制障礙是神經(jīng)系統(tǒng)損傷或肌肉骨骼系統(tǒng)損傷引起的姿勢控制與運(yùn)動(dòng)功能障礙，臨床常用的評價(jià)方法有Brunnstrom評價(jià)法、Fugl-Meyer評價(jià)法、上田敏評價(jià)法等［9］.通過運(yùn)動(dòng)控制功能評價(jià)，可以比較綜合地得到患者在運(yùn)動(dòng)姿態(tài)及運(yùn)動(dòng)完成方面的恢復(fù)水平.

（5）反射活動(dòng)評價(jià).反射變化在腦卒中康復(fù)過程中不同階段的表現(xiàn)不同.康復(fù)早期，反射活動(dòng)消失；康復(fù)中期，深反射由消失轉(zhuǎn)為亢進(jìn)，病理反射陽性，原始反射即張力性反射模式出現(xiàn)，較高級水平的各種平衡反應(yīng)常受到損害或消失［10］.反射活動(dòng)評價(jià)是判斷患者康復(fù)水平及康復(fù)階段的依據(jù)之一.

（6）表面肌肉電信號評價(jià).表面肌電圖是在肌肉表面通過電極引導(dǎo)，記錄下來的神經(jīng)、肌肉系統(tǒng)活動(dòng)時(shí)的肌肉電信號［11］.通過分析患者的肌電信號，可以得出其肢體運(yùn)動(dòng)時(shí)肌電信號的活動(dòng)反饋序列，同正常肌電信號活動(dòng)反饋序列相對比，作為對患者的運(yùn)動(dòng)功能的輔助評價(jià)因素.

3 康復(fù)評價(jià)模型的建立

結(jié)合上述康復(fù)評價(jià)指標(biāo)及AHP原理，構(gòu)建AHP遞階康復(fù)評價(jià)模型，模型由底至上分為數(shù)據(jù)獲取層（DAL，data access layer）、數(shù)據(jù)層（DL，data layer）、中間層（IL，intermediate layer）和目標(biāo)層（TL，target layer），各層模型同數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系如圖2所示.

圖2 AHP遞階康復(fù)評價(jià)模型Fig.2 The AHP hierarchical rehabilitation evaluation model

在AHP遞階康復(fù)評價(jià)模型的基礎(chǔ)之上，確定各層康復(fù)評價(jià)指標(biāo)及評價(jià)數(shù)據(jù)，分為以下3個(gè)步驟.

（1）建立康復(fù)評價(jià)指標(biāo)體系.通過對上肢康復(fù)醫(yī)學(xué)知識的總結(jié)，按照AHP遞階模型的理論對上肢康復(fù)評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行逐層分解及樹形排序，確定康復(fù)評價(jià)指標(biāo)體系U＝｛u1，u2，u3，u4｝，其中，U為上肢康復(fù)綜合評價(jià)（UCE，upper-limb comprehensire evaluation），u1為關(guān)節(jié)活動(dòng)度評價(jià)（JAE，joint activity evaluation），u2為肌力評價(jià)（MSE，muscle strength evaluation），u3為肌張力評價(jià)（MTE，muscle tension evaluation），u4為運(yùn)動(dòng)控制功能評價(jià)（MCFE，motion control function evaluation）；

JAE＝｛肩關(guān)節(jié)活動(dòng)度（SJA，shoulder joint activity），肘關(guān)節(jié)活動(dòng)度（EJA，elbow joint activity），前臂活動(dòng)度（FA，forearm activity），腕關(guān)節(jié)活動(dòng)度（WJA，wrist joint activity）｝；

MSE＝｛肩胛骨肌力（SMS），肩關(guān)節(jié)肌力（SIMS），肘關(guān)節(jié)肌力（EJMS），前臂肌力（FMS），腕關(guān)節(jié)肌力（WJMS）｝；

MTE＝｛肩關(guān)節(jié)肌張力（SJMT），肘關(guān)節(jié)肌張力（EJMT），前臂肌張力（FMT），腕關(guān)節(jié)肌張力（WJMT）｝；

MCFE＝｛反射活動(dòng)（RA），表面肌肉電信號（SE），屈肌協(xié)同運(yùn)動(dòng)（FSM），伸肌協(xié)同運(yùn)動(dòng)（ESM），部分分離運(yùn)動(dòng)（PSM），完全分離運(yùn)動(dòng)（CSM）｝.

各層康復(fù)評價(jià)指標(biāo)的輸入輸出關(guān)系詳見圖3.

圖3 上肢康復(fù)評價(jià)體系及AHP遞階模型關(guān)系框圖Fig.3 The upper-limb rehabilitation evaluation system and AHP hierarchical model relationship diagram

（2）確定康復(fù)評價(jià)評語體系.根據(jù)康復(fù)評價(jià)指標(biāo)體系，設(shè)定康復(fù)評價(jià)七級評語論域V＝｛v1，v2，v3，v4，v5，v6，v7｝，其中，v1＝極好，v2＝很好，v3＝比較好，v4＝一般，v5＝比較差，v6＝很差，v7＝極差；同時(shí)確定100，83.3，66.7，50，33.3，16.7，0七級康復(fù)評價(jià)分?jǐn)?shù)對應(yīng)七級評語，即等級分?jǐn)?shù)向量C＝｛100，83.3，66.7，50，33.3，16.7，0｝.

（3）確定康復(fù)評價(jià)指標(biāo)權(quán)重矩陣.采用分級比例標(biāo)度法，根據(jù)康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)＜掖_定的權(quán)重比較矩陣，在充分綜合數(shù)位專家觀點(diǎn)的基礎(chǔ)之上，建立權(quán)重集合W，即確定U中各評價(jià)指標(biāo)ui與其上一層康復(fù)評價(jià)指標(biāo)間的隸屬關(guān)系wi.

其中，n為隸屬關(guān)系wi的總數(shù)，與U中ui的總數(shù)相同，wi與ui一一對應(yīng).

4 康復(fù)評價(jià)指標(biāo)運(yùn)算及分析

以評價(jià)腕關(guān)節(jié)活動(dòng)度為例，將評價(jià)對象患側(cè)上肢套入5-DOF穿戴式上肢康復(fù)機(jī)器人手臂中，對其作腕關(guān)節(jié)背屈、掌屈、橈偏、尺偏等動(dòng)作測試.通過關(guān)節(jié)角度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，得到符合七級康復(fù)評價(jià)評語的次數(shù)數(shù)據(jù)分布，如表1所示.

表1 腕關(guān)節(jié)測試結(jié)果數(shù)據(jù)分布Table 1 The data distribution of wrist joint test result

（1）對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將達(dá)標(biāo)率轉(zhuǎn)化為隸屬度，構(gòu)成單因素評價(jià)矩陣R：

（2）確定腕關(guān)節(jié)4個(gè)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重矩陣，在充分綜合數(shù)位專家觀點(diǎn)的基礎(chǔ)之上，統(tǒng)計(jì)得出兩兩對比的權(quán)重矩陣A：

對矩陣A進(jìn)行正規(guī)化及歸一化處理，得歸一矩陣W：

經(jīng)一致性檢驗(yàn)，表明歸一矩陣W中的wi可以作為相應(yīng)的權(quán)重集合，則權(quán)重集合W′＝WT＝｛0.051，0.585，0.245，0.122｝，即掌屈權(quán)重為0.051，背屈權(quán)重為0.585，橈偏權(quán)重為0.245，尺偏權(quán)重為0.122.

（3）選擇乘與有界和M（·，⊕）作為AHP-模糊關(guān)系合成算子，按照康復(fù)評價(jià)模型的遞階關(guān)系，將下層評價(jià)指標(biāo)值作為上層評價(jià)的依據(jù)，進(jìn)行各評價(jià)指標(biāo)的逐層合成運(yùn)算，即將W與R合成得單因素評價(jià)向量B，評價(jià)結(jié)果數(shù)據(jù)如圖4所示.

圖4說明，被評價(jià)者的腕關(guān)節(jié)活動(dòng)度在極好、很好、比較好、一般、比較差、很差、極差程度上的隸屬度分別為0.020 9，0.032 1，0.121 2，0.188 7，0.289 4，0.215 0，0.135 6，被評價(jià)者在比較差等級的隸屬度最高，在極好和很好等級的隸屬度偏低.

（4）根據(jù)康復(fù)評價(jià)的需要，對單因素評價(jià)矩陣B作進(jìn)一步的分析處理，選用向量單值化法計(jì)算單因素評價(jià)分?jǐn)?shù)Q和單因素綜合評價(jià)分?jǐn)?shù)Q′，其中，Q＝R?CT，Q′＝B?CT.計(jì)算得單因素評價(jià)分?jǐn)?shù)Q如圖5所示.

圖5 腕關(guān)節(jié)活動(dòng)度單因素評價(jià)分?jǐn)?shù)Fig.5 The single factor evaluation score of wrist activity

圖5說明被評價(jià)者的橈偏和尺偏活動(dòng)度的康復(fù)水平相近，背屈活動(dòng)度的康復(fù)水平最低，整體康復(fù)水平偏低.根據(jù)公式，計(jì)算得單因素綜合評價(jià)分?jǐn)?shù)Q′的分值為35.51，說明被評價(jià)者腕關(guān)節(jié)活動(dòng)度的恢復(fù)水平偏低.

綜合單因素評價(jià)向量B、單因素評價(jià)分?jǐn)?shù)Q和單因素綜合評價(jià)分?jǐn)?shù)Q′三項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)，使康復(fù)評價(jià)具有綜合性、科學(xué)性、客觀性，從而可以更加全面地反映患者的康復(fù)水平，輔助康復(fù)醫(yī)師更加準(zhǔn)確地估計(jì)患者的康復(fù)效果.

5 結(jié) 語

在機(jī)器人技術(shù)飛速發(fā)展的今天，將機(jī)器人技術(shù)同康復(fù)醫(yī)學(xué)知識結(jié)合，建立具有康復(fù)評價(jià)功能的康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)已經(jīng)成為機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)重要方向，采用康復(fù)機(jī)器人對患者進(jìn)行康復(fù)評價(jià)，可以極大地提高康復(fù)評價(jià)數(shù)據(jù)采集及處理的精度和效度.本文提出了一種基于AHP-模糊綜合評判的康復(fù)評價(jià)方法，通過實(shí)例證明該方法具有充分的可實(shí)現(xiàn)性，特別在針對長期康復(fù)評價(jià)中的超大量數(shù)據(jù)處理能力方面，相對于傳統(tǒng)的臨床康復(fù)評價(jià)方法具有明顯的優(yōu)勢，為實(shí)現(xiàn)5-DOF穿戴式上肢康復(fù)機(jī)器人的康復(fù)評價(jià)功能提供了一種相對有效的康復(fù)評價(jià)方法.

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Rehabilitation Evaluation Methodology of upper Limb Rehabilitation Robot based on AHP-fuzzy Comprehensive Evaluation

WANG Jianhui，ZHANG Cheng，JI Wen，GU Deying

（College of Information Science and Engineering，Northeastern University，Shenyang 110819，China）

Along with the research of 5-DOF wearable upper limb rehabilitation robots，a rehabilitation evaluation methodology was provided based on AHP-fuzzy comprehensive，the AHP hierarchical multiple index rehabilitation evaluation model in accordance was established with the rehabilitation medicine knowledge，and evaluation index with proper AHP-fuzzy synthetic relationshipcalculate operator is composed.Tested by a serious of experiments，this evaluation methodology has scientifically feasibility and provides a brand new concept for realizing the rehabilitation evaluation function for 5-DOF upper limb robot.

upper limb rehabilitation robot；AHP-fuzzy comprehensive evaluation；rehabilitation evaluation method；AHP hierarchical model

TP 242

A

1008-9225（2012）03-0047-05

2011-12-21

遼寧省工業(yè)攻關(guān)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2010220014）；沈陽市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（F10-205-1-57）.

王建輝（1957-），女，遼寧鞍山人，東北大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.

李 艷】