基于灰色關(guān)聯(lián)分析的老年人下肢肌力手持式肌力測(cè)試儀評(píng)估①

楊鵬，孫麗紅，韓雪晶，蔡青青

·康復(fù)工程·

基于灰色關(guān)聯(lián)分析的老年人下肢肌力手持式肌力測(cè)試儀評(píng)估①

楊鵬1,2，孫麗紅1，韓雪晶1，蔡青青1

目的 對(duì)老年人下肢肌力進(jìn)行量化評(píng)估。方法 2016年12月至2017年3月，50名老年受試者納入研究。確定了老年人下肢肌力評(píng)估指標(biāo)，包括髖外展肌、髖內(nèi)收肌、髖伸肌、髖屈肌、膝伸肌、膝屈肌、踝背屈肌、踝跖屈肌，并結(jié)合手持式肌力測(cè)試儀(HHD)進(jìn)行等長(zhǎng)肌力測(cè)試。建立灰色關(guān)聯(lián)分析法數(shù)學(xué)模型進(jìn)行決策與評(píng)估，通過(guò)徒手肌力檢查(MMT)給出的老年人下肢肌力的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)判。結(jié)果 能力完好的老年受試者為13名，其余37名屬于輕度障礙水平。結(jié)論 基于對(duì)老年人下肢肌力量化評(píng)估需求，建立了一種老年人下肢肌力的客觀評(píng)估模型，便于為老年人下肢肌力分級(jí)，進(jìn)而進(jìn)行不同的康復(fù)指導(dǎo)。

老年；等長(zhǎng)肌力測(cè)試；手持式肌力測(cè)試儀；灰色關(guān)聯(lián)分析

肌力是維持人體日常生活活動(dòng)的保障，人類(lèi)很早就意識(shí)到肌肉力量對(duì)人體的重要性。從安格洛?莫索(Angelo Mosso,1846-1910)在1884年發(fā)明用于人體肌肉功能研究的測(cè)力計(jì)以來(lái)，已有100多年的歷史[1]。

為了克服徒手肌力測(cè)試法的主觀評(píng)價(jià)誤差，肌力測(cè)試開(kāi)始向定量的方向發(fā)展，出現(xiàn)了等長(zhǎng)肌力測(cè)試、等張肌力測(cè)試和等速肌力測(cè)試，并且隨著科技的發(fā)展，出現(xiàn)了一系列肌力測(cè)評(píng)系統(tǒng)，包括Contrex、Biodex、Cybex等速肌力測(cè)試系統(tǒng)，Kistler三維測(cè)力平臺(tái)等[2-3]。

這些儀器能夠精確評(píng)價(jià)人體各部位的肌力，但因儀器昂貴、測(cè)試方法復(fù)雜，不適合用于大面積的體質(zhì)評(píng)價(jià)[4]。另外國(guó)內(nèi)外利用這些等速肌力測(cè)試設(shè)備主要是為了測(cè)量運(yùn)動(dòng)員的肌肉力量，為運(yùn)動(dòng)員有針對(duì)性的力量訓(xùn)練提供科學(xué)的依據(jù)，且肌力在Ⅲ級(jí)及Ⅲ級(jí)以下者無(wú)法使用等速肌力測(cè)試設(shè)備[5-6]。綜合以上原因，這些等速設(shè)備并不適合于老年人肌力的測(cè)量。

本文采用手持式肌力測(cè)試儀(hand-held dynamometry,HHD)測(cè)量肌力。HHD屬于等長(zhǎng)肌力測(cè)定，與等速肌力測(cè)試設(shè)備相比可以較好地排除肌張力對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響，而且可以測(cè)量更多的部位，在老年人口當(dāng)中的應(yīng)用具有較好的可靠性。

1 資料與方法

1.1 一般資料

2016年12月至2017年3月選取桃花源養(yǎng)老院的老人和學(xué)院的退休老教師50名，均為男性，年齡(68±5)歲，均可順利完成實(shí)驗(yàn)。

1.2 數(shù)據(jù)采集

目前對(duì)于HHD使用的最合適的測(cè)試位置，并沒(méi)有一致性的意見(jiàn)[7-8]。髖關(guān)節(jié)在行走過(guò)程中產(chǎn)生的關(guān)節(jié)力矩最大，是老年人預(yù)防跌倒的重要施力部位。膝伸肌在老年人行走過(guò)程中產(chǎn)生的肌肉力量最大，是防止老年人跌倒的重要部位。踝關(guān)節(jié)小腿三頭肌的主要作用是旋轉(zhuǎn)腳面，提足，對(duì)人體行走和直立有著重要作用。根據(jù)以往人體下肢肌力評(píng)估的研究，這些測(cè)試位置展示了等長(zhǎng)肌力測(cè)試在髖關(guān)節(jié)[9]、膝關(guān)節(jié)[10]和踝關(guān)節(jié)[11-12]肌群的應(yīng)用，具有很強(qiáng)的可靠性。本研究選擇髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的8大肌群：髖外展肌、髖內(nèi)收肌、髖伸肌、髖屈肌、膝伸肌、膝屈肌、踝跖屈肌、踝背屈肌作為肌力評(píng)估指標(biāo)體系。

采用Hoggan MicroFet3手持式數(shù)字肌力測(cè)試儀測(cè)量老年人肌力指標(biāo)體系的8大部位。在測(cè)試前應(yīng)該至少給受試者一次練習(xí)的機(jī)會(huì)，熟悉抵抗測(cè)力儀的感覺(jué)。受試者由測(cè)試者引導(dǎo)熟悉每一個(gè)動(dòng)作，測(cè)試動(dòng)作應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化，方向正確。

1.3 評(píng)估模型的建立

灰色系統(tǒng)建模的任務(wù)就是將具體的灰色系統(tǒng)的行為特征數(shù)據(jù)充分地開(kāi)發(fā)，并利用不多的數(shù)據(jù)中的顯信息和隱信息，尋找因素間或因素本身的數(shù)學(xué)關(guān)系[13]。雖然其中某些信息不夠充分，但是作為系統(tǒng)，必定是有特定的功能和有序的。關(guān)聯(lián)分析法的基本思路是通過(guò)比較數(shù)列集構(gòu)成的曲線族與參考數(shù)列構(gòu)成的曲線之間的幾何相似程度，來(lái)確定比較數(shù)列集與參考數(shù)列之間的關(guān)聯(lián)度，比較數(shù)列構(gòu)成的曲線與參考數(shù)列構(gòu)成的曲線的幾何形狀越相似，其關(guān)聯(lián)度越大[14]。肌力指標(biāo)對(duì)比圖見(jiàn)圖1。

圖1 肌力指標(biāo)對(duì)比圖

利用灰色關(guān)聯(lián)分析進(jìn)行肌力評(píng)估的步驟如下：

①根據(jù)評(píng)價(jià)目的及肌力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，搜集數(shù)據(jù)，確定參考數(shù)列與原始評(píng)價(jià)矩陣。

假設(shè)有m個(gè)受試者，n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，xij表示第i個(gè)對(duì)象的第j個(gè)指標(biāo)的原始值，原始評(píng)價(jià)矩陣為：

根據(jù)評(píng)價(jià)目的及指標(biāo)的情況，設(shè)定參考數(shù)列為

其中k表示第k個(gè)指標(biāo)。

②對(duì)原始肌力數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并記為：

標(biāo)準(zhǔn)化處理后的參考數(shù)列是：

③計(jì)算每個(gè)比較數(shù)列與參考數(shù)列對(duì)應(yīng)元素的關(guān)聯(lián)系數(shù)，關(guān)聯(lián)系數(shù)為：

其中， ρ∈[0,1]為分辨系數(shù)， ρ越大，分辨率越大， ρ越小，分辨率越小，一般取 ρ=0.5。msin mti n|y0(t)-ys(t)|和masx matx |y0(t)-ys(t)|分別為兩級(jí)最小差和兩級(jí)最大差。其中mti n |y0(t)-ys(t)|表示第一級(jí)最小差，表示在Yi的曲線上，各個(gè)點(diǎn)與Y0中相應(yīng)點(diǎn)的距離的最小值；msinmti n|y0(t)-ys(t)|則表示在曲線上找出的最小差mti n |y0(t)-ys(t)|的基礎(chǔ)上，再按i=1,2,…,m找出所有曲線中最小差的最小差。masx matx|y0(t)-ys(t)|的定義與兩級(jí)最小差相似。

④計(jì)算關(guān)聯(lián)度

關(guān)聯(lián)度反映了每個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象與參考對(duì)象之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，是一種量化分析， p=(p,p,???,p,???p)T，12im其中，

⑤依據(jù)各對(duì)象的關(guān)聯(lián)度，得出決策結(jié)果

依據(jù)評(píng)價(jià)的目的與對(duì)象，肌力數(shù)列的各指標(biāo)均為正向型指標(biāo)，關(guān)聯(lián)度越大，該對(duì)象的評(píng)估結(jié)果越優(yōu)，反之越劣。

2 結(jié)果

根據(jù)以上分析確立的評(píng)估指標(biāo)及建模的過(guò)程，本文采用HHD采集老年人各部位的峰值肌力，通過(guò)對(duì)不同運(yùn)動(dòng)程度的老年男性進(jìn)行試驗(yàn)，每人每個(gè)部位測(cè)量3次，記錄最大值，并對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)取均值，得到的原始數(shù)據(jù)如表1，共得到了50組數(shù)據(jù)。

利用MATLAB軟件建立灰色關(guān)聯(lián)度的程序，通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)分析對(duì)50組受試者的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到老年人下肢肌力灰色關(guān)聯(lián)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果如圖2。

由此可見(jiàn)，灰色關(guān)聯(lián)分析法把對(duì)老年人下肢肌力評(píng)估變成了一個(gè)數(shù)據(jù)分析、建模和決策的過(guò)程，克服了主觀判斷的缺點(diǎn)，從而保證結(jié)果的準(zhǔn)確性與科學(xué)性。

目前，國(guó)際上普遍采用的是美國(guó)哈佛大學(xué)矯形外科學(xué)教授Robert Lovett提出的徒手肌力檢查法(Manual Muscle Test,MMT)[15-16]。本文根據(jù)MMT的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)確定了老年人肌力評(píng)估分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，以各受試者的綜合關(guān)聯(lián)度作為評(píng)判準(zhǔn)則。見(jiàn)表2。

圖2 老年人下肢肌力評(píng)估結(jié)果

表1 老年人8大峰值肌力原始數(shù)值(kg)

續(xù)表1 老年人8大峰值肌力原始數(shù)值(kg)

表2 老年人肌力評(píng)估分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

因此，從以上分析以及仿真結(jié)果可以得出實(shí)驗(yàn)中50名老年人的下肢肌力水平，受試者7、10、15、16、21、25、32、33、35、36、46、47、50屬于能力完好，其余37名受試者均屬于輕度障礙水平。

3 討論

肌力是指肌肉運(yùn)動(dòng)時(shí)最大的收縮力量，對(duì)于維持老年人的日常生活活動(dòng)及下肢步態(tài)穩(wěn)定、預(yù)防跌倒具有重要的意義。因此，肌力檢查成為康復(fù)評(píng)定的重要內(nèi)容之一。人體衰老后，有多種復(fù)雜的因素相互作用造成肌肉萎縮和功能下降，老年人下肢肌群用傳統(tǒng)的MMT評(píng)定相對(duì)范圍比較狹窄，對(duì)肌力的微小變化敏感度不夠，只有提高測(cè)量方法的精確度才能進(jìn)行有效的評(píng)估[17-19]。肌力可以由一些設(shè)備量化得出，如等速肌力測(cè)試儀、HHD等，但是等速肌力設(shè)備并非手持式，因此受限于特定的環(huán)境[20]。由于HHD在測(cè)量肌力變化過(guò)程中的便攜性、客觀性和敏感性，使其成為臨床實(shí)驗(yàn)當(dāng)中一種潛在的有效工具[21]。

采用HHD對(duì)人體肌力進(jìn)行研究最早始于Edwards RH等在1974年使用HHD測(cè)量隨意肌的功能。隨后，Andrews等[22]使用HHD對(duì)156例無(wú)癥狀的平均年齡在60歲以上的老年人進(jìn)行測(cè)量，共測(cè)試8個(gè)上肢運(yùn)動(dòng)和5個(gè)下肢運(yùn)動(dòng)，研究的目的是使用HHD獲得最大的自愿等長(zhǎng)收縮力的規(guī)范值，通過(guò)把未受損的人獲得的規(guī)范值和患者所表現(xiàn)出來(lái)的測(cè)量值比較，建立患者受損的程度。Bohannon[23]使用Ametek手持式數(shù)字肌力測(cè)試儀對(duì)106個(gè)便利樣本的6個(gè)上肢動(dòng)作和4個(gè)下肢動(dòng)作進(jìn)行測(cè)試，試圖獲得20～90歲不同年齡段的參考肌力值，建立個(gè)人肌力受損等級(jí)。Bohannon[24]還在文獻(xiàn)中對(duì)使用HHD測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的文獻(xiàn)報(bào)道進(jìn)行系統(tǒng)闡述，總結(jié)15個(gè)使用HHD研究的異同之處。Mentiplay等[25]采用力量增長(zhǎng)速率(rate of force development,RFD)對(duì)30例健康成人進(jìn)行肌肉力量的評(píng)估，并且檢查HHD評(píng)估者內(nèi)部、評(píng)分者間和設(shè)備間的信度，以及HHD評(píng)估等長(zhǎng)下肢肌肉力量和功率的效度。Stark等[26]也得出結(jié)論，考慮到HHD與等速設(shè)備相比的易于使用、便攜性、費(fèi)用以及體積輕便，可以在臨床環(huán)境中作為一種可靠及有效的肌力評(píng)估設(shè)備。

西方發(fā)達(dá)國(guó)家在老人入住養(yǎng)老機(jī)構(gòu)之前就對(duì)他們進(jìn)行能力分級(jí)，不同級(jí)別的老人提供不同的服務(wù)內(nèi)容，尋求建立分級(jí)、分層次、分級(jí)別的養(yǎng)老模式體系。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究，確定老年人下肢肌力評(píng)估指標(biāo)，建立并驗(yàn)證評(píng)估模型，通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)分析找出不同數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)快速評(píng)估，為老年人下肢肌力的評(píng)估提供了一套科學(xué)的決策手段。以實(shí)證數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的評(píng)估使老年人下肢肌力評(píng)估過(guò)程更加科學(xué)合理，同時(shí)為建立分級(jí)別的養(yǎng)老模式體系和老年人信息管理提供支持。

但本研究仍存在不足之處。在未來(lái)的研究當(dāng)中可以細(xì)致地劃分年齡段，縮小各年齡段之間的差距；增加受試者的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)分段評(píng)估；針對(duì)不同障礙程度的老年人，提供不同的康復(fù)指導(dǎo)。

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Evaluation of Lower Limb Muscle Strength with Hand-held Dynamometry in Elderly Based on Grey Relational Analysis

YANG Peng1,2,SUN Li-hong1,HAN Xue-jing1,CAI Qing-qing1
1.School of Control Science and Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China;2.Engineering Research of Intelligent Rehabilitation Equipment and Testing Technology,Ministry of Education,Tianjin 300130,China

Objective To quantitatively assess the lower extremity muscle strength of the elderly.Methods From December,2016 to March,2017,50 old subjects were enrolled.The evaluation indexes of lower extremity muscle strength of the elderly were determined as hip abductors,hip adductors,hip extensors,hip flexors,knee extensors,knee flexors,ankle dorsiflexors and ankle plantarflexors with the hand-held dynamometry.The data of 50 subjects were collected and the grey relational analysis model was used to make the decision and evaluation.The grading criteria for lower limb muscle strength of the elderly were given by Manual Muscle Test.Results Totally,13 elderly subjects were well-matched,and the other 37 subjects were mildly disordered.Conclusion Based on the need for quantitative assessment of muscle strength of the lower limbs in the elderly,an objective evaluation model of the lower extremity muscle strength of the elderly was established,which facilitated to grade the elderly lower extremity muscle strength and then to carry out different rehabilitation guidance.

aged;isometric strength measurements;hand-held dynamometry;grey correlation analysis

YANG Peng.E-mail：yphebut@163.com

R318

A

1006-9771(2017)10-1203-06

10.3969/j.issn.1006-9771.2017.10.017

[本文著錄格式] 楊鵬，孫麗紅，韓雪晶，等.基于灰色關(guān)聯(lián)分析的老年人下肢肌力手持式肌力測(cè)試儀評(píng)估[J].中國(guó)康復(fù)理論與實(shí)踐,2017,23(10)：1203-1208.

CITED AS：Yang P,Sun LH,Han XJ,et al.Evaluation of lower limb muscle strength with hand-held dynamometry in elderly based on grey relational analysis[J].Zhongguo Kangfu Lilun Yu Shijian,2017,23(10)：1203-1208.

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(No.2015BAI06B03)。

1.河北工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津市300130；2.智能康復(fù)裝置與檢測(cè)技術(shù)教育部工程研究中心，天津市300130。作者簡(jiǎn)介：楊鵬(1960-)，男，漢族，河北秦皇島市人，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要研究方向：復(fù)雜系統(tǒng)行為與模型的研究，老年人能力評(píng)估。E-mail：yphebut@163.com。

2017-03-06

2017-06-09)