基于AHP-TOPSIS的上肢康復(fù)訓(xùn)練儀設(shè)計與評估

趙項，魏峰，白伊莎

(福建工程學(xué)院 設(shè)計學(xué)院，福建 福州 350118)

近年來，遺傳基因和個人習慣等因素導(dǎo)致的腦卒中患者數(shù)量不斷攀升，腦卒中所致的偏癱患者數(shù)量每年大約新增200萬[1]。如不及時進行合理的康復(fù)治療，偏癱患者的自主行動能力將會逐漸減弱并消失，從而給家庭和社會帶來巨大的壓力[2]?，F(xiàn)代康復(fù)醫(yī)學(xué)證明：偏癱患者進行合理的上肢康復(fù)訓(xùn)練可修復(fù)大腦受損的神經(jīng)元，或促使受損的神經(jīng)元再生，進而達到肢體的功能重塑，提高獨立自主的生活能力[3]。相關(guān)康復(fù)儀器成為設(shè)計研究熱點，如可穿戴式的外骨骼上肢康復(fù)機器人設(shè)計方案[4]、四自由度上肢康復(fù)器械的控制系統(tǒng)[5]、滿足患者感性需求的上肢康復(fù)機器人[6]、符合人體關(guān)節(jié)運動機理且具有舒適性的外骨骼上肢可穿戴設(shè)備[7]等。除此之外，還有學(xué)者基于不同開發(fā)技術(shù)對偏癱患者上肢康復(fù)訓(xùn)練器械進行了設(shè)計與驗證。然而，這些研究大部分缺乏恰當?shù)睦碚撝?，造型設(shè)計大都遵循經(jīng)典工業(yè)設(shè)計時期的“形式追隨功能”原則，設(shè)計要素優(yōu)先次序模糊不清，設(shè)計方案評價主觀性較強，缺乏一定的科學(xué)性與合理性。所以以現(xiàn)代設(shè)計研究常用的決策理論為基礎(chǔ)來構(gòu)建模型并用于偏癱患者上肢康復(fù)訓(xùn)練儀的研發(fā)很有必要。

1 基于AHP和TOPSIS的模型構(gòu)建

近年來，層次分析法(AHP)、逼近理想解排序法(TOPSIS)、熵權(quán)法(EWM)等多準則決策方法被廣泛應(yīng)用于器械設(shè)備研發(fā)中。AHP法具有系統(tǒng)化、簡單實用的優(yōu)勢，20世紀70年代初由美國運籌學(xué)家T. L. Saaty提出，將與決策相關(guān)的因素拓展至目標、準則和子準則等層次，把定性問題進行定量分析，并通過計算權(quán)重系數(shù)，得出最佳方案[8]。如融合AHP與QFD對老年人健身器械進行分析研究，設(shè)計出符合老年人健身的器械[9]；將AHP法應(yīng)用于衛(wèi)浴產(chǎn)品研發(fā)，設(shè)計出滿足小戶型家庭需求的衛(wèi)浴產(chǎn)品[10]；基于AHP法和TRIZ理論對殘障人輪椅進行創(chuàng)新設(shè)計[11]?？梢姡珹HP法在工業(yè)產(chǎn)品研發(fā)中能構(gòu)建合理的量化模型并科學(xué)地計算各層級要素的權(quán)重值，明確設(shè)計重點并進行方案構(gòu)思，具有可行性和有效性。

然而，隨著知識庫和技術(shù)更新迭代不斷加速，如何快速從設(shè)計方案中選擇最佳方案以確保方案的科學(xué)性與前瞻性成為新的難題，因此選擇客觀的綜合評價方法尤為重要。設(shè)計綜合評價屬于多準則、多指標的評估體系，常見的方案評分優(yōu)選具有較強的主觀性。而TOPSIS法作為新的多準則決策方法之一，對初始矩陣進行歸一化處理后，引入正、負理想解概念，并通過評價對象到正、負理想解的距離來判斷方案優(yōu)劣排序，若方案離正理想解最近、離負理想解最遠，則為最優(yōu)方案[12]。但是TOPSIS法無法明確各項評價指標的權(quán)重，故需事先對其賦值權(quán)重，將TOPSIS與AHP法結(jié)合對多個評價指標或設(shè)計屬性進行利弊權(quán)衡、決策制定以及方案排序時賦值更為便捷、科學(xué)高效[13]。因此本研究將AHP與TOPSIS相結(jié)合，對評價指標進行權(quán)重計算及規(guī)范判斷矩陣，以期為偏癱患者上肢康復(fù)訓(xùn)練儀構(gòu)思及方案選擇提供科學(xué)合理的設(shè)計評價框架，具體如圖1所示。

圖1 基于AHP-TOPSIS的設(shè)計評價流程Fig.1 Design and evaluation process based on AHP-TOPSIS

2 基于AHP法的上肢康復(fù)訓(xùn)練儀設(shè)計重點提取

2.1 偏癱患者上肢康復(fù)訓(xùn)練儀設(shè)計層次分析模型構(gòu)建

通過梳理文獻[14]和文獻[15]、問卷調(diào)查與專家訪談得知：偏癱患者上肢康復(fù)訓(xùn)練儀的設(shè)計要素多維，患者最先感知到的是產(chǎn)品外觀。作為醫(yī)療器械，除滿足審美訴求外，還要通過結(jié)構(gòu)、材料等體現(xiàn)醫(yī)療產(chǎn)品的精密與安全，緩解患者的恐懼心理。在上肢康復(fù)訓(xùn)練儀開發(fā)中，還要充分顧及操作問題，從多個角度涉入，使設(shè)計更加人性化?？傊c患者上肢康復(fù)訓(xùn)練儀是集造型美、技術(shù)美和功能美于一體的產(chǎn)品，研發(fā)過程中須充分考慮患者心理和生理特點并高度關(guān)注色彩、造型、安全、操作和功能屬性。

第一，色彩屬性。色彩作為一種康復(fù)器械設(shè)計的語言，主要以單色、復(fù)色和多種色彩搭配呈現(xiàn)，合理的配色可消除患者焦慮情緒并營造一種輕松愉快的康復(fù)氛圍，還可加快患者的新陳代謝和改善康復(fù)療效。上肢康復(fù)訓(xùn)練儀的色彩設(shè)計主要以溫馨、純凈的醫(yī)療配色為主，包含米白色和藍色。第二，造型屬性。造型設(shè)計可歸納為傳統(tǒng)型、創(chuàng)新型和組合型三種形態(tài)，造型所傳達出的意象對偏癱患者的康復(fù)效果影響較大。親切、溫馨的造型意象可增進設(shè)備與患者的交互，提高患者的康復(fù)效率。簡潔大方、溫馨體貼的醫(yī)療風格更符合患者的美學(xué)訴求。第三，安全屬性。安全性嚴重影響著患者的恐懼心理指數(shù)與康復(fù)訓(xùn)練熱情，并一定程度上決定了患者及家屬在康復(fù)器械上的選擇。安全要素主要表現(xiàn)為材料可靠、結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、安全與便捷固定上肢。第四，操作屬性。操作主要以康復(fù)醫(yī)師控制為主，患者操作為輔，綜合考慮患者的生理、心理狀況以及醫(yī)師的工作強度，操作要素主要由記錄康復(fù)數(shù)據(jù)、醫(yī)師智能控制和患者操作簡單三點構(gòu)成。第五，功能屬性。人體上肢主要包括肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、手指以及各肌群，對這些關(guān)節(jié)和肌群進行針對性的康復(fù)訓(xùn)練，可促使患者大腦受損的神經(jīng)元再生或修復(fù)，從而盡早達到相應(yīng)肢體的功能重塑。

綜上所述，構(gòu)建出偏癱患者上肢康復(fù)訓(xùn)練儀設(shè)計的層次分析模型[16]，如圖2所示。目標層：位于模型的最高層，為偏癱患者上肢康復(fù)訓(xùn)練儀設(shè)計最佳方案，用O表示。準則層：上肢康復(fù)訓(xùn)練儀的設(shè)計屬性，包括功能屬性、操作屬性、安全屬性、造型屬性和色彩屬性，分別用A、B、C、D、E表示。子準則層：根據(jù)Saaty提出的層級構(gòu)造方法[17]，經(jīng)分析與整理，將準則層的5個設(shè)計屬性拓展為對應(yīng)子準則層18項設(shè)計要素，其中肩關(guān)節(jié)康復(fù)用A1表示，肘關(guān)節(jié)康復(fù)為A2，腕關(guān)節(jié)康復(fù)為A3，手指康復(fù)為A4，肌群康復(fù)為A5，以此類推。

圖2 偏癱患者上肢康復(fù)訓(xùn)練儀設(shè)計評價層次分析模型Fig.2 An analytic hierarchy process model for the design and evaluation of upper limb rehabilitation equipment

2.2 構(gòu)造判斷矩陣

本研究中，構(gòu)造判斷矩陣可將每一層次直接關(guān)聯(lián)要素的重要程度進行比較[18]，并通過計算得出每個層次中各設(shè)計要素的權(quán)重值，判斷矩陣中比較元素Xij采用Saaty所提的1-9標度[19]。為了提高判斷矩陣分析的準確性，本研究調(diào)研對象均接觸偏癱患者上肢康復(fù)訓(xùn)練儀兩年以上并對其有較深了解。同時，為了使研究結(jié)果具有普遍性，本研究共對30名與偏癱患者上肢康復(fù)訓(xùn)練儀相關(guān)的人員進行測試，其中包括10名上肢康復(fù)器械專家、7名康復(fù)治療醫(yī)師、7名康復(fù)醫(yī)學(xué)研究者和6名主攻康復(fù)產(chǎn)品設(shè)計的碩士研究生，要求他們對準則層中的兩兩設(shè)計屬性與各子準則層中的兩兩設(shè)計要素進行比較評分。

2.3 權(quán)重計算

根據(jù)判斷矩陣，采用幾何平均法[20]計算出準則層和子準則層設(shè)計要素權(quán)重，大致運算步驟如下：

(1)計算每行的標度乘積：

(1)

式(1)中bij為第i行第j列中的需求指標；m為評價指標量。

(2)判斷各行標度乘積的幾何平均值：

(2)

(3)計算相對權(quán)重：

(3)

(4)計算最大特征根：

(4)

式(4)中BWi為向量BW第i個分量；n為階數(shù)。

(5)結(jié)果一致性檢驗：

(5)

式(5)中n為判斷矩陣評價標度所對階數(shù)。

(6)

式(6)中RI為平均隨機一致性指標，各階數(shù)均有相對應(yīng)的數(shù)值，如表1所示；CR為一致性比值，當CR≤0.1，表明一致性檢驗通過；當CR>0.1時，則表示一致性檢驗未通過，需對判斷矩陣進行檢查，更正后再次計算分析。

表1 平均隨機一致性指標

根據(jù)上述幾何平均法運算流程，結(jié)合判斷矩陣調(diào)查結(jié)果，通過標度乘積、相對權(quán)重計算得到各層級設(shè)計要素的相對權(quán)重，如表2所示。為確保調(diào)研對象在評價時思維的一致性以及判斷矩陣的相容性，通過計算最大特征根輔助判斷矩陣結(jié)果一致性檢驗，結(jié)果顯示CR值均小于0.1，說明通過一致性檢驗，如表3所示。

表2 各層級判斷矩陣及權(quán)重

續(xù)表

表3 一致性檢驗結(jié)果

為進一步明確子準則層設(shè)計要素對偏癱患者上肢康復(fù)訓(xùn)練儀設(shè)計產(chǎn)生影響的重要程度，計算子準則層各設(shè)計要素與其對應(yīng)準則層設(shè)計屬性的乘積，得出偏癱患者上肢康復(fù)訓(xùn)練儀18個設(shè)計要素的綜合權(quán)重，經(jīng)整理與排序，結(jié)果如表4所示。

表4 設(shè)計要素綜合權(quán)重及排序

2.4 權(quán)重分析與設(shè)計重點提取

根據(jù)上述設(shè)計屬性和要素權(quán)重計算結(jié)果得知：設(shè)計研發(fā)偏癱患者上肢康復(fù)訓(xùn)練儀時，應(yīng)高度重視產(chǎn)品的色彩屬性，充分考慮多種顏色組合搭配，米白色和藍色為現(xiàn)代醫(yī)療康復(fù)產(chǎn)品設(shè)計較為常用的顏色；造型設(shè)計上要突破傳統(tǒng)形態(tài)，造型新穎、簡潔大方、溫馨體貼的醫(yī)療風格更符合患者的美學(xué)訴求；功能設(shè)計上以腕關(guān)節(jié)訓(xùn)練和手指康復(fù)功能為主；具體操作上應(yīng)簡單方便，能使患者便捷固定上肢。

3 基于TOPSIS法的上肢康復(fù)訓(xùn)練儀設(shè)計與評價

3.1 方案設(shè)計

根據(jù)以上分析，將功能、操作、安全、造型、色彩屬性及其對應(yīng)的設(shè)計要素進行有機整合，基于工業(yè)設(shè)計程序與方法，結(jié)合技術(shù)、結(jié)構(gòu)與人機工學(xué)對偏癱患者上肢康復(fù)訓(xùn)練儀進行創(chuàng)新設(shè)計，經(jīng)初步構(gòu)思提出3個可行性方案，如圖3所示。方案1，以手肘放置托為上肢主要的承重載體，將旋轉(zhuǎn)軸與保護罩連接，在保護罩中進行腕關(guān)節(jié)與手指康復(fù)訓(xùn)練；方案2，以固定的底座支架支撐設(shè)備，上肢承重載體可根據(jù)患者需求滑動，旋轉(zhuǎn)軸中部與手肘放置托之間的距離可根據(jù)患者手臂尺寸進行適當調(diào)整；方案3，以底部支撐板為設(shè)備的基底載體，手指康復(fù)部件與旋轉(zhuǎn)軸連接作為患者訓(xùn)練的核心。3個方案均以藍色和白色搭配為主，具有人文關(guān)懷的創(chuàng)新形態(tài)，均可對偏癱患者進行手指發(fā)力康復(fù)與手腕旋轉(zhuǎn)力度訓(xùn)練。

圖3 方案設(shè)計Fig.3 Design schemes

為有效避免決策的主觀性，客觀確定各方案的優(yōu)先排序，采用層次分析模型中的18項設(shè)計要素作為TOPSIS法評價指標，評價步驟如下：

(1)邀請康復(fù)醫(yī)療器械設(shè)計專家、康復(fù)醫(yī)師和康復(fù)設(shè)備研究者共18名，分別對3個初步方案的評價指標進行打分，采取7級李克特量表(1-7分別表示：非常不滿意、很不滿意、不滿意、一般、滿意、很滿意、非常滿意)，評分結(jié)果均值化后可得表5所示的初始評價矩陣，用F表示。

表5 初始評價矩陣

續(xù)表

(2)規(guī)范化初始評價矩陣,得到標準化矩陣Rij：

(7)

(3)根據(jù)各項評價指標的目標權(quán)重，計算出權(quán)重規(guī)范化矩陣uij:

uij=WjRij

(8)

(4)求正理想解A*和負理想解A-:

(9)

則：

(10)

(11)

(6)計算各方案到理想解的相對貼近度：

(12)

根據(jù)上述運算程序，結(jié)合層次分析權(quán)重對初始評價矩陣進行規(guī)范化處理得到權(quán)重規(guī)范化矩陣，經(jīng)正、負理想解計算公式運算得到：正理想解=(0.047，0.040，0.078，0.195，0.846，0.522，0.044，0.063，0.334，0.311，0.326，0.271，0.229，0.097，0.646，0.029，0.027，0.092)，負理想解=(0.040，0.035，0.070，0.167，0.588，0.412，0.348，0.057，0.275，0.259，0.265，0.223，0.190，0.086，0.500，0.027，0.026，0.076)，通過歐幾里得算法與相對貼近度運算，得到表6所示結(jié)果。其中，根據(jù)Ci值大小判斷方案的優(yōu)先程度，值越大反映出方案的優(yōu)先程度越高，由此可得方案2最佳。

表6 正、負理想解及相對貼近度

在方案2中，患者進行康復(fù)訓(xùn)練時，將手肘用綁帶固定在放置托上，手指按照對應(yīng)指位握住手指測力計?；颊呖赏ㄟ^電動機設(shè)定的阻力進行主動手腕旋轉(zhuǎn)訓(xùn)練，也可通過電動機的圓周運動進行被動康復(fù)訓(xùn)練，還可通過手指測力計進行手指發(fā)力的康復(fù)訓(xùn)練。由于受人體尺寸的影響，手肘至手指測力計之間采取滑動式的設(shè)計，確保其可適用于不同體格的患者。

3.2 方案評估

為了少走彎路，對方案2的造型、色彩、功能與結(jié)構(gòu)進行計算機輔助細節(jié)設(shè)計，如圖4所示，并制作1：1手板模型進行滿意度評分與驗證。

圖4 設(shè)計細節(jié)圖Fig.4 Simulated rehabilitation training

以手板模型為基礎(chǔ)，首先邀請8位康復(fù)器械設(shè)計專家與11位康復(fù)醫(yī)師對此訓(xùn)練儀打分評估，評分區(qū)間為0～50分，其中1～10分為很不好，11～20分為不好，21～30分為一般，31～40為好，41～50為很好。其次邀請16位福建省康復(fù)醫(yī)院的進入主動康復(fù)階段的偏癱患者對此方案進行滿意度評分與人機尺寸驗證，其身高、體重、性別各不相同，并讓其對此設(shè)備評分，細則同上。最后，取平均值作為評估參考，經(jīng)過計算得出評分結(jié)果為35.8，表明此方案具有可行性。

4 結(jié)語

上肢康復(fù)訓(xùn)練儀的設(shè)計研究，將 AHP法與TOPSIS法相結(jié)合，通過構(gòu)建合適的層次分析模型與設(shè)計要素的判斷矩陣，計算各設(shè)計要素的相對權(quán)重以明確設(shè)計重點，并根據(jù)設(shè)計程序與原則進行方案構(gòu)思和綜合評價，得出最佳方案，優(yōu)化了上肢康復(fù)訓(xùn)練儀的設(shè)計流程，提高了方案優(yōu)選的科學(xué)性與嚴謹性，可為同類醫(yī)療康復(fù)訓(xùn)練儀設(shè)計提供參考。由于受測人員數(shù)量及認知差異影響，評估結(jié)果有一定的偏差，后續(xù)研究將繼續(xù)完善，增強研究的客觀性。