基于AHP-模糊综合评判的上肢康复机器人康复评价方法

王建辉，张 程，纪 雯，顾德英

（1.东北大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳 110819；2.东北大学秦皇岛分校，河北秦皇岛 066004）

基于AHP-模糊综合评判的上肢康复机器人康复评价方法

王建辉1，张 程2，纪 雯1，顾德英2

（1.东北大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳 110819；2.东北大学秦皇岛分校，河北秦皇岛 066004）

以5-DOF穿戴式上肢康复机器人为平台，提出了一种基于AHP-模糊综合评判的康复评价方法，依据康复医学知识建立了AHP递阶康复评价模型，选取适当的AHP-模糊关系合成算子逐阶求取康复评价指标.通过实例验证了该评价方法具有一定的科学性及充分的可行性，为实现5-DOF上肢康复机器人的康复评价功能提出了一种新思路.

上肢康复机器人；AHP-模糊综合评判；康复评价方法；AHP递阶模型

康复评价是临床康复治疗过程中的一项重要内容，通过对患者进行各项信息的采集、分析并同标准值进行比较，以协助康复医师获知其康复水平.在康复医学领域，传统的临床康复评价方法，如Brunnstrom评价法、Fugl-Meyer评价法、徒手肌力评价法、改良的Ashworth痉挛评价量表［1］等，均存在测量粗糙、处理简单、结论单一等弊端，且在评价过程中易受到人为因素的影响，难以保证准确地反映患者的康复水平.此外，由于传统评价方法缺乏对各评价指标进行权重及序化等方面的区分［2］，因此在评价结果上不能充分表现康复水平的“循序渐进”，极易出现患者治疗前后评价分数动态表现不显著甚至几乎无差别的情况，导致在康复心理上无法给患者以积极的促进作用.与此同时，在机器人技术领域，康复机器人作为机器人发展的一个重要方向，近几十年来受到越来越多的关注.现阶段，大多数的康复机器人均为康复训练机器人，而缺乏对患者进行康复评价的功能，使得康复训练和康复评价无法紧密结合，不能充分发挥机器人在康复医学领域的优势［3-5］.本文提出一种适用于康复机器人的康复评价方法，采用AHP-模糊综合评判法进行康复评价指标模型的建立及康复评价指标的计算.

1 AHP-模糊综合评判

模糊综合评判法（FCM，fuzzy comprehensive evaluation method）是根据扎德所创立的模糊集合理论，应用模糊关系合成的原理，从多因素角度对被评判事物的隶属等级状况进行综合性评判的一种方法，既可以根据事物的变化区间划分出评价等级，又可以对事物属于各评价等级的程度给出结论.同时，模糊集合的隶属度理论将评价结果由定性转化为定量，显著地提高了评价的科学性和合理性［2］.层次分析法（AHP，analytic hierarchy process）是一种对权重矩阵赋权的方法，其基本原理是将目标问题分解为若干组成部分，将这些组成部分排列成一种树状递阶层次结构，逐层两两比较其重要性，综合判断以决定各部分的权重大小［6-7］.采用AHP对评判权重向量进行赋权，既有效地避免了客观赋权法的不确定性，缓解了主观赋权法的绝对主观性，同时亦便于从纵到横、从部分到总体地对整个目标问题进行全面评价.相对于常规多指标评价方法，AHP-模糊综合评判法对复杂系统的评价更加深入和客观，可以更加全面和准确地反映目标问题的实际水平.

2 康复评价指标的分析

通过对临床康复治疗的研究，医学认为，一般脑卒中患者在上肢康复过程中均会出现肌张力异常、运动模式异常、反射异常、联合反应等症状［8］.针对患者运动功能障碍表现的特点，可以得出上肢康复机器人康复评价指标关系如图1所示，并从关节活动度评价、肌力评价、肌张力评价、运动控制功能评价、反射活动评价、表面肌肉电信号评价等多个方面对患者进行上肢康复评价.

（1）关节活动度评价.关节活动范围（ROM，rang of motion）是指关节运动时所通过的最大运动弧度，即一个关节从起始端至终末端的正常运动范围.关节活动度评价是评价肌肉、骨骼、神经病损患者的基本步骤，是评价关节运动功能损害的范围与程度的指标之一［9］.

图1 上肢康复机器人康复评价指标关系图Fig.1 The rehabilitation evaluation index relationship diagram of upper limb rehabilitation robot

（2）肌力评价.评价患者在主动运动时肌肉或肌群收缩所产生的最大力量，借以评价肌肉的功能状态及障碍的程度，是制定康复治疗方案、评价康复疗效、判断预后的依据，常用于肌肉、骨骼、神经系统病损的评价，尤其对周围神经系统病损的功能评价十分重要［9-10］.

（3）肌张力评价.肌张力指肌肉在静息状态下的一种不随意的、持续的、细小的收缩，是被动活动肢体或按压肌肉时所感觉到的阻力，肌张力增高、低下或肌张力障碍是中枢神经或周围神经系统损伤的重要特征［9-10］.肌张力评价是判定神经系统功能状况的重要依据.

（4）运动控制功能评价.运动控制障碍是神经系统损伤或肌肉骨骼系统损伤引起的姿势控制与运动功能障碍，临床常用的评价方法有Brunnstrom评价法、Fugl-Meyer评价法、上田敏评价法等［9］.通过运动控制功能评价，可以比较综合地得到患者在运动姿态及运动完成方面的恢复水平.

（5）反射活动评价.反射变化在脑卒中康复过程中不同阶段的表现不同.康复早期，反射活动消失；康复中期，深反射由消失转为亢进，病理反射阳性，原始反射即张力性反射模式出现，较高级水平的各种平衡反应常受到损害或消失［10］.反射活动评价是判断患者康复水平及康复阶段的依据之一.

（6）表面肌肉电信号评价.表面肌电图是在肌肉表面通过电极引导，记录下来的神经、肌肉系统活动时的肌肉电信号［11］.通过分析患者的肌电信号，可以得出其肢体运动时肌电信号的活动反馈序列，同正常肌电信号活动反馈序列相对比，作为对患者的运动功能的辅助评价因素.

3 康复评价模型的建立

结合上述康复评价指标及AHP原理，构建AHP递阶康复评价模型，模型由底至上分为数据获取层（DAL，data access layer）、数据层（DL，data layer）、中间层（IL，intermediate layer）和目标层（TL，target layer），各层模型同数据的对应关系如图2所示.

图2 AHP递阶康复评价模型Fig.2 The AHP hierarchical rehabilitation evaluation model

在AHP递阶康复评价模型的基础之上，确定各层康复评价指标及评价数据，分为以下3个步骤.

（1）建立康复评价指标体系.通过对上肢康复医学知识的总结，按照AHP递阶模型的理论对上肢康复评价指标进行逐层分解及树形排序，确定康复评价指标体系U＝｛u1，u2，u3，u4｝，其中，U为上肢康复综合评价（UCE，upper-limb comprehensire evaluation），u1为关节活动度评价（JAE，joint activity evaluation），u2为肌力评价（MSE，muscle strength evaluation），u3为肌张力评价（MTE，muscle tension evaluation），u4为运动控制功能评价（MCFE，motion control function evaluation）；

JAE＝｛肩关节活动度（SJA，shoulder joint activity），肘关节活动度（EJA，elbow joint activity），前臂活动度（FA，forearm activity），腕关节活动度（WJA，wrist joint activity）｝；

MSE＝｛肩胛骨肌力（SMS），肩关节肌力（SIMS），肘关节肌力（EJMS），前臂肌力（FMS），腕关节肌力（WJMS）｝；

MTE＝｛肩关节肌张力（SJMT），肘关节肌张力（EJMT），前臂肌张力（FMT），腕关节肌张力（WJMT）｝；

MCFE＝｛反射活动（RA），表面肌肉电信号（SE），屈肌协同运动（FSM），伸肌协同运动（ESM），部分分离运动（PSM），完全分离运动（CSM）｝.

各层康复评价指标的输入输出关系详见图3.

图3 上肢康复评价体系及AHP递阶模型关系框图Fig.3 The upper-limb rehabilitation evaluation system and AHP hierarchical model relationship diagram

（2）确定康复评价评语体系.根据康复评价指标体系，设定康复评价七级评语论域V＝｛v1，v2，v3，v4，v5，v6，v7｝，其中，v1＝极好，v2＝很好，v3＝比较好，v4＝一般，v5＝比较差，v6＝很差，v7＝极差；同时确定100，83.3，66.7，50，33.3，16.7，0七级康复评价分数对应七级评语，即等级分数向量C＝｛100，83.3，66.7，50，33.3，16.7，0｝.

（3）确定康复评价指标权重矩阵.采用分级比例标度法，根据康复医学领域专家确定的权重比较矩阵，在充分综合数位专家观点的基础之上，建立权重集合W，即确定U中各评价指标ui与其上一层康复评价指标间的隶属关系wi.

其中，n为隶属关系wi的总数，与U中ui的总数相同，wi与ui一一对应.

4 康复评价指标运算及分析

以评价腕关节活动度为例，将评价对象患侧上肢套入5-DOF穿戴式上肢康复机器人手臂中，对其作腕关节背屈、掌屈、桡偏、尺偏等动作测试.通过关节角度传感器进行数据采集，得到符合七级康复评价评语的次数数据分布，如表1所示.

表1 腕关节测试结果数据分布Table 1 The data distribution of wrist joint test result

（1）对采集数据进行预处理，将达标率转化为隶属度，构成单因素评价矩阵R：

（2）确定腕关节4个评价指标的权重矩阵，在充分综合数位专家观点的基础之上，统计得出两两对比的权重矩阵A：

对矩阵A进行正规化及归一化处理，得归一矩阵W：

经一致性检验，表明归一矩阵W中的wi可以作为相应的权重集合，则权重集合W′＝WT＝｛0.051，0.585，0.245，0.122｝，即掌屈权重为0.051，背屈权重为0.585，桡偏权重为0.245，尺偏权重为0.122.

（3）选择乘与有界和M（·，⊕）作为AHP-模糊关系合成算子，按照康复评价模型的递阶关系，将下层评价指标值作为上层评价的依据，进行各评价指标的逐层合成运算，即将W与R合成得单因素评价向量B，评价结果数据如图4所示.

图4说明，被评价者的腕关节活动度在极好、很好、比较好、一般、比较差、很差、极差程度上的隶属度分别为0.020 9，0.032 1，0.121 2，0.188 7，0.289 4，0.215 0，0.135 6，被评价者在比较差等级的隶属度最高，在极好和很好等级的隶属度偏低.

（4）根据康复评价的需要，对单因素评价矩阵B作进一步的分析处理，选用向量单值化法计算单因素评价分数Q和单因素综合评价分数Q′，其中，Q＝R◦CT，Q′＝B◦CT.计算得单因素评价分数Q如图5所示.

图5 腕关节活动度单因素评价分数Fig.5 The single factor evaluation score of wrist activity

图5说明被评价者的桡偏和尺偏活动度的康复水平相近，背屈活动度的康复水平最低，整体康复水平偏低.根据公式，计算得单因素综合评价分数Q′的分值为35.51，说明被评价者腕关节活动度的恢复水平偏低.

综合单因素评价向量B、单因素评价分数Q和单因素综合评价分数Q′三项评价指标，使康复评价具有综合性、科学性、客观性，从而可以更加全面地反映患者的康复水平，辅助康复医师更加准确地估计患者的康复效果.

5 结 语

在机器人技术飞速发展的今天，将机器人技术同康复医学知识结合，建立具有康复评价功能的康复机器人系统已经成为机器人发展的一个重要方向，采用康复机器人对患者进行康复评价，可以极大地提高康复评价数据采集及处理的精度和效度.本文提出了一种基于AHP-模糊综合评判的康复评价方法，通过实例证明该方法具有充分的可实现性，特别在针对长期康复评价中的超大量数据处理能力方面，相对于传统的临床康复评价方法具有明显的优势，为实现5-DOF穿戴式上肢康复机器人的康复评价功能提供了一种相对有效的康复评价方法.

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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

辽宁省工业攻关计划资助项目（2010220014）；沈阳市科技计划资助项目（F10-205-1-57）.

王建辉（1957-），女，辽宁鞍山人，东北大学教授，博士生导师.

李 艳】