吳斌,陶慶,楊濤,趙子瑞,王迪,方婧瑤

(新疆大學機械工程學院,烏魯木齊 830017)

上肢偏癱是中風引起的最常見的運動障礙,60%以上的患者運動功能受限,影響了他們的生活質(zhì)量[1]。在臨床上,患者在用藥物治療的同時,常常結(jié)合運動訓練進行康復(fù)治療。為了評估患者的康復(fù)效果,傳統(tǒng)的臨床評估方法,如Fugl-Meyer評價法、Bobath評價法和上田敏評價法等,評定方法雖然有用,但是主要以康復(fù)治療師的主觀經(jīng)驗進行評定,難以察覺到非常小的變化。因此,使用客觀測量手段進行康復(fù)評價變得極為重要。

近年來,利用客觀手段對患者康復(fù)效果進行定量化評估已成為國內(nèi)外研究的一大熱點。Koeppel等[2]研究分析了機器人測量的典型運動變量在健康受試者和腦卒中患者中評估的可靠性。通過使用類內(nèi)相關(guān)系數(shù)、標準測量誤差和最小檢測差值對運動時間、平均速度、最大速度、平滑誤差、速度峰值等9個運動學變量進行評價,運動學變量都表現(xiàn)出良好的可靠性,標準測量誤差處在可接受的范圍之內(nèi)。Pila等[3]通過研究患者的訓練方式發(fā)現(xiàn):結(jié)合機器人輔助肩肘訓練的評估方式比常規(guī)職業(yè)的評估方式具有更強的敏感性,對于患者的康復(fù)具有積極的作用,并且,所測量的運動學參數(shù)與患者病情的恢復(fù)程度具有較高的相關(guān)性。Liu等[4]設(shè)計了一種基于上肢基本運動模式的點對點伸展和畫圓運動的擬人化康復(fù)機器人。從運動范圍、運動精度、輸出力特性等7個方面分析患者運動特性。此外,還提出了一種基于多元擬合方法的定量評價方法,該評價方法具有定量化和及時性的特點。李娜等[5]基于團隊研發(fā)的康復(fù)機器人進行研究。為了能在臨床研究中更具有優(yōu)勢,建立了一種上肢運動功能評價系統(tǒng)。受試者在不同方向進行畫圓和直線運動獲得實驗數(shù)據(jù),通過分析實驗者的平均速度、偏移量、運動時間等7種相關(guān)評估指標,證實了評估指標對于運動功能量化的有效性。

綜上所述,國內(nèi)外研究學者對上肢康復(fù)訓練評估已經(jīng)有較深入的研究,但大多都側(cè)重于對患者的運動學指標單一分析,由于人體上肢運動系統(tǒng)的復(fù)雜性和多樣性,在評估患者的康復(fù)效果時除了對運動學指標進行分析,還要考慮到肌肉特性、力學特性等方面的指標。同時對運動學和生物學指標進行分析,而且為了能夠全面地評價患者的運動質(zhì)量,提出了層次分析法與熵值法的綜合評價方法。通過調(diào)研當?shù)蒯t(yī)院,設(shè)計合理的實驗方案。采用動作捕捉系統(tǒng)Vicon采集運動學數(shù)據(jù),運用肌骨建模軟件AnyBody進行運動模擬獲得生物學數(shù)據(jù)。通過分析受試者進行康復(fù)運動時的難度指標、執(zhí)行度指標、運動平穩(wěn)性、時間指標以及生物學指標之間的規(guī)律,建立綜合評價模型,定量的評估患者的康復(fù)狀況。提出的評估方法將評估過程與康復(fù)訓練過程相結(jié)合,為腦卒中患者的康復(fù)治療提供依據(jù)。

1 人體動作捕捉實驗

1.1 實驗對象和實驗設(shè)計

選取6名在校健康大學生和2名腦卒中患者進行實驗,健康受試者上肢無損傷,沒有其他上肢疾病,腦卒中患者癥狀較輕。實驗開始前,簽訂知情同意書,測量每個受試者的身高和體重,受試者的身高體重特征如表1所示。其中,5名健康受試者A～E用于評價模型的研究,1名健康受試者F和2名腦卒中患者G、H用于驗證評價模型的正確性和合理性。

表1 主要人體尺寸

通過調(diào)研當?shù)蒯t(yī)院,選用腦卒中患者的三項康復(fù)訓練任務(wù)進行研究。在第一項任務(wù)中,受試者坐在椅子上,按照要求利用上肢康復(fù)治療儀完成相應(yīng)康復(fù)動作;在第二項任務(wù)中,受試者手持不同重量的啞鈴進行手臂主動訓練;在第三項任務(wù)中,在距離人體水平位置40 cm處懸掛小球,受試者呈站立姿勢,上身保持直立,右手快速精準的抓取正前方懸掛的小球,通過改變小球的懸掛高度,對手臂伸展運動進行分析。每項任務(wù)重復(fù)10次,為避免疲勞,三項任務(wù)之間休息時間至少30 min以上。

1.2 數(shù)據(jù)采集

本次實驗在西安交通大學重點實驗室完成,使用英國的光學動作捕捉系統(tǒng)Vicon進行運動數(shù)據(jù)采集。為了避免數(shù)據(jù)采集時外界光線的干擾,窗戶用遮光布進行遮擋。將12臺高速紅外攝像機以不同的角度分布在受試者的周圍,使得所采集的數(shù)據(jù)更加精確。實驗開始前,共設(shè)計了39個標記點,根據(jù)貼點要求將標記點粘貼到皮膚上,并對各點位置名稱進行解釋。數(shù)據(jù)記錄軟件采用的是1.4.116版Vicon Nexus,能夠?qū)崟r記錄實驗數(shù)據(jù)和查看關(guān)節(jié)一些運動學數(shù)據(jù),如運動位移、速度以及加速度等數(shù)據(jù)。檢查各標記點運動軌跡無誤后,將運動學數(shù)據(jù)保存為所需的C3D格式。實驗場景如圖1所示。

圖1 實驗場景圖

1.3 數(shù)據(jù)處理

為了獲取更全面的評價指標,首先利用MATLAB對原始數(shù)據(jù)進行相關(guān)運動學參數(shù)的計算,其次利用AnyBody仿真軟件對三種任務(wù)進行運動模擬,在第一項訓練任務(wù)中,采用AnyBody人-機耦合的方式進行仿真模擬,選取受試者在實驗中獲取的上肢關(guān)節(jié)角度作為驅(qū)動信息,完成人-機耦合模型運動模擬;在第二、三項任務(wù)中,將Vicon采集的原始數(shù)據(jù)以C3D的格式導(dǎo)入AnyBody,然后進行參數(shù)優(yōu)化運算,使C3D文件的點與模型中的點擬合,驅(qū)動人體模型進行模擬運動。如圖2所示為三種任務(wù)所建的不同模型,模型仿真結(jié)果可以輸出肌肉和關(guān)節(jié)相關(guān)的參數(shù),如肌肉激活度、肌肉長度、關(guān)節(jié)力、關(guān)節(jié)力矩等參數(shù),可以更詳細地了解人體內(nèi)部參數(shù)的變化情況。

圖2 3種任務(wù)運動模型

2 上肢運動質(zhì)量評價方法

2.1 運動學指標

通過MATLAB處理原始數(shù)據(jù)獲得運動學指標。

2.1.1 難度指標和執(zhí)行度指標

在一次康復(fù)運動周期中,評估受試者的運動難度和執(zhí)行能力至關(guān)重要。楊年峰等[6]在二維極坐標下定義了難度指標和執(zhí)行度指標,如圖3所示。難度指標主要描述訓練任務(wù)的難易程度,執(zhí)行度指標主要描述受試者執(zhí)行能力的高低。

ρA、θA為上肢從起始位置到目標物體的運動幅度和角度;ρw、θw為上肢接觸目標物體時的運動幅度和角度的變化范圍

(1)

(2)

(3)

(4)

2.1.2 平順性指標

平均速度和最大速度主要描述受試者一段時間內(nèi)的運動情況,是運動質(zhì)量評價中常用的指標[7]。通過運動學數(shù)據(jù)計算瞬時速度,公式為

(5)

式(5)中:Δt為時間間隔;P(t)為坐標點。在一個運動周期中,平均速度定義為各時刻速度的平均值,最大速度定義為各時刻速度的最大值,計算平均速度和最大速度描述平均和最大移動能力,公式為

(6)

vmax=max(vi)

(7)

(8)

平順性指標數(shù)值越大,表明受試者運動過程越穩(wěn)定,控制能力也越好。

2.1.3 時間指標

描述完成一項任務(wù)所用的時間T。

2.2 生物學指標

通過AnyBody仿真軟件獲得生理學相關(guān)參數(shù),進一步計算獲得關(guān)節(jié)力與肌肉收縮指標。

2.2.1 關(guān)節(jié)力指標

通過研究最大關(guān)節(jié)力指標,可以定性的分析整個周期內(nèi)關(guān)節(jié)發(fā)力的情況,精確評估患者發(fā)力的薄弱環(huán)節(jié),為進一步治療提供依據(jù)[8]。由于康復(fù)訓練過程主要是在肩關(guān)節(jié)與肘關(guān)節(jié)的協(xié)同下進行的,故本文選取最大肩關(guān)節(jié)力(maximum shoulder joint force,MSF)和最大肘關(guān)節(jié)力(maximum elbow joint force,MEF)作為評價指標。

2.2.2 肌肉收縮指標

根據(jù)文獻[4,9]計算肌肉收縮系數(shù)(co-contraction coefficient,CC)來評價運動協(xié)調(diào)性。表達式為

(9)

MAagoni和MAantag分別為主動肌和拮抗肌的肌肉激活度(muscle activation,MA)。t1和t2為一項任務(wù)中主動肌和拮抗肌肌肉激活度重疊的開始和結(jié)束時間;t為完成一項任務(wù)所用的時間。肩關(guān)節(jié)前屈/后伸運動的主要主動肌和拮抗肌分別為斜方肌和背闊肌。為了評估運動過程肌肉的協(xié)同收縮情況,將整個運動過程中肌肉收縮系數(shù)的平均值作為評價指標。

3 指標的計算與分析

本節(jié)僅對第三項任務(wù)精準抓球進行研究分析。根據(jù)運動質(zhì)量評定指標,從不同的角度研究分析受試者運動,如表2所示,四名受試者精準抓球時的各評價指標。圖4所示為四名受試者執(zhí)行度指標的柱狀圖。從表2及圖4中可以看出受試者D的運動時間最短,執(zhí)行度指標最高,同時肌肉協(xié)調(diào)性也最好。因此,在四名受試者中,B的執(zhí)行能力最差,D的執(zhí)行能力最好。在運動中,肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)是影響執(zhí)行度指標的主要關(guān)節(jié),執(zhí)行能力的高低能夠反映關(guān)節(jié)運動是否存在異常,可以為治療師康復(fù)計劃的制定提供依據(jù)。對于平順性而言,C的平順性最好,表明受試者C對于運動穩(wěn)定性的控制最好,對于一些精準運動,會表現(xiàn)出較強的運動能力。

圖4 不同受試者的執(zhí)行度指標

表2 不同受試者的評價指標

同一受試者在不同高度下進行抓球任務(wù)的各評價指標如表3所示,圖5為執(zhí)行度指標柱狀圖。隨著高度逐漸降低,受試者的執(zhí)行能力和運動時間并不是簡單的增加或降低,而是在中間位置處執(zhí)行度指標(4.926 9±0.271 3)最大,執(zhí)行能力最高,且運動時間最短。這表明人體的生理因素也會影響運動的執(zhí)行能力。由于肢體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,每個人肢體關(guān)節(jié)存在最佳的活動范圍。在這個范圍內(nèi),人體運動最為熟練,范圍之外,肢體運動靈活性降低,執(zhí)行能力下降。對于抓球任務(wù),小球位置的高低對于受試者來說同樣存在最合理的范圍。在此范圍內(nèi),運動最為靈活,執(zhí)行能力較強。同樣詢問受試者在實驗中的感受時也會發(fā)現(xiàn),此種情況與受試者的感受是一致的。當小球位置過高或者過低時,受試者在運動過程體驗較差,感到不適。因此當目標在中間位置時,執(zhí)行能力要高于低位和高位。

圖5 不同高度的執(zhí)行度指標

表3 同一受試者不同高度的評價指標

隨著受試者多次進行抓球任務(wù),執(zhí)行能力將發(fā)生改變。將受試者前三次訓練定義為“不熟練”,第四到六次定義為“較熟練”,第八到十次定義為“很熟練”。如表4所示,為同一受試者在不同熟練程度下各指標的變化情況。圖6為同一受試者不同熟練程度下執(zhí)行度指標的柱狀圖。隨著熟練程度的增加,受試者運動時間不斷減小,執(zhí)行度指標相應(yīng)增加,在“很熟練”階段執(zhí)行度指標(5.550 3±0.069 2)最大,執(zhí)行能力最高。而且對于平順性指標和肌肉收縮指標而言,兩項指標均隨熟練程度的增加而提高,表明受試者對運動的控制能力不斷增強,肌肉的協(xié)調(diào)能力不斷提高。這表明受試者對于運動任務(wù)的熟練程度也會影響運動的質(zhì)量,運動越熟練,人體對于運動任務(wù)的掌控能力越高,肢體也會越來越“習慣”該運動。

圖6 不同熟練程度的執(zhí)行度指標

表4 同一受試者,不同熟練程度的評價指標

人體上肢是一個較為復(fù)雜的系統(tǒng),每項運動任務(wù)是由中樞神經(jīng)系統(tǒng)控制肌肉模塊實現(xiàn)的,雖然運動障礙受損模塊會得到其他模塊的補償,但在運動任務(wù)的執(zhí)行上或多或少會表現(xiàn)出運動的異常,故所提出的各項評價指標可以反映肢體的運動質(zhì)量,但各項指標均單一存在,將其作為全面評價患者運動質(zhì)量的手段上還有所欠缺。因此,提出了一種將主觀評價方法層次分析法和客觀評價方法熵值法相結(jié)合的綜合評價方法,定量刻畫肢體的運動情況。

4 綜合評價模型的構(gòu)建

4.1 指標主觀賦權(quán)分析

層次分析法[10-11]是一種將定性與定量分析相結(jié)合的評價方法。其基本原理是將一個多參數(shù)復(fù)雜問題轉(zhuǎn)化為若干簡單問題,將各個簡單問題按樹狀結(jié)構(gòu)進行排列,相互比較各個問題的重要程度,結(jié)合其他信息對目標問題進行賦值。相對于其他評價方法,有效地避免了主觀評價法的絕對性以及客觀評價法的不確定性。計算步驟如下。

(1)評價體系的建立。通過對評價指標的分析,建立評價體系,如圖7所示。

圖7 評價體系

(2)構(gòu)造判斷矩陣A為

A=(aij)n×n

(10)

判斷矩陣賦值采用1～9比例標度法進行賦值。

(3)權(quán)重向量計算。采用特征向量法,利用判斷矩陣A求解特征向量,然后進行歸一化處理,便可得到權(quán)重向量W。

(4)一致性檢驗。通過一致性檢驗判斷權(quán)重向量是否合理。利用矩陣A的最大特征值λmax與影響因素個數(shù)計算一致性指標CI為

(11)

和平均隨機一致性指標RI由表5可得,則一致性比例CR為

表5 平均隨機一致性指標

(12)

一般認為CR<0.1時,權(quán)重向量合理,否則需要作出調(diào)整。

4.2 指標客觀賦權(quán)分析

熵值法是一種可以有效反映數(shù)據(jù)信息的評估方法。評價指標的熵值代表一組數(shù)據(jù)的有序程度,熵值越小,獲取的有效信息越多,相對應(yīng)的權(quán)重就越大。由于熵值是通過數(shù)據(jù)進行獲取,相對于傳統(tǒng)的主觀評測方法具有較高的客觀性,可以科學的作出評價。計算步驟如下。

(1)計算j項指標在i樣本中的比重,即

(13)

(2)計算第j項指標的熵值,即

(14)

(3)計算j項指標權(quán)重,即

(15)

4.3 主客觀綜合評價模型

4.3.1 評價指標的歸一化處理

由于綜合評價模型是由多種評價參數(shù)聯(lián)合建立,為了降低評價參數(shù)量綱不同的情況所帶來的影響,對評價參數(shù)進行歸一化處理,使各評價參數(shù)量綱變?yōu)?～1,其公式為

(16)

式(16)中:x為原始指標;maxx與minx為原始指標的最大值與最小值。

4.3.2 綜合評價模型的計算

根據(jù)層次分析法的計算步驟,通過建立評價體系,邀請有關(guān)專家分別針對上肢康復(fù)訓練過程肩、肘關(guān)節(jié)有關(guān)指標在康復(fù)效果方面的影響填寫判斷矩陣,然后通過計算得到權(quán)重向量W,如表6所示。

表6 主觀指標權(quán)重

通過對客觀評價模型熵值法原理的分析,根據(jù)熵值法的計算步驟,計算客觀評價指標權(quán)重向量η,如表7所示。

表7 客觀指標權(quán)重

基于層次分析法對權(quán)重進行計算,主要應(yīng)用了評議專家對指標重要程度的判斷;熵值法計算權(quán)重,是基于數(shù)據(jù)獲得有效信息,進而計算權(quán)重?？紤]到評議專家的經(jīng)驗判斷,以及熵值法的客觀性,取層次分析法與熵值法權(quán)重的平均值作為評估指標的最終權(quán)重θ。如表8所示為綜合權(quán)重。

表8 綜合指標權(quán)重

最終獲得上肢康復(fù)訓練評價模型為

Score=0.117C1+0.262C2+0.307C3+0.121C4+0.191 5C5

(17)

式(17)中:C1為難度指標;C2為執(zhí)行度指標;C3為平順性指標;C4為關(guān)節(jié)力指標;C5為肌肉收縮指標。

4.4 模型驗證

層次分析法與熵值法的綜合評價模型需要經(jīng)過驗證方可證明其有效性。如圖8所示,計算得到1名健康受試者和2名腦卒中患者的平均評分(Score)數(shù)據(jù)被繪制為主觀訓練效果的函數(shù)。隨著熟練程度的增加,3名受試者的Score增加,但健康受試者在3種狀態(tài)下Score增加較快,腦卒中患者Score增加較慢,從較熟練到很熟練階段增加速度小于從不熟練到較熟練階段,這是由于腦卒中所引起的運動障礙限制了運動質(zhì)量,后期運動Score增加減緩,還需要進行大量的康復(fù)訓練才能提高肢體的運動質(zhì)量。而且該模型能察覺到患者細微的運動質(zhì)量變化,說明該模型是有效的,能夠清楚地量化訓練效果。

圖8 主觀感受和Score評分關(guān)系

通過輸入評價模型各指標參數(shù),就能及時地獲取患者的綜合得分,判斷患者的綜合康復(fù)情況,解決了單一指標評價不全面,治療師主觀評價不夠精確的問題。該研究為患者康復(fù)的定量化評價提供了可能性,但依然還需進一步研究其可靠性。

5 結(jié)論

利用客觀手段評價肢體的運動質(zhì)量對于腦卒中患者的康復(fù)極為重要。對運動學與生物學指標進行了計算和分析,建立了層次分析法和熵值法的綜合評價模型,能夠?qū)δX卒中患者進行全面的康復(fù)評價,得出如下主要結(jié)論。

(1)不同受試者的運動執(zhí)行能力有顯著差異,對于高度不同的抓球運動,執(zhí)行能力在中等高度位置處最優(yōu),表明受試者的執(zhí)行能力不但與運動的難易程度有關(guān),還與受試者的生理結(jié)構(gòu)有關(guān)。

(2)隨著熟練程度的提高,受試者的執(zhí)行能力也顯著提高,同時,肌肉的協(xié)同收縮能力也不斷增強。

(3)提出的層次分析法與熵值法的綜合評價模型應(yīng)用于腦卒中患者和健康受試者,通過計算綜合評分驗證了評價模型的有效性。該模型能較好的量化評估指標,可以為康復(fù)治療師提供科學的結(jié)果,靈活動態(tài)的為患者調(diào)整后續(xù)康復(fù)安排。