CN108742955B - 基于特征向量法的假肢接受腔设计量化补偿方法 - Google Patents

基于特征向量法的假肢接受腔设计量化补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于特征向量法的假肢接受腔设计量化补偿方法，包括假肢接受腔设计的残肢组织影响因素；假肢专家权重设计中个人信息权重设计将专家从事假肢接受腔设计年数、技术等级等简化为可量化的指标，计算判断矩阵，获得其最大特征根所对应的特征向量作为估计的个人信息的权重向量；假肢专家的综合评估权重向量由个人信息权重向量与专家个人信息参数指标量化矩阵乘积所得；假肢接受腔软组织特征补偿指标权重由各个专家的接受腔量化补偿简化表与其权重乘积累加求和所得，接受腔量化补偿简表由接受腔设计影响因素量化补偿表按照简化标准简化所得；假肢接受腔组织特征补偿量化模型依据接受腔设计影响因素补偿简化标准中补偿指标所对应补偿量值所得。

Description

基于特征向量法的假肢接受腔设计量化补偿方法
技术领域
本发明涉及一种假肢接受腔设计方法，尤其是一种基于特征向量法的假肢接受腔设计量化补偿方法。
背景技术
假肢是用于弥补截肢患者的肢体缺损以代偿其失去功能，使其恢复部分能力，乃至回归社会最为关键的辅助器具。据第二次全国残疾人抽样调查显示，我国假肢需求人群高达近300万，而实际装配率不到30％。作为人体残肢与假肢直接接触的力学界面，接受腔是假肢中最重要的部件之一，不但需要支撑患者假肢的承重，而且传递残肢的运动信息到假肢。接受腔的设计与制作效果直接影响假肢的功能和患者的舒适度。由于每个截肢者的残肢组织特征、形状、肌力等条件各不相同，接受腔是假肢中最具个体性、最需特别定制的部件，必须进行个体性设计，其设计和制作质量对假肢的整体功能和舒适度起着非常重要的作用。
目前最常用的传统接受腔设计与制作方法是手工取型方法，通过残肢取形设计，假肢技师根据残肢组织特征补偿修改接受腔阳膜，最后注塑成型接受腔，假肢接受腔穿戴的舒适程度依赖于制作者的不同补偿量化经验、取形手法、注塑技巧等因素，具有较大的主观性，因而对康复医师和假肢技师的专业技术要求很高。为了克服传统接受腔制作的诸多弊端，提高接受腔设计与制作精度、速度、适配性和降低接受腔制作的技术复杂性与成型时间，计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造的(CAM)技术被相继应用于假肢接受腔数字化设计与制造。20世纪初国外研发了几款商业化的假肢接受腔CAD/CAM系统，由于CAD设计的假肢接受腔仅是基于受试者残肢形状和个人接受腔技师设计主观经验完成，临床适配效果并不十分理想。
国内外学者也对接受腔设计进行了一系列研究，美国Wright State大学何平教授将复合超声用于假肢接受腔辅助设计系统，基于复合超声图像获得截肢残端组织的三维模型，依据残端组织形状对假肢接受腔进行个体性的设计。美国MIT大学Media Lab的DavidMoinina Sengeh和Herr High教授提出了一种基于磁共振成像的可变阻抗接受腔的设计方法。该方法是将残肢组织特征转换为接受腔的可变阻抗，从而设计出可变阻抗的假肢接受腔，与传统假肢接受腔对比显著降低了接受腔与残肢组织界面的受力点的压力。Ranger，B.J等开发了一套新的残肢组织成像方案，该系统采用一种新的多模态成像方法，通过超声获得人体残肢的组织图像，研发一种成像采集中的运动补偿方案，补偿扫描过程中的肢体运动，通过与MRI成像结果对比研究，发现该系统能够为基于软组织特征和形状的假肢接受腔设计提供补偿设计依据。我国基于CAD/CAM技术的假肢接受腔系统研究相对较少，仅有几家单位联合开展了研究工作，还处于起步阶段。在21世纪初，西安交通大学联合国家康复研究中心和北京航空航天大学联合研发了一套基于残肢组织形状进行个体性设计与快速成型制造的假肢接受腔系统。该系统提供了基于超声复合成像方法，重建残肢外形，依据残肢外形和组织结构进行接受腔设计。后来有学者提出基于负重压力取型系统进行全面承重的小腿假肢接受腔的设计研究，负重压力取型方法有助于根据残肢软组织的特征对残肢容积进行科学合理的压缩，从而达到残肢全面负重的效果，结果显示该方法有效提高了全面负重小腿假肢接受腔的适配性。还有学者人采用专业假肢计算机辅助设计软件和制作系统进行远程制作大腿假肢，通过异地上传残肢尺寸数据，按照尺寸表对模型数据进行修改，最后通过异地加工配送给假肢进行适配。但是研究中受试者的接受腔设计只是根据受试者的尺寸，而没有细化考虑残肢软组织的特征。
虽然目前已经出现了一些应用于市场的CAD/CAM系统，但是现有系统主要基于残肢尺寸接受腔进行设计，针对不同的残肢组织的异常特征的个性化补偿方法不足。因此，针对残肢的组织特征的设计仍然依赖于接受腔技师的主观经验，如何将接受腔技师的主观设计经验转变为量化描述是一种较好的解决接受腔设计的方法。所以基于接受腔技师的设计经验，构建正确、合理的接受腔设计指标体系十分重要。
由于传统接受腔设计与制造方法耗时长，精度低，劳动强度大，且需要反复修正后才能保证患者穿戴舒适，因此，接受腔穿戴的舒适程度过于依赖制作者的主观经验、取形手法、注塑技巧等因素，具有较大的主观性，因而对康复医师和假肢技师的专业技术要求很高。目前基于CAD/CAM技术的假肢接受腔系统虽然改善了传统的耗时长、精度低和劳动强度大的缺点，但是主要基于残肢尺寸接受腔进行设计，针对不同残肢组织的异常特征的个性化补偿方法不足，缺乏优化现有假肢技师积累的丰富的接受腔设计经验和技术。
发明内容
本发明针对上述现有接受腔设计的不足，提出了一种基于特征向量法的假肢接受腔设计量化补偿方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于特征向量法的假肢接受腔设计量化补偿方法，包括假肢接受腔设计的残肢组织影响因素、假肢专家权重设计中个人信息权重设计、假肢专家的综合评估权重向量、假肢接受腔软组织特征及其补偿量化模型，所述假肢接受腔设计的残肢组织影响因素分别从局部特征、接受腔围长和接受腔长度三方面进行增量或减量补偿，使补偿后的接受腔与残肢直接受力合理；所述假肢专家权重设计中个人信息权重设计包括专家从事假肢接受腔设计年数、技术等级和职业方向，并将工作年数、技术等级和职业方向进行信息简化为可量化的指标，并采用基于特征向量法，构造判断矩阵，其中判断矩阵是基于假肢专家的从事年数、技术等级和职业方向的对比标度建立，通过计算判断矩阵，获得其最大特征根所对应的特征向量作为估计的个人信息的权重向量；所述假肢专家的综合评估权重向量由个人信息权重向量与专家个人信息参数指标量化矩阵乘积所得；所述假肢接受腔软组织特征补偿量化模型由基于权重向量和接受腔设计影响因素量化补偿简化表乘积，获得接受腔组织特征补偿指数，依据接受腔设计影响因素补偿简化标准中补偿指标所对应补偿量值所得
所述假肢接受腔软组织特征补偿量化模型基于权重向量和接受腔设计影响因素量化补偿简化表乘积，获得接受腔组织特征补偿指数，依据接受腔设计影响因素补偿简化标准中补偿指标所对应补偿量值所得，具体步骤为：首先对接受腔设计的残肢组织影响因素补偿结果进行简化，然后对专家经验信息与其权重乘积累加求和，获得各补偿指数在最终设计中所在的权重向量，选择权重最大的补偿指数，最后获得接受腔软组织特征补偿量化模型。
本发明的有益效果是：
本发明采用特征向量法对不同假肢技师的接受腔设计经验进行优化，其中特征向量法是层次分析法中一种比较成熟和稳定的权重向量计算算法，将决策有关的元素分解成目标、准则和方案等层次，在此基础上进行定性和定量分析的决策方法，具有系统灵活、简洁的优化。本发明针对不同的接受腔设计影响因素，给出基于残肢组织特征的不同假肢技师设计的量化补偿方法，分别根据假肢技师的从事职业的年数、技术等级、职业方向等定位不同的接受腔设计指标的权重向量，根据各个假肢技师的权重向量和接受腔设计方案，进而获得经过优化的接受腔设计模型。该方法既能够有效整合、优化不同接受腔技术的设计经验，又可以将量化的接受腔设计方案用于目前较为成熟的CAD设计系统。
本发明通过特征向量法优化假肢技师的接受腔设计方案，有望能够为假肢接受腔的设计和评估提供客观、量化方法和指标，能够极大地提高接受腔的设计精度和加工效率，对提高接受腔的设计精度和效率具有十分重要意义。
附图说明
图1为本发明的假肢接受腔残肢组织量化补偿设计流程图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的基于特征向量法的假肢接受腔设计量化补偿方法，包括假肢接受腔设计的残肢组织影响因素、假肢专家权重设计中个人信息权重设计、假肢专家的综合评估权重向量、假肢接受腔软组织特征及其补偿量化模型，所述假肢接受腔设计的残肢组织影响因素分别从局部特征、接受腔围长和接受腔长度三方面进行增量或减量补偿，使补偿后的接受腔与残肢直接受力合理；所述假肢专家权重设计中个人信息权重设计包括专家从事假肢接受腔设计年数、技术等级和职业方向，并将工作年数、技术等级和职业方向进行信息简化为可量化的指标，并采用基于特征向量法，构造判断矩阵，其中判断矩阵是基于假肢专家的从事年数、技术等级和职业方向的对比标度建立，通过计算判断矩阵，获得其最大特征根所对应的特征向量作为估计的个人信息的权重向量；所述假肢专家的综合评估权重向量由个人信息权重向量与专家个人信息参数指标量化矩阵乘积所得；所述假肢接受腔软组织特征补偿量化模型由基于权重向量和接受腔设计影响因素量化补偿简化表乘积，获得接受腔组织特征补偿指数，依据接受腔设计影响因素补偿简化标准中补偿指标所对应补偿量值所得。
1.接受腔设计组织特征影响因素
假肢接受腔设计中残肢组织特征补偿主要从三个方面确定了影响因素及其补偿方法：基于局部特征的补偿、接受腔围长加长或者缩小的补偿和接受腔长度的补偿因素，见表1所示。同时依据不同的残肢及其软组织特征，以残肢外形为基础进行适当的特征量化补偿。接受腔设计影响因素及其量化补偿征询量表是经由访谈3名具有超过10年接受腔设计经验的临床、教学专家而确定。
表1接受腔设计的影响因素及其补偿方法
Figure BDA0001600990710000051
“+”表示补偿为增加其值，“-”表示补偿为降低其值。
2.假肢专家个人特征信息
2.1假肢专家个人特征信息
本发明是通过量表的形式采集接受腔设计经验，受访专家个人信息参数主要包括：工作职业方向(临床工作和学校教育)、从事假肢接受腔设计年数和获得假肢设计的技术等级三个项目，见表2，并通过特征向量法建立假肢专家的个人信息参数对综合评价结果的权重。
表2专家经验信息表
Figure BDA0001600990710000061
注：技术等级：按照国家认定的矫形技师技术等级；职业方向：1-教学，2-临床
3专家信息参数对量化结果的权重设计
3.1接受腔设计专家特征信息判断矩阵
根据附录中介绍的特征向量法，根据指标对比标度表设计方法，先构造专家信息的权重比判断矩阵。表3为给出专家信息指标的判断矩阵的数值信息。
表3专家信息指标对比表
Figure BDA0001600990710000062
也即矩阵：
Figure BDA0001600990710000063
根据表3专家信息指标对比表得到判断矩阵，计算其特征根分别为λ1＝3.01，λ2＝-0.01+0.17i，λ3＝-0.01-0.17i。因最大特征根为λmax＝λ1＝3.01，所对应的特征向量作为估计的权重向量，归一化后得到A＝A＝(0.165，0.548，0.297)T，分别作为专家个人信息因素职业方向、从事年数、技术等级的对于评价目标的权重向量。
3.2信息参数对量化结果的权重设计
由于前两个项目涉及的定量等级数量过多，无法根据其做出合适的定量描述，因此分别对从事年数、技术等级和职业方向进行信息简化，得到表4所示。
表4专家个人信息简化量表
Figure BDA0001600990710000071
注：职业方向：1.教学；2.临床；从事年数：1：1～9；2：10～19；3：≥20；技术等级：1：4级；2：2～3级；3：4级。
由表4所示，专家个人信息简化参数指标量化矩阵如下：
Figure BDA0001600990710000072
因而专家的个人评价有效的评分为：
Figure BDA0001600990710000073
因此，10位专家的综合评估的有效性评分为(1.97 1.97 1.51 1.51 1.21 1.512.10 2.10 1.80 1.63)。
4.接受腔设计影响因素的量化补偿设计
根据假肢接受腔设计专家的给出咨询量表，以大腿假肢接受腔为例，得出大腿接受腔设计影响因素及量化补偿列表见下图表5所示。
依据表5所示，对接受腔设计影响因素的补偿量进行简化后如表6所示(其中若有达到半数专家不给予补偿的，取消该项的分析)。
首先对各个设计参数进行简化设计，每项依据参数值简化为1、2、3三个等级补偿指数，如下所示：
软组织厚度(薄，近段)：1-1～3；2-4～5；3大于5；
软组织厚度(中，近段)：1-1～3；2-4～5；3-6～8：
软组织厚度(厚，近段)：1-1～3；2-4～5；3-6～8；
软组织厚度(厚，远段)：1-0～1；2-2；3大于2；
坐骨承重：1-2～5；2-6～8；3大于8；
组织溃烂/敏感疾病：1-0～5；2-6～10；3-11～15；
骨骼突起：1-0～5；2-6～8；3-8～10；
组织瘢痕：1-0～5；2-6～8；3-8～10；
神经痛点：1-0～5；2-6～8；3-8～10；
残端供血不佳：1-0～5；2-6～10；3-11～20；
残端承重；1-0～5；2-6～10；3-11～20。
表5大腿接受腔设计影响因素量化补偿及专家信息表
Figure BDA0001600990710000081
注：技术等级：按照国家认定的矫形技师技术等级；职业方向：1-教学，2-临床
表5大腿接受腔设计影响因素量化补偿及专家信息表(续)
Figure BDA0001600990710000091
注：假肢专家的编号与上述表4中一致。
表6大腿假肢接受腔量化补偿简化表
表6中给出各个专家对各影响因素量化补偿设计的简化结果，各组织特征补偿量化的指数权重由各个专家的设计经验与其权重乘积累加求和所得，得到各设计补偿指数的权重如下表7所示。
表7专家设计补偿量化指标的权重表
Figure BDA0001600990710000093
由上表7可知，近端软组织的补偿指数最大的为等级1权重为14.56，以此类推，得到大腿假肢接受腔设计各组织特征补偿指标，依据补偿指标对应补偿向量，获得优化设计结果表8所示。
表8大腿假肢接受腔软组织特征及其补偿量化模型表
Figure BDA0001600990710000094

Claims (2)

1.一种基于特征向量法的假肢接受腔设计量化补偿方法，包括假肢接受腔设计的残肢组织影响因素、假肢专家个人信息参数的权重向量、假肢专家的综合评估权重向量、假肢接受腔软组织特征补偿指数及其补偿量化模型，其特征在于：所述假肢接受腔设计的残肢组织影响因素分别从局部特征、接受腔围长和接受腔长度三方面进行增量或减量补偿，使补偿后的接受腔与残肢直接受力合理；所述假肢专家个人信息参数包括专家从事假肢接受腔设计的工作年数、技术等级和职业方向，并将工作年数、技术等级和职业方向的个人信息简化为可量化的指标，采用基于特征向量法，构造判断矩阵，其中判断矩阵是基于假肢专家的工作年数、技术等级和职业方向的对比标度建立的，通过计算判断矩阵，获得其最大特征根所对应的特征向量作为估计的假肢专家个人信息参数的权重向量；所述的假肢专家的综合评估权重向量由假肢专家个人信息参数权重向量与假肢专家个人信息参数指标量化矩阵乘积所得；其中假肢专家个人信息参数指标量化矩阵由所有专家的工作年数、技术等级和职业方向参数简化建立起来的指标量化矩阵；所述假肢接受腔软组织特征补偿量化模型由假肢专家个人信息参数的权重向量和接受腔设计影响因素量化补偿简化表乘积，并依据假肢接受腔设计影响因素补偿简化标准中补偿指标所对应补偿量值所得，其中，接受腔设计影响因素量化补偿简化表由汇集所有假肢专家的假肢接受腔设计的残肢组织影响因素及补偿方法，并进一步对补偿方法进行分级量化简化所得；接受腔设计影响因素补偿简化标准为接受腔设计影响因素量化补偿简化表中为假肢接受腔设计的残肢组织影响因素及补偿方法的分级量化标准。
2.根据权利要求1所述的基于特征向量法的假肢接受腔设计量化补偿方法，其特征在于：所述假肢接受腔软组织特征补偿量化模型由假肢专家个人信息参数的权重向量和接受腔设计影响因素量化补偿简化表乘积，并由假肢接受腔设计影响因素补偿简化标准中补偿指标所对应补偿量值所得，具体步骤为：首先对接受腔设计的残肢组织影响因素补偿结果进行简化，然后将假肢专家个人信息参数的权重向量与接受腔设计影响因素量化补偿简化表中补偿指数分别乘积累加求和，获得各补偿指数在最终设计中所在的权重向量，选择权重最大的补偿指数，最后获得假肢接受腔软组织特征补偿量化模型。
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