【正文】 XX 學(xué)報 i 老年人跌倒檢測技術(shù)研究 Research on Fall Detection Technology for the Elderly 摘 要 跌倒重威脅著老年人的健康和生命，提供自由、實時的安全監(jiān)護(hù)對老年人的生活質(zhì)量和生命保證有重大的應(yīng)用價值和研究意義，本文正是針對老年人對跌倒 自動 呼救的需求， 圍繞面向老人的 便攜式跌倒監(jiān)護(hù) 系統(tǒng)展開應(yīng)用研究， 基于跌倒的運(yùn)動學(xué)原理，設(shè)計了跌倒檢測算法。該跌倒檢測算法通過對人體加速度和姿態(tài)的監(jiān)測，構(gòu)建了基于不同跌倒階段的閾值判斷的跌倒檢測邏輯。經(jīng)過系統(tǒng)實驗驗證，該跌倒檢測算法對常見的跌倒情況的檢測準(zhǔn)確率在 95%以上，能夠 滿足老年人跌倒 的危險情況檢測需求。 關(guān)鍵詞： 老年人 ， 穿戴式，跌倒檢測 ，慣性 傳感器XX 學(xué)報 1 1 緒論 研究 背景 20 世紀(jì) 后 ，全世界正以無法想象的速度步入全球老齡化 時代 [1]。我國也于 20 世紀(jì)末 進(jìn)入老齡化社會 ，預(yù)計到 2050 年將 進(jìn)入深度老齡化階段 ，成為老齡化程度最嚴(yán)重的國家 [2]，這也將從多方面給我國社會帶來巨大的壓力和挑戰(zhàn)。 在這種情況下 ， 老年人 的生活照料 、出行 等需求日益凸顯 ， 其中 體現(xiàn)在 安全保健問題尤為突出，主要體現(xiàn)在兩點：第一，老年人身體機(jī)能退化， 他們 極易意外或因?。ㄓ绕涫切哪X血管疾?。┑?。 據(jù)國外統(tǒng)計，約有 1/3 的 65 歲老人每年至少跌倒一次 [3]，跌倒在老年人死亡原因中的比例高達(dá) 25% [4]，跌倒非常容易造成老人骨折、內(nèi)臟震 蕩 ；如果跌倒后得不到及時救助，會進(jìn)一步提高致死率和致殘率。跌倒不僅給老年 人造成生理上的 傷害，還會帶來心理上的陰影 。此外，當(dāng)前社會老年人跌倒后無人敢攙扶、無人敢救，漸漸成為一種普遍的社會現(xiàn)象，在這種情況下，跌倒對老年人更是致命的。 如何在信任危機(jī)日益嚴(yán)重的 社會 維護(hù)老年人的生命健康權(quán)利，成為日漸重要的議題。因此 針對老年人對 安全保證 的迫切需求， 利用電子信息技術(shù) 解決 此 問題 有著極大的社會價值 。 研究現(xiàn)狀 目前，跌倒檢測算法研究的著眼點包括三點： 第一是 重點分析臨界階段或沖擊，第二是重點分析跌倒后階段，最后是兩者同時分析。 1) 跌倒的臨界階段的研究 Wu 等人 (University of Vermont, USA)通過視頻分析人體在跌倒時特定點的運(yùn)動發(fā)現(xiàn)，這些點在跌倒臨界階段的速度為其他有意識行為的 3 倍 [5]。 Charif 等人 嘗試通過計算機(jī)視覺系統(tǒng)追蹤頭部的運(yùn)動，并通過粒子濾波和固定水平和速度閾值方法檢測跌倒 [6]。 Noury 等人 (University of Grenoblein France)設(shè)計了一種佩帶在腋下的自主檢測裝置，包括加速度計、一個傾角計和一個振動傳感器。檢測算法特征為速度閾值、從直立到水第一章 緒論 2 平的體位和跌倒后的靜息狀態(tài) [7]。 Mathie 等人 使用 位于胸部的三軸加速度傳感器， Hwang 等人使用陀螺儀， Bourke和 Lyons 等人 使用雙軸陀螺構(gòu)建 閾值算法 ，在臨界階段檢測跌倒 [810]。 Tamura 等人 提出在跌倒早期檢測成功后，可以釋放安全氣囊保護(hù)跌倒者 ，但是該系統(tǒng)只能保護(hù)向后 跌倒 的情況 [11]。 2) 跌倒的沖擊的研究 Williams 等人在 1998 年首次描述了佩戴在腰部的跌倒檢測裝置，主要原理為通過壓電傳感器檢測沖擊，然后激發(fā)水銀傾角計檢測體位 [12]。 Doughty et 方法并由 Tunstall (Whitley lodge, Yorkshire, England)公司推向市場 [13]。 Lindemann 等人 將三軸加速度傳感器放入助聽器中，通過 3 個閾值檢測跌倒過程中的沖擊： xy 平面內(nèi)的 總加速度 為 2g；豎直方向的最大速度為 ；所有方向的 總加速度 為 6g[14]。 3) 跌倒后階段的研究 在跌倒后階段，人體一般處于平行于地面且靜息狀態(tài)。因此可以通過傾角計測量人體姿態(tài)或通過位于鞋底的壓力傳感器檢測跌倒。但是跌倒后階段的狀態(tài)和被測者平時臥床休息的狀態(tài)容易混淆，因此以上的檢測方法一般需要和其他階段的檢測方法結(jié)合使用。 綜上所述，跌倒是行走過程中常見的危險事件， 目前跌倒檢測的研究前沿為跌倒檢測準(zhǔn)確率為 90%左右 。 目前 該領(lǐng)域 存在的問題 （ 1） 跌倒檢測的準(zhǔn)確率和實用性還有待提高。 目前大多數(shù)跌倒檢測研究的實用性不強(qiáng)，檢測準(zhǔn)確率在 90%左右，對于危害嚴(yán)重的跌倒事件來說，還不足以完全監(jiān)護(hù)使用者的行走安全。因此，跌倒檢測系統(tǒng)的檢測準(zhǔn)確性 和 還有一定的提升空間。 （ 2） 跌倒檢測算法復(fù)雜難以 產(chǎn)品化 由于大部分跌倒檢測算法復(fù)雜，時效性差，很難工程化，目前市場上也沒有相關(guān)的老年人監(jiān)護(hù)產(chǎn)品，將 算法做到簡單實用，便于工程化 也是本課題的難點。 XX 學(xué)報 3 研究思路 本文 首先通過分析跌倒運(yùn)動的定義及運(yùn)動學(xué) 原理 ， 通過對 跌倒 進(jìn)行建模，提取特征模式， 進(jìn)而 通過樣機(jī)平臺搭建 為算法研究提供硬件支持，最后通過 系統(tǒng)實驗驗證 算法的有效性和實用性。 XX 學(xué)報 5 2 跌倒運(yùn)動學(xué)機(jī)理 跌倒的定義與原因 “無意識的倒向地面，或者其他一些未能造成強(qiáng)烈沖擊的情況，如失去意識、中風(fēng)、癲癇發(fā)作 ”。這個 跌倒的定義 仍 被許多研究機(jī)構(gòu)沿用至今，擴(kuò)展后還包含了暈厥和心血管疾病所造成的跌倒 [15]。 （ 1） 跌倒時間段的劃分 跌倒主要分為四個階段：跌倒前階段、臨界階段、跌倒后階段和恢復(fù)階段 （圖 1） 。跌倒前階段與 日常 行為相同；臨界階段以人體倒向地面為起始，以人體承受劇烈沖擊為結(jié)束，這個階段大概持續(xù) ；跌倒后階段以人體承受劇烈沖擊為起點，該階段人體處于不活動 狀態(tài) ?；謴?fù)階段是跌倒者自行站立或在他人幫助下恢復(fù)站立 [16]。 圖 1 跌倒的階段劃分 關(guān)于跌倒的定義，盡管缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但是 近來 研究人員廣泛采用 是 ：“人體有意識或是無意識的倒向并躺在地面或是其較低水平面的事件 [17]?！? 跌倒的原因 是多種因素相互結(jié)合的。 主要包括 生理因素 、 疾病因素 、 藥物因素 、 境因素 、性 別及社會心理因素 等 [1821]。 跌倒的運(yùn)動學(xué)描述 （ 1） 身體重心的變化 由跌倒的定義可知，跌倒事件是人體從一個較高平面倒向另一個較低平面的過程，從而必然伴隨著人體重心的位置變化（一般情況是重心的降低）。如圖