跌倒檢測中人體頭部和腰部相關(guān)性的研究

周闖，傅珈豫，繆偉偉，雷中貴，王勤，4，王志雄，，5△，娜日蘇，△

（1.上海理工大學(xué)，上海200093；2.源珈力醫(yī)療器材國際貿(mào)易（上海）有限公司，上海200000；3.日本國立大阪大學(xué)醫(yī)學(xué)研究科，吹田565-0871；4.上海環(huán)境保護信息中心，上海200030；5.上海健康醫(yī)學(xué)院，上海201318）

1 引 言

據(jù)統(tǒng)計，2003年中國65歲以上老年人已占人口總數(shù)的8.16%，中國已進入老齡化社會。造成老年人死亡的前五大原因分別是心血管疾病、癌癥、中風(fēng)、肺部疾病以及意外傷害，而其中跌倒致死占意外傷害的三分之二[1]。65歲以上老年人跌倒頻率高且伴隨有骨折、軟組織損傷和腦部傷害等問題，這不僅對老年人的身體健康造成影響，而且會使老年人因害怕摔倒而抗拒活動，進而減少社交，形成抑郁等心理疾病[2]。

目前，對于跌倒的研究大致可分為三類：基于視頻圖像、基于聲音以及基于穿戴式設(shè)備。然而基于視頻圖像的跌倒檢測使用空間有限，基于聲音的跌倒檢測則易受周圍環(huán)境的影響，準(zhǔn)確率低，相比之下，基于穿戴式設(shè)備的跌倒檢測，不局限于室內(nèi)，不易受周圍環(huán)境干擾，使之成為最有研究價值的方向[3]。

基于穿戴式設(shè)備的跌倒檢測，從使用的傳感器上來看，多集中于慣性傳感器，從檢測部位上來看，多集中于腰部。但人體運動是一個非常復(fù)雜的過程，用單一檢測部位和單一運動特征來反映整個身體的運動是不夠的，可以通過增加檢測部位和檢測特征來提高準(zhǔn)確度，如Shi等利用腰部慣性傳感器結(jié)合足底壓力來檢測跌倒[4]。

增加檢測特征的研究已經(jīng)有很多，所以本研究從增加檢測部位方面入手。理論上，檢測部位越多，對運動的檢測就越準(zhǔn)確。然而檢測部位的增加會影響穿戴的舒適性，所以檢測部位的增加并不是越多越好。?zdemir的研究也給出了相似的結(jié)論，其研究表明，檢測部位在三個以內(nèi)既能提高準(zhǔn)確度，又能保證穿戴的舒適性。所以對檢測部位的選擇十分重要[5]。

當(dāng)前跌倒檢測的檢測部位大致分為頭部、腰部、胸部、腕部、腿部等，如Lindemann將三軸加速度計集成到助聽器中來檢測跌倒[6]，Yuwono將三軸加速度傳感器放置在腰部來檢測跌倒[7]等。這可能是因為人體頭部對于運動的變化較為敏感，同時頭部在日常運動中不可能太劇烈；手臂和腿部雖然也對運動的變化十分敏感，但是它們參與的日常活動十分復(fù)雜，不利于觀測；腰部和胸部接近人體重心位置，因而對重心變化明顯的運動能夠較為正確的檢測出來。又因為胸部靠近腰部，因而探究胸部與腰部在跌倒過程中的聯(lián)系意義不大。所以，本研究致力于頭部與腰部在日常活動與跌倒中的聯(lián)系。

為了衡量這種聯(lián)系，我們以相關(guān)性來研究。相關(guān)性的高低用相關(guān)系數(shù)來表示，相關(guān)系數(shù)越接近1，說明兩者的運動特征變化趨勢越相似，相關(guān)系數(shù)越接近-1，說明兩者變化趨勢越相反，越接近0，說明兩者變化趨勢越不同[8]。

2 材料與方法

2.1 實驗材料

研究采用六軸慣性傳感器MPU6050，可采集三軸加速度數(shù)據(jù)和三軸角速度數(shù)據(jù)。見圖1，傳感器分別佩戴在頭部的前額位置及腰部前方正中位置，y軸為豎直方向。其中a1合表示頭部合加速度值，a1x，a1y，a1z分別為頭部三軸加速度數(shù)據(jù)，同理a2合表示腰部的合加速度值，a2x，a2y，a2z分別為腰部三軸加速度數(shù)據(jù)。

圖1 傳感器佩戴位置Fig 1 Sensor wearing position

2.2 實驗方法

本實驗由四名健康青年男性志愿者模擬四種快速跌倒動作及五種日?；顒觿幼鳎ˋDL），四名志愿者信息見表1，實驗設(shè)計動作及標(biāo)號見表2。每個志愿者每個動作重復(fù)3次。所有動作開始采集前，志愿者保持雙手自然垂放的靜止站立姿態(tài)，然后依次按照設(shè)計實驗動作進行數(shù)據(jù)采集。模擬實驗期間，志愿者佩戴防護用具，以保護頭部，肘部，腕部以及膝部，同時在實驗場地放置硬度適中的防護墊，在保護志愿者的同時，盡可能兼顧真實地面情況。四種模擬跌倒動作在自然站立的情況下，分別摔倒在防護墊上，倒后保持摔倒姿勢不變。由于涉及安全及倫理問題，同時避免疾病因素對研究的干擾，所以前期研究以健康青年男性志愿者為主，后期研究會增加女性及中年人實驗組。考慮到實驗對象從較為普遍的群體中選擇具有一定的研究價值，根據(jù)2015年《中國居民營養(yǎng)與慢性病狀況報告（2015）》，中國男性青年平均身高為167.1 cm，平均體重為66.2 kg，所以選取身高在（167±10）cm，體重在（66.2±15）kg范圍內(nèi)的志愿者。

表1 志愿者信息Table 1 Volunteers information

表2 模擬實驗動作及標(biāo)號Table 2 Simulation experiment actions and labels

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 合加速度

采集的數(shù)據(jù)為三軸加速度數(shù)據(jù)，但是如果對三個軸向的加速度進行研究，則數(shù)據(jù)量過于龐大，因此采用合加速度進行研究，公式如下：

3.2 合加速度偏離豎直方向夾角

合加速度偏離豎直方向角度（下文均以傾角表示）在人體靜態(tài)時，能表示人體的傾角值，在動態(tài)時，雖然不能準(zhǔn)確反映某一具體時刻人體的傾角角度，但是從跌倒的整體過程來看，可以反映人體運動過程的傾角變化趨勢，該角度可以由反三角函數(shù)得到，公式如下：

由于是合加速度與豎直向上方向的夾角，θ的范圍在0°～90°，所以ay/a合取絕對值。

3.3 相關(guān)系數(shù)

頭部和腰部在同一動作完成時的合加速度相關(guān)系數(shù)計算公式如下：

式中N為完成一個動作采集的數(shù)據(jù)個數(shù)，a1i與a2i分別代表頭部和腰部采集到的第i個合加速度。與表示頭、腰兩組合加速度數(shù)據(jù)的平均值，sa1合與sa2合分別為頭、腰合加速度數(shù)據(jù)組的標(biāo)準(zhǔn)差。

同理，頭部和腰部在同一動作時的傾角的相關(guān)系數(shù)計算公式如下：

式中，N為完成一個動作的數(shù)據(jù)個數(shù)，θ1i與θ2i分別代表頭部和腰部為計算得到到的第i個角度，和分別為頭、腰兩組角度數(shù)據(jù)的平均值，sθ1，sθ2分別為頭、腰角度數(shù)據(jù)組的標(biāo)準(zhǔn)差。

4 結(jié)果

圖2 四種跌倒的合加速度圖像及對應(yīng)的傾角變化圖像Fig 2 The resultant-acceleration curve of four kinds of falls and the corresponding angle curve

四種跌倒的合加速度圖像及其對應(yīng)的傾角變化圖像見圖2，從左至右分別為向前跌倒、向后跌倒、向左跌倒、向右跌倒。在跌倒過程中，頭部和腰部的合加速度先下降，再迅速增大，接著震蕩幾次后變?yōu)楸３趾霞铀俣炔蛔?。這是因為人體在跌倒過程中會先失重，與地面撞擊后，導(dǎo)致合加速度迅速增大，之后身體部位會有一定的反彈，直至最終保持躺在地面的靜止?fàn)顟B(tài)。由于人體體型原因，傳感器佩戴并非完全與豎直方向重合，所以，圖中頭部和腰部起始角度并非0°。

跌倒之后，由于受試者頭部佩戴傳感器的位置在前額正中，在前跌和后跌中對頭部的姿勢有一定的影響，所以在前跌和后跌中，頭部合加速度與豎直方向夾角最終保持在60°左右，但是在左跌和右跌中，頭部受佩戴位置的影響較小，最終都保持在接近90°的水平線上。另外，腰部則受佩戴位置的影響較小，所以在四種跌倒中最終角度都接近90°。

五種日?；顒拥暮霞铀俣葓D像及對應(yīng)的傾角變化圖像見圖3，從左至右分別為蹲下、彎腰撿拾、站變坐、慢跑、慢走?？梢园l(fā)現(xiàn)大部分日常活動動作較為舒緩，除慢跑外，合加速度峰值均不超過2 g。另外彎腰撿拾這一動作的頭部和腰部角度變化較為一致，但是合加速度峰值不超過1.5 g。

圖3 五種日?；顒拥暮霞铀俣葓D像及對應(yīng)的傾角變化圖像Fig 3 The resultant-acceleration curve of five kinds of ADLs and the corresponding angle curve

日?；顒优c跌倒中頭部與腰部合加速度的相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計表分別見表3、表4?？梢钥闯?，無論是跌倒還是日?；顒樱^部和腰部的合加速度相關(guān)性都很低，只有兩次相關(guān)系數(shù)超過0.7，這說明在跌倒和日?；顒又?，頭部和腰部的合加速度相關(guān)性很低。

表3 日?；顒又蓄^部與腰部合加速度的相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計表Table 3 Correlation coefficients statistics of head and waist resultant-acceleration in ADLS

表4 跌倒中頭部與腰部合加速度的相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計表Table 4 Correlation coefficients statistics of head and waist resultant-acceleration in falls

日?；顒雍偷怪蓄^部和腰部合加速度偏離豎直方向夾角相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計見表5、表6。首先在跌倒過程中，頭部和腰部的傾角的相關(guān)系數(shù)普遍在0.7以上，說明在跌倒過程中，頭部和腰部的傾角相關(guān)性較高，而在日?；顒又校藦澭鼡焓跋嚓P(guān)系數(shù)在0.8以上，其余只有坐下出現(xiàn)兩次相關(guān)系數(shù)超過0.7。這表明在跌到過程中，頭部和腰部傾角具有較高相關(guān)性，且為正相關(guān)，這可以將跌倒與大部分日?；顒訁^(qū)分開。至于彎腰撿拾雖然也有很高的相關(guān)性，但是這一動作并不劇烈，其合加速度不超過1.5 g，而跌倒動作的合加速度普遍高于2 g。

表5 日常活動中頭部和腰部傾角相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計表Table 5 Angle correlation coefficients statistics of head and waist in ADLS

表6 跌倒中頭部和腰部傾角相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計表Table 6 Statistics of angle correlation coefficients between head and waist in falls

5 討論

人體作為一個整體，各部位既有一定的獨立性，又有一定的聯(lián)系，本研究在模擬實驗條件下，發(fā)現(xiàn)在日常活動和跌倒中，頭部和腰部的合加速度相關(guān)性都極低，但是在跌倒動作中，兩者的傾角明顯具有較高的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)在0.7以上，而在大部分日?；顒又校嚓P(guān)性微弱，類似于彎腰撿拾這樣的動作雖然有極高的相關(guān)性，但是這類日常動作并不像跌倒般劇烈，因而可以通過合加速度進一步區(qū)分開來。

本試驗對人體日常動作及跌倒過程中頭部和腰部相關(guān)性的研究，不僅為跌倒檢測提供了一種新思路，而且減少了單個部位受偶然因素的影響，提高準(zhǔn)確度。同時，相關(guān)性的應(yīng)用范圍也很廣，如跌倒預(yù)測，人體協(xié)調(diào)性研究，運動狀態(tài)檢測等等。Nyan通過設(shè)定較低的腰部角度閾值（10°），結(jié)合腰部和腿部的高相關(guān)系數(shù)閾值（0.99）來進行預(yù)測跌倒，取得了不錯的效果，但是由于腿部在跌倒中變化復(fù)雜，導(dǎo)致漏報了有屈腿的跌倒動作，而且也未研究跌倒全過程的相關(guān)性[9]。相關(guān)性在其他領(lǐng)域的應(yīng)用，后續(xù)研究也會進行。

本研究也存在一些問題，由于研究處于早期探究階段，以及考慮到倫理等問題，所以實驗對象較少且均為健康的男性青年，不能真實反映老年人日常動作及跌倒的實際情況，因而后續(xù)會增加不同的實驗對象和數(shù)量。另外實驗設(shè)計動作都是模擬動作，尤其是模擬跌倒動作，由于人自我保護的本能，往往導(dǎo)致模擬的跌倒動作與真實環(huán)境下的跌倒動作有所差別，后續(xù)工作也會對模擬動作設(shè)計加以改進。