基于移動(dòng)終端的跌倒自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)綜述

車(chē)綏元 郝麗娜 張嘯 豐云杰 夏慧琳*

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)人民醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程處，呼和浩特 010010；2.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)計(jì)算機(jī)信息學(xué)院，呼和浩特 010110；3.天津醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，天津 300070）

當(dāng)今，我國(guó)逐步步入老齡化社會(huì)，跌倒已成為老年人意外死亡的主要原因，占65歲以上老年人意外死亡原因的25.2%［1］，且意外跌倒死亡率隨著年齡的增長(zhǎng)而上升。據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，在老年人跌倒造成的意外死亡中，大部分是由于跌倒后沒(méi)有得到及時(shí)的救治，受到了不必要的二次傷害。當(dāng)老年人跌倒后，跌倒造成的物理?yè)p傷與心率、血壓等生理指標(biāo)的劇烈變化，可能引發(fā)一些慢性疾病、心腦血管疾病的發(fā)作；而跌倒時(shí)受到的沖擊和生理參數(shù)的變化更可能讓老年人昏厥，使老年人失去自行呼救和求助的機(jī)會(huì)。此時(shí)，老年人身邊若無(wú)其他目擊者或目擊者處理不當(dāng)，便有可能使老年人癱瘓或死亡。

跌倒報(bào)警裝置是一種在老年人跌倒后自行報(bào)警來(lái)通知相關(guān)醫(yī)護(hù)人員及老年人親屬的裝置，它的出現(xiàn)可以讓老年人在跌倒后得到及時(shí)救助，以減少因跌倒后救助不及時(shí)而對(duì)老年人造成二次傷害。

1 跌倒自動(dòng)報(bào)警裝置現(xiàn)狀

目前跌倒檢測(cè)設(shè)備根據(jù)檢測(cè)原理主要分為：基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)、音頻振動(dòng)識(shí)別、可穿戴式和基于移動(dòng)終端四種類(lèi)型。

1.1 基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)

該類(lèi)檢測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確率高，通過(guò)安裝監(jiān)控探頭實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)老年人的身體姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，采用智能視覺(jué)分析技術(shù)，分析人體的站立、走步、下蹲和跌倒等一系列動(dòng)作角度，根據(jù)采集人體正常的運(yùn)動(dòng)信息設(shè)定閾值，當(dāng)人體行為超出閾值時(shí)，判定為跌倒。此種方法的準(zhǔn)確率高，在長(zhǎng)春師范大學(xué)肖?。?］、深圳大學(xué)金浩陽(yáng)［4］的實(shí)驗(yàn)中綜合準(zhǔn)確率均可高達(dá)97%以上，但該類(lèi)裝置受限于視野和光照，只能在視野足夠、特定的光照強(qiáng)度范圍內(nèi)工作，且存在成本高昂、計(jì)算復(fù)雜、涉及使用者隱私等方面的問(wèn)題。中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所的楊任兵［5］等人嘗試通過(guò)低分辨率的紅外圖像判斷是否發(fā)生跌倒，以此排除光線過(guò)亮或過(guò)暗的影響并保護(hù)使用者隱私。因此，降低了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，判斷跌倒的準(zhǔn)確率降到91.25%，使該檢測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)減弱。

1.2 基于音頻振動(dòng)識(shí)別的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)

該種裝置基于地板振動(dòng)和聲學(xué)傳感，通過(guò)振動(dòng)傳感器采集、處理人體運(yùn)動(dòng)的音頻信號(hào)和地板振動(dòng)，分析判斷被監(jiān)測(cè)人是否跌倒。這種檢測(cè)裝置價(jià)格較低，能較好地保護(hù)使用者隱私，同時(shí)也能解決因光線強(qiáng)度不同而產(chǎn)生的誤報(bào)或漏報(bào)問(wèn)題。然而，該方法易受外界噪聲信號(hào)的干擾，誤報(bào)率比較高。雖然，目前該系統(tǒng)仍屬主流的檢測(cè)系統(tǒng)之一，但其前景不被看好。

1.3 可穿戴式跌倒檢測(cè)裝置

隨著近年來(lái)電子器件的小規(guī)?；?，便攜式可穿戴跌倒檢測(cè)裝置面世。該裝置嵌入了微型加速度傳感器等，能夠佩戴在老年人的胸前、腰間、手腕、腳踝等部位［6］，解決了使用區(qū)域小、范圍局限的問(wèn)題，可隨老年人移動(dòng)。檢測(cè)準(zhǔn)確度較高，適應(yīng)性較強(qiáng)。雖然因裝置重量的限制只能配置小容量電池而經(jīng)常遇到電源管理的問(wèn)題，且在日?；顒?dòng)中始終攜帶這些設(shè)備存在不便，但綜合來(lái)看，基于可穿戴傳感器的便攜式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。

1.4 基于移動(dòng)終端的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)

近年來(lái)，智能手機(jī)已經(jīng)普及且手機(jī)功能豐富、配置提高，因此基于移動(dòng)終端的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)也隨之問(wèn)世。這種檢測(cè)系統(tǒng)利用手機(jī)中的陀螺儀和加速度傳感器采集人體正常運(yùn)動(dòng)和跌倒時(shí)的數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)集分析，原理與可穿戴式跌倒檢測(cè)裝置類(lèi)似。成都理工大學(xué)張祥軍［7］設(shè)計(jì)了一款以iOS平臺(tái)為系統(tǒng)載體的基于三軸加速度傳感器的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)，準(zhǔn)確率可達(dá)92%；武漢科技大學(xué)李歡［8］開(kāi)發(fā)的APP檢測(cè)跌倒的準(zhǔn)確率高達(dá)94%以上；重慶大學(xué)的章攀［9］等人在Android平臺(tái)上應(yīng)用基于特征值的決策樹(shù)跌倒檢測(cè)判別法綜合準(zhǔn)確率達(dá)到了97.3%。為保證在警報(bào)觸發(fā)后接收方能迅速找到求救者的位置，便攜類(lèi)跌倒檢測(cè)裝置往往會(huì)配備定位元件，基于移動(dòng)終端的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)則直接利用手機(jī)功能定位。Android手機(jī)定位一般有五種定位方法，不同的定位方式的準(zhǔn)確性和耗電量也有所不同。由于該系統(tǒng)完全裝載于使用者的個(gè)人移動(dòng)終端上，因此該系統(tǒng)與智能手機(jī)一樣，可隨時(shí)隨身攜帶。該系統(tǒng)的耐用性、抗沖擊性以及電池的續(xù)航能力取決于手機(jī)本身的性能。

2 不同種類(lèi)的跌倒自動(dòng)報(bào)警裝置比較及目前仍需解決的問(wèn)題

2.1 不同種類(lèi)的跌倒自動(dòng)報(bào)警裝置比較

如表1所示，對(duì)目前市場(chǎng)上存在的幾類(lèi)跌倒報(bào)警裝置從原理、準(zhǔn)確率、適用范圍等方面進(jìn)行對(duì)比?？偨Y(jié)其各自優(yōu)缺點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的幾類(lèi)跌倒報(bào)警裝置無(wú)論是在形式、適用范圍等方面還有較大改進(jìn)空間。

表1 跌倒報(bào)警裝置比較

2.2 目前仍需解決的問(wèn)題

從定位方法上來(lái)說(shuō)，常見(jiàn)的多樓層定位方法可以分為三大類(lèi)：基于指紋的定位方法、基于傳感器的定位方法、以及這兩種方法相結(jié)合的方法?；谥讣y的定位方法通過(guò)對(duì)比樓層指紋數(shù)據(jù)庫(kù)與用戶的實(shí)時(shí)指紋信息來(lái)確定樓層。這種室內(nèi)定位技術(shù)有使用范圍廣、定位成本低等優(yōu)點(diǎn)，但強(qiáng)度信息易受干擾、波動(dòng)大，且容易出現(xiàn)離群點(diǎn)，導(dǎo)致傳統(tǒng)的基于指紋強(qiáng)度向量的聚類(lèi)方式不夠穩(wěn)定［10］。對(duì)于這一方法，毛萬(wàn)葵［12］等人進(jìn)一步提出了基于改進(jìn)HC算法的WiFi室內(nèi)樓層識(shí)別法，在樓層判別上比Kmeans［13］等經(jīng)典算法效果更好?；趥鞲衅鞯亩ㄎ环椒▌t通過(guò)加速度或氣壓傳感器識(shí)別樓層。單一傳感器的定位方法會(huì)產(chǎn)生漂移誤差，且誤差隨時(shí)間的推移而累積，需要經(jīng)常性校準(zhǔn)，故一般采用多傳感器融合的方法以提高定位精度。張榜［14］等人利用慣性傳感器和氣壓計(jì)的數(shù)據(jù)，通過(guò)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)算出樓層。劉元成［15］等人采集行人的加速度、磁力和氣壓等數(shù)據(jù)，基于步行者航位推算和地磁匹配融合定位樓層。由于基于指紋法的精確性不足，而基于傳感器法易產(chǎn)生誤差，故提出混合技術(shù)的多樓層定位方法。對(duì)于這種方法，司明豪［16］等人結(jié)合無(wú)線信號(hào)指紋與氣壓傳感器，提出了基于WiFi／氣壓計(jì)組合的樓層定位方法。

3 跌倒自動(dòng)報(bào)警裝置發(fā)展前景

目前，跌倒檢測(cè)產(chǎn)品雖然較多，但由于人體日常動(dòng)作和跌倒情況復(fù)雜多樣，現(xiàn)有的跌倒檢測(cè)裝置都各有優(yōu)缺點(diǎn)?；谝曨l檢測(cè)的裝置準(zhǔn)確率較高但涉及用戶隱私，基于環(huán)境檢測(cè)的裝置雖解決了隱私侵犯的問(wèn)題但誤判率相對(duì)較高，基于智能手機(jī)的檢測(cè)裝置準(zhǔn)確率相對(duì)較好且可以隨身攜帶，可對(duì)于智能手機(jī)功能運(yùn)用不熟練的老年人來(lái)說(shuō)不太適用。經(jīng)過(guò)綜合比較，穿戴式跌倒檢測(cè)裝置有更大的發(fā)展空間與市場(chǎng)前景。這種方法不受地點(diǎn)范圍的限制且不會(huì)侵犯使用者的隱私，并且容易與現(xiàn)有技術(shù)，如嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)等相結(jié)合，與此同時(shí)可穿戴式的檢測(cè)裝置在檢測(cè)準(zhǔn)確度和靈敏度等方面也相對(duì)較高，可達(dá)到更好的監(jiān)測(cè)效果?，F(xiàn)有的檢測(cè)裝置在實(shí)用性和檢測(cè)準(zhǔn)確性等方面還有待提高。因此，只有提高跌倒檢測(cè)裝置的判斷準(zhǔn)確率和實(shí)用性，才能使其普遍應(yīng)用到老年人健康監(jiān)護(hù)領(lǐng)域。

對(duì)于未來(lái)此類(lèi)裝置的發(fā)展，應(yīng)不斷改進(jìn)創(chuàng)新，主要從以下幾點(diǎn)出發(fā)：

（1）裝置要向便攜化、微型化方向發(fā)展，便于檢測(cè)裝置的攜帶且不影響老年人的正常生活。

（2）裝置可以與相關(guān)科學(xué)技術(shù)相結(jié)合，使家屬或家庭醫(yī)生可以隨時(shí)了解老年人的健康狀況，從而更好地對(duì)老年人健康進(jìn)行監(jiān)護(hù)。

（3）裝置可以向著低功耗、低成本且操作簡(jiǎn)單的方向發(fā)展，使得裝置適用于不同年齡段的老年人，這樣更有利于產(chǎn)品的普及。

4 跌倒自動(dòng)報(bào)警裝置的應(yīng)用范圍

4.1 敬老院的老年人

敬老院普遍面臨養(yǎng)老護(hù)理人員招聘難、運(yùn)營(yíng)成本高等問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在養(yǎng)老護(hù)理人員中，一位護(hù)理人員需要同時(shí)照顧5～6位老人，甚至更多。不僅如此，其中40歲以上的從業(yè)者更是占比79.1%［17］，護(hù)理人員精力相對(duì)有限，有時(shí)無(wú)法兼顧，給每位老人配備跌倒自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，在發(fā)生意外的第一時(shí)間排除險(xiǎn)情，降低老年人錯(cuò)失救助最佳時(shí)間的可能。

4.2 獨(dú)自生活的老年人、孕婦

對(duì)于獨(dú)自生活的老年人或暫時(shí)獨(dú)處的孕婦來(lái)說(shuō)，自己的家中、人跡罕至的公園、巷子等地，是因跌傷后無(wú)人發(fā)現(xiàn)并救助而錯(cuò)失最佳治療時(shí)間的高危地區(qū)，通過(guò)在智能手機(jī)（移動(dòng)終端）上裝載跌倒自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，即不會(huì)像穿戴式裝置一樣影響行動(dòng)，又可以將這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)降至最低。

4.3 醫(yī)院患者

統(tǒng)計(jì)顯示，有42%的住院患者會(huì)在跌倒中受到傷害，其中有8%的跌倒患者會(huì)受到嚴(yán)重傷害［18］，有些跌傷比較輕微，是暫時(shí)的；有些卻比較嚴(yán)重，可能與患者的其他病癥發(fā)生連鎖反應(yīng)，造成不可逆的永久性損傷甚至導(dǎo)致患者死亡。通過(guò)應(yīng)用基于移動(dòng)終端的跌倒自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，或可減輕醫(yī)護(hù)人員的壓力，節(jié)省其精力。

4.4 運(yùn)動(dòng)員

運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于體力的消耗、代謝產(chǎn)物的堆積，精神狀態(tài)不佳，加之運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的自我保護(hù)意識(shí)淡薄，有可能發(fā)生意外受傷，配備跌倒自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)可使其立即獲得救助。

5 總結(jié)

綜上所述，基于移動(dòng)終端的跌倒自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)可以克服現(xiàn)有的三種主要模式的“跌倒自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)”所存在的一些問(wèn)題：例如暴露老年人的隱私、受時(shí)間地點(diǎn)的限制、因?yàn)榇┐髟谏砩隙鹄夏耆诵袆?dòng)的不變、設(shè)備價(jià)格高昂等。但是新的設(shè)備同時(shí)也帶來(lái)了一些新的問(wèn)題，例如長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)造成耗電過(guò)快、軟件占用內(nèi)存等問(wèn)題。隨著手機(jī)技術(shù)的發(fā)展，手機(jī)電池容量和手機(jī)內(nèi)存、乃至于手機(jī)的功能性和整體性能都在隨之提高，這些問(wèn)題也將隨之解決。介于前三種模式的“跌倒檢測(cè)系統(tǒng)”存在的缺陷，在未來(lái)，基于移動(dòng)終端的跌倒自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)必將成為主流發(fā)展趨勢(shì)。