基于動(dòng)態(tài)影像深度學(xué)習(xí)的老年人跌倒檢測(cè)探索研究

林澤淦

廣東培正學(xué)院，廣東廣州，510800

1 “人口老齡化”視域下跌倒檢測(cè)的需求背景

“中國(guó)第七次人口普查”結(jié)果顯示，65歲及以上人口為1.9億人，占總?cè)丝诘?3.5%（60歲及以上人口為2.6億人，占總?cè)丝?8.7%），總和生育率僅為1.3（2019年世界總和生育率約為2.4）。按照國(guó)家統(tǒng)計(jì)局人口模型預(yù)測(cè)，2022年起我國(guó)將進(jìn)入14年的老齡化加速期，并在2025年進(jìn)入中度老齡化社會(huì)，即60歲以上人口占比超過20%。而這一趨勢(shì)在2025年之后將進(jìn)一步加速，2030年中國(guó)60歲以上人口占比將達(dá)到25%。據(jù)世界衛(wèi)生組織的研究數(shù)據(jù)顯示，跌倒行為已經(jīng)成為老年人致死致傷的大概率日常事件，全球每年約有40萬的老年人死于跌倒后無人發(fā)現(xiàn)、及時(shí)就醫(yī)等原因。同時(shí)由于老年人的身體恢復(fù)速度慢，跌倒造成的后果可能會(huì)嚴(yán)重影響其生活質(zhì)量。

2021年2月，發(fā)改委、民政部、衛(wèi)健委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于建立積極應(yīng)對(duì)人口老齡化重點(diǎn)聯(lián)系城市機(jī)制的通知》，強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)發(fā)展“互聯(lián)網(wǎng)+養(yǎng)老服務(wù)”和“互聯(lián)網(wǎng)+老年健康服務(wù)”，支持大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)導(dǎo)入養(yǎng)老服務(wù)和老年健康服務(wù)，支持優(yōu)質(zhì)養(yǎng)老機(jī)構(gòu)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)化發(fā)展，“互聯(lián)網(wǎng)+養(yǎng)老”成為國(guó)家未來重點(diǎn)發(fā)展的方向。隨著我國(guó)大力推進(jìn)智慧老齡化技術(shù)，推廣其應(yīng)用工程，跌倒檢測(cè)“科技適老化”產(chǎn)品也應(yīng)運(yùn)而生。融合移動(dòng)5G互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析、云計(jì)算等新型信息科技于一體，發(fā)展以健康智聯(lián)為方向的信息化老年看護(hù)服務(wù)，以達(dá)到關(guān)注老年健康生活、延長(zhǎng)壽命等目的，構(gòu)建基于高新科技的可持續(xù)性健康生態(tài)系統(tǒng)。

據(jù)相關(guān)研究表明，人類平均在60歲以后身體機(jī)能會(huì)逐漸開始退化，我國(guó)有近2億老年人被慢性病困擾（失能/半失能人口超5000萬）。在老齡化趨勢(shì)下，養(yǎng)老護(hù)理需求不斷擴(kuò)大，龐大的剛性需求及專業(yè)照護(hù)資源缺乏，推動(dòng)了跌倒檢測(cè)看護(hù)終端設(shè)備的發(fā)展。在緩解老年人跌倒的問題中，檢測(cè)時(shí)可穿戴、全方位識(shí)別的智能產(chǎn)品是當(dāng)前“科技適老化”產(chǎn)品的主角。生活中經(jīng)常發(fā)生老年人跌倒后沒有被及時(shí)發(fā)現(xiàn)、無法及時(shí)搶救給老年人造成嚴(yán)重傷害的事件，而目前市場(chǎng)上大多數(shù)老年人跌倒檢測(cè)看護(hù)產(chǎn)品仍存在誤報(bào)、漏報(bào)等難題，且產(chǎn)品同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)嚴(yán)重。為了解決上述問題，我們決定設(shè)計(jì)一款具有24小時(shí)全天候在線、智能跌倒等級(jí)判斷、高度場(chǎng)景適應(yīng)性以及多關(guān)節(jié)點(diǎn)精準(zhǔn)自動(dòng)識(shí)別跌倒現(xiàn)象并實(shí)時(shí)發(fā)出報(bào)警的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)，以幫助老年人不慎跌倒后及時(shí)發(fā)出求助信息，得到及時(shí)的救護(hù)從而脫離危險(xiǎn)。

2 動(dòng)態(tài)影像深度學(xué)習(xí)跌倒檢測(cè)工作原理及識(shí)別流程

2.1 跌倒檢測(cè)工作原理

跌倒檢測(cè)系統(tǒng)基于Python開發(fā)，采用“OpenCV+背景差異化”技術(shù)行為判別方案，以flask框架將程序搭建在服務(wù)器中，供其他智能監(jiān)控設(shè)備調(diào)用，可將監(jiān)控視頻實(shí)時(shí)傳輸至云端服務(wù)器，并以開放狀態(tài)供設(shè)備服務(wù)商讀取，識(shí)別跌倒危險(xiǎn)現(xiàn)狀。通過攝像設(shè)備讀取數(shù)據(jù)和系統(tǒng)中搭建的基于Intel的Openvino視覺處理框架和OpenCV模塊，比對(duì)前、后幀及背景圖層間信息的差異，通過繪制關(guān)節(jié)點(diǎn)來判別定位攝像區(qū)中的物體，實(shí)時(shí)采集老年人活動(dòng)的3D加速度和角速度數(shù)據(jù)，并通過5G網(wǎng)絡(luò)將活動(dòng)數(shù)據(jù)低延遲地發(fā)送給跌倒檢測(cè)系統(tǒng)；系統(tǒng)再依據(jù)接收到的活動(dòng)數(shù)據(jù)，采用貝葉斯算法模型和flask框架，自動(dòng)計(jì)算對(duì)應(yīng)的合加速度α和偏轉(zhuǎn)角θ；當(dāng)合加速度α大于合加速度的閾值αT，且偏轉(zhuǎn)角θ大于偏轉(zhuǎn)角的閾值θT，則判斷為跌倒發(fā)生，并判斷跌倒級(jí)別，此時(shí)通過跌倒檢測(cè)系統(tǒng)向指定聯(lián)系人的手機(jī)或者其他移動(dòng)設(shè)備發(fā)出跌倒預(yù)警信息。跌倒檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

圖1 跌倒檢測(cè)系統(tǒng)工作原理圖

2.2 智慧監(jiān)控檢測(cè)工作流程

人體運(yùn)動(dòng)分析與識(shí)別作為健康檢測(cè)的基礎(chǔ)，在日常運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、智慧醫(yī)療等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。目前，人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的獲取方式主要有兩種，一種是基于視頻圖像采集與處理技術(shù)來識(shí)別人體的運(yùn)動(dòng)行為；另一種是基于可穿戴或環(huán)境空間放置的傳感器設(shè)備獲取用戶的行為數(shù)據(jù)，并使用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)區(qū)別不同的行為。本項(xiàng)目采用第一種方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，基于動(dòng)態(tài)圖像采集處理的方法具有抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)獲取方便及價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)。

跌倒檢測(cè)系統(tǒng)僅需獲取攝像頭實(shí)時(shí)畫面，通過5G物聯(lián)網(wǎng)的低延時(shí)、高并發(fā)技術(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并預(yù)警危險(xiǎn)行為的發(fā)生，跌倒檢測(cè)系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)到區(qū)域內(nèi)是否有人跌倒，同時(shí)自動(dòng)向事前設(shè)定好的移動(dòng)設(shè)備或緊急調(diào)度中心發(fā)出警報(bào)。

跌倒檢測(cè)系統(tǒng)基于OpenCV視覺差異化處理方案，當(dāng)老年人跌倒時(shí)人體姿勢(shì)會(huì)迅速發(fā)生改變，而在正常活動(dòng)時(shí)人體姿勢(shì)改變很慢，本項(xiàng)目提出的跌倒檢測(cè)的方案是利用人體姿態(tài)的改變進(jìn)行判斷的。系統(tǒng)首先讀取攝像頭中的運(yùn)行目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，然后通過Openvino視覺算法計(jì)算繪制出可以描述人體目標(biāo)的主要關(guān)鍵點(diǎn)，通過對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)的分析，可以獲取人體的水平角度等一些重要特征，通過判斷這些特征的改變來檢測(cè)人體是否跌倒。整個(gè)系統(tǒng)的算法流程如圖2所示。

圖2 跌倒檢測(cè)系統(tǒng)算法流程圖

人體運(yùn)動(dòng)分析與識(shí)別是跌倒檢測(cè)系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)之一，它是從攝像設(shè)備中順序讀取幀序列，然后通過OpenCV視覺算法獲取幀中運(yùn)動(dòng)物體的輪廓。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)為接下來的人體行為識(shí)別等后續(xù)處理打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，目標(biāo)檢測(cè)的準(zhǔn)確性和完整性對(duì)整個(gè)跌倒檢測(cè)系統(tǒng)的性能起到了決定性的作用。

人體運(yùn)動(dòng)分析與識(shí)別作為健康檢測(cè)的基礎(chǔ)，在日常運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、智慧醫(yī)療等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。目前，人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的獲取方式主要有兩種，一種是基于視頻圖像采集與處理技術(shù)來識(shí)別人體的運(yùn)動(dòng)行為；另一種是基于可穿戴或環(huán)境空間放置的傳感器設(shè)備獲取用戶的行為數(shù)據(jù)。本項(xiàng)目目前研究的老年人跌倒檢測(cè)系統(tǒng)配備攝像設(shè)備，采用背景差分法，能有效地獲取完整的運(yùn)動(dòng)物體的輪廓。后面隨著平臺(tái)系統(tǒng)的成熟，將對(duì)可穿戴跌倒檢測(cè)設(shè)備進(jìn)一步研發(fā)且接入跌倒檢測(cè)系統(tǒng)。本項(xiàng)目采用基于OpenCV視覺+背景差分法的目標(biāo)檢測(cè)方式，其算法流程如圖3所示。

圖3 人體運(yùn)動(dòng)分析與識(shí)別算法流程圖

3 跌倒檢測(cè)系統(tǒng)的創(chuàng)新性

跌倒檢測(cè)智慧守護(hù)系統(tǒng)在現(xiàn)有的跌倒檢測(cè)原理基礎(chǔ)上，用理論結(jié)合實(shí)際，通過對(duì)跌倒檢測(cè)算法預(yù)警等級(jí)預(yù)測(cè)和人體行為特征的分析，重點(diǎn)研究遠(yuǎn)程智慧守護(hù)系統(tǒng)提供危險(xiǎn)識(shí)別預(yù)警功能、7×24小時(shí)緊急救助信息服務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)以及多關(guān)節(jié)點(diǎn)特征提取，通過24小時(shí)緊急救助信息服務(wù)平臺(tái)結(jié)合不同的預(yù)警智能識(shí)別等級(jí)和人體行為特征檢測(cè)，能夠更有效地幫助老年人解決生活困難，促進(jìn)全社會(huì)科技適老化的發(fā)展。

3.1 預(yù)警等級(jí)識(shí)別

根據(jù)跌倒檢測(cè)系統(tǒng)和智能穿戴設(shè)備的聯(lián)動(dòng)檢測(cè)結(jié)果組合，我們將警告信息分為以下三個(gè)等級(jí)。①藍(lán)色預(yù)警（III級(jí)）：具有70%的可信度。接收到智能攝像頭的預(yù)警信息，系統(tǒng)將提醒綁定此設(shè)備的人員，在該區(qū)域可能出現(xiàn)跌倒行為，也有可能是誤報(bào)信息，如躺下休息。②黃色預(yù)警（II級(jí)）：具有80%的可信度。接收到智能穿戴的預(yù)警信息，系統(tǒng)將提醒綁定此設(shè)備的人員，在該區(qū)域可能出現(xiàn)跌倒行為可能性比藍(lán)色預(yù)警提高一個(gè)等級(jí)。③紅色預(yù)警（I級(jí)）：具有100%的可信度。接收到智能攝像頭與穿戴設(shè)備的雙重預(yù)警信息，在該區(qū)域極有可能出現(xiàn)跌倒行為，該警告信息為最高等級(jí)。

3.2 7×24小時(shí)緊急救助信息服務(wù)

我們通過在跌倒檢測(cè)系統(tǒng)中搭建7×24小時(shí)在線緊急救助信息服務(wù)，對(duì)所有接入到該系統(tǒng)中的設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理，我們將對(duì)外開放動(dòng)態(tài)影像處理接口，3D加速度、陀螺儀等傳感器數(shù)據(jù)處理接口，實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的守護(hù)生態(tài)，一旦出現(xiàn)預(yù)警能夠立刻反饋到該設(shè)備的服務(wù)運(yùn)營(yíng)商。

跌倒檢測(cè)系統(tǒng)通過Python的flask框架搭建在服務(wù)器上，其他遠(yuǎn)程監(jiān)控等設(shè)備可將監(jiān)控視頻實(shí)時(shí)傳輸至云端服務(wù)器，并設(shè)置為開放狀態(tài)供設(shè)備服務(wù)商讀取，即可在第一時(shí)間獲取危險(xiǎn)情況信息。

3.3 多關(guān)節(jié)點(diǎn)特征提取

跌倒檢測(cè)系統(tǒng)首先通過OpenCV模塊對(duì)人體產(chǎn)生的行為和行為相似度進(jìn)行算法計(jì)算定位跟蹤，再采用Openvino視覺算法進(jìn)行模型構(gòu)建，可以準(zhǔn)確計(jì)算并繪制出可以描述人體目標(biāo)的各個(gè)主要關(guān)鍵點(diǎn)，通過對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)的合加速度和角速度的大小關(guān)系進(jìn)行特征分析，獲取人體的水平角度與行為數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成的行為特征，準(zhǔn)確判斷跌倒行為的發(fā)生。

4 跌倒檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用價(jià)值及應(yīng)用前景

4.1 實(shí)際應(yīng)用價(jià)值

我國(guó)已進(jìn)入中度老年化社會(huì)，養(yǎng)老護(hù)理需求不斷擴(kuò)大，龐大的剛性需求及專業(yè)照護(hù)資源的缺乏，導(dǎo)致老年人由于各種原因不慎跌倒后沒有被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，給老年人造成了嚴(yán)重的傷害。跌倒檢測(cè)系統(tǒng)立足我國(guó)老齡化日趨嚴(yán)峻的社會(huì)現(xiàn)狀，解決了老年人獨(dú)處跌倒后不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)、得不到及時(shí)救助的問題，因此跌倒檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)明具有重要的社會(huì)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

自2017年，工業(yè)和信息化部、民政部、國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)聯(lián)合發(fā)布了《智慧健康養(yǎng)老產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2017-2020年）》以來，智慧養(yǎng)老產(chǎn)業(yè)的生態(tài)系統(tǒng)日漸完善，智慧養(yǎng)老被提升至國(guó)家戰(zhàn)略層面。2021年10月三部門再次聯(lián)合印發(fā)《智慧健康養(yǎng)老產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2021-2025年）》，提出要通過實(shí)施智慧健康養(yǎng)老產(chǎn)品供給工程，重點(diǎn)發(fā)展健康管理類、養(yǎng)老監(jiān)護(hù)類、康復(fù)輔助器具類、中醫(yī)數(shù)字化智能產(chǎn)品及家庭服務(wù)機(jī)器人五大類產(chǎn)品，帶動(dòng)傳感器、微處理器、操作系統(tǒng)等底層技術(shù)突破，完成多模態(tài)行為監(jiān)測(cè)、跌倒防護(hù)、高精度定位等實(shí)用技術(shù)攻關(guān)。

跌倒檢測(cè)防護(hù)產(chǎn)品是國(guó)家智慧健康養(yǎng)老產(chǎn)業(yè)當(dāng)前和未來的重點(diǎn)發(fā)展方向。本文設(shè)計(jì)的跌倒智慧檢測(cè)系統(tǒng)適用于室內(nèi)和室外全方位老年人活動(dòng)場(chǎng)所，可以實(shí)現(xiàn)從老年人跌倒遇險(xiǎn)后無人知曉到主動(dòng)預(yù)警的轉(zhuǎn)變，為老年人提供安全健康的照護(hù)服務(wù)，更好地保護(hù)老年人的生活起居。

4.2 產(chǎn)品應(yīng)用前景

“第七次人口普查”結(jié)果顯示我國(guó)65歲及以上人口達(dá)1.91億人，占比13.5%，老齡人口數(shù)量龐大、占比快速提升?！秶?guó)家人口發(fā)展規(guī)劃（2016-2030年）》預(yù)計(jì)，2030年60歲以上老年人占比將到達(dá)25%左右；據(jù)世界衛(wèi)生組織預(yù)測(cè)，2050年中國(guó)將有35%的人口超過60歲，成為世界上老齡化最嚴(yán)重的國(guó)家。我國(guó)實(shí)施積極應(yīng)對(duì)人口老齡化的國(guó)家戰(zhàn)略，智慧健康養(yǎng)老產(chǎn)業(yè)是當(dāng)前國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，科技化養(yǎng)老將會(huì)在全國(guó)范圍內(nèi)推廣普及。2021年11月中央國(guó)務(wù)院發(fā)布《關(guān)于加強(qiáng)新時(shí)代老齡工作的意見》強(qiáng)調(diào)構(gòu)建老年友好型社會(huì)，為積極響應(yīng)國(guó)家人口老齡化應(yīng)對(duì)戰(zhàn)略，全國(guó)各地積極投入資金進(jìn)行適老化改造。

跌倒檢測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)品有效解決了老年人跌倒后發(fā)現(xiàn)不及時(shí)、救助不及時(shí)等問題?；凇盎ヂ?lián)網(wǎng)+”的戰(zhàn)略背景下，跌倒檢測(cè)系統(tǒng)的市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)可達(dá)千億，年復(fù)合增長(zhǎng)率（CAGR）約為4.5%。中國(guó)跌倒檢測(cè)系統(tǒng)市場(chǎng)起步較晚，市場(chǎng)缺口大。隨著人們健康安全意識(shí)的提升和全國(guó)各地適老化改造項(xiàng)目的推進(jìn)，跌倒檢測(cè)系統(tǒng)作為適老化改造的分支之一，市場(chǎng)前景廣闊。跌倒檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)物模型如圖4所示。

圖4 跌倒檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物模型圖

5 結(jié)語

目前我國(guó)人口老齡化日趨嚴(yán)重，跌倒是老年人、失能/半失能等特殊群體日常生活中生命健康的主要威脅因素，如跌倒后發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，則可能造成死亡、殘疾等嚴(yán)重的后果。本跌倒檢測(cè)系統(tǒng)在現(xiàn)有的跌倒原理中實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新，通過跌倒檢測(cè)系統(tǒng)與跌倒識(shí)別設(shè)備聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)跌倒等級(jí)判斷預(yù)警，24小時(shí)實(shí)時(shí)在線識(shí)別檢測(cè)，采用“OpenCV+背景差異化”行為判別方案，提供即時(shí)動(dòng)態(tài)識(shí)別跌倒預(yù)警功能，減輕老年人等特殊群體跌倒造成的不良后果。以智慧守護(hù)健康，進(jìn)一步為國(guó)家戰(zhàn)略需求服務(wù)，促進(jìn)科技適老化的發(fā)展。