老年人智能手環(huán)體態(tài)識(shí)別準(zhǔn)確性試驗(yàn)研究

任琦，譚軍，王娟娟，李晨，張碩

中電投工程研究檢測(cè)評(píng)定中心有限公司，北京 100142

0 引言

當(dāng)前中國(guó)已正式進(jìn)入“老齡社會(huì)”，如何實(shí)現(xiàn)健康養(yǎng)老、提高老年人的生活質(zhì)量無(wú)疑成為全社會(huì)亟待解決的難題。近年來(lái)，在科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展下，越來(lái)越多的智能化產(chǎn)品涌入老年人消費(fèi)市場(chǎng)，切實(shí)提高了老年人的生活質(zhì)量，尤其是可穿戴智能產(chǎn)品的出現(xiàn)，更是迎來(lái)了一波購(gòu)買(mǎi)熱潮。在眾多可穿戴產(chǎn)品中智能手環(huán)是最受老年人歡迎的產(chǎn)品之一[1]。老年人由于身體機(jī)能的不斷退化，在日常生活中極易發(fā)生跌倒事件，跌倒后如不能得到及時(shí)救治，將會(huì)給其帶來(lái)極其嚴(yán)重的傷害，甚至危及生命[2]。為此，市場(chǎng)上打著適老性旗號(hào)的智能手環(huán)多帶有跌倒報(bào)警功能，此功能多是根據(jù)加速度算法，計(jì)算老年人實(shí)時(shí)體態(tài)，一旦老年人發(fā)生跌倒行為，即報(bào)警給監(jiān)護(hù)人或監(jiān)護(hù)平臺(tái)，以達(dá)到保護(hù)老年人人身安全的目的。但此項(xiàng)功能并非像其所宣傳的那樣準(zhǔn)確，從消費(fèi)者反饋來(lái)看，在日常使用中其具有一定誤報(bào)率，如使用者在做快速躺在床上或沙發(fā)上、快速蹲下等動(dòng)作時(shí)，其均會(huì)發(fā)出跌倒警報(bào)，當(dāng)誤報(bào)率達(dá)到一定程度時(shí)，即會(huì)為使用者的生活帶來(lái)一定的困擾。目前，尚未有針對(duì)智能手環(huán)體態(tài)識(shí)別性能的檢測(cè)技術(shù)，但為了保護(hù)老年人的身心健康，有效提升老年人晚年的生活質(zhì)量，對(duì)智能手環(huán)的體態(tài)識(shí)別準(zhǔn)確性進(jìn)行試驗(yàn)研究是非常必要的。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 跌倒分類(lèi)及評(píng)估方法

跌倒這一動(dòng)作是人體在無(wú)意識(shí)情況下，由于失去平衡而導(dǎo)致的身體姿態(tài)的改變，在重力的作用下，上半身通常朝向某個(gè)方向傾斜。本次試驗(yàn)將人體跌倒行為分為向前跌倒、向后跌倒和側(cè)向跌倒，其中側(cè)向跌倒分為左側(cè)跌倒和右向跌倒[3]。

本次試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)有：準(zhǔn)確率（accuracy），見(jiàn)式（1）；靈敏度（sensitivity），見(jiàn)式（2）；特異性（specificity），見(jiàn)式（3）[4]。各式中，TP代表實(shí)際為跌倒行為，檢測(cè)為跌倒的實(shí)例； TN代表實(shí)際為日常行為，檢測(cè)為非跌倒實(shí)例； FN代表實(shí)際為日常行為，檢測(cè)為跌倒的實(shí)例；FP代表實(shí)際為跌倒行為，檢測(cè)為非跌倒的實(shí)例。

準(zhǔn)確率表示跌倒檢測(cè)算法正確識(shí)別的樣本個(gè)數(shù)占全部樣本的比值，計(jì)算公式如（1）所示：

靈敏度表示正確識(shí)別為跌倒的樣本占所有跌倒樣本的比值，在跌倒檢測(cè)中其值越高說(shuō)明對(duì)于跌倒事件的識(shí)別性能越好，計(jì)算公式如（2）所示：

特異性表示正確識(shí)別為非跌倒的樣本占所有非跌倒樣本的比值，在跌倒檢測(cè)中其值越高說(shuō)明對(duì)于非跌倒事件的識(shí)別性能越好，計(jì)算公式如（3）所示：

本試驗(yàn)主要以準(zhǔn)確率作為評(píng)估的主要判斷依據(jù)，靈敏度和特異性作為輔助。其中，準(zhǔn)確率和特異性都必須從實(shí)際考慮，一般來(lái)講特異性超過(guò)95.00%即可被認(rèn)為是可以接受的結(jié)果，從實(shí)際生活場(chǎng)景來(lái)考慮，如果在日常行為中，每20次動(dòng)作，就有一個(gè)誤報(bào)發(fā)生，則會(huì)對(duì)用戶(hù)的日常生活產(chǎn)生較大的影響。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及人員

試驗(yàn)設(shè)備：當(dāng)前市面上銷(xiāo)售量較高的3只智能手環(huán)（手環(huán)A、手環(huán)B、手環(huán)C，且都帶有跌倒報(bào)警功能）、仿真性試驗(yàn)假人（高175cm、重65kg）、椅子、安全床墊（軟）等。

圖1 手環(huán)A

圖2 手環(huán)B

圖3 手環(huán)C

試驗(yàn)人員：本次試驗(yàn)因具有一定的危險(xiǎn)性，故所招募志愿者年齡在23～49歲之間，且年齡區(qū)間分布均勻，為保證試驗(yàn)結(jié)果更具科學(xué)性，選擇男女各5人，身高在163～188cm，體重在55～90kg之間，體型較勻稱(chēng)。志愿者詳細(xì)情況見(jiàn)表1。

表1 志愿者詳情

1.3 試驗(yàn)方案

為進(jìn)一步獲得更精確的試驗(yàn)結(jié)果，本試驗(yàn)將日常行為和跌倒行為均作為試驗(yàn)內(nèi)容，從而提高了智能手環(huán)體態(tài)識(shí)別試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。本次試驗(yàn)依據(jù)老年人的行為習(xí)慣，分別確定了22項(xiàng)日常行為和22項(xiàng)跌倒行為，共44項(xiàng)動(dòng)作[5]，每項(xiàng)動(dòng)作試驗(yàn)人數(shù)為3人，試驗(yàn)次數(shù)為5次/人，其中，假人每項(xiàng)動(dòng)作15次，合計(jì)660人次參與本次試驗(yàn)，具體行為詳見(jiàn)表2。

表2 跌倒報(bào)警準(zhǔn)確性測(cè)試表

2 假人試驗(yàn)

老年人在正常生活場(chǎng)景下尤其時(shí)暈厥跌倒時(shí)，身體往往呈垂直跌倒?fàn)?，因暫時(shí)性失去意識(shí)，不會(huì)做一些自我保護(hù)的動(dòng)作，僅在重力作用下跌倒在地面上[6-7]。但人在清醒的時(shí)候是具有主觀意識(shí)的，當(dāng)志愿者在模擬老年人跌倒時(shí)，會(huì)下意識(shí)做一些緩沖動(dòng)作，尤其是垂直跌倒動(dòng)作，試驗(yàn)結(jié)果精度會(huì)受到一定影響。為此，我們?cè)诘箤?shí)驗(yàn)中引入了仿真試驗(yàn)假人，但因假人并不具有真人的骨骼靈活性，因此在本次試驗(yàn)中，僅做垂直跌倒試驗(yàn)。以試驗(yàn)手環(huán)C為試驗(yàn)對(duì)象，將其先后置于志愿者及實(shí)驗(yàn)假人左臂，為保證志愿者安全，真人試驗(yàn)加以軟墊保護(hù)，根據(jù)預(yù)設(shè)動(dòng)作進(jìn)行跌倒試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果詳見(jiàn)表3。

表3 假人試驗(yàn)

從表中數(shù)據(jù)可以看出，在預(yù)設(shè)動(dòng)作中，假人組和志愿者組手環(huán)判斷跌倒的準(zhǔn)確性存在一定的差異。真人試驗(yàn)的報(bào)警率為83.3%，假人試驗(yàn)組的報(bào)警率為100%。在垂直四向跌倒的動(dòng)作中，前向跌倒動(dòng)作假人組和志愿者組的手環(huán)跌倒識(shí)別報(bào)警準(zhǔn)確性一致，而側(cè)向及向后的動(dòng)作，志愿者組有2次未能識(shí)別跌倒報(bào)警，根據(jù)志愿者描述及現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)可知，垂直向后跌倒的動(dòng)作對(duì)于清醒意識(shí)的志愿者來(lái)說(shuō)是具有一定挑戰(zhàn)性的。真人試驗(yàn)因下意識(shí)地自我保護(hù)，會(huì)做一些緩沖動(dòng)作，以此降低了跌倒的重心加速度，跌倒的加速度未能達(dá)到手環(huán)檢測(cè)的范圍，由此引起了漏報(bào)。另一方面，假人的跌倒測(cè)試更遵從實(shí)際，可以摔倒在硬地面上；為保護(hù)志愿者，真人試驗(yàn)時(shí)選擇跌倒在軟墊上，而軟墊也會(huì)帶來(lái)一部分緩沖影響手環(huán)的識(shí)別判斷。從以上試驗(yàn)結(jié)果可知，在上述4種跌倒行為的檢測(cè)中，試驗(yàn)對(duì)象使用假人的效果更好一些，不僅可以降低志愿者的工作量，減少受傷機(jī)率，還可以提高檢測(cè)精度。

3 體態(tài)識(shí)別準(zhǔn)確性測(cè)試試驗(yàn)

以所選的3只手環(huán)腕表為體態(tài)識(shí)別準(zhǔn)確性試驗(yàn)樣品，分別佩戴于志愿者及試驗(yàn)假人手腕處，進(jìn)行表2所示預(yù)設(shè)動(dòng)作，每種試驗(yàn)手環(huán)測(cè)試660次/組，包括日常行為試驗(yàn)330次/組和跌倒行為試驗(yàn)330次/組。其中，跌倒動(dòng)作組的第4～8項(xiàng)試驗(yàn)由假人完成，其余由志愿者完成，記錄報(bào)警數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果詳見(jiàn)表4。由表中數(shù)據(jù)可知，三種手環(huán)的跌倒識(shí)別能力均較強(qiáng)。其中，在跌倒試驗(yàn)組中，跌倒后正確發(fā)出報(bào)警次數(shù)：手環(huán)C為307次，大于手環(huán)A的 305次，也大于手環(huán)B的 295次；在日常行為測(cè)試組中，發(fā)出發(fā)錯(cuò)誤報(bào)警次數(shù)：手環(huán)B為9次大于手環(huán)A的5次，也大于手環(huán)B的3次?？梢?jiàn)，3種手環(huán)可以較為明確地分辨出跌倒動(dòng)作和日常動(dòng)作。

表4 試驗(yàn)產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果

根據(jù)1.1節(jié)所示公式，計(jì)算出每種試驗(yàn)手環(huán)對(duì)于動(dòng)作識(shí)別的準(zhǔn)確率、跌倒識(shí)別的準(zhǔn)確率和對(duì)于日常行為識(shí)別的準(zhǔn)確率，計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表5。由表中的數(shù)據(jù)可以看出，本次試驗(yàn)所涉及的3種手環(huán)腕表，對(duì)佩戴者體態(tài)動(dòng)作方面具有良好的識(shí)別能力，其中對(duì)于佩戴者體態(tài)變化識(shí)別能力最好的為手環(huán)C，準(zhǔn)確率可達(dá)到96.06%，其次為手環(huán)A，準(zhǔn)確率為95.45%，手環(huán)B的準(zhǔn)確率為93.33%。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，3種手環(huán)的跌倒報(bào)警功能性均較強(qiáng)，對(duì)于跌倒識(shí)別的準(zhǔn)確率均在97%以上，其中手環(huán)C為99.03%，大于手環(huán)A的98.39%，也大于手環(huán)B的97.04%，漏報(bào)率較低。但在日常行為試驗(yàn)組中，3種手環(huán)的識(shí)別能力較低，對(duì)于日常行為的正確識(shí)別率均在95%以下。通常來(lái)講，當(dāng)準(zhǔn)確率在95%以下時(shí)，即會(huì)對(duì)佩戴者的日常生活產(chǎn)生一定的影響。綜上，3種手環(huán)的體態(tài)識(shí)別能力較好，對(duì)跌倒行為可以做到較為精準(zhǔn)的檢測(cè)并及時(shí)發(fā)出警報(bào)通知第三方，但對(duì)于日常行為的檢測(cè)效果較差，誤報(bào)率較高。

表5 產(chǎn)品的跌倒識(shí)別能力

4 結(jié)語(yǔ)

本試驗(yàn)對(duì)市面上銷(xiāo)售量及評(píng)價(jià)較好的3種帶有跌倒報(bào)警功能的智能手環(huán)進(jìn)行了體態(tài)識(shí)別性能試驗(yàn)研究，通過(guò)大量的真人試驗(yàn)和假人試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)3種手環(huán)對(duì)于佩戴者的體態(tài)識(shí)別能力均較強(qiáng)，準(zhǔn)確率均可達(dá)到93%以上，對(duì)于跌倒行為的檢測(cè)也具有較好的效果，識(shí)別準(zhǔn)確率可達(dá)到97%以上，但對(duì)于日常行為的檢測(cè)能力較差，均未達(dá)到95%。由此可見(jiàn)，當(dāng)前我國(guó)智能手環(huán)對(duì)于佩戴者體態(tài)識(shí)別的檢測(cè)準(zhǔn)確率已經(jīng)達(dá)到了較高水平，但佩戴者在日常生活中多處在較安全的情景中，手環(huán)的誤報(bào)率高會(huì)極大地影響了佩戴者的生活，也會(huì)使得佩戴者對(duì)手環(huán)產(chǎn)生抵觸情緒。為此，希望未來(lái)智能手環(huán)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)廠商，可以進(jìn)一步提高產(chǎn)品對(duì)日常行為檢測(cè)的準(zhǔn)確性，為老年人提供更好的使用體驗(yàn)感。