跌倒監(jiān)測系統(tǒng)研究及應(yīng)用

李 平，黃同成，曾文飛，胡俁華，段 頊

（1.邵陽學(xué)院 機(jī)械與能源工程學(xué)院，湖南 邵陽 422000；2.湘西南農(nóng)村信息化服務(wù)湖南省重點實驗室，湖南 邵陽 422000）

0 引言

跌倒是導(dǎo)致人們傷殘的主要原因之一，若跌倒后病情較重甚至可能造成死亡。由于人體隨著年齡增長，各組織器官功能呈不同程度下降趨勢，因此老年人群因機(jī)體功能降低，加之各種急慢性疾病共同作用，跌倒發(fā)生風(fēng)險勢必增加。一旦跌倒，或?qū)ζ渖钯|(zhì)量、生命安全造成嚴(yán)重威脅[1]。跌倒檢測系統(tǒng)是近年來信息技術(shù)研究的熱點及重點方向，就其實現(xiàn)的技術(shù)手段而言，涉及運動與物理信號處理技術(shù)、移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感技術(shù)、無線通信技術(shù)等多個學(xué)科研究領(lǐng)域?；诖?，本文將著重圍繞跌倒檢測系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用等方面進(jìn)行詳細(xì)論述，為今后完善此類系統(tǒng)設(shè)計方案、提高其實際應(yīng)用價值提供可靠參考依據(jù)。

1 跌倒檢測系統(tǒng)的意義

跌倒是導(dǎo)致人們傷殘的主要原因之一，據(jù)世界衛(wèi)生組織（World Health Organization，WHO）報道，在世界范圍內(nèi)，每年因跌倒后未獲得及時救治致死人數(shù)高達(dá)約64 萬，其中多數(shù)為老年人群。據(jù)統(tǒng)計，我國自2004 年至2012 年，老年人口所占比例由過去的7.6%上升到14.3%，我國老年人口數(shù)量在2013 年已突破2 億大關(guān)，預(yù)計2025 年將達(dá)到3 億。

人們因維持生存、適應(yīng)環(huán)境等目的而進(jìn)行的基礎(chǔ)性、重復(fù)性、共性的活動稱為日常活動（Activities of Daily Living，ADL），如行走、靜躺、靜坐等。跌倒是導(dǎo)致我國老年人群ADL 中傷亡的主要危險因素之一，也是導(dǎo)致意外傷亡的全球性公共衛(wèi)生問題。有研究認(rèn)為，隨著年齡增加，人體在日?；顒又邪l(fā)生跌倒的風(fēng)險呈顯著上升趨勢。我國65 歲以上老年人群中，每年發(fā)生跌倒的幾率約為33%，而在80 周歲以上老年人群中，跌倒發(fā)生率則高達(dá)50% 左右[2]。

近年來，我國人口老齡化進(jìn)程逐年加速。有資料預(yù)計，至2030 年，我國空巢老人比例將占老年家庭比例90%左右。我國老齡工作委員會辦公室調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)階段養(yǎng)老床位缺失問題嚴(yán)重，平均每50 名老年人擁有養(yǎng)老床位不到一張。因此，如何針對空巢老年人提供切實有效的照料、護(hù)理工作，已成為現(xiàn)階段社會亟須解決的主要問題之一。此外，由于媒體報道及社會各方過度解讀，老年人在公共場所跌倒后出現(xiàn)了“扶不扶”的爭議。因此，即便旁人及時發(fā)現(xiàn)部分老年人跌倒，仍無法獲得機(jī)體的損傷情況從而作出相應(yīng)的處理。

跌倒是目前已知導(dǎo)致老年人群殘疾甚至死亡的常見危險因素，即便跌倒僅造成輕微傷，也將對此類人群的正常生活產(chǎn)生相應(yīng)影響（負(fù)面）。此外，由于老年人群大多存在機(jī)體各組織器官功能下降、合并各類基礎(chǔ)疾病等情況，發(fā)生跌倒后，若未及時得到有效救治，勢必顯著增加其致殘、致死幾率。應(yīng)用跌倒檢測系統(tǒng)，能夠有效提高遠(yuǎn)程照料、護(hù)理服務(wù)質(zhì)量，有利于及時發(fā)現(xiàn)獨居老人跌倒發(fā)生情況，同時對明確跌倒后責(zé)任方、消除社會公眾對老年人跌倒進(jìn)行幫助的相關(guān)顧慮也具有積極作用，其最終目的均在于跌倒發(fā)生后能夠使患者第一時間獲得有效救治，從而提高其治療效果及預(yù)后[3]。

2 跌倒檢測系統(tǒng)的設(shè)計與研究

跌倒檢測系統(tǒng)是近年來信息技術(shù)研究熱點及重點方向，就其實現(xiàn)的技術(shù)手段而言，涉及運動與物理信號處理技術(shù)、移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感技術(shù)、無線通信技術(shù)等多個學(xué)科研究領(lǐng)域。跌倒檢測系統(tǒng)的工作過程主要包括：監(jiān)測目標(biāo)人群——數(shù)據(jù)采集裝置——控制裝置+通信裝置——監(jiān)護(hù)人?，F(xiàn)階段，隨著各項技術(shù)不斷發(fā)展，跌倒檢測系統(tǒng)的適用人群、應(yīng)用范圍得到有效擴(kuò)大，而其推廣難度、使用成本則隨之下降。目前常用跌倒檢測系統(tǒng)設(shè)計與研究如下。

2.1 基于智能手機(jī)的跌倒檢測系統(tǒng)

基于智能手機(jī)的跌倒檢測系統(tǒng)主要依靠智能手機(jī)Android 平臺。目標(biāo)人群將裝有跌倒檢測系統(tǒng)的Android 智能手機(jī)放置于自身胸前口袋，利用系統(tǒng)對人體活動的檢測結(jié)合全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）定位情況從而實現(xiàn)跌倒檢測目的。應(yīng)注意的是，胸部并不是人體姿態(tài)、活動狀態(tài)的最佳反應(yīng)部位，基于智能手機(jī)的跌倒檢測系統(tǒng)實際應(yīng)用價值堪憂。此外，智能手機(jī)受到工作時長和耗電量等因素限制，并不利于在跌倒檢測的實際工作中推廣使用。

2.2 基于智能家居的遠(yuǎn)程跌倒檢測系統(tǒng)

在跌倒監(jiān)測系統(tǒng)中，遠(yuǎn)程跌倒檢測報警監(jiān)測與通信系統(tǒng)兩部分都是非常重要的。肖麗等人結(jié)合通用無線分組業(yè)務(wù)（General packet radio service，GPRS）、局域網(wǎng)/城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)委員會（LAN/MAN Standards Committee，又稱為IEEE 802）標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送跌倒報警，之后將相關(guān)消息傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)頁，從而實現(xiàn)對目標(biāo)人群的遠(yuǎn)程跌倒監(jiān)護(hù)。但應(yīng)注意，基于智能家居的遠(yuǎn)程跌倒檢測系統(tǒng)的監(jiān)護(hù)范圍受到限制，不適用于在常住地房屋以外場所的目標(biāo)人群進(jìn)行遠(yuǎn)程跌倒監(jiān)護(hù)[4]。

2.3 基于視頻中圖像、聲學(xué)等信號實現(xiàn)跌倒檢測系統(tǒng)

基于視頻中圖像、聲學(xué)等信號實現(xiàn)跌倒檢測的方法，具體指通過安裝在固定地點的攝像頭獲取服務(wù)對象的運動狀態(tài)，利用圖像處理及聲學(xué)相關(guān)算法判斷服務(wù)對象是否發(fā)生跌倒。如沈秉乾等人基于傳統(tǒng)背景差分法與OpenCV 結(jié)合，提取準(zhǔn)確、完整的運動目標(biāo)輪廓后實現(xiàn)跌倒檢測。應(yīng)注意的是，盡管基于視頻中圖像、聲學(xué)等信號的跌倒檢測方法具有較高準(zhǔn)確性，但其無法確保被服務(wù)人群的個人隱私，可使用范圍窄且設(shè)備安裝復(fù)雜。因此這個方法在空間限制、安裝成本等方面也受到諸多限制。

2.4 基于傳感器的跌倒檢測系統(tǒng)

隨著近年來通信信息領(lǐng)域各類傳感器的迅猛發(fā)展，紅外線傳感器、加速度傳感器、壓力傳感器等各類傳感器已逐漸應(yīng)用于跌倒檢測技術(shù)中。其中，利用加速度計等運動傳感設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，并根據(jù)姿態(tài)數(shù)據(jù)判定老年人是否有異常行為或跌倒趨勢，已取得相應(yīng)成效[5]?？纱┐魇絺鞲衅魇乾F(xiàn)階段推廣方向較為明確的便攜式跌倒檢測設(shè)備，常用跌倒檢測算法包括K 鄰近、支持向量機(jī)、決策樹、加速信號向量幅度法以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。便攜式跌倒檢測設(shè)備嵌入微型傳感器，老年人將其佩戴在機(jī)體頸部、腳踝、腰間、手腕等部位后，一旦出現(xiàn)異常，傳感器設(shè)備即可通過肢體運動變化信號來檢測其跌倒情況。

傳感器跌倒檢測設(shè)計包括多種傳感器聯(lián)合檢測、單一傳感器檢測等不同類型。其中，多種傳感器聯(lián)合檢測采用多種傳感器監(jiān)測系統(tǒng)，利用多種傳感器完成信息采集，運用多種算法綜合分析服務(wù)對象跌倒的發(fā)生情況，判定其是跌倒異常行為還是ADL 行為，因此精確度、適應(yīng)性等均較為理想。單一傳感器檢測采用單一傳感器完成信息采集，使用單一算法分析服務(wù)對象的跌倒發(fā)生情況，雖然相較于多種傳感器聯(lián)合檢測而言精確度、適應(yīng)性均較差，但在實際應(yīng)用中能耗、成本得到顯著 控制[6]。

2.5 基于云智能的跌倒檢測系統(tǒng)

基于云智能的跌倒檢測具體指利用新型微機(jī)電系統(tǒng)（Microelectro Mechanical Systems，MEMS）實現(xiàn)跌倒檢測，其系統(tǒng)硬件主要組成部分包括通信裝置、數(shù)據(jù)采集裝置、數(shù)據(jù)接收終端以及控制裝置等。通信裝置包括雙作用模塊[全球移動通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communications，GSM）/ 通用無線分組業(yè)務(wù)（General packet radio service，GPRS）]、用戶身份識別模塊（Subscriber Identity Module，SIM）卡等；數(shù)據(jù)采集裝置包括無線收發(fā)模塊、9 軸自由度模塊以及USB 轉(zhuǎn)換器等，其中9軸自由度模塊又包括三軸磁場儀、三軸加速度計及三軸陀螺儀；數(shù)據(jù)接收裝置包括智能手機(jī)、應(yīng)用程序（Application，App）、物聯(lián)網(wǎng)云平臺（veelink）等；控制裝置包括微型控制單元AVR 單片機(jī)、電源（5 V）以及控制開關(guān)等。

3 跌倒檢測系統(tǒng)的應(yīng)用

據(jù)世界衛(wèi)生組織（World Health Organization，WHO）報道，每年在世界范圍內(nèi)因跌倒后未獲得及時救治致死人數(shù)高達(dá)約64 萬，其中多數(shù)為老年人群，分析與此類人群機(jī)體狀態(tài)差、合并癥多等有關(guān)。因此，跌倒檢測系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用初期主要目標(biāo)人群為60 歲以上老年人，其應(yīng)用場景主要為獨居老年人的生活全程、群居老年人獨自外出時間段等。

跌倒檢測系統(tǒng)的應(yīng)用原理主要為：老年人群佩戴特定設(shè)計的跌倒檢測裝置后，該裝置即可在日常生活中采集服務(wù)對象的日常生活活動數(shù)據(jù)，利用控制裝置智能算法處理相應(yīng)數(shù)據(jù)，一旦發(fā)生異常，即可觸發(fā)通信裝置并自動對監(jiān)護(hù)者發(fā)出跌倒求助數(shù)據(jù)。以基于云智能的跌倒檢測系統(tǒng)為例，其基本工作流程主要為：

（1）初始化數(shù)據(jù)采集傳感器如三軸加速度計、三軸陀螺儀；

（2）利用無線模塊對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確采集；

（3）經(jīng)由數(shù)據(jù)處理裝置完成對所采集數(shù)據(jù)的處理工作；

（4）數(shù)據(jù)處理完成后，利用控制裝置觸發(fā)無線通信裝置，對監(jiān)護(hù)者自動發(fā)送信號。

隨著跌倒檢測系統(tǒng)設(shè)計方案不斷完善，目前其在實際應(yīng)用中已逐漸由獨居老人的日常監(jiān)護(hù)，推廣至全人群的跌倒防范工作中，如存在肢體運動障礙或意識障礙等情況從而具有較高跌倒風(fēng)險的全年齡段居家人群、因慢性疾病住院患者的日常監(jiān)護(hù)等。隨著近年來人們對運動與健康的相關(guān)性日益重視，跌倒檢測系統(tǒng)已不僅局限于醫(yī)療領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，其在運動監(jiān)護(hù)中也將發(fā)揮舉足輕重的作用。

4 結(jié)語

目前多項研究均已證實，及時發(fā)現(xiàn)目標(biāo)人群（主要為年老體弱者）跌倒發(fā)生情況，對臨床醫(yī)務(wù)工作者積極為其開展針對性的救護(hù)方案、確保其臨床療效及預(yù)后、降低其致殘及致死風(fēng)險均具有積極意義。在我國人口老齡化進(jìn)程加速的大背景下，如何針對老年人群合理取舍跌倒檢測系統(tǒng)，對保障其生活質(zhì)量、降低傷殘及死亡率至關(guān)重要。

現(xiàn)階段常用的跌倒檢測系統(tǒng)主要包括基于智能手機(jī)的跌倒檢測系統(tǒng)、基于智能家居的遠(yuǎn)程跌倒檢測系統(tǒng)、基于視頻中圖像及聲學(xué)等信號實現(xiàn)跌倒檢測系統(tǒng)、基于傳感器跌倒檢測系統(tǒng)以及基于云智能的跌倒檢測系統(tǒng)等不同類型，各類型跌倒檢測系統(tǒng)均有其相應(yīng)優(yōu)劣勢。因此，在實際應(yīng)用時，預(yù)防跌倒者（如遠(yuǎn)程施護(hù)人員、家屬等）應(yīng)綜合考慮目標(biāo)人群的實際情況，為其選擇合適的跌倒檢測系統(tǒng)，以獲得更優(yōu)的跌倒檢測效果。