基于電子健康的老年人跌倒檢測系統(tǒng)的研究進展

郭曉貝 王 穎 蔣夢瑤 何 梅

“健康中國2030”規(guī)劃綱要提出,要加強重點人群健康服務(wù),堅持預(yù)防為主的理念,突出解決好老年人等重點人群的健康問題[1]。我國老年人口基數(shù)大,老齡化速度快,老年人的安全與健康已成為全社會關(guān)注的焦點[2]。跌倒是指突發(fā)、不自主、非故意的體位改變,倒于地面或比初始位置更低的平面,是65歲以上老年人傷害、死亡的首位原因[3]。我國每年約有30%的老年人發(fā)生至少1次跌倒,80歲以上老年人的跌倒發(fā)生率高達50%[4]。其中,約有1/3的老年人會出現(xiàn)擦傷、腦組織損傷、骨折等傷害,甚至死亡[5-7]。跌倒已成為威脅老年人健康的重要原因,給家庭和社會帶來巨大的經(jīng)濟負(fù)擔(dān)[8]。如何精準(zhǔn)化、智能化預(yù)防老年人跌倒是重要的公共健康問題[9]?！蛾P(guān)于推進養(yǎng)老服務(wù)發(fā)展的意見》中提出[10],為積極應(yīng)對人口老齡化,提倡持續(xù)推動智慧健康養(yǎng)老產(chǎn)業(yè)發(fā)展,促進新一代信息技術(shù)和智能硬件等產(chǎn)品在養(yǎng)老服務(wù)領(lǐng)域深度應(yīng)用。電子健康(electronic health,eHealth)融合了云計算、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等信息化產(chǎn)物,是將人的健康管理與信息化、智能化融合的高級階段[11]。研究[12-13]表明,依托互聯(lián)網(wǎng)智能系統(tǒng)的eHealth以相對較低的成本提供有效的跌倒預(yù)防策略,可將跌倒發(fā)生率降低16%,跌傷率降低20%。目前,eHealth在跌倒預(yù)防領(lǐng)域的研究多聚焦于跌倒檢測系統(tǒng)和平衡功能兩方面。文章總結(jié)歸納了eHealth在不同類型跌倒檢測系統(tǒng)中的具體應(yīng)用以及eHealth相關(guān)的跌倒預(yù)防措施,旨在為進一步優(yōu)化老年人跌倒預(yù)防舉措提供相關(guān)參考。

1 概念

1.1 eHealth

eHealth是指安全高效的利用信息和通訊技術(shù)以更好地促進健康,以及相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展,包括醫(yī)療保健服務(wù)、健康監(jiān)測、健康教育以及相關(guān)研究等[14]。eHealth包含遠(yuǎn)程醫(yī)療(telehealth/telemedicine)、醫(yī)療信息系統(tǒng)、移動醫(yī)療(mobilehealth,mHealth)和醫(yī)療領(lǐng)域中的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)四部分內(nèi)容,其中移動醫(yī)療又包括移動設(shè)備、個人數(shù)字助手(PDA)、智能手表以及其它可穿戴設(shè)備或工具。

1.2 跌倒檢測系統(tǒng)

跌倒檢測系統(tǒng)是指通過科學(xué)的方法檢測老年人的跌倒動作及生理功能,并及時發(fā)出警報尋求救助,可以縮短老年人跌倒后等待救援的時間,減輕其因延遲治療帶來的不良后果[7,15]。針對老年人的跌倒檢測系統(tǒng)分為三大類:第一類是基于視頻圖形的視覺檢測系統(tǒng),主要通過相機捕捉視頻圖像信號,通過跌倒動作的圖像特征進行判斷,但存在設(shè)計復(fù)雜、價格昂貴以及圖像數(shù)據(jù)容易受光照亮度、視點、設(shè)備移動和背景等因素干擾的不足,多只能在室內(nèi)或特定場所使用;第二類是基于音頻、震動、移動軌跡的環(huán)境檢測系統(tǒng),通過獲取某種與跌倒密切相關(guān)的特征信號來判定跌倒動作的發(fā)生,老年人不用佩戴傳感器便可準(zhǔn)確獲取測量數(shù)據(jù),但只能在特定場所應(yīng)用且價格昂貴;第三類是基于各類運動傳感器的便攜式可穿戴檢測系統(tǒng),該類設(shè)備易獲取人體各項數(shù)據(jù)信息,且不受時間、空間限制,通過識別人體姿態(tài)實時檢測身體的加速度、角速度等信號特征,通過識別算法判定跌倒動作,該類型最為常見。該系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸?shù)氖侄握莆绽夏耆说奈恢眉盎顒訝顩r,實時了解突發(fā)意外狀況,以便及時應(yīng)對[16]。

2 基于eHealth的老年人跌倒檢測設(shè)備及系統(tǒng)

2.1 腰部穿戴設(shè)備

石棟等[17]將新型微機電系統(tǒng)(micro electro mechanical systems,MEMS)應(yīng)用于老年人跌倒檢測系統(tǒng),該系統(tǒng)是集傳感器、通信以及控制等先進技術(shù)于一體的云智能跌倒實時檢測裝置。胡云冰等[18]基于三軸跌倒算法和無線通信技術(shù)研制便攜式智能跌倒檢測儀,此類裝置通過采集老年人日?；顒酉嚓P(guān)數(shù)據(jù),檢測其佩戴設(shè)備后體位變化時所伴隨的加速度改變,獲得實時信號,使用支持向量機算法處理數(shù)據(jù),并通過分組無線服務(wù)技術(shù)(general packet radio service,GPRS)將數(shù)據(jù)上傳至物聯(lián)網(wǎng)云平臺進行分析,從而確定是否發(fā)生跌倒;若發(fā)生跌倒,檢測儀首先進行10 s聲光報警,若該期間未取消報警,系統(tǒng)會自動通過GPRS發(fā)送短信至指定監(jiān)護人手機進行遠(yuǎn)程報警提醒,提示其對老年人盡快干預(yù)。對測試者分別進行日常生活活動模擬測試(行走、坐下、蹲下、上樓、下樓及躺下)和各種跌倒模擬測試(向前跌倒、向后跌倒、向左跌倒及向右跌倒),經(jīng)2 000余次反復(fù)測試表明,此類跌倒檢測儀可準(zhǔn)確檢測佩戴者是否發(fā)生跌倒,并具有佩戴方便、報警準(zhǔn)確率高、穩(wěn)定性強等特點,便于推廣使用。

張彤等[19]的研究中,基于加強版STC51芯片研發(fā)跌倒報警腰部穿戴設(shè)備,當(dāng)老年人發(fā)生跌倒,觸發(fā)語音播報模塊,循環(huán)播放呼救信號以及家人聯(lián)系方式,方便家屬聯(lián)系醫(yī)院或路人施救。通過腰帶卡口的連接和摘除,來控制整個電路的閉合與斷開,防止老年人在更換衣服時誤觸警報。此外,裝置未經(jīng)觸發(fā)時,部分電路處于休眠狀態(tài),整體裝置功耗也明顯下降,經(jīng)多次驗證,該產(chǎn)品實現(xiàn)了低功耗和高精度的設(shè)計目標(biāo)。Liang等[6]研究中的跌倒檢測報警器,除上述功能外,其遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺可以監(jiān)控事件發(fā)生時間、跌倒位置、方向以及跌倒者的意識狀態(tài)等,實時觀察老年人相關(guān)狀態(tài),對18名佩戴該裝置的受試者進行預(yù)實驗,結(jié)果表明,該報警器預(yù)測跌倒準(zhǔn)確率為94.91%,靈敏度為97.22%,特異性為93.75%,對于預(yù)防老年人跌倒意義重大。

2.2 腕部穿戴設(shè)備

宋振興等[20]設(shè)計跌倒檢測智能手表,內(nèi)置安卓應(yīng)用程序,可將跌倒模式與真實跌倒相匹配,減少虛假警報情況,可有效監(jiān)測跌倒行為。智能手表的主要優(yōu)勢是其直接與護理人員/監(jiān)護人溝通,不涉及基站和集中報警系統(tǒng);此外智能手表還考慮老年人跌倒事件后的行為,分為3種類型(跌倒后無任何移動、少量移動、恢復(fù)正?；顒?,若老年人用戶在跌倒后不移動可直接發(fā)出警報并立即通知監(jiān)護人;若老年人在跌倒后能夠完全恢復(fù)活動,可自行取消警報,盡可能避免虛警信號。通過在每個房間設(shè)置信號浮標(biāo),依據(jù)iBeacon技術(shù)的藍(lán)牙設(shè)置準(zhǔn)確定位,以減少護理人員或監(jiān)護者的反應(yīng)時間,實現(xiàn)盡早干預(yù)。通過反復(fù)多次使用模擬數(shù)據(jù)和真實跌倒數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進行預(yù)實驗,測試該智能手表靈敏度為93.48%、特異性為98.54%,其準(zhǔn)確度達到96.01%,可有效保障老年人安全。

2.3 足部穿戴設(shè)備

Hegde等[21]在鞋墊中植入跌倒檢測程序Smart Step,鞋墊中包含柔性電路板和剛性電路板,各類電子組件設(shè)置于柔性印刷電路板中,對位于腳后跟、第一跖骨頭和大腳趾的力敏電阻傳感器提供連接;剛性印刷電路板通過環(huán)氧樹脂附著在柔性基板上,包含3D加速度計、陀螺儀、閃存模塊、藍(lán)牙模塊和充電電路。剛性電路板和鋰聚合物電池被封裝在足弓下的環(huán)氧樹脂中,在足弓下移動時的力最小,同時足底放置矯形泡沫提供緩沖。通過反復(fù)測試與驗證,結(jié)果表明當(dāng)穿戴Smart Step進行平躺、走路、騎自行車等13項日?；顒訒r,系統(tǒng)具有較高的準(zhǔn)確識別性,系統(tǒng)一旦識別非上述日?；顒?便自動激發(fā)報警系統(tǒng),采取跌倒應(yīng)急管理預(yù)案,對老年人提供及時的幫助;該足部穿戴設(shè)備方便、經(jīng)濟實用,適合推廣應(yīng)用。

2.4 跌倒防護氣囊

張文龍等[22]基于汽車安全氣囊的防護原理和電子技術(shù)設(shè)計了腰部佩戴的老年人跌倒防護氣囊,主要識別老年人向后跌倒或側(cè)傾的情況,當(dāng)人體距地面角度約50°時,啟動充氣裝置,當(dāng)人體離地角度變?yōu)?0°時,氣囊完全打開。多次模擬跌倒試驗結(jié)果表明,每次試驗時氣囊會在患者跌倒落地前190 ms左右完全打開,可在人體跌倒落地之前進行緩沖,避免意外跌倒導(dǎo)致的尾骨骨折或髖骨骨折等傷害,減輕跌倒傷害程度,有效保障老年人的安全。為預(yù)防腦卒中老年患者跌倒,Botonis等[23]與臨床護理人員成立團隊,研發(fā)出安全氣囊設(shè)備Wolk Hip Airbag,旨在減輕老年人跌倒后受傷程度。該設(shè)備是一種重量輕、由電池供電的腰帶,有4種尺寸可供選擇,可以穿在衣服里面。該設(shè)備包括3個固定慣性傳感器(分別位于臀部兩側(cè)和下背部)和1個機載計算單元。預(yù)試驗參與者穿著安全氣囊裝置和防護裝備驗證跌倒防護效果,結(jié)果表明該設(shè)備可以幫助腦卒中老年患者降低骨折和受傷的風(fēng)險,減輕跌倒恐懼,從而改善患者的整體健康狀況和生活質(zhì)量。

2.5 跌倒檢測智能服裝

跌倒檢測智能服裝是指模擬生命系統(tǒng)具有感知、防護與檢測等功能的服裝[24]。何粒群[25]以智能服裝設(shè)計框架為指導(dǎo),分析老年人跌倒原因和過程,使用慣性傳感器感知活動狀態(tài),獲取相關(guān)數(shù)據(jù),建立基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的跌倒檢測與預(yù)警模型,通過判斷老年人異常步態(tài)識別是否發(fā)生跌倒;通過模擬試驗,測試該模型的靈敏性和特異度均高達98%,具有較高的可行性;以服裝為載體,將跌倒檢測、預(yù)警模塊與服裝進行整合,這款面向老年人跌倒檢測與預(yù)警的智能服裝(短款直筒型馬甲),可實時測量不同運動時人體行為參數(shù),兼顧測量生命體征和用藥提醒;若患者發(fā)生跌倒,GPS系統(tǒng)和報警功能開啟,通過藍(lán)牙將數(shù)據(jù)傳遞給目標(biāo)終端,接收到老年人跌倒信號后,相關(guān)人員及時開展救援。

訚珺等[26]通過“問題闡述—需求分析—要素建立—方案形成—設(shè)計產(chǎn)品模型—評價分析—設(shè)計改進”的系統(tǒng)設(shè)計方法,基于老年人跌倒預(yù)防的功能性和審美性分析結(jié)果,采用多傳感融合模式,設(shè)計了1款舒適的跌倒防護智能服裝,集跌倒前的生理指標(biāo)監(jiān)測、障礙物提醒預(yù)警,跌倒時的減震緩沖、降低摩擦損傷、保護皮膚,跌倒后的GPS定位、自動信息通訊等功能為一體,實現(xiàn)老年人跌倒的檢測和救援。

2.6 基于智能手機的跌倒檢測系統(tǒng)

智能手機嵌有不同功能的傳感器,可實現(xiàn)跌倒檢測和救助通信的功能。使用者不必攜帶額外的設(shè)備,可利用已有設(shè)備結(jié)合手機內(nèi)置的無線定位裝置,便于確定用戶跌倒位置[27-28]。馬婷婷[29]的研究基于深度攝像頭及智能手機設(shè)計了跌倒檢測系統(tǒng),通過HON4D+特征提取算法對深度攝像頭捕捉的信息進行實時分析,獲得用戶的運動特征,再通過使用支持向量機的決策機制,精確識別出跌倒和日常生活動作,并在跌倒發(fā)生后通過撥打電話和發(fā)送短信將跌倒信息傳送給監(jiān)護人,并傳輸相應(yīng)跌倒畫面,便于監(jiān)護人確認(rèn)跌倒情況并及時救助老年人,該系統(tǒng)的靈敏度為95.83%,特異度為93.75%,準(zhǔn)確度高達94.05%。蔡耀萱[30]基于智能手機設(shè)計跌倒檢測識別系統(tǒng)。根據(jù)旋轉(zhuǎn)模式分量、姿態(tài)角融合算法和時序跌倒算法,設(shè)置初始模塊、跌倒檢測模塊和報警求助模塊,在智能手機的不同放置位置如腕部、腰部、口袋等部位選用不同的特征子集構(gòu)建模型,形成人體跌倒檢測識別的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集。用戶在跌倒檢測模塊注冊后即可使用,經(jīng)過數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)預(yù)處理、提煉選取數(shù)據(jù)特征、佩戴位置識別、跌倒檢測等一系列操作流程,系統(tǒng)自動分析老年人的行為情況,從而判斷是否發(fā)生跌倒;一旦發(fā)生跌倒,便立即跳轉(zhuǎn)到報警求救模塊,利用GPS定位功能獲取老年人位置信息,并以短信形式發(fā)送給緊急聯(lián)系人。

3 eHealth在老年人跌倒預(yù)防中的應(yīng)用

研究[31-32]顯示,國外基于信息技術(shù)eHealth的干預(yù)方案多涉及運動鍛煉,通過虛擬現(xiàn)實、任天堂電子游戲、StandingTall應(yīng)用程序、Balance方案以及Safe Step程序等預(yù)防跌倒新形式,激發(fā)老年人對自身跌倒預(yù)防的積極性,提高其跌倒預(yù)防的依從性,改善老年人的反應(yīng)能力、反應(yīng)速度及身體的穩(wěn)定性,提高其肢體協(xié)調(diào)能力,進而改善老年人平衡功能和步態(tài)穩(wěn)定性,從而有效預(yù)防跌倒發(fā)生。國內(nèi)在該領(lǐng)域尚處于探索階段,多局限于可穿戴式跌倒檢測設(shè)備的研究,建議借鑒國外的干預(yù)方案探索適合我國基于eHealth的跌倒預(yù)防干預(yù)策略,有效保障老年人安全。

3.1 虛擬現(xiàn)實(virtual reality,VR)

研究[33-34]表明,基于VR的程序?qū)ι眢w、認(rèn)知和感覺資源提供了更現(xiàn)實的刺激,從而幫助改善個體的適應(yīng)性行為,防止日常生活中跌倒事件。 Mirelman等[33]將VR技術(shù)與跑步機運動鍛煉結(jié)合起來預(yù)防老年人跌倒。該研究團隊在5個國家(比利時、以色列、意大利、荷蘭和英國)的5個臨床中心選取303名有跌倒史的老年人進行隨機對照試驗,試驗組接受6周的跑步機訓(xùn)練+ VR系統(tǒng)干預(yù),VR系統(tǒng)可通過動作捕捉攝像機將老年人跑步動作投影在大屏幕上,并通過計算機生成的模擬畫面,模擬其可能的跌倒風(fēng)險,對照組只接受單獨跑步機訓(xùn)練。干預(yù)周期6個月,試驗組的跌倒發(fā)生率明顯低于對照組。Mascret等[31]將VR頭盔(一種完全覆蓋眼睛的頭盔顯示器,以獲得沉浸式的三維體驗)應(yīng)用于老年人跌倒預(yù)防項目中,使老年人感知到現(xiàn)存跌倒風(fēng)險以及不同場景下跌倒預(yù)防的正確措施,并驗證其具有較好的接受度及感知有用性、易用性、依從性,減少跌倒發(fā)生次數(shù),便于推廣應(yīng)用,該技術(shù)對于預(yù)防老年人跌倒具有重要意義。

3.2 運動游戲

Boon等[35]選取80名老年人在健身房實施相關(guān)運動干預(yù),試驗組采用任天堂的運動游戲干預(yù),每周進行1 h的心血管訓(xùn)練、阻力訓(xùn)練、健身操和平衡訓(xùn)練等,對照組實施常規(guī)健身房鍛煉,該研究證實了基于電子游戲的運動鍛煉項目可有效改善老年人平衡功能和跌倒恐懼水平。 Padala等[36]互聯(lián)網(wǎng)專家也采用了以任天堂運動游戲(Wii-Fit)為主導(dǎo)的互動視頻游戲,研究團隊對30名患有輕度老年癡呆癥的老年人實施了包括瑜伽、力量訓(xùn)練、有氧運動、平衡游戲和復(fù)雜鍛煉任務(wù)的8周干預(yù),結(jié)果表明Wii-Fit項目有效提高了老年人的平衡功能,降低其跌倒恐懼水平,減少了跌倒發(fā)生的風(fēng)險。StandingTall是1款基于家庭的電子健康平衡鍛煉應(yīng)用程序,基于老年人需求而設(shè)置的便于操作的界面[37]。Delbaere等[13]選取226名老年人展開干預(yù),在對照組接受健康促進教育項目和常規(guī)護理的基礎(chǔ)上,干預(yù)組在對照組基礎(chǔ)上采取基于行為改變策略,指導(dǎo)老年人使用平板電腦中的StandingTall軟件結(jié)合相關(guān)運動器材(瑜伽墊、踏步板等)進行平衡練習(xí),持續(xù)追蹤24個月后老年人的平衡功能顯著改善,有效降低了跌倒發(fā)生率和跌倒傷害率。Schooten等[12]隨機選取518名有跌倒史的老年人實施跌倒預(yù)防措施,對照組實施預(yù)防跌倒知識健康指導(dǎo),干預(yù)組在對照組的基礎(chǔ)上實施基于StandingTall軟件的個性化跌倒預(yù)防措施,除平衡運動外,輔以認(rèn)知行為訓(xùn)練以及認(rèn)知功能訓(xùn)練等,具體包括站立平衡、踏步、轉(zhuǎn)移等,提高老年人的健康素養(yǎng)和身體平衡水平,有效降低了老年人跌倒發(fā)生率。

Gaspar等[38]在為有跌倒風(fēng)險和平衡障礙的人開發(fā)了基于數(shù)字醫(yī)療的干預(yù)方案“Balance”,通過提供在線互動、康復(fù)問卷、平衡練習(xí)教程視頻和患者記錄的練習(xí)視頻,旨在為平衡性失調(diào)和有跌倒風(fēng)險的老年人提供指導(dǎo)。將其應(yīng)用于慢性疾病老年人開展試點研究,通過遠(yuǎn)程監(jiān)測,可早期識別患者平衡障礙,指導(dǎo)其積極鍛煉以改善平衡功能,從而降低患者跌倒風(fēng)險。Mansson等[39]開發(fā)了1款適用于智能手機或電腦的自我管理數(shù)字網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序,旨在通過以老年人能夠認(rèn)同的方式開展練習(xí),提供行為改變支持和虛擬物理治療師,來支持用戶并提高依從性。選取67名老年人開展研究,結(jié)果表明對照組由于缺乏隨訪和真實的場景指導(dǎo),依從性不佳;試驗組跌倒預(yù)防依從性以及運動鍛煉的積極性均高于對照組。

4 小結(jié)

隨著大數(shù)據(jù)時代的發(fā)展及智慧健康養(yǎng)老產(chǎn)業(yè)的持續(xù)推行,以eHealth為核心的智慧養(yǎng)老服務(wù)是社會發(fā)展的必然趨勢。文章基于eHealth的內(nèi)涵,從可穿戴跌倒檢測設(shè)備、跌倒檢測智能服裝以及基于智能手機的跌倒檢測系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實、任天堂游戲等綜述了eHealth在老年人跌倒檢測以及跌倒預(yù)防方案的應(yīng)用進展,構(gòu)建跌倒預(yù)防與智慧養(yǎng)老相結(jié)合的新局面,為進一步探索預(yù)防老年人跌倒的移動化、智能化新形式提供參考。然而,目前雖已設(shè)計出具備不同功能、不同類型的基于eHealth的跌倒檢測系統(tǒng),但多為小范圍實踐,未來需通過大樣本的驗證和比較,了解老年人應(yīng)用體驗和跌倒預(yù)防效果。醫(yī)院管理者可借鑒跌倒防護氣囊和跌倒檢測服裝原理,設(shè)計住院跌倒高風(fēng)險老年患者的專用病員服,保障住院患者安全。此外,eHealth相關(guān)的跌倒預(yù)防干預(yù)策略的相關(guān)研究多集中于國外,我國研究人員可以借鑒國外基于eHealth開展跌倒預(yù)防實踐,探索適合我國跌倒高風(fēng)險人群,如帕金森、腦卒中等患者的干預(yù)策略,激發(fā)老年患者參與跌倒預(yù)防的主動性,提高預(yù)防跌倒依從性,改善老年人平衡功能,減少跌倒事件的發(fā)生。同時,通過多學(xué)科合作,積極促進護理人員與互聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人員的知識和技術(shù)融合,從而持續(xù)開發(fā)并推廣eHealth的相關(guān)產(chǎn)品和干預(yù)方案,以期建立更智能、便捷、精準(zhǔn)、個性的老年人跌倒預(yù)防新策略,以有效保障老年人安全。