跌倒监测系统研究及应用

李 平，黄同成，曾文飞，胡俣华，段 顼

（1.邵阳学院 机械与能源工程学院，湖南 邵阳 422000；2.湘西南农村信息化服务湖南省重点实验室，湖南 邵阳 422000）

0 引言

跌倒是导致人们伤残的主要原因之一，若跌倒后病情较重甚至可能造成死亡。由于人体随着年龄增长，各组织器官功能呈不同程度下降趋势，因此老年人群因机体功能降低，加之各种急慢性疾病共同作用，跌倒发生风险势必增加。一旦跌倒，或将对其生活质量、生命安全造成严重威胁[1]。跌倒检测系统是近年来信息技术研究的热点及重点方向，就其实现的技术手段而言，涉及运动与物理信号处理技术、移动网络技术、传感技术、无线通信技术等多个学科研究领域。基于此，本文将着重围绕跌倒检测系统的设计及应用等方面进行详细论述，为今后完善此类系统设计方案、提高其实际应用价值提供可靠参考依据。

1 跌倒检测系统的意义

跌倒是导致人们伤残的主要原因之一，据世界卫生组织（World Health Organization，WHO）报道，在世界范围内，每年因跌倒后未获得及时救治致死人数高达约64 万，其中多数为老年人群。据统计，我国自2004 年至2012 年，老年人口所占比例由过去的7.6%上升到14.3%，我国老年人口数量在2013 年已突破2 亿大关，预计2025 年将达到3 亿。

人们因维持生存、适应环境等目的而进行的基础性、重复性、共性的活动称为日常活动（Activities of Daily Living，ADL），如行走、静躺、静坐等。跌倒是导致我国老年人群ADL 中伤亡的主要危险因素之一，也是导致意外伤亡的全球性公共卫生问题。有研究认为，随着年龄增加，人体在日常活动中发生跌倒的风险呈显著上升趋势。我国65 岁以上老年人群中，每年发生跌倒的几率约为33%，而在80 周岁以上老年人群中，跌倒发生率则高达50% 左右[2]。

近年来，我国人口老龄化进程逐年加速。有资料预计，至2030 年，我国空巢老人比例将占老年家庭比例90%左右。我国老龄工作委员会办公室调查数据显示，现阶段养老床位缺失问题严重，平均每50 名老年人拥有养老床位不到一张。因此，如何针对空巢老年人提供切实有效的照料、护理工作，已成为现阶段社会亟须解决的主要问题之一。此外，由于媒体报道及社会各方过度解读，老年人在公共场所跌倒后出现了“扶不扶”的争议。因此，即便旁人及时发现部分老年人跌倒，仍无法获得机体的损伤情况从而作出相应的处理。

跌倒是目前已知导致老年人群残疾甚至死亡的常见危险因素，即便跌倒仅造成轻微伤，也将对此类人群的正常生活产生相应影响（负面）。此外，由于老年人群大多存在机体各组织器官功能下降、合并各类基础疾病等情况，发生跌倒后，若未及时得到有效救治，势必显著增加其致残、致死几率。应用跌倒检测系统，能够有效提高远程照料、护理服务质量，有利于及时发现独居老人跌倒发生情况，同时对明确跌倒后责任方、消除社会公众对老年人跌倒进行帮助的相关顾虑也具有积极作用，其最终目的均在于跌倒发生后能够使患者第一时间获得有效救治，从而提高其治疗效果及预后[3]。

2 跌倒检测系统的设计与研究

跌倒检测系统是近年来信息技术研究热点及重点方向，就其实现的技术手段而言，涉及运动与物理信号处理技术、移动网络技术、传感技术、无线通信技术等多个学科研究领域。跌倒检测系统的工作过程主要包括：监测目标人群——数据采集装置——控制装置+通信装置——监护人。现阶段，随着各项技术不断发展，跌倒检测系统的适用人群、应用范围得到有效扩大，而其推广难度、使用成本则随之下降。目前常用跌倒检测系统设计与研究如下。

2.1 基于智能手机的跌倒检测系统

基于智能手机的跌倒检测系统主要依靠智能手机Android 平台。目标人群将装有跌倒检测系统的Android 智能手机放置于自身胸前口袋，利用系统对人体活动的检测结合全球定位系统（Global Positioning System，GPS）定位情况从而实现跌倒检测目的。应注意的是，胸部并不是人体姿态、活动状态的最佳反应部位，基于智能手机的跌倒检测系统实际应用价值堪忧。此外，智能手机受到工作时长和耗电量等因素限制，并不利于在跌倒检测的实际工作中推广使用。

2.2 基于智能家居的远程跌倒检测系统

在跌倒监测系统中，远程跌倒检测报警监测与通信系统两部分都是非常重要的。肖丽等人结合通用无线分组业务（General packet radio service，GPRS）、局域网/城域网标准委员会（LAN/MAN Standards Committee，又称为IEEE 802）标准发送跌倒报警，之后将相关消息传送至远程监控网页，从而实现对目标人群的远程跌倒监护。但应注意，基于智能家居的远程跌倒检测系统的监护范围受到限制，不适用于在常住地房屋以外场所的目标人群进行远程跌倒监护[4]。

2.3 基于视频中图像、声学等信号实现跌倒检测系统

基于视频中图像、声学等信号实现跌倒检测的方法，具体指通过安装在固定地点的摄像头获取服务对象的运动状态，利用图像处理及声学相关算法判断服务对象是否发生跌倒。如沈秉乾等人基于传统背景差分法与OpenCV 结合，提取准确、完整的运动目标轮廓后实现跌倒检测。应注意的是，尽管基于视频中图像、声学等信号的跌倒检测方法具有较高准确性，但其无法确保被服务人群的个人隐私，可使用范围窄且设备安装复杂。因此这个方法在空间限制、安装成本等方面也受到诸多限制。

2.4 基于传感器的跌倒检测系统

随着近年来通信信息领域各类传感器的迅猛发展，红外线传感器、加速度传感器、压力传感器等各类传感器已逐渐应用于跌倒检测技术中。其中，利用加速度计等运动传感设备进行数据收集，并根据姿态数据判定老年人是否有异常行为或跌倒趋势，已取得相应成效[5]。可穿戴式传感器是现阶段推广方向较为明确的便携式跌倒检测设备，常用跌倒检测算法包括K 邻近、支持向量机、决策树、加速信号向量幅度法以及人工神经网络等。便携式跌倒检测设备嵌入微型传感器，老年人将其佩戴在机体颈部、脚踝、腰间、手腕等部位后，一旦出现异常，传感器设备即可通过肢体运动变化信号来检测其跌倒情况。

传感器跌倒检测设计包括多种传感器联合检测、单一传感器检测等不同类型。其中，多种传感器联合检测采用多种传感器监测系统，利用多种传感器完成信息采集，运用多种算法综合分析服务对象跌倒的发生情况，判定其是跌倒异常行为还是ADL 行为，因此精确度、适应性等均较为理想。单一传感器检测采用单一传感器完成信息采集，使用单一算法分析服务对象的跌倒发生情况，虽然相较于多种传感器联合检测而言精确度、适应性均较差，但在实际应用中能耗、成本得到显著 控制[6]。

2.5 基于云智能的跌倒检测系统

基于云智能的跌倒检测具体指利用新型微机电系统（Microelectro Mechanical Systems，MEMS）实现跌倒检测，其系统硬件主要组成部分包括通信装置、数据采集装置、数据接收终端以及控制装置等。通信装置包括双作用模块[全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications，GSM）/ 通用无线分组业务（General packet radio service，GPRS）]、用户身份识别模块（Subscriber Identity Module，SIM）卡等；数据采集装置包括无线收发模块、9 轴自由度模块以及USB 转换器等，其中9轴自由度模块又包括三轴磁场仪、三轴加速度计及三轴陀螺仪；数据接收装置包括智能手机、应用程序（Application，App）、物联网云平台（veelink）等；控制装置包括微型控制单元AVR 单片机、电源（5 V）以及控制开关等。

3 跌倒检测系统的应用

据世界卫生组织（World Health Organization，WHO）报道，每年在世界范围内因跌倒后未获得及时救治致死人数高达约64 万，其中多数为老年人群，分析与此类人群机体状态差、合并症多等有关。因此，跌倒检测系统的开发与应用初期主要目标人群为60 岁以上老年人，其应用场景主要为独居老年人的生活全程、群居老年人独自外出时间段等。

跌倒检测系统的应用原理主要为：老年人群佩戴特定设计的跌倒检测装置后，该装置即可在日常生活中采集服务对象的日常生活活动数据，利用控制装置智能算法处理相应数据，一旦发生异常，即可触发通信装置并自动对监护者发出跌倒求助数据。以基于云智能的跌倒检测系统为例，其基本工作流程主要为：

（1）初始化数据采集传感器如三轴加速度计、三轴陀螺仪；

（2）利用无线模块对实验数据进行准确采集；

（3）经由数据处理装置完成对所采集数据的处理工作；

（4）数据处理完成后，利用控制装置触发无线通信装置，对监护者自动发送信号。

随着跌倒检测系统设计方案不断完善，目前其在实际应用中已逐渐由独居老人的日常监护，推广至全人群的跌倒防范工作中，如存在肢体运动障碍或意识障碍等情况从而具有较高跌倒风险的全年龄段居家人群、因慢性疾病住院患者的日常监护等。随着近年来人们对运动与健康的相关性日益重视，跌倒检测系统已不仅局限于医疗领域的推广应用，其在运动监护中也将发挥举足轻重的作用。

4 结语

目前多项研究均已证实，及时发现目标人群（主要为年老体弱者）跌倒发生情况，对临床医务工作者积极为其开展针对性的救护方案、确保其临床疗效及预后、降低其致残及致死风险均具有积极意义。在我国人口老龄化进程加速的大背景下，如何针对老年人群合理取舍跌倒检测系统，对保障其生活质量、降低伤残及死亡率至关重要。

现阶段常用的跌倒检测系统主要包括基于智能手机的跌倒检测系统、基于智能家居的远程跌倒检测系统、基于视频中图像及声学等信号实现跌倒检测系统、基于传感器跌倒检测系统以及基于云智能的跌倒检测系统等不同类型，各类型跌倒检测系统均有其相应优劣势。因此，在实际应用时，预防跌倒者（如远程施护人员、家属等）应综合考虑目标人群的实际情况，为其选择合适的跌倒检测系统，以获得更优的跌倒检测效果。