蔡 靖, 樊毅堯, 董子健, 薛 琦, 高 樂, 千承輝

(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院 ，吉林 長春 130026)

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基于穿戴式平臺的老人摔倒監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計*

蔡 靖, 樊毅堯, 董子健, 薛 琦, 高 樂, 千承輝

(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院 ，吉林 長春 130026)

針對老年人跌倒傷害預(yù)防問題，基于人體軀域網(wǎng)絡(luò)可穿戴檢測平臺，設(shè)計了一種人體摔倒生理狀態(tài)檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括摔倒?fàn)顟B(tài)檢測模塊，人體生理狀態(tài)檢測模塊，GPS定位模塊以及遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)模塊等。當(dāng)老年人摔倒發(fā)生時，摔倒?fàn)顟B(tài)檢測模塊通過三軸加速度傳感器檢測，確認(rèn)摔倒后立刻與遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)平臺通信，告知監(jiān)護(hù)人，并通過穿戴式生理狀態(tài)檢測模塊實時監(jiān)測其心率信息，利用GPS定位，通過無線通信的方式將摔倒位置以及生理信息實時反饋給監(jiān)護(hù)人。實驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)可以有效監(jiān)測老人摔倒?fàn)顟B(tài)和生理狀態(tài)，對及時救助有很大的幫助，具有良好的社會意義。

穿戴式； 摔倒檢測； 生理狀態(tài)檢測； GPS定位； 遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)

0 引 言

隨著全球老齡化的加劇和老年人口的增多，老年人的健康監(jiān)護(hù)已經(jīng)成為了重要的社會問題[1]。因身體機(jī)能的下降，老年人發(fā)生摔倒的概率非常高。

摔倒是指突發(fā)、不自主、非故意的體位改變，倒在同一平面或者不同的平面上。當(dāng)前能有效監(jiān)測摔倒的技術(shù)主要分為3類：基于視頻圖像進(jìn)行分析；基于音頻信號進(jìn)行分析；便攜穿戴式的檢測方式[2]。視頻圖像分析無法保證用戶的隱私安全，音頻信號分析安裝復(fù)雜，資金投入大，穿戴式檢測裝置方便可行成本低，能夠保證較高的準(zhǔn)確性。綜合考慮各方面因素，穿戴式的老年人摔倒檢測裝置已經(jīng)成為研究的主流方法[3]。

本文設(shè)計的老年人摔倒監(jiān)測系統(tǒng)在摔倒檢測的基礎(chǔ)上，增加了對人體生理狀況的實時檢測功能、遠(yuǎn)程報警和GPS定位，并且完善了摔倒檢測算法，增加了人體正常運動姿態(tài)和摔倒姿態(tài)動態(tài)閾值設(shè)置，對于摔倒的判斷更加精確。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

當(dāng)老人摔倒發(fā)生時，微控制器對測得的加速度信息進(jìn)行判定，并通過心率測量模塊采集心電信號，計算心率；微控制器將摔倒?fàn)顟B(tài)判定結(jié)果、心率值以及GPS定位模塊采集到的位置信息發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)平臺，并報警提示[4]。

2 心率檢測模塊

心率檢測模塊采用的是功耗低準(zhǔn)確度高且較為簡單方便的單導(dǎo)聯(lián)心電測量方式，從心電電極得到的心電信號經(jīng)緩沖電路、前置放大電路、濾波電路，得到如圖2的心電信號波形[5]。

圖2 心電信號波形

以心電信號峰值幅度均值的60 %為基準(zhǔn)閾值，定位R波位置[6]，設(shè)相鄰R波峰值點的時間間隔為T0(單位(s))，則測量得到的心率f0(單位(次/min))為

即通過測量1min之內(nèi)有多少個RR間期來確定心率數(shù)[7]。

3 GPS定位模塊

GPS定位是通過GPS定位模塊與遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)平臺之間通信實現(xiàn)的，通過GPS定位，利用手機(jī)內(nèi)置的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)平臺調(diào)用百度地圖實現(xiàn)位置信息測量。

4 摔倒檢測算法設(shè)計

在日常生活中人體最基本的靜態(tài)姿勢包括：仰臥、俯臥、側(cè)臥、直坐、前傾坐、后傾坐、直立、前傾立、后傾立、蹲等情況。在研究摔倒時，將立姿身體左傾、立姿身體右傾、坐姿身體左傾、坐姿身體右傾也看作人體靜態(tài)姿勢。這幾種基本靜態(tài)姿勢之間相互組合就構(gòu)成人體的基本活動姿態(tài)，包括：躺下、趴下、起身、彎腰、坐下、起立、行走、慢跑、小跳、上樓梯、下樓梯以及摔倒。摔倒可以按摔倒方向的不同分為前向摔倒、后向摔倒、左向摔倒和右向摔倒4種情況[8]。人體在進(jìn)行這些活動時，身體的加速度和姿態(tài)角會發(fā)生變化，通過對不同動作的加速度和姿態(tài)角變化來判斷是否發(fā)生了摔倒[9]。

傳統(tǒng)的摔倒檢測算法設(shè)計都是建立在人體在同一個平面完成上述動作的基礎(chǔ)上，但是類似小跳、大跳這類動作是很有可能發(fā)生在兩個不同平面之間，單一平面判斷很容易引起摔倒誤判。

圖3 空間坐標(biāo)系

人體姿態(tài)角定義為運動過程人體與地面垂直方向的夾角，由于人體的正?；顒雍退さ箷r腰部發(fā)生的變化區(qū)別明顯，將加速度傳感器放置在腰部[11]。開始時，設(shè)人體處于直立狀態(tài)，加速度傳感器內(nèi)部陀螺儀處于與水平面垂直狀態(tài)，此時系統(tǒng)定義人體姿態(tài)角為0°。在人體運動過程中，運用單片機(jī)每tms取一次陀螺儀返回的數(shù)據(jù)，設(shè)人體正常運動Nms后陀螺儀Z軸運動到Z1位置，此時單片機(jī)連續(xù)讀出m次陀螺儀傳出的角速度值。如圖4所示：虛線部分為原始陀螺儀位置，此時Z軸與Z1軸之間的夾角為姿態(tài)角。

圖4 人體姿態(tài)角定義

設(shè)單片機(jī)在Nms內(nèi)得到的陀螺儀讀出的角速度分別為ω1，ω2，…,ωm，則有

式中 Φ為需要測量的姿態(tài)角。設(shè)

Fall={SVM>TSVM)∩(Φ>TΦ)}

式中 TSVM,TΦ分別為加速度向量幅值和人體姿態(tài)角閾值。當(dāng)Fall為1時，即可判斷，發(fā)生摔倒。

5 實驗測試與結(jié)果分析

1)正常活動的原始數(shù)據(jù)采集

圖5為人體正?；顒訙y量得到加速度向量幅值SVM參量隨時間變化的變化曲線。圖6為人體正?；顒訙y量得到的人體姿態(tài)角Φ的變化曲線。

圖5 正常活動過程中SVM變化曲線

圖6 正?；顒又校藨B(tài)角Φ變化曲線

2)摔倒時原始數(shù)據(jù)采集

摔倒過程是一個身體由直立或坐立短時間內(nèi)發(fā)生傾斜變?yōu)樘傻沟倪^程，劇烈的身體動作使各方向加速度值，人體姿態(tài)角發(fā)生顯著變化[12]。本算法將跌倒過程分為3個階段：a.還未摔倒時，人體身軀保持直立狀態(tài)，此時X軸和Y軸方向的加速度為0，Z軸方向的加速度為-g[13];b.人體身軀短時間內(nèi)發(fā)生傾斜，身體姿態(tài)變化劇烈，短時間內(nèi)3個方向的加速度都發(fā)生變化，Z軸方向的加速度變化最明顯，人體姿態(tài)角也不斷變大[14];c.摔倒發(fā)生后，人體身軀平躺、平臥或者側(cè)躺在水平地面上，Z軸方向的加速度為0，X軸和Y軸方向的加速度較大，人體姿態(tài)角為90°[15]。在這3個階段研究的基礎(chǔ)上，對前向摔倒、后向摔倒、左向摔倒和右向摔倒4種摔倒方式進(jìn)行了研究，圖7為不同方向摔倒時測量得到的加速度向量幅值SVM參量隨時間變化的曲線。圖8為人體姿態(tài)角Φ參量隨時間變化的變化曲線。

圖7 不同方向摔倒時SVM變化曲線

圖8 不同摔倒方向時姿態(tài)角Φ變化曲線

3)實驗結(jié)果分析

人體正?；顒訉嶒灁?shù)據(jù)如表1所示：N1為正常動作編號，從1至8依次為行走、慢跑、上樓梯、下樓梯、同一平面內(nèi)小跳、一個平面向另一個平面小跳、由站立到坐下再起立、由站立到仰臥(俯臥)再起身人體正常活動過程；摔倒過程的實驗數(shù)據(jù)如表2所示,N2為不同方向摔倒編號，從1至4依次為前向、后向、左向和右向摔倒。其中SVMmax為最大加速度向量幅值，Φmax為最大人體姿態(tài)角[15]。

表1 人體正?；顒訉嶒灁?shù)據(jù)

表2 摔倒過程的實驗數(shù)據(jù)

表1、表2實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較可得：設(shè)置合理人體姿態(tài)角閾值TΦ、加速度向量幅值閾值TSVM，人體活動過程中，當(dāng)人體姿態(tài)角、加速度向量幅值超過閾值時，即可判斷摔倒發(fā)生。

6 結(jié) 論

本文提出了一種基于穿戴式的老人摔倒監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計，通過對人體正?；顒优c摔倒發(fā)生時重力加速度agn、加速度向量幅值SVM以及人體姿態(tài)角Φ之間的對比，得到了一種方便實用的老人摔倒判斷方法，經(jīng)實驗證明：方法能夠有效的檢測出摔倒?fàn)顟B(tài)，及時對摔倒老人進(jìn)行救助，降低傷害，方法具有良好的經(jīng)濟(jì)價值和社會價值。

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Design of elderly tumble monitoring system based on wearable platform*

CAI Jing, FAN Yi-yao, DONG Zi-jian, XUE Qi, GAO Le, QIAN Cheng-hui

(College of Instrumentation & Electrical Engineering,Jilin University，Changchun 130026,China)

Aiming at the problems of prevention of elderly tumble damage,a wearable platform based on human area network which detects physiological status when the elderly fall down is designed.It mainly includes fall state detection module, human physiological state detection module,GPS positioning module and the remote monitoring module.When the elderly falls,the fall state detection module detects by triaxial acceleration sensor after confirm falling, the system immediately communicates with remote monitoring platform,transmit message physiological state information and GPS localization information about the elderly to the guardian by the wireless communication.The guardian can succor the elderly in time.The Experimental results show the system is effective for the elderly fall status detection and physiological condition monitoring can help for timely succor,and has good social significance.

wearable; fall detection; fall state detection; GPS positioning; remote monitoring

10.13873/J.1000—9787(2017)07—0130—04

2016—07—03

吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究項目(20150477);國家級大學(xué)生創(chuàng)新實驗計劃基金資助項目(2015650958)

TP 212.9

A

1000—9787(2017)07—0130—04

蔡 靖(1979-)，男，博士，講師，從事光電技術(shù)，穿戴式醫(yī)療儀器研究工作，E—mail:caijing1979@jlu.edu.cn。