基于移動終端的跌倒自動檢測報警系統綜述

車綏元 郝麗娜 張嘯 豐云杰 夏慧琳*

（1.內蒙古自治區人民醫院醫學工程處，呼和浩特 010010；2.內蒙古醫科大學計算機信息學院，呼和浩特 010110；3.天津醫科大學生物醫學工程與技術學院，天津 300070）

當今，我國逐步步入老齡化社會，跌倒已成為老年人意外死亡的主要原因，占65歲以上老年人意外死亡原因的25.2%［1］，且意外跌倒死亡率隨著年齡的增長而上升。據統計顯示，在老年人跌倒造成的意外死亡中，大部分是由于跌倒后沒有得到及時的救治，受到了不必要的二次傷害。當老年人跌倒后，跌倒造成的物理損傷與心率、血壓等生理指標的劇烈變化，可能引發一些慢性疾病、心腦血管疾病的發作；而跌倒時受到的沖擊和生理參數的變化更可能讓老年人昏厥，使老年人失去自行呼救和求助的機會。此時，老年人身邊若無其他目擊者或目擊者處理不當，便有可能使老年人癱瘓或死亡。

跌倒報警裝置是一種在老年人跌倒后自行報警來通知相關醫護人員及老年人親屬的裝置，它的出現可以讓老年人在跌倒后得到及時救助，以減少因跌倒后救助不及時而對老年人造成二次傷害。

1 跌倒自動報警裝置現狀

目前跌倒檢測設備根據檢測原理主要分為：基于計算機視覺技術、音頻振動識別、可穿戴式和基于移動終端四種類型。

1.1 基于計算機視覺技術的跌倒檢測系統

該類檢測系統準確率高，通過安裝監控探頭實時監測老年人的身體姿態和運動狀態，采用智能視覺分析技術，分析人體的站立、走步、下蹲和跌倒等一系列動作角度，根據采集人體正常的運動信息設定閾值，當人體行為超出閾值時，判定為跌倒。此種方法的準確率高，在長春師范大學肖巍［3］、深圳大學金浩陽［4］的實驗中綜合準確率均可高達97%以上，但該類裝置受限于視野和光照，只能在視野足夠、特定的光照強度范圍內工作，且存在成本高昂、計算復雜、涉及使用者隱私等方面的問題。中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所的楊任兵［5］等人嘗試通過低分辨率的紅外圖像判斷是否發生跌倒，以此排除光線過亮或過暗的影響并保護使用者隱私。因此，降低了系統的準確性，判斷跌倒的準確率降到91.25%，使該檢測系統的優勢減弱。

1.2 基于音頻振動識別的跌倒檢測系統

該種裝置基于地板振動和聲學傳感，通過振動傳感器采集、處理人體運動的音頻信號和地板振動，分析判斷被監測人是否跌倒。這種檢測裝置價格較低，能較好地保護使用者隱私，同時也能解決因光線強度不同而產生的誤報或漏報問題。然而，該方法易受外界噪聲信號的干擾，誤報率比較高。雖然，目前該系統仍屬主流的檢測系統之一，但其前景不被看好。

1.3 可穿戴式跌倒檢測裝置

隨著近年來電子器件的小規模化，便攜式可穿戴跌倒檢測裝置面世。該裝置嵌入了微型加速度傳感器等，能夠佩戴在老年人的胸前、腰間、手腕、腳踝等部位［6］，解決了使用區域小、范圍局限的問題，可隨老年人移動。檢測準確度較高，適應性較強。雖然因裝置重量的限制只能配置小容量電池而經常遇到電源管理的問題，且在日常活動中始終攜帶這些設備存在不便，但綜合來看，基于可穿戴傳感器的便攜式監測系統具有廣闊的應用前景。

1.4 基于移動終端的跌倒檢測系統

近年來，智能手機已經普及且手機功能豐富、配置提高，因此基于移動終端的跌倒檢測系統也隨之問世。這種檢測系統利用手機中的陀螺儀和加速度傳感器采集人體正常運動和跌倒時的數據，構建數據集分析，原理與可穿戴式跌倒檢測裝置類似。成都理工大學張祥軍［7］設計了一款以iOS平臺為系統載體的基于三軸加速度傳感器的跌倒檢測系統，準確率可達92%；武漢科技大學李歡［8］開發的APP檢測跌倒的準確率高達94%以上；重慶大學的章攀［9］等人在Android平臺上應用基于特征值的決策樹跌倒檢測判別法綜合準確率達到了97.3%。為保證在警報觸發后接收方能迅速找到求救者的位置，便攜類跌倒檢測裝置往往會配備定位元件，基于移動終端的跌倒檢測系統則直接利用手機功能定位。Android手機定位一般有五種定位方法，不同的定位方式的準確性和耗電量也有所不同。由于該系統完全裝載于使用者的個人移動終端上，因此該系統與智能手機一樣，可隨時隨身攜帶。該系統的耐用性、抗沖擊性以及電池的續航能力取決于手機本身的性能。

2 不同種類的跌倒自動報警裝置比較及目前仍需解決的問題

2.1 不同種類的跌倒自動報警裝置比較

如表1所示，對目前市場上存在的幾類跌倒報警裝置從原理、準確率、適用范圍等方面進行對比。總結其各自優缺點發現，現有的幾類跌倒報警裝置無論是在形式、適用范圍等方面還有較大改進空間。

表1 跌倒報警裝置比較

2.2 目前仍需解決的問題

從定位方法上來說，常見的多樓層定位方法可以分為三大類：基于指紋的定位方法、基于傳感器的定位方法、以及這兩種方法相結合的方法。基于指紋的定位方法通過對比樓層指紋數據庫與用戶的實時指紋信息來確定樓層。這種室內定位技術有使用范圍廣、定位成本低等優點，但強度信息易受干擾、波動大，且容易出現離群點，導致傳統的基于指紋強度向量的聚類方式不夠穩定［10］。對于這一方法，毛萬葵［12］等人進一步提出了基于改進HC算法的WiFi室內樓層識別法，在樓層判別上比Kmeans［13］等經典算法效果更好。基于傳感器的定位方法則通過加速度或氣壓傳感器識別樓層。單一傳感器的定位方法會產生漂移誤差，且誤差隨時間的推移而累積，需要經常性校準，故一般采用多傳感器融合的方法以提高定位精度。張榜［14］等人利用慣性傳感器和氣壓計的數據，通過貝葉斯網絡算出樓層。劉元成［15］等人采集行人的加速度、磁力和氣壓等數據，基于步行者航位推算和地磁匹配融合定位樓層。由于基于指紋法的精確性不足，而基于傳感器法易產生誤差，故提出混合技術的多樓層定位方法。對于這種方法，司明豪［16］等人結合無線信號指紋與氣壓傳感器，提出了基于WiFi／氣壓計組合的樓層定位方法。

3 跌倒自動報警裝置發展前景

目前，跌倒檢測產品雖然較多，但由于人體日常動作和跌倒情況復雜多樣，現有的跌倒檢測裝置都各有優缺點。基于視頻檢測的裝置準確率較高但涉及用戶隱私，基于環境檢測的裝置雖解決了隱私侵犯的問題但誤判率相對較高，基于智能手機的檢測裝置準確率相對較好且可以隨身攜帶，可對于智能手機功能運用不熟練的老年人來說不太適用。經過綜合比較，穿戴式跌倒檢測裝置有更大的發展空間與市場前景。這種方法不受地點范圍的限制且不會侵犯使用者的隱私，并且容易與現有技術，如嵌入式技術、傳感器技術等相結合，與此同時可穿戴式的檢測裝置在檢測準確度和靈敏度等方面也相對較高，可達到更好的監測效果。現有的檢測裝置在實用性和檢測準確性等方面還有待提高。因此，只有提高跌倒檢測裝置的判斷準確率和實用性，才能使其普遍應用到老年人健康監護領域。

對于未來此類裝置的發展，應不斷改進創新，主要從以下幾點出發：

（1）裝置要向便攜化、微型化方向發展，便于檢測裝置的攜帶且不影響老年人的正常生活。

（2）裝置可以與相關科學技術相結合，使家屬或家庭醫生可以隨時了解老年人的健康狀況，從而更好地對老年人健康進行監護。

（3）裝置可以向著低功耗、低成本且操作簡單的方向發展，使得裝置適用于不同年齡段的老年人，這樣更有利于產品的普及。

4 跌倒自動報警裝置的應用范圍

4.1 敬老院的老年人

敬老院普遍面臨養老護理人員招聘難、運營成本高等問題。據統計，在養老護理人員中，一位護理人員需要同時照顧5～6位老人，甚至更多。不僅如此，其中40歲以上的從業者更是占比79.1%［17］，護理人員精力相對有限，有時無法兼顧，給每位老人配備跌倒自動檢測報警系統，在發生意外的第一時間排除險情，降低老年人錯失救助最佳時間的可能。

4.2 獨自生活的老年人、孕婦

對于獨自生活的老年人或暫時獨處的孕婦來說，自己的家中、人跡罕至的公園、巷子等地，是因跌傷后無人發現并救助而錯失最佳治療時間的高危地區，通過在智能手機（移動終端）上裝載跌倒自動檢測報警系統，即不會像穿戴式裝置一樣影響行動，又可以將這個風險降至最低。

4.3 醫院患者

統計顯示，有42%的住院患者會在跌倒中受到傷害，其中有8%的跌倒患者會受到嚴重傷害［18］，有些跌傷比較輕微，是暫時的；有些卻比較嚴重，可能與患者的其他病癥發生連鎖反應，造成不可逆的永久性損傷甚至導致患者死亡。通過應用基于移動終端的跌倒自動檢測報警系統，或可減輕醫護人員的壓力，節省其精力。

4.4 運動員

運動員在運動過程中，由于體力的消耗、代謝產物的堆積，精神狀態不佳，加之運動過程中的自我保護意識淡薄，有可能發生意外受傷，配備跌倒自動檢測報警系統可使其立即獲得救助。

5 總結

綜上所述，基于移動終端的跌倒自動檢測報警系統可以克服現有的三種主要模式的“跌倒自動檢測報警系統”所存在的一些問題：例如暴露老年人的隱私、受時間地點的限制、因為穿戴在身上而引起老年人行動的不變、設備價格高昂等。但是新的設備同時也帶來了一些新的問題，例如長時間運行會造成耗電過快、軟件占用內存等問題。隨著手機技術的發展，手機電池容量和手機內存、乃至于手機的功能性和整體性能都在隨之提高，這些問題也將隨之解決。介于前三種模式的“跌倒檢測系統”存在的缺陷，在未來，基于移動終端的跌倒自動檢測報警系統必將成為主流發展趨勢。