老年人智能手環(huán)體態(tài)識別準(zhǔn)確性試驗研究

任琦，譚軍，王娟娟，李晨，張碩

中電投工程研究檢測評定中心有限公司，北京 100142

0 引言

當(dāng)前中國已正式進(jìn)入“老齡社會”，如何實現(xiàn)健康養(yǎng)老、提高老年人的生活質(zhì)量無疑成為全社會亟待解決的難題。近年來，在科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展下，越來越多的智能化產(chǎn)品涌入老年人消費市場，切實提高了老年人的生活質(zhì)量，尤其是可穿戴智能產(chǎn)品的出現(xiàn)，更是迎來了一波購買熱潮。在眾多可穿戴產(chǎn)品中智能手環(huán)是最受老年人歡迎的產(chǎn)品之一[1]。老年人由于身體機(jī)能的不斷退化，在日常生活中極易發(fā)生跌倒事件，跌倒后如不能得到及時救治，將會給其帶來極其嚴(yán)重的傷害，甚至危及生命[2]。為此，市場上打著適老性旗號的智能手環(huán)多帶有跌倒報警功能，此功能多是根據(jù)加速度算法，計算老年人實時體態(tài)，一旦老年人發(fā)生跌倒行為，即報警給監(jiān)護(hù)人或監(jiān)護(hù)平臺，以達(dá)到保護(hù)老年人人身安全的目的。但此項功能并非像其所宣傳的那樣準(zhǔn)確，從消費者反饋來看，在日常使用中其具有一定誤報率，如使用者在做快速躺在床上或沙發(fā)上、快速蹲下等動作時，其均會發(fā)出跌倒警報，當(dāng)誤報率達(dá)到一定程度時，即會為使用者的生活帶來一定的困擾。目前，尚未有針對智能手環(huán)體態(tài)識別性能的檢測技術(shù)，但為了保護(hù)老年人的身心健康，有效提升老年人晚年的生活質(zhì)量，對智能手環(huán)的體態(tài)識別準(zhǔn)確性進(jìn)行試驗研究是非常必要的。

1 試驗內(nèi)容

1.1 跌倒分類及評估方法

跌倒這一動作是人體在無意識情況下，由于失去平衡而導(dǎo)致的身體姿態(tài)的改變，在重力的作用下，上半身通常朝向某個方向傾斜。本次試驗將人體跌倒行為分為向前跌倒、向后跌倒和側(cè)向跌倒，其中側(cè)向跌倒分為左側(cè)跌倒和右向跌倒[3]。

本次試驗的評價指標(biāo)有：準(zhǔn)確率（accuracy），見式（1）；靈敏度（sensitivity），見式（2）；特異性（specificity），見式（3）[4]。各式中，TP代表實際為跌倒行為，檢測為跌倒的實例； TN代表實際為日常行為，檢測為非跌倒實例； FN代表實際為日常行為，檢測為跌倒的實例；FP代表實際為跌倒行為，檢測為非跌倒的實例。

準(zhǔn)確率表示跌倒檢測算法正確識別的樣本個數(shù)占全部樣本的比值，計算公式如（1）所示：

靈敏度表示正確識別為跌倒的樣本占所有跌倒樣本的比值，在跌倒檢測中其值越高說明對于跌倒事件的識別性能越好，計算公式如（2）所示：

特異性表示正確識別為非跌倒的樣本占所有非跌倒樣本的比值，在跌倒檢測中其值越高說明對于非跌倒事件的識別性能越好，計算公式如（3）所示：

本試驗主要以準(zhǔn)確率作為評估的主要判斷依據(jù)，靈敏度和特異性作為輔助。其中，準(zhǔn)確率和特異性都必須從實際考慮，一般來講特異性超過95.00%即可被認(rèn)為是可以接受的結(jié)果，從實際生活場景來考慮，如果在日常行為中，每20次動作，就有一個誤報發(fā)生，則會對用戶的日常生活產(chǎn)生較大的影響。

1.2 試驗設(shè)備及人員

試驗設(shè)備：當(dāng)前市面上銷售量較高的3只智能手環(huán)（手環(huán)A、手環(huán)B、手環(huán)C，且都帶有跌倒報警功能）、仿真性試驗假人（高175cm、重65kg）、椅子、安全床墊（軟）等。

圖1 手環(huán)A

圖2 手環(huán)B

圖3 手環(huán)C

試驗人員：本次試驗因具有一定的危險性，故所招募志愿者年齡在23～49歲之間，且年齡區(qū)間分布均勻，為保證試驗結(jié)果更具科學(xué)性，選擇男女各5人，身高在163～188cm，體重在55～90kg之間，體型較勻稱。志愿者詳細(xì)情況見表1。

表1 志愿者詳情

1.3 試驗方案

為進(jìn)一步獲得更精確的試驗結(jié)果，本試驗將日常行為和跌倒行為均作為試驗內(nèi)容，從而提高了智能手環(huán)體態(tài)識別試驗的準(zhǔn)確性。本次試驗依據(jù)老年人的行為習(xí)慣，分別確定了22項日常行為和22項跌倒行為，共44項動作[5]，每項動作試驗人數(shù)為3人，試驗次數(shù)為5次/人，其中，假人每項動作15次，合計660人次參與本次試驗，具體行為詳見表2。

表2 跌倒報警準(zhǔn)確性測試表

2 假人試驗

老年人在正常生活場景下尤其時暈厥跌倒時，身體往往呈垂直跌倒?fàn)?，因暫時性失去意識，不會做一些自我保護(hù)的動作，僅在重力作用下跌倒在地面上[6-7]。但人在清醒的時候是具有主觀意識的，當(dāng)志愿者在模擬老年人跌倒時，會下意識做一些緩沖動作，尤其是垂直跌倒動作，試驗結(jié)果精度會受到一定影響。為此，我們在跌倒實驗中引入了仿真試驗假人，但因假人并不具有真人的骨骼靈活性，因此在本次試驗中，僅做垂直跌倒試驗。以試驗手環(huán)C為試驗對象，將其先后置于志愿者及實驗假人左臂，為保證志愿者安全，真人試驗加以軟墊保護(hù)，根據(jù)預(yù)設(shè)動作進(jìn)行跌倒試驗，測試結(jié)果詳見表3。

表3 假人試驗

從表中數(shù)據(jù)可以看出，在預(yù)設(shè)動作中，假人組和志愿者組手環(huán)判斷跌倒的準(zhǔn)確性存在一定的差異。真人試驗的報警率為83.3%，假人試驗組的報警率為100%。在垂直四向跌倒的動作中，前向跌倒動作假人組和志愿者組的手環(huán)跌倒識別報警準(zhǔn)確性一致，而側(cè)向及向后的動作，志愿者組有2次未能識別跌倒報警，根據(jù)志愿者描述及現(xiàn)場觀測可知，垂直向后跌倒的動作對于清醒意識的志愿者來說是具有一定挑戰(zhàn)性的。真人試驗因下意識地自我保護(hù)，會做一些緩沖動作，以此降低了跌倒的重心加速度，跌倒的加速度未能達(dá)到手環(huán)檢測的范圍，由此引起了漏報。另一方面，假人的跌倒測試更遵從實際，可以摔倒在硬地面上；為保護(hù)志愿者，真人試驗時選擇跌倒在軟墊上，而軟墊也會帶來一部分緩沖影響手環(huán)的識別判斷。從以上試驗結(jié)果可知，在上述4種跌倒行為的檢測中，試驗對象使用假人的效果更好一些，不僅可以降低志愿者的工作量，減少受傷機(jī)率，還可以提高檢測精度。

3 體態(tài)識別準(zhǔn)確性測試試驗

以所選的3只手環(huán)腕表為體態(tài)識別準(zhǔn)確性試驗樣品，分別佩戴于志愿者及試驗假人手腕處，進(jìn)行表2所示預(yù)設(shè)動作，每種試驗手環(huán)測試660次/組，包括日常行為試驗330次/組和跌倒行為試驗330次/組。其中，跌倒動作組的第4～8項試驗由假人完成，其余由志愿者完成，記錄報警數(shù)據(jù)，測試結(jié)果詳見表4。由表中數(shù)據(jù)可知，三種手環(huán)的跌倒識別能力均較強(qiáng)。其中，在跌倒試驗組中，跌倒后正確發(fā)出報警次數(shù)：手環(huán)C為307次，大于手環(huán)A的 305次，也大于手環(huán)B的 295次；在日常行為測試組中，發(fā)出發(fā)錯誤報警次數(shù)：手環(huán)B為9次大于手環(huán)A的5次，也大于手環(huán)B的3次?？梢姡?種手環(huán)可以較為明確地分辨出跌倒動作和日常動作。

表4 試驗產(chǎn)品測試結(jié)果

根據(jù)1.1節(jié)所示公式，計算出每種試驗手環(huán)對于動作識別的準(zhǔn)確率、跌倒識別的準(zhǔn)確率和對于日常行為識別的準(zhǔn)確率，計算結(jié)果詳見表5。由表中的數(shù)據(jù)可以看出，本次試驗所涉及的3種手環(huán)腕表，對佩戴者體態(tài)動作方面具有良好的識別能力，其中對于佩戴者體態(tài)變化識別能力最好的為手環(huán)C，準(zhǔn)確率可達(dá)到96.06%，其次為手環(huán)A，準(zhǔn)確率為95.45%，手環(huán)B的準(zhǔn)確率為93.33%。從試驗數(shù)據(jù)來看，3種手環(huán)的跌倒報警功能性均較強(qiáng)，對于跌倒識別的準(zhǔn)確率均在97%以上，其中手環(huán)C為99.03%，大于手環(huán)A的98.39%，也大于手環(huán)B的97.04%，漏報率較低。但在日常行為試驗組中，3種手環(huán)的識別能力較低，對于日常行為的正確識別率均在95%以下。通常來講，當(dāng)準(zhǔn)確率在95%以下時，即會對佩戴者的日常生活產(chǎn)生一定的影響。綜上，3種手環(huán)的體態(tài)識別能力較好，對跌倒行為可以做到較為精準(zhǔn)的檢測并及時發(fā)出警報通知第三方，但對于日常行為的檢測效果較差，誤報率較高。

表5 產(chǎn)品的跌倒識別能力

4 結(jié)語

本試驗對市面上銷售量及評價較好的3種帶有跌倒報警功能的智能手環(huán)進(jìn)行了體態(tài)識別性能試驗研究，通過大量的真人試驗和假人試驗，發(fā)現(xiàn)3種手環(huán)對于佩戴者的體態(tài)識別能力均較強(qiáng)，準(zhǔn)確率均可達(dá)到93%以上，對于跌倒行為的檢測也具有較好的效果，識別準(zhǔn)確率可達(dá)到97%以上，但對于日常行為的檢測能力較差，均未達(dá)到95%。由此可見，當(dāng)前我國智能手環(huán)對于佩戴者體態(tài)識別的檢測準(zhǔn)確率已經(jīng)達(dá)到了較高水平，但佩戴者在日常生活中多處在較安全的情景中，手環(huán)的誤報率高會極大地影響了佩戴者的生活，也會使得佩戴者對手環(huán)產(chǎn)生抵觸情緒。為此，希望未來智能手環(huán)的設(shè)計生產(chǎn)廠商，可以進(jìn)一步提高產(chǎn)品對日常行為檢測的準(zhǔn)確性，為老年人提供更好的使用體驗感。