CN101650869B - 一种人体摔倒自动检测并报警的装置及其信息处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种人体摔倒自动检测并报警的装置及其信息处理方法，该装置由移动设备和远程警报处理终端两部分组成；所述移动设备包括中央信息处理器，其输入端经A/D转换器与三轴加速度感器电联接，采集使用者上躯干部位的三维加速度信息，并对信息进行融合处理，综合人体所受冲击和冲击前后上躯干倾斜角度来判断人体是否摔倒，在判断摔倒级别的冲击发生时，使用加速度≥阀值3.5g为标准。如果使用者摔倒并且需要救助，则将摔倒信息发送给远程警报处理终端。本发明对人体摔倒检测具有高检出率、低误判率的特点，对多冲击式摔倒和滚落式摔倒的检测仍然有效，可应用于为老年人、病人、危险作业人员等在摔倒后的救援工作。

Description

一种人体摔倒自动检测并报警的装置及其信息处理方法

技术领域：

本发明涉及人体运动行为、状态等的监控和识别，检测方法、报警系统及其信息处理方法，具体涉及人体摔倒自动检测并报警的装置及其信息处理方法。

背景技术：

老年人摔倒问题具有发生率高、住院率高、死亡率高等突出特点，引起了诸多学者的广泛关注。根据世界疾病控制与预防组织统计，世界上超过65岁的老人，每年有1/3会摔倒，其中有一半为再发性摔倒，摔倒率随年龄增长而增长；摔倒的老年人中有20％-30％的人发生中度和重度损伤(髋骨骨折和头创伤)，60％活动受限或不能活动，造成巨大的医疗负担和健康伤害。而目前中国社会60岁以上老人所占的人口比例已经超过10％，已经真正成为人口老龄化国家，据专家预测在本世纪中叶将超过30％，由老年人摔倒带来的健康伤害和医疗损失正在与日俱增。例如：据我国上海市在2008年11月公布的一项全市意外伤害及死亡原因调查分析数据显示：位列第四的意外伤害中老年人摔倒占了一半左右。

面对日益增多的老年人口数量，减小老年人以及病人摔倒带来的伤害问题已成为国际上新的研究热点。医学研究标明：对于已经摔倒的老人，救助等待时间的长短直接决定了患病的程度和医疗成本的高低。目前，国内外已有一些类似的基于三轴加速度传感器的检测装置，但是很多检测算法没有充分考虑到人体运动行为特点等原因，使得误判率较高，尤其是与跑、跳、蹲下、起立、坐下、躺下等动作难以区分，并且尚未考虑到多冲击性摔倒等特殊方式的摔倒。例如，专利200320100468.5，200620075599.6，200620003000.8，200620070055.6使用传感器来判断身体倾斜程度来确认人体位姿是否已经从直立变为水平，此法不利于区分弯腰、躺下等行为。专利200320100468.5，将垂直状态传感器放于手机的底部，同样只采用倾斜检测，而且大大限制了手机的放置位置，不方便使用。专利200720125141.1采用了一个三轴加速度传感器来检测人体加速度和倾斜角，在身体倾斜超过40度角的时候报警，或者在加速度大于1.5g的时候报警，但是这种方法在实用中误判率较大，例如快速行走时的加速度经常超过1.5g，而弯腰等动作也可以使躯干倾斜超过40度角；这种方法虽然检出率比较高，但是误判率也较高，无法将摔倒与跑跳、弯腰等动作区分。日本专利JP 2008-535055A的设计思路与200720125141.1类似。专利200720097622.6解决了使用者定位问题，而并没有对摔倒检测方法进行改进。

发明内容：

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的，是提供一种轻巧廉价的人体摔倒自动检测并报警的装置及其信息处理方法，它可以通过自动检测人体上躯干部位的三维加速度信息从而计算出躯干倾斜度、判断所受冲击大小，从而融合人体受到的冲击、冲击前后一段时间内的上躯干倾斜角之间的关系，正确判断人体是否摔倒以及是否需要求救，并且对于多冲击性摔倒、滚落式摔倒等破坏性较大的特殊摔倒方式的检测仍然敏感。同时具备定位功能、用户可自主发送急救信号以及取消急救的功能。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的装置系统分为两部分：

1)移动设备：包括三轴加速度传感器、A/D转换器、手动急救开关、中央信息处理器、数据存储器、定位系统和无线信号发射装置。所述中央信息处理器的输入端经A/D转换器与加速度感器电联接，所述加速度传感器为三轴加速度传感器。所述中央信息处理器与手动急救开关电联接，与定位系统互联，其输出端与无线信号发射装置联接。移动设备体积小、质量轻，可放置于上衣口袋中，亦可佩戴于人体上躯干部位(颈部以下、腰部以上的躯干部位)。其中三轴加速度传感器用来同步采集人体运动的加速度信息。中央信息处理器将经A/D转换后的数字信号进行融合处理，判断人体是否摔倒，当确认摔倒发生后，判断使用者是否有能力自行恢复，如果没有，则产生急救信号，并与使用者的定位信息一起由无线信号发射装置发出。急救开关与中央信息处理器相连，具有人为触发急救信号以及消除报警信号的功能。

2)远程报警处理终端：包括无线信号接收装置、医疗机构报警终端以及其他机构报警终端。远程报警处理终端可以同时管理多个老年人携带的移动设备，其安装地点可有管理人员决定。例如：可以放在老年人或病人家里，也可以放在某些公共服务地点，比如医院、急救处等，还可以安置在矿井或火灾现场的安全监控地点等。无线信号接收装置接收移动设备发射来的急救信号和定位信息，之后，由医疗机构报警终端和其他机构报警终端(例如使用者的家属)处理报警需求。

对本发明的有关器件和信息处理分述如下：

1、三轴加速度传感器的配置：

人体上躯干坐标系Oxyz随人体运动而变化，与人体上躯干保持相对位置不变，坐标原点O为移动设备的佩戴点；当人体上躯干直立时，坐标系Oxyz与地面参考坐标系OXYZ平行。加速度传感器检测人体上躯干部位的前后(x轴)、左右(y轴)、上下(z轴)方向的加速度a_x、a_y、a_z；故，合加速度a可由下式计算得到： $a=\sqrt{{a_x}^2+{a_y}^2+a_z^2}$

2、信息处理方法

本发明将三轴加速度传感器采集的数据经A/D转换后送入中央信息处理器，实时判断使用者是否摔倒，并辨别是否需要自动报警。发明者对国内外学者的多次实验及本装置的实体实验进行了统计，得到：普通人日常生活时的一般动作行为，例如走、坐立、躺下等，其上躯干部位的合加速度a一般不大于3g，而摔倒时加速度的峰值一般高于3.5g，有的甚至高于12g，故本装置在判断摔倒级别的冲击时，使用阀值3.5g，如果a≥3.5g，则判断其为摔倒级冲击；当然，跑跳等行为的加速度峰值也经常会超过这个阀值，故为更好地区别摔倒动作与其他动作行为，进一步减小误判率，并且同时检测多冲击性摔倒和滚落式摔倒等，必须综合考虑摔倒时带来的冲击、冲击前后一定时间内上躯干的倾斜角度(上躯干与竖直方向的夹角)。其方法为：第一步，实时监测加速度信息，检测冲击，当发现首次冲击时，记录其发生时刻t₁，计算(t₁-1)秒时刻人体上躯干相对于竖直方向的倾斜角度θ₁。第二步，记当前冲击(距离当前时刻最近的一次冲击)的发生时刻为t₂；检测当前冲击后两秒钟内是否有新的冲击出现，如果有，则继续检测当前冲击后两秒内是否有新的冲击，循环此过程，直到在时间t₂到(t₂+2)秒之间没有新的冲击出现，然后计算(t₂+2)时刻人体上躯干偏离竖直方向的倾斜角度θ₂。第三步，验证θ₁与θ₂是否符合摔倒判别条件，分为两种情况：如果θ₁＜30°、θ₂＞70°，则判定人体从竖直方向致水平方向摔倒；如果θ₁＞70°、θ₂＞70°，则判定为滚落式摔倒，例如：从楼梯滚落，从床上滚落；如果角度条件不符合，则返回第一步开始新的检测过程。

当系统确认使用者已经摔倒后，接下来开始判断是否需要自动报警：如果使用者在一段时间内(设定为20秒～2分钟比较合适)没有明显活动，则判定其已经失去行动能力或是失去意识，则自动报警；如果有明显活动，则判定无需自动报警。但是，无论系统是否自动报警，此次摔倒过程中的动力学数据(加速度数据)均会存储于数据存储器中，以供后来分析老年人或病人的摔倒过程及身体健康状况等。

另外，移动装置上设有手动急救开关，用户可以自行报警或者解除当前报警信号。

3、信号发送与接收装置

本部分可视不同需求采取不同的配套装置，例如：普通无线传输设备、GSM、CDMA等等。也可以按照需要添加定位系统，例如GPRS等。

4、器件选型

使用的加速度计参数要求：工作频率不低于100Hz，并且要有足够的抗振、抗冲击性；量程在±6-10g(g为地球表面重力加速度)之间比较合适一般人以及老年人、病人；如果用于警务人员、消防人员、军人等运动比较剧烈的人员，量程可以视工作需要增大，例如±15g，±18g。本发明中可以采用三轴加速度传感器，也可以采用双轴加速度传感器与单轴加速度传感器的组合、以及三个单轴加速度传感器的组合。可以采用Freescale的MMA7260Q、MMA7260QT、MMA7331L、MMA7341L、MMA7361L、MMA6271QT、MMA6280QT、MMA7261QT、MMA6281QT、MMA7330L、MMA7340L、MMA7360L、MMA7455L、MMA7456L；BOSCH的SMB365；AD的ADXL320、ADXL321；VTI的SCA3000-E04等。

中央信息处理器中微处理器的种类可以有多种选择，可采用微处理器MCU、可编程控制器PLC、数字信号处理器DSP，但是必须满足以上加速度传感器及角速度传感器的工作参数要求。可以采用ATMEL的AT91SAM7系列、AT91SAM9系列、AVR ATMAGE系列；Nxp的LPC21xx系列、LPC22xx系列；ST的STR7xx系列、STR9xx系列、STM32系列；Laminary的Lm35系列；Silicon的C8051F系列；Freescale的MC68HC系列；TI的MP430系列、TMS320V5xx系列；等。

数据存储器，要求存储量应大于等于1G，如果长时间观察病人行动情况则应选择更大存储量的器件。可以选择固化在电路板上的存储芯片，但是为了方便读取数据，可以选择闪存卡，例如：SmartMedia(SM卡)、Compact Flash(CF卡)、MultiMediaCard(MMC卡)、Secure Digital(SD卡)、MiniSD卡、MacroSD卡，Memory Stick(记忆棒)、XD-Picture Card(XD卡)和微硬盘(MICRODRIVE)。

定位系统视需求和经济约束而定，例如GPS系统等。在居家环境、医疗场所等室内环境中，也可以选择不使用定位系统。

本发明装置针对人体运动行为设计，能够及早检测出人体摔倒并向有关部门或相关人员报警，故可以在一定程度上减少由于老年人及病人因摔倒带来的伤害以及医疗开支；减少医疗保障系统和老年人家属的医护负担；尤其对于独居老人，具有较为重要的应用价值。

本发明的有益效果：本发明装置系统可以区分使用者跑、走、坐、立、蹲下、躺下等行为与摔倒行为，对多冲击性摔倒、滚落式摔倒仍然敏感；具有高检出率，低误判率的特点；并且，自动报警装置可在判断人体行动能力后决定是否需要求救，可以很大程度上避免盲目报警带来的损失。本发明可以用于老年人及病人的摔倒行为检测，同时也可以用于矿井工人、消防员等危险作业人员的安全报警需要。本发明能够及早检测出人体摔倒事故并向有关医疗部门及相关人员报警，故可以在一定程度上减少由于老年人及病人因摔倒带来的伤害以及医疗开支；减少医疗保障系统和老年人家属的医护负担；尤其对于独居老人，具有较为重要的应用价值。

附图说明

下面结合附图，对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。

图1为本发明的总体结构示意图；

图2是人体坐标系选取、加速度传感器配置位置及检测方向示意图；

图3是检测使用者是否已经摔倒的方法示意框图；

图4是判断是否需要自动报警、以及报警方法示意框图。

具体实施方式

参见图1，本发明的人体摔倒自动检测报警系统由移动设备108和基站112组成；移动设备108包括三轴加速度传感器101和相互电联接的A/D转换器103、手动急救开关102、中央信息处理器104、数据存储器105、定位系统106和无线信号发射装置107；远程报警处理终端112包括无线信号接收装置109、医疗机构报警终端110和其他相关报警终端111；中央信息处理器104的输入端经A/D转换器103与三轴加速度传感器101电联接。三轴向加速度传感器101，工作频率为100-200Hz，量程为±6-10g，也可以采用双轴加速度传感器与单轴加速度传感器的组合、以及三个单轴加速度传感器的组合。中央信息处理器104还与急救开关102电联接，与数据存储器105互联，与定位系统106互联，其输出端与无线信号发射装置107电联接。

参见图2，地面参考坐标系为OXYZ，Z轴垂直于地面，人体上躯干坐标系Oxyz跟随躯干运动，与人体上躯干保持相对位置不变；在人体正常直立时，Oxyz与OXYZ为平行的笛卡尔坐标系，且z轴沿躯干方向垂直于地面指向上方，坐标系Oxyz的原点O为移动设备的安装点。某时刻t，三轴加速度传感器检测x轴方向的加速度为a_x(t)，y轴方向的加速度为a_y(t)，z轴方向的加速度为a_z(t)。a_x(t)、a_y(t)、a_z(t)、信号经过A/D转换器件进行数字化处理后进入中央信息处理器。

参见图3，本发明采用如下方法判断人体是否已经摔倒，其流程步骤如下：

在步骤S301中系统初始化，工作开始；系统工作时，时间窗口至少保持2秒内的数据。

在步骤S302中系统检测到的三个轴向的加速度信息进行融合，计算合加速度： $a=\sqrt{{a_x}^2+{a_y}^2+a_z^2},$ 当a≥3.5g认为摔倒级别的冲击发生(一般情况下，日常生活中人类活动的合加速度小于3.0g)。系统检测合加速度a，当未发生冲击时，转至步骤S303，时间窗口前移，采集新的数据；若出现首次冲击，则转至步骤S304。

在步骤S304中，首先记录首次冲击发生的时刻为t₁，然后计算时刻(t₁-1)秒时人体上躯干偏离竖直方向的倾斜角度θ₁，并且采集新数据，使时间窗口迁移2秒。在日常生活中，坐、立、走路时一般θ₁＜20°，俯卧、弯腰拾物时一般＞70°。

在步骤S305、S306中，系统检测是否冲击已经结束。在步骤S305中，记录时间窗口前端的时刻为t₂，检测从时间t₂到(t₂+2)秒内是否有冲击，如果没有，则转至步骤S307；如果有，则此次摔倒属于多冲击性摔倒，转至步骤S306，步骤S306将时间窗口前移2秒，再转至步骤S305；直到检测出一次摔倒行为的所有冲击。

在步骤S307中，系统检测人体摔倒后(t₂+2)秒时刻上躯干部位相对于竖直位置的倾斜角θ₂；一般情况下，θ₂＞70°。注：如果是单冲击性摔倒，t₁＝t₂，θ₁和θ₂的计算时间相差3秒，因为一般的摔倒均是发生在2-3秒内的；如果是多冲击性摔倒，例如滚落楼梯、一次摔倒后无法保持平衡继而起身后再次摔倒，则期间间隔的时间不定。

在步骤S308中，根据冲击前后人体上躯干相对竖直方向的倾斜程度来判断使用者是否已经摔倒。如果摔倒前后θ₁＜30°、θ₂＞70°，则判断使用者从竖直方向致水平方向摔倒；如果摔倒前后θ₁＞70°、θ₂＞70°，则判断使用者经历了从水平方向致水平方向的摔倒，例如滚落楼梯或者卧床时从床上摔致床下。即：如果冲击前后，θ₁＜30°、θ₂＞70°或θ₁＞70°、θ₂＞70°，则判定摔倒发生，转至步骤S310；否则不满足摔倒判别条件，转至步骤S309，重新开始新一轮的检测。

注：以上用来判断摔倒是否发生的冲击前后θ₁、θ₂伐值角度的大小属于经验统计值，可以在实际系统中视实际需要而进行适当的调整。具体，对于第一种摔倒方式的判断：θ₁＜30°、θ₂＞70°，增大θ₁的阀值角度可以增大检出率、同时也提高误判率，减小θ₁的阀值角度则可以减小检出率也减小误判率；增大θ₂的阀值角度可以降低检出率、同时也减小误判率，减小θ₂的阀值角度则可以增大检出率同时也增大误判率。对于第二种摔倒方式的判断：θ₁＞70°、θ₂＞70°，增大θ₁、θ₂的阀值角度可以降低检出率同时也降低误判率；减小θ₁、θ₂的阀值角度可以提高检出率同时也提高误判率。

参照图4，检测到人体摔倒后，系统需要解决报警求救的问题。如果人体摔倒后失去行动能力或者失去意识，那么需要向有关部门或人员报警求救；如果摔倒后，人仍然有行动能力，可以自行解决安全问题，则系统不必自动报警。判断方法步骤流程为：

在步骤S401中，当检测出人体摔倒时开始计时t＝0。

在步骤S402中，检测使用者在摔倒后T秒内是否有明显活动，即摔倒后仍然具有行动能力，其判断依据可由合加速度a的大小来判断：如果某时刻出现a≥A，则判定使用者仍然具有行动能力，转至步骤S403；否则，在T秒内，均未出现a≥A，则判定使用者已经不具有行动力，转至步骤S404。

在步骤S403中，存储当前次摔倒中的加速度数据以供以后研究分析老年人、病人的行动情况或病情，之后重新开始检测。

在步骤S404中，与定位系统通信，得到使用者当前所处的位置信息。

在步骤S405中，移动设备向远程报警处理终端发射报警信息，并且将定位信息同时发出。

注：时间间隔阀值T的选择在20秒～2分钟间比较合适，可以视需要进行选择调整；加速度阀值A在1.2g到2.0g之间比较合适，其大小可以视需要进行调整，阀值A越大，判断使用者运动能力的标准越高。

除自动报警外，系统设有手动急救开关，使用者可以在任何时候自主报警、以及解除当前报警信号。

Claims (6)

1.一种人体摔倒自动检测并报警的装置，由移动设备(108)和远程报警处理终端(112)组成；所述移动设备(108)包括中央信息处理器(104)，所述中央信息处理器(104)输入端经A/D转换器(103)与三轴加速度感器(101)联接，中央信息处理器(104)经无线信号发射装置(107)将信号发送给远程报警处理终端(112)的无线信号接收装置(109)，其特征在于所述中央信息处理器(104)综合人体所受冲击和冲击前后上躯干倾斜角度来判断摔倒行为是否发生：在判断摔倒级别的冲击时，使用阀值3.5g，当合加速度a≥3.5g，则判定其为摔倒级冲击；如果出现以下两种情况的之一则判定摔倒行为的发生：第一种，首次冲击前上躯干倾斜角θ₁＜30°并且最后一次冲击后倾斜角θ₂＞70°，第二种，首次冲击前上躯干倾斜角θ₁＞70°并且最后一次冲击后倾斜角θ₂＞70°，则判定摔倒行为发生。

2.根据权利要求1所述的人体摔倒自动检测并报警的装置，其特征在于所述中央信息处理器(104)还分别与定位系统(106)和数据存储器(105)交互连接。

3.根据权利要求1或2所述的人体摔倒自动检测并报警的装置，其特征在于所述中央信息处理器(104)还与手动急救开关(102)连接。

4.根据权利要求1所述的人体摔倒自动检测并报警的装置，其特征在于所述三轴加速度传感器可采用双轴加速度传感器与单轴加速度传感器的组合或三个单轴加速度传感器的组合。

5.根据权利要求4所述的人体摔倒自动检测并报警的装置，其特征在于所述三轴加速度传感器的工作频率不低于100Hz，量程在±6-±18g。

6.根据权利要求1所述装置的信息处理方法，其特征在于包括下述步骤：

1)、实时监测加速度信息，检测冲击，当发现首次冲击时，记录其发生时刻t₁，计算(t₁-1)秒时刻人体上躯干相对于竖直方向的倾斜角度θ₁；

2)、记当前冲击，即距离当前时刻最近的一次冲击的发生时刻为t₂；检测当前冲击后两秒钟内是否有新的冲击出现，如果有，则继续检测当前冲击后两秒内是否有新的冲击，循环此过程，直到在时间t₂到(t₂+2)秒之间没有新的冲击出现，然后计算(t₂+2)时刻人体上躯干偏离竖直方向的倾斜角度θ₂；

3)、验证θ₁与θ₂是否符合摔倒判别条件，分为两种情况：如果θ₁＜30°且θ₂＞70°，则判定人体从竖直方向至水平方向摔倒；如果θ₁＞70°且θ₂＞70°，则判定为滚落式摔倒，如果角度条件不符合，则返回第一步开始新的检测过程。

4)、当确认使用者已经摔倒后，接下来开始判断是否需要自动报警：如果使用者在20秒～2分钟时间内没有明显活动，则判定其已经失去行动能力或是失去意识，则自动报警；如果有明显活动，则判定无需自动报警；

5)、存储此次摔倒过程中的动力学数据于数据存储器中。

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