CN102227189A

CN102227189A - 跌倒检测方法和装置

Info

Publication number: CN102227189A
Application number: CN2009801472609A
Authority: CN
Inventors: 陈宁江
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2008-11-28
Filing date: 2009-11-19
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2029-11-19
Also published as: EP2369993B1; BRPI0916173A2; BRPI0916173B8; BRPI0916173B1; EP2369993A1; WO2010061321A1; JP5512695B2; AU2009321213B2; JP2012510309A; AU2009321213A1; US20110231145A1; US8756032B2; CN102227189B

Abstract

本发明涉及一种用于跌倒检测的方法和装置。根据本发明，检测对象跌倒的方法包括如下步骤：获得与所述对象的运动关联的多个随时间变化的加速度(501)；根据所述多个随时间变化的加速度计算出重力方向上的、多个相应的速度和位移(502)；根据所述多个加速度、速度和位移，确定所述运动的前导时间和复原时间(503)，其中，所述前导时间等于从所述运动的初始点到所述运动的极值点的时间间隔，所述复原时间等于从所述运动的极值点到所述运动的终止点的时间间隔；以及根据所述速度的峰值是否大于预定阈值以及所述前导时间是否长于所述复原时间来确定所述对象是否发生跌倒(504)。

Description

跌倒检测方法和装置

技术领域

本发明涉及跌倒检测，尤其涉及一种用于跌倒检测的方法和装置。

背景技术

跌倒是指身体突然、不受控制地且无意识地向下摔倒到地面上。跌倒每年造成对数百万人的影响并且尤其对老年人带来极大的伤害。实际上，已经估计跌倒是造成老年人死亡的三大主要原因之一。

目前市场上存在一些跌倒检测装置，其检测跌倒并在用户跌倒时允许获得手动或自动的援助。示例性的跌倒检测装置是根据用户在垂直方向上的速度变化曲线来检测跌倒，这是因为在跌倒过程中会发生重力方向上的垂直身体位移。在这种装置中，当在重力方向上的最大速度大于一阈值时，就确定发生了跌倒。

然而，这种阈值仅仅在将加速度计佩戴在用户躯干部位上时才是恰当的。如果传感器被佩戴在手腕上，那么其他活动，诸如挥手或者握手等，都可能会涉及到速度和跌倒时的速度一样高的手腕运动。因此，不能将最大速度作为用来区分跌倒和其他活动的可靠特征。

Thomas Degen等人(参见“Speedy：a Fall Detector in a Wrist Watch”，Proceedings of the Seventh IEEE International Symposium on Wearable Computers(2003)，184-187页，以引用的方式将其内容并入本文)提出了一种老年人使用的佩戴在手腕上的跌倒检测器。这种装置小巧易用。

但是，该检测器仍然是仅仅使用很简单的标准，即，如果最大速度大于一预定阈值(在上述文献中，跌倒检测的速度阈值为1.3ms^-1)时就确定跌倒发生。由于手在日常活动中起到非常重要的作用，在手的速度大于该阈值的日常活动中，诸如握手，这种检测方法常常产生误报。

发明内容

本发明的目的是提供一种佩戴方便、舒适的跌倒检测装置，其比现有技术中的跌倒检测器的误报率要低。

为了这个目的，本发明提供了一种跌倒检测方法和装置来解决上述问题。

根据本发明的一方面，提供了一种用于检测对象跌倒的方法，所述方法包括如下步骤：

获得与所述对象的运动关联的多个随时间变化的加速度；

根据所述多个随时间变化的加速度计算出重力方向上的、多个相应的速度和位移；

根据所述多个加速度、速度和位移，确定所述运动的前导时间和复原时间，其中，所述前导时间等于从所述运动的初始点到所述运动的极值点的时间间隔，所述复原时间等于从所述运动的极值点到所述运动的终止点的时间间隔；并且

根据所述速度的峰值是否大于预定阈值以及所述前导时间是否长于所述复原时间来确定所述对象是否发生跌倒。

由于跌倒的确定不仅包括重力方向上的最大速度必须大于阈值这样的标准，而且还包括前导时间必须长于复原时间这样的标准，其中可以利用代表跌倒和其他日常活动之间的差别的前导时间和复原时间作为区分跌倒和其他活动的特征，因此降低了误报率，并且由此提高了跌倒检测的可靠性。

在另一实施例中，所述方法还包括如下步骤：

根据所述多个速度计算随时间变化的速度的平滑度；

确定所述平滑度是否大于预定平滑度阈值；以及

当所述平滑度大于所述预定平滑度阈值且所述前导时间长于所述复原时间时，检测到所述对象发生跌倒。

由于除了代表跌倒和其他日常活动之间的差别的前导时间和复原时间之外，还可以利用速度变化曲线的平滑度作为区分跌倒和其他活动的特征，因此进一步提高了跌倒检测的可靠性。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于检测对象跌倒的装置，所述装置包括：

获得单元，其被配置为获得与所述对象的运动关联的多个随时间变化的加速度；

第一计算单元，其被配置为根据所述多个随时间变化的加速度计算出重力方向上的、多个相应的速度和位移；

第一确定单元，其被配置为根据所述多个加速度、速度和位移，确定所述运动的前导时间和复原时间，其中，所述前导时间等于从所述运动的初始点到所述运动的极值点的时间间隔，所述复原时间等于从所述运动的极值点到所述运动的终止点的时间间隔；以及

第二确定单元单元，其被配置为根据所述速度的峰值是否大于预定阈值以及所述前导时间是否长于所述复原时间来确定所述对象是否发生跌倒。

参照结合附图进行的描述，本发明的其他目的和效果将变得更加显而易见并且更加易于理解。

附图说明

下面将结合实施例并且参照附图更加详细地描述和解释本发明，在附图中：

图1示出了手臂沿直线运动的速度变化曲线；

图2示出了手臂沿曲线运动的速度变化曲线；

图3示出了向前跌倒过程中的速度、加速度幅度和位移变化曲线；

图4示出了手腕扭转过程中的速度、加速度幅度和位移变化曲线；

图5是根据本发明一个实施例的检测对象跌倒的方法的流程图；

图6是根据本发明另一个实施例的检测对象跌倒的方法的流程图；

图7示出了计算前导时间T₁和复原时间T₂的过程；

图8是根据本发明一个实施例的检测对象跌倒的装置的示意性方框图；以及

图9是根据本发明另一个实施例的检测对象跌倒的装置的示意性方框图。

在附图中相同的附图标记表示相似或对应的特征和/或功能。

具体实施方式

图1示出了手臂沿直线运动的速度变化曲线，而图2示出了手臂沿曲线运动的速度变化曲线。

如图1所示，当人们在日常活动中手臂沿直线运动时，其速度变化曲线为钟形。如果手臂沿曲线运动，如图2所示，其速度变化曲线由几个钟形组成，每个钟形对应于由例如图中的点P的回折点分割的一段。而且还可以发现，所花费的时间被回折点相等地分割。

人们手臂运动具有以上特征的原因在于，手臂的运动趋向于平滑并且使手从一个平衡位置运动到另一个平衡位置。如果在手中握有物体的情况下进行手臂运动，那么该钟形曲线将不再对称，并且从速度为零的点到速度峰值点之间的时间间隔将小于从速度峰值点回到速度为零的点之间的时间间隔。

在跌倒和其他日常活动中的速度变化曲线中进一步发现了以下特征。所有的速度都是利用方程(1)计算的。

v = \sqrt{{(v_{x})}^{2} + {(v_{y})}^{2} + {(v_{z})}^{2}} - &Integral; Gdt - - - (1)

其中，v_x＝∫a_xdt，v_y＝∫a_ydt，v_z＝∫a_zdt，并且G为重力加速度。

所计算的速度仅仅是垂直速度，而非在三个轴上的速度，这是因为其他两个轴上的速度在跌倒中并不具有特别的特征。

此外，利用方程(2)来计算位移。

D = \sqrt{{(d_{x})}^{2} + {(d_{y})}^{2} + {(d_{z})}^{2}} - &Integral; &Integral; Gd t^{2}

(2)

d_x＝∫∫a_xdt²，d_y＝∫∫a_ydt²，d_z＝∫∫a_zdt²

利用方程(3)来计算加速度幅度。

A = \sqrt{{(a_{x})}^{2} + {(a_{y})}^{2} + {(a_{z})}^{2}} - - - (3)

图3示出了向前跌倒过程中的速度、加速度幅度和位移变化曲线。如图所示，前导时间T₁要长于复原时间T₂。

这里，前导时间T₁被定义为从所述运动的初始点P₁到所述运动的极值点E的时间间隔，其中所述运动的极值点E为重力方向上的多个速度的峰值所对应的时间点V和加速度幅度的峰值所对应的时间点A中较前出现的一个。这两个点彼此非常接近。所述运动的初始点P₁是所述运动的极值点E之前最近的、速度为零的时间点。

请注意，如果速度正方向为反重力方向，那么所述多个速度的峰值就是最小速度；并且，所述加速度幅度的峰值是最大加速度幅度，而非在单个轴上的加速度。

复原时间T₂被定义为从所述运动的极值点E到所述运动的终止点R的时间间隔，其中所述运动的终止点R是所述运动的极值点E之后最近的、速度为零的时间点P₂和重力方向上的位移的峰值所对应的时间点D中较前出现的一个。这两个点也是彼此非常接近的。图3中的三条点划线表征出了前导时间T₁和复原时间T₂。

跌倒中T₁长于T₂的原因在于在撞击(速度到达谷底时)之前，手腕沿着身体向下运动。T₁是与身体下落时间成比例的。在撞击之后，手腕运动很快停止了。即使手腕在地面上反弹，返回到静止的时间T₂也较短。

图4示出了手腕扭转过程中的速度、加速度幅度和位移变化曲线。可以发现重力方向上的最大速度大约为2.5ms^-1(其大于现有技术中用于跌倒检测的阈值1.3ms^-1)。但是，前导时间T₁要小于复原时间T₂。

将跌倒和日常活动的速度变化曲线相比较，可以发现在跌倒时的前导时间要长于复原时间，而在日常活动中则相反。

基于以上认识而做出了本发明。也就是说，如果在重力方向上的最大速度超过一阈值并且前导时间长于复原时间的情况下才确定跌倒发生，那么就可以使跌倒检测更加可靠。

图5是根据本发明一个实施例的检测对象跌倒的方法的流程图。

如图5所示，本发明的检测对象跌倒的方法包括获得与所述对象的运动关联的多个随时间变化的加速度的步骤501。所述多个随时间变化的加速度可以由跌倒检测装置中并入的加速度计来检测。

该方法还包括步骤502：根据所述多个随时间变化的加速度计算出重力方向上的、多个相应的速度和位移。

在本发明的实施例中，计算步骤502采用上述方程(1)和(2)。

该方法还包括步骤503：根据所述多个加速度、速度和位移，确定所述运动的前导时间和复原时间，其中，所述前导时间等于从所述运动的初始点到所述运动的极值点的时间间隔，所述复原时间等于从所述运动的极值点到所述运动的终止点的时间间隔。

在本发明的实施例中，所述运动的初始点是所述运动的极值点之前最近的、速度为零的时间点。

该方法还包括步骤504：根据所述速度的峰值是否大于预定阈值以及所述前导时间是否长于所述复原时间，来确定所述对象是否发生跌倒。

在本发明的实施例中，所述预定阈值为1.3ms^-1，并且当所述速度的峰值大于1.3ms^-1并且所述前导时间长于所述复原时间时确定跌倒发生。

进一步，将图3和图4中的跌倒和日常活动的速度变化曲线相比较，可以发现日常活动中的速度变化曲线比跌倒时的速度变化曲线更加平滑(类似于钟形)。从数学上来讲，函数的平滑度可以由其二阶导数来度量。方程(4)和(5)示出了如何计算一阶导数D和二阶导数J。

D_{n} = \frac{v_{n} - v_{n - 1}}{t_{n} - t_{n - 1}} - - - (4)

J_{n} = \frac{D_{n} - D_{n - 1}}{t_{n} - t_{n - 1}} - - - (5)

其中t_n-1和t_n是相邻采样时间点。

有利的是使用方程(2)和(4)来计算速度的一阶导数而不是直接使用加速度数据，因为方程(2)能像滤波器那样使加速度数据更加平滑。

如果函数比较平滑，那么其一阶导数在一段非常短的时间段内不会变化很大。因此，其二阶导数应当不会太大，这意味着当采样间隔足够小时J值应当小于一阈值。由于日常活动的速度变化曲线比跌倒时的速度变化曲线更加平滑，因此跌倒时速度的二阶导数应当大于一阈值，例如当采样率为50Hz时该阈值为2ms^-3。

图6是根据本发明另一个实施例的检测对象跌倒的方法的流程图。

该方法包括的步骤501-503与上述实施例中阐述的步骤类似。该方法还包括步骤605：根据所述多个速度计算随时间变化的速度的平滑度。

在一实施例中，该方法还包括步骤606：确定所述平滑度是否大于预定平滑度阈值。

在一实施例中，该方法还包括步骤607：当所述平滑度大于预定平滑度阈值并且所述前导时间长于所述复原时间时，确定所述对象发生跌倒。

下文中，将参照图7详细地描述计算前导时间T₁和复原时间T₂的过程。

图7示出了详细前导时间T₁和复原时间T₂的过程。如图所示，根据本发明的实施例，该过程是根据多个加速度、速度和位移来执行的。结合图3和图4将更容易理解该过程。

首先，在步骤701，确定与重力方向上的多个速度的峰值相对应的时间点V。

接着，在步骤702，在离V点1秒的范围之内搜索与加速度幅度的峰值相对应的时间点A。

在步骤703，采用V点和A点中较前出现的点作为极值点E。

在步骤704，从V点向回搜索直到速度为零的时间点P₁。

在步骤705，计算P₁点和E点之间的时间间隔作为前导时间T₁。

在步骤706，从V点向后搜索直到下一个速度为零的时间点P₂。

在步骤707，从V点向后搜索直到重力方向上的位移的峰值所对应的时间点D。

在步骤708，采用P₂点和D点中较前出现的点作为终止点R。

最后，在步骤709，计算E点和R点之间的时间间隔作为复原时间T₂。

图8是根据本发明一个实施例的检测对象跌倒的装置的示意性方框图。该装置包括被配置为获得与所述对象的运动关联的多个随时间变化的加速度的获得单元801。该获得单元801可以执行上述步骤501。

该装置还包括被配置为根据所述多个随时间变化的加速度计算出重力方向上的、多个相应的速度和位移的第一计算单元802。该第一计算单元802可以执行上述步骤502。

该装置还包括被配置为根据所述多个加速度以及所述多个速度和位移来确定所述运动的前导时间和复原时间的第一确定单元803。该第一确定单元803可以执行上述步骤503。

该装置还包括被配置为根据所述速度的峰值是否大于预定阈值以及所述前导时间是否长于所述复原时间来确定所述对象是否发生跌倒的第二确定单元804。该第二确定单元804可以执行上述步骤504。

图9是根据本发明另一个实施例的检测对象跌倒的装置的示意性方框图。该装置包括的单元801-804与上述实施例中描述的单元类似。该装置还包括被配置为根据所述多个速度计算随时间变化的速度的平滑度的第二计算单元905。该第二计算单元905可以执行上述步骤605。

该装置还包括被配置为确定所述平滑度是否大于预定平滑度阈值的第三确定单元906。该第三确定单元906可以执行上述步骤606并且第二确定单元804可以执行上述步骤607。

本发明可以用包含多个不同元件的硬件以及用适当的计算机程序实现。在列举多个装置的设备权利要求中，这些装置中的一些可以用同一个硬件实现。在互不相同的从属权利要求中记载某些措施的事实并不表示这些措施的组合不能被有益地使用。

应当注意，上述实施例示意而非限制本发明并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求范围的情况下将能够设计出各种替代实施例。在权利要求书中，不应该将括号中的任何附图标记解释成是对权利要求的限制。词语“包括”及其变形的使用并不排除存在权利要求或说明书中没有列举的其他元件或步骤。元件之前的词语“一”或“一个”并不排除存在多个这种元件。在列举了几个单元的装置权利要求中，这些元件中的几个可以由同一个软件和/或硬件来体现。词语“第一”、“第二”和“第三”等的使用并不表示任何顺序关系。应当将这些词语解释成名称。

Claims

1.一种用于检测对象跌倒的方法，所述方法包括如下步骤：

-获得与所述对象的运动关联的多个随时间变化的加速度(501)；

-根据所述多个随时间变化的加速度计算出重力方向上的、多个相应的速度和位移(502)；

-根据所述多个加速度、速度和位移，确定所述运动的前导时间和复原时间(503)，其中，所述前导时间等于从所述运动的初始点(P₁)到所述运动的极值点(E)的时间间隔，所述复原时间等于从所述运动的极值点(E)到所述运动的终止点(R)的时间间隔；以及

-根据所述速度的峰值是否大于预定阈值以及所述前导时间是否长于所述复原时间，来确定所述对象是否发生跌倒(504)。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述运动的极值点(E)为重力方向上的所述多个速度的峰值所对应的时间点(V)和所述加速度的幅度的峰值所对应的时间点(A)中较前出现的一个。

3.如权利要求2所述的方法，其中，所述运动的初始点(P₁)是所述运动的极值点(E)之前最近的、速度为零的时间点。

4.如权利要求3所述的方法，其中，所述运动的终止点(R)是所述运动的极值点(E)之后最近的、速度为零的时间点(P₂)和重力方向上的所述位移的峰值所对应的时间点(D)中较前出现的一个。

5.如权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：

-根据所述多个速度计算随时间变化的速度的平滑度(605)；

-确定所述平滑度是否大于预定平滑度阈值(606)；以及

-当所述平滑度大于所述预定平滑度阈值并且所述前导时间长于所述复原时间时，确定所述对象发生跌倒(607)。

6.如权利要求5所述的方法，其中，所述平滑度由所述多个速度的二阶导数给出并且被计算为：

D_{n} = \frac{v_{n} - v_{n - 1}}{t_{n} - t_{n - 1}}

以及

J_{n} = \frac{D_{n} - D_{n - 1}}{t_{n} - t_{n - 1}},

其中，t_n-1和t_n是相邻采样时间点，v_n-1和v_n是相邻采样得到的速度，而D_n和J_n分别是所述多个速度的一阶导数和二阶导数。

7.如权利要求6所述的方法，其中，所述加速度包括分别沿x、y、z方向的加速度a_x、a_y、a_z，且所述速度由下式给出：

v = \sqrt{{(v_{x})}^{2} + {(v_{y})}^{2} + {(v_{z})}^{2}} - &Integral; Gdt

其中，v_x＝∫a_xdt，v_y＝∫a_ydt，v_z＝∫a_zdt，且G为重力加速度。

8.一种用于检测对象跌倒的装置，所述装置包括：

-获得单元(801)，其被配置为获得与所述对象的运动关联的多个随时间变化的加速度；

-第一计算单元(802)，其被配置为根据所述多个随时间变化的加速度计算出重力方向上的、多个相应的速度和位移；

-第一确定单元(803)，其被配置为根据所述多个加速度、速度和位移，来确定所述运动的前导时间和复原时间，其中，所述前导时间等于从所述运动的初始点(P₁)到所述运动的极值点(E)的时间间隔，所述复原时间等于从所述运动的极值点(E)到所述运动的终止点(R)的时间间隔；以及

-第二确定单元(804)，其被配置为根据所述速度的峰值是否大于预定阈值以及所述前导时间是否长于所述复原时间，来确定所述对象是否发生跌倒。

9.如权利要求8所述的装置，其中，所述运动的极值点(E)为重力方向上的所述多个速度的峰值所对应的时间点(V)和所述加速度的幅度的峰值所对应的时间点(A)中较前出现的一个。

10.如权利要求9所述的装置，其中，所述运动的初始点(P₁)是所述运动的极值点(E)之前最近的、速度为零的时间点，而所述运动的终止点(R)是所述运动的极值点(E)之后最近的、速度为零的时间点(P₂)和重力方向上的所述位移的峰值所对应的时间点(D)中较前出现的一个。

11.如权利要求8所述的装置，还包括，

-第二计算单元(905)，其被配置为根据所述多个速度计算随时间变化的速度的平滑度；

-第三确定单元(906)，其被配置为确定所述平滑度是否大于预定平滑度阈值；并且

其中，所述第二确定单元(804)还被配置为当所述平滑度大于所述预定平滑度阈值并且所述前导时间长于所述复原时间时确定所述对象发生跌倒。

12.如权利要求8所述的装置，其中，所述获得单元(801)是3D加速度计。

13.如权利要求8所述的装置，还包括预处理器，其用于对所述多个加速度、速度和位移进行预处理。

14.一种用于检测对象跌倒的计算机程序产品，其包含用于执行如下步骤的可执行指令：

-根据所述多个加速度、速度和位移，来确定所述运动的前导时间和复原时间(503)，其中，所述前导时间等于从所述运动的初始点(P₁)到所述运动的极值点(E)的时间间隔，所述复原时间等于从所述运动的极值点(E)到所述运动的终止点(R)的时间间隔；以及

15.如权利要求14所述的计算机程序产品，其中，所述运动的极值点(E)为重力方向上的所述多个速度的峰值所对应的时间点(V)和所述加速度的幅度的峰值所对应的时间点(A)中较前出现的一个。