ITRM20090093A1 - Metodo e dispositivo per la rilevazione di movimenti accidentali, in particolare cadute. - Google Patents

Description

METODO E DISPOSITIVO PER LA RILEVAZIONE DI MOVIMENTI ACCIDENTALI, IN

PARTICOLARE CADUTE

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo indossabile da una persona, per la rilevazione di eventuali cadute.

La presente invenzione si prefigge quindi l'obiettivo di realizzare un dispositivo che, indossato ad esempio come un semplice orologio, possa essere in grado di rilevare eventuali cadute dell’individuo che lo indossa e di conseguenza sia in grado di generare un segnale di allarme .

E' noto che esistono dispositivi che sono capaci di rilevare una caduta accidentale di una persona, tuttavia, rispetto ad altri già esistenti, il dispositivo secondo la presente invenzione garantisce una maggiore semplicità di utilizzo e, nel contempo, basa le sue rilevazioni su un’architettura semplice e poco costosa.

Ci sono diversi metodi per la rilevazione delle cadute ma tutti presentano degli svantaggi rispetto a quello proposto.

Alcune tecniche si basano sull’utilizzo di una pluralità di sensori di accelerazione [US6208251] eventualmente anche di tipo triassiale [US07191089] allo scopo di rilevare la postura; questo comporta sicuramente una certa complessità e di conseguenza un costo significativo.

Altri metodi presuppongono di indossare un dispositivo agganciato alla cinta [EP01779772A1, GB2323196] che è sicuramente più scomodo ed invasivo rispetto ad uno indossabile come un normale orologio. Questo aspetto non è assolutamente da sottovalutare in un contesto in cui ci si prefigge lo scopo di erogare un servizio di assistenza a persone anziane; infatti, è noto che queste ultime sono solitamente restie ad utilizzare strumenti tecnologici anche se necessari per la loro salute. La possibilità di “mascherare” un dispositivo di questo tipo come se fosse un semplice orologio presuppone dunque la possibilità di superare questo tipo di limiti.

Ci sono infine metodi che si basano sulla rilevazione solo di quell’insieme di cadute che portano ad una temporanea perdita di coscienza dell’individuo ovvero ad una sua temporanea immobilità [US05515858]. In questo caso si preclude la possibilità di garantire il soccorso a chi, nonostante abbia subito un evento traumatico, non sia rimasto incosciente ovvero immobile per un sufficiente lasso di tempo.

Pertanto, lo scopo della presente invenzione è quello di fornire una soluzione a queste problematiche lasciate ancora aperta dalla tecnica nota. Questo risultato viene raggiunto fornendo un metodo per rilevare una caduta accidentale come definito nella rivendicazione n.1.

Ulteriore oggetto della presente invenzione è un dispositivo per la rilevazione delle cadute, che possa implementare il suddetto procedimento, come definito nella rivendicazione 6.

Caratteristiche secondarie della presente invenzione sono invece definite nelle corrispondenti rivendicazioni dipendenti.

Il principale vantaggio che la presente invenzione raggiunge, è proprio quello di ottenere il risultato desiderato, attraverso un dispositivo molto semplice, e facilmente indossabile, ad esempio come un normale orologio. Questo implica una facilità di utilizzo molto maggiore rispetto ai più diffusi sistemi, in cui, la rilevazione, viene effettuata analizzando la postura dell’individuo identificata tramite diversi sensori posizionati in più punti del corpo. Questa semplicità di utilizzo fa si che, i soggetti anziani, solitamente restii ad utilizzare strumenti tecnologici anche se necessari per la tutela della loro sicurezza, siano molto più propensi al suo uso rispetto agli altri sistemi attualmente disponibili.

Inoltre, il dispositivo in questione, basandosi su un piccolissimo µControllore ed un semplice quanto economico accelerometro biassiale (e non triassiale come di solito avviene), non necessità di hardware specifico garantendo dunque un significativo risparmio economico rispetto ad altri sistemi.

Infine, data la generalità del metodo di rilevazione della caduta secondo la presente invenzione, esso può essere facilmente utilizzato anche su dispositivi non necessariamente posizionati sul polso ma anche su una parte diversa del corpo; questo implica che, il software sviluppato, potrebbe essere facilmente riutilizzato per estendere le funzionalità di un qualsiasi sistema noto di monitoraggio della persona, non in grado di rilevare le cadute, ma che preveda per l’assistito di indossare un qualsiasi tipo di dispositivo.

Ulteriori vantaggi, così come le caratteristiche e modalità di impiego della presente invenzione, risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di una sua forma di realizzazione preferita, presentata a scopo esemplificativo e non limitativo, facendo riferimento alle figure dei disegni allegati, in cui:

la figura 1 raffigura dei grafici delle accelerazioni misurate durante una caduta; la figura 2 schematizza un dispositivo secondo la presente invenzione.

La presente invenzione sarà nel seguito descritta facendo riferimento alle figure suindicate.

A titolo di premessa, è bene precisare che la presente invenzione deriva sostanzialmente dalla ricerca di una soluzione tecnica agli enunciati problemi della tecnica nota. Tale soluzione è stata individuata nell'uso di un accelerometro biassiale, posizionato in un dispositivo da indossare, preferibilmente al polso.

Al fine di rilevare una caduta, il fatto di voler utilizzare un braccialetto con accelerometro bi-assiale sul polso, da un lato porta ad ottenere i vantaggi di cui nell’introduzione ma, dall’altro, vincola sulle possibili tecniche di monitoraggio da utilizzare. E’ stato dunque necessario identificare una serie di eventi e/o parametri che siano in grado di indicare il verificarsi di situazioni critiche.

A tal fine, è stato osservato e studiato l’andamento delle accelerazioni sugli assi X ed Y e della norma, misurate durante una caduta reale.

Grafici relativi a queste misure sono riportati nella figura 1. Dalla loro osservazione e’ possibile fare le considerazioni che seguono.

Innanzitutto, i valori delle accelerazioni rilevate su entrambi gli assi (X e Y) passano, nell’arco di un breve intervallo di tempo, da significativi valori negativi a significativi valori positivi e viceversa. Nell’arco di circa 2 secondi, evidenziato dal riquadro tratteggiato, sia i valori di accelerazione rilevati lungo l’asse X, sia quelli rilevati lungo l’asse Y superano una soglia minima, nel caso specifico pari a –0.5 g ed una soglia massima pari a circa 1.5 g, valori questi che molto difficilmente vengono tutti raggiunti in un così breve intervallo di tempo durante le normali attività di una persona.

L’asimmetria dei valori di soglia, dato che l’accelerometro ha solo due assi, è dovuta alla presenza saltuaria dell’accelerazione terrestre che sposta il valore medio dallo “0”. L’effetto di asimmetria dipende però dall’effettivo orientamento degli assi dell’accelerometro e quindi anche dal braccio e dal verso in cui si indossa il bracciale.

Dato che e’ fortemente improbabile che la situazione appena descritta possa essere rilevata in circostanze normali, il rilevamento di quest’ultima può essere considerato un primo indicatore di una potenziale caduta.

E' da intendersi che le soglie minima e massima potranno essere selezionate allo scopo di ottenere il miglior funzionamento e la migliore sensibilità possibili.

Inoltre, dalla lettura dei grafici di figura 1, si può derivare che in seguito ad un brusco movimento (come ad esempio una caduta ed il successivo impatto con il terreno) anche i valori della norma delle accelerazioni rilevate lungo i due assi raggiungono valori atipici (N_SUP). Nell’esempio di figura 1 supera il valore di 2.5g.

Pertanto, un controllo di tale valore può vantaggiosamente fornire ulteriori indicazioni utili alla rilevazione.

Inoltre, a seguito di una caduta si può riscontrare, in modo sistematico, una immediata riduzione della mobilità per un periodo di tempo che solitamente e’ funzione della gravità della caduta.

Deve essere notato che la riduzione della mobilità si manifesta con una coppia di accelerazione costante ma non necessariamente nulla a causa del possibile contributo dell’accelerazione terrestre che ovviamente sarà funzione dell’orientamento del polso.

Ne consegue che monitorare ed interpretare tale fenomeno, facendo attenzione, ad esempio, ad una varianza molto bassa per le singole accelerazioni sui due assi è di ulteriore aiuto per la rilevazione di una caduta.

E’ anche da notare che la necessità di introdurre un ulteriore parametro (la riduzione della mobilità) da valutare oltre alla norma, è necessario in quanto una eventuale norma costante non rifletterebbe necessariamente accelerazioni costanti lungo i due assi ovvero mobilità ridotta.

L’architettura del sistema scelta per mettere in pratica le considerazioni sopra esposte e’ quella schematizzata in figura 2.

Un dispositivo 1 secondo la presente invenzione comprende una unità di elaborazione a microprocessore, ad esempio un µControllore, un accelerometro biassiale e un’interfaccia radio per comunicare con un centro di controllo per la gestione di eventuali situazioni di pericolo. Ovviamente il sistema è preferibilmente alimentato a batteria la quale viene gestita tramite un apposito circuito di ricarica.

L’accelerometro biassiale è in grado di generare due segnal i analogici proporzionali alle accelerazioni rilevate sui due assi X e Y. Il µControllore è dotato di mezzi di acquisizione e campionamento con ingressi analogici atti a ricevere i segnali di ingresso e di mezzi di confronto dei valori campionati con valori di soglia programmabili.

In particolare, tali mezzi di confronto comprendono due comparatori hardware in grado di generare un segnale di interrupt qualora i valori al loro ingresso superino delle soglie predefinite e configurabili, più in particolare una soglia di riposo A_SUP_HW.

Dispositivi di memoria, RAM e FLASH, necessarie al funzionamento del sistema sono integrate all’interno del µControllore, che prevede mezzi di processamento di tipo software dei valori di accelerazione campionati.

Alla luce della finalità principale dell'invenzione, cioè quella di realizzare un dispositivo che fosse il più semplice ed economico possibile, mantenendo tuttavia l'affidabilità e la sensibilità necessarie a garantire la sicurezza di chi lo usa, un punto cruciale riguarda l’implementazione di algoritmi di rilevazione privi di calcoli computazionalmente impegnativi e che richiedano al µControllore la minor quantità di memoria possibile.

Tutto questo garantisce la possibilità di utilizzare componentistica di medio/basso livello prestazionale e quindi poco costosa ed a ridotto consumo di energia.

In generale, quindi, il metodo di rilevazione secondo la presente invenzione prevede, in luogo del calcolo della norma, che ovviamente avrebbe richiesto il calcolo di quadrati, di radici e la risoluzione di relazioni non lineari per legare i valori analogici prelevati dall’accelerometro con quelli convertiti ed effettivamente utilizzabili per i calcoli, delle fasi di misura, di confronto e/o di controllo di alcuni parametri i cui valori fossero direttamente valutabili senza la necessità di introdurre calcoli matematici, e che, valutati sulla base di regole predefinite, fornissero comunque indicazioni sull'evento occorso.

Ad esempio una prima regola predefinita è che, almeno una volta durante il periodo di osservazione, i valori di accelerazione a_x, a_y su entrambi gli assi X e Y, siano contemporaneamente superiori ad un predefinito valore di riferimento globale Un altro parametro tipicamente utilizzato (come la norma precedentemente indicata) in algoritmi di questo tipo è la varianza.

Tuttavia, onde evitare il calcolo della varianza che avrebbe appesantito i calcoli e richiesto nel contempo una più elevata quantità di memoria, il metodo secondo la presente invenzione prevede una fase di conteggio dei valori assoluti delle differenze tra le accelerazioni (a_x e a_y) tra una acquisizione e la precedente che fossero inferiori a determinate soglie N_D_X, N_D_Y. Tale parametro indicatore n_diff_x (oppure n_diff_y), viene poi utilizzato per valutare la variabilità della grandezza sotto esame (a_x e/o a_y). Un valore molto basso per tale indicatore implica una bassa variabilità della grandezza, che può quindi ritenersi costante o, al limite, variabile molto lentamente nel tempo. Le informazioni così dedotte sono necessarie per valutare l’effettiva riduzione della mobilità a seguito di un brusco movimento, come descritto di seguito.

Come già detto in precedenza, il µControllore prevede vantaggiosamente la possibilità di rilevare via hardware il superamento di soglie su entrambi gli assi dell’accelerometro. I mezzi di processamento software, poi, provvedono alle successive verifiche, conteggi e confronti, necessari per implementare il metodo di seguito descritto.

Il metodo secondo la presente invenzione, sfrutta tale capacità per realizzare una fase di riposo, a basso consumo energetico, in cui vengono controllati i valori di accelerazione a_x ed a_y sui due assi, in attesa del verificarsi di almeno una prima condizione predefinita. Tale prima condizione può ad esempio comprendere il superamento da parte dell’accelerazione rilevata dall’accelerometro su almeno uno dei due assi di una determinata soglia di riposo (A_SUP_HW) Al verificarsi di tale prima condizione, viene attivata una successiva fase di monitoraggio di uno o più parametri, in particolare di detti primi e secondi valori di accelerazione a_x ed a_y. Durante tale fase di monitoraggio, di durata predefinita pari ad un primo periodo di tempo TM, il sistema esegue un conteggio delle occorrenze di ciascuno di uno o più eventi predeterminati.

Preferibilmente, gli eventi conteggiati, sono selezionati tra i seguenti:

- se l'accelerazione rilevata lungo l'asse x (a_x) supera una soglia massima - se l'accelerazione rilevata lungo l'asse x (a_x) scende al di sotto di una soglia minima A_INF_C = - A_SUP_C;

- se l'accelerazione rilevata lungo l'asse y (a_y) supera la soglia massima A_SUP_C;

- se l'accelerazione rilevata lungo l'asse y (a_y) va al di sotto della soglia minima A_INF_C = - A_SUP_C;

- se le accelerazioni su entrambi gli assi superano contemporaneamente la soglia globale N_SUP.

Da sottolineare come la scelta A_INF_C = - A_SUP_C sia da considerarsi preferita. In fat t i permette di realizzare una soluzione indipendente dalla posizione dell'accelerometro e dalla posizione del dispositivo. Questo approccio permette comunque di ottenere una soluzione mediamente buona in generale, tuttavia è da intendersi che le soglie potranno essere fissate diversamente, in base alle specifiche esigenze della particolare applicazione.

Se nel periodo di tempo TM (periodo che comunque viene preferibilmente fatto trascorrere interamente) si verifica che il precedente conteggio rispetti una regola predefinita, il metodo prevede che si entri in una seconda fase dell’algoritmo il cui scopo è la rilevazione di una situazione di ridotta mobilità.

A titolo esemplificativo e preferenziale, la regola predefinita prevede un numero massimo di superamenti della soglia massima A_SUP_C e/o della soglia minima A_INF_C e/o almeno un superamento contemporaneo della soglia globale N_SUP. In questa seconda fase vengono acquisite per un periodo di tempo T2 le accelerazioni su entrambi gli assi e vengono calcolate le occorrenze (n-x-delta, n-ydelta) per cui la differenza tra un campione ed il precedente è, in valore assoluto, inferiore ad un valore di soglia DELTA.

Se il risultato del conteggio (n-x-delta, n-y-delta) supera una determinata soglia di allarme SOGLIA allora viene effettivamente generato un allarme, ad esempio di caduta.

Se invece le differenze tra un campione ed il precedente restano significativamente (in numero) superiori a DELTA, questa fase di acquisizione viene interrotta, anche se il periodo di tempo T2 non è trascorso completamente. In questo caso, il sistema torna nella fase di riposo, pronto a gestire nuovi eventi.

E' evidente che la sensibilità del metodo dipende sostanzialmente dalla scelta dei valori di soglia, dalla durata del periodo di tempo TM e del periodo di tempo T2. Ad esempio, variando il tempo TM e’ possibile tarare l’algoritmo in modo da rilevare cadute che siano più o meno gravi, cioè che comportino un periodo di ridotta mobilità più o meno lungo.

E' da intendersi che la specifica indicazione di tali valori, di soglia e dei periodi di tempo TM e T2, potrà vantaggiosamente essere lasciata all'utente o al progettista, che selezionerà i valori in base a criteri empirici e/o di progetto, in funzione della particolare applicazione e dei risultati desiderati. In altre parole, potrà essere vantaggioso modificare l'uno o l'altro dei parametri, ad esempio allo scopo di ottenere una maggiore sensibilità a certi eventi piuttosto che ad altri.

Tali modifiche ai parametri, che volutamente sono stati pensati per essere impostabili, non alterano in alcun modo il concetto inventivo della presente invenzione.

Si riportano di seguito dei valori tipici rilevati tarati sull’osservazione continuativa di una donna di circa 60 anni che ha indossato il dispositivo in questione per 3 giorni per circa 6 ore al giorno durante la normale attività domestica.

A_SUP_HW = 1.875 g

A_SUP_C = -A_INF_C = 1 g

N_SUP = 1.5g

SUP_MIN = 3

TM = 2 s

DELTA = 2

T2 = 3 s

SOGLIA = 40 * T2

La presente invenzione è stata fin qui descritta con riferimento ad una sua forma di realizzazione preferita. È da intendersi che possono esistere altre forme di realizzazione che afferiscono al medesimo nucleo inventivo, tutte rientranti nell’ambito di protezione delle rivendicazioni qui di seguito riportate.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per la rilevazione di un movimento accidentale, in particolare una caduta, di una persona, comprendente le seguenti fasi: � una fase di riposo, comprendente i passi di: - campionare primi valori di accelerazione (a_x) lungo un primo asse (X) e secondi valori di accelerazione (a_y) lungo un secondo asse (Y); - controllare detti primi e secondi valori di accelerazione (a_x, a_y) per determinare il verificarsi di almeno una prima condizione<predefinita;> � una fase di monitoraggio, eseguita al verificarsi di detta almeno una prima condizione predefinita, comprendente i passi di: - monitorare detti primi e secondi valore di accelerazione (a_x, a_y) durante un primo periodo di tempo predefinito (TM); - eseguire un conteggio delle occorrenze di ciascuno di uno o più<eventi predeterminati in detto primo periodo di tempo (TM); ed>� una fase di rilevazione della mobilità, eseguita quando detto conteggio rispetta una regola predefinita, comprendente i passi di: - monitorare detti primi e secondi valore di accelerazione (a_x, a_y) durante un secondo periodo di tempo predefinito (T2); - calcolare il numero di occorrenze (n-x-delta, n-y-delta) per cui la differenza tra un campione ed il precedente è, in valore assoluto, inferiore ad un valore di soglia (DELTA); - generare un allarme quando detto numero di occorrenze (n-xdelta, n-y-delta) supera una soglia di allarme (SOGLIA) 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detta prima condizione predefinita comprende il superamento di una soglia di riposo (A_SUP_HW) da parte di almeno uno tra detti primi e secondi valori di accelerazione (a_x, a_y). 3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detti uno o più eventi predeterminati sono selezionati tra: - accelerazione (a_x) lungo detto primo asse (X) maggiore di una soglia massima - accelerazione (a_x) lungo detto primo asse (X) minore di una soglia minima (A_INF_C); - accelerazione (a_y) lungo detto secondo asse (Y) maggiore di una soglia massima (A_SUP_C); - accelerazione (a_y) lungo detto secondo asse (Y) minore di una soglia minima (A_INF_C); - accelerazioni (a_x, a_y) lungo entrambi gli assi (X, Y) contemporaneamente maggiori di una soglia globale (N_SUP). 4. Metodo secondo la rivendicazione 3, in cui detta soglia minima (A_INF_C) è di pari valore assoluto ed opposta in segno rispetto a detta soglia massima (A_SUP_C). 5. Metodo secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui detta regola predefinita prevede un numero massimo (SUP_MIN) di superamenti di detta soglia massima (A_SUP_C) e/o detta soglia minima (A_INF_C) e/o almeno un superamento contemporaneo di detta soglia globale (N_SUP). 6. Dispositivo per la rilevazione di un movimento accidentale, in particolare una<caduta, di una persona, comprendente:> � un accelerometro biassiale per rilevare primi valori di accelerazione (a_x) lungo un primo asse (X) e secondi valori di accelerazione (a_y) lungo un<secondo asse (Y);> � una unità di elaborazione a microprocessore, atta a ricevere in ingresso detti primi e secondi valori di accelerazione (a_x, a_y); in cui detta unità di elaborazione comprende mezzi di acquisizione e campionamento e mezzi di confronto di detti valori campionati di accelerazione (a_x, a_y) con valori di soglia programmabili, detto dispositivo comprendendo inoltre mezzi di interfaccia connessi a detta unità di elaborazione. 7. Dispositivo secondo la rivendicazione 6, in cui detto accelerometro biassiale è atto a generare due segnali analogici proporzionali alle accelerazioni rilevate sui due assi (X, Y), da fornire a rispettivi ingressi analogici di detti mezzi di acquisizione e campionamento di detta unità di elaborazione. 8. Dispositivo secondo la rivendicazione 6 o 7, in cui detti mezzi di confronto comprendono due comparatori hardware atti a generare un segnale di interrupt quando almeno uno tra detti valori campionati di accelerazione (a_x, a_y) supera un valore di soglia di riposo (A_SUP_HW). 9. Dispositivo secondo la rivendicazione 8, in cui detta unità di elaborazione comprende mezzi di processamento di tipo software di detti valori campionati di accelerazione (a_x, a_y), comandati da detto segnale di interrupt. 10. Dispositivo secondo la rivendicazione 9, in cui detti mezzi di processamento di detti valori campionati di accelerazione (a_x, a_y) sono atti ad eseguire un conteggio delle occorrenze di ciascuno di uno o più eventi preimpostabili durante un primo periodo di tempo (TM). 11. Dispositivo secondo la rivendicazione 10, in cui detti mezzi di processamento di detti valori campionati di accelerazione (a_x, a_y), quando detto conteggio rispetta una regola predefinita programmabile, sono atti a calcolare durante un secondo periodo di tempo predefinito (T2), il numero di occorrenze (n-x-delta, n-y-delta) per cui la differenza tra un campione ed il precedente è, in valore assoluto, inferiore ad un valore di soglia (DELTA). 12. Dispositivo secondo la rivendicazione 11, in cui detti mezzi di interfaccia, comandati da detta unità di elaborazione, sono atti a generare un segnale di allarme quando detto numero di occorrenze (n-x-delta, n-y-delta) supera una soglia di allarme (SOGLIA) programmabile. 13. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 6 a 12, in cui detti mezzi di interfaccia, comprendono un sistema di ricetrasmissione radio per comunicare con un centro di controllo remoto. 14. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 6 a 13, caratterizzato dal fatto di essere indossabile al polso di una persona.