KR20190119879A - System and the method for fall-down prediction - Google Patents

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김태형
최안렬
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성균관대학교산학협력단
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Abstract

According to the present invention, provided is a falling prediction method, which comprises the steps of: calculating a feature vector by extracting feature points from user motion acceleration data measured by a measuring device of a user; labeling the calculated feature vector; applying each of the labeled feature vectors to a plurality of falling prediction models of a machine learning algorithm; and comparing a data value calculated by the plurality of falling prediction model with a previously stored falling data value to select the falling prediction model most similar to the falling data value, and then providing an advance notification of the falling occurrence prediction using the selected prediction result value. According to the present invention, the falling occurrence can be predicted by applying a falling prediction model with respect to various types of falls and injured parts, and injuries due to falling can be prevented in advance by notifying the user of the falling risk before the falling occurs.

Description

낙상 예측 시스템 및 그 방법{System and the method for fall-down prediction}Fall prediction system and its method {System and the method for fall-down prediction}

본 발명은 낙상 예측 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 다양한 낙상의 종류와 부상 부위에 대한 낙상 예측 모델을 적용하여 낙상 발생을 예측하고, 낙상 발생 전 사용자에게 낙상 위험을 알림으로써 낙상으로 인한 부상을 미연에 방지할 수 있는 낙상 예측 시스템 및 그 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a fall prediction system and a method thereof, and in particular, by applying a fall prediction model to various types of falls and injured areas to predict a fall occurrence and informing a user of the fall risk before falling, the injury caused by the fall. A fall prediction system and method thereof that can be prevented in advance.

고령화 사회로 급속하게 진행함에 따라, 노인 분들이나 거동이 불편한 보행자 등이 안심하고 일상생활을 영위할 수 있도록 도와주는 다양한 건강관리(healthcare) 서비스들이 등장하고 있다.As the aging society progresses rapidly, various health care services are appearing to help elderly people or pedestrians who are inconvenient to live their daily lives with confidence.

특히, 독거노인과 같이 혼자 생활하는 노인들은 일반 젊은 사람들에 비해 낙상으로 인한 사고가 빈번하게 발생하므로, 이러한 독거노인과 같이 혼자 생활하는 시간이 많은 노인을 대상으로 낙상에 대비할 수 있는 다양한 낙상 구조 서비스가 각광을 받고 있고, 이에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.In particular, elderly people living alone, such as elderly people living alone, are more frequent accidents due to falls than ordinary young people, so various fall rescue services are available to prepare for falls for elderly people who live alone alone. Is in the spotlight, and research on this is being actively conducted.

하지만, 낙상 구조를 위한 종래 기술은 센서와 휴대전화가 분리되어 있고 무선으로 데이터를 전송하므로 배터리 소모의 증가, 낙상 감지 오류의 증가, 오류 감지에 대해 여과 효율 감소 등의 문제가 발생하였고, 또한, 낙상 여부를 감지하기 위해 순간적인 데이터 변화량에 크게 의존해 낙상을 감지하였으므로 낙상과 유사한 센서 값을 갖는 행위(사용자가 센서를 착용 또는 빼는 행위, 손으로 흔드는 행위, 뛰는 행위 및 부딪히는 행위)를 하는 경우에 이를 낙상으로 판단하게 된다.However, in the prior art for the fall structure, since the sensor and the mobile phone are separated and transmit data wirelessly, problems such as an increase in battery consumption, an increase in fall detection errors, and a decrease in filtration efficiency for error detection have occurred. Falls are detected depending on the amount of instantaneous change of data to detect falls, so if the user has a sensor value similar to a fall (user wears or removes the sensor, shakes it, runs, or bumps). This is judged as a fall.

또한, 낙상은 그 종류(걸려 넘어짐, 미끄러짐, 앞으로 넘어짐 등)에 따라 세기와 방향이 다르기 때문에, 인체 부상 부위 및 위험 정도가 달라지고, 낙상 후 감지 기술은 낙상을 최소화하거나 예방할 수 없다는 문제점이 있다.In addition, since falls are different in intensity and direction depending on the type of falls (falling, slipping, falling forward, etc.), the injury area and the degree of danger of the human body are changed, and post-fall detection technology cannot minimize or prevent falls. .

한국공개특허 제10-2013-0112158호Korean Patent Publication No. 10-2013-0112158

본 발명은 다양한 낙상의 종류와 부상 부위에 대해 낙상 데이터를 복수의 머신러닝 알고리즘의 낙상 예측 모델에 적용하여 낙상 발생을 사전에 예측하는 낙상 예측 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. An object of the present invention is to provide a fall prediction system and method for predicting a fall in advance by applying fall data to a fall prediction model of a plurality of machine learning algorithms for various types of falls and injuries.

또한, 본 발명은 낙상 발생 전 사용자에게 낙상 위험을 알림으로써 낙상으로 인한 부상을 미연에 방지할 수 있는 낙상 예측 시스템 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. In addition, an object of the present invention is to provide a fall prediction system and method that can prevent the injury caused by the fall in advance by informing the user of the fall risk before the fall occurs.

상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 낙상 예측 방법은, 사용자의 측정장치로부터 측정된 사용자 동작 가속도 데이터에서 특징점을 추출하여 특징 벡터를 산출하는 단계; 상기 산출된 특징 벡터를 레이블링하는 단계; 상기 레이블링 된 특징 벡터를 머신러닝 알고리즘의 복수의 낙상 예측 모델에 각각 적용하는 단계; 및 상기 복수의 낙상 예측 모델에서 산출된 데이터 값을 기저장된 낙상 데이터 값과 비교하여 상기 낙상 데이터 값과 가장 유사한 낙상 예측 모델을 선택한 후, 선택된 예측 결과 값으로 낙상 발생 예측에 대해 사전 알림을 제공하는 단계;를 포함하는 점에 그 특징이 있다.The fall prediction method according to the present invention for achieving the above object comprises the steps of extracting a feature point from the user motion acceleration data measured from the user's measuring device to calculate a feature vector; Labeling the calculated feature vector; Applying each of the labeled feature vectors to a plurality of fall prediction models of a machine learning algorithm; And comparing the data values calculated from the plurality of falling prediction models with previously stored falling data values, selecting the falling prediction model most similar to the falling data values, and providing advance notification of the falling occurrence prediction using the selected prediction result value. Its features include; step.

여기서, 특히 상기 레이블링하는 단계에서 상기 특징 벡터에서 가속도 값의 변화가 소정치 이상인 경우의 구간을 선정하여 레이블링하는 점에 그 특징이 있다.Here, in particular, the labeling may be performed by selecting and labeling a section when the change of the acceleration value in the feature vector is greater than or equal to a predetermined value in the labeling step.

여기서, 특히 상기 특징 벡터에서 구간의 선정은 행동별 프레임의 윈도우 블럭 데이터 및 구간의 특징점 추출의 시간 변수를 적용하는 점에 그 특징이 있다.In particular, the selection of the interval in the feature vector is characterized in that the window block data of the action-specific frame and the time variable of the feature point extraction of the interval are applied.

여기서, 특히 상기 특징 벡터는 가우시안 함수 기반의 피크 감지 알고리즘을 이용하는 점에 그 특징이 있다.In particular, the feature vector is characterized in that it uses a Gaussian function based peak detection algorithm.

여기서, 특히 상기 특징 벡터를 산출하는 단계 이전에 상기 측정된 사용자 동작 가속도 데이터에서 중력 가속도 및 노이즈를 제거하는 단계를 더 포함하는 점에 그 특징이 있다.In particular, the method further includes removing gravity acceleration and noise from the measured user motion acceleration data before calculating the feature vector.

여기서, 특히 상기 머신러닝 알고리즘의 복수의 낙상 예측 모델은 5개의 머신 러닝 알고리즘 및 한 개의 딥 러닝 알고리즘을 포함하는 점에 그 특징이 있다.In particular, the plurality of fall prediction models of the machine learning algorithm are characterized in that it includes five machine learning algorithms and one deep learning algorithm.

또한, 상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 낙상 예측 시스템은, 관성측정수단으로부터 측정된 사용자의 동작에 대한 가속도 데이터의 특징점을 추출하여 특징 벡터를 산출하는 벡터 산출부; 상기 산출된 특징 벡터를 레이블링하는 구간 검출부; 및 상기 레이블링 된 특징 벡터를 머신러닝 알고리즘의 복수의 낙상 예측 모델에 각각 적용하고, 상기 복수의 낙상 예측 모델에서 산출된 데이터 값을 기저장된 낙상 데이터 값과 비교하여 상기 낙상 데이터 값과 가장 유사한 낙상 예측 모델을 선택한 후, 선택된 예측 결과값으로 낙상 발생 예측에 대해 사전 알림을 제공하는 예측부를 포함하는 점에 그 특징이 있다. In addition, the fall prediction system according to the present invention for achieving the above object, a vector calculation unit for extracting a feature point of the acceleration data for the user's motion measured from the inertial measurement means to calculate a feature vector; An interval detector for labeling the calculated feature vector; And apply the labeled feature vectors to a plurality of fall prediction models of a machine learning algorithm, and compare the data values calculated from the plurality of fall prediction models with previously stored fall data values to predict the fall data most similar to the fall data values. After the model is selected, it is characterized in that it comprises a prediction unit for providing advance notification for the fall occurrence prediction with the selected prediction result value.

본 발명에 따르면, 다양한 낙상의 종류와 부상 부위에 대한 낙상 예측 모델을 적용하여 낙상 발생을 예측하고, 낙상 발생 전 사용자에게 낙상 위험을 알림으로써 낙상으로 인한 부상을 미연에 방지할 수 있다.According to the present invention, it is possible to prevent injuries due to a fall by applying a fall prediction model to various types of falls and injuries to predict the fall, and informing the user of the fall risk before the fall occurs.

도 1은 본 발명의 사용자의 관성측정수단으로부터 측정된 가속도 데이터를 전송받아 낙상 예측 시스템과 연동되는 것을 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 낙상 예측 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 낙상 예측 방법에 대한 순서도를 개략적으로 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 가속도 데이터를 이용하여 특징점 추출 및 특징 벡터를 산출하는 예를 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 특징 벡터를 레이블링하는 과정의 예를 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 윈도우 기법 및 사전 낙상 예측 시간 도출 과정의 예를 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 머신러닝 알고리즘을 이용하여 일상생활 동작 및 낙상에 대한 실험과정의 예를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 낙상 예측 모델을 통한 사전 예측 결과의 예를 도시한 도면.
1 is a view schematically showing that the acceleration data measured from the inertial measurement means of the user of the present invention is linked to the fall prediction system.
2 is a diagram schematically showing the configuration of a fall prediction system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a flowchart schematically illustrating a fall prediction method according to an exemplary embodiment of the present invention. FIG.
4 is a diagram illustrating an example of extracting feature points and calculating feature vectors using acceleration data of the present invention.
5 shows an example of a process of labeling a feature vector of the present invention.
6 is a diagram illustrating an example of the windowing technique and the prior fall prediction time derivation process of the present invention.
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of an experimental process for daily living operation and falls using the machine learning algorithm of the present invention.
8 is a diagram showing an example of preliminary prediction results through a fall prediction model of the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.As the inventive concept allows for various changes and numerous embodiments, particular embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the written description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, it should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.In describing the present invention, when it is determined that the detailed description of the related well-known technology may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. In addition, numerals (eg, first, second, etc.) used in the description process of the present specification are merely identification symbols for distinguishing one component from another component.

또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. Further, in the present specification, when one component is referred to as "connected" or "connected" with another component, the one component may be directly connected or directly connected to the other component, but in particular It is to be understood that, unless there is an opposite substrate, it may be connected or connected via another component in the middle.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 사용자의 관성측정수단으로부터 측정된 가속도 데이터를 전송받아 낙상 예측 시스템과 연동되는 것을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 낙상 예측 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.1 is a diagram schematically illustrating the interlocking with a fall prediction system by receiving acceleration data measured from an inertial measurement means of a user of the present invention, and FIG. 2 illustrates a configuration of a fall prediction system according to an embodiment of the present invention. It is a schematic drawing.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 낙상 예측 시스템(200)은, 관성측정수단(100), 통신부(210), 가속도 검출부(220), 벡터 산출부(230), 구간 검출부(240), 낙상 예측부(250) 및 데이터베이스(260)를 포함하여 구성된다.As shown in Figures 1 and 2, the fall prediction system 200 of the present invention, the inertial measurement means 100, the communication unit 210, the acceleration detector 220, the vector calculator 230, the interval detector ( 240, a fall prediction unit 250, and a database 260.

상기 관성측정수단(100)은 사용자가 착용하는 장치로 사용자의 신체 부위 예를 들어, 왼쪽 골반 위에 하나의 관성측정수단(100)을 착용한 후, 무선 통신부(블루투스 등)(미도시)를 통해 낙상 예측 시스템에 세분화된 각각의 움직임 가속도 값을 실시간으로 전송하게 된다. 여기서, 상기 관성측정수단(100)의 상세한 구성을 도시하지 않았지만 가속도 센서, 제어부, 입출력장치, 알림부 및 통신부 등을 포함하여 구성될 수 있으며, 이에 한정하지 않는다.The inertial measurement means 100 is a device worn by a user, and wears one inertial measurement means 100 on a user's body part, for example, the left pelvis, and then through a wireless communication unit (Bluetooth, etc.) (not shown). Each motion acceleration value that is subdivided into the fall prediction system is transmitted in real time. Here, although the detailed configuration of the inertial measurement means 100 is not shown, it may include an acceleration sensor, a controller, an input / output device, a notification unit, a communication unit, and the like, but is not limited thereto.

상기 관성측정수단(100)은 3축 가속도 센서 등을 이용한 가속도 센서에 의해 감지된 사용자의 가속도 및 기울기 정보를 추출한다. 일반적으로 3축 가속도 센서는 가속도 값에는 보행이나 행동 중 가감속에 의한 운동가속도 성분과 경사에 의한 중력가속도 성분을 모두 포함하는 데이터 신호(raw data)를 측정한다.The inertial measurement means 100 extracts the acceleration and inclination information of the user detected by the acceleration sensor using a three-axis acceleration sensor or the like. In general, a three-axis acceleration sensor measures a data signal (raw data) that includes both the acceleration component due to acceleration and deceleration and the gravity acceleration component due to slope in the acceleration value.

상기 통신부(210)는 상기 관성측정수단(100)의 통신부(미도시)로부터 전송된 사용자의 세분화된 각각의 움직임 가속도 값을 수신하게 된다.The communication unit 210 receives each of the granular movement acceleration values of the user transmitted from the communication unit (not shown) of the inertial measurement means 100.

상기 가속도 검출부(220)는 수신된 사용자의 가속도 데이터에서 운동가속도 성분, 중력가속도 성분 및 노이즈 성분을 제거하게 된다. 보다 구체적으로, 운동 가속도 성분은 주파수 영역에서 고주파 성분에 위치하고, 중력가속도 성분은 저주파 성분에 위치함으로, 가속도 검출부는 HPF(High Pass Filter)를 이용해 운동 가속도 값(Ax, Ay, Az)하고, LPF(Low Pass Filter)를 이용해 중력가속도 값(Tx, Ty, Tz)을 추출한다. 예를 들어, LPF(Low Pass Filter)를 이용해 중력가속도 성분을 추출한 신호를 나타내고, HPF(High Pass Filter)를 이용해 운동 가속도 성분을 추출한 신호를 나타낸다. 또한, 노이즈 제거 필터를 이용하여 예를 들어, 메디안 필터(Median filter) 등을 이용하여 노이즈 신호를 제거하게 된다. The acceleration detector 220 removes the motion acceleration component, the gravity acceleration component and the noise component from the received acceleration data of the user. More specifically, since the acceleration component is located in the high frequency component in the frequency domain, the gravity acceleration component is located in the low frequency component, the acceleration detection unit using the HPF (High Pass Filter) to the acceleration value (Ax, Ay, Az), LPF Extract the gravitational acceleration values (Tx, Ty, Tz) using (Low Pass Filter). For example, a signal obtained by extracting a gravity acceleration component using a low pass filter (LPF) is shown, and a signal obtained by extracting a motion acceleration component using a high pass filter (HPF). In addition, by using a noise removing filter, for example, a median filter may be used to remove the noise signal.

상기 벡터 산출부(230)는 관성측정수단(100)으로부터 측정된 사용자의 동작에 대한 가속도 데이터의 특징점을 추출하여 특징 벡터를 산출하게 된다. The vector calculating unit 230 calculates a feature vector by extracting feature points of the acceleration data of the user's motion measured from the inertial measurement means 100.

보다 구체적으로, 벡터 산출부(230)는 관성측정수단에서 추출된 가속도 데이터를 가공하여 28개의 특징을 계산하게 된다. 예를 들어, 측정된 3축 가속도 값을 사용하여 각 프레임별 26개의 특징을 추출한 후, 각 윈도우 별 최대, 최소, 평균, 중앙, 변화, 왜도, 첨도를 계산하여 총 182개의 특징을 하나의 벡터로 나타낼 수 있다.More specifically, the vector calculator 230 calculates 28 features by processing the acceleration data extracted by the inertial measurement means. For example, after extracting 26 features for each frame using the measured three-axis acceleration values, the maximum, minimum, average, median, change, skewness, and kurtosis of each window are calculated to calculate a total of 182 features. It can be represented as a vector.

상기 구간 검출부(240)는 상기 산출된 특징 벡터를 레이블링하게 된다. 여기서, 각 윈도우 별 특징 벡터는 머신러닝 기반의 사전 낙상 예측모델의 입력 값으로 사용된다. 즉, 일반 비지도학습과는 달리 머신러닝 또는 딥 러닝 기반의 알고리즘의 경우 행동 별 프레임에 따라 레이블링을 하여야 하기 때문에 가우시안 함수 기반의 피크 감지 알고리즘을 사용하여 가속도 값 변화가 클 때를 감지하고 변화의 시작과 끝까지의 구간을 레이블링하게 된다.The interval detector 240 labels the calculated feature vector. In this case, the feature vector for each window is used as an input value of the machine learning-based prior fall prediction model. In other words, unlike general unsupervised learning, algorithms based on machine learning or deep learning must be labeled according to the frame of each action. It will label the interval from start to end.

한편, 상기 윈도우 구간의 낙상은 4개의 구간(pre-impact, impact(fall), aftermath, 그리고 posture)으로 나눌 수 있으며, 사전 낙상 예측의 경우 impact 전에 낙상임을 판별하여야 한다. 따라서 pre-impact과 impact의 데이터만을 추출하여 예를 들어, 윈도우 사이즈 10으로 지정한 후 impact 시점에서부터 움직임의 시작점 방향으로 윈도우를 움직여 리드 타임을 늘려가는 방식으로 입력 값을 가공하게 된다.On the other hand, the fall of the window section can be divided into four sections (pre-impact, impact (fall), aftermath, and posture), and in the case of pre-fall prediction, it must be determined that the fall before impact. Therefore, input data is processed by extracting only pre-impact and impact data, for example, specifying a window size of 10, and then increasing the lead time by moving the window from the impact point to the starting point of the movement.

상기 낙상 예측부(250)는 상기 레이블링 된 특징 벡터를 머신러닝 알고리즘의 복수의 낙상 예측 모델에 각각 적용하고, 상기 복수의 낙상 예측 모델에서 산출된 데이터 값을 기저장된 낙상 데이터 값과 비교하여 상기 낙상 데이터 값과 가장 유사한 낙상 예측 모델을 선택한 후, 선택된 예측 결과 값으로 낙상 발생 예측에 대해 사전 알림을 제공하게 된다.The fall prediction unit 250 applies the labeled feature vector to a plurality of fall prediction models of a machine learning algorithm, and compares data values calculated from the plurality of fall prediction models with previously stored fall data values. After selecting the fall prediction model most similar to the data value, the selected prediction result value provides a preliminary notification for the fall occurrence prediction.

보다 구체적으로, 일반적인 이동 일상생활 동작 및 다양한 낙상 종류에 대한 낙상 데이터를 데이터베이스화된 기데이터와 비교하게 된다. 즉, 상기 산출된 데이터를 머신러닝 알고리즘의 복수의 낙상 예측 모델에 각각 적용하여 기저장된 낙상 데이터와 가장 가까운 근사치의 낙상 데이터를 낙상 발생 예측으로 결정하게 된다. 여기서, 상기 머신러닝 알고리즘으로 총 5개의 머신러닝과 한 개의 딥러닝 기법을 사용하여 이 중 가장 높은 정확도, 민감도, 특이도를 나타내는 알고리즘 모델을 선택하게 된다.More specifically, fall data for general mobile daily activities and various types of falls are compared with the database data. That is, the calculated data is applied to the plurality of fall prediction models of the machine learning algorithm, respectively, to determine the fall data closest to the previously stored fall data as the fall occurrence prediction. The machine learning algorithm selects an algorithm model representing the highest accuracy, sensitivity, and specificity using a total of five machine learning and one deep learning technique.

상기 데이터베이스(260)는 상기 관성측정수단(100)으로부터 전송된 가속도 값은 데이터베이스(260)에 저장하게 된다. 또한, 일반적인 이동 일상생활 동작 및 다양한 낙상 종류에 대한 낙상 데이터를 데이터베이스화하게 된다.The database 260 stores the acceleration value transmitted from the inertial measurement means 100 in the database 260. In addition, the database of the fall data for the general mobile daily activities and various types of falls.

또한, 도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 낙상 예측 방법에 대한 순서도를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 낙상 예측 방법은, 먼저 상기 측정된 사용자 동작 가속도 데이터에서 중력 가속도 및 노이즈를 제거하는 단계가 수행된다(S310).3 is a flowchart schematically illustrating a fall prediction method according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, in the fall prediction method according to the present invention, first, gravity acceleration and noise are removed from the measured user motion acceleration data (S310).

보다 구체적으로, 상기 측정된 사용자의 가속도 데이터에서 운동가속도 성분, 중력가속도 성분 및 노이즈 성분을 제거하게 된다. 여기서, 운동 가속도 성분은 주파수 영역에서 고주파 성분에 위치하고, 중력가속도 성분은 저주파 성분에 위치함으로, HPF(High Pass Filter)를 이용해 운동 가속도 값(Ax, Ay, Az)하고, LPF(Low Pass Filter)를 이용해 중력 가속도 값(Tx, Ty, Tz)을 추출한다. 예를 들어, LPF(Low Pass Filter)를 이용해 중력가속도 성분을 추출한 신호를 나타내고, HPF(High Pass Filter)를 이용해 운동 가속도 성분을 추출한 신호를 나타낸다. 또한, 노이즈 제거 필터를 이용하여 예를 들어, 메디안 필터(Median filter) 등을 이용하여 노이즈 신호를 제거하게 된다. More specifically, the motion acceleration component, the gravity acceleration component and the noise component are removed from the measured acceleration data of the user. Here, the motion acceleration component is located in the high frequency component in the frequency domain, the gravity acceleration component is located in the low frequency component, and the motion acceleration values (Ax, Ay, Az) using the HPF (High Pass Filter), LPF (Low Pass Filter) Extract the gravitational acceleration values (Tx, Ty, Tz) using. For example, a signal obtained by extracting a gravity acceleration component using a low pass filter (LPF) is shown, and a signal obtained by extracting a motion acceleration component using a high pass filter (HPF). In addition, by using a noise removing filter, for example, a median filter may be used to remove the noise signal.

도 4는 본 발명의 가속도 데이터를 이용하여 특징점 추출 및 특징 벡터를 산출하는 예를 도시한 도면이다. 4 is a diagram illustrating an example of extracting feature points and calculating feature vectors using acceleration data of the present invention.

다음으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 운동 가속도, 중력 가속도 및 노이즈가 제거된 가속도 데이터에서 특징점을 추출하여 특징 벡터를 산출하는 단계가 수행된다(S320). Next, as illustrated in FIG. 4, a feature vector is calculated by extracting feature points from the acceleration data from which the acceleration, gravity acceleration, and noise are removed (S320).

보다 구체적으로, 관성측정수단에서 측정된 가속도 데이터를 가공하여 28개의 특징으로 계산하게 된다. 예를 들어, 측정된 3축 가속도 값을 사용하여 28개의 특징을 계산하고, 이를 다시 각 프레임별 26개의 특징으로 추출하게 된다. 그리고 각 윈도우 별 총 7개의 최대, 최소, 평균, 중앙, 변화, 왜도 및 첨도를 계산하여 총 182개의 특징을 하나의 벡터로 나타낼 수 있다. 즉, 도 4에서, 상기 3축 가속도 값을 이용하여 28개의 특징을 이용하여 26개의 각 프레임으로 추출하게 되는데 이때 1 에서 3은 X축, Y축 및 Z축의 기준 가속도 특징, 4 에서 6은 첫 번째 프레임에서 X축, Y축 및 Z축의 각 차이에 대한 가속도 특징으로 추출하고, 나머지 26번까지 추출하게 된다. 따라서, 상기 언급된 총 26개의 특징을 각 프레임 별 총 7개 영역의 최대, 최소, 평균, 중앙, 변화, 왜도 및 첨도를 계산하여 총 182개의 특징으로 얻게 된다. 즉, 일상생활 동작과 낙상 동작을 모두 포함하는 각 행동에 따라 총 182개의 특징 벡터를 행위별 30개로 추출하여 이를 다시 최종 특징 벡터로 선정하게 된다. More specifically, the acceleration data measured by the inertial measurement means is processed to calculate the 28 characteristics. For example, 28 features are calculated using the measured 3-axis acceleration values, which are extracted as 26 features for each frame. A total of seven maximum, minimum, average, median, change, skewness, and kurtosis for each window can be calculated to represent a total of 182 features as one vector. That is, in FIG. 4, the three-axis acceleration values are used to extract 26 frames using 28 features, wherein 1 to 3 are reference acceleration features of the X, Y, and Z axes, and 4 to 6 are the first. In the first frame, the acceleration feature is extracted for each difference of the X, Y, and Z axes, and the remaining 26 times are extracted. Therefore, the total 26 features mentioned above are obtained by calculating the maximum, minimum, average, median, change, skewness, and kurtosis of a total of seven areas for each frame, and a total of 182 features are obtained. That is, a total of 182 feature vectors are extracted to 30 for each action according to each action including both daily life and fall actions, and the final feature vectors are selected again.

도 5는 본 발명의 특징 벡터를 레이블링하는 과정의 예를 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 윈도우 기법 및 사전 낙상 예측 시간 도출 과정의 예를 도시한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 산출된 특징 벡터를 레이블링하는 단계가 수행된다(S330).FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a process of labeling a feature vector of the present invention, and FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a window technique and a prior fall prediction time derivation process of the present invention. As shown in FIG. 5, the step of labeling the calculated feature vector is performed (S330).

보다 구체적으로, 상기 산출된 특징 벡터를 가속도 값의 변화가 소정치 이상인 경우의 구간을 선정하여 구간 분할을 위한 레이블링을 하게 된다. 여기서, 상기 특징 벡터에서 구간의 선정은 행동별 프레임의 윈도우 블럭 데이터 및 구간의 특징점 추출의 시간 변수를 적용하게 되고, 이러한 구간 분할 작업을 위해 예를 들어, 가우시안 함수 기반의 피크 감지 알고리즘을 이용하는 것이 바람직하나 이에 한정하지 않는다. 이때, 상기 각 윈도우 별 특징 벡터는 머신러닝 기반의 사전 낙상 예측 모델의 입력 값으로 사용된다. 즉, 일반 비지도학습과는 달리 머신러닝 또는 딥 러닝 기반의 알고리즘의 경우 행동 별 프레임에 따라 레이블링을 하여야 하기 때문에 가우시안 함수 기반의 피크 감지 알고리즘을 사용하여 가속도 값 변화가 클 때를 감지하고 변화의 시작과 끝까지의 구간을 레이블링하게 된다. 이러한, 가우시안 함수 기반의 알고리즘은 반복적으로 발생하는 피크(peak)를 잘 찾을 수 있는데 최적화되어 있다.More specifically, the calculated feature vector is selected for a section when the change in the acceleration value is more than a predetermined value to label the section. Here, the selection of the interval in the feature vector is applied to the window block data of the action-specific frame and the time variable of the feature point extraction of the interval, and for this segmentation operation, for example, using a peak detection algorithm based on a Gaussian function. Preferred but not limited to this. In this case, the feature vector for each window is used as an input value of a pre-fall prediction model based on machine learning. In other words, unlike general unsupervised learning, algorithms based on machine learning or deep learning must be labeled according to the frame of each action. It will label the interval from start to end. Such a Gaussian function-based algorithm is optimized for finding peaks that occur repeatedly.

한편, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 윈도우 구간의 낙상은 4개의 구간의 프리-임팩트(pre-impact), 임팩트(impact)(fall), 애프터매쓰(aftermath), 그리고 포스춰(posture)로 나눌 수 있으며, 사전 낙상 예측의 경우 임팩트(impact) 전에 낙상임을 판별하여야 한다. 따라서 프리-임팩트(pre-impact)와 임팩트(impact)의 데이터만을 추출하게 된다. 예를 들어, 윈도우 사이즈 10으로 지정한 후 임팩트(impact) 시점에서부터 움직임의 시작점 방향으로 윈도우를 움직여 리드 타임을 늘려가는 방식으로 입력 값을 가공하게 된다.On the other hand, as shown in Figure 6, the fall of the window section is pre-impact, impact (fall), aftermath (postmath) and posture of the four sections In the case of a pre-fall prediction, it is necessary to determine that the fall is before impact. Thus, only pre-impact and impact data are extracted. For example, after setting the window size 10, the input value is processed by increasing the lead time by moving the window from the impact point to the start point of the movement.

그 다음으로, 상기 레이블링 된 특징 벡터를 머신러닝 알고리즘의 복수의 낙상 예측 모델에 각각 적용하는 단계가 수행된다(S340). 여기서, 상기 머신러닝 알고리즘의 복수의 낙상 예측 모델은 5개의 머신 러닝 알고리즘 및 한 개의 딥 러닝 알고리즘을 포함할 수 있다. Next, applying the labeled feature vector to each of the plurality of falling prediction models of the machine learning algorithm is performed (S340). Here, the plurality of fall prediction models of the machine learning algorithm may include five machine learning algorithms and one deep learning algorithm.

보다 구체적으로, 머신러닝 기반의 알고리즘은 데이터를 학습하는 방식 (learning style)을 적용하게 된다. 이때, 상기 복수의 낙상 예측 모델로 적용되는 머신러닝 알고리즘으로는, SVM(Support Vector Machine), K-NN(Nearest Neighboring), DT(Decision Tree), QDA(Quadratic discriminant analysis), NB(Naive Bayes) 및 ANN(Artificial Neural Network)이 적용될 수 있으며, 이에 한정되지 않지 않는다. More specifically, a machine learning based algorithm applies a learning style. In this case, as a machine learning algorithm applied to the plurality of fall prediction models, SVM (Support Vector Machine), K-NN (Nearest Neighboring), DT (Decision Tree), QDA (Quadratic discriminant analysis), NB (Naive Bayes) And ANN (Artificial Neural Network) may be applied, but is not limited thereto.

여기서, 상기 SVM(Support Vector Machine)는 분류 알고리즘으로 수집된 가속도 데이터를 알고리즘을 토대로 낙상 예측 모델을 완성하게 되고, 정확도 테스트를 한 후, 정확도에 따라 다시 머신러닝 알고리즘을 설정하거나 프로그래밍을 완료한다. 상기 K-NN(Nearest Neighboring)의 낙상 예측 모델 알고리즘은 내 주위에 k 개의 가장 가까운 이웃 데이터가 누구인지를 찾아내서 이웃들의 클래스(class)를 다수결로 하여 나의 클래스(class)로 결정하는 알고리즘이다. 즉, 분류를 위한 지도학습에 속하며 이미 라벨링이 되어 있는 트래인(train) 데이터가 존재할 때, 새로운 데이터가 나타났을 때 기존 데이터를 바탕으로 어떤 라벨링으로 하는 것이 맞는지를 찾아내고, 비지지도 학습에 속하며 데이터에 라벨링이 되어 있지 않으며, 특징들을 비교하여 비슷한 것끼리 묶어주는, 즉 라벨링을 스스로 하여 배우는 것은 분류에 속하는 knn 으로 한다. 상기 DA(Decision Tree Algorithms)은 "의사결정나무"라고도 불리는 결정트리 알고리즘으로 실제 데이터에 있는 속성들의 값들을 기반으로 결정 모델을 생성한다. 주로 분류와 회귀 문제를 해결하기 위해 사용되어지며, 대체로 속도가 빠르고 정확도가 높아 기계학습에서 많이 사용된다. 상기 QDA(Quadratic discriminant analysis)는 확률론적 알고리즘으로 각 클래스에 따른 확률 변수 분포의 모수를 추정할 수 있다. 상기 NB(Naive Bayes)는 분류기를 만들 수 있는 간단한 기술로써 단일 알고리즘을 통한 훈련이 아닌 일반적인 원칙에 근거한 여러 알고리즘을 이용하여 훈련된다. 상기 ANN(Artificial Neural Network)는 인공신경망 알고리즘으로 인공신경망은 생물학의 뉴런망의 구조와 기능을 모방한 모델이다. 패턴매칭의 한 방식이며 주로 분류와 회귀 문제를 해결하는데 사용되지만 수백 가지의 알고리즘으로 구성된 수많은 하위 분야가 있으며, 모든 유형의 문제들을 풀기위한 변종 알고리즘들이 있다.Here, the support vector machine (SVM) completes the fall prediction model based on the acceleration data collected by the classification algorithm based on the algorithm, and after the accuracy test, sets the machine learning algorithm or completes the programming according to the accuracy. The fall prediction model algorithm of K-NN (Nearest Neighboring) is an algorithm that finds who is the k nearest neighbor data around me and decides my class as the majority of the class of neighbors. In other words, when there is train data that is already labeled and belongs to supervised learning for classification, it finds out what labeling is appropriate based on the existing data when new data appears, and belongs to the non-gigido learning. The data is not labeled, and it is knn that belongs to the classification to compare features and tie similar things together, that is, to learn to do the labeling yourself. The DA (Decision Tree Algorithms) is a decision tree algorithm, also called a "decision tree," to generate a decision model based on the values of attributes in real data. It is mainly used to solve classification and regression problems. It is generally used in machine learning because of its high speed and high accuracy. The QDA (Quadratic discriminant analysis) is a stochastic algorithm that can estimate the parameters of the distribution of random variables according to each class. The NB (Naive Bayes) is a simple technique for creating a classifier, and is trained using various algorithms based on general principles, not training through a single algorithm. The ANN (Artificial Neural Network) is an artificial neural network algorithm, which is a model that mimics the structure and function of a neuronal network of biology. It is a form of pattern matching and is mainly used to solve classification and regression problems, but there are numerous subfields of hundreds of algorithms, and variants of algorithms to solve all types of problems.

그리고 상기 복수의 낙상 예측 모델에서 산출된 데이터 값을 기저장된 낙상 데이터 값과 비교하여 상기 낙상 데이터 값과 가장 유사한 낙상 예측 모델을 선택한 후(S350), 선택된 예측 결과 값으로 낙상 발생 예측에 대해 사전 알림을 제공하는 단계(S360)를 수행하게 된다.Then, by comparing the data values calculated from the plurality of falling prediction models with previously stored falling data values, selecting the falling prediction model most similar to the falling data values (S350), and then notifying the prediction of the falling occurrence with the selected prediction result value. To provide a step (S360).

보다 구체적으로, 상기 복수의 낙상 예측 모델에서 산출된 데이터 값을 기저장된 낙상 데이터 값과 비교하여 상기 낙상 데이터 값과 가장 유사한 최적의 낙상 예측 모델을 선택한 후, 선택된 예측 결과 값으로 낙상 발생 예측에 대해 사전 알림을 제공하게 된다. 즉, 상기 산출된 데이터를 머신러닝 알고리즘의 복수의 낙상 예측 모델에 각각 적용하여 기저장된 낙상 데이터와 가장 가까운 근사치를 갖는 낙상 데이터의 결과 값을 낙상 발생 예측으로 결정하게 된다. 여기서, 기저장된 데이터는 다양한 일반적인 이동 일상생활 동작 및 다양한 낙상 종류에 대한 낙상 데이터를 데이터베이스화한 것이다. More specifically, the optimal fall prediction model most similar to the fall data value is selected by comparing the data values calculated in the plurality of fall prediction models with previously stored fall data values, and then the fall occurrence prediction is performed using the selected prediction result value. Providing advance notification. That is, the calculated data is applied to the plurality of falling prediction models of the machine learning algorithm, respectively, to determine the result value of the falling data having the closest approximation with the previously stored falling data as the fall occurrence prediction. Here, the pre-stored data is a database of falling data for various general mobile daily activities and various types of falls.

여기서, 상기 머신러닝 알고리즘으로 총 5개의 머신러닝과 한 개의 딥러닝 기법을 사용하여 이 중 가장 높은 정확도, 민감도, 특이도를 나타내는 촤적의 알고리즘 낙상 예측 모델을 선택하게 된다.The machine learning algorithm uses a total of five machine learning and one deep learning technique to select an algorithmic fall prediction model representing the highest accuracy, sensitivity, and specificity.

한편, 도 7은 본 발명의 머신러닝 알고리즘을 이용하여 일상생활 동작 및 낙상에 대한 실험과정의 예를 도시한 도면이고, 도 8은 본 발명의 낙상 예측 모델을 통한 사전 예측 결과의 예를 도시한 도면이다. On the other hand, Figure 7 is a view showing an example of the experiment process for everyday life behavior and falls using the machine learning algorithm of the present invention, Figure 8 shows an example of the pre-prediction results through the fall prediction model of the present invention Drawing.

도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 일상생활 동작과 낙상을 구별하기 위해 총 26개의 다양한 동작의 실험데이터를 획득하여 사전 낙상 예측 모델 결과를 보여주고 있다. 도 8에서, 임팩트 지점(100%)으로부터 50%까지 줄어들었을 때의 사전 낙상 및 일상 동작 예측 정확도는 임팩트 지점으로부터 시작점을 100%의 경우 6개의 머신 러닝 정확도는 약 99% 이상으로 나타났으며, 50%로 줄어듦에도 ANN은 정확도의 변화가 미미한 것을 알 수 있다. 또한, 윈도우 사이즈가 임팩트 지점(100%)으로부터 50%까지 줄어들었을 때의 사전 낙상 및 일상 동작 예측 민감도 및 특이도를 알 수 있다.As shown in FIG. 7 and FIG. 8, experimental data of a total of 26 different motions are acquired to distinguish the everyday life motion from the fall, and the result of the previous fall prediction model is shown. In Figure 8, the pre-fall and daily motion prediction accuracy when reduced from the impact point (100%) to 50%, the six machine learning accuracy of about 99% or more at 100% starting point from the impact point, Although reduced to 50%, the ANN shows a slight change in accuracy. In addition, prior fall and daily motion prediction sensitivity and specificity can be seen when the window size is reduced by 50% from the impact point (100%).

따라서 본 발명의 적용분야는 다양한 낙상 종류의 예측이 가능한 머신러닝 기반의 분류 모델링 방법 및 낙상 데이터를 측정할 수 있는 웨어러블 장치에 가능하며, 낙상 전 착용자에게 위험함을 미리 알리는 것이 가능하게 된다. 이러한 사용자 관성측정장치로서의 웨어러블 장치는 에어백이나 프로텍터와 같은 낙상 관련 보호기구의 적절한 제어장치와 결합하여 낙상으로 인한 노인의 부상 최소화 또는 방지할 수 있다. Therefore, the field of application of the present invention can be applied to a machine learning-based classification modeling method capable of predicting various types of falls and a wearable device capable of measuring falling data, and it is possible to inform a wearer of a fall before the danger. The wearable device as a user inertial measurement device can be combined with an appropriate control device of a fall-related protection mechanism such as an airbag or a protector to minimize or prevent injury of the elderly due to the fall.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시 예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시 예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.The scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments but may be implemented in various forms of embodiments within the appended claims. Without departing from the gist of the invention claimed in the claims, it is intended that any person skilled in the art to which the present invention pertains falls within the scope of the claims described in the present invention.

100 --- 관성측정수단 200 --- 낙상 예측 시스템
210 --- 통신부 220 --- 가속도 검출부
230 --- 벡터 산출부 240 --- 구간 검출부
250 --- 낙상 예측부 260 --- 데이터베이스
100 --- Inertial measurement means 200 --- Fall prediction system
210 --- Communication unit 220 --- Acceleration detector
230 --- vector calculator 240 --- interval detector
250 --- Fall prediction 260 --- Database

Claims (7)

사용자의 측정장치로부터 측정된 사용자 동작 가속도 데이터에서 특징점을 추출하여 특징 벡터를 산출하는 단계;
상기 산출된 특징 벡터를 레이블링하는 단계;
상기 레이블링 된 특징 벡터를 머신러닝 알고리즘의 복수의 낙상 예측 모델에 각각 적용하는 단계; 및
상기 복수의 낙상 예측 모델에서 산출된 데이터 값을 기저장된 낙상 데이터 값과 비교하여 상기 낙상 데이터 값과 가장 유사한 낙상 예측 모델을 선택한 후, 선택된 예측 결과 값으로 낙상 발생 예측에 대해 사전 알림을 제공하는 단계;를 포함하는 낙상 예측 방법.
Calculating a feature vector by extracting feature points from user acceleration data measured from a user's measuring device;
Labeling the calculated feature vector;
Applying each of the labeled feature vectors to a plurality of fall prediction models of a machine learning algorithm; And
Comparing the data values calculated by the plurality of falling prediction models with previously stored falling data values to select a falling prediction model most similar to the falling data values, and then providing a preliminary notification of the falling occurrence prediction using the selected prediction result value; Fall prediction method including;
제1항에 있어서,
상기 레이블링하는 단계에서 상기 특징 벡터에서 가속도 값의 변화가 소정치 이상인 경우의 구간을 선정하여 레이블링하는 것을 특징으로 하는 낙상 예측 방법.
The method of claim 1,
And in the labeling step, selecting and labeling a section when the change in the acceleration value in the feature vector is greater than or equal to a predetermined value.
제2항에 있어서,
상기 특징 벡터에서 구간의 선정은 행동별 프레임의 윈도우 블럭 데이터 및 구간의 특징점 추출의 시간 변수를 적용하는 것을 특징으로 하는 낙상 예측 방법.
The method of claim 2,
The selection of the interval in the feature vector is a fall prediction method characterized in that to apply the window block data of the action-specific frame and the time variable of the feature point extraction of the interval.
제3항에 있어서,
상기 특징 벡터는 가우시안 함수 기반의 피크 감지 알고리즘을 이용하는 것을 특징으로 하는 낙상 예측 방법.
The method of claim 3,
And the feature vector uses a Gaussian function based peak detection algorithm.
제1항에 있어서,
상기 특징 벡터를 산출하는 단계 이전에 상기 측정된 사용자 동작 가속도 데이터에서 중력 가속도 및 노이즈를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 낙상 예측 방법.
The method of claim 1,
And removing gravity acceleration and noise from the measured user motion acceleration data prior to calculating the feature vector.
제1항에 있어서,
상기 머신러닝 알고리즘의 복수의 낙상 예측 모델은 5개의 머신 러닝 알고리즘 및 한 개의 딥 러닝 알고리즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 낙상 예측 방법.
The method of claim 1,
The plurality of fall prediction models of the machine learning algorithm include five machine learning algorithms and one deep learning algorithm.
관성측정수단으로부터 측정된 사용자의 동작에 대한 가속도 데이터의 특징점을 추출하여 특징 벡터를 산출하는 벡터 산출부;
상기 산출된 특징 벡터를 레이블링하는 구간 검출부; 및
상기 레이블링 된 특징 벡터를 머신러닝 알고리즘의 복수의 낙상 예측 모델에 각각 적용하고, 상기 복수의 낙상 예측 모델에서 산출된 데이터 값을 기저장된 낙상 데이터 값과 비교하여 상기 낙상 데이터 값과 가장 유사한 낙상 예측 모델을 선택한 후, 선택된 예측 결과 값으로 낙상 발생 예측에 대해 사전 알림을 제공하는 낙상 예측부를 포함하는 낙상 예측 시스템.
A vector calculator configured to extract a feature point of acceleration data of a user's motion measured from inertial measurement means and calculate a feature vector;
An interval detector for labeling the calculated feature vector; And
Applying the labeled feature vector to a plurality of falling prediction models of a machine learning algorithm, and comparing the data values calculated from the plurality of falling prediction models with previously stored falling data values, the falling prediction model most similar to the falling data values. After selecting the fall prediction system comprising a fall prediction unit for providing a pre-notification for the fall occurrence prediction with the selected prediction result value.
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