采用加速度计检测人体跌落
2012-05-20 20:14:46   来源:微迷   评论:0   点击:

意外摔倒是65岁以上人群主要的健康威胁以及死亡原因,采用飞思卡尔的MMA7260Q三轴加速度计,56F8013数字信号控制器(DSC)以及MC13192射频收发器,可以很容易的检测出人体的跌落并立即报告以作出反应。

意外摔倒是65岁以上人群主要的健康威胁以及死亡原因。在因摔倒而需要医疗护理的人群中,65岁及以上的占到超过30%,而因摔倒致死的人群中,40%是80岁以上的老者。在超过85岁的人群中,2/3的意外摔倒直接导致死亡。报告显示,在老年之家和养老院中,66%的居民每年至少会有一次意外摔倒。而这并不包括未报告的情况,因此这个数字还是可能被低估的。

然而,采用飞思卡尔的MMA7260Q三轴加速度计,56F8013数字信号控制器(DSC)以及MC13192射频收发器,可以很容易的检测出人体的跌落并立即报告以作出反应。本文介绍的参考设计可以在几种人体跌落状态发生时进行识别与分析。文章同时描述了实施该方案的硬件设计和软件开发方面的细节。

介绍

健康护理中心估计约有2/3的老年人摔倒是可以避免的。确定危险因素(包括内在主体因素以及外在环境因素)作为开发先进的跌落检测报告系统的第一步是很重要的。内在因素包括头晕,头昏眼花,虚弱,心里混乱,残疾和其他行走障碍等的症状。环境因素则包括光滑或崎岖的路面,缺乏照明以及各种障碍。

在评估和治疗老年人并开发避免意外摔倒的系统时,一些重要的老人医学(老年人的社会,生理和心灵层面的研究)理论需要加以考虑。

* 储备功能的概念:事实上在目前所有的生理系统上这是一个多余的功能。一段时间内可观数目的这类功能可以在临床症状出现前失去。

* 储备功能的概念:事实上在目前所有的生理系统上这是一个多余的功能。一段时间内可观数目的这类功能可以在临床症状出现前失去。

* 整体机能的下降:这大约相当于生理系统中丧失的功能总和。当一个系统中只有某个功能丧失的时候,补偿机制将发挥作用来维持系统。当多个功能丧失的时候,任何补偿机制都将严重受损,从而导致整个系统无法正常运行。

* 身体灵活性和平衡性恶化的后果:这取决于社会,情感和行为的外界环境。一个有效的社会网络以及对健康认知的判断可以减轻个体缺乏平衡性带来的影响并降低摔倒的风险。

预防摔倒是非常重要的,但一旦发生时,及时的医疗救护也很重要。评估摔倒者伤情需要多医生,治疗师,心里医师和护士等多学科的联合工作。集成加速度传感器技术的应急网络可以为他们提供及时准确的跌落信息,从而大大提高他们的反应速度。

    经过FIR滤波器输出的行走和摔倒的能量曲线图    

图1 经过FIR滤波器输出的行走和摔倒的能量曲线图

第一次的摔倒报告是最关键的。一旦加速度计感应到摔倒,信息将立即被处理并发送到救护中心,整个维护和评估系统开始启动来治疗伤者,查询导致摔倒的所有的生理、心理和环境因素并启动后续的预防措施。

心理专家或社会工作者可以收集有关社会和财政福利的信息,以及任何抑郁症的症状,当前认知功能的状态和其他可能导致摔倒的可能因素。

物理治疗师可以收集有关任何身体功能恶化的信息,这些恶化可能导致某些残疾,从而导致摔倒。

在这个评估系统中医生的职责最为重要。他/她可以了解患者的临床病史,并推荐使用基于加速度计的跌落检测系统来记录摔倒状态。这可以帮助医生对治疗进行必要的调整。临床病史包括:

* 目前病人正使用的药物(安眠药,止痛药,抗抑郁剂,镇静剂,抗过敏药物和其他一些药物)

* 可能影响病人平衡稳定性的医疗情况(例如神经损伤,心血管疾病,失明,耳损伤等)

一些表现在平衡失调或导致病人不稳定的代谢条件的疾病(用来估计下一次摔倒可能性的重要信息)

监测人体活动

人体跌落检测系统可以被视为人体活动检测系统的一个子系统。已经有很多针对人体动作检测的研究,评估了不同的传感器技术,包括使用加速度计来测量人体的移动。

飞思卡尔的人体跌落检测参考设计基于加速度传感器技术,这些传感器有以下几方面的优势:

* 加速度计体积小,容易安装在身体上

* 易于连接便携式处理单元

* 属于低功耗传感器

加速度计只是一个传感器,因此对于检测设备只需要一个输入信号源。系统中真正核心的东西是分析用来检测人体动作的传感器输入信号的软件。这需要处理加速度计的输入信号,计算人体状态并与网络沟通来报告当前的状态以及报警情况。

算法

在研究不同的人体跌落检测方案后,论文《使用三轴加速度计检测运动》中所研究的检测人体运动的方法成为参考设计所选的方案。参考设计的简介如下:

* 思卡尔MMA7260Q三轴加速度计的测量采样频率为45Hz。

* 采用13阶的中值滤波器来滤除加速度计采样值的噪声。

* 采用一个截止频率为0.25Hz的高通FIR滤波器以及一个0.8秒(36个采样点)的非重叠窗叠加来消除重力因素,以便滤出动态加速度信息作为下一步运算所需。

* 在每个采样点窗体都会计算能量的消耗。图1显示了FIR滤波器输出的能量曲线信息。正如《使用三轴加速度计检测运动》一文中提到的,一个0.8秒宽度的非重叠窗足够通过佩带在腰部的 设备来确定人体的运动。

* 每个采样窗体内的能量计算出来后可以与特定的阈值进行比较,从而确定人体的运动,例如站立,行走和摔倒。这是通过实时计算出来的能量与实验测试出来的阈值进行比较来实现。系统 可以判别出跌落,因为人体受到跌落影响会产生最大的能量消耗阈值。请参阅本文的结论部分的推荐应用,以提高系统可靠性。

开发过程

1. 建立和实验

a. 实验环境包括一个带有IEEE®802.15.4收发器和加速度计的电路板,另外一个通过RS232连接着电脑的并带有IEEE®802.15.4收发功能的电路板,同时还连接着一个舒适的座垫(可以用来实验摔倒而不会导致受伤)。这些是用来收集信息源并评估算法的。

b. 10位实验者被要求执行21个动作,重复3遍。这些包括行走然后摔倒,慢跑,跑步,上楼和下楼。

2.将结果归档、研究并确定算法

a. 在网上查找相关论文,尤其是在IEEE.org上。

b. 查阅论文并选定《使用三轴加速度计检测运动》一文中推荐的算法。选定该算法是因为它使用三轴加速度传感器并提供了详细的算法以及较好的结果。

3.建立模型并验证算法

a. 使用Matlab和数字信号处理工具包来建立选定算法的模型。

b. 使用建立的模型,以及保存的实验数据文件作为输入,来模拟算法的输出。这只是对一系列具体动作的仿真运算(实验数据只是模拟人体的跌落,而不是完整的人体动作)。

c. 对算法进行微调,例如改变FIR滤波器的阶数来更好适应实际应用(适应0.8秒的采样窗)。

d. 使用数据来将站立,行走和摔倒的能量消耗范围归类(确定阈值)。

e. 使用部分数据来测试阈值。

4.在DSC中建立模型

a. 调整好算法后,将浮点数据类型转换成定点数据类型以便在DSC中实现。

b. 定义好软件架构并通过串行接口在DSC中实现。

c. 使用串行接口来载入日志文件数据并在56F8013DSC上验证算法。

5.实现其他的功能需求

a. 实现无线通信,flash驱动和串行通信模块。

6.验证参考设计

a.开发完成后,在部分人群中评估该设计方案。

系统要求

为了适合实际应用,人体跌落检测系统需要达到以下要求:

* 体积轻巧,易于携带

* 电池供电

* 可以检测人体跌落,报告给基站,并保存到非易失性存储器中

* 设备可以接收并执行基站发来的命令以控制非易失性存储器

                             采用加速度计检测人体跌落的原理框图                             

图2 采用加速度计检测人体跌落的原理框图

                              采用加速度计检测人体跌落的软件架构                              

图3 采用加速度计检测人体跌落的软件架构

硬件描述

三轴加速度计提供了三个模拟信号量对应每个轴线上的加速 度量。加速度量程选择(G选择)由DSC来直接控制,并决 定设备的灵敏度(本应用选择+/-1.5g的量程)。省电引脚 连接到Vdd让加速度计持续采样工作。在目前的方案中,不需 要动态改变加速度计的灵敏度,不过在将来的应用中可以动 态改变测量范围以改变灵敏度,从而让系统可以获得特定人 体运动的更多信息。

56F8013DSC控制加速度计MMA7260Q的行为、处理用户输入、显示、I2C存储器以及射频收发器MC13192的行为。它处理加速度计的输出信号来产生关于人体状态的信息,从而判断他/她是否摔倒。

射频收发器让系统可以通过无线发送事件和紧急情况的报告给基站。同时也是访问I2C存储器的通道。存储器的大小取决于需要存储事件的多少。该系统采用了32K字节的存储器。 用来发送数据的协议是基于SMAC4.1的修改版本。该协议代 码可以在www.freescale.com下载。

软件描述

软件分为两个主要任务-后台任务和前台任务。后台任务处理加速度计信号的来检测人体的状态。前台任务主要用来处理硬件事件,例如响应中断,模数转换(ADC)以及通信模块(串口和SMAC)。在ADC模块采样率为45Hz情况下,算法按照以下几步数字信号处理过程来检测跌落运动:

* ADC采样数据通过13阶的中值滤波器来滤除高频噪声

* 截止频率为0.25Hz的30阶高通滤波器用来滤除重力分量

* 在能量损耗计算阶段将结果与特定的人体动作的阈值(包括站立,行走和摔倒)进行比较

结果

这个项目的最初目标是开发一个参考设计,以便飞思卡尔的用户可以据此来开发自己的产品。所以,不论收集了多少数据信息,这个项目的分析之基于三类人体活动-即站立,行走和摔倒。

鉴于此,并没有就此方案进一其他更多的评估。通过阅读《使用三轴加速度计检测运动》,用户应该可以重现这个参考设计。论文可以从www.freescale.com下载(搜索文件编号MMA7260QHFDRM)。

为了提高系统的可靠性和灵活性,可以通过分析历史采样窗来检测摔倒,甚至防止其中的一些摔倒发生。

能量值连同重力因素(用来检测自由落体状态和倾斜状态)可以产生可靠性更高的系统响应。

结论

飞思卡尔有着非常丰富的低功耗8位和32位处理器、DSC、低功耗的加速度计以及802.15.4收发器,因此,飞思卡尔为此类应用提供的组合服务处于非常有优势的地位。

这个人体跌落检测装置只是整个意外事件检测系统中一个组成部分。该系统的其他部分包括用于无线接收摔倒事件并向远程监控中心发送事故报告的相关装置。这个中心接下来可以在摔倒信息上附上伤者的实际情况(如本文前言所述)用以提醒医疗和紧急服务中心,并通过电话或寻呼方式联系家庭成员提醒事故发生。

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