智能手机步态监测：给老人家可触及的关爱

如果问家里有老人的朋友最担心什么？很多人可能会回答“跌倒”。对于年轻人，尤其是青少年来说，跌倒很多时候并不是大问题；即使造成了实质性损伤，恢复速度也比较快。而对于老人家来说，一次跌倒可能造成的后果要严重得多，有时候甚至危及生命。随着年龄增长，老人家会出现肌肉流失、肌力变差的问题，平衡能力和认知能力也会一定程度地受损，这导致他们比年轻人更容易跌倒。而钙质的流失会导致骨质酥松，因此跌倒的老人很容易形成骨折。骨折后的老人因为需要长期卧床，容易引发相应的并发症，重则会有生命危险。除了严重的生理损伤以外，跌倒还可能造成心理损伤。有的老人会因为跌倒产生对活动的恐惧，从而不敢活动，长远来看这也会对健康造成负面影响。

跌倒，已经成为影响老人健康的重要原因。防止跌倒，是值得人们关注的话题。

如何防止跌倒？

针对老人跌倒的问题，不少专家学者提出了应对的建议。首先针对老人家自己来说，增强体质是预防跌倒的有效途径。增强体质一方面要加强锻炼，另一方面要合理搭配膳食，摄入充足的蛋白质和维生素。一些设计者也针对老人跌倒的问题设计了“防跌神器”，通过提供缓冲和支撑以减少跌倒过程带来的损伤。不过，这些产品大多通过物理结构产生作用，因此不可避免地对某些动作造成了妨碍，又因为造型的特异性而用户接受度不高。

法国Helite公司设计的摔倒缓冲保护气囊

另一套防跌倒的思路是监测、风险评估、预防的方式。360公司周鸿祎在接受吴晓波采访时谈到，360要将信息安全扩展到家庭安全防护的方面。老年人的室内防跌倒就是他们将安全防护与物联网技术结合的一个落脚点。具体来讲，就是在室内安装摄像头，通过分析摄像头收集的视频流内人的骨架运动轨迹，得到人的步态特征，达到跌倒风险预测的目的。这套方法的一个核心立足点，就是通过步态数据分析去预测跌倒风险。不过，就现阶段而言，家庭视频监控对于摄像头数量要求较高，普及性不够，不能造福更广泛的老人群体。另外，摄像头位置固定，只能局限在特定场景，使用场景比较受限。

有的研究者和设计师开发了专门的可穿戴设备来随时随地监测老年人的步态。目前老年人对可穿戴设备的接受度还不高，而专门为了收集步态信息而增加一个设备也造成了额外的负担。与之相比，用智能手机去检测步态数据是一个既方便又能让大部分人接受的方法。如果数据采集可靠的话，将为更广大的老年人群体提供可触及的关爱。

什么是步态数据？

聊了很多关于使用步态分析预测跌倒风险的方向，我们来具体看一看到底什么是步态数据。总的来说，步态指个体走路时表现的姿态。一般来说，步态的几个关键性要素包括速度、节奏、步幅长度和步态变异性等。速度很好理解，就是单位时间内一个人行走的距离。节奏是指个人行走的频率，即单位时间内完成了几个运动周期。步幅长度是指以脚的中心计算，走一步后两脚的中心距离。步态变异性则反映了个体相邻两步之间的变化。

步态划分示意图

如图所示，人行走过程中伴随着垂直方向加速度的变化。随着脚抬起和放下，加速度先增大后减小。每一步反映在加速度变化图上就有一个波峰，而这样的一步称为“单步”。相邻两个单步组合在一起就是一个“复步”。

监测步态有什么用？

预防跌倒。上文已经讲到，步态数据是一个比较稳定的预测跌倒风险的指标。智能手机普及性高，大部分国民几乎都是随身携带，保证随时随地能够对步态数据进行监测。GPS系统让智能手机有良好的位置精度，通过位置与步态数据的协同分析，可以预测哪些地方的哪些活动更可能导致跌倒。给与老人家及时的提醒，能从意识上预防跌倒。

预测疾病。大量研究表明，步态也可以作为一些疾病诊断的指标。例如，走路时左右摇摆（又称“蹒跚步态”，Waddling Gait），可能是因为佝偻病、进行性肌营养不良等；病人行走过程中突发下肢酸痛、软弱无力，需休息后再行走（又称“间歇性跛行”，Intermittent Claudication），则常见于高血压、动脉硬化患者；此外，步态数据还能被用来辅助检测帕金森综合症。早诊断、早治疗是保证老年人健康的一大有效途径。

触发报警。步态监测还可以反映个体的运动状态。如果发生意外，能够直接触发报警。当系统通过步态数据监测到老人摔倒，为防止老人行动不便，可以自动触发报警，以争取救助时间。

步态监测的设备及佩戴位置

步态监测设备的佩戴位置

步态的识别一方面可以用图像处理的方式，这种方式需要配备大量的摄像头，目前阶段其距离普遍投入个人化应用市场还有较远距离。针对个人的动作记录和跌倒预防，研究者还可以使用另一条技术路线——加速度传感器。以上已经提到，个人行走过程中会伴随着加速度的变化。现在很多设备中已经配备了加速度传感器，可以满足日常使用的设计精度。研究者们尝试使用智能手环、iPod、智能手机等设备去监测用户的步态，都得到了比较可靠的数据。部分实验结果表明，智能手机的加速度感应器测量步态的效果已经不弱于传统的三轴加速度计。

步态监测时，传感器可以佩戴在身体的不同位置。有的研究中，设备佩戴在靠近盆骨的位置，也可以佩戴在手腕上或脚踝上，有些传感器甚至直接安放在鞋底。用智能手机监测步态数据，直接将手机放在包或口袋中，只要不出现较大的相对晃动，数据也是比较可靠的。

步态数据如何预测跌倒？

步态指标中有一些指标能稳定地预测跌倒的风险，而通过智能手机的加速度传感器能够将这些指标检测出来。除了已经介绍过的步频外（通常走路稳的个体速度快一些），较稳定的指标还有步幅规律性（Stride Regularity）、复步时间变异性（Stride Time Variability）和加速度均方根（Root Mean Square Acceleration）。其中，步幅规律性显示了步态的平衡程度，越高的规律性反映了更高的平衡度；复步时间变异性反映了跌倒的风险，一个复步步幅是指同一侧脚相邻两次落地点中心位置的距离；而加速度均方根则反映了步态的稳定性。

这几个指标在不同的群体中也会有一些差异。研究表明，年轻人与老年人在指标上的差异是显著的。相比于老年人来讲，年轻人的步态变化更大、更难以预测、但是对称性却更好。老年人走路时会更小心一些，因此步幅也更加均衡。

老人家接受吗？

虽然已经提到了步态数据监测的诸多用处，但此类产品是否能真正造福还得看老人家们自己的态度。研究者调研了北京和重庆地区老人家对于步态监测产品的接受程度。结果显示，老人家们最关心的几个方面包括：产品不能对身体造成伤害，测量的准确程度以及测量的结果是否有专业的解读。另一方面，与年轻人比起来，老人家更加关注产品的使用是不是易于学习，以及使用产品家人是否支持。

根据步态监测产品的调研，研究者们总结出了更容易获得老年用户喜爱的身体数据监测产品的设计要点：

(1) 除了步态数据外，老人家对获取其他生理数据也很感兴趣。例如血压、血糖、胆固醇等，这些数据都与他们的健康息息相关；

(2) 对于老人来说，如果要佩戴额外的生理数据收集设备，他们更倾向外观比较柔和的产品；

(3) 实时的反馈和展示很重要，而且老人家期待产品对数据有更直观的解读；

(4) 老人家不希望个人信息会通过产品泄露，对人脸识别等技术的接受度较低，觉得侵犯了个人信息；

(5) 老人家很愿意与家人分享自己的健康数据，家人的参与将大大提高老人家对于产品的使用度。

总的来说，基于目前的生理数据收集设备的接受现状，用智能手机监测老人家的步态数据是预防跌倒的一种值得使用的方式。而随着技术的推进和市场的打开，我们可以期待更多类型的生理数据监测设备进入老人的生活。随着我国老龄化程度不断加深，这类的产品能够为越来越多的老人家提供健康的关爱。为老人家进行设计，一直是人因关注的一个方向；让每个人的老年生活更加便利、更加健康、更有尊严是我们的目标，相信也是每一个人自己的期待。