老年人智能防摔服的設計綜述

陳紅霞，周冬梅，胡鉅濤，鄔佳妮，施 宇

（上海健康醫學院，上海200237）

隨著經濟和社會的不斷發展，人口老齡化問題成為當今世界一大主題，研究[1]預測，老年人口數量2023年將達到950.15 萬人，人口老齡化問題突出，未來的養老形勢嚴峻。據世界衛生組織調查[2]，跌傷是世界各地意外或非故意傷害死亡的第二大原因，65 歲以上成年人所占比例最大。老年人的生理機能衰退導致平衡等各方面功能下降，伴發疾病導致自身免疫功能下降是老年人跌倒的主要原因，而如今家庭結構模式越來越現代化，子女忙于工作無余力照顧老人，獨居老人或患病的老年人暫時性無人陪伴等容易發生跌倒事件，引發嚴重后果。本文對防摔服的應用現狀、摔倒監測、交互技術進行探討，對面料設計進行分析和綜述。

1 智能防摔服的應用現狀

研究發現[3]現在專業的保健醫療設備較少，難以滿足不同情況的老人。對高知老年人居家養老情感需求分析研究[4]顯示，老年人對新事物接受程度較高，樂于接受新的服務方式來改善生活現狀。智能防摔服在國外起步較早，有較成熟的產品，國內近年來也逐漸有產品開始上市。老齡化社會不僅加重了社會的經濟壓力，也造成了家庭人力不平衡，所以，智能防摔服順應了社會發展，在老年服裝市場也極具競爭力。最早的防摔服源于摩托車安全氣囊，第一件智能防摔服出現在美國，歐洲起步較晚，后來發展到韓國和日本[5]。安全氣囊一般置于防摔服后背，當意外跌倒時，能快速通過感應充氣膨脹，起到保護和緩沖的作用。安全氣囊系統主要包括傳感器、微處理器、氣體發生器和氣囊。氣囊中所用的氣體是穩定氣體氮氣，不含毒性，對人體無害[6]，防摔功能服對人體保護性強。日本hit-air 品牌公司于1995年開始研究安全氣囊馬甲，是最早研究氣囊服裝的品牌公司，以旗下品牌Air Hoof 為例，意外發生時它能有效地保護到人體的頸部、背部、胸部和臀部，保護范圍較廣，它主要研究方向是馬術充氣式護甲，同時也適用于賽車、警察裝備、消防部門等，它的缺點在于使用時需要吹氣或注氣；法國HELITE 品牌Hip Air 防摔護臀氣囊[7]是專門為老年人設計的防摔倒智能氣囊，它使用了加速計和陀螺儀兩種傳感器來計算穿戴者運動，能在200 ms 內檢測到跌倒這一動作，并于80 ms 內展開氣囊，但它的保護范圍比較局限，僅能保護用戶臀部周圍。相較于國外，國內關于智能防摔服的研究近年來也逐漸起步，廣州市信安智囊科技有限公司推出的最新智能氣囊馬甲[8]，高精密芯片0.1 s 姿體檢測后能在0.01 s 展開氣囊保護老人的頭部、肩部、背部和髖部，實現軟著陸，減少了90%的沖擊力，同時具備APP 功能，可綁定多個手機終端，在手機上可隨時查看該款智能氣囊的定位、穿戴檢測、電量顯示等，這是目前功能較為齊全的產品，它的缺點在于防摔服過重，不便于檢修，APP 功能對老人作用不明顯。

2 摔倒監測

目前，監測人體摔倒主要有3 種方法：①視頻監測。通過識別人體運動活動，分析人體的姿勢。②環境監測。通過環境的改變，分析聲波、紅外線、壓力變化等。③可穿戴的傳感監測。嵌入傳感設備，分析人體動作[9-10]。其中，可穿戴傳感裝置成本最低，也是目前市場上使用最多的。目前使用的傳感器包括溫度傳感器、壓力傳感器、壓電傳感器、磁電傳感器、光電傳感器、溫濕度傳感器等[11]，在關于多融合傳感器的老人跌倒檢測研究中，采用九軸IMU 傳感器對日常生活活動中的跌倒行為進行檢測，在快速坐下、快速站起來、快速起床時精確度較高，但在臥倒和斜倒兩種情況下敏感度較低[12-13]，用基于加速度變化的步態識別方法研究表明[14]慢步行走、快步行走、上樓、下樓4 種姿態下識別率分別達到了97.4%、96.6%、95.5%、93.6%。陀螺儀器最早用于航海導航，陀螺儀器不僅可以作為指示儀表，而更重要的是它可以作為自動控制系統中的一個敏感元件，即可作為信號傳感器，陀螺儀器能提供準確的方位、水平、位置、速度和加速度等信號，人體從直立形態到平躺摔倒時，利用人體摔倒時加速度和角速度的改變，嵌入傳感器設備，進行人體動作和姿勢的收集分析，判斷是否摔倒，國內外關于摔倒監測的研究，發現加速度傳感器和陀螺儀采用較為廣泛，且多安裝在手部、腕部、臀部和胸部。陳鵬在智能系統設計中[14]設計了一種基于三軸加速度計的跌倒檢測智能設備，提出了一種基于BP 神經網絡的跌倒檢測算，其系統準確率達到了95%以上。

3 交互技術探討

智能防摔服在普通的防摔服基礎上，需要結合電子科技，根據老年人的身體特征，滿足老年人的多方位安全需求，應用通訊大數據、GPS 定位等構成其他輔助功能模塊。目前，較為成熟且被消費者接受的交互技術主要有藍牙技術、GPS 技術、NFC 技術等[15]，市場上現在最多的可穿戴設備是智能手表和智能手環，智能服裝較少。

3.1 生命體征監測

醫療的持續發展帶動了醫療設備的發展，醫療設備的陣地也從醫療機構逐漸地移向家庭自用，大型設備轉為個人需求的小型穿戴式，甚至是片狀植入式[16]，氣囊防摔服具有測量生命體征功能，包括血壓、心率、血氧飽和度、心電圖、體溫、呼吸、姿勢、GPS 等參數，參照運動智能手環，采用藍牙和大數據聯網技術將這8 種信號數據傳遞到子女手機上，同時與醫院APP 同步，將老年人的數據存儲，在此基礎上連接肩部顯示屏將其數據顯示，在老人摔倒時，數據異常，觸發肩部報警器，提示老人的情況。所有設備可根據老年人的自身情況進行自主拆卸，滿足了不同客戶的不同需求之外，也便于維修防摔功能服。

趙潤在關于智能環境中基于RFID 的無源感知關鍵技術研究中[17]，利用RFID 設備監測了呼吸率和心率的無源感知系統，同時也可用于睡眠監測和運動監測，這是一種低成本且易操作的監測方法，但是需要大量的準確標注標本，獲取這樣的信息開銷較大，導致監督不完整。目前，智能生命體征檢測一般為智能手環、手表、眼鏡等，擁有監測生命體征功能為一體的智能防摔服有待進一步研究，人們對智能服裝的需求將達到新的高度。

3.2 外聯軟件

智能防摔服外聯軟件通過通信大數據技術、藍牙傳輸等科學技術，實時對老年人進行監控，將老年人各項指標數據進行收集、分析和存儲，方便就醫時查詢，連接子女手機后也讓不在老人身邊的子女更加放心。一般情況下，對于視力減弱、文化程度低的老年人，還可借助語音數據播報功能，自動播報自身身體狀態是否處于正常范圍。在數據異常時，自動將異常數據以信息的形式提供給子女并上傳到醫院APP終端數據庫，在老人摔倒時自動生成定位，向就近的醫院打出救援電話，及時采取救援措施，保護老人的生命安全。

4 服裝結構和面料

在上海地區老年功能服裝需求調查[18]分析中對面料的調查可知，老年人對面料的選擇還是比較傳統的，天然化纖面料更受老年群體青睞，天然化纖面料有較好的吸濕性和透氣性，面對這樣的選擇，防摔功能可設計為里中外三層的組合結構，最里層可以采用親膚的純棉保暖布料，平時跌倒時會造成氣囊防摔服碰撞磨損，因此，外層采用耐磨面料及其重要。在滿足耐磨的基礎上，也保證透氣性，可采用尼龍面料和D30 的沖擊材料拼接，D30 材料在常態時比較柔軟而有彈性，當撞擊時會變得堅硬，從而消化外力，抵抗沖擊力，起到保護作用。當外力消失后，材料會恢復到最初的柔性狀態，有極強的吸收沖擊的能力[19-20]。

5 結語

中國老齡化日益嚴重，空巢老人逐漸增多，不僅給社會經濟帶來了極大壓力，同時也加重了社會醫療的負擔，生活的智慧化和生產智能化需求正驅使智能硬件的發展，智能制造產業也受到國家的高度重視，智能防摔服包括監測感知、存儲并傳輸數據、反應三大功能，實現穿戴設備與健康監護的交互技術，順應了時代的潮流，符合健康中國的戰略。未來智能防摔服的發展趨勢如下：①以人體工學為基礎，設計出適合老人體型的服裝版型[21]；②以社會需求為主，增設生命體征測量儀等設備與APP 藍牙連接一體化，形成硬件與軟件合成系統，形成新型的產業，帶動服裝產業和互聯網產業的發展，顛覆傳統的醫療防治檢測，拉近子女與獨居老人之間的關系，減輕了負擔；③適合四季，檢修方便，通過對面料的選擇研究和嵌入式設備鑲嵌的反復實驗，設計多層可拆卸的組合結構，可根據季節的冷暖進行自主拆卸，也便于清洗。