老年人健康管理命题中的科艺融合方法研究*

宋建文 周伟 马哲峰

一 引言

近年来，多起由老年人在公共场所跌倒而引发的法律问题引起社会的极大关注。伴随老年人年龄的增长，身体突发状况可能较频繁发生。当问题出现的时候，如何及时与家人或医疗救助单位取得联系，成为老年人生活中日益凸显的问题。

据中国国家统计局2016年发布的数据显示：60周岁及以上人口23086万人，占总人口的16.7%；65周岁及以上人口15003万人，占总人口的10.8%。中国已经进入严重老龄化社会，研究老年人如何获得远程应急预警服务成为中国社会十分紧迫的重要命题。

1.在老年人健康管理研究中提出科学命题

（1） 研究现状分析：本课题从深入老年人摔倒命题的本质入手，分析国内外关于老年人跌倒问题比较通常的研究方法，了解目前业内的研究现状与成果。

现状分析言要分为三类：1、传统的实验与统计分析方法，研究者应用统计分析方法对老年人群进行站立、转向、走及出行等项目的测试，通过FGA[Functional Gait Assessment]与BBS[Berg Balance Scale]1MinoruYamada,Hidenori Arai,KoutatsuNagai,"Development of a new fall risk assessment index for older adults",International Journal of Gerontology,Volume 6 (September 2012),pp.160-162.的统计学分析，以敏感性与特异性变量建立预测老年人跌倒ROC[Receiver Operating Characteristic Curve]曲线2周明,彭楠等撰，〈功能性步态评价与Berg平衡量表对社区老年人跌倒风险的预测价值〉，载《中国康复理论与实践》，2013年1月刊，第66-69页。，进行价值预测评估，反映出年龄相对偏高和集中群体的特殊规律性。2、计算机视觉的深度图像算法，研究者3梁力撰，〈基于老年人摔倒行为识别模型的计算机视觉监控系统〉，载《科技通报》，2013年10月刊，第177-179页。用Kinect获取人体各个部位的骨骼关键点如：头部、肩中心、脊柱、髋中心等空间位置进行摔倒识别特征设计，用这种方法进行跌倒检测算法的优点是计算量小，该方法的不足之处是Kinect所获取的关节点数据不稳定，遇到障碍物遮挡时，骨骼上的一些重要的关节点会丢失，造成计算错误而误报。还有学者提出了一种松弛变异遗传算法的老年人体摔倒行为挖掘算法,每次基因位的确定都能改变遗传算法的寻优空间，从中找出不能被观察到的摔倒行为特征信息，效提高了老年人体摔倒行为挖掘的准确性。3、传感器和机器人行走方法，研究者4-5秦昉等撰，〈基于加速度传感器的无线跌倒检测系统〉，载《控制工程》,2016年1月刊，第124-128页。使用加速度传感器采集的人体活动加速度信号，针对老年人跌倒检测问题，设计了一种基于加速度传感器的跌倒检测装置,系统能有效识别出跌倒和日常行为，算法具有较高实时性、灵敏度和特异度。

（2）提出基于科学原理的可实施方案

综上所述，传统的统计学发现方法只适用于小范围内对老年人运动行为的分析，不具备老年人日常的应用条件。计算机视觉研究方法受设备固定和场地的限制，如遇遮挡物时就失去作用，无法进行户外检测。而以惯性传感器为技术基础的研究具有较强的应用前景，这些研究方法共同存在的不足是对通过实验所获取的数据缺少深度挖掘分析。因此，本研究命题尝试从老年人日常健康管理问题中获得整体的解决方案，用15个惯性传感器节点制成可穿戴衣服，采集老年人日常的行为数据，进行实时地动态分析，获得老年人运动行为特征，从而解决使老年人在出现问题时，云端能够及时报警，让老年人在第一时间内获得及时的救助。

2.老年人健康管理中的艺术设计命题的提出

健康管理课题在科学与数字化层面推进的同时，重点思考研究命题中的人文关怀，使健康监测及相关管理产品更具有吸引力。本研究引入艺术设计命题，以科艺融合的视野解决产品外观和老年人心理上的需求。老年人行动不便和迟缓，带来固有的自卑感，如果行为采集产品暴露在外，则会加重老年人的自卑心理，引起抵触情绪。因此，将设备外观设计纳入艺术设计范畴，在产品的造型、色彩、形状等方面与产品功能和谐统一，符合相应老年人群的审美情趣，可提高老人们的购买欲望。设备隐蔽和外观的小巧精美，让老人们在使用心理上能够接受，十分重要。

在老年健康监测产品、运动及可穿戴设备日益增长的年代，借助艺术设计手段让产品更具有时尚性与外观吸引力，将设备简便小巧、玩具化是设计的潮流和趋势，这种趋势是本研究关注的重点。

二 跨界思维中的工程与艺术

1.用户体验设计

用户体验是言观的判定和感受，是用户在使用产品时，对产品所做出的关于喜好、行为方式、认知等方面的综合反映，因此，ISO 9241-210标准将用户体验定义为“人们对于针对使用或期望使用的产品、系统或者服务的认知印象和回应”。6用户体验设计包含了两个层面的意义：1）工程设计层面的体验，即产品的技术结构和制作工艺是否符合“以人为本”的思想；2）产品艺术设计方面的体验，即产品设计在造型、色彩及材质方面是否符合以“用户体验为核心”的设计理念。其中包括：系统，用户和使用环境等因素。因此，针对60岁以上人群的系统，对用户体验的研究更具有重要的实践意义。

2.课题研究中的系统工程7系统工程指为实现系统设计目的，对系统组成要素、组织结构、信息流、控制机构等进行分析研究的科学方法。系统工程是一门交叉学科，其研究对象不限于特定的工程物质对象，可以是任何一种系统。系统工程运用最有效的组织管理技术，强调系统从整体至局部间的关系相互协调与配合，达成总体的最优运行。思维

本研究以系统工程理论为指导，将课题分解为具体的目标任务，其中包括实现目标的路径、实现目标的周期规划、在合理的时间内，按照相关规范和标准高效率地完成目标任务等。

从系统分析层面看，本研究涉及到老年人的可穿戴服饰制作、传感器布局、数据接收、网络平台等内容的集成，并在有限时间内需要完成的工作任务，因此，具备了工程的基本属性。

图1 手杖与雨伞组合设计效果图

图2 可穿戴服装设计效果图

课题围绕以惯性传感器原理为核心，实现老年人健康管理的目标展开具体的研究工作，并分解为：（1）传感器在人体上的布局设计； （2）传感器可穿戴服饰设计；（3）传感器数据采集系统调试与实现；（4）老年人健康管理数据分析平台与预警平台设计与实现等目标任务。

3.老年人可穿戴设备的艺术设计

在跨界合作中，艺术设计的介入对工程实现是十分必要和不可或缺的。本设计包括对监测设备外观设计、造型设计、色彩设计等方面。这些设计可使设备在情感呵护和人文关怀上起到重要的作用。

首先，外观设计必须结合具体功能来确定使用何种形质，比如本课题中监测设备的选型物体是手杖，其次根据形制设计手杖造型，选配色彩。这是一个循序渐进的过程（图1）。形制的选择有多种，在选形时我们结合具体的功能选择最符合特性的形制。如监测心率脉搏的设备我们可以选型服装或者内嵌脱卸式背心，将监测设备隐藏于服装的胸部、袖口等处，充电装置可以隐藏于内部口袋中，便于携带更换，同时起到保护装置的作用。设备的连接导线可通过内部开口进行连接贯通（图2），选型既要保证监测设备的正常使用，又要使设备比较隐蔽，这是一个极具创意思维的过程。其次，选型后的造型款式设计和色彩设计都要兼顾老年人群的审美趣味。由于老年人群的思想和接受度已经趋于保守，在造型上不要过于夸张，色彩也不能过分夺目，这一点设计师应掌握好设计的尺度。目前我国进入老龄社会，对老年人群产品的设计分析，艺术设计探索还有十分广阔的空间。实践证明，艺术设计的介入提高了产品用户体验的愉悦感，使用户在心理上减少对监测设备的防御和紧张感，提高设备的准确性和使用率。

4.健康管理平台的界面艺术设计

（1）健康管理界面布局：界面布局设计时应考虑老年人的视觉偏弱、花眼等因素，因此，功能区设计方正、区块要大一些，功能性要明确、按钮和字体要大，尽量使用通常的“宋体”、“微软雅黑”、“仿宋”等笔画工整，容易识别的字体，使界面功能明确，易于触摸交互。

（2）界面的色彩设计：色彩对视觉的刺激作用很大，从心理学角度看，色彩的使用与人的情感密切相关，本研究关注色彩对老年人的对功能记忆形成联想的作用，如红色为警示色、绿色为正常色、金黄色为预警色、蓝色为信息提示色等。

（3）数据可视化设计：数据可视化是本研究的重要内容之一，它对健康管理中日常产生的大量生成数据进行再现的重要手段，本研究设计了三种模式进行数据统计：

1、直方图：直方图对数据可视化可以简洁而明确的再现，数据统计功能的色彩应采用艳丽一些的纯色块以便日常行为数据的读取和行为数据的报警。

2、曲线图：曲线图对记录数据变化规律，呈现与时间的关系具有客观准确的描述，同时，老年人的亲属或监护人可根据曲线回放近期的运动行为，观察他的身体状态等。

3、圆饼图：圆饼图是在数据采集中，相关指标百分比的模式记录老人预警的频率和报警的频率。

三 老年人远程应急预警服务系统设计

1.老年人跌倒过程分析

从人体运动学角度来看，人的跌倒是由于身体失去平衡所造成的。跌倒瞬间言要由人体的资态（如头部、躯干、四肢的相对位置等各部分的角速度）和体位（如站立、背卧或侧卧等关于身体跌倒的加速度与重力垂直方向的相对关系）等运动因素所决定。

老年人由于重心失去平衡时，身体通常会出现突然向某一方向倾倒的状态,如：后仰跌倒、右侧跌倒、左侧跌倒、向前趴下等情况。因此，跌倒的检测算法，将以跌倒时所产生的资态（角速度值）和体位（加速度值）变化作为判断的重要依据。

为讨论方便，本文选身体其向前跌倒的状态进行研究。老人随重心的变化，跌倒实际上经历了三个阶段（图3）：

（1）正常运动阶段：正常运动情况下，身体直立的中心线与重心重合，在双脚的正中，伴随脚步移动而同步平移。

（2）跌倒临界阶段：身体的中心线前倾，与重心形成夹角，此时，老年人步伐有加快的趋势，形成跌倒发生的早期阶段。

（3）跌倒阶段：当身体中心线与重心的夹角超出临界控制角度时，跌倒形成（图4）

2.预警系统模型设计

假设老年人身上有15个六轴惯性传感器，其中13个穿戴在身上（图5），1个嵌入手杖中，1个为数据接收传感器，组成日常行为数据采集环境，并以获取老年人的户外运动行为数据。每个传感器可用一个动态集合来表示：

图3 老人正常行走的步态示意图

图4 老人跌倒姿态示意图

图6 老人跌倒的决策预警算法示意图

图7 老人跌倒的三个阶段示意图

3.远程预警服务系统设计

远程预警服务系统是将老年人日常运动行为数据从传感器采集后发送到云端健康管理系统，在云平台上为用户建立户外远程预警应急服务账户（如图6所示），并将用户身体各部位的户外运动数据分类保存在这个账号里。在老人的日常行为中，跌倒是最严重的环节之一，这个过程的发生分为三个阶段（如图7所示）：

（1）正常运动阶段：分布在身体各个部位的传感器，可感知身体直立的中心线与在双脚的中心线重合情况。由此判定此时老人正处于正常行走状态。其数据保存后，成为其正常活动规律模式。

（2）跌倒临界阶段：分布在身体各个部位的传感器侦测到身体的中心线瞬间加速前倾，此时，老年人会下意识地保持重心防止跌倒，步伐有加快的趋势，同时上肢展开以维持身体原有的重心。身体各处的传感器可以侦测到这种运动规律的变化。拐杖瞬间失去原有的运动周期，重心瞬间向前倾斜改变。这类资态通常被看作跌倒发生的早期阶段。代表异常出现，系统启动报警机制。

（3）跌倒阶段：身体的中心线与原来的重心为垂直的夹角，当的动态数据在同一时刻均为零时，代表异常出现，系统启动报警机制。根据动态矢量的变化规律，应对集合中 P {正常,异常,报警 }的推理结果，在老人发生紧急状态时，云端管理系统将信息发生给其家人或相关救助单位，使老人在第一时间得到救助信息的反馈（图8）。

四 结语

本文以系统工程理论为指导，根据长期采集到的老年人日常运动行为数据，应用计算机的数据挖掘技术和深度学习技术对老年人的日常活动规律进行分析，预警服务系统能阶段性地通过手机终端为老年人推送和反馈健康监控分析报告。

借助本次的跨界研究，从老年人日常行为数据挖掘与健康管理的角度探讨了科学与艺术融合及科学原理转换为工程实践的方法，实践证明这种方法是可靠和有效的，为美术类院校跨界协同研发和设计探索了一条可借鉴的经验。