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作者:徐業良,楊哲彰 (2008-02-26)
附註:本文為滄海書局出版「老人福祉科技與遠距居家照護技術」第十章。

第十章 日常生活活動與身體活動監測技術

高齡者「活動力(mobility)」的評估,是檢視整體健康狀態的重要評估項目。應用於遠距居家照護的監測技術與產品,除了前一章中介紹的生理訊號監測外,另一個重要領域即是居家活動的監測,包括居家「日常生活活動(Activity of Daily Living, ADL)」和「身體活動(Physical Activity, PA)」的監測。本章將針對日常生活活動與身體活動監測技術的發展歷程、感測原理,以及市售商品化產品進行介紹。

10.1 活動監測技術發展歷程

人們每天生活必須進行的基本自我照顧活動,如洗澡、如廁、飲食等,稱作日常生活活動(ADL);身體活動(PA)是指任何由骨骼、肌肉產生,造成熱量消耗的身體動作或姿態[Capspersen et al., 1985]。日常生活活動與身體活動的監測目的及項目不同,應用的監測技術也有很大差異。

10.1.1 日常生活活動監測技術

高齡者ADL監測的主要目的,在瞭解高齡者於居家環境下長期的生活習慣或行為模式(behavioral patterns)。最早在1995年澳洲新南威爾斯大學的Celler等人[Celler, et al.,1995],便曾經發表一項以預判高齡者健康狀況變化為目的之遠端監測研究計畫,他們認為高齡者從健康、獨立到生病、虛弱其實有一個轉移的過程,然而這個細微的過程不易為照顧者、醫護人員、甚至高齡者本身所察覺。因此他們嘗試證明從一些簡單的監測,如高齡者的活動力、睡眠模式、乃至於使用廚具、盥洗、如廁模式,便能預先判知高齡者功能性健康狀態(functional health status)的改變,從而發出適當、及時、合乎成本的通知並進行處理,以減低高齡者罹病率,並維持其獨立、良好的生活品質。該研究計畫以各式的開關與被動式人體紅外線(passive infrared, PIR)等感測器來監測特定的居家活動行為,包含進出家門、睡眠、藥品取用、廚房與浴廁設施的使用等,監測資料透過居家電源網路(mains wiring)整合傳輸,再透過電話線路將監測資料傳送至外部資料庫。

瞭解高齡者是否起床、準備餐食、定時服藥、維持正常的日常生活活動,對於高齡者照護是非常基本的資訊。例如圖10-1是以人體紅外線感應器在廚房長期監測六個月所累積的均線,橫座標表示一天的時間,縱座標表示活動頻率,可以看到受測者在廚房的活動有明顯模式,在7~8時、12~13時、19~20時及21~22時在廚房的活動頻率都有相對高峰,分別代表早餐、中餐、晚餐、宵夜等日常生活活動模式。如果某日或連續數日在廚房監測到的活動曲線大幅偏離長期累積的均線,可能代表高齡者因生理狀況或其他因素造成生活模式改變,家人或照護者應該適時關懷與瞭解。

10-1. 以人體紅外線感應器在廚房長期監測六個月所累積的均線

Celler等人的這項研究進行時網際網路尚未普及,無線感測網路(wireless sensor network)技術也尚未成形,但此研究計畫已經提出完整的遠距居家ADL監測概念與系統架構,直至今日,大多數的相關研究與技術開發仍以此基礎架構展開,如第五章中敘述的「智慧住宅」相關研究,也常把ADL監測作為主題之一。比較著名的例子如喬治亞理工學院建立的「在宅老化感應屋(Aware Home for Aging in Place)」,探討如何在家庭環境中監測居住高齡者的各項活動,從而提供各項服務以提升高齡者的生活品質和獨立生活的能力[http://awarehome.imtc.gatech.edu/]。麻省理工學院建築系和媒體實驗室(Media Lab)合作的“Hous_n”計畫,探討在數位科技的衝擊之下,居家環境及相關產品、服務應如何演化,以面對未來更好的機會與挑戰。其中主要計畫之一“PlaceLab”,在一個模擬住宅中布置上百個各式感測器,用來監測居住者在環境中的活動,以研究如何使居住者輕鬆地控制環境、節省能源使用、維持生理及心理的活躍,並且保持健康[http://architecture.mit.edu/house_n/]Noury等人[2002]提出「健康智慧住宅(Health Smart Homes)」的概念,其中HIS2(Health Integrated Smart Home Information System)中的遠端健康照護系統(remote healthcare system)著重於日常生活活動的監測,主要以磁簧開關及人體紅外線感測器偵測高齡者在居家環境下各個地點的活動時間,並與歷史統計資料進行比對。

目前較先進的居家活動監測系統,主要有幾項重要的新技術加入,如第八章中介紹的無線感測器網路(wireless sensor network, WSN)技術的應用,大幅提升區域監測的性能,新一代無線感測網路架構(如IEEE802.15.4 ZigBee)是一種低成本、低耗電的資料傳輸架構,感測器之間並能以網狀網路(mesh networking)連結,提供更有效率的資料傳輸方式,並延伸有效的監測範圍;無線射頻識別(Radio Frequency Identification, RFID)與語音、影像辨識技術也整合至活動監測系統,以非接觸方式達成人員辨識功能;嵌入式系統(embedded system)性能提升與大量採用,使得整個監測空間布滿「計算能力」,達成「無所不在的運算(ubiquitous computing)」環境,或「空間智慧(ambient intelligence)」。

10.1.2 身體活動監測技術

高齡者的活動力變化情況,可以在身體活動的特徵上直接反映出來,因此身體活動監測,如行走的步態(步長、速度、腳尖∕腳根施力)、身體平衡感、姿勢變換時的運動特徵(如起身時的加速度變化、身體軀幹傾角)等,能夠提供量化的數據,作為高齡者活動力與健康狀態的評估指標。

身體活動的監測主要以「可穿戴式身體活動感測器(wearable physical activity sensor)」達成。可穿戴式身體活動感測器最基本的功能在於活動分類(activity classification)以及熱量消耗(energy consumption)的估計,可區分人體動態與靜態活動,並將其活動時間與頻率加以記錄,進而推估該活動所造成的熱量消耗。用來計算行走或跑步步數的計步器(pedometer)就是最常見的例子,可以概略地記錄行走步數,加上簡單的參數設定(體重、步長、性別等)以估計身體的熱量消耗。隨著感測技術的提升,新式感測器更能夠辨識動態的活動,如姿勢轉換以及行走時的步態特徵,提供更多的身體活動分析數據。

傳統的計步器採用機械式感測方式,雖然是最簡單、低成本的可穿戴式身體活動感測器,但其準確度仍不足以作為個人健康評估的客觀依據。較精密的身體活動感測幾乎都採用「慣性感測(inertia sensing)」的方式來達成,其中又以「加速度量測法(accelerometry)」為主流。最早Meijier等人在1991年時,便著手開發整合微型加速規(accelerometer)的身體活動感測器[Meijer et al., 1991],後續的其他相關研究,也幾乎都採用加速規作為感測元件。隨著微機電系統(Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS)加工技術的發展,可製造出低耗電、高精確度,以積體電路(Integrated Circuit, IC)封裝的微小化加速規,應用在不同產品上,目前高階的可穿戴式身體活動感測器皆採用微型加速規。此外也有部分研究採用壓電式的微型陀螺儀(gyroscope),陀螺儀同樣是一種精密的慣性感測元件,但相較於加速規,陀螺儀對於外部振動較為敏感、耗電高,且價格相對較高,因此較不適合於一般消費產品。

可穿戴式身體活動感測器設計上常需配戴於身體特定部位,例如計步器常見配戴於腰部。Kasabach等人[2002]曾對可穿戴式身體活動感測裝置在身體上可能的配戴位置進行研究,歸納出如圖10-2所示身體上的「可穿戴地圖(wearability map)」,指出比較適合配戴可穿戴式身體活動感測器的部位。這些身體部位共同的特徵為具有較大而連續的表面,因此有足夠的表面積來配戴感測器或電池等周邊裝置,且因為沒有關節的活動,身體表面的相對活動較低,感測器不易因為身體相對的彎曲或扭動而造成裝置固定不良以及量測誤差。此外,這些身體部位也較為“中性”,即對於不同性別的差異性較小,感測器穿戴設計上也較為簡單。除了可穿戴式身體活動感測器,部分研究也常將感測裝置整合至衣物內,如Noury等人[2004]發表的“VTAMN”,將運動感測器內嵌於衣物,達成即時的連續監測,並提供GSM無線數據通訊功能。

10-2. 身體上的「可穿戴地圖」[Kasabach et al., 2002]

以感測資料儲存、傳輸的方式來分類,可穿戴式身體活動感測器發展的初期都屬於「資料記錄式(data logging)」,即感測資料儲存在裝置的記憶卡內,進行資料分析時再以離線(offline)方式讀取、分析感測資料,這種方式最主要的問題是只能做事後離線分析,不能做即時事件(如跌倒)偵測。隨著無線通訊技術的發展,使得可穿戴式身體活動感測器逐漸轉變成「資料傳送式(data forwarding)」,即時監測資料除了能記錄在裝置的記憶載體內,亦能夠以無線通訊方式同步或批次將資料傳送至居家環境中的特定接收端,做進一步資料辨識與處理。

除了感測技術、無線通訊技術發展之外,微處理器運算能力的提升,更進一步將可穿戴式身體活動感測器提升為「資料處理式(data processing)」,藉由強大的微處理器運算能力在感測裝置本身達成即時(real-time)的訊號處理與辨識。經過處理的數據,同樣可透過無線通訊介面與周邊資訊裝置連結,將監測資料匯入如居家的個人電腦等資訊設備,或進一步將資料傳遞至特定資料中心。澳洲新南威爾斯大學Celler教授的研究團隊,亦曾發展即時身體活動辨識的演算機制,並包含即時可能的跌倒偵測[Mathie et al., 2004],隨後也將可穿戴式身體活動感測器整合ZigBee無線通訊以及單晶片處理器,應用於居家環境的即時身體活動與跌倒事件偵測[Karantonis et al., 2006]

可穿戴式身體活動感測器的另一項功能為偵測異常姿態或活動,例如針對高齡者照護所設計的「跌倒偵測器(fall detector)」。由於跌倒事件伴隨著較大的加速度變化以及後續異常的身體姿態,因此加速規同樣也適用於跌倒偵測器,且跌倒偵測的功能也能被整合至可穿戴式感測器。相關研究曾開發出不同型態的跌倒偵測方式,如Najafi等人[2003]Hwang等人[2004]曾設計貼附於胸腔部位的運動感測器來偵測異常活動,Lindermann等人[2006]也曾設計放置於耳後方的加速度感測器來偵測跌倒。

10.2活動監測技術感測原理簡介

如前一節所述,日常生活活動監測經常將感測器固定安裝於居家環境中特定位置,或內嵌於特定家用設備中,屬於間接、非察覺式偵測,受測者不需配戴任何裝置,即可達成活動監測。身體活動監測則常採用可穿戴式感測器,直接量測人體活動,兩者採用的感測技術亦有很大的差異。

10.2.1 日常生活活動感測

日常生活活動監測的感測器大多為開關(switch)類型,依用途類型可區分為以下二類:

(1)   人員位置與活動感測

10-3所示為常見的居家環境中人員位置與活動感測器。被動式人體紅外線感應器已普遍應用於保全系統,可用來偵測是否有人員存在於特定的空間範圍內。大多數的人體紅外線感應器屬於焦電型(pyroelectric),當焦電材料元件接收到人體輻射出的紅外線時,元件會產生溫度變化而使表面產生電荷,並轉換成電氣信號。焦電式紅外線感應器適用於不需高感測精確度的使用場合,如判斷人員是否存在,並以輸出high/low數位信號的方式顯示資訊。

磁簧開關(magnetic reed switch)與光電開關(photoelectric sensor)也可用來判定人員在空間中的活動,磁簧開關以非接觸式的磁力控制感測器迴路開閉,常裝設於門窗來判斷其開閉狀態;光電開關類似光遮斷器,以感測器本身發射出的紅外光束被遮斷與否為開關觸發,可用來偵測如走廊或出入口等較大範圍空間內人員的活動或進出。

10-3. 常見的人員位置與活動感測器

利用攝影機進行即時影像辨識也能偵測人員活動,影像辨識技術已經商業化應用於交通運輸管理,如停車場車輛車牌辨識、道路車流量或公共場所人潮流量計算用途,以及部分個人電子消費產品,此外影像辨識技術也能夠達成偵測人員跌倒的功能。

(2)   居家設備使用感測

人員於居家環境中使用特定設備或裝置的時間及頻率,也是日常生活活動主要的監測項目,圖10-4是居家設備使用監測的常用感測器。機械式微動開關(micro switch, or limit switch)是成本最低、最常見的開關感測器,以實體機械式的接觸控制感測器迴路開閉,常安裝於門窗櫥櫃等位置來監測是否有開關門窗、抽屜、衣櫥等行為;光敏元件會依照環境照度改變電阻(電壓)值,可用來偵測燈具的使用;壓力感測元件使用壓阻(peizoresistive)材料,其電阻與材料受力成比例變化,因此可置於桌椅或床舖下,偵測家具的使用狀況;電流感測器(如霍爾CT型)常安裝於插座或電源線內,感測電器的使用。電流感測器的感測原理類似線性變壓器,以非接觸方式感應電器用品使用時因較大電流通過所產生的磁通量,可偵測特定電器用品的使用狀況與其耗電情形。

10-4. 居家設備使用監測之常用感測器

10.2.2 身體活動感測

身體活動感測器多以特定運動感測元件,直接量測身體活動所產生的速度、加速度、角度等,其中又以慣性感測為主流技術。身體活動感測技術大抵分為機械開關式(switch)、加速規(accelerometer)、陀螺儀(gyroscope)、以及其他類型,技術細節說明如下:

(1)   機械開關式

前一節提到計步器是最常見的可穿戴式身體活動感測器,常配戴於腰部,用來計算人的行走步數。如圖10-5所示,計步器內的感測元件通常為一個彈簧開關,可感測身體活動時造成的振動,來達成計步的功能。如前所述,有些電子式計步器可預設使用者的步伐長度,由步數推估行走的距離,甚至可輸入個人體重與性別,再以行走距離推估熱量消耗。對於個人運動或體重管理需求而言,計步器是價格低廉而實用的感測裝置,但其運動感測方式無法準確辨識步行或其他身體活動,且無法準確地量測身體活動的強度(如行走時的快慢),對於人體活動的熱量消耗估計並不準確。

10-5. 機械式計步器內的感測元件為一個彈簧開關

(2)   加速規

加速規屬於慣性運動感測元件(inertial sensor)的一種,可量測加速度或重力,因此可直接用來量測人體運動時身體的加速度變化,或靜止狀態時身體姿態的角度。加速規依感測原理的不同,可分為壓阻式與壓電式兩類,這兩類加速規的內部都以懸臂樑結構來感測加速度。

如圖10-6所示,當運動狀態改變而產生加速度時,懸臂樑的振動質量(seismic mass)端會因為懸臂樑本身的彎曲而產生垂直方向的位移,對於壓阻式加速規來說,懸臂樑材料需具有壓阻特性,或在懸臂樑上裝置應變規(strain gauge),因此懸臂樑受加速度而產生的變形量,會造成電阻的變化,再經由惠斯登電橋(Wheatstone bridge)輸出電訊號。

壓電式加速規則是利用微結構變形而造成的極化電壓來產生加速度電訊號,振動質量可作為一個移動電極,當懸臂樑彎曲時,移動電極與上下兩側固定電極間的距離改變,使電極表面產生電荷的變化,進而造成電容的改變(因此又稱作電容式(capacitive)加速規),經過電荷放大器(charge amplifier)將電荷的改變量轉換成電壓訊號,即可輸出與加速度成正比的電壓訊號。

10-6. 加速規內部懸臂樑基本構造:(a)壓阻式,(b)電式(電容式)

壓阻式加速規可感測固定的加速度,例如可感測地球恆定的重力,因此壓阻式加速規除了感測加速度外,更可由此特性來量測重力分量的大小,並可由此計算出物體於靜止狀態的傾斜角度;而壓電式加速規由於以電容效應的變化來產生                感測訊號,系統響應較快、頻寬較大,且新式的壓電式加速規也能感測固定的加速度,亦可感測重力、進行角度感測,因此目前主流的高性能加速規皆以壓電式為主。

(3)   陀螺儀(gyroscope)

陀螺儀也是一種可量測物體慣性運動的感測元件,常見於航空、航海用途。陀螺儀可量測物體旋轉時的角速度,如圖10-7所示,機械式陀螺儀基本構造是將一個繞固定軸旋轉的轉輪(spinning wheel, or rotor),架設於兩個正交(orthogonal)架撐的可動平衡環(gimbals)上,而當轉輪旋轉時,整個系統趨向於維持原本的慣性,並遵循角動量守恆。當旋轉軸在空間上的座標改變時,會在該軸產生與角速度等比例的扭力,利用這樣的原理,陀螺儀便能用來量測物體運動時的角速度或角位移。

10-7. 典型的陀螺儀基本構造

陀螺儀也因為微機電製程技術的發展得以在體積上大幅縮小,並運用於精密的機械控制,如機器人等應用領域。微機電製程技術製作的微型陀螺儀,並非使用轉動元件,而是利用高頻振動元件來感測物體運動時伴隨的科氏力(Coriolis force)

(4)   其他類型感測技術

壓力感測器也常見於身體活動監測相關研究,如將壓力墊置於鞋內,可感測人體於行走時的壓力資料數據,由腳跟與腳尖處的施力與受力情況,可做行走步態(gait pattern)量測。日本的學者Ohtaki等人[2005]也曾以氣壓感測元件(barometer)整合於可穿戴式活動感測器,以感測細微的氣壓變化來判定受測者的垂直方向運動,可辨識出在居家環境中上樓或下樓的活動。

10.3 市售活動監測產品簡介

目前市售的活動監測產品,仍以可穿戴式身體活動感測裝置為主,主要作為運動與體重自我管理的評估工具,甚至部分功能已經被整合至個人隨身3C產品或家庭娛樂設備,本節中選擇幾項較具代表性的產品,做概略介紹。

(1)   身體活動監測器

10-8所示為BodyMedia公司[http://www.bodymedia.com/]SenseWear系列可穿戴式身體活動感測記錄器,該產品主要訴求為協助使用者進行長期的體重(熱量消耗)管理。SenseWear系列依功能分為SenseWear WMS (Weight Management Solution),以及SenseWear BMS (Body Monitoring System)兩種。這兩款產品共用相同的監測技術與硬體架構,但後者相較於前者提供較多的監測資訊,因此除了適用一般使用者外,也適用於專業與研究用途,許多相關的學術研究也採用SenseWear作為量測工具。

10-8. SenseWear產品[http://www.bodymedia.com/]

SenseWear產品的感測裝置稱為SenseWear ArmBand,如圖10-8所示,使用時配戴於上臂。根據該公司的內部研究顯示,活動感測器於上臂部位能夠測得多項參數,且對於使用者所造成的不適感與干擾性(obtrusion)相當低,可避免因為使用產品反而造成日常生活活動的阻礙[Kasabach, et al., 2002]。該裝置可測得體溫(熱敏電阻)、體脂、脈搏(電極),以及身體活動產生的加速度(雙軸加速規),並將監測資料記錄於裝置內。SenseWear ArmBand屬於前一節中描述的「資料記錄式」感測裝置,當需進行資料分析時,可將資料透過USB介面傳輸至個人電腦端的軟體進行資料處理,並根據使用者自行輸入的參數,如性別、飲食、體重等資料,輸出分析後的總熱量消耗、行走步數、睡眠持續時間、動靜態活動分布情況等結果。

不同於SenseWear系列產品主要用於體重管理,另一款由加拿大Dynastream Innovation Inc.[http://www.dynastream.com/]推出的AMP231/331,則主要用於量測行走時的參數進而提供步態分析。Dynastream Innovation Inc.為台灣國際航電(Garmin Co.)旗下的子公司,主要產品為無線通訊與慣性感測(inertial sensing)裝置。AMP231/331款活動感測器皆共用該公司的SpeedMax技術,該技術主要整合慣性感測、無線通訊技術以及數位訊號處理(Digital Signal Process, DSP)即時運算,屬於前一節中描述的「資料傳送式」及「資料處理式」感測裝置。AMP231/331使用時配掛於腳踝部位,藉由精確的加速規量測行走與活動時的加速度資料,並計算出各項參數如行走速度、足步位移、腳尖與腳跟受力,以及步長等資料。所記錄資料則可透過無線方式傳輸至電腦進行資料分析,分析項目包含熱量消耗、活動分類(靜態、動態)、步數、行走距離、行走速度等。

(2) 跌倒偵測系統

10-9為本書第七章所介紹的英國Tunstall公司,針對高齡者等面臨較高跌倒風險的使用者推出之“Fall Management Solution (FMS)”居家跌倒偵測與緊急通報系統。FMS包含一個攜帶式的跌倒偵測器(fall detector),以及三種居家環境中的感測裝置:床∕椅使用感測器(bed/chair occupancy sensor)、紅外線感應器(PIR)與緊急拉環(pull cord)。跌倒偵測器尺寸為75m53m28mm,穿戴於腰部,當跌倒事件發生時,裝置內的加速規可感測因跌倒而產生的劇烈加速度變化,並搭配雙階段(第一階段:加速度特徵,第二階段:身體姿態與活動狀態)演算法判定是否發生跌倒事件,若判定跌倒事件發生,則立即以無線方式與居家環境中的Lifeline主機連線,發布緊急事件通報至指定人員。除了跌倒偵測器之外,其他三項居家環境感測器可偵測人員於居家環境中的活動狀況與位置,並連結居家照明設備控制,以避免因視線不佳而造成跌倒,緊急拉環則可由受測者主動觸發而發出緊急通報。

10-9. Tunstall公司的FMS[http://www.tunstall.co.uk/]

美國AlertOne公司[http://www.falldetection.com/]也推出iLife Fall Detection Sensor,系統架構與Tunstall FMS相當類似,同樣以內含雙軸加速規的可攜式偵測器來偵測跌倒事件,緊急事件透過居家主機傳送至外部,該系統也使用PIR紅外線感測器,能夠感知當人員發生跌倒時,在居家內的確切位置。

先前提到藉由攝影機的影像擷取,智慧型影像辨識技術也可應用於跌倒偵測,Honeywell旗下子公司ActivEye亦曾推出Active Alert影像辨識系統,除了其他應用外,亦可用於跌倒偵測,結合閉路電視系統本身的保全功能,可達成即時跌倒事件通報的功能。

至於居家ADL監測系統主要仍停留在研究或專業領域的應用階段,許多感測裝置仰賴客製化的裝設,且必須結合保全與緊急通報的功能,才能被消費者與市場所接受,商用產品方面,第七章中提到英國Tunstall公司的Lifeline 4000+系統連接各項感測器,提供對高齡者日常生活活動的監測。但監測環境下的多重使用者身份辨識直至目前仍是需要克服的技術問題,這也關係到ADL監測系統是否能夠實際應用於真實的生活情境。非察覺式的辨識技術如RFID無線射頻辨識以及影像辨識是目前較可行的方式。

隨著無線通訊技術的持續發展,活動監測系統也將朝整合間接與直接量測架構的方向進行,居家環境下所有的感測器與可攜式活動監測器將整合至相同的感測器網路內,達成多重感測器融合(sensor fusion),取得更完整的同步監測資料。