【《老年人异常行为数据库的应用案例分析概述》3300字】

老年人异常行为数据库的应用案例分析概述目录TOC\o"1-3"\h\u16533老年人异常行为数据库的应用案例分析概述 1174321.1数据库的功能 1324731.1.1有条件的异常行为数据搜索 1292891.1.2输出随时间变化的异常行为提醒 143961.2跌倒伤害分析 2229711.3跌倒有限元仿真模拟 276701.3.1有限元分析的概念 246721.3.2上肢碰撞仿真 3251851.3.3髋部碰撞仿真 51.1数据库的功能1.1.1有条件的异常行为数据搜索老年人异常行为数据库以识别与分析异常行为为目的，借助数据库系统可以实现以下基本功能：1）数据管理：实现数据的录入、删除、修改、保存等功能,具体包括老年人基本信息管理、环境信息管理、传感器信息管理等。2）数据查询：通过异常行为的识别将异常识别分为三类，可以针对具体的一类异常行为（如突然跌倒）进行筛选或条件查询。3）数据分析：异常行为数据库中积累了大量的数据，如何利用异常行为数据，更好的避免异常行为的发生十分重要。不同类型的异常行为（如突然跌倒、缓慢跌倒、弯腰捂肚）之间是否具有相关性，异常行为的发生与时间、天气有什么关联都是有待研究的问题。1.1.2输出随时间变化的异常行为提醒1）异常行为识别：实现对老年人突然跌倒、晕厥、弯腰捂肚等常见异常状况的识别，对行为姿态的异常状况进行合理分析和预警。通过室内RGB-D摄像头、老年人穿戴式手环、卫生间压力地板等设备采集的数据，结合行为持续时间，进行异常行为的识别。2）异常行为提醒：当识别老年人出现异常行为时，需要立即通过Wi-Fi或蓝牙将异常信息发送至老年人子女或社区管理员，并确保数据成功被发送，接到反馈提醒结束，否则将持续提醒。1.2跌倒伤害分析老年人异常行为数据库可以从很多方面对异常行为特征进行研究,如异常行为发生的时间、异常行为发生的频率与类型分析、异常行为的危害等。由于目前采集的数据有限和受篇幅限制。本节以异常行为中的突然跌倒为例，研究其发生带来的伤害程度，为将来数据采集完善或者老年人防护等其他领域的研究提供借鉴。老年人的异常行为往往带来严重的后果，例如跌倒，持续时间一般为2至4秒。通过有限元显式算法计算该动力学响应过程需要花费大量的计算时间。而跌倒造成的严重后果往往取决于老年人身体部位碰撞地面或物体的100毫秒左右。2018年中国死因监测数据集中表明，跌倒是65岁以上人群因伤害致死的首要原因。2015-2018年全国伤害监测系统中老年人跌倒病例分布特征表明，受伤种类前三分部是擦伤、骨折、扭伤。而在受伤部位中下肢受伤比例最高，约占32%，其次是头部22%，剩余为躯干、上肢等。随着年龄增加，上肢受伤比例逐渐减少，头部受伤比例逐渐增加[3]。老年人跌倒后最普遍、影响较小的伤害为擦伤、扭伤。若突然跌倒，着地速度较大则易发生骨折。当老年人向后跌倒时，一般是臀部着地，此时容易发生脊柱压缩性骨折、股骨、髋部发生骨折。当老年人倒地时首先使用手腕支撑地面，容易发生手腕挠骨远端骨折。通过异常行为数据库可以获取跌倒碰撞时接触的身体部位、碰撞角度、碰撞速度等变量。表5-1跌倒方式分类表跌倒方式可能与地面接触部分向前跌倒下肢、头部正面向后跌倒髋部、头部背面侧向跌倒上肢、髋部1.3跌倒有限元仿真模拟1.3.1有限元分析的概念有限元分析（FiniteElementAnalysis，FEA）是一种用于模拟解决结构分析、传热、流体流动等问题的数值技术。1851年Schellbach首次提出该方法，有限元分析将模型网格化，划分为数百万个有限的小区域或有限单元。每一个有限单元的变化都会引起周围单元的变化。对网格的每个区域或单元进行计算分析，最后将其组合起来以构成结构整体的应力和位移。根据模拟分析的复杂程度和不同领域的需求，更改网格的密度，定义每一个单元的作用力推导方程。有限元分析的步骤可划分为五步：建立模型、模型网格化、工况设置、有限元求解、后处理。有限元分析能够解决简单的线弹性静态问题，也能处理复杂的高度非线性问题，例如碰撞冲击分析、疲劳和耐久度分析、热固耦合分析等。强大的有限元分析被广泛运用于机械制造、土木水利、航空航天、生物医学等领域求解各种复杂的模型，解决工程实际问题。在生物力学中有限元分析主要用于利用有限元模型进行生物力学仿真。首先，使用有限元软件创建一个人体骨骼或肌肉的三维模型，然后赋予它们生物力学特性。其次，采用有限元软件设置力学条件，模拟实验，得到不同实验条件下各部位的应力应变分布。有限元分析对比与传统实验分析具有以下优点：①有限元分析能够针对某一个3维模型进行不同条件下的实验，且能够将受力与结构变形可视化表示。传统实验往往具有一次性。②有限元分析能直接赋予模型相应的材料特性、力学特征，设置实验无法达到的工况条件，获得实验方法无法获得的数据。1.3.2上肢碰撞仿真肘关节由肱骨、尺骨和桡骨三部分骨头共同构成，并包含桡骨头环状韧带、尺侧副韧带、桡侧副韧带、软骨、骨间隙。肘关节是人体日常活动使用较为频繁的关节，例如伸手、抓握等动作[41]。肘关节发炎会导致肘部疼痛和僵硬。Abaqus是使用较广的有限元分析软件，含有两个主求解器模块ABAQUS/Standard、ABAQUS/Explicit和一个人机交互的前后处理模块ABAQUS/CAE。（1）模型建立通过CT扫描人体关节，将二维灰度图像数据导入Mimics14.11输出三维模型STL格式，再将Stl导入GeomagicStudio11.0进行补洞及平滑处理，生成表面较规则的IGES格式，将IGES导入Abaqus生成部件进行装配，在材料分区定义各材料的密度、弹性模量、泊松比等数值，并增加骨皮质（骨头外周表面的骨密质）的脆性裂纹，用来判断肘关节是否在跌倒后发生破裂。表5-2各材料物理性能表材料类型密度（10-9t/mm3）弹性模量E（Mpa）泊松比μ混凝土4.5175000.3骨间膜1.24300.45韧带1.24300.45软骨1.11200.49皮质骨4.5175000.3松质骨0.88000.3运用有限元建模软件建立了肘关节三维有限元模型，如下图所示。图5-1肘关节三维模型（2）创建显式动态分析步创建分析步，分析时间为0.1s。在本文中，最关键的是选择合适的肘关节模型，根据数据库查询肘关节与地面碰撞时的角度，本文中以30°、60°、90°为例。a)肘关节与地面呈30°b)肘关节与地面呈60°c)肘关节与地面呈90°图5-2肘关节与地面夹角本模型中固定水泥板为刚体，由于Abaqus为无量纲计算，输入数值时需要自己定义单位。由于密度单位为10-9t/mm3，换算加速度单位为mm/s，对整个肘关节施加重力加速度9800×mm/s。根据数据库查询肘关节与地面碰撞瞬间的速度，本文以10000×mm/s的初始速度为例。（3）划分网格、求解将各部件划分为六面体结构网格，单元类型选择Explicit,几何阶次选择Linearr,单元种类选择C3D8R。其中C表示为实体单元，3D表示为三维网格,8指这个单元所具有的节点数目为8个，R指这个单元是缩减积分单元。提交Job，设置CPU数量，分配内存，进行求解。（4）仿真结果1）与地面呈30°撞击地面时骨皮质破裂的临界速度为11.4m/s。在该临界速度下，尺骨骨皮质破裂；此时，骨折处最大应力为131.1MPa。当肘关节初速度达15m/s，尺骨呈显著破裂。2）与地面呈60°撞击地面时,骨皮质破裂的临界速度为9.3m/s。在该临界速度下，尺骨骨皮质破裂；此时，骨折处最大应力为212.1MPa。当肘关节初速度达13m/s，尺骨呈显著破裂。3）与地面呈90°撞击地面时骨皮质破裂的临界速度为13.8m/s。在该临界速度下，尺骨骨皮质破裂；此时，骨折处最大应力为148.5MPa。当肘关节初速度达18m/s，尺骨呈显著破裂。1.3.3髋部碰撞仿真髋部位于臀部外前侧，人体身体两侧的髋骨与骶尾骨共同围成骨盆，髋骨与股骨形成髋关节。髋部是连接人体躯干和下肢的重要枢纽。髋关节上撑躯干下连双下肢，是人在行走、坐卧中最需要、也是最关键的部位。跑步时躯干稳定，下肢摆腿可以理解为是以髋关节为中心，下肢完成抬腿迈步和蹬地后摆动作。侧方跌倒所引起的主要伤害为髋部骨折。老年人由于骨骼钙质代谢改变，不能完全恢复，导致腿脚不灵活行动不便，将直接影响老年人日后的正常生活。（1）模型建立通过CT扫描人体髋部获得CT图，在Mimics14.11根据CT图像灰度值的不同分割骨盘，划分不同人体组织。输出三维模型STL格式，再将Stl导入GeomagicStudio11.0进行补洞及平滑处理，生成表面较规则的IGES格式。将IGES导入Hypermesh划分网格，生成Inp文件。Inp文件导入Abaqus即为髋骨三维模型。图5-3髋骨三维模型（2）创建显式动态分析步创建分析步，分析时间为0.2s。根据异常