I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m p ute r  E ng in ee ring   ( I J E CE )   Vo l.   11 ,   No .   2 ,  A p r il   2 0 2 1 ,   p p .   1 2 0 8 ~1 2 2 2   I SS N:  2 0 8 8 - 8708 ,  DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j ec e . v 1 1 i 2 . p p 1 2 0 8 - 1 2 2 2          1208       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij ec e. ia esco r e. co m   Es ti m a tion  of pos ture  a nd  predi cti o n of t he  elderly g ett ing  out   o f  bed usi ng  a bo dy  pressure se nso r       At s us hi H a g iha ra 1 ,  F u m i k o   H a ra da 2 ,  H iro m it s u Shi m a k a w a 3   1 F a c u lt y   o f   In f o r m a ti o n   S c ien c e   a n d   T e c h n o l o g y ,   Rit su m e ik a n   Un iv e rsit y   G ra d u a te  S c h o o l ,   Ja p a n   2 Co n n e c t  D o t  L td . ,   Ja p a n   3 F a c u lt y   o f   In f o r m a ti o n   S c ien c e   a n d   T e c h n o l o g y ,   Rit su m e ik a n   Un iv e rsit y ,   Ja p a n       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Feb   1 9 ,   2 0 2 0   R ev i s ed   A u g   2 1 ,   2 0 2 0   A cc ep ted   Oct  2 8 ,   2 0 2 0       W e   p ro p o se   a n   Io T   su p p o r t  sy ste m   f o r  e sti m a ti n g   th e   p o stu re   o f   th e   c a re   re c ip ien t  o n   th e   b e d   f ro m   th e   b o d y   p re ss u re   o f   th e   c a re   re c ip ien t  m e a su re d   b y   a   sh e e t - t y p e   b o d y   p re ss u re   s e n so r,   a n d   d e tec ti n g   th e   p o stu re   re late d   to   lea v in g   th e   b e d   in   re a l  ti m e .   In   a d d it i o n ,   w e   p ro p o se   a   m e th o d   th a t  p re d icts  g e tt in g   o u t   o f   th e   b e d   b e f o re   th e   c a re   re c ip ien t  tak e s  a   p o stu re   re late d   to   g e tt in g   o u t  o f   th e   b e d   b y   c o n sid e rin g   t h e   sta te  tran siti o n .   I n terv e n ti o n   e x p e ri m e n t  sh o w e d   th a t  u sin g   b o d y   p re ss u re   f e a tu re s  a s  a n   e x p lan a to ry   v a riab le  a n d   a p p ly in g   m a c h in e   l e a rn in g ,   1 6   ty p e s  o f   p o stu re s  o n   th e   b e d   o f  c a re   re c ip ien ts  w it h   a n   F   v a lu e   o f   0 . 7   o r  m o re   c o u ld   b e   i d e n ti f ied .   F ro m   th e   e x p e ri m e n t  w it h o u t   in terv e n ti o n ,   b y   a p p ly in g   th e   h i d d e n   M a rk o v   m o d e l,   w e   c a lcu late d   th e   tran sit io n   p r o b a b il it y   to   e a c h   h id d e n   sta te  w h e n   th e   c a re   re c ip ien t  g e tt in g   o u t  o f   th e   b e d   a n d   th e   tran sit io n   p ro b a b il it y   to   e a c h   h id d e n   sta te  w h e n   th e   c a re   r e c ip ien t  n o t  g e tt in g   o u t  o f   th e   b e d .   A s  a   re su lt ,   th e re   wa s   a   d if f e re n c e   o f   a b o u t  0 . 1   i n   th e   t ra n siti o n   p ro b a b il i ty   o f   th e   sta te  re late d   to   ra isin g   u p p e r  b o d y .   K ey w o r d s :   E ld er ly   ca r e   Hid d en   m ar k o v   m o d el   Ma ch i n e  lear n i n g   P r ess u r e  s en s o r   Sen s in g   T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   A t s u s h i H ag ih ar a     Facu lt y   o f   I n f o r m a tio n   Scie n s e  an d   T ec h n o lo g y   R its u m ei k an   U n i v er s it y   Gr ad u ate  Sch o o l,  J ap an   E m ail:  s i m a k a w a @ cs.r it s u m ei . ac . jp       1.   I NT RO D UCT I O N   R ec en t l y ,   r ap id   ag in g   i n   J ap an   b r in g s   lar g er   p o p u latio n   o f   eld er ly   ca r e  r ec ip ien t s ,   w h o   n ee d   n u r s in g   ca r e  to   liv e.   I t  in cr ea s ed   to   3   ti m es  d u r i n g   t h e  lates t  1 5   y ea r s .   On   t h e  o th er   h a n d ,   h o s p itals   an d   n u r s in g   f ac ilit ies is   f ac i n g   a  s h o r tag e  o f   s ta f f s   co m p ar ed   to   th e  n u m b er   o f   ca r e  r ec ip ien ts .   Ma n y   o f   ca r e  r ec ip ien ts   s p en d   alm o s t  all  d ay   in   t h e  b ed .   T h e   b ed s   a r e  th e  p lace   n o t  o n ly   to   s leep   b u t   also   to   liv e  f o r   th e  ca r e  r e cip ien ts .   Ho w e v er ,   t h er e  h a v e  b ee n   o cc u r r in g   ac cid e n ts ,   in j u r ies  a n d   ill n e s s e s   ca u s ed   b y   liv i n g   m ai n l y   o n   b e d s .   Fallin g   at  b ed s id es,  an d   b e d s o r es  esp ec iall y   h av e  b ee n   o cc u r r in g   f r eq u e n tl y .   I n   o r d er   to   p r ev en t  th e  ca r e  r e cip ien ts   f r o m   f alli n g   at  th e  b ed s id e  an d   f r o m   b ed s ,   m ea s u r e s   s u c h   as  in s tall in g   a   f en ce   o n   t h e  b ed s   ar e  tak en .   Ho w e v er ,   th e y   o f te n   f all  d u e  to   d izzin ess   a n d   g etti n g   o u t  o f   th e  b ed s   in   u n s tab l e   p o s tu r es.   I n   ad d itio n ,   th e   eld er l y   ca n   s u f f er   f r o m   f r ac t u r es  a n d   s p r ain s   a f ter   t h e y   f a ll.  A s   a  r esu lt,  i t  d ec r ea s es   th e  o p p o r tu n it y   to   m o v e  t h e  b o d y ,   w h ic h   w ea k e n s   m u s cle   an d   b o n e  s tr en g th s .   I t  in cr ea s es  th e  r is k   f o r   th e   eld er ly   to   r u n   i n to   a  s tate  r eq u i r in g   n u r s in g   ca r e  [ 1 ] .     I n   ad d itio n ,   b ed s o r e  is   ca u s ed   b y   s k i n   n ec r o s is   i n   th e   c ar e  r ec ip ien ts   w h o   h av e   lai n   at  a  f i x ed   p o s tu r e  f o r   a  lo n g   ter m .   T h e  d is u s e  s y n d r o m e  s u ch   as  h y p a n ak in e s ia  an d   d ep r ess io n   also   d ev elo p   in   s u c h   th e   ca r e  r ec ip ien ts .   T h o u g h   b o d y   p r ess u r e  d is p er s in g   eq u ip m e n t  h as  b ee n   i n tr o d u ce d   ag ai n s t  th e m ,   i t  is   d if f ic u lt   to   p er m an e n tl y   i n s tall  th e  eq u ip m e n t  o n   th e  b ed   b ec au s e  o f   its   ex p en s i v e n ess .   Fo r   th is   r ea s o n ,   in   m a n y   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       E s tima tio n   o f p o s tu r e  a n d   p r e d ictio n   o f th e  el d erly   g ettin g   o u t o f b ed   u s in g   …  ( A ts u s h i H a g ih a r a )   1209   h o s p itals   an d   n u r s i n g   f ac ilit ie s ,   ca r eg iv er s   r eg u lar l y   ch a n g e   th e  p o s tu r e  o f   ca r e   r ec ip ien ts .   Ho w e v er ,   d u e  to   th e  s h o r ta g e  o f   s taf f ,   it  is   d if f i cu lt  f o r   ca r eg iv er s   to   p er f o r m   en o u g h   p atr o ls   an d   m o n ito r in g   o f   ca r e  r ec ip ien ts ,   w h ic h   is   a  g r ea t b u r d e n   f o r   ca r eg iv er s .   T h er ef o r e,   in   o r d er   to   r ed u ce   th e  b u r d en   o n   ca r eg iv er s ,   it  is   n ec ess ar y   an   I o T   s u p p o r t   s y s te m   t o   m o n ito r   ca r e  r ec ip ien ts   in s tea d   o f   h u m a n s ,   to   d etec t  ac cid en ts   a n d   illn es s es  i n   th e  ca r e  r ec ip ien ts ,   an d   to   in f o r m   t h e  ca r e g iv er s .   S u ch   an   I o T   s u p p o r t sy s te m   is   also   r e q u ir ed   to   ca u s e   n o   p h y s ical  b u r d en   an d   n o   m e n ta l   s tr ess   o n   ca r e  r ec ip ien ts   b y   in s talli n g   it.   A s   a  s itu a tio n   r eq u ir in g   s u c h   a  s y s te m ,   th i s   p ap er   m ain l y   d ea ls   w it h   th e  f o llo w i n g   s it u atio n :  a  ca r e  r ec ip ien t  w a k es  u p   d u r i n g   t h e  s leep in g   ti m e,   g et s   o u t  o f   t h e  b ed   o n   th eir   o w n ,   an d   th e n   f all s .   Se n s o r   en v ir o n m en ts   ar e  i m p o r tan t  f o r   m o n it o r in g   eld er l y   in p atie n t s .   S y s te m s   in   [ 2 - 4 ]   m o n ito r   t h e m   w i t h   s m a r t p h o n e s   a n d   w i r e l e s s   s e n s o r   n e tw o r k s .   S i n c e   e l d e r   p a t i e n t s   a t   b e d t i m e   d o   n o t   u s e   s m a r t p h o n e s ,   w h i c h   c a n n o t   b e   u s e d   t o   d e t e c t   t h e i r   l e a v i n g   b e d s .   W e a r a b l e   s e n s o r s   o n   t h e   i n p a t i e n t ' s   h a n d s   an d   f ee t  ar e  n o t   r ec o m m e n d ed   b ec au s e  th e y   w o u ld   in ter f er e  w it h   m ed ica l  p r o ce d u r es  s u ch   a s   in f u s io n .   L i k e  t h e  d r iv er   m o n ito r i n g   [ 5 ] ,   a m b ien t  s en s o r   s y s te m s ,   w h ich   i n co r p o r ate  s en s o r s   i n to   p atien t 's  en v ir o n m e n ts   [ 6 ,   7 ] ,   ar e   u s e f u l.  I n   o r d er   to   an al y ze   a  lo t  o f   d ata  co llected   b y   s e n s o r s ,   th er e  ar e  w o r k s   [ 8 ,   9 ]   ap p ly in g   d ata  s cie n ce   to   m ed ical  tr ea t m e n t.  Se n s o r s   f o r   th e  p atien t  m u s t  b e  p h y s icall y   n o n - i n v asi v e  [ 1 0 ] .   T h er ef o r e,   v ar io u s   co m p u te r   v i s i o n   t e c h n o l o g i e s   [ 1 1 - 1 5 ]   a r e   u s e d .   H o w e v e r ,   s e n s o r s   t o   d e t e c t   t h e   b e h a v i o r   f r o m   p a t i e n t s   s h o u l d   p r o v i d e   l e s s   m e n t a l   l o a d .   T h e   u s e   o f   c a m e r a s   s h o u l d   b e   a v o i d e d   b e c a u s e   i n p a t i e n t s   a r e   e x t r e m e l y   r e l u c t a n t   t o   b e   m o n ito r ed .     W e  s h o u ld   p r ed ict  th e  in te n tio n   o f   t h e  eld er   p atien ts   to   leav e  th eir   b ed s   a t  n ig h t   f r o m   t h ei r   b eh av io r   b ef o r e  th e y   r ea l l y   lea v e  t h e  b e d s .   T h e  in ten t io n   ca n n o t  b e  es ti m ated   o n l y   b y   th e   m o v e m en t  o f   t h e  p atien t  a t  a   s p ec if ic  ti m e  p o in t.  I t  is   n ec e s s ar y   to   ex tr ac t  th e  in te n tio n   f r o m   th e  ti m e  s er ies  th at  ex p r ess es  th e  b eh a v io r .   Ma n y   w o r k s   ad d r ess   d etec tio n   o f   b eh av io r   f r o m   ti m e  s er ie s   d ata  [ 1 6 - 1 8 ] .   T h e  d etec tio n   o f   in ten s io n   f r o m   t h e   b eh av io r   is   s t u d ies   in   t h e  f i eld   o f   i n telli g e n t  t u to r in g   s y s te m s   [ 1 9 ,   2 0 ]   an d   in f o r m at io n   r etr iev al   [ 2 1 ] .   R ec o g n itio n   o f   f ea t u r es  i n   ti m e  s er ies  is   d is cu s s ed   in   s e v er al   w o r k s   [ 2 2 ,   2 3 ]   p r o p o s ed   m et h o d s   to   im p r o v e  th e   id en ti f icatio n   o f   ti m e  s er ies  d ata  u s in g   s h ap elet s ,   w h ich   ar e  d is cr i m i n ati v e  s u b - s eq u e n ce s   in   t i m e   s er ies  d ata,   w h ile  m et h o d s   p r o p o s ed   in   [ 2 4 ,   2 5 ]   f in d   m o ti f s   t h at  ar e  f r eq u en t p atter n s   i n   ti m e  s er ies.   T h e  ab o v e  s u r v e y   d er iv e s   t h at  a  b ed   eq u ip p ed   w it h   s e n s o r s   [ 2 6 ]   is   ex ce llen t   as  a  n o n - in v asi v e   a m b ien t  s y s te m .   T h e y   also   s u g g e s t  th at  it  is   a  g o o d   s o lu tio n   to   p r ed ict  in ten tio n s   o f   eld er l y   p atie n ts   f r o m   th eir   b eh av io r ,   u s i n g   th e  a m b ie n t  s y s te m .   T h er e  ar e  m an y   s t u d ies  o n   m ea s u r i n g   a n   eld er ly   p er s o n ' s   p o s t u r e,   m o v em en t ,   an d   b i o l o g i c al   i n f o r m a ti o n   at   th e   b e d s i d e   t o   s u p p o r t   n u r s i n g   c a r e .   I n   a d d i ti o n ,   th er e   a r e   m an y   s tu d ies  o n   o b s e r v in g   th e   b eh av i o r   an d   a c t i o n s   i n   d ai ly   l if e   an d   m o n it o r i n g   w h e r e   an d   w h a t   th e   el d e r ly   is   d o in g .   As  a  s u p p o r t  s y s te m s   t h at  i s   i n tr o d u ce d   in   h o s p itals   a n d   n u r s in g   f ac ilit ie s ,   th er e  i s   a  b ed   th at  d etec ts   g etti n g   o u t  o f   th e  b ed   o f   th e  ca r e  r ec ip ien ts   [ 2 7 - 2 9 ] .   T h o s e   s y s te m s   d eter m i n e  w h et h er   th e  ca r e  r ec ip ien t  is   s leep in g   o n   th e  b ed   o r   g ettin g   o u t  o f   th e  b ed   th r o u g h   a  lo ad   s en s o r   s u ch   a s   a  w ei g h ti n g   s ca le  in s tal led   u n d er   th e  b ed .   T h e  in tr o d u ctio n   o f   t h o s e  s y s te m s   h as  b ee n   s h o w n   to   h av e  th e  ef f ec t  o f   r ed u ci n g   ac cid en ts   s u c h   as   f alls .   Ho w ev er ,   o n l y   d etec ti n g   w h et h er   th e  ca r e  r ec ip ien t  i s   s leep in g   o r   g ettin g   o u t  o f   b ed   ca n n o t  g r asp   th e  d et ailed   tu r n o v er   an d   p o s t u r e   o f   t h e  ca r e  r ec ip ien t.  No ti f ic atio n   to   t h e  ca r eg iv er   d o   n o t  o cc u r   u n til  th e  ca r e  r ec ip ien t h as c o m p letel y   g o t o u t o f   t h e  b ed .   I n   ad d itio n   to   p o s tu r e  a n d   m o v e m e n t,  t h er e  ar e  s t u d ies  o n   m ea s u r in g   b io lo g ica l  in f o r m a t io n   s u ch   a s   th e  r esp ir ato r y   r ate,   p u ls e  w a v e,   an d   b o d y   te m p er at u r e  o f   t h e   ca r e  r ec ip ien t i n   b ed   [ 3 0 - 3 2 ] .   Sleep   d is o r d er   an d   ar r h y t h m ia  ca n   b e  d etec ted   b y   m ea s u r in g   th e  b io lo g ic al  in f o r m atio n   o f   t h e  ca r e  r ec ip ien t  th r o u g h   a   co n d u cti v e  s h ee t  o r   th er m is to r .   Un f o r tu n a tel y ,   t h e  m ea s u r e m en t  o f   b io lo g ical   in f o r m at io n   r eq u ir es  lo n g - ter m   m o n ito r i n g   a n d   th e  w ea r in g   o f   co m p le x   s en s o r s .   I n   ad d itio n ,   in   th e  m ea s u r e m e n t  o f   b io lo g ical  in f o r m atio n ,   i t   is   n o t p o s s ib le  to   co n f ir m   p o s t u r al  ch a n g e  o r   g ett in g   o u t o f   b ed   o f   th e  ca r e  r ec ip ien t.   T h er e  ar e  s tu d ies  o n   d etec ti n g   e x tr ao r d in ar y   b eh a v io r   o f   t h e  eld er l y   [ 3 3 - 3 5 ] .   I n   t h ese   s tu d ies,  t h e  s y s te m   lear n s   t h e  p atter n   o f   th e  eld er l y 's  d ail y   ac ti v itie s   t h r o u g h   ca m er as  an d   lo ca tio n   in f o r m atio n .   T h e y   ex a m in e  s tate  tr a n s itio n s   to   d eter m i n e  w h e th er   t h e  eld er l y 's   b eh av io r   is   o r d in ar y   o r   ex tr ao r d in ar y .   Ho w e v er ,   m o n ito r i n g   w it h   a  ca m er a  a n d   w ea r in g   s en s o r s   f o r ce s   a   m e n tal  a n d   p h y s ica l  b u r d en   o n   t h e  eld er l y .   I n   ad d itio n ,   s in ce   ca r e  r ec ip ien ts   ar e  liv i n g   m a in l y   o n   b e d s ,   it  is   d if f ic u lt  f o r   th ese   s y s te m s   to   d etec t   ex tr ao r d in ar y   b eh a v io r s   o f   ca r e  r ec ip ien ts   f r o m   b ed s id e  lo ca t io n   in f o r m atio n .   I n   th is   p ap er ,   w e  p r o p o s e  a   m eth o d   f o r   esti m ati n g   th e  p o s tu r e  o f   a  ca r e   r ec ip ien t  o n   a  b ed   f r o m   th e   b o d y   p r ess u r e  o f   th e  ca r e  r ec ip ien t  m ea s u r ed   b y   a  s h ee t - t y p e  b o d y   p r ess u r e  s en s o r   an d   f o r   d etec tin g   t h e   p o s tu r e  r elate d   to   leav in g   th e  b ed   in   r ea l  ti m e.   I n   ad d itio n ,   w e  p r o p o s e  a  m e th o d   th at  p r e d icts   g etti n g   o u t  o f   th e  b ed   b ef o r e  t h e  ca r e  r ec ip ien t  ta k es   a  p o s tu r e  r elate d   to   g etti n g   o u t   o f   th e  b ed   b y   co n s id er in g   th e  s tat e   tr a n s itio n .   T h e  ch ar ac ter is tics   o f   b o d y   p r ess u r e  d u r in g   th e  s leep in g   ti m e  ap p ea r   o n   th e  b ac k ,   h ip s ,   an d   leg s .   T h er ef o r e,   th e  b o d y   p r ess u r e  o f   th e  ca r e  r ec ip ien t  m ea s u r ed   b y   th e  b o d y   p r ess u r e  s e n s o r   is   d iv id ed   in to   th r ee   p ar ts   to   o   ac q u ir e  th e  f ea tu r es   o f   b o d y   p r ess u r e.   A s   th e  r es u lt  o f   e x p er i m en t s   u s i n g   th e  p r o p o s ed   m e th o d ,   i t   w a s   f o u n d   th at   it  i s   p o s s ib le  t o   esti m a te  t h e  p o s tu r e  o f   t h e  c ar e  r ec ip ien t  o n   t h e  b ed   an d   to   p r ed ict  g etti n g   o u t   o f   th e  b ed   b y   u s in g   t h e  f ea t u r e s   o f   b o d y   p r ess u r e.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  11 ,   No .   2 ,  A p r il 2 0 2 1   :   1 2 0 8   -   1222   1210   T h is   p ap er   is   o r g an i ze d   as  f o llo w s .   Sect io n   2   in tr o d u ce s   a  p r eli m i n ar y   s u r v e y   f o r w ar d i n g   t o   r esear ch   m o tiv a tio n ,   f o llo w ed   b y   t h e  b asic  id ea   o f   o u r   m eth o d .   S ec tio n   3   d escr ib es  th e  m et h o d   p r o p o s ed   in   th i s   r esear ch .   Sectio n   4   p r esen ts   ex p er i m e n ts   a n d   ev a lu at io n s .   I t  also   g i v es  a   d i s cu s s io n   o f   t h e  ex p er i m en tal   r esu lt s .   Sectio n   5   p r esen t s   a  s u m m ar y   o f   t h i s   r esear ch .       2.   P RE DIC T I O N  O F   G E T T I N G   O UT   O F   T H E   B E D  F RO M   P O ST URE  T RANS I T I O N   I n   th i s   r esear ch ,   w e  p r o p o s e  a   s y s te m   t h at  clas s i f ies  t h e  ca r e  r ec ip ien t’ s   p o s t u r e  o n   th e  b e d   in   d etail  a n d   p r ed icts   th e  ca r e  r ec ip ien t's   g etti n g   o u t  o f   t h e  b ed .   T h e  p r ed ictio n   is   p er f o r m ed   b y   d ete r m in in g   w h e th er   a   cu r r en t  p o s tu r e  in   r aisi n g   u p   o f   th e  u p p er   b o d y   w ill  lead   to   g etti n g   o u t  o r   to   s u p in e  p o s itio n   b ased   o n   p o s tu r e  tr an s itio n s   o b tain ed   f r o m   t h e  o b s e r v ed   d ata  o f   b o d y   p r ess u r e  d is tr ib u tio n   o n   t h e  b ed .       2 . 1 .     P re lim i na ry   s urv ey   Fo r   a  p r elim in ar y   s u r v e y ,   w e  i n ter v ie w ed   a  ca r e  w o r k er   w o r k in g   i n   a  n u r s i n g   f ac ilit y   ab o u t  f alls   an d   b ed s o r es.  A s   th e  r e s u l t  o f   th e  in ter v ie w ,   it  w a s   f o u n d   t h at  ac cid en ts   s u c h   a s   f alls   o f   ca r e  r e cip ien ts   f r eq u e n tl y   o cc u r r ed   f r o m   2 0 :0 0   to   6 : 0 0   a. m .   I t  w a s   also   f o u n d   th at  b ed s o r es  co u ld   b e   p r ev en ted   b y   p er f o r m in g   r eg u lar   p o s tu r al  ch an g es  at  ev er y   t w o   h o u r s .   T h e  ca u s es  o f   f r eq u en t  ac cid en ts   o f   ca r e  r ec ip ien ts   at  n ig h t  ar e  th at  th er e   w er e  f e w   n u r s e s   an d   ca r e  w o r k er s   w o r k i n g   at  n i g h t in   t h e  n u r s in g   f ac i liti es,  t h at  a  ca r e  r ec ip ien t c o u ld   n o t c al l   a  ca r e  w o r k er   b ec au s e  o f   co n s id er atio n   f o r   o th er   p atien ts   in   th e  r o o m ,   a n d   th at  t h e  v is ib ilit y   w as  p o o r .   A   ca r e  r ec ip ien t  g o t  o u t  o f   th e  b ed   o n   th eir   o w n ,   w o r r y i n g   ab o u t  b o th er in g   t h e  b u s y   ca r eg iv er s .   S u ch   co n ce r n   o f   ca r e  r ec ip ien ts   ca u s es a n   ac cid en t.    I t  is   n ec es s ar y   to   p r ed ict  g etti n g   o u t  o f   t h e  b ed   b ef o r e  t h e  c ar e  r ec ip ien t  g etti n g   o u t  o f   t h e   b ed   an d   to   d elay   t h e  ca r e  r ec ip ien t  g ett i n g   o u t  o f   th e  b ed .   I n   ad d itio n ,   it  b ec a m e  clea r   th at  r eg u l ar   p o s tu r al  ch an g e  ag ain s t  b ed s o r es  b u r d en s   ca r e g iv er s   s u c h   as  ti m e  m a n a g e m en t.  T h e  I n ter v ie w   w it h   th e  ca r e  w o r k er   s u g g es t s   th at  f alls   ar e  m o r e  u r g e n t  t h a n   b ed s o r es.  A d d itio n a ll y ,   i t  was  f o u n d   t h at  p r ev e n t i n g   t h e  ca r e  r ec ip ien t  f r o m   g etti n g   o u t o f   t h e  b ed   o n   h is   o w n   w o u ld   s i g n i f ica n tl y   r ed u ce   th e  r is k   o f   f al lin g .   W e  f o cu s   o n   ac cid en ts   s u c h   a s   f all s   f r o m   th e  v ie w p o in t  o f   l ar g er   u r g e n c y   i n   t h is   p ap er .   W e  co n s id er   to   p r ed ict  th at  a  ca r e  r ec ip ien t   w ill  g et  o u t  o f   th e   b ed   b ef o r e  h e  ac t u all y   g ets   o u t.  O n ce   i t   is   p r ed icted   th at   a  ca r e  r ec ip ien t  w ill  g et  o u t  o f   t h e  b ed   at  n ig h t,  n o tif ica tio n   to   ca r eg iv er s   is   r eq u ir ed .   B ec au s e  f alse  n o tific atio n   m ak e s   ca r eg i v er s   tire d ,   s u c h   t h e  p r ed ictio n   s h o u ld   b e  w it h   h ig h   ac c u r ac y .   I n   ad d itio n   to   n o tif icat io n ,   s to p p in g   th e  ca r e  r ec ip ien t  g etti n g   o u t  i s   also   r eq u ir ed   o n   th e  p r ed icti o n .   Fo r   ex a m p le,   it  m a y   b e  p o s s ib le  b y   in s talli n g   a  s m ar t sp ea k er   talk i n g   to   th e  ca r e  r ec ip ien t o n   th e  b ed ,   w h ic h   ca n   p r ev e n t b ed s id e  ac cid en t s .     2 . 2 .     P re dict io n us ing   s heet - t y pe  bo dy   press ure  s ens o r   Hid d en   m ar k o v   m o d els  ( HM M)   [ 3 6 ] ,   w h ich   is   a n   u n s u p e r v is ed   lear n i n g ,   ar e  s u itab le  to   p r ed ict   h u m a n   b eh a v io r   b ec au s e  t h e  m o d el s   ca n   ad d r ess   s tate  tr a n s itio n s   o f   p o s tu r e s   o f   t h e  ca r e  r ec ip ien t.  Ho w ev er ,   s o m e  in g e n u i t y   is   n ee d ed   h er e.   I t  is   d if f icu lt  f o r   h u m an s   to   u n d er s tan d   th e  co r r esp o n d en ce   o f   ea ch   s tate  in   t h e   s tate  tr an s itio n s   to   p o s tu r es  b ec au s e  HM Ms  a u to m ate  t h e   co r r esp o n d en ce .   I n   ad d itio n ,   th e  b o d y   p r es s u r e   d is tr ib u tio n   o f   t h e  w h o le  b o d y   o f   th e  ca r e  r ec ip i en t  o n   th e  b ed   is   m ea s u r ed   b y   a  b o d y   p r ess u r e  s en s o r .   T h e  b o d y   p r ess u r e  d is tr ib u tio n   is   m ea s u r ed   f r o m   th e  p r ess u r e  d is tr ib u tio n   a m o n g   p lu r al  s a m p le  p o in ts   ev e n l y   s p ac ed   o n   th e  b ed .   Sin ce   th e  n u m b er   o f   s a m p le  p o in t s   i s   en o r m o u s ,   it  i s   n o t  r ea s o n ab le  t o   m ak e   a  b lac k   b o x   m o d el   to   d ea l  w it h   s tate  tr an s i tio n s   f o r   all  o f   t h e  s a m p le  p o i n ts .   Hu m a n s   ca n   ea s il y   id en t if y   p o s tu r e s   o n   a   b ed ,   s u c h   as  s u p i n e,   later al,   a n d   l o n g   s itti n g   p o s itio n s .   I n s tead   o f   th e   au to m ated   co r r esp o n d en ce ,   w e   co n s id er   i d e n t i f y i n g   e a c h   s t a t e   i n   t h e   s t a t e   t r a n s i t i o n s   o f   t h e   p o s t u r e   o f   t h e   c a r e   r e c i p i e n t   f r o m   t h e   b o d y   p r e s s u r e   d i s t r i b u t i o n .   S u p e r v i s e d   l e a r n i n g   m o d e l s   u s i n g   l a b e l s   b y   h u m a n   c a n   p r o v i d e   c l e a r   e x p l a n a t i o n   o f   p o s t u r e   tr an s it io n   u n li k e  u n s u p er v is ed   lear n i n g .   T h er ef o r e,   b ased   o n   th e  ex a m p les  o f   n atu r al  la n g u a g e  p r o ce s s i n g   [ 3 7 ]   an d   th e  ex is ti n g   r esear ch   [ 3 8 ] ,   a  p o s tu r e  esti m atio n   m o d el  is   co n s tr u cted   b y   s u p er v i s ed   lear n i n g .   T h e  p o s itio n   tr an s itio n   i s   id en ti f ied   b y   an   HM M,   w h ic h   is   an   u n s u p er v is ed   lear n i n g .   T h e  ch ar ac ter is tics   o f   b o d y   p r es s u r e  o n   th e  b ed   is   s ig n i f ica n t  w it h   r esp ec t  to   th e  p o s tu r e  in   th e  th r ee   p ar ts :  th e  b ac k ,   th e  h ip ,   an d   th e  leg s .   I n   th is   r esear ch ,   w e  d ea l  w it h   th e  b o d y   p r ess u r e  d is tr i b u tio n   in d i v id u all y   f o r   ea ch   o f   th ese  t h r ee   p ar ts .   T h e  class if ier   f o r   esti m ati n g   t h e  p o s t u r e  is   tr ain ed   b y   u s i n g   th e  f ea t u r es  o f   b o d y   p r ess u r e  f o r   ea ch   o f   t h e  p ar ts   ac q u ir ed   b y   t h e  b o d y   p r ess u r e   s en s o r   a n d   th e  lab els  o f   th e  p o s tu r e  id en ti f ied   b y   th e  h u m an   as  tr ai n in g   d ata.   Fu r th er m o r e,   th e  p o s t u r e  o n   th e  b ed   is   esti m ated   f r o m   t h e  f ea tu r es  o f   t h e  b o d y   p r ess u r e  o f   ea ch   o f   t h e  p ar t  ex tr ac ted   f r o m   th e  tr ain in g   d ata.   Fro m   th e  es ti m a tio n   r e s u lt s ,   th e  s tar t  a n d   tr an s itio n   p r o b ab ilit ies  b et w ee n   t h e  p o s tu r e s   an d   t h e  e m i s s i o n   p r o b ab ilit y   o f   b o d y   p r ess u r e  f r o m   t h e  p o s t u r e  ar e  ca lcu lated .   T h ese  v alu e s   ar e  HM M  p ar am eter s .   On   th e  o th er   h an d ,   th e  p o s tu r e  is   esti m ated   f r o m   th e  te s t   d ata  in clu d i n g   o n l y   t h e  o b s e r v ed   b o d y   p r ess u r e  f ea t u r es  o f   ea ch   o f   t h e  p ar ts   b y   u s i n g   th e  cla s s i f ier .   B y   esti m ati n g   t h e  p o s tu r e  tr a n s it i o n   s eq u e n ce   f r o m   th e  s u p i n e  p o s itio n   to   th e  r i s i n g   u p p er   b o d y   p o s itio n   o n   t h e  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       E s tima tio n   o f p o s tu r e  a n d   p r e d ictio n   o f th e  el d erly   g ettin g   o u t o f b ed   u s in g   …  ( A ts u s h i H a g ih a r a )   1211   b ed   w it h   r esp ec t  to   th e  lear n e d   HM M  p ar am eter s ,   w e  p r ed i ct  in   ad v an ce   th at  th e  ca r e  r ec ip ien t  g etti n g   o u t  o f   th e  b ed .   Fig u r e  1   s h o w s   an   o v er v ie w   o f   t h e  p r ed ictio n   s y s te m   f o r   g et tin g   o u t o f   th e  b ed   in   th is   m et h o d .   I n   th is   r es ea r ch ,   th e  b o d y   p r es s u r e  d is tr ib u tio n   o f   th e  w h o le  b o d y   o n   th e  b ed   o f   th e  ca r e  r e cip ien t  is   m ea s u r ed   b y   a  s h ee t - t y p e  b o d y   p r ess u r e  s e n s o r .   T h e  b o d y   p r ess u r e  b y   t h e  b ac k ,   h ip ,   an d   leg s   v ar y   s ig n i f ica n tl y   o n   p o s tu r e  ch an g e  an d   g etti n g   o u t  o f   th e  b ed .   W e  ca lc u late  th e  b o d y   p r ess u r e  f ea t u r e  f o r   th ese   p ar ts   s ep ar atel y   f r o m   t h e  b o d y   p r ess u r e  d is tr ib u tio n   i n   t h r ee - d iv i s io n   r e g io n s   o f   t h e  w h o le  s h ee t.  W e  d ef in e   th e  th r ee - d iv i s io n   r eg io n s   s o   t h at  th e  b o d y   p r ess u r e  o n   ea ch   o f   th e  r eg io n s   is   d o m i n ated   b y   o n l y   o n e  o f   t h e   b ac k ,   h ip ,   an d   leg s .           Fig u r e  1 .   Ov er v ie w   o f   th e  p r e d ictio n   s y s te m   f o r   g et tin g   o u t  o f   th e  b ed       I n   th i s   p r o p o s ed   s y s te m ,   m ac h in e  lear n i n g   is   u s ed   to   esti m ate  t h e  p o s tu r e  o f   t h e  ca r e  r ec ip ien t  in   s leep in g   o n   t h e  b ed   an d   t h e  p r ec ed in g   p er io d   o f   g ett in g   o u t   o f   th e  b ed   i n   r ea l  ti m e.   T h e  f ea tu r es  o f   th e  b o d y   p r ess u r e  o f   t h e  b ac k ,   h ip s   a n d   leg s   ar e  u s ed   as  e x p lan ato r y   v ar iab les,  an d   t h e  f o llo w i n g   1 6   ty p e s   o f   p o s t u r e s   ar e  esti m ated   b y   ap p l y in g   m a ch in e   lear n in g .   T h er e  is   a  to ta l  o f   1 6   t y p e s   o f   p o s itio n s   f o r   t h e  ca r e  r ec ip ien t  o n   th e  b ed ,   in clu d in g   6   s tab le  s tates  an d   1 0   tr an s ien t  s tates.  T h e  s ix   s tab le  s tate s   ar e  s u p in e   p o s itio n   ( Su p in e) ,   r ig h t   later al  p o s itio n   ( R i g h t) ,   lef t  la ter al  p o s itio n   ( L e f t) ,   p r o n e  p o s itio n   ( P r o n e) ,   lo n g   s itti n g   o n   t h e  b ed   ( L o n g Sit t in g ) ,   an d   s itti n g   p o s i tio n   o n   th e  b ed   ( E d g eSitti n g ) .   T h e  tr an s ien t  s tates  ar e  f r o m   s u p in e  p o s itio n   to   r ig h t  later al  p o s itio n   ( Sto R ) ,   r ig h t  later al  p o s itio n   to   s u p in e  p o s itio n   ( R to S),   s u p in e  p o s itio n   to   lef t  later al  p o s itio n   ( Sto L ) ,   lef t   later al  p o s itio n   to   s u p i n e  p o s itio n   ( L to S),   r ig h t   later al  p o s itio n   to   p r o n e  p o s itio n   ( R to P ) ,   p r o n e  p o s itio n   to   r ig h t  later al  p o s itio n   ( P to R ) ,   lef t  later al  p o s itio n   p r o n e  p o s itio n ( L to P ) ,   p r o n e  p o s itio n   to   lef t   later al  p o s itio n   ( P to L ) ,   s u p i n e  p o s itio n   to   lo n g   s i ttin g   ( Sto L o n g ) ,   an d   lo n g   s itt in g   to   ed g e  s itt in g   ( L o n g to E d g e) .   B y   ap p l y i n g   HM M,   it  is   p o s s ib le  to   ca lcu late  th e  tr an s itio n   p r o b a b ilit y   to   ea ch   p o s t u r e  t h r o u g h   t h e  b o d y   p r ess u r e  f ea t u r es.  I t  is   also   p o s s ib le  to   p r e d ict  w h eth er   th e  ca r e  r ec ip ien t  w ill  g et  o u t  o f   th e  b ed   s u cc e s s i v el y   a f ter   s itti n g   u p   o r   n o t.  W h en   th is   p r ed ictio n   s y s te m   p r ed icts   th e  g etti n g   o u t  o f   b ed   o f   th e  ca r e  r ec ip ien t,  it  is   p o s s ib le  to   p r ev en t   ac cid en t s   s u ch   a s   f alls   at  th e  b ed s id e  b y   n o tify i n g   th e  ca r eg i v er   a n d   s to p p in g   t h e  ca r e  r ec ip ien t u s i n g   s m ar t  s p ea k er s   [ 3 9 ,   4 0 ] .         3.   P RE DIC T I O N  O F   G E T T I N G   O UT   O F   T H E   B E D  F RO M   P O ST URE  T RANS I T I O N   3 . 1 .     O utline  o f   bo dy   press ure  s e n s o r  a nd   a cquis it io n o f   bo dy   press ure  f ea t ures   I n   th i s   r esear ch ,   t h e  p o s itio n   a n d   m o v e m e n t  o f   ea c h   b o d y   p a r t  ar e  ca lcu lated   f r o m   t h e  b o d y   p r es s u r e   d is tr ib u tio n   o n   th e  b ed   o f   th e   ca r e  r ec ip ien t  m ea s u r ed   b y   t h e  b o d y   p r ess u r e  s e n s o r ,   th e  p o s tu r e  o f   th e  ca r e   r ec ip ien t  is   esti m ated ,   an d   th e   g ettin g   o u t  o f   t h e  b ed   is   p r ed icted .   Fro m   s ec tio n   2 ,   m o n ito r in g   w it h   a  ca m er a  an d   w ea r i n g   a  w ea r ab le  s en s o r   p u t  a   g r ea t  d ea l  o f   p h y s ical  an d   m en ta l  b u r d en   o n   th e  ca r e  r ec ip ien t.   T h er ef o r e,   w e  m ea s u r e  th e  d i s tr ib u tio n   o f   b o d y   p r ess u r e  o n   th e  b ed   o f   th e  ca r e  r ec ip ien t  u s i n g   a  s h ee t - t y p e   b o d y   p r ess u r e  s e n s o r .   T h e  s h ee t - t y p e   b o d y   p r es s u r e  s en s o r   is   t h i n   an d   h as  e x ce lle n t   ela s ticit y ,   an d   w e  ca n   v is u alize   an d   m ea s u r e  th e  w h o le - b o d y   p r ess u r e  d is tr ib u tio n   w it h   litt le  lo ad   o n   th e  ca r e   r e cip ien t.   T h e  s h ee t - t y p e  b o d y   p r es s u r e  s e n s o r   co n s i s ts   o f   1 6 0 0   s en s o r s   e v en l y   p lace d   o n   th e  s h ee t  w it h   2 . 8 cm   in ter v al.   T h e  n u m b er   o f   s en s o r s   al o n g   w it h   th e  s h o r t  s id e  d ir ec tio n   i s   2 5   w h ile  t h at  alo n g   w it h   th e   lo n g   s id e  o n e  is   6 4 .   T h e  m ea s u r in g   r an g e  o f   ea c h   s e n s o r   is   f r o m   1 5   m m H g   to   1 1 0   m m H g .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  11 ,   No .   2 ,  A p r il 2 0 2 1   :   1 2 0 8   -   1222   1212   T h e  p o s tu r e  in   th e  s itti n g   p o s itio n   co u ld   b e  esti m ated   b y   i n s tal lin g   a  b o d y   p r ess u r e  s en s o r   o n   th e  b ac k   o r   s ea t  o f   t h e  c h air   an d   m ea s u r in g   t h e  b o d y   p r ess u r e  d is tr ib u tio n   o n   t h e  b ac k   an d   th e  h ip   [ 38 ].   E x a m in at io n   o f   t h e  d is tr ib u t io n   o f   b o d y   p r es s u r e  co llected   f r o m   t h e  s h ee t - t y p e  b o d y   p r ess u r e  s en s o r   s h o w ed   th at  th e  b ac k ,   h ip   an d   leg s   wer e  th e  s ites   w h er e  b o d y   p r es s u r e  w as  p ar ticu lar l y   lik el y   t o   co n ce n tr ate  w h en   s leep in g .   T h er ef o r e,   w e  f o cu s   o n   th e  p o s itio n   an d   m o v e m en t   o f   th e  leg s   i n   ad d itio n   to   th e  b ac k   an d   w ai s t  f o r   esti m ati n g   t h e  p o s tu r e  o f   t h e  c ar e  r ec ip ien t o n   th e  b ed   an d   p r ed ictin g   g etti n g   o u t o f   t h e  b ed .   I n   o r d er   t o   ca lcu late  th e  p o s itio n   an d   m o v e m e n t  f o r   ea ch   p ar t  o f   th e  b ac k ,   h ip   an d   leg s ,   th e  b o d y   p r ess u r e  d is tr ib u tio n   o f   t h e  wh o le  b o d y   ac q u ir ed   b y   t h e  b o d y   p r ess u r e  s e n s o r   is   d i v id ed   in to   t h r ee   p ar ts .   W e  ex p r ess   t h e  p o s itio n   o f   th e  1 6 0 0   s en s o r s   p lace d   o n   th e  b o d y   p r es s u r e  s e n s o r   b y   t h e  co o r d in ate  s y s te m   as   Fig u r e  2 .   L et  t h e  s h o r t  s id e  d ir ec tio n   o f   th e  b o d y   p r es s u r e  s en s o r   b e  t h e  Y  a x i s   a n d   th e   lo n g   s id e  d ir ec tio n   b e   th e  X  ax is .   T h e  p o s itio n   o f   th e  s en s o r   at  to p - lef t  co r n er   is   d ef in ed   as  th e  o r ig in   ( 0 ,  0 ) .   T h e  s en s o r   o f   th e  b o tto m - le f t  co r n er   h as  t h e  co o r d in ate  ( 0,   24 )   w h ile  th a t  o f   th e  to p - r i g h t  co r n er   d o es  ( 6 3 ,   0 ) .   W e   d iv id e  th e  r eg io n   { ( x , y ) | 0 ≤ x ≤ 63 , 0 ≤ y ≤ 24 }  in to   t h r ee   r eg io n s   of   { ( x , y ) | 0 ≤ x ≤ 20 , 0 ≤ y ≤ 24 } ,   { ( x , y ) | 21 ≤ x ≤ 42 , 0 ≤ y ≤ 24 },   an d   { ( x , y ) | 43 ≤ x ≤ 63 , 0 ≤ y ≤ 24 }.   T h e  f ir s t  r eg io n   is   u s ed   to   o b tain   t h e  b o d y   p r ess u r e  o f   t h e  leg s .   T h e  s ec o n d   an d   th ir d   ar e  u s ed   to   o b tain   th a t  o f   t h e  h ip s   a n d   b ac k ,   r esp ec tiv el y .   T h e  n u m b er   o f   th e  s en s o r s   alo n g   w it h   X - ax i s   in   t h e  f ir s t  r eg io n   is   2 1 .   T h o s e  in   th e  s ec o n d   an d   th ir d   r eg io n s   ar e  2 2   an d   2 1 ,   r esp ec tiv ely .   As  an   ex a m p le,   Fig u r e  2   s h o w s   t h e  b o d y   p r ess u r e  d is tr ib u tio n   in   t h e  s u p i n e  p o s itio n   an d   th e  d iv id in g   m e th o d .   I n   o r d er   to   ac q u ir e  th e  p o s itio n   an d   m o v e m e n t  o f   ea ch   p ar t,  th e  ce n te r   o f   g r av it y   o f   ea ch   p ar t ,   an d   th e  v elo cit y   an d   a cc eler atio n   o f   t h e  ce n ter   o f   g r av it y   ar e  ca lcu lated   f r o m   th e  b o d y   p r es s u r e   d is tr ib u tio n   i n   ea ch   o f   th e  t h r ee - d iv i s io n   r eg io n s .   T h e  b o d y   p r es s u r e  is   m ea s u r ed   ev er y   2 0 0   m s   b y   b o d y   p r ess u r e  s en s o r .   T h e  p o s itio n   o f   th e  ce n ter   o f   g r a v it y   o f   a  p ar t  is   d en o ted   b y   ( , )   in   b elo w .   I ts   ca lcu latio n   m et h o d   is   ex p r ess ed   b y   t h e  f o l lo w i n g   f o r m u la.           Fig u r e  2 .   B o d y   p r ess u r e  d is tr i b u tio n   an d   t h e  th r ee - d iv is io n   r eg io n   o f   t h e  b o d y   p r ess u r e  s e n s o r       = + + 1 + 1 +   ∙ ∙ ∙ + + + 1 +   ∙ ∙ ∙ +       = 1 1 + 2 2 +   ∙ ∙ ∙ + 24 64 1 + 2 +   ∙ ∙ ∙ + 24         is   th e  p r ess u r e  v al u e  ( u n it:  m m H g )   m ea s u r ed   b y   th e  s en s o r   lo ca ted   at  th e  co o r d in ates  ( , ) .   W e  ass i g n   n = 1   a n d   k = 20   f o r   th e  le g s ,   n = 21   a n d   k = 42   f o r   th e  h ip s ,   an d   n = 43   a n d   k = 63   f o r   t h e   b ac k ,   r esp ec tiv el y .   L e t  ∆   b e  th e  m o v in g   d is ta n ce   o f   th e   ce n te r   o f   g r av it y   p o s itio n   f o r   ∆   s ec o n d s ,   v  b e  th e  v elo cit y ,   a n d   a   b e  th e  ac ce ler atio n .   ∆ ,  v   an d   a   ar e  g iv e n   as  f o ll o w s .       ∆ c = | √ ∆ 2 + ∆ 2 | ,  = ∆ ∆   , = ∆ ∆        Sin ce   t h e  s p r ea d   o f   b o d y   p r ess u r e  in   ea c h   p ar t  d if f er s   f o r   ea ch   p o s tu r e,   t h e  v ar ia n ce - c o v ar ian ce   m atr i x   S  at  t h e  ce n ter   o f   g r av i t y   p o s itio n   ( , )   f o r   a  ce r tain   t i m e  is   ca lcu lated   f o r   ea ch   p ar t.   Fo r   ex a m p le,   in   th e  s u p in e  p o s itio n ,   th e  s p r ea d   o f   th e  h ip s   p r ess u r e  is   w id e  an d   cir cu lar ,   w h er ea s   i n   th e  later a l  p o s itio n ,   th e  s p r ea d   o f   th e  h ip s   p r ess u r e  is   lo n g   an d   ellip tical.   L et  ( )   b e  th e  v ar ian ce   o f   x   an d    ( , )   b e   th e   co v ar ian ce   b et w ee n   x   y .   T h e  v ar ian ce - co v ar ian ce   m atr i x   S is   s h o w n   i n   b elo w .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       E s tima tio n   o f p o s tu r e  a n d   p r e d ictio n   o f th e  el d erly   g ettin g   o u t o f b ed   u s in g   …  ( A ts u s h i H a g ih a r a )   1213   S = [ ( )  ( , )  ( , ) ( ) ]       3 . 2 .    E s t i m a t ing   t he  po s t ure  o f   t he  ca re   re cipient  o n t he  bed b y   m a chine le a rn ing   I n   o r d er   to   g r asp   th e  m o v e m e n t  an d   p o s tu r e  o f   th e  ca r e  r ec i p ien t  o n   th e  b ed   in   r ea l   ti m e,   w e  g e n er ate   a  class i f ier   t h at  e s ti m ate s   t h e  p o s tu r e  o f   t h e   ca r e  r ec ip ie n t  o n   t h e  b ed   f r o m   th e   b o d y   p r ess u r e  f ea tu r es   o f   ea c h   p ar t  b y   m ac h i n e  lear n in g .   T h e  b o d y   p r ess u r e  f ea tu r e s   ar e  t h e  ce n ter   o f   g r a v it y ,   t h e  v e lo cit y   v   a n d   ac ce ler atio n   a  o f   th e  ce n ter   o f   g r av it y ,   an d   th e  v ar ian ce - co v ar ian ce   m a tr ix   S  o f   th e  ce n te r   o f   g r av it y   f o r   a  ce r tain   tim e   ca lcu lated   in   s ec tio n   3 .1 .   T h e y   ar e  in d iv id u all y   ca lc u late d   f o r   th e  b ac k ,   h ip s ,   an d   leg s .   T o   ca lcu late  th e  v ar ian ce - co v ar ia n ce   m atr i x   S  o f   th e  ce n ter   o f   g r a v it y ,   s ev er al  ite m s   o f   d ata  ar e  r eq u ir ed .   T h er ef o r e,   a  s et  o f   v ar ian ce - co v ar ia n ce   m atr ices  S  is   ca lcu lated   f r o m   t h e  f iv e  i te m s   o f   d ata  o f   th e  ce n ter   o f   g r av it y   ac q u ir ed   f o r   ev er y   2 0 0 m s .   I n   ad d itio n ,   th e   av er ag e  o f   t h e  ce n ter   o f   g r a v it y   p o s itio n ,   v e lo cit y   v   an d   ac ce ler atio n   a   at  t h e   ce n ter   o f   g r av it y   is   ca lcu la te d   f r o m   t h e  f i v e.   T h e  ex p la n a to r y   v ar iab les  u s ed   f o r   m ac h i n e  lear n in g   ar e  2 1     (= 3   p a r ts   time s   7   ty p es  o f   b o d y   p r ess u r e  f ea t u r es)  t y p es  o f   ce n ter   o f   g r av it y   p o s itio n   o f   th e  th r ee   p ar ts ,   v elo cit y   v   o f   th e  ce n ter   o f   g r av it y   p o s itio n ,   av er ag e  o f   ac ce ler atio n   a   f o r   1 0 0 0 m s ,   an d   v ar ian ce - co v ar ia n ce   m atr i x   S o f   t h e  ce n ter   o f   g r av i t y   p o s itio n   f o r   1 0 0 0   m s .   T ab le   1   s h o w s   th e  e x p lan a to r y   v ar ia b les.       T ab le  1 .   E x p lan ato r y   v ar iab les   u s ed   f o r   m ac h i n e  lear n i n g   Ex p l a n a t o r y   v a r i a b l e s (u se   t h e   f o l l o w i n g   7   t y p e s fo r   e a c h   o f   t h e   p a r t s)   A v e r a g e   o f   t h e   c e n t e r   o f   g r a v i t y     o n   t h e   X   a x i s   A v e r a g e   o f   t h e   c e n t e r   o f   g r a v i t y     o n   t h e   Y   a x i s   A v e r a g e   o f   v e l o c i t y   v   a t   c e n t e r   o f   g r a v i t y   p o si t i o n   ( , )   A v e r a g e   o f   a c c e l e r a t i o n   a   a t   c e n t e r   o f   g r a v i t y   p o si t i o n   ( , )   V a r i a n c e   ( )   o f   c e n t e r   o f   g r a v i t y   p o si t i o n     V a r i a n c e   ( )   o f   c e n t e r   o f   g r a v i t y   p o si t i o n     C o v a r i a n c e    ( , )   o f   t h e   c e n t e r   o f   g r a v i t y   p o si t i o n   ( , )     (=    ( , ) )       T h e  o b j ec tiv e  v ar iab les  ar e  1 6   p o s tu r es  i n   to tal,   i n clu d i n g   6   s tab le  s tate s   an d   1 0   tr an s ie n t  s tates  o n   th e  b ed   o f   t h e  ca r e  r ec ip ien t,  as  s h o w n   i n   s ec tio n   2 .2 .   T h e  m ac h i n e  lear n i n g   alg o r ith m   u s ed   to   tr ain   th e   class i f ier   u s e s   r an d o m   f o r est  ( R F)  [ 4 1 ] ,   a   k in d   o f   en s e m b l e  lear n in g .   R F  is   an   alg o r ith m   t h at  co n s tr u cts  a   p lu r alit y   o f   d ec is io n   tr ee s   tr ain ed   to   class if y   a  s p ec i f ic  clas s   w it h   h i g h   ac cu r ac y .   I t  tak es  a  m aj o r it y   d ec is io n   o f   th e  d ec is io n   tr ee s   to   clas s if y   n e w l y   in p u t  d ata  to   a  p r ep ar e d   class .   R F  h a s   a  le ar n in g   p h a s e  an d   a  class i f icatio n   p h a s e.   I n   t h e  l e ar n in g   p h a s e  o f   t h i s   s t u d y ,   we  m a n u al l y   g i v e  a  p o s tu r e  lab el  f o r   ea ch   t u p le  o f   b o d y   p r ess u r e  f ea t u r es  ac q u ir ed   b y   th e  b o d y   p r ess u r e  s en s o r   in   ad v an ce ,   an d   u s e  th e m   as  an   item   o f   th e   tr ain i n g   d ata  to   co n s tr u ct  a  s et  o f   d ec is io n   tr ee s   th at  class i f y   t h e  p o s t u r e  f r o m   b o d y   p r ess u r e  f ea t u r es.   Af ter   th at,   in   th e  clas s i f icatio n   p h as e,   ea ch   d ec is io n   tr ee   class if ies   th e  p o s itio n   o f   th e  ca r e  r ec ip i en t  b y   u s i n g   n e w l y   ac q u ir ed   b o d y   p r ess u r e  f ea t u r es  as  e x p la n ato r y   v ar iab les.  T h e  R F  o u tp u ts   t h e  m o s t  f r e q u en t  id en ti f icat io n   r esu lt  f r o m   t h e  d ec is io n   tr ee s .   I n   th i s   m et h o d ,   b y   p r ed ictin g   th e  ca r e  r ec ip ien t ’ s   p o s t u r e  r elate d   to   g etti n g   o u t   o f   th e  b ed   in   r ea l   tim e,   it  ca n   p r ev en t  b ed s id e  ac cid en ts   b y   d etec tin g   a  s it u atio n   s u ch   as  t h at  a  ca r e  r ec ip ien t   n ee d s   to   g o   to   th e  b ath r o o m   o n   th eir   o w n .     3 . 3 .    P re dict io n o f   g et t ing   o ut  o f   bed us ing   a   hid den  m a r k o v   mo del   B y   m ac h i n e  lear n i n g ,   th e  p o s tu r e  o f   t h e  ca r e  r ec ip ien t  o n   th e  b ed   ca n   b e  esti m ated   i n   r ea l  ti m e.   Ho w e v er ,   o n l y   esti m ati n g   p o s tu r e  b y   m ac h i n e  lear n i n g   ca n n o t  en ab le  to   d ete ct  leav in g   th a t  th e  ca r e  r ec i p ien t  g ets  o u t  o f   t h e  b ed   w ith   a n tec ed en t  p o s tu r e  ch an g es  s u c h   as   f r o m   th e  s u p in e  to   th e  lo n g   s i ttin g ,   f r o m   t h e  lo n g   to   th e  ed g e  s itti n g ,   an d   s o   o n .   I n   ad d itio n ,   to   p r ev en t  th e  ca r e  r ec ip ien t  f r o m   f all in g   o f f   f r o m   th e  b ed   in   tr y i n g   to   g et  o u t   o f   b ed   o n   h is   o w n ,   it   is   n ec ess ar y   f o r   th e  ca r e g iv er   to   h av e  ti m e  to   g o   to   s u p p o r t.  T h er ef o r e,   it is   to o   late  ev en   i f   t h e  s y s te m   d etec ts   j u s t  b ef o r e  th e  ca r e  r ec ip ien t  g et s   o u t  o f   t h e  b ed .   I t  is   n ec es s ar y   to   d etec t  g etti n g   o u t  o f   t h e  b ed   as   ea r ly   as  p o s s ib le.   I n   th is   r esear c h ,   in   o r d er   to   p r ed ict  th e  g ettin g   o u t  o f   th e  b ed   o f   a   ca r e  r ec ip ien t  ea r lier ,   w e  u s e  HM M.   HM M  i s   a  s tatis t ical  m o d el  th at   ass u m es   th a t  m u l ti p le  h id d en   s tates  th at   ca n n o t b e  o b s er v ed   ca u s e  f l u ct u atio n s   in   t h e  o b s er v ed   d at a  o f   ti m e - s er ies d ata.   L et  th e  o b s er v ed   ti m e  s er ies  d ata  at  ti m e  t  b e  O = 1 , 2 , ⋯ , ,   th e  h id d en   s ta te  b e  S = 1 , 2 , ⋯ , ,  an d   th e  HM M  b e  λ .   T h e  f o llo w in g   t h r ee   p ar a m eter s   d e f in e  λ = ( , , ) .   -   Star t p r o b ab ilit y   π =  1 ,  2 , ⋯ , :     is   th e  p r o b a b ilit y   t h at  th e  h id d en   s ta te  is     at  t i m e  t = 1 .   -   T r an s itio n   p r o b ab ilit y   m atr i x   A :  T h e  s q u ar e  m atr i x   o f   th e  p r o b ab ilit y      o f   tr an s itio n   f r o m   h i d d en   s tate   (1 ≤ j ≤ N )   to   h id d en   s tate  (1 ≤ l ≤ i ) .   -   E m is s io n   p r o b ab ilit y   B :  T h e  s et  o f   th e  p r o b ab ilit y   ( )   th at  h id d en   s tate    o u tp u ts   o b s er v ed   v alu e  ( 1 ≤ k ≤ T ) .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  11 ,   No .   2 ,  A p r il 2 0 2 1   :   1 2 0 8   -   1222   1214   T h e  B au m - W elc h   alg o r it h m   i s   ap p lied   to   HM M  f o r   lear n in g   u n k n o w n   p ar a m eter s   f r o m   o b s er v atio n s   an d   th e  V iter b i  alg o r it h m   is   d o n e  f o r   p r ed ictin g   h id d en   s t ate  s eq u e n ce s   f r o m   o b s er v at i o n s   [ 4 2 - 4 4 ] .   I n   th i s   s tu d y ,   th e  o b s e r v ab le  ti m e - s e r ies  d ata  O  ar e  th e  2 1   t y p e s   o f   b o d y   p r es s u r e  f ea t u r es  s h o w n   in   T ab le  1   in   s ec tio n   3 . 2 ,   an d   th e  h id d en   s t ate  S  co r r esp o n d s   to   th e  p o s t u r e  o f   t h e  ca r e  r ec ip ien t.   Ho w e v er ,   th e  m ea n   a n d   v ar ian ce - co v ar ia n ce   m atr i x   o f   ea ch   h id d en   s tate  ar e  ca lcu la t ed   b y   th e  B au m - W elc h   alg o r it h m .   T h er ef o r e,   th e   h i d d en   s t a t e  an d   th e   1 6   p o s tu r es   s h o w n   i n   s e ct i o n   2 . 2   a r e   n o t   in   a   o n e - to - o n e   r e la t i o n s h i p .   Mu l ti p l e   p o s tu r e s   m a y   b e   i n cl u d e d   i n   o n e   h i d d en   s t a te.   I t   i s   d if f ic u l t   f o r   th e   c a r eg i v e r   t o   i n t e r p r e t   th e   m ea n in g   o f   th e   h i d d en   s tate.   Ho w e v er ,   b y   co m p ar i n g   t h e  s eq u en ce   o f   h id d en   s tate s   p r ed icted   b y   t h e  Viter b i  alg o r ith m   w it h   th e   p o s tu r e  lab els  ass ig n ed   b y   r an d o m   f o r est  i n   s ec tio n   3 . 2 ,   it  is   p o s s ib le  to   co n f ir m   th e  p o s t u r es  in cl u d ed   in   ea c h   h id d en   s ta te.   I n   ad d itio n ,   t h e  tr an s it io n   p r o b ab ilit y   to   ea ch   h i d d en   s tate  ca n   b e  ca lc u lated   b y   t h e  b o d y   p r ess u r e  f ea t u r e  b y   u s i n g   B au m - W elc h   alg o r ith m .   I n   th is   m e th o d ,   w h e n   th e  ca r e  r ec ip ien t  r aises   h is   u p p er   b o d y ,   b y   co m p ar i n g   t h e  tr an s itio n   p r o b ab ilit y   to   ea ch   h id d en   s tate  wh en   tr a n s it io n i n g   to   th e  s u p i n e  p o s itio n   ag ain   a n d   th e  tr an s itio n   p r o b ab ilit y   to   g etti n g   o u t  o f   th e  b ed .   I t  is   p o s s ib le  to   p r ed ict  g ettin g   o u t  o f   th e  b ed   b ef o r e   m o v i n g   f r o m   t h e  lo n g   s itti n g   p o s itio n   to   th e  e n d   s itti n g   p o s iti o n .       4.   E XP E R I M E NT   AND  E VA L UATI O N   I t  w a s   v er i f ied   b y   an   in ter v en tio n   ex p er i m en t  w h et h er   th e  p o s tu r e  o f   th e  ca r e  r ec i p ien t  ca n   b e  class i f ied   f r o m   t h e  b o d y   p r e s s u r e  f ea t u r es  m ea s u r ed   b y   t h e  b o d y   p r es s u r e  s en s o r   th r o u g h   t h e  p r o p o s ed   s y s te m .   T h e  d etails  a n d   r esu lt s   o f   t h i s   e x p er i m e n t  ar e  s h o wn   i n   s e ct io n s   4 . 1   an d   4 . 2 ,   r esp ec tiv el y .   Seco n d l y ,   w e  co n d u cted   a n   ex p er i m en t   w i th o u t  i n ter v e n tio n .   T h e  tr an s it io n   p r o b ab ilit y   f o r   ea ch   h id d en   s tate  w a s   ca lcu lated   f r o m   t h e  b o d y   p r es s u r e  f ea t u r es.  I t  w a s   v er if ied   w h et h er   t h e  s i tu atio n s   o f   g etti n g   o u t o f   t h e  b ed   a n d   o th er w is e  ca n   b e  id en tifie d   b y   th e  tr an s itio n   p r o b ab ilit ies  o r   n o t.  I ts   d eta il  an d   r esu lt  ar e  d e s cr ib ed   in   s ec tio n s   4 . 3   an d   4 . 4 ,   r esp ec tiv el y .     4 . 1 .     P urpo s e  a nd   o utline  o f   t he  inte rv ent io n e x peri m e nt   I n   th e  i n ter v en tio n   e x p er i m e n t ,   w e  p er f o r m ed   an   i n te r v e n tio n   i n   w h ich   th e  s u b j ec ts ’   p o s tu r es  o n   t h e   b ed   w as   s p ec i f ied   in   ad v a n c e.   A t   t h at  ti m e,   t h e  b o d y   p r ess u r e  o f   t h e  s u b j ec ts   w a s   m ea s u r ed   b y   a   b o d y   p r ess u r e  s e n s o r .   W e  v er i f ied   w h et h er   th e  b o d y   p r ess u r e  f ea tu r es  s h o w n   in   s ec tio n   3 . 1   ar e  ef f ec tiv e  o r   n o t  f o r   class i f y in g   t h e  p o s tu r es  o f   t h e   1 6   ty p es  o f   ca r e  r ec ip ien ts   o n   th e  b ed   s h o w n   in   s ec tio n   2 . 2 .   T h e  s u b j ec ts   w er e  u n i v er s i t y   s tu d e n ts   an d   g r ad u ate  s tu d en ts   b et w ee n   t h e  ag es   o f   2 2   an d   2 3 .   T h ey   w er e  3   m ales  a n d   2   f e m ale s     ( 5   s u b j ec ts   in   to tal) .   I n   o r d er   to   a c q u ir e  th e  s u b j ec ts   b o d y   p r ess u r e,   w e  i n s tal led   SR   s o f t  v is io n   ( it  is   a  s h ee t - t y p e  p r ess u r e  d is tr ib u tio n   m e asu r i n g   d e v ice  m an u f ac t u r ed   b y   S u m i to m o   R ik o   C o . ,   L td . )   o n   th e  b ed ,   an d   ac q u ir ed   th e  s u b j ec ts ’   b o d y   p r ess u r e  at  e v er y   2 0 0   m s .   T h e  p r ess u r e - s en s iti v e  ra n g e  o f   S R   s o f t  v is io n   is   1800× 700   m m .   T h e  b o d y   p r ess u r e  is   m ea s u r ed   in   t h e  r a n g e  f r o m   1 5   to   1 1 0   m m H g   b y   2 5 × 6 4   s en s o r s   ar r an g ed   at  2 . 8   c m   in ter v al s .   W e  d i v id ed   th e  p r ess u r e - s e n s i tiv e  r an g e  i n to   th r ee   r a n g e s ,   ca lled   as  R a n g e s   1 ,   2 ,   an d   3 .   R an g es  1 - 3   ar e  as s u m e d   to   b e  th e  r an g e  o f   th e  p o s it i o n   o f   t h e  b ac k ,   h ip s ,   an d   le g s ,   r esp ec tiv el y .   Fo r   ev er y   1 0 0 0   m s   an d   R an g e   i ,   w e  ca lc u lated   t h e  av er a g e  ce n ter   o f   g r a v it y ,   av er a g e  v elo c it y   o f   t h e  ce n ter   o f   g r av it y ,   av er ag e  ac ce ler atio n   o f   th e  ce n ter   o f   g r av it y ,   th e  v ar ia n ce - co v ar ian ce   m a tr ix   o f   th e  p o s itio n   o f   th e   ce n ter   o f   g r a v it y .   Fi g u r e  3   s h o w s   t h e  e x p er i m e n tal  en v ir o n m en t  an d   t h e  b o d y   p r ess u r e  a cq u ir ed   d u r in g   t h e   s u p i n e  p o s itio n .           Fig u r e  3 .   E x p er i m en tal  en v ir o n m e n t a n d   b o d y   p r ess u r e  m ea s u r ed   d u r in g   s u p in e  p o s itio n       I n   o r d er   to   a cq u ir e  th e  b o d y   p r ess u r e  in   th e  1 6   p o s itio n s   s h o w n   i n   s ec tio n   2 . 2 ,   th e  s u b j ec ts   p er f o r m ed   t h e  p o s t u r e  ch a n g e s   3   ti m es  ac co r d in g   to   ea c h   o f   p atter n s   1   an d   2   i n   b elo w .   E ac h   p atter n   is   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       E s tima tio n   o f p o s tu r e  a n d   p r e d ictio n   o f th e  el d erly   g ettin g   o u t o f b ed   u s in g   …  ( A ts u s h i H a g ih a r a )   1215   d escr ib ed   b y   s eq u en ce   o f   s ta b le  s tates  an d   tr an s ie n t  s tate s   d en o ted   b y   ar r o w s   b et w ee n   s tab le  o n es.  T h e  s u b j ec t  s ta y ed   in   ea ch   s tab le  s tate  f o r   1 0   s ec o n d s   a n d   ch a n g ed   h i s   o r   h er   p o s t u r e  to   t h e  n e x t  p o s t u r e.   I n   a   g en er al  h o s p ital,  th e  le f t  o r   r ig h t  s id e  o f   t h e  b ed   is   clo s ed   b y   a  w all.   T h u s ,   th e  s id e  f o r   ed g e  s itti n g   p o s itio n   i s   li m ited   to   th e  r i g h t sid e  f r o m   t h e  v ie w p o i n t o f   t h e  s u b j ec t.     P atte r n   1 :  s u p in e  p o s itio n → r ig h t  later al  p o s itio n → p r o n e  p o s i tio n →r i g h t  later al  p o s itio n → s u p i n e   p o s itio n →lo n g   s itti n g   p o s itio n → ed g e  s itt in g   p o s itio n .     P atter n   2 :  s u p i n e  p o s itio n →lef t  l ater al  p o s itio n →p r o n e  p o s itio n →le f t  later al  p o s itio n → s u p i n e  pos itio n →lo n g   s itti n g   p o s itio n → ed g e  s itt in g   p o s itio n .   W e  ca n   ac q u ir e  t h e  b o d y   p r e s s u r e  o f   al l  1 6   p o s tu r es  s h o w n   i n   s ec tio n   2 . 2   b y   t h e  s u b j ec ts ’   tu r n i n g   o v er   w ith   p atter n s   1   a n d   2 .   B ef o r e  th e  e x p er i m e n t,  t h e  s u b j ec ts   p r ac ticed   tu r n in g   o v er   w i th   p atter n s   1   an d   2 .   I n   ad d itio n ,   d u r in g   t h e  s u b j ec ts ’   t u r n in g   o v er ,   w e  in s tr u cted   th e  s u b j ec ts   th e  n e x t  p o s t u r e  af ter   1 0   s ec o n d s   a t   ea ch   s tab le  s tate  f o r   en ab li n g   n atu r al  m o v e m e n t.     4 . 2 .     C la s s if ica t io n   re s ults  o f   t he  po s t ure  o f   ca re   re cipients by   m a chi ne  lea rning   I n   th e  i n ter v e n tio n   ex p er i m en t,  a  class i f ier   w as  co n s tr u cted   u s i n g   r a n d o m   f o r est,  w h ic h   is   o n e  o f   s u p er v i s ed   lear n in g .   Fo r   co m p ar is o n   o f   th e  clas s i f icatio n   r esu lt s ,   a  class i f ier   u s in g   s u p p o r t  v ec to r   m ac h in e   ( SVM)   w as  al s o   co n s tr u cted .   As  t h e  SVM  p ar a m e ter s ,   t h o s e  w it h   o p ti m al  r es u lt s   w er e  s elec ted   w it h i n   t h e   r an g e  o f   ( 0   ≦   C  ≦   3 0 0 ,   0 . 0 0 0 0 1   ≦   g a m m a  ≦   1 )   [ 4 5 ] .   Gen er al  class i f icatio n   r esu lts   w er e  c alcu lated   b y   5 - f o ld   cr o s s   v alid atio n .   I n   th i s   r esear ch ,   w e  d o   n o t  co n s id er   th e  p o s tu r e  o f   th e  s u b j ec ts   b ef o r e  g o in g   to   b ed   b ec au s e  o u r   p u r p o s e  is   to   p r ed ict  th e  g ettin g   o u t  o f   t h e  b ed   o f   th e  ca r e  r ec ip ien t.   A cc o r d in g   to   d o cto r s '   o p in io n s ,   m o s t   ca r e  r ec ip ien ts   s leep   in   th e   s u p in e  p o s itio n   in   b ed .   T h er ef o r e,   th e  d ata  s ec tio n   u s ed   f o r   cl ass i f y in g   a  s u b j ec t's   p o s tu r e  w as  f r o m   a  f e w   s ec o n d s   af ter   th e  s u b j ec t  s tar ted   t h e  s u p i n e  p o s itio n   o n   th e  b ed   u n til  th e  s u b j ec t  co m p lete l y   g o t  o u t  o f   th e  b ed .   T h e  ex p lan ato r y   v ar iab les  w e r e  th e  2 1   t y p es  o f   b o d y   p r ess u r e  f ea t u r es  s h o w n   in   s ec tio n   3 . 1 ,   an d   th e  o b j ec ti v e  v ar iab les  w er e  t h e   1 6   t y p es   o f   p o s tu r es  s h o w n   in   s ec tio n   2 . 2 .   T a b le  2   s h o w s   th e  R F c o n f u s io n   m atr ix .   T ab le  3   s h o w s   th e  r es u lt s   o f   R F a n d   SVM  class i f icatio n .       T ab el  2 .   C o n f u s io n   m atr i x   o f   R F   P r e d i c t e d   c l a ss       Su p i n e   S t o R   Ri g h y   R t o S   S t o L   Le f t   Lt o S   R t o P   P r o n e   P t o R   Lt o P   P r o L   S t o L o n g   Lo n g S i t t i n g   Lo n g   t o   E d g e   Ed g e S i t t i n g   Tr u e   V a l u e   Su p i n e   1 7 8   0   0   1   0   0   3   0   0   0   0   0   0   0   0   0   S t o R   1   14   3   0   2   0   1   2   1   0   0   0   1   0   0   0   R i g h y   0   1   74   1   0   0   0   0   1   0   0   0   0   0   0   0   R t o S   4   0   1   10   2   0   0   1   0   4   2   0   1   0   0   0   S t o L   0   1   0   0   10   3   1   0   0   1   4   2   1   0   0   0   L e f t   0   0   0   0   0   61   1   0   1   0   0   1   0   0   0   0   L t o S   3   1   0   1   2   1   15   0   1   0   0   3   0   0   0   0   R t o P   0   2   1   0   0   0   0   13   1   3   0   0   1   0   2   0   P r o n e   1   0   1   0   0   0   0   0   68   0   0   0   0   0   0   0   P t o R   0   1   4   2   0   0   1   3   0   12   0   0   1   0   1   0   L t o P   0   1   0   0   2   2   0   0   1   1   11   4   2   0   0   0   P r o L   0   0   1   0   3   2   2   1   1   0   5   12   1   0   0   0   S t o L o n g   3   0   0   1   0   0   0   0   0   0   0   0   14   0   5   0   L o n g S i t t i n g   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   3   25   2   0   L o n g   t o Ed g e   0   1   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   5   0   28   2   Ed g e S i t t i n g   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   3   27       T h e  m ac r o   av er ag e  in   T ab le  3   is   t h e  a v er ag e  o f   t h e  p r ec is io n ,   r ec all,   an d   F - v al u e  a m o n g   all  clas s es.   T h e  w eig h ted   av er a g e  is   t h e  w ei g h ted   av er ag e  o f   p r ec is io n ,   r ec all,   an d   F - v al u e s   a m o n g   all  class e s   w it h   th e   w ei g h ts   ac co r d in g   to   th e  r atio   o f   th e  n u m b er   o f   d ata  f o r   ea ch   class .   T h e  ac cu r ac y   i s   an   i n d ex   i n d icatin g   t h e   r ate  o f   tr u e  class if ica tio n .   T h er ef o r e ,   r ec all  an d   p r ec is io n   ar e  n o t c o n s id er ed .   Fro m   th e  co n f u s io n   m atr i x ,   it  w as  p o s s ib le  to   class if y   a ll  s tab le  s tates  w it h   h i g h   ac cu r ac y   b y   esti m ati n g   t h e  p o s tu r e  o f   t h e  ca r e  r ec ip ien t  u s i n g   2 1   t y p es  o f   b o d y   p r ess u r e  f ea tu r es  a s   ex p lan ato r y   v ar iab le s .   T h er e  w er e  m a n y   m i s clas s if ic atio n s   i n   t h e  tr an s ien t  s tate,   es p ec iall y   i n   th e  p r o n e  p o s itio n .   I n   ad d itio n ,   it  w as   p o s s ib le  to   class if y   t h e  b o d y   p o s itio n   f r o m   t h e  s u p i n e  p o s itio n   to   th e  lo n g   s it tin g   p o s i tio n   i n   t h e  p atter s ,   r elate d   to   leav in g   t h e  b ed ,   w it h   h i g h   ac cu r ac y .   E s ti m a tio n   o f   t h e  p o s tu r e  o f   t h e  s u b j ec ts   u s i n g   b o d y   p r ess u r e  f ea tu r es  w a s   b etter   ac cu r ac y   th a n   t h at   u s i n g   w it h   R F  t h a n   w it h   SV M.   Fro m   t h e  R F  r es u lt s ,   T h e  F - v al u e  w as   ab o u t  0 . 7 2   in   t h e   m ac r o   av er a g e  an d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  11 ,   No .   2 ,  A p r il 2 0 2 1   :   1 2 0 8   -   1222   1216   ab o u t  0 . 8 1   in   th e  w ei g h ted   a v er ag e.   A cc u r ac y   o f   R F  is   0 . 8 1 3 ,   w h ic h   i s   a  h i g h er   r esu lt  th a n   th e  co r r ec t  an s w er   r ate  o f   0 . 0 6 2 5   in   th e  ca s e  o f   r an d o m   cla s s i f icatio n .   T h ese   r esu lt s   i n d icate   t h at  2 1   t y p e s   o f   b o d y   p r es s u r e   f ea t u r es a r e  u s e f u l f o r   clas s i f ic atio n   in   e s ti m ati n g   1 6   t y p es o f   p o s tu r es.       T ab le  3 .   C lass if icatio n   r es u lt b y   R F a n d   SVM ,   ( a)   R F,  ( b )   S VM   ( C =2 4 0 ,   Gam m a= 0 . 0 0 0 1 )     ( a )   RF     ( b )   S V M   ( C = 2 4 0 ,   G a mm a = 0 . 0 0 0 1 )   A c c u r a c y   0 . 8 1 3     0 . 7 2 3     P r e c i si o n   R e c a l l   F - v a l u e     P r e c i si o n   R e c a l l   F - v a l u e   M a c r o   a v e r a g e   0 . 7 2 2   0 . 6 9   0 . 7 2 2     0 . 5 9 4   0 . 5 6 6   0 . 5 7 4   W e i g h t e d   a v e r a g e   0 . 8 1 2   0 . 8 1 3   0 . 8 0 6     0 . 7 0 9   0 . 7 2 3   0 . 7 1 2       4 . 3 .     P urpo s e  a nd   o utline  o f   t he  ex peri m ent   w it ho ut  inte rv ent io n   I n   th e  e x p er i m e n t  w i th o u t  i n ter v en t io n ,   t h e  s u b j ec ts   f r ee l y   ch a n g ed   th eir   p o s itio n s   f o r   a  ce r tain   p er io d ,   an d   th e  b o d y   p r ess u r e   o f   th e  s u b j ec ts   at  th at  ti m e  w as  m ea s u r ed   b y   t h e  b o d y   p r ess u r e  s e n s o r .   I n   th i s   ex p er i m e n t,  w e  v er i f ied   t h at  t h e  b o d y   p r ess u r e  f ea tu r e s   s h o w n   i n   s ec tio n   2 . 2   ca n   p r ed ict  w h et h er   th e  s u b j ec ts   w il l  g et  o u t  o f   t h e  b ed   o r   n o t.  T h e  s u b j ec ts   w er e  u n i v er s it y   s tu d e n ts   an d   g r ad u ate  s t u d en t s   b et w ee n   th e  ag e s   o f   2 0   an d   2 3 ,   w i th   a   to tal  o f   5   m ales  a n d   4   f e m ale s .   T h e  u s ed   b o d y   p r ess u r e  s e n s o r ,   th e  e x p er i m e n tal  en v ir o n m e n t,  a n d   th e  m et h o d   o f   ca lcu lat in g   b o d y   p r ess u r e  f ea tu r e s   ar e  th e  s a m e  as  d escr i b ed   in   s ec tio n   4 . 1 .   E ac h   o f   t h e  s u b j ec t s   f o llo w ed   th e  in s tr u c tio n s   o f   p atter n s   3   an d   4   s h o w n   i n   b elo w .   As  a  r esu lt,  w e  m ea s u r ed   th e  b o d y   p r es s u r e  w h e n   th e  s u b j ec t  g o t  o u t  o f   th e  b ed   an d   th e  b o d y   p r ess u r e  w h e n   t h e  s u b ject  d id   n o t  d o .   T h e   s u b j ec t p er f o r m ed   p atter n   4   s u cc ess i v el y   a f ter   p atter n   3 .     P atter n   3 :  T h e  Su b j ec t  f r ee l y   ch an g es  h is / h er   p o s tu r e  f o r   5   m i n u tes  f r o m   t h e  s tar t  o f   t h e  ex p er i m e n t.  Af ter   t h is   5   m i n u tes,  h e/s h e  r aise s   t h e  u p p er   b o d y   o n ce   o n   th e  b ed   an d   c h an g es  to   s u p i n e ,  le f t  later al,   r ig h t la ter al,   o r   p r o n e  p o s itio n .     P atter n   4 :  T h e  s u b j ec t  f r ee l y   ch an g es   h i s / h er   p o s tu r e  f o r   5   m i n u te s .   Af ter   t h is   5   m i n u tes,   h e/s h e  r ai s es   th e  u p p er   b o d y   o n   b ed   an d   g et   o u t o f   th e  b ed .   I n   p p atter n   3 ,   w e  a s s u m ed   a  s itu atio n   in   w h ic h   th e  ca r e  r ec i p ien t  g et s   u p   to   d r in k   w ater   o r   b lo w   h is   n o s e  o n   t h e  b ed   an d   r etu r n   to   s leep in g .   I n   ad v an ce ,   t h e  s u b j ec t  w as  i n s tr u cted   to   i m ag i n e  s u c h   a  s ce n e  a n d   r aise  h i s / h er   u p p er   b o d y   w h e n   p er f o r m in g   p atter n   3 .   I n   p at ter n   4 ,   w e  a s s u m ed   a  s i tu atio n   i n   w h ic h   t h e  ca r e   r ec ip ien t  r aises   h i s   u p p er   b o d y   f o r   th e  p u r p o s e  o f   lea v i n g   t h e  b ed .   As  a  r es u lt,  it  is   p o s s ib le  to   ac q u ir e  th e   b o d y   p r ess u r e  w h e n   th e  s u b j ec t  g ets  o u t  o f   t h e  b ed   an d   w h en   th e  s u b j ec t  ch a n g e s   h i s / h er   p o s tu r e  to   s u p in e ,  lef t  later al,   r i g h t  later al,   o r   p r o n e  p o s itio n .   Fo r   later   an al y s i s ,   th e  h u m an   b o d y   w a s   la b eled   m a n u all y   to   d eter m in e  t h e  p o s tu r e  o f   t h e  s u b j ec t.     4 . 4 .     Ca lcula t io n  a nd   co m pa riso n   t ra ns it io n pro ba bil it ies f o r  ea ch  hid den  s t a t e   I n   th e  ex p er i m e n t  w ith o u t  in te r v en tio n ,   th e  tr an s it io n   p r o b ab ilit y   to   ea ch   h id d en   s tate  w a s   ca lcu lated   f r o m   t h e  b o d y   p r ess u r e  f ea t u r es  w h e n   t h e  s u b j ec t  g ets  o u t  o f   t h e  b ed   an d   w h e n   t h e  s u b j ec t  d o es  n o t  g et  o u t  o f   th e  b ed   u s i n g   th e   HM M.   T h e  d ata  s ec tio n   u s ed   to   ca lcu late  t h e  tr a n s itio n   p r o b ab ilit y   to   ea ch   h id d en   s tate  w a s   f r o m   t h e  s u b j ec t's   s u p i n e  p o s i tio n   to   t h e  e n d   o f   h i s   u p p er   b o d y   ( lo n g   s itt in g   p o s itio n ) .   I n   th i s   r esear c h ,   th e   lo n g   s itti n g   p o s itio n   is   t h e  s tat e  in   w h ic h   t h e  s u b j ec t r aises   th e  u p p er   b o d y   n ea r   th e  ce n ter   o f   th e  b ed .     W h en   ap p l y in g   to   HM M,   t h e  t i m e  s er ies  d ata   th at   ca n   b e  o b s er v ed   ar e  th e   2 1   t y p es   o f   b o d y   p r ess u r e   f ea t u r es  s h o w n   in   s ec tio n   3 . 1 .   E ac h   v ar iab le  o f   th e  b o d y   p r ess u r e  f ea tu r e s   h as  a  d if f er en t  u n it  an d   s ize.   T h er ef o r e,   th e  av er ag e  v a lu e  o f   th e  b o d y   p r ess u r e  f ea t u r es   w as  n o r m al ized .   T h e  n o r m al ized   b o d y   p r ess u r e   f e a t u r e s   w e r e   a p p l i e d   t o   t h e   B a u m - W e l c h   a l g o r i t h m   o f   H M M .   T h e   B a u m - W e l c h   a l g o r i t h m   w a s   u s e d   t o   c a l c u l a t e   t h e   H M M   p a r am e t e r s   s h o w n   i n   s e c t i o n   3 . 3   f o r   t h e   n u m b e r   o f   h i d d e n   s t a t e s   f r o m   3   t o   7 .   F i g u r e s   4   an d   5   s h o w s   th e   s tate  tr an s itio n   d iag r a m s   a n d   th e  tr an s i tio n   p r o b ab ilit ies  f o r   p atter n   3   an d   p atter n   4.   I n   ad d itio n ,   w e  u s ed   th e   p ar am eter s   o f   th e  HM M  ca lcu lated   b y   t h e  B au m - W elch   alg o r ith m   f o r   ap p ly i n g   th e  V iter b i  alg o r ith m   to   co n f ir m   th e  p o s it io n s   i n cl u d ed   i n   ea ch   o f   t h e  h id d en   s tate.   A cc o r d in g   to   th e  s tate  tr an s i ti o n   d iag r a m s ,   w h en   t h e  n u m b e r   o f   h id d en   s tates  is   4 ,   th e  p r o b ab ilit y   o f   s ta y i n g   in   t h e  h id d en   s tate  3   i n   p atter n s   3   is   h i g h er   t h an   th a t  in   t h e  h id d en   s tate  3   in   p atte r n s   4   m o r e  th a n   0 . 1   ( s ee   th e  p r o b ab ilit y   w i th   r ed   co lo r   in   ( a)   an d   ( b )   o f   Fig u r e  4 .   T h e  p o s tu r es  th at  w er e  in c l u d ed   in   th e  h id d en   s tate  3   w er e  f r o m   s u p in e  to   lo n g   s it tin g   ( Sto L o n g ) ,   lo n g   s it ti n g   ( L o n g Sit ti n g ) ,   an d   f r o m   s u p in e  to   r ig h t  later al   p o s itio n   ( Sto R ) .   Si m ilar l y ,   w h en   t h e  n u m b er   o f   h id d en   s ta tes  w a s   5 ,   th er e  w as  a  d if f er e n ce   m o r e  th an   0 . 1   b et w ee n   th e  p r o b ab ilit ies  o f   s ta y i n g i n   th e  h id d en   s tate  2   in   p att e r n s   3   an d   th at  in   p atter n s   4   ( s ee   th e  p r o b a b ilit y   w ith   r ed   co lo r   in   ( a)   an d   ( b )   o f   Fig u r e  5 ) .   T h e  p o s tu r es  th a t  w er e  in cl u d ed   in   h id d en   s tate  2   w er e   f r o m   s u p in e  to   lo n g   s i tti n g   ( Sto L o n g ) ,   lo n g   s itti n g   ( L o n g Sit ti n g ) ,   an d   s u p i n e  ( Su p i n e) .   C o m p ar is o n   o f   th e   tr an s itio n   p r o b ab ilit ies  s h o w e d   th at  t h e  tr an s itio n   p r o b ab ilit ies  f r o m   a  h id d en   s tate  d if f er   b et w ee n   w h en   th e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       E s tima tio n   o f p o s tu r e  a n d   p r e d ictio n   o f th e  el d erly   g ettin g   o u t o f b ed   u s in g   …  ( A ts u s h i H a g ih a r a )   1217   s u b j ec t  g ets  o u t  o f   t h e  b ed   an d   w h en   h e /s h e  d o es  n o t.  T h e  in clu d in g   p o s itio n s   o f   t h e  h id d en   s tate  w as   co n f ir m ed   b ased   o n   th e  lab el  g iv e n   b y   h u m a n s .   I t  w a s   f o u n d   th at  w h en   t h e  n u m b er   o f   s ta t es  w er e  4   an d   5 ,   th e   s tate  w it h   a  lar g e  d if f er en ce   i n   t h e  p r o b ab ilit ies  co r r esp o n d ed   to   th e  s tate  i n   w h ic h   th e  s u b j ec t  w as  tr y i n g   to   r aise h is   u p p er   b o d y .   Fro m   th e  n e w   o b s er v atio n s   o b tain ed   f r o m   t h e  p o s tu r e  c h an g e  o f   t h e  ca r e  r ec ip ien t  o n   t h e  b ed ,   it  is   p o s s ib le  to   p r ed ict  w h et h er   to   g et  o u t  o f   t h e  b ed   o r   r etu r n   t o   th e  s u p i n e  p o s itio n   b y   u s i n g   th e  s tate  tr a n s i tio n   d iag r a m   an d   t h e  Viter b i  alg o r i th m .   T h e  Viter b i  alg o r it h m   e x tr ac ts   an   o p ti m al  s tate  tr an s iti o n   p ath   r ea ch i n g   to   th e  s ta te  co r r esp o n d in g   to   Sto L o n g   a n d   its   p r o b ab ilit y   f o r   th e  n e w   o b s er v at io n s .   T h e  s ta te  tr an s itio n   d iag r a m s   ca lcu lated   f r o m   ea c h   o f   p atter n s   3   a n d   4   h a v e  a  d if f er en ce   i n   tr an s itio n   p r o b ab ilit ies.  T h u s ,   th e  p r o b ab ilit ies   o n   th e  o p ti m al  p ath s   ar e  d if f er en t  b et w ee n   p atter n s   3   a n d   4 .   I n   ca s e  o f   th e  p r o b ab ilit y   o n   t h e  o p ti m al  p at h   f o r   p atter n   3   is   lar g er   th an   th at  f o r   p atter n   4 ,   w e  ca n   p r ed ict  th at  th e  ca r e  r ec ip ien t  w il l  s ta y   o n   th e  b ed .   Oth er w i s e,   w e  ca n   p r ed ict  th at   h e/s h e  w ill  g et  o u t o f   t h e  b ed .         ( a)     ( b )     F ig u r e  4 .   T h e  s tate  tr an s itio n   d iag r a m s   f o r   4   h id d en   s ta tes ,   ( a)   p atter n   3 ,   ( b )   p atter n   4         ( a)     ( b )     F ig u r e  5 .  T h e  s tate  tr an s itio n   d iag r a m s   f o r   5   h id d en   s ta tes ,   ( a)   p atter n   3 ,   ( b )   p atter n   4       4 . 5 .    P o s it io n  esti m a t io n i n e x per i m e nt  w it ho ut  inte rv ent io n   I n   th e  ex p er i m e n t  w ith o u t  in t er v en tio n ,   in   o r d er   to   c o n f ir m   w h et h er   th e  p o s tu r e  co u ld   b e   esti m ate d   b y   m ac h i n e  l ea r n i n g ,   w e   u s ed   th e  2 1   t y p e s   o f   b o d y   p r e s s u r e  f ea t u r es   o b tain ed   b y   p atter n s   3   a n d   4   as   ex p lan ato r y   v ar iab les  to   cla s s if y   th e   p o s tu r e  o f   th e  s u b j ec ts .   I n   t h e  ex p er i m en t  w it h o u t  i n ter v e n tio n ,   w e  d o   n o t  o b s er v e  t h e  ch a n g e  o f   p o s tu r e  f r o m   t h e  r ig h t  later al  p o s i tio n   to   th e   p r o n e  p o s itio n   ( R t o P ) .   T h er ef o r e,   th e  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.