La vigilance en conduite automobile réelle
Analyse pseudo-quantitative des signaux physiologiques et cinématiques
p. 265-275
Résumés
Cet article présente les résultats et l’intérêt de l’analyse dite « pseudo-quantitative » de l’EEG dans l’évaluation des périodes d’hypovigilance des conducteurs de véhicules légers : traitement quantitatif de données expérimentales contrôlé par l’examen visuel des activités EEG. « L’effet de décélération spontanée » du véhicule au cours du trajet a été nouvellement introduit.
Our paper describes the results and the interest of analysis called « pseudo-quantitative » of EEG activities applied to vigilance drivers impairment. Spontaneous deceleration effect of vehicle has been newly introduced.
We have firstly analyzed the EEG activities and some car indicators. We have secondly presented an example which illustrates what we call « frequency shift effect » in alpha band. Finally, we have presented an evolution’example of theta band global energy and spontaneous vehicle speed variations (DV< 0). Sometimes, a delay effect has been observed between these two indicators.
Remerciements
This work was performed under contract from Commission of the European Communities – R & D Programme Telematics Systems in the Area of Transport (DRIVE II). Drive-Deter Project V2009.
Texte intégral
I – Position du problème
1. Contrôle de la vigilance des conducteurs
1La détection des baisses de vigilance en situation réelle de conduite occupe actuellement une place stratégique (prévention et réduction du taux d’accidents mortels de la route).
2Il n’existe pas, à l’heure actuelle, de système permettant la détection précoce ni la prédiction simultanée des baisses de vigilance. La progression de la technologie des capteurs et des outils hybrides de traitement de données pourrait donner aux expériences futures sur la vigilance un nouvel essor. Ce domaine de recherche, encore rempli d’inconnues, pâtit de l’insuffisance des connaissances. Il est incontestablement l’une des pierres angulaires de la sécurité des usagers de la route (véhicules légers et poids lourds).
3Les troubles de la vigilance chez les conducteurs (de véhicules légers) sains ne sont actuellement connus que par les accidents qu’ils causent. Devant la stagnation des progrès dans ce domaine depuis quelques années (depuis 1985), des objectifs et une approche renouvelée s’imposent aujourd’hui, d’où la nécessité d’élaborer des approches physiologique et mécanique capables d’évaluer précisément les niveaux de vigilance du conducteur en interaction avec l’environnement extérieur (trafic, infrastructure...).
4Le problème central est actuellement bien identifié, il réside dans :
le choix du (ou des) bon(s) paramètre(s) susceptible(s) de donner une évaluation précoce des fluctuations de la vigilance en conduite automobile et de s’intégrer dans un système « intelligent » permettant d’étudier quasi-directement les signaux ;
le choix de la méthode qui pourrait s’intégrer dans un système hybride d’acquisition et d’analyse des périodes d’hypovigilance (une comparaison entre les techniques analogiques, numériques et hybrides est primordiale).
5Sur un mode interrogatif, les problèmes apparaissent au niveau :
de l’acquisition des données,
des concepts théoriques,
des réalisations pratiques,
de l’utilisation des résultats,
et de leur justification.
II – Objectif de la recherche : reconnaissance des états d’hypovigilance, alerte
6L’objectif de notre recherche en matière de vigilance des conducteurs de véhicules légers s’articule autour de quatre axes :
chercher les meilleurs paramètres physiologiques susceptibles de donner une évaluation précoce des niveaux de vigilance ;
analyser les paramètres mécaniques liés au véhicule, qui traduisent une bonne représentation de l’état du conducteur ;
chercher le meilleur modèle cinématique capable de donner un diagnostic du comportement du conducteur ;
proposer un système d’alerte adéquat.
III – Introduction
7Les contrôles de la vigilance basés sur l’enregistrement des activités électroencéphalographiques connues depuis de nombreuses années connaissent actuellement un regain d’intérêt. Le développement technologique et l’évolution des méthodes de traitement sont capables d’apporter des informations rapides, riches et utiles. Une des difficultés du contrôle des épisodes de baisses de vigilance de jour par enregistrement portatif (couramment utilisé), réside dans la méthode d’analyse.
8L’objectivation des niveaux de vigilance est central. Pour ce faire, nous disposons de signaux électrophysiologiques multiples, en particulier l’EEG ; malheureusement, ces signaux de faibles niveaux (10 à 200 mV) ne sont qu’un pâle reflet de la synchronisation de quelques milliers (ou millions) de neurones, plus ou moins profondément enfouis dans des structures complexes et non isotropes (1) ; d’autre part, ils sont prélevés à l’aide de capteurs plus ou moins fiables (résistances ohmiques variables entre 3 et 50 kW au cours de l’enregistrement : elles sont difficilement contrôlables lors des expérimentations en situation réelle de conduite). Ces signaux aléatoires, de répartition plus ou moins gaussienne en amplitude et rarement stationnaires, ont été souvent interprétés par analyse visuelle (lourde, lente, perte considérable d’informations et rapport « coût-efficacité » faible) ou par analyse quantitative automatisée (parfois brutale et de résolution moyenne). L’avenir serait donc l’analyse pseudo-quantitative automatisée. C’est pourquoi nous allons discuter, à la lumière de certains résultats, l’intérêt de notre méthode.
IV – Matériels et méthodes
9Treize sujets volontaires sains (sans antécédent psychopathologique), âgés de 20 à 50 ans, ont participé à cette étude. Chaque sujet a effectué un trajet autoroutier de six heures. Un observateur à l’arrière du véhicule accompagne les sujets. Il est chargé du bon déroulement des essais et de la sécurité des sujets.
10Les EEG (Cz, Fz, 01, 02, T5, T6) (2), la vitesse du véhicule et les mouvements du volant sont enregistrés d’une manière synchrone à l’aide d’un système d’acquisition embarqué de l’INRETS-LEN (3). Les enregistrements EEG1 sont soumis à une analyse quantitative et à un examen visuel. Les signaux relatifs aux mouvements du volant et à la vitesse du véhicule sont traités avec des méthodes classiques (4, 5). Les logiciels de traitement ont été développés à l’INRETS-LEN.
11L’analyse de l’EEG s’effectue sur des fenêtres glissantes variables (de quinze à une seconde(s) en fonction de l’information recherchée), par bande fréquentielle et par pas à l’intérieur d’une bande donnée. Evidemment, le compromis sensibilité/résolution a été respecté. Les spectres d’énergie (6) ainsi que les énergies globales des bandes relatives à chaque fenêtre ont été calculés. Par conséquent, les évolutions des taux énergétiques (par rapport à l’énergie totale) des différentes bandes fréquentielles sont relativement bien déterminées. Naturellement, une étude préalable de l’évolution temporelle des signaux a été réalisée. Dans le cadre de cette contribution, nous n’évoquerons aucun aspect lié aux spectres d’interaction inter-bandes qui mériteraient d’être clairement explicités dans l’avenir par le biais de la voie expérimentale.
V – Résultats
12L’analyse des indices thêta (4-7 Hz) et alpha (8-12 Hz) montre que les sujets présentent majoritairement des pics d’hypovigilance plus ou moins importants durant les parcours autoroutiers. Ces 2 indices se révèlent complémentaires dans l’estimation des périodes d’hypovigilance des sujets-conducteurs en situation réelle de conduite. Les paramètres neurophysiologiques jugés les plus prometteurs dans l’étude pseudo-quantitative de ces périodes sont l’analyse conjointe du rapport énergétique de thêta par rapport à alpha, et l’analyse de la fréquence d’apparition des bouffées alpha. La durée de chaque bouffée alpha se révèle, dans un certain nombre de cas, porteuse d’une information complémentaire à l’analyse citée ci-dessus.
13Dans la suite de cet exposé, quelques exemples (rigoureusement bien choisis) sont examinés afin de montrer la simplicité et l’efficacité optimale de notre approche. Une étude statistique (bien élargie) pourrait être une extension utile du présent travail.
14Nous avons présenté (figure 1) un exemple qui illustre ce que nous appelons « effet de glissement fréquentiel » au sein de la bande alpha (subdivision en trois bandes). Pour cela, nous avons calculé l’énergie globale par sous-bande alpha (al [8- 9.5 Hz] ; a2 [9.5-10.5 Hz] ; a3 [10.5-11.5] dans une tranche horaire de 37’ à 75’ lors d’un trajet purement autoroutier. Le choix du pas de 1 Hz est tout à fait arbitraire (une analyse par pas inférieur à un pourrait être également envisagée).
15La figure 1 montre que l’énergie de la sous-bande 3 prédomine par rapport aux deux autres. Ce résultat, issu de l’analyse des sous-bandes alpha, est en accord avec l’étude polygraphique de Garma (7). L’examen visuel de cette même tranche horaire présente des apparitions soutenues de bouffées d’ondes alpha très intenses et qui durent dans le temps (hypovigilance certaine).
16La question demeure de comprendre pourquoi cette sous-bande est favorisée par rapport aux deux autres.
17Cette analyse objective permet donc de montrer l’intérêt de l’étude des bandes larges en sous-bandes afin d’affiner la recherche de l’information concernant l’hypovigilance des sujets. Elle pourrait être élargie pour toutes les bandes fréquentielles génératrices d’une information neurophysiologique relative aux baisses de vigilance des conducteurs. Outre l’efficacité de cet examen, cette technique pourrait être également un support de contrôle des méthodes purement visuelles existant dans plusieurs laboratoires. Dans le cadre de cette recherche, nous n’avons pas encore examiné l’évolution « temps-fréquence » de ce phénomène de glissement chez une population de conducteurs.
18La figure 2 montre l’émergence des pics thêta/alpha (rapport énergétique) au voisinage de la 70e, de la 77e et de la 162e : minute du trajet (par rapport au niveau de base moyen). Ces pics sont révélateurs d’une vigilance dégradée du conducteur. On peut remarquer sur la même figure deux situations moins prononcées que dans le cas précédent. Elles se matérialisent par l’apparition de quelques pics aux alentours de la 175ème et de la 183ème minute du trajet. Nous pensons qu’une grande fréquence d’apparition (nombre) de ces pics – moyennement intenses – pourrait s’interpréter comme une sévère hypovigilance. Cette déduction pourrait se confirmer ou non via les batteries d’évaluation des activités comportementales qui existent dans la littérature. Par contre, l’estimation des niveaux moyens de vigilance des sujets-conducteurs se pose en absence de prédominances énergétiques de la bande thêta par rapport à alpha. Dans ce cas de figure, l’examen visuel appuyé sur un calcul élémentaire est indispensable ; c’est le cas de la figure 3 par exemple.
19Elle présente le cas typique décrit ci-dessus. Il s’agit d’un signal EEG expérimental (brut) n’ayant subit aucun traitement numérique. On assiste à l’apparition de bouffées d’ondes alpha assez fréquentes et de durées variables. Nous ne discuterons pas la problématique du seuil relatif à la durée de l’alpha, à partir duquel cette apparition devient synonyme d’hypovigilance caractérisée. Naturellement, cette forte activité pourrait être interprétée par ce qu’on appelle « effet de relaxation » du sujet (appellation introduite par Mulholland (8), par Kamiya (9) et revue récemment par E. Vernet-Maury du laboratoire de Physiologie neurosensorielle (Lyon I) lors de son analyse des paramètres neurovégétatifs). Lors d’un trajet, cette relaxation (par sa durée et par sa fréquence) pourrait être aussi dangereuse qu’un assoupissement profond au volant. L’interférence entre cet état de relaxation du conducteur et son environnement (état du trafic, conditions climatiques, type de parcours...) peut dramatiquement perturber la sécurité du conducteur et celle des usagers. C’est un état où les mécanismes centraux sont plus ou moins ralentis vis-à-vis de l’anticipation des difficultés.
20La question posée actuellement est la suivante : une faible relaxation physiologique suffirait-elle, à elle seule, à être le signe précurseur d’une baisse de vigilance ?
21Cette question est centrale, car tous ceux qui cherchent à réaliser et/ou valider un système embarqué de diagnostic en temps réel de la vigilance des conducteurs, basé sur un ou plusieurs paramètre(s) physiologique(s), devraient avant tout résoudre le problème de la détection précoce des manifestations SNA et/ou SNC révélatrices des premiers stades de l’assoupissement.
22La figure 4 ci-après présente un exemple de l’évolution de l’énergie globale de la bande thêta et les variations spontanées de la vitesse du véhicule (dV < 0) en deux périodes (la synchronisation des signaux est respectée). C’est ce que nous appelons « effet de décélération spontanée » du véhicule. Il est clair que cette décélération, à partir d’une vitesse moyenne de 130 km/h environ, est accompagnée d’une activité physiologique importante (pics de la figure 4). Les variations spontanées de la vitesse (18 à 11 km/h) ne sont pas dans les mêmes rapports que les intensités des pics thêta. Nous ignorons actuellement la loi du comportement de ces pics par rapport aux décélérations spontanées. Parfois, un faible déphasage a été observé entre l’apparition de ces pics et les décélérations. Cette analyse mérite d’être complétée et soutenue par des calculs statistiques. Elle pourrait être utile et d’un grand intérêt dans le diagnostic des épisodes d’hypovigilance des conducteurs de poids lourds qui pose actuellement un grand problème de sécurité routière en France et à l’étranger.
VI – Conclusion
23À travers des exemples concrets, cette étude a permis de montrer :
l’intérêt de la méthode pseudo-quantitative appliquée aux traitements des signaux électrophysiologiques et cinématiques : approche quantitative appuyée par un examen visuel ;
la nécessité de subdiviser les bandes fréquentielles EEG génératrices d’une batterie d’informations sur l’hypovigilance corticale des conducteurs ;
la mise en évidence de la relaxation physiologique du conducteur et de la décélération spontanée du véhicule : ce dernier résultat est encore embryonnaire et mérite une attention plus particulière dans l’avenir.
VII – Perspectives
24Les résultats les plus récents de l’accidentologie montrent que plus de la moitié des victimes de la route ne peuvent être sauvées par les seules mesures de protection passive prises sur les véhicules (10), d’où l’intérêt de notre étude du comportement des conducteurs à travers différents aspects : physiologique, mécanique... Cette recherche est complémentaire aux progrès à réaliser en favorisant des véhicules plus sûrs, des routes mieux adaptées et des conducteurs plus responsables.
25Une approche globale de la vigilance des conducteurs serait donc primordiale dans les prochaines années. Elle consiste non plus à analyser les trois éléments de la sécurité routière – conducteur, véhicule, infrastructure – de manière indépendante, mais comme un système dont les différents éléments peuvent et doivent interagir entre eux : nécessité d’utiliser des techniques très avancées (traitements évolués et capteurs de nouvelle génération).
Bibliographie
Références
1) M. Steriade, R. W. McCarley, Brainstem Contrat of Wakefulness and Sleep 1990, Plenum Press, New-York.
2)
a. H. H. Jasper, The 10/20 electrode System of the International Fédération, Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 1958 ; 10 : 378-85.
b. J. Santamaria, K. H. Chiappa, The EEG of drowsiness in normal adults, Clin. Neurophys. 4 (4) ; 327-382, 1987, Raven Press Ltd., New York.
3) S. Fakhar, M. vallet, D. Olivier, D. Baez, Effet du bruit et des vibrations sur la vigilance des conducteurs de véhicules légers en situation de conduite monotone. Rapport INRETS N° 153, Avril 1992.
4) S. khardi, Recherche d’une liaison entre une fonction dynamique du véhicule léger et la vigilance des conducteurs au cours d’une tâche de conduite monotone, Rapport LEN 9216, juin 1992, 53 p.
5) S. Khardi, M. Vallet, D. Olivier, Analyse quantitative des baisses de vigilance lors d’une tâche de conduite monotone. Clin. Neurophys. Vol. 23, 1993, 111-112.
6)
a. S. J. Orfanidis, Optimum Signal Processing. An introduction, 2nd édition 1998, McGraw-Hill Inc. USA.
b. M. Kunt, M. Bellanger, F. de Coulon, C. Gueguen, M. Hastler, N. Moreau, M. Vetterli, Techniques modernes de traitement numérique des signaux, 1991, Presses Polytechniques et Universitaires Romandes et CNET-ENST.
7) L. Garma, Sommeil et Age, Physiologie du sommeil : son exploration fonctionnelle, sous la direction de O. Benoit, Masson, Paris, 1984.
8) T. Mulholland, C. R. Evans, Oculomotor function and the alpha activation cycle. Nature, september 17, 1966, vol. 211.
9) J. Kamiya, Operant control of the EEG alpha rhythm and some of its reported effects on consciousness, In C.T. Tart (Ed.), Altered States of Consciousness (pp. 509-517), New York : Wiley.
10) J. Hamon, TEC N0 120, septembre-octobre 1993, 2-5.
Notes de fin
1 Le collage des électrodes de surface se fait à l’aide d’une méthode non invasive très couramment utilisée.
Auteurs
Institut National de Recherche sur les Transports et leur Sécurité. Laboratoire Énergie-Nuisances, Bron, France
Institut National de Recherche sur les Transports et leur Sécurité. Laboratoire Énergie-Nuisances, Bron, France
Institut National de Recherche sur les Transports et leur Sécurité. Laboratoire Énergie-Nuisances, Bron, France
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Trajectoires familiales et espaces de vie en milieu urbain
Francine Dansereau et Yves Grafmeyer (dir.)
1998
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Michel Vallet et Salah Khardi (dir.)
1995