Towards real-time detection of cognitive effort in driving: contribution of a cardiac measurement

Résumé Fr En

En 2013, on estime que 40 à 50 % des accidents corporels seraient dus à un défaut d’attention de la part du conducteur. Des travaux récents ont mis en évidence la possibilité de détecter des états attentionnels dégradés afin de pouvoir mieux assister le conducteur ; ce thème de recherche pourrait ouvrir la voie à de nouvelles perspectives en sécurité routière. Cette étude se concentre sur la détection de l’effort cognitif fourni par les conducteurs et cherche, par l’analyse de la variation du rythme cardiaque, à identifier un indicateur d’effort sensible sur de courtes fenêtres temporelles. Dix-huit conducteurs ont participé à l’étude. Ils ont été répartis dans 8 conditions expérimentales dans lesquelles ils devaient effectuer une tâche cognitive de manière passive (simple écoute) ou active (comptage) lors d’une session de conduite ou non. Le comptage présentait 2 niveaux de difficultés (comptage de bips vs addition de nombre à partir d’une tâche visuo-spatiale). Les rythmes cardiaques et leurs variations ont été collectés durant toutes les sessions. Au terme de notre étude, il s’avère qu’il est possible de distinguer des patterns cardiaques d’effort et de relaxation sur de courtes fenêtres temporelles en moyennant la variation du rythme cardiaque sur un nombre conséquent d’épisodes. L’indicateur d’effort cognitif, caractérisé par deux composantes cardiaques (ECR1 et ECR2) et identifié par plusieurs auteurs comme sensible dans des tâches de laboratoire, s’est montré aussi sensible en conduite automobile. En effet, dans les secondes qui suivent un effort cognitif, une légère décélération du rythme cardiaque puis une forte accélération ont été mises en évidence. A l’inverse, sans effort cognitif, une simple décélération cardiaque a été observée. Les résultats obtenus ont permis de montrer des accélérations cardiaques plus importantes lors d’une double tâche (comparée à une tâche simple) et lors d’une tâche cognitive difficile (comparée à une tâche cognitive facile). Ces résultats laissent supposer qu’un indicateur quantitatif de l’effort cognitif pourrait être approché par l’étude de la variation du rythme cardiaque en conduite automobile. Dans l’objectif de développer des systèmes capables de détecter en temps réel un effort cognitif important, les dispositifs devront être capables de visualiser l’effort sur un unique évènement. Explorer la faisabilité de la suppression de l’influence de la respiration sur le rythme cardiaque pourrait améliorer la sensibilité de l’indicateur en question. Si cela s’avère réalisable et si la correction effectuée permet de mieux détecter l’effort cognitif en temps réel, des assistances adaptatives pourraient alors alerter le conducteur ou pallier ses erreurs lorsque celui-ci ne peut plus assurer la tâche de conduite en raison d’un effort cognitif important.

In 2013, attention deficits accounted for 40 to 50 % of injury accidents. Recent studies have succeeded in detecting impaired states of attention, with a view to assisting the driver, and provide a new opportunity to increase road safety. This study focuses on the detection of drivers’ cognitive effort and seeks, through the study of heart rate change (HRC), to identify a sensitive indicator of cognitive effort in short time windows. Eighteen young drivers participated in the study and took part in 8 experimental sessions where they performed a passive or active cognitive task (counting) while driving or not. The counting task had two difficulty levels (counting of beeps vs visuospatial skills and number adding). Participants’ heart rates were monitored during all tasks. Previous results recorded in laboratory conditions have been replicated during driving: during the first seconds after a cognitive effort, there is a slight deceleration and a sharp acceleration in heart rate. Conversely, in the absence of cognitive effort, simple cardiac deceleration was observed. Our study confirms that it is possible to distinguish HRC in response to a cognitive effort over short time windows by observing the grand mean of evoked cardiac responses at 0.5 s intervals from stimulus onset when averaged over a significant number of episodes. The new opportunities offered with this cognitive effort indicator are discussed. Recent literature data show that the removal of respiratory influence from heart rate is feasible. With such correction, it seems possible to improve the sensitivity of HRC, and HR acceleration should be observed without averaging the HRC over many trials. If this proves effective, using an algorithm to detect cognitive effort in real time, future assistance devices could warn drivers or overcome their mistakes when they no longer control driving activity because of a cognitive effort.