Sistemi che monitorizzano i segnali psico-fisici

I sistemi che si basano sull’analisi dei parametri fisici e psicofisici del conducente, sono stati classificati come sistemi intrusivi e passivi. Sono intrusivi perché in un modo o nell’altro vanno a misurare dei valori propri del conducente per cui determinano un disturbo più o meno tollerabile per lo stesso conducente. Nella maggior parte dei casi si usano degli strumenti che vengono collegati con delle parti del corpo umano; in altri casi i dati necessari vengono rilevati da una certa distanza dal soggetto, mediante strumenti come telecamere montate sul cruscotto dell’auto o rilevatori di posizione.

Il vantaggio nell’uso di questi metodi consiste nell’ottenere risultati con margini di errore molto più piccoli rispetto ad altri metodi, e quindi, da un punto di vista dell’accuratezza dei risultati, questi metodi risultano necessariamente i migliori. La misura realizzata da tali sistemi è diretta, ciò vuol dire che viene fatta direttamente sul conducente e non passa attraverso altri processi.

Nell’ambito di questi sistemi è poi importante sottolineare che ci sono metodi altamente intrusivi (come l’elettroencefalogramma) e metodi che riducono il grado di intrusività al minimo possibile. In molte applicazioni, soprattutto nei sistemi di rilevamento del viso del conducente, si sono fatti grossi passi in questo senso, tanto che si sono progettati alcuni sistemi di monitoraggio del viso e degli occhi che vengono classificati come totalmente non intrusivi essendo tanto piccoli da essere praticamente non individuabili ad un primo sguardo.

I principali sistemi che appartengono a questa categoria sono di seguito elencati e successivamente descritti; in particolare, come anticipato, si può effettuare un’importante distinzione tra quelli che si basano su grandezze fisiologiche:

• rilevamento delle onde cerebrali (elettroencefalogramma, EEG); • misura del battito cardiaco o frequenza del polso;

• temperatura corporea;

• rilevamento del rilassamento dei muscoli; • analisi del respiro;

• sudorazione delle mani;

e quelli che si basano su segnali fisici: • movimenti della testa;

• postura;

• pressione sul volante;

• monitoraggio degli occhi e dello sguardo.

3.4.1 Metodi che si basano su grandezze fisiologiche

Onde cerebrali (EEG)

Diversi studi hanno messo in relazione le stanchezza e la perdita di concentrazione del conducente con la variazione dell’attività cerebrale dello stesso; tale attività può essere facilmente misurata e rappresenta graficamente mediante l’elettroencefalogramma (EEG). L’EEG traccia onde che rientrano in precisi bande di frequenza: onde delta (0–4 Hz), onde theta (4–8 Hz), onde alpha (8–13 Hz), onde beta (13–20 Hz).

Recenti studi (Lal, Craig 2001; Verwey, Zaidel, 1999), hanno identificato delle precise correlazioni tra queste onde e la stanchezza del conducente durante la sua guida. Se in un intervallo di tempo, si registra la presenza dell’onda θ, ovvero valori anche modesti di questa grandezza sull’elettroencefalogramma, allora il conducente inizia a stancarsi. Il deterioramento dell’attenzione è poi intensificato se si verifica un incremento costante dell’onda θ e una variazione dell’intensità dell’onda α mentre l’onda β resta immutata.

Questi risultati sono stati ottenuti mediante un test fatto nel 2002 in Australia: sono stati testati 35 soggetti, che hanno guidato per 2 ore consecutive alla velocità di circa 80 Km/h, e a temperatura controllata (22 ± 24° C). La realizzazione dell’esperimento è abbastanza semplice: una telecamera registra l’espressione del volto e diversi elettrodi collocati sul capo del pilota tracciano invece l’elettroencefalogramma del conducente; per tutto l’arco di tempo in cui soggetto è alla guida si registra il valore medio e la massima ampiezza per ogni tipo di onda e si comparano con le immagini registrate del volto negli stessi

intervalli di tempo. Quando dalle immagini provenienti dalla telecamera si osserva il conducente assonnato o che accenna ad addormentarsi, si segnano i valori delle ampiezze e delle fasi delle onde. Queste ultime, rappresentano i valori di soglia, perché sono relative agli intervalli di tempo in cui le immagini danno la certezza che il conducente è assonnato. Attraverso una analisi statistica si sono determinate le relazioni matematiche tra i valori delle grandezza. Il metodo è risultato assolutamente preciso in tutti i 35 casi, fornendo gli stessi risultati negli istanti in cui il conducente accennava alla stanchezza.

Gli svantaggi che il sistema di misura comporta in quanto a intrusività sono però tali da renderne impossibile un suo utilizzo pratico (Sayed, Eskandarian 2001; Verwey, Zaidel, 1999; Fukuda et al. 1999): il problema maggiore è rappresentato dagli elettrodi che, anche se piccolissimi, producono disagi perché per essere indossati dovendo essere direttamente a contatto con la testa; dopo un certo periodo di tempo, inoltre, a causa di traspirazioni, l’accuratezza di misura risulterebbe essere compromessa.

E’ importante però osservare che questo sistema, proprio per la sua elevata affidabilità, viene spesso utilizzato come strumento di verifica e correlazione dei segnali nello sviluppo di altri metodi di rilevamento della sonnolenza.

Battito cardiaco, ECG o frequenza del polso

Un altro sistema di elevata affidabilità ma alta intrusività si basa sulla rilevazione del battito cardiaco o della frequenza di pulsazione del polso (Rimini- Doering et al. 2001; Ogawa, Shimotani 1997): è sufficiente porre dei rilevatori dei battiti sul petto del soggetto o in prossimità del polso per misurare le pulsazioni nel tempo; quando il soggetto tende ad addormentarsi le pulsazioni tendono a diminuire ed essendo lineare tale relazione è facilmente interpretabile. Rispetto al sistema con EEG c’è però il problema, superabile con qualche difficoltà, che per ogni individuo si devono settare i valori di soglia.

Temperatura corporea

Conseguentemente al rallentamento del battito cardiaco si ha una diminuzione della temperatura corporea che può essere utilizzata anch’essa come indicatore (Rimini-Doering et al. 2001).

Rilassamento dei muscoli

Anche questo metodo, come molti altri della sua categoria, risulta poco realizzabile per l’alto grado di intrusività, infatti consiste nel misurare, attraverso dei sensori applicati sulla pelle del conducente, le contrazioni dei muscoli delle braccia e del viso. Questa misura viene realizzata in funzione del tempo e ha lo scopo di stabilire per quali valori della grandezza misurata il soggetto risulta assonnato. Una possibilità è quella di usare un sensore che misura l’impedenza

elettrica del braccio del conducente mentre un’altra applicazione consiste nel monitoraggio dell’espressione del viso attraverso la misurazione dei cambiamenti dell’attività dei muscoli facciali. Questo campo, tuttavia è stato poco approfondito, a causa delle difficoltà di realizzazione.

Respiro

E’ un semplice metodo che permette di valutare alcuni parametri del conducente, attraverso la cattura di un volume di aria emessa in funzione del tempo. Un dispositivo, montato in prossimità del volante, analizza la temperatura, la velocità e il grado di turbolenza dell’aria catturata. La misura viene convertita in un segnale e analizzata da un algoritmo che stabilisce gli intervalli di tempo in cui il soggetto risulta assonnato. Il dispositivo può essere usato anche per la rilevazione di sostanze, quali alcol o droghe. Ha un facile utilizzo, è poco intrusivo, ma offre risultati non molto affidabili perché è molto sensibile alle condizioni ambientali (Rimini-Doering et al. 2001; Ogawa, Shimotani 1997).

Sudorazione della mani

È stato dimostrato che la sudorazione delle mani aumenta con la stanchezza per cui tale parametro può essere utilizzato per valutare le condizioni psico- fisiche del conducente. A tal fine si possono montare delle resistenze sulla corona del volante e misurare la variazione di conduttanza che deriva dall’aumento della sudorazione. Il problema di questo metodo risiede nella sensibilità a fattori esterni quali lo sporco.

3.4.2 Metodi che si basano su grandezze fisiche

Movimenti della testa

Nella maggior parte dei casi, tramite una telecamera, viene rilevata la posizione della testa e mediante l’analisi delle immagini rilevate, si determinano i movimenti e le inclinazioni del capo stimando la stanchezza del pilota. Questo metodo è stato ampiamente sviluppato negli ultimi tempi, ma i risultati ottenuti sono meno buoni rispetto ad altri sistemi di rilevamento simili, come il monitoraggio degli occhi (Iudice et al. 2002; Frisoli et al. 2001).

Postura

Per monitorare la postura si possono impiegare delle telecamere, come per il caso precedente, oppure dei sensori posti sul sedile atti a misurare la distribuzione di pressione. Quando si è in condizioni di vigilanza, il busto del

conducente è eretto e la risultante delle pressioni sullo schienale del seggiolino si trova ad una certa altezza h dalla cerniera del seggiolino. Quando invece il conducente accenna ad addormentarsi, inclina il capo in avanti e la risultante delle pressioni diminuisce in modulo, mentre la sua distanza dalla cerniera si riduce. La Figura 3-2 mostra quanto esposto: mediante una cella di carico,

posizionata in prossimità della cerniera, si può calcolare come varia il momento M conseguente alla forza risultante F. Anche in questo caso il sistema si basa su un’ipotesi che non sempre si verifica, cioè che il conducente addormentandosi si inclini in avanti.

Figura 3-2 Schema di un sedile con cella di carico

Pressione sul volante

Il sistema misura l’andamento delle pressioni di contatto esercitate dalle mani del conducente sullo sterzo e sia i valori di picco che la media della pressione vengono registrate in funzione del tempo. In base alle caratteristiche individuali, e cioè in dipendenza della forza con cui il conducente stringe il volante in condizioni normali (assenza di sonnolenza), oltre che in accordo con il tipo di percorso che si sta affrontando, si stabiliscono dei valori di soglia. Il sistema determina esattamente i valori della pressione, attraverso dei sensori collocati sul volante, ma resta poco chiara come si possa risalire alla determinazione della sonnolenza con margini di sicurezza accettabili, così come non è semplice stabilire i valori di soglia. Un dispositivo che utilizza questa procedura è l’ADS di basso costo e facilità di montaggio ma anche poco affidabile (Gonzalez et al. 1997).

Monitoraggio degli occhi e del viso

Questi sistemi sono considerati tra i migliori come rapporto affidabilità/intrusività e per questo motivo sono descritti più in dettaglio nel prossimo paragrafo come esempio più interessante tra quelli relativi al monitoraggio dei parametri fisico-fisiologici.