Sonolência do motorista: Comparação das referências (ground truth) JDS, KSS e EEG

A partir de meados de 2024, todos os novos modelos de veículos de passeio na Europa precisam ter um sistema de monitoramento do motorista (DMS) capaz de detectar sonolência. Os engenheiros do setor automotivo geralmente usam uma de três referências (ground truth) para medir a sonolência dos motoristas.

Referência (ground truth)		Descrição
JDS	Escala de Sonolência de Johns	movimentos das pálpebras são uma janela para o estado cognitivo de uma pessoa. A Escala de Sonolência de Johns (JDS) da Optalert demonstrou, em dezenas de estudos, ser o melhor preditor de que um motorista cometa um erro por causa da sonolência.
KSS	Escala de Sonolência de Karolinska	Medidas subjetivas como a Escala de Sonolência de Karolinska (KSS) podem ser usadas como métricas indiretas, com alguma correlação com o aumento do risco relativo.
EEG	Eletroencefalografia	A atividade elétrica do cérebro é medida por eletroencefalografia (EEG) e fica comprometida em situações de direção. Em geral, o EEG exige eletrodos conectados ao couro cabeludo; por isso, todos os sistemas de detecção de sonolência baseados em EEG precisam usar dados de um sensor não invasivo para estimar os sinais de EEG.

Essas três referências são muito diferentes quanto ao que medem e à forma como se relacionam com o efeito que tentam medir nos motoristas: comprometimento. Para esse fim, o comprometimento pode ser definido como o aumento do risco relativo de uma falha de desempenho.

JDS: Movimentos das pálpebras e comprometimento

Escala de Sonolência de Johns (JDS)

A Escala de Sonolência de Johns (JDS) foi desenvolvida especificamente para proteger os motoristas em tempo real. Inicialmente, foi modelada a partir do Teste de Vigilância de Johns (JTV), realizado em laboratório, que mede lapsos nas reações a estímulos visuais repentinos. Depois, foi refinada com o acompanhamento de falhas de desempenho de motoristas em campo. Já se sabia que os movimentos das pálpebras estavam ligados à sonolência. Mas ninguém poderia prever com que precisão eles quantificariam o aumento do risco relativo durante tarefas de direção.

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Nenhuma tecnologia além da JDS da Optalert oferece um método para quantificar o ‘risco relativo de falha de desempenho’ em motoristas, especialmente em seus estágios iniciais.

– Dr. Murray Johns

A JDS é calculada a partir dos movimentos das pálpebras do motorista, captados por uma câmera RGB-IR no DMS. O algoritmo que sustenta a JDS extrai 64 parâmetros matemáticos do sinal palpebral e os acompanha ao longo do tempo. Seu poder preditivo é válido para todas as idades, gêneros e etnias, e foi considerado pela Harvard Medical School compatível com as medidas laboratoriais padrão-ouro. Além disso, em dezenas de estudos independentes rigorosamente controlados, ela demonstrou repetidamente ser a referência mais precisa para prever falhas de desempenho em tarefas de direção. Um exemplo foi um estudo publicado em 2023 por uma equipe do Institute for Breathing and Sleep (IBAS):

Os participantes foram mantidos acordados por 32 a 34 horas antes de dirigir por duas horas em uma pista fechada.
A JDS previu saídas de faixa com um terço dos erros da KSS (4% de previsões incorretas, contra 12%).
A KSS gerou três vezes mais alertas falsos que a JDS (18% contra 6%), com um ponto de corte, para ambos os sistemas, que otimiza a sensibilidade (ou seja, que detecta todos os casos de níveis perigosos de sonolência).

	Especificidade	Taxa de falsos positivos
JDS	94%	6%
KSS	82%	18%

Ao optar por 100% de sensibilidade (ou seja, nenhum falso negativo), a JDS gera um terço dos alertas falsos (6%) da KSS (18%) na previsão de rodas saindo da faixa. A JDS foi a mais precisa na detecção de comprometimento grave ao final da direção, com área sob a curva (AUC) de 0,99, contra uma AUC de 0,93 da KSS.

Teste de Vigilância de Johns (JTV)

O fundador da Optalert, o Dr. Murray Johns, e sua equipe de pesquisadores passaram muitos anos desenvolvendo o Teste de Vigilância de Johns (JTV), realizado em laboratório. Tudo, do tempo dos estímulos ao tamanho e ao contraste de cor entre os elementos visuais, foi ajustado com precisão para detectar a forma exata de falha cognitiva que ocorre quando um participante está com o desempenho comprometido pela sonolência. O JTV isola essa ruptura cognitiva fundamental que causa falhas de desempenho específicas de cada domínio que, na direção, incluem coisas como desvios de faixa ou não parar em uma placa de pare.

A Optalert recomenda que todo sistema de detecção de sonolência seja primeiro validado em um teste de vigilância psicomotora (PVT) em laboratório, para confirmar que ele prevê quando ocorrerão os lapsos. Isso é menos caro e trabalhoso do que uma validação final em pista, que exige um conjunto abrangente de medidas de segurança.

Captura de tela do Teste de Vigilância de Johns (JTV), que mede a vigilância atencional em uma escala de tempo curta (ou seja, de um a dois segundos). Isso é fundamental em tarefas como dirigir, em que até mesmo um lapso de atenção de menos de um segundo pode levar a uma falha.

Outros parâmetros palpebrais

Algumas equipes de engenharia usaram parâmetros palpebrais mais rudimentares para medir a sonolência. O exemplo mais conhecido é o PERCLOS, o percentual de tempo em que os olhos ficam pelo menos 80% fechados. Esse índice costuma aumentar nos estágios bem avançados da sonolência, quando o motorista já está com a capacidade perigosamente comprometida, mas não consegue antecipar e, portanto, evitar situações de alto risco. Além disso, os microssonos podem ocorrer com os olhos abertos.

Outras equipes tentaram criar algo semelhante à JDS usando um número muito menor de parâmetros, mas nenhuma dessas soluções foi validada para prever falhas de desempenho com uma precisão sequer próxima à da JDS.

KSS: Questionários subjetivos

Na Escala de Sonolência de Karolinska, o próprio motorista avalia seu estado em uma escala de 9 pontos, que vai de 1 (extremamente alerta) a 9 (muito sono, grande esforço para se manter acordado, lutando contra o sono). Ela apresenta alguns problemas sérios para a prevenção de acidentes de trânsito:

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Em relação à KSS, as pessoas não são muito boas em identificar quando devem parar de dirigir por causa da sonolência.

– Dr. Murray Johns

As pessoas não são boas em identificar quando devem parar de dirigir por causa da sonolência. Até especialistas e pessoas experientes com a KSS apresentam esse problema de subjetividade. Em estudos repetidos, vemos exemplos de pessoas que relatam uma KSS alta e estão sem comprometimento e aptas para dirigir, assim como pessoas que insistem que sua KSS é baixa, mas estão com o desempenho comprometido e inaptas para dirigir. Nenhuma modificação no protocolo de estudo resolve esse problema inerente.
Perguntar a alguém qual é sua pontuação na KSS invariavelmente o desperta. Uma das melhores contramedidas contra a sonolência é conversar. Perguntar a alguém quanto sono está sentindo afeta sua sonolência de uma forma que não ocorreria em condições reais. Um estudo conduzido por Torbjörn Åkerstedt, cocriador da KSS, reconheceu esse “efeito ativador”, e optou por registrar as pontuações KSS dos motoristas no máximo a cada 10 minutos.
Ela não é estável entre diferentes pessoas, nem mesmo em diferentes momentos. A KSS 6 de uma pessoa pode ser a KSS 8 de outra. Mesmo a mesma pessoa, no mesmo nível de sonolência, relatará uma KSS diferente conforme a fadiga causada por exercício, fatores de estresse externos ou ansiedade. Nenhum nível de experiência individual consegue superar isso.

1	extremamente alerta
2	muito alerta
3	alerta
4	razoavelmente alerta
5	nem alerta nem com sono
6	alguns sinais de sono
7	com sono, mas sem esforço para se manter acordado
8	com sono, algum esforço para se manter acordado
9	muito sono, grande esforço para se manter acordado, lutando contra o sono

A Escala de Sonolência de Karolinska foi desenvolvida originalmente em 1990 por Torbjörn Åkerstedt e Mats Gillberg.

Ela tem baixa resolução tanto no tempo quanto no nível. A pontuação KSS de uma pessoa pode ser registrada, no máximo, a cada cinco minutos. E apenas três valores (7 a 9) são relevantes para a sonolência ao volante. Essa falta de granularidade é um obstáculo significativo para a criação de modelos de dados precisos.
Qualquer modelo treinado com a KSS como referência é inerentemente subjetivo, mesmo que use biomarcadores objetivos para estimar a KSS.
Além disso, esses modelos apenas estimam o que o motorista já sabe. Em termos de precisão, o limite máximo de qualquer modelo é a própria KSS. Os sistemas no mundo real provavelmente emitirão muito mais alertas falsos e irritarão os motoristas.

Embora o Regulamento Europeu 2021/1341 estabeleça a KSS como principal escala de referência de sonolência, ele prevê a aceitação de outras escalas. Quatro empresas europeias de serviços técnicos com laboratórios de ensaio acreditados pelo Euro NCAP confirmaram que a JDS é uma medida alternativa válida para homologação.

EEG: Atividade elétrica do cérebro

A eletroencefalografia (EEG) é usada há décadas em laboratórios do sono. Seu principal uso tem sido medir o sono, e não quantificar a sonolência em uma pessoa acordada. Quando usada como referência no monitoramento do motorista, ela apresenta vários problemas:

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O EEG pode ser usado para identificar o início do sono, mas não consegue quantificar de forma confiável o comprometimento dos motoristas no início da sonolência.

– Dr. Murray Johns

Ele tem correlação muito fraca com lapsos ou falhas de desempenho em tarefas de vigilância psicomotora, especialmente nos estágios iniciais. Isso vale para todos os trabalhos publicados que exploram a medição da sonolência por EEG. Assim como as medidas palpebrais rudimentares, ele consegue detectar quando alguém está perigosamente perto de adormecer, mas não consegue antecipar e, portanto, evitar situações de alto risco.
Ele não é estável entre populações. O EEG mostra alterações durante o início do sono, mas elas não são consistentes entre pessoas diferentes. Isso vale especialmente para os estágios iniciais do processo de início do sono, que são os relevantes para a sonolência ao volante.
Dentro do veículo, os artefatos de movimento são um problema. A maioria dos trabalhos com EEG se limita ao laboratório por causa das vibrações nos veículos.
Qualquer modelo treinado com a leitura de EEG de uma pessoa é uma estimativa secundária. Ele usará características faciais e, possivelmente, outros biomarcadores para estimar a leitura de EEG da pessoa a qualquer momento. Mas, até que um carro saia de fábrica com eletrodos que o motorista prenda na cabeça e que o ruído dentro do veículo possa ser removido do sinal, o DMS só poderá oferecer uma estimativa secundária de sua referência de EEG (assim como os modelos baseados na KSS).

Alguns fornecedores Tier 1 podem afirmar que resolveram os problemas do EEG, mas nada foi publicado que comprove essas afirmações.

Como a Optalert pode ajudar você a medir a sonolência?

Incentivamos todos do setor automotivo a entrar em contato conosco para obter uma lista mais completa da literatura publicada sobre cada uma das referências acima.

Se você é uma montadora (OEM), entre em contato para saber como integrar a tecnologia da Optalert ao seu DMS e aprimorar ou substituir a solução atual de detecção de sonolência. A blefarometria também está abrindo caminho para uma série de recursos de monitoramento da saúde no veículo do futuro.

Se você é um fornecedor Tier 1, fale conosco para saber como integrar nossa tecnologia de medição de sonolência ao seu sistema de monitoramento do motorista (DMS) por meio de um kit de desenvolvimento de software (SDK). Temos certeza de que, em um protocolo de teste rigoroso que leve os participantes até a falha, ela superará qualquer tecnologia existente na previsão de falhas de desempenho. Mas não acredite apenas em nossa palavra: coloque-a à prova!