Iranian Journal of Biomedical Engineering (IJBME)

تشخیص خواب‌آلودگی رانندگان با استفاده از ویژگی نرخ عبور از صفر استخراج شده از سیگنال‌های EEG ثبت شده با هدست‌های رده‌ی مصرف کننده

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، دانشکده‌ی مهندسی برق و کامپیوتر، پردیس دانشکده‌های فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران

2 استاد، گروه مهندسی پزشکی، دانشکده‌ی مهندسی برق و کامپیوتر، پردیس دانشکده‌های فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران

چکیده
خواب‌آلودگی رانندگان به عنوان یکی از عمده‌ترین دلایل تصادفات و سوانح رانندگی در سرتاسر جهان شناخته می‌شود. در سالیان اخیر تلاش‌های زیادی جهت تشخیص خواب‌آلودگی رانندگان به وسیله‌ی ابزارهای با قیمت مقرون به صرفه به منظور امکان استفاده‌ی عمومی صورت گرفته است. سیگنال‌های حیاتی به ویژه سیگنال الکتروانسفالوگرام (EEG) به دلیل بازتاب آنی تغییرات ناشی از خواب‌آلودگی در تشخیص هوشیاری و خواب‌آلودگی رانندگان، کاربرد و محبوبیت زیادی پیدا کرده است. علی‌رغم پیش‌رفت شگرفی که در سالیان گذشته در تشخیص خواب‌آلودگی رانندگان ایجاد شده است، محققان هم‌چنان به دنبال افزایش صحت مد‌ل‌های تشخیص دهنده به وسیله‌ی استخراج ویژگی‌های جدید و مناسب از سیگنال EEG هستند. در این مقاله پس از معرفی یک دسته‌ی ویژگی جدید از سیگنال EEG، الگوریتمی برای تشخیص خواب‌آلودگی رانندگان با استفاده از این ویژگی‌ها توسعه داده شده است. برای جمع‌آوری داده‌های مورد استفاده در این مطالعه سیگنال EEG از ۵۰ داوطلب در حین رانندگی در شبیه‌ساز رانندگی نصیر به وسیله‌ی هدست‌های تجاری Muse 2 و Muse S ثبت شده است. پس از پیش‌پردازش سیگنال‌ها و دسته‌بندی آن‌ها در ایپاک‌های ۳۰ ثانیه‌ای، ویژگی نرخ عبور از صفر مربوط به سیگنال اصلی و مشتق اول و دوم این سیگنال استخراج شده است. پس از اعمال آزمون‌های آماری بر ویژگی‌های استخراج شده، از ۱۱ ویژگی که در دو کلاس هوشیاری و خواب‌آلودگی تفاوت معناداری داشتند برای توسعه‌ی مدل با استفاده از طبقه‌بندهای KNN و SVM بهره گرفته شده است. حداکثر صحت حاصل در تشخیص خواب‌آلودگی رانندگان با استفاده از الگوریتم پیشنهادی برابر با 37/86% می‌باشد. در نتیجه می‌توان ویژگی‌های پیشنهادی در این مقاله را به عنوان پارامترهایی موثر در جهت بهبود کیفیت تشخیص خواب‌آلودگی رانندگان معرفی کرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Driver Drowsiness Detection using Zero Crossing Rate Feature Extracted from EEG Signals Recorded by Consumer-Grade Headsets

نویسندگان English

Ashkan Giveki 1
Seyed-Kamaledin Setarehdan 2
1 M.Sc., School of Electrical and Computer Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
2 Professor, Biomedical Engineering Group, School of Electrical and Computer Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
چکیده English

Driver drowsiness is recognized as one of the leading causes of accidents and road incidents globally. In recent years, considerable efforts have been directed towards developing effective tools for detecting and predicting driver drowsiness using cost-effective methods suitable for public use. Biological signals, particularly electroencephalogram (EEG), have become highly valued for their immediate reflection of drowsiness-induced changes in detecting driver alertness and fatigue. Despite significant advancements in drowsiness detection, researchers continue to strive for enhanced accuracy in detection models by extracting novel and relevant features from EEG signals. In this study, we introduce a new set of features derived from EEG signals and develop an algorithm to predict driver drowsiness using these features. The dataset used in this study was gathered from 50 volunteers during driving activity in the Nasir driving simulator, employing consumer-grade headsets Muse 2 and Muse S to record EEG signals. Following preprocessing and segmentation of the signals into 30-second epochs, features including the zero-crossing rate of the original signal, as well as its first and second derivatives, were extracted. Statistical analysis identified 11 features which exhibited significant differences between the states of alertness and drowsiness. These features were then utilized to develop a predictive model employing KNN and SVM classifiers. The maximum accuracy achieved in predicting driver drowsiness using the proposed algorithm was 86.37%. Hence, the introduced features are proposed as effective parameters for enhancing the accuracy of drowsiness prediction.

کلیدواژه‌ها English

Driver Drowsiness
EEG
Zero Crossing Rate
Muse Headsets
Real-Time Detection
Driving Simulator
ORD
  1. Watt-Coombes, "How tired is too tired? A study of sleepiness and fatigue incidents reported among UK airline pilots and implications for policy and practice". 2023, UCL (University College London).
  2. C. OKAFOR, "Epworth Sleepiness Scale In Assessment of Sleepiness and Fatigue Among Commercial Long Distance Drivers In Benin City, Edo State, Nigeria". 2023.
  3. Bharadwaj, P. Edara, and C. Sun, "Sleep disorders and risk of traffic crashes: A naturalistic driving study analysis". Safety science, 2021. 140: p. 105295.
  4. S. S. Al-Bdairi, H. Zubaidi, and I. Obaid, "Injury severity of drowsy drivers involved in single vehicle crashes: Accounting for temporal instability and unobserved heterogeneity". International Journal of Transportation Science and Technology, 2023.
  5. F. f. T. Safety, "2017 Traffic Safety Culture Index". 2017: Washington, D.C.
  6. F. f. T. Safety, "2022 Traffic Safety Culture Index". 2022: Washington, D.C.
  7. T. De Mello, F. V. Narciso, S. Tufik, T. Paiva, D. W. Spence, A. S. BaHammam, J. C. Verster, and S. R. Pandi-Perumal, "Sleep disorders as a cause of motor vehicle collisions". International journal of preventive medicine, 2013. 4(3): p. 246.
  8. Alharbey, M. M. Dessouky, A. Sedik, A. I. Siam, and M. A. Elaskily, "Fatigue state detection for tired persons in presence of driving periods". IEEE Access, 2022. 10: p. 79403-79418.
  9. Čolić, O. Marques, and B. Furht, Driver drowsiness detection: Systems and solutions. 2014: Springer.
  10. G. Pratama, I. Ardiyanto, and T. B. Adji. A review on driver drowsiness based on image, bio-signal, and driver behavior. in 2017 3rd International Conference on Science and Technology-Computer (ICST). 2017. IEEE.
  11. M. Bergasa, J. Nuevo, M. A. Sotelo, R. Barea, and M. E. Lopez, "Real-time system for monitoring driver vigilance". IEEE Transactions on intelligent transportation systems, 2006. 7(1): p. 63-77.
  12. Kircher, M. Uddman, and J. Sandin, Vehicle control and drowsiness. 2002: Statens väg-och transportforskningsinstitut.
  13. N. Khushaba, S. Kodagoda, S. Lal, and G. Dissanayake, "Driver drowsiness classification using fuzzy wavelet-packet-based feature-extraction algorithm". IEEE transactions on biomedical engineering, 2010. 58(1): p. 121-131.
  14. Sahayadhas, K. Sundaraj, and M. Murugappan, "Detecting driver drowsiness based on sensors: a review". Sensors, 2012. 12(12): p. 16937-16953.
  15. Palumbo, V. Gramigna, B. Calabrese, N. Ielpo, and A. Demeco, "A Wearable Device-Based System: The Potential Role in Real-time and Remote EEG Monitoring". Frontiers in Biomedical Technologies, 2024. 11(3): p. 375-388.
  16. Marini, C. Lee, J. Wagner, S. Makeig, and M. Gola, "A comparative evaluation of signal quality between a research-grade and a wireless dry-electrode mobile EEG system". Journal of neural engineering, 2019. 16(5): p. 054001.
  17. M. Hussein, F. S. Miften, and L. E. George, "Driver drowsiness detection methods using EEG signals: a systematic review". Computer methods in biomechanics and biomedical engineering, 2023. 26(11): p. 1237-1249.
  18. Chen, S. Wang, E. He, H. Wang, and L. Wang, "Two-dimensional phase lag index image representation of electroencephalography for automated recognition of driver fatigue using convolutional neural network". Expert Systems with Applications, 2022. 191: p. 116339.
  19. Zhou, B. Li, S. Li, and K. Huang. Detection of vigilance in L3 autonomous driving based on EEG. in 2021 IEEE International Conference on Unmanned Systems (ICUS). 2021. IEEE.
  20. Zhang, J. Chen, E. He, and H. Wang, "Sample-entropy-based method for real driving fatigue detection with multichannel electroencephalogram". Applied Sciences, 2021. 11(21): p. 10279.
  21. Sivakumar, J. Selvaraj, K. Ramaraj, and A. Sahayadhas, "Analysis of alpha and theta band to detect driver drowsiness using electroencephalogram (EEG) signals". Int. Arab J. Inf. Technol., 2021. 18(4): p. 578-584.
  22. Bachu, S. Kopparthi, B. Adapa, and B. Barkana. Separation of voiced and unvoiced using zero crossing rate and energy of the speech signal. in American Society for Engineering Education (ASEE) zone conference proceedings. 2008. American Society for Engineering Education.
  23. C. R. M. Araújo, "Drowsiness Detection Using a Headband and Artificial Neural Networks". 2019.
  24. Azam, D. Jacoby, and Y. Coady. Classification of Fatigue in Consumer-grade EEG Using Entropies as Features. in CS & IT Conference Proceedings. 2020. CS & IT Conference Proceedings.
  25. Bakshi, Towards Practical Driver Cognitive Workload Monitoring via Electroencephalography. 2018: University of Toronto (Canada).
  26. Rohit, V. Kulathumani, R. Kavi, I. Elwarfalli, V. Kecojevic, and A. Nimbarte, "Real‐time drowsiness detection using wearable, lightweight brain sensing headbands". IET Intelligent Transport Systems, 2017. 11(5): p. 255-263.
  27. Mehreen, S. M. Anwar, M. Haseeb, M. Majid, and M. O. Ullah, "A hybrid scheme for drowsiness detection using wearable sensors". IEEE Sensors Journal, 2019. 19(13): p. 5119-5126.
  28. Foong, K. K. Ang, Z. Zhang, and C. Quek, "An iterative cross-subject negative-unlabeled learning algorithm for quantifying passive fatigue". Journal of neural engineering, 2019. 16(5): p. 056013.
  29. A. Almogbel, A. H. Dang, and W. Kameyama. Cognitive workload detection from raw EEG-signals of vehicle driver using deep learning. in 2019 21st International Conference on Advanced Communication Technology (ICACT). 2019. IEEE.
  30. Chaabene, B. Bouaziz, A. Boudaya, A. Hökelmann, A. Ammar, and L. Chaari, "Convolutional neural network for drowsiness detection using EEG signals". Sensors, 2021. 21(5): p. 1734.
  31. T. Nugraha, R. Sarno, D. A. Asfani, T. Igasaki, and M. N. Munawar, "CLASSIFICATION OF DRIVER FATIGUE STATE BASED ON EEG USING EMOTIV EPOC+". Journal of Theoretical & Applied Information Technology, 2016. 86(3).
  32. Javed, M. U. Arshad, E. Saeed, and N. Naseer, "Real-time Drowsiness Detection and Emergency Parking using EEG". 2021.
  33. Wang, J. Lin, W. Wang, and H. Wang. EEG-based mental fatigue assessment during driving by using sample entropy and rhythm energy. in 2015 IEEE International Conference on Cyber Technology in Automation, Control, and Intelligent Systems (CYBER). 2015. IEEE.
  34. Abdel-Rahman, A. F. Seddik, and D. M. Shawky. An affordable approach for detecting drivers' drowsiness using EEG signal analysis. in 2015 International Conference on Advances in Computing, Communications and Informatics (ICACCI). 2015. IEEE.
  35. Arif, S. Munawar, and H. Ali, "Driving drowsiness detection using spectral signatures of EEG-based neurophysiology". Frontiers in physiology, 2023. 14: p. 1153268.
  36. Arefnezhad, J. Hamet, A. Eichberger, M. Frühwirth, A. Ischebeck, I. V. Koglbauer, M. Moser, and A. Yousefi, "Driver drowsiness estimation using EEG signals with a dynamical encoder–decoder modeling framework". Scientific reports, 2022. 12(1): p. 2650.
دوره 17، شماره 4
زمستان 1402
صفحه 373-387

  • تاریخ دریافت 11 مرداد 1403
  • تاریخ بازنگری 10 شهریور 1403
  • تاریخ پذیرش 02 مهر 1403