Discussion générale des études basées sur les activités EEG et ECG

Ces deux études ont été eectuées dans le but d'évaluer l'apport de marqueurs cérébraux et cardiaques à l'estimation de la fatigue mentale sur de très courtes fenêtres d'analyses. Des chaînes de traitement variées ont aussi été comparées an d'obtenir les meilleures performances d'estimation possibles.

(*p < 0, 001)

HRV 0,56(0,12 ) Tendance p = 0, 06

ALL 0,65(0,13 ) *p < 0, 001

L'étude concernant l'utilisation de marqueurs EEG fréquentiels extraits d'une fenêtre d'ana- lyse de 800 ms nous a permis de comparer le pouvoir discriminatif des diérentes bandes de fré- quence, ainsi que de proposer l'utilisation d'une étape de ltrage spatial par CSP an d'obtenir des performances optimales d'estimation de la fatigue mentale. Au niveau du groupe, l'augmen- tation attendue de la puissance dans les basses fréquences avec l'augmentation du temps passé

sur la tâche a bien été retrouvée en accord avec la littérature [85,96,80,84, 82]. De plus, nous

avons aussi observé une augmentation de la puissance en bêta, ce qui est rarement rapportée avec

l'augmentation de la fatigue, mais reste en accord avec la littérature [84]. Ensuite, concernant les

chaînes de traitement pour l'estimation de la fatigue mentale, l'utilisation de l'étape de ltrage par CSP, couplée à une sélection d'électrodes, correspond à une chaîne de traitement qui peut être rencontrée en ICM actives mais qui n'a jamais été utilisée pour du suivi d'état mental. En particulier, à notre connaissance, le ltrage spatial, tel que celui par CSP, n'a jamais été utilisé pour estimer la fatigue mentale. L'utilisation de la bande bêta donne les meilleures performances avec un taux optimal de 100% de classications correctes, les bandes thêta et alpha donnent aussi des résultats optimaux, tout comme la chaîne complexe proposée avec fusion des bandes. L'inté- rêt du ltrage par CSP est bien mis en évidence par les chutes de 15% et 30% des performances de classication respectivement pour les chaînes basées sur la puissance moyenne absolue et la puissance moyenne relative dans les bandes. Ces résultats optimaux dépassent les performances

rapportées dans la littérature pour des segments temporels courts (85% sur 1 s [121]).

Bien que les résultats obtenus sur les 20 sujets soient excellents, ceux-ci ont été obtenus de manière sujet-dépendante, et un ensemble d'entraînement comprenant des données enregistrées pour un temps court et pour un temps long passé sur la tâche est requis pour tout nouveau participant. De plus, la capacité du système à classer la fatigue mentale d'un même sujet grâce à des données acquises un autre jour n'a pas été évaluée. Étant donné que les ltres CSP sont connus pour leur sur-apprentissage occasionnel, on peut s'attendre à ce que les performances di- minuent sensiblement lorsque la chaîne est appliquée sur les données du même sujet acquises un autre jour. Ainsi, les perspectives de cette étude sont d'adapter la méthode pour une utilisation sujet-indépendante dans laquelle des classieurs entraînés sur une base de données de plusieurs sujets pourraient être appliqués sur un nouveau participant, par exemple, par le biais de ltres

CSP régularisés [277]. De plus, l'intérêt de ces chaînes devrait être évalué pour d'autres états

mentaux, telle la charge mentale (voir chapitre 6).

L'étude concernant l'utilisation de marqueurs ECG classiques extraits de fenêtres temporelles courtes de 5 s pour l'estimation de la fatigue mentale a révélé que des performances signicative- ment supérieures au hasard, bien que relativement faibles pouvaient être obtenues grâce à l'utili- sation conjointe du rythme cardiaque instantané et de la variabilité cardiaque (65%). Le rythme cardiaque a donné de meilleures performances de classication que la variabilité lorsqu'utilisé

seul, ce qui est étonnant car au niveau du groupe de sujets, seule la variabilité cardiaque était sujette à un impact signicatif du temps passé sur la tâche. Ceci montre bien que les analyses au niveau du groupe sont informatives mais doivent être prises avec précaution quand le but premier est l'estimation pour chaque sujet d'un état donné. Cette étude nous a permis d'évaluer l'intérêt de marqueurs ECG pour une estimation rapide de l'état de fatigue. À notre avis, l'utilité de ces marqueurs devrait être évaluée sur des périodes plus longues et chevauchantes, et ce, an de permettre un suivi en ligne avec de meilleures performances que celles obtenues ici. De plus, la pertinence d'autres marqueurs d'activité cardiaque devrait être évaluée (e.g. durée du complexe QRS), notamment pour continuer à tester la fusion de caractéristiques qui semble prometteuse pour ces marqueurs cardiaques.

L'estimation de la fatigue mentale basée sur les marqueurs fréquentiels de l'EEG spontané a notamment donné lieu à trois actes de conférences internationales, et l'estimation basée sur

l'activité cardiaque a donné lieu à un acte de conférence internationale (voir annexe G).

5.4 Conclusion

Ce chapitre V présente mes travaux concernant les marqueurs de la fatigue mentale et son estimation. Trois types de mesures ont été évalués pour eectuer cette estimation, la mesure d'activité oculaire (EOG), la mesure d'activité cérébrale (EEG) et la mesure d'activité cardiaque (ECG). Chaque type de mesure permet une extraction de caractéristiques qui lui sont propres. Nos objectifs principaux et les résultats majeurs obtenus grâce à ces études sont listés dans la

gure 5.18.

Dans ce chapitre, nous avons présenté une première étude concernant l'utilisation de mar- queurs oculaires dérivés de l'activité EEG avec pour but principal de permettre un suivi de la fatigue des sujets sans avoir à placer d'électrodes sur leur visage. Notre méthode innovante d'ex- traction et de caractérisation des clignements oculaires à partir de l'EEG nous a permis d'obtenir de très bonnes performances lors de la validation sur plusieurs sujets sans avoir aucun calibrage à eectuer. De plus, nous avons proposé un index de fatigue mentale ecace qui permet d'ef- fectuer un suivi à partir des caractéristiques des clignements oculaires reconstruits à partir de l'EEG. Les nouveaux systèmes d'enregistrement EEG qui sortent actuellement sont de plus en plus pratiques et faciles d'utilisation. Ceci nous permet d'envisager l'utilisation de notre méthode d'extraction et de caractérisation des clignements oculaires à partir du signal EEG pour eectuer un suivi de fatigue mentale à partir de l'activité oculaire couplée à l'activité cérébrale grâce à une unique mesure, l'EEG. Ainsi, nos étapes de séparation de sources et de classication auto- matique des sources oculaires pourraient être utilisées de deux façons : pour détecter et suivre l'activité oculaire, mais aussi pour débruiter le signal EEG. Ceci rendrait ainsi le système de suivi complètement indépendant de toute mesure EOG.

Dans la deuxième section de ce chapitre, nous avons présenté deux études concernant la pertinence d'utiliser respectivement des mesures EEG et des mesures ECG pour eectuer une estimation binaire du niveau de fatigue mentale lorsque la fenêtre d'analyse est très courte ; l'idée sous-jacente étant d'avoir des systèmes de monitoring très réactifs. L'étude des marqueurs EEG spontanés fréquentiels a été très concluante puisque des performances optimales d'estimation ont pu être atteintes en utilisant une chaîne de traitement alliant sélection d'électrodes et surtout ltrage spatial par CSP. Nos performances ont ainsi dépassé celles de la littérature pour une fenêtre d'analyse aussi courte (100% vs. 85%). La chaîne de traitement appliquée s'avère donc pertinente et ecace. En eet, nos résultats montrent que la fatigue mentale reste dicile à estimer sur des fenêtres courtes d'analyse lorsque des chaînes de traitement et des caractéris- tiques traditionnelles sont utilisées, même en sujet-dépendant. L'emploi du ltrage spatial par

fenêtres d'analyse aussi courtes. Il ne nous est donc pas possible de nous comparer à des résultats publiés, toutefois nous pouvons dire que, malgré ces fenêtres très courtes, ces performances sont bonnes étant donné qu'elles sont supérieures au hasard.

Nos résultats concernant les mesures de l'activité oculaire et de l'activité cérébrale sont donc concluantes, avec des performances optimales. Ceux concernant l'activité cardiaque sont, en revanche, moins décisifs, puisque cette étude nécessite un travail plus approfondi concernant les caractéristiques utilisables, de même qu'une étude plus systématique de la durée de la fenêtre d'analyse. Mais de manière générale, toutes les méthodes que nous avons développées dans ce chapitre pourraient donc être appliquées à des situations de surveillance de l'état de fatigue mentale d'opérateurs en charge du suivi de systèmes complexes pendant de longues périodes, comme les contrôleurs aériens ou les opérateurs de centrales nucléaires.

Figure 5.18  Récapitulatif du but et des résultats principaux de chacune des 3 études concer- nant l'estimation de la fatigue mentale à partir des activités spontanées oculaire, cérébrale et cardiaque.

Estimation de la charge mentale

Le chapitre précédent a détaillé les études réalisées dans le cadre de cette thèse concernant le suivi et l'estimation de la fatigue mentale. Ce chapitre présente trois études sur l'estimation de la charge mentale, une première basée sur les marqueurs fréquentiels d'EEG spontané, une seconde basée sur des marqueurs d'EEG évoqué, et une dernière étude comparant ces deux types de marqueurs pour une application vie réelle. En conclusion de ce chapitre, les résultats sont discutés, puis les perspectives et travaux en cours sont détaillés.

6.1 Introduction