Monitoring fatigue and drowsiness in motor vehicle occupants using electrocardiogram and heart rate - A systematic review

Introdução: A fadiga é um estado complexo que pode resultar em diminuição da vigilância, frequentemente acompanhada de sonolência. A fadiga durante a condução contribui significativamente para acidentes de trânsito em todo o mundo, destacando-se a necessidade de técnicas de monitorização eficazes. Existem várias tecnologias para aumentar a segurança do condutor e reduzir os riscos de acidentes, como sistemas de deteção de fadiga que podem alertar os condutores à medida que a sonolência se instala. Em particular, a análise dos padrões de frequência cardíaca pode oferecer informações valiosas sobre a condição fisiológica e o nível de vigilância do condutor, permitindo-lhe compreender os seus níveis de fadiga. Esta revisão tem como objetivo estabelecer o estado atual das estratégias de monitorização para ocupantes de veículos, com foco específico na avaliação da fadiga pela frequência cardíaca e variabilidade da frequência cardíaca. Métodos: Realizamos uma pesquisa sistemática da literatura nas bases de dados Web of Science, SCOPUS e Pubmed, utilizando os termos veículo, condutor, monitoração fisiológica, fadiga, sono, eletrocardiograma, frequência cardíaca e variabilidade da frequência cardíaca. Examinamos artigos publicados entre 1 de janeiro de 2018 e 31 de janeiro de 2023. Resultados: Um total de 371 artigos foram identificados, dos quais 71 foram incluídos neste estudo. Entre os artigos incluídos, 57 utilizam o eletrocardiograma (ECG) como sinal adquirido para medir a frequência cardíaca, sendo que a maioria das leituras de ECG foi obtida através de sensores de contacto (n=41), seguidos por sensores vestíveis não invasivos (n=11). Relativamente à validação, 23 artigos não mencionam qualquer tipo de validação, enquanto a maioria se baseia em avaliações subjetivas de fadiga relatadas pelos próprios participantes (n=27) e avaliações feitas por observadores com base em vídeos (n=11). Dos artigos incluídos, apenas 14 englobam um sistema de estimativa de fadiga e sonolência. Alguns relatam um desempenho satisfatórios, no entanto, o tamanho reduzido da amostra limita a abrangência de quaisquer conclusões. Conclusão: Esta revisão destaca o potencial da análise da frequência cardíaca e da instrumentação não invasiva para a monitorização contínua do estado do condutor e deteção de sonolência. Uma das principais questões é a falta de métodos suficientes de validação e estimativa para a fadiga, o que contribui para a insuficiência dos métodos na criação de sistemas de alarme proativos. Esta área apresenta grandes perspetivas, mas ainda está longe de ser implementada de forma fiável.Background: Fatigue is a complex state that can result in decreased alertness, often accompanied by drowsiness. Driving fatigue has become a significant contributor to traffic accidents globally, highlighting the need for effective monitoring techniques. Various technologies exist to enhance driver safety and minimize accident risks, such as fatigue detection systems that can alert drivers as drowsiness sets in. In particular, measuring heart rate patterns may offer valuable insights into the occupant's physiological condition and level of alertness, and may allow them to understand their fatigue levels. This review aims to establish the current state of the art of monitoring strategies for vehicle occupants, specifically focusing on fatigue assessed by heart rate and heart rate variability. Methods: We performed a systematic literature search in the databases of Web Of Science, SCOPUS and Pubmed, using the terms vehicle, driver, physiologic monitoring, fatigue, sleep, electrocardiogram, heart rate and heart rate variability. We examine articles published between 1st of january 2018 and 31st of January 2023. Results: A total of 371 papers were identified from which 71 articles were included in this study. Among the included papers, 57 utilized electrocardiogram (ECG) as the acquired signal for heart rate (HR) measures, with most ECG readings obtained through contact sensors (n=41), followed by non-intrusive wearable sensors (n=11). Regarding validation, 23 papers do not report validation, while the majority rely on subjective self-reported fatigue ratings (n=27) and video-based observer ratings(n=11). From the included papers, only 14 comprise a fatigue and drowsiness estimation system. Some report acceptable performances, but reduced sample size limits the reach of any conclusions. Conclusions: This review highlights the potential of HR analysis and non-intrusive instrumentation for continuous monitoring of driver's status and detecting sleepiness. One major issue is the lack of sufficient validation and estimation methods for fatigue, contributing to the insufficiency of methods in providing proactive alarm systems. This area shows great promise but is still far from being reliably implemented