Comfortable Fabric-Based Headband for Forehead EEG Monitoring

Abstract

Embora a aquisição de sinais biológicos (electromiografia, electrocardiografia, electrooculografia e electroencefalografia) seja uma tecnologia já estabelecida e bem estudada na prática clínica e em ambientes de investigação científica, os eléctrodos actualmente utilizados para interfacear com o corpo humano falham devido á falta de conforto após longos periodos de monitorização. Isto acontece principalmente porque os eletrodos são feitos de peças de hardware rígidas, incapazes de se adaptar bem à pele humana, delicada e frágil.Enquanto que no caso de ECG já existem soluções vestíveis móveis para monitoramento a longo prazo, como o Holter, este não é o caso do EEG, principalmente devido ao elevado número de eletrodos e fios necessários. As soluções atuais para o monitoramento a longo prazo dos pacientes são muitas vezes volumosas e desconfortáveis, além de serem caras e necessitarem de um alto nível de especialização e conhecimento para colocar os eletrodos no paciente. Além disso, os aparelhos de gravação EEG são muito propensos a interferências de ruído.A solução viável consiste em criar um dispositivo wearable com matrizes de eletrodos integrados e um amplificador integrado para reduzir os níveis de ruído nas leituras.Para colocar esta solução em prática, vários eletrodos flexíveis e elásticos serão integrados numa ”e-skin” de tecido, que também integra o circuito de amplificação necessário.Esta dissertação visa criar um dispositivo de aquisição de EEG para uso diário, de baixo custo e tamanho reduzido. Diferentes materiais (entre tintas e hidrogéis condutores à base de prata e carbono) para a fabricação de eletrodos são testados e comparados com eletrodos comercialmente disponíveis em termos da sua adequação para aquisição de biosinais.O hardware de amplificação e comunicação também é objeto de estudo e desenvolvimento e diferentes abordagens de conexão entre a amplificação e os eletrodos são testadas e comparadas em termos de níveis de ruído nas leituras de EEG, num esforço para reduzir os níveis de ruído no sistema de aquisição.O protótipo final é então comparado com o hardware comercialmente disponível para aquisição de EEG e são retiradas algumas conclusões.Em suma, o principal objetivo desta dissertação está relacionado com a implementação de um novo sistema de aquisição de EEG baseado numa ”e-skin” com materiais e métodos de estado de arte para fabricação de electrónica flexível e e-texteis. Uma aplicação simples do sistema implementado será por fim demonstrada, apenas como caso de estudo.

Although the acquisition of biological signals (electromyography, electrocardiography, electrooculography and electroencephalography) is an established technology and is already well studied in clinical practice and scientific research environments, the currently used electrodes for interfacing with the human body fail in terms of comfort for long-term monitoring. This happens mainly be- cause these electrodes are made of rigid hardware pieces, unable to conform well to the delicate and fragile human skin.While in the case of ECG, there are already mobile wearable solutions for long term monitoring, such as Holter, this is not the case for EEG, mainly due to the high number of electrodes and wires needed. Current solutions for long-term monitoring of patients are often bulky and uncomfortable, in addition to being expensive and needing an high level of expertise and knowledge to place the electrodes in the subject. Furthermore, these EEG recording sets are often prone to a lot of noise interference.The feasible solution consists of creating a wearable device with integrated electrode arrays and an integrated amplifier for reducing noise levels in the readings.To put this solution into practice, multiple stretchable and flexible electrodes will be integrated in a fabric-based e-skin patch, which also integrates the needed amplification circuitryThis dissertation aims at creating an everyday wearable, low cost, low size, EEG acquisition de- vice. Different materials (among silver and carbon based conductive inks and hydrogels) for the electrodes’ fabrication are tested and compared with commercially available electrodes in terms of their suitability for acquiring bio-signals.The amplification and communication hardware is also subject of study and development and different connection approaches between the amplification and the electrodes are tested and compared in terms of noise levels in the EEG readings, in an effort to reduced noise levels in the acquisition systemThe overall prototype is then compared with commercially available hardware for EEG acquisition and conclusions are withdrawn.In summary, the main objective of this dissertation is related with the implementation of a novel e-skin based EEG acquisition system with SOTA materials and methods for stretchable electronics and e-textile fabrication. Simple application of the implemented system will be demonstrated, only as a case study.