Design of an analog frontend stage for Head-ECG measurement

This thesis, conducted at EssilorLuxottica’s Smart Eyewear Lab, investigated the feasibility of acquiring an electrocardiogram (ECG) signal from the head location. The initial phase involved a comprehensive literature review to assess the presence and intensity of the ECG signal in the head region and determine its detectability. Following the literature review, a thorough investigation focused on various aspects crucial for head-based ECG acquisition wearable devices. This analysis encompassed identifying the most suitable electrode type to place on a wearable device for effective signal capture and selecting an appropriate architecture to achieve the desired ECG acquisition goals. The project employed a two-stage approach for signal processing. Initial signal acquisition was performed using a commercially available device, subsequently, a custom analog front-end circuit was designed, implemented and tested. This circuit aimed to amplify and filter the ECG signal in the head, which is typically a microvolt-level signal residing within a bandwidth crowded with other biopotential signals: the challenging measurement environment necessitated careful design considerations. Following a comprehensive evaluation of various materials for the fabrication of dry electrodes suitable for the wearable device, the design of the analog front-end architecture was finalized. The developed architecture was subsequently subjected to laboratory testing using instrumentation available: to emulate the microvolt-level ECG signal anticipated from the head location, a downscaling circuit and a signal generator able to generate cardiac type waveform were employed showing effectively the ability of the stage to amplify microvolt-level signals.

Questa tesi, condotta presso lo Smart Eyewear Lab di EssilorLuxottica, ha investigato la fattibilità dell’acquisizione di un segnale elettrocardiogramma (ECG) dalla testa. La fase iniziale ha previsto una revisione completa della letteratura per valutare la presenza e l’intensità del segnale ECG nella regione cranica e determinarne la rilevabilità. A seguito della revisione della letteratura, un’indagine approfondita si è concentrata su vari aspetti cruciali per l’acquisizione di ECG dalla testa in ambito di realizzazione di dispositivi indossabili. Questa analisi ha riguardato l’identificazione del tipo di elettrodo più adatto da posizionare su un dispositivo indossabile per una cattura efficace del segnale e la selezione di un’architettura appropriata per raggiungere gli obiettivi desiderati di acquisizione ECG. Il progetto ha impiegato un approccio in due fasi per l’elaborazione del segnale. L’acquisizione iniziale del segnale è stata eseguita utilizzando un dispositivo disponibile in commercio. Successivamente è stato progettato, implementato e testato un circuito front-end analogico personalizzato. Questo circuito mirava ad amplificare e filtrare il segnale ECG nella testa, che è tipicamente un segnale di livello microvolt situato in una larghezza di banda affollata da altri segnali biopotenziali: l’ambiente di misurazione impegnativo ha richiesto attenti criteri di progettazione. A seguito di una valutazione completa di vari materiali per la fabbricazione di elettrodi secchi adatti al dispositivo indossabile, è stato finalizzato il progetto dell’architettura front-end analogica. L’architettura sviluppata è stata successivamente sottoposta a test di laboratorio utilizzando la strumentazione disponibile: per emulare il segnale ECG di livello microvolt previsto dalla testa, sono stati utilizzati un circuito di riduzione in scala e un generatore di segnale in grado di generare forme d’onda di tipo cardiaco, dimostrando efficacemente la capacità dello stadio di amplificare segnali di livello microvolt.