Evaluation of a wearable EEG setup based on dry electrodes

Electroencephalography (EEG), a technique for measuring the brain's electrical activity, has been used since the 1920s and extensively studied in clinical settings. However, traditional EEG systems are often bulky, limiting patient mobility and making them impractical for long-term monitoring outside of controlled environments. In recent years, the development of wearable EEG devices has gained traction, enabling continuous brain monitoring in everyday settings with improved portability, ease of setup and user comfort. The objective of this thesis is to develop a lightweight and compact wearable EEG acquisition setup for monitoring the brain activity of a stationary subject, integrated into a head-mounted prototype designed by EssilorLuxottica's Smart Eyewear Lab. The initial phase of the research involved a comprehensive review of the theoretical foundations, covering the generation of brain electrical signals, key components in the biosignal acquisition chain, and an overview of existing and emerging wearable EEG technologies. Five experimental studies were then conducted, with a strong emphasis on minimizing external noise. The studies addressed critical aspects of wearable EEG design, starting with the identification of optimal electrode types and placements suitable for subjects with dense hair. These parameters were tested using the Eyes Open/Eyes Closed (EO/EC) protocol, where alpha waves are most prominent during a relaxed state. The research further validated the performance of the custom head-mounted prototype, focusing on electrode number and placement. Additionally, the functionality of two analog front-end systems, the MAX30001 and the Cyton OpenBCI Board, was assessed in conjunction with the prototype. Data from all five studies, collected from subjects within the laboratory, were analyzed using signal processing techniques such as Power Spectral Density (PSD), spectrograms, and Alpha Ratio measurements. The findings confirmed the feasibility of using brush dry electrodes for wearable EEG applications and demonstrated the reliability of the custom prototype in terms of electrode placement in the temporal lobe. While the MAX30001 proved unsuitable for integration with the prototype, the Cyton OpenBCI Board delivered promising results. The integration of a wireless analog front-end and the development of a lightweight, socially acceptable design are key achievements of this work, contributing to the advancement of portable EEG technologies.

L'elettroencefalografia (EEG), una tecnica per misurare l'attività elettrica del cervello, è stata utilizzata sin dagli anni '20 ed è stata ampiamente studiata in contesti clinici. Tuttavia, i sistemi EEG tradizionali sono spesso ingombranti, limitando la mobilità dei pazienti e rendendoli poco pratici per il monitoraggio a lungo termine al di fuori di ambienti controllati. Negli ultimi anni, lo sviluppo di dispositivi EEG indossabili ha visto una crescente diffusione, consentendo un monitoraggio continuo dell'attività cerebrale in contesti quotidiani, con una maggiore portabilità, facilità di configurazione e comfort per l'utente. L'obiettivo di questa tesi è sviluppare un sistema di acquisizione EEG indossabile, leggero e compatto, per il monitoraggio dell'attività cerebrale di un soggetto stazionario, integrato in un prototipo montato sulla testa progettato dal laboratorio Smart Eyewear di EssilorLuxottica. La fase iniziale dello studio ha coinvolto una ricerca letteraria, trattando la generazione di segnali elettrici cerebrali, i componenti chiave nella catena di acquisizione dei biosignali e una panoramica delle tecnologie EEG indossabili esistenti. Successivamente, sono stati condotti cinque studi sperimentali, con un'attenzione particolare alla minimizzazione del rumore esterno. Gli studi hanno affrontato aspetti critici della progettazione di EEG indossabili, a partire dall'identificazione dei tipi e delle posizioni ottimali degli elettrodi anche per soggetti con capelli folti. Questi parametri sono stati testati utilizzando il protocollo Eyes Open/Eyes Closed (EO/EC), in cui le onde alfa sono maggiormente rilevabili in uno stato di rilassamento. La ricerca ha convalidato le prestazioni del prototipo montato sulla testa, concentrandosi sul numero e sul posizionamento degli elettrodi, in combinazione con un dispositivo medico di acquisizione biomedicale. Inoltre, è stata valutata la funzionalità di due front-end analogici, il MAX30001 e il Cyton OpenBCI Board, in combinazione con il prototipo. I dati provenienti da tutti e cinque gli studi, raccolti su soggetti interni al laboratorio, sono stati analizzati utilizzando tecniche di elaborazione del segnale come la densità spettrale di potenza (PSD), lo spettrogramma e le misurazioni del rapporto alfa. I risultati hanno confermato la fattibilità dell'uso di elettrodi a secco con setole per applicazioni EEG indossabili e dimostrato l'affidabilità del prototipo in termini di posizionamento degli elettrodi sul lobo temporale. Sebbene il MAX30001 si sia rivelato inadatto per l'integrazione con il prototipo, il Cyton OpenBCI Board ha fornito risultati promettenti. L'integrazione di un sistema analogico wireless e lo sviluppo di un design leggero e socialmente accettabile sono risultati chiave di questo lavoro, contribuendo all'avanzamento delle tecnologie EEG portatili.