AURABAND: a wearable device for epilepsy monitoring

This thesis presents the design and experimental validation of AURABAND, a multimodal wearable prototype for monitoring peripheral physiological signals associated with epileptic seizures, with particular focus on Nocturnal Frontal Lobe Epilepsy (NFLE). The system integrates complementary sensing modalities to capture motor and autonomic manifestations beyond cortical activity. AURABAND is a multimodal wearable device integrating inertial sensing, surface electromyography (EMG), photoplethysmography (PPG) for pulse rate (PR) and oxygen saturation (SpO2), electrodermal activity (EDA), and skin temperature monitoring, with synchronized acquisition and local data storage. PPG validation against a Nonin 3150 reference showed posture-dependent performance, with near-zero outlier rates in supine conditions (OutPR 0.26 +/- 0.39 %, OutSpO2 0.10 +/- 0.20 %) and increased degradation during more complex tasks (OutPR 7.38 +/- 6.53 %, OutSpO2 6.21 +/- 5.94 %). Rapid signal variations remained limited (p95(|Delta PR|) <= 2.0 bpm, p95(|Delta SpO2|) <= 0.25 %), while accuracy yielded PR MAE of 4.08-11.44 bpm and SpO2 MAE of 0.89-3.80 %. EDA validation against Empatica demonstrated a conservative SCR detection strategy (Sensitivity 40.9 %, Specificity 98.0 %, Precision 82.8 %). Temperature monitoring showed consistent relative trends between axilla and wrist measurements, with normalized variations confined within +/-0.5°C. IMU data reliably captured posture transitions and motor activity patterns, while EMG signals exhibited clear task-specific activation of biceps and triceps during isometric contractions. Overall, AURABAND demonstrates robust multimodal monitoring under static and low-motion conditions, with performance degradation primarily driven by motion artifacts. The results demonstrate the feasibility of continuous multimodal wearable monitoring and provide a basis for future data-driven developments.

Questa tesi presenta la progettazione e la validazione sperimentale di AURABAND, un prototipo wearable multimodale per il monitoraggio dei segnali fisiologici periferici associati alle crisi epilettiche, con particolare attenzione all’Epilessia Frontale Notturna (NFLE). Il sistema integra diverse modalità di sensori per catturare manifestazioni motorie e autonomiche oltre all’attività corticale. AURABAND è un dispositivo indossabile multimodale che integra sensori inerziali, elettromiografia di superficie (EMG), fotopletismografia (PPG) per la stima della frequenza cardiaca (PR) e della saturazione di ossigeno (SpO2), attività elettrodermica (EDA) e temperatura cutanea, con acquisizione sincronizzata e memorizzazione locale dei dati. La validazione della PPG rispetto al riferimento clinico Nonin 3150 ha evidenziato una performance dipendente dalla postura, con tassi di outlier prossimi allo zero in condizioni supine (OutPR 0.26 +/- 0.39 %, OutSpO2 0.10 +/- 0.20 %) e un degrado significativo durante attività più complesse (OutPR 7.38 +/- 6.53 %, OutSpO2 6.21 +/- 5.94 %). Le variazioni rapide del segnale sono risultate limitate (p95(|Delta PR|) <= 2.0 bpm, p95(|Delta SpO2|) <=0.25 %), mentre l’accuratezza ha mostrato valori di MAE compresi tra 4.08 e 11.44 bpm per la PR e tra 0.89 e 3.80 % per la SpO2. La validazione dell’EDA rispetto al dispositivo Empatica ha evidenziato una strategia di rilevamento SCR conservativa (Sensibilità 40.9 %, Specificità 98.0 %, Precisione 82.8 %). Il monitoraggio della temperatura ha mostrato andamenti relativi coerenti tra misure ascellari e al polso, con variazioni normalizzate contenute entro +/-0.5°C. I dati IMU hanno permesso di identificare in modo affidabile le transizioni posturali e i pattern di attività motoria, mentre i segnali EMG hanno mostrato una chiara attivazione muscolo-specifica di bicipite e tricipite durante contrazioni isometriche. I risultati dimostrano la fattibilità del monitoraggio wearable multimodale continuo e costituiscono una base per sviluppi futuri data-driven.