Multifunctional wearable epidermal device for physiological signal monitoring in sleep study

Sleep is the essential part of life. Thousands of people are suffering from different kinds sleep disorders. Clinical diagnosing and treating for such disorders are costly, painful and quite sluggish. To reach the demand many commercial products are into the market to encourage home based sleep studies using portable devices. These portable devices are limited in use, cannot be handled easily and quite costly. Advancements in technology miniaturized these portable devices to wearable devices to make them convenient and economical. Elastic, soft and thin silicon membrane with physical properties well matched with that of the epidermis provides conformal and robust contact with the skin. Integration of an elastic and flexible electronics to such a membrane provides an epidermal electronic system (EES) that can enhance the robustness in operation for electrophysiological signal measurement. Biocompatible and non-invasive over the skin are the advantages of this class of technology that lie beyond those available with conventional, point-contact electrode interfaces to the skin. Recording of various long-term physiological signals relevant in various sleep studies can be performed using this multifunctional device. Optimized design of EES for monitoring various physiological signals like surface electroencephalography (EEG), electrooculography (EOG) and electromyography (EMG) are presented in this project --Abstract, page iii

From wearable towards epidermal computing : soft wearable devices for rich interaction on the skin

Human skin provides a large, always available, and easy to access real-estate for interaction. Recent advances in new materials, electronics, and human-computer interaction have led to the emergence of electronic devices that reside directly on the user's skin. These conformal devices, referred to as Epidermal Devices, have mechanical properties compatible with human skin: they are very thin, often thinner than human hair; they elastically deform when the body is moving, and stretch with the user's skin. Firstly, this thesis provides a conceptual understanding of Epidermal Devices in the HCI literature. We compare and contrast them with other technical approaches that enable novel on-skin interactions. Then, through a multi-disciplinary analysis of Epidermal Devices, we identify the design goals and challenges that need to be addressed for advancing this emerging research area in HCI. Following this, our fundamental empirical research investigated how epidermal devices of different rigidity levels affect passive and active tactile perception. Generally, a correlation was found between the device rigidity and tactile sensitivity thresholds as well as roughness discrimination ability. Based on these findings, we derive design recommendations for realizing epidermal devices. Secondly, this thesis contributes novel Epidermal Devices that enable rich on-body interaction. SkinMarks contributes to the fabrication and design of novel Epidermal Devices that are highly skin-conformal and enable touch, squeeze, and bend sensing with co-located visual output. These devices can be deployed on highly challenging body locations, enabling novel interaction techniques and expanding the design space of on-body interaction. Multi-Touch Skin enables high-resolution multi-touch input on the body. We present the first non-rectangular and high-resolution multi-touch sensor overlays for use on skin and introduce a design tool that generates such sensors in custom shapes and sizes. Empirical results from two technical evaluations confirm that the sensor achieves a high signal-to-noise ratio on the body under various grounding conditions and has a high spatial accuracy even when subjected to strong deformations. Thirdly, Epidermal Devices are in contact with the skin, they offer opportunities for sensing rich physiological signals from the body. To leverage this unique property, this thesis presents rapid fabrication and computational design techniques for realizing Multi-Modal Epidermal Devices that can measure multiple physiological signals from the human body. Devices fabricated through these techniques can measure ECG (Electrocardiogram), EMG (Electromyogram), and EDA (Electro-Dermal Activity). We also contribute a computational design and optimization method based on underlying human anatomical models to create optimized device designs that provide an optimal trade-off between physiological signal acquisition capability and device size. The graphical tool allows for easily specifying design preferences and to visually analyze the generated designs in real-time, enabling designer-in-the-loop optimization. Experimental results show high quantitative agreement between the prediction of the optimizer and experimentally collected physiological data. Finally, taking a multi-disciplinary perspective, we outline the roadmap for future research in this area by highlighting the next important steps, opportunities, and challenges. Taken together, this thesis contributes towards a holistic understanding of Epidermal Devices}: it provides an empirical and conceptual understanding as well as technical insights through contributions in DIY (Do-It-Yourself), rapid fabrication, and computational design techniques.Die menschliche Haut bietet eine große, stets verfügbare und leicht zugängliche Fläche für Interaktion. Jüngste Fortschritte in den Bereichen Materialwissenschaft, Elektronik und Mensch-Computer-Interaktion (Human-Computer-Interaction, HCI) [so that you can later use the Englisch abbreviation] haben zur Entwicklung elektronischer Geräte geführt, die sich direkt auf der Haut des Benutzers befinden. Diese sogenannten Epidermisgeräte haben mechanische Eigenschaften, die mit der menschlichen Haut kompatibel sind: Sie sind sehr dünn, oft dünner als ein menschliches Haar; sie verformen sich elastisch, wenn sich der Körper bewegt, und dehnen sich mit der Haut des Benutzers. Diese Thesis bietet, erstens, ein konzeptionelles Verständnis von Epidermisgeräten in der HCI-Literatur. Wir vergleichen sie mit anderen technischen Ansätzen, die neuartige Interaktionen auf der Haut ermöglichen. Dann identifizieren wir durch eine multidisziplinäre Analyse von Epidermisgeräten die Designziele und Herausforderungen, die angegangen werden müssen, um diesen aufstrebenden Forschungsbereich voranzubringen. Im Anschluss daran untersuchten wir in unserer empirischen Grundlagenforschung, wie epidermale Geräte unterschiedlicher Steifigkeit die passive und aktive taktile Wahrnehmung beeinflussen. Im Allgemeinen wurde eine Korrelation zwischen der Steifigkeit des Geräts und den taktilen Empfindlichkeitsschwellen sowie der Fähigkeit zur Rauheitsunterscheidung festgestellt. Basierend auf diesen Ergebnissen leiten wir Designempfehlungen für die Realisierung epidermaler Geräte ab. Zweitens trägt diese Thesis zu neuartigen Epidermisgeräten bei, die eine reichhaltige Interaktion am Körper ermöglichen. SkinMarks trägt zur Herstellung und zum Design neuartiger Epidermisgeräte bei, die hochgradig an die Haut angepasst sind und Berührungs-, Quetsch- und Biegesensoren mit gleichzeitiger visueller Ausgabe ermöglichen. Diese Geräte können an sehr schwierigen Körperstellen eingesetzt werden, ermöglichen neuartige Interaktionstechniken und erweitern den Designraum für die Interaktion am Körper. Multi-Touch Skin ermöglicht hochauflösende Multi-Touch-Eingaben am Körper. Wir präsentieren die ersten nicht-rechteckigen und hochauflösenden Multi-Touch-Sensor-Overlays zur Verwendung auf der Haut und stellen ein Design-Tool vor, das solche Sensoren in benutzerdefinierten Formen und Größen erzeugt. Empirische Ergebnisse aus zwei technischen Evaluierungen bestätigen, dass der Sensor auf dem Körper unter verschiedenen Bedingungen ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis erreicht und eine hohe räumliche Auflösung aufweist, selbst wenn er starken Verformungen ausgesetzt ist. Drittens, da Epidermisgeräte in Kontakt mit der Haut stehen, bieten sie die Möglichkeit, reichhaltige physiologische Signale des Körpers zu erfassen. Um diese einzigartige Eigenschaft zu nutzen, werden in dieser Arbeit Techniken zur schnellen Herstellung und zum computergestützten Design von multimodalen Epidermisgeräten vorgestellt, die mehrere physiologische Signale des menschlichen Körpers messen können. Die mit diesen Techniken hergestellten Geräte können EKG (Elektrokardiogramm), EMG (Elektromyogramm) und EDA (elektrodermale Aktivität) messen. Darüber hinaus stellen wir eine computergestützte Design- und Optimierungsmethode vor, die auf den zugrunde liegenden anatomischen Modellen des Menschen basiert, um optimierte Gerätedesigns zu erstellen. Diese Designs bieten einen optimalen Kompromiss zwischen der Fähigkeit zur Erfassung physiologischer Signale und der Größe des Geräts. Das grafische Tool ermöglicht die einfache Festlegung von Designpräferenzen und die visuelle Analyse der generierten Designs in Echtzeit, was eine Optimierung durch den Designer im laufenden Betrieb ermöglicht. Experimentelle Ergebnisse zeigen eine hohe quantitative Übereinstimmung zwischen den Vorhersagen des Optimierers und den experimentell erfassten physiologischen Daten. Schließlich skizzieren wir aus einer multidisziplinären Perspektive einen Fahrplan für zukünftige Forschung in diesem Bereich, indem wir die nächsten wichtigen Schritte, Möglichkeiten und Herausforderungen hervorheben. Insgesamt trägt diese Arbeit zu einem ganzheitlichen Verständnis von Epidermisgeräten bei: Sie liefert ein empirisches und konzeptionelles Verständnis sowie technische Einblicke durch Beiträge zu DIY (Do-It-Yourself), schneller Fertigung und computergestützten Entwurfstechniken

A mobility enabled inpatient monitoring system using a ZigBee medical sensor network

This paper presents a ZigBee In-Patient Monitoring system embedded with a new ZigBee mobility management solution. The system enables ZigBee device mobility in a fixed ZigBee network. The usage, the architecture and the mobility framework are discussed in details in the paper. The evaluation shows that the new algorithm offers a good efficiency, resulting in a low management cost. In addition, the system can save lives by providing a panic button and can be used as a location tracking service. A case study focused on the Princes of Wales Hospital in Hong Kong is presented and findings are given. This investigation reveals that the developed mobile solutions offer promising value-added services for many potential ZigBee applications

The era of nano-bionic: 2D materials for wearable and implantable body sensors

Nano-bionics have the potential of revolutionizing modern medicine. Among nano-bionic devices, body sensors allow to monitor in real-time the health of patients, to achieve personalized medicine, and even to restore or enhance human functions. The advent of two-dimensional (2D) materials is facilitating the manufacturing of miniaturized and ultrathin bioelectronics, that can be easily integrated in the human body. Their unique electronic properties allow to efficiently transduce physical and chemical stimuli into electric current. Their flexibility and nanometric thickness facilitate the adaption and adhesion to human body. The low opacity permits to obtain transparent devices. The good cellular adhesion and reduced cytotoxicity are advantageous for the integration of the devices in vivo. Herein we review the latest and more significant examples of 2D material-based sensors for health monitoring, describing their architectures, sensing mechanisms, advantages and, as well, the challenges and drawbacks that hampers their translation into commercial clinical devices

A Survey Study of the Current Challenges and Opportunities of Deploying the ECG Biometric Authentication Method in IoT and 5G Environments

The environment prototype of the Internet of Things (IoT) has opened the horizon for researchers to utilize such environments in deploying useful new techniques and methods in different fields and areas. The deployment process takes place when numerous IoT devices are utilized in the implementation phase for new techniques and methods. With the wide use of IoT devices in our daily lives in many fields, personal identification is becoming increasingly important for our society. This survey aims to demonstrate various aspects related to the implementation of biometric authentication in healthcare monitoring systems based on acquiring vital ECG signals via designated wearable devices that are compatible with 5G technology. The nature of ECG signals and current ongoing research related to ECG authentication are investigated in this survey along with the factors that may affect the signal acquisition process. In addition, the survey addresses the psycho-physiological factors that pose a challenge to the usage of ECG signals as a biometric trait in biometric authentication systems along with other challenges that must be addressed and resolved in any future related research.