Development and Characterization of Ear-EEG for Real-Life Brain-Monitoring

Functional brain monitoring methods for neuroscience and medical diagnostics have until recently been limited to laboratory settings. However, there is a great potential for studying the human brain in the everyday life, with measurements performed in more realistic real-life settings. Electroencephalography (EEG) can be measured in real-life using wearable EEG equipment. Current wearable EEG devices are typically based on scalp electrodes, causing the devices to be visible and often uncomfortable to wear for long-term recordings. Ear-EEG is a method where EEG is recorded from electrodes placed in the ear. The Ear-EEG supports non-invasive long-term recordings of EEG in real-life in a discreet way. This Ph.D. project concerns the characterization and development of ear-EEG for real-life brain-monitoring. This was addressed through characterization of physiological artifacts in real-life settings, development and characterization of dry-contact electrodes for real-life ear-EEG acquisition, measurements of ear-EEG in real-life, and development of a method for mapping cortical sources to the ear. Characterization of physiological artifacts showed a similar artifact level for recordings from ear electrodes and temporal lobe scalp electrodes. Dry-contact electrodes and flexible earpieces were developed to increase the comfort and user-friendliness of the ear-EEG. In addition, electronic instrumentation was developed to allow implementation in a hearing-aid-sized ear-EEG device. Ear-EEG measurements performed in real-life settings with the dry-contact electrodes, were comparable to temporal lobe scalp EEG, when referenced to a Cz scalp electrode. However, the recordings showed that further development of the earpieces and electrodes are needed to obtain a satisfying recording quality, when the reference is located close to or in the ear. Mapping of the electric fields from well-defined cortical sources to the ear, showed good agreement with previous ear-EEG studies and has the potential to provide valuable information for future development of the ear-EEG method. The Ph.D. project showed that ear-EEG measurements can be performed in real-life, with dry-contact electrodes. The brain processes studied, were established with comparable clarity on recordings from temporal lobe scalp and ear electrodes. With further development of the earpieces, electrodes, and electronic instrumentation, it appears to be realistic to implement ear-EEG into unobtrusive and user-friendly devices for monitoring of human brain processes in real-life

Sensing with Earables: A Systematic Literature Review and Taxonomy of Phenomena

Earables have emerged as a unique platform for ubiquitous computing by augmenting ear-worn devices with state-of-the-art sensing. This new platform has spurred a wealth of new research exploring what can be detected on a wearable, small form factor. As a sensing platform, the ears are less susceptible to motion artifacts and are located in close proximity to a number of important anatomical structures including the brain, blood vessels, and facial muscles which reveal a wealth of information. They can be easily reached by the hands and the ear canal itself is affected by mouth, face, and head movements. We have conducted a systematic literature review of 271 earable publications from the ACM and IEEE libraries. These were synthesized into an open-ended taxonomy of 47 different phenomena that can be sensed in, on, or around the ear. Through analysis, we identify 13 fundamental phenomena from which all other phenomena can be derived, and discuss the different sensors and sensing principles used to detect them. We comprehensively review the phenomena in four main areas of (i) physiological monitoring and health, (ii) movement and activity, (iii) interaction, and (iv) authentication and identification. This breadth highlights the potential that earables have to offer as a ubiquitous, general-purpose platform

On the Keyhole Hypothesis:High Mutual Information between Ear and Scalp EEG

We propose and test the keyhole hypothesis—that measurements from low dimensional EEG, such as ear-EEG reflect a broadly distributed set of neural processes. We formulate the keyhole hypothesis in information theoretical terms. The experimental investigation is based on legacy data consisting of 10 subjects exposed to a battery of stimuli, including alpha-attenuation, auditory onset, and mismatch-negativity responses and a new medium-long EEG experiment involving data acquisition during 13 h. Linear models were estimated to lower bound the scalp-to-ear capacity, i.e., predicting ear-EEG data from simultaneously recorded scalp EEG. A cross-validation procedure was employed to ensure unbiased estimates. We present several pieces of evidence in support of the keyhole hypothesis: There is a high mutual information between data acquired at scalp electrodes and through the ear-EEG “keyhole,” furthermore we show that the view—represented as a linear mapping—is stable across both time and mental states. Specifically, we find that ear-EEG data can be predicted reliably from scalp EEG. We also address the reverse view, and demonstrate that large portions of the scalp EEG can be predicted from ear-EEG, with the highest predictability achieved in the temporal regions and when using ear-EEG electrodes with a common reference electrode

Sensing with Earables: A Systematic Literature Review and Taxonomy of Phenomena

Earables have emerged as a unique platform for ubiquitous computing by augmenting ear-worn devices with state-of-the-art sensing. This new platform has spurred a wealth of new research exploring what can be detected on a wearable, small form factor. As a sensing platform, the ears are less susceptible to motion artifacts and are located in close proximity to a number of important anatomical structures including the brain, blood vessels, and facial muscles which reveal a wealth of information. They can be easily reached by the hands and the ear canal itself is affected by mouth, face, and head movements. We have conducted a systematic literature review of 271 earable publications from the ACM and IEEE libraries. These were synthesized into an open-ended taxonomy of 47 different phenomena that can be sensed in, on, or around the ear. Through analysis, we identify 13 fundamental phenomena from which all other phenomena can be derived, and discuss the different sensors and sensing principles used to detect them. We comprehensively review the phenomena in four main areas of (i) physiological monitoring and health, (ii) movement and activity, (iii) interaction, and (iv) authentication and identification. This breadth highlights the potential that earables have to offer as a ubiquitous, general-purpose platform

Brain Computer Interfaces and Emotional Involvement: Theory, Research, and Applications

This reprint is dedicated to the study of brain activity related to emotional and attentional involvement as measured by Brain–computer interface (BCI) systems designed for different purposes. A BCI system can translate brain signals (e.g., electric or hemodynamic brain activity indicators) into a command to execute an action in the BCI application (e.g., a wheelchair, the cursor on the screen, a spelling device or a game). These tools have the advantage of having real-time access to the ongoing brain activity of the individual, which can provide insight into the user’s emotional and attentional states by training a classification algorithm to recognize mental states. The success of BCI systems in contemporary neuroscientific research relies on the fact that they allow one to “think outside the lab”. The integration of technological solutions, artificial intelligence and cognitive science allowed and will allow researchers to envision more and more applications for the future. The clinical and everyday uses are described with the aim to invite readers to open their minds to imagine potential further developments

Earables: Wearable Computing on the Ears

Kopfhörer haben sich bei Verbrauchern durchgesetzt, da sie private Audiokanäle anbieten, zum Beispiel zum Hören von Musik, zum Anschauen der neuesten Filme während dem Pendeln oder zum freihändigen Telefonieren. Dank diesem eindeutigen primären Einsatzzweck haben sich Kopfhörer im Vergleich zu anderen Wearables, wie zum Beispiel Smartglasses, bereits stärker durchgesetzt. In den letzten Jahren hat sich eine neue Klasse von Wearables herausgebildet, die als "Earables" bezeichnet werden. Diese Geräte sind so konzipiert, dass sie in oder um die Ohren getragen werden können. Sie enthalten verschiedene Sensoren, um die Funktionalität von Kopfhörern zu erweitern. Die räumliche Nähe von Earables zu wichtigen anatomischen Strukturen des menschlichen Körpers bietet eine ausgezeichnete Plattform für die Erfassung einer Vielzahl von Eigenschaften, Prozessen und Aktivitäten. Auch wenn im Bereich der Earables-Forschung bereits einige Fortschritte erzielt wurden, wird deren Potenzial aktuell nicht vollständig abgeschöpft. Ziel dieser Dissertation ist es daher, neue Einblicke in die Möglichkeiten von Earables zu geben, indem fortschrittliche Sensorikansätze erforscht werden, welche die Erkennung von bisher unzugänglichen Phänomenen ermöglichen. Durch die Einführung von neuartiger Hardware und Algorithmik zielt diese Dissertation darauf ab, die Grenzen des Erreichbaren im Bereich Earables zu verschieben und diese letztlich als vielseitige Sensorplattform zur Erweiterung menschlicher Fähigkeiten zu etablieren. Um eine fundierte Grundlage für die Dissertation zu schaffen, synthetisiert die vorliegende Arbeit den Stand der Technik im Bereich der ohr-basierten Sensorik und stellt eine einzigartig umfassende Taxonomie auf der Basis von 271 relevanten Publikationen vor. Durch die Verbindung von Low-Level-Sensor-Prinzipien mit Higher-Level-Phänomenen werden in der Dissertation anschließ-end Arbeiten aus verschiedenen Bereichen zusammengefasst, darunter (i) physiologische Überwachung und Gesundheit, (ii) Bewegung und Aktivität, (iii) Interaktion und (iv) Authentifizierung und Identifizierung. Diese Dissertation baut auf der bestehenden Forschung im Bereich der physiologischen Überwachung und Gesundheit mit Hilfe von Earables auf und stellt fortschrittliche Algorithmen, statistische Auswertungen und empirische Studien vor, um die Machbarkeit der Messung der Atemfrequenz und der Erkennung von Episoden erhöhter Hustenfrequenz durch den Einsatz von In-Ear-Beschleunigungsmessern und Gyroskopen zu demonstrieren. Diese neuartigen Sensorfunktionen unterstreichen das Potenzial von Earables, einen gesünderen Lebensstil zu fördern und eine proaktive Gesundheitsversorgung zu ermöglichen. Darüber hinaus wird in dieser Dissertation ein innovativer Eye-Tracking-Ansatz namens "earEOG" vorgestellt, welcher Aktivitätserkennung erleichtern soll. Durch die systematische Auswertung von Elektrodenpotentialen, die um die Ohren herum mittels eines modifizierten Kopfhörers gemessen werden, eröffnet diese Dissertation einen neuen Weg zur Messung der Blickrichtung. Dabei ist das Verfahren weniger aufdringlich und komfortabler als bisherige Ansätze. Darüber hinaus wird ein Regressionsmodell eingeführt, um absolute Änderungen des Blickwinkels auf der Grundlage von earEOG vorherzusagen. Diese Entwicklung eröffnet neue Möglichkeiten für Forschung, welche sich nahtlos in das tägliche Leben integrieren lässt und tiefere Einblicke in das menschliche Verhalten ermöglicht. Weiterhin zeigt diese Arbeit, wie sich die einzigarte Bauform von Earables mit Sensorik kombinieren lässt, um neuartige Phänomene zu erkennen. Um die Interaktionsmöglichkeiten von Earables zu verbessern, wird in dieser Dissertation eine diskrete Eingabetechnik namens "EarRumble" vorgestellt, die auf der freiwilligen Kontrolle des Tensor Tympani Muskels im Mittelohr beruht. Die Dissertation bietet Einblicke in die Verbreitung, die Benutzerfreundlichkeit und den Komfort von EarRumble, zusammen mit praktischen Anwendungen in zwei realen Szenarien. Der EarRumble-Ansatz erweitert das Ohr von einem rein rezeptiven Organ zu einem Organ, das nicht nur Signale empfangen, sondern auch Ausgangssignale erzeugen kann. Im Wesentlichen wird das Ohr als zusätzliches interaktives Medium eingesetzt, welches eine freihändige und augenfreie Kommunikation zwischen Mensch und Maschine ermöglicht. EarRumble stellt eine Interaktionstechnik vor, die von den Nutzern als "magisch und fast telepathisch" beschrieben wird, und zeigt ein erhebliches ungenutztes Potenzial im Bereich der Earables auf. Aufbauend auf den vorhergehenden Ergebnissen der verschiedenen Anwendungsbereiche und Forschungserkenntnisse mündet die Dissertation in einer offenen Hard- und Software-Plattform für Earables namens "OpenEarable". OpenEarable umfasst eine Reihe fortschrittlicher Sensorfunktionen, die für verschiedene ohrbasierte Forschungsanwendungen geeignet sind, und ist gleichzeitig einfach herzustellen. Hierdurch werden die Einstiegshürden in die ohrbasierte Sensorforschung gesenkt und OpenEarable trägt somit dazu bei, das gesamte Potenzial von Earables auszuschöpfen. Darüber hinaus trägt die Dissertation grundlegenden Designrichtlinien und Referenzarchitekturen für Earables bei. Durch diese Forschung schließt die Dissertation die Lücke zwischen der Grundlagenforschung zu ohrbasierten Sensoren und deren praktischem Einsatz in realen Szenarien. Zusammenfassend liefert die Dissertation neue Nutzungsszenarien, Algorithmen, Hardware-Prototypen, statistische Auswertungen, empirische Studien und Designrichtlinien, um das Feld des Earable Computing voranzutreiben. Darüber hinaus erweitert diese Dissertation den traditionellen Anwendungsbereich von Kopfhörern, indem sie die auf Audio fokussierten Geräte zu einer Plattform erweitert, welche eine Vielzahl fortschrittlicher Sensorfähigkeiten bietet, um Eigenschaften, Prozesse und Aktivitäten zu erfassen. Diese Neuausrichtung ermöglicht es Earables sich als bedeutende Wearable Kategorie zu etablieren, und die Vision von Earables als eine vielseitige Sensorenplattform zur Erweiterung der menschlichen Fähigkeiten wird somit zunehmend realer

Emotion and Stress Recognition Related Sensors and Machine Learning Technologies

This book includes impactful chapters which present scientific concepts, frameworks, architectures and ideas on sensing technologies and machine learning techniques. These are relevant in tackling the following challenges: (i) the field readiness and use of intrusive sensor systems and devices for capturing biosignals, including EEG sensor systems, ECG sensor systems and electrodermal activity sensor systems; (ii) the quality assessment and management of sensor data; (iii) data preprocessing, noise filtering and calibration concepts for biosignals; (iv) the field readiness and use of nonintrusive sensor technologies, including visual sensors, acoustic sensors, vibration sensors and piezoelectric sensors; (v) emotion recognition using mobile phones and smartwatches; (vi) body area sensor networks for emotion and stress studies; (vii) the use of experimental datasets in emotion recognition, including dataset generation principles and concepts, quality insurance and emotion elicitation material and concepts; (viii) machine learning techniques for robust emotion recognition, including graphical models, neural network methods, deep learning methods, statistical learning and multivariate empirical mode decomposition; (ix) subject-independent emotion and stress recognition concepts and systems, including facial expression-based systems, speech-based systems, EEG-based systems, ECG-based systems, electrodermal activity-based systems, multimodal recognition systems and sensor fusion concepts and (x) emotion and stress estimation and forecasting from a nonlinear dynamical system perspective