Dry EEG Electrodes

Electroencephalography (EEG) emerged in the second decade of the 20th century as a technique for recording the neurophysiological response. Since then, there has been little variation in the physical principles that sustain the signal acquisition probes, otherwise called electrodes. Currently, new advances in technology have brought new unexpected fields of applications apart from the clinical, for which new aspects such as usability and gel-free operation are first order priorities. Thanks to new advances in materials and integrated electronic systems technologies, a new generation of dry electrodes has been developed to fulfill the need. In this manuscript, we review current approaches to develop dry EEG electrodes for clinical and other applications, including information about measurement methods and evaluation reports. We conclude that, although a broad and non-homogeneous diversity of approaches has been evaluated without a consensus in procedures and methodology, their performances are not far from those obtained with wet electrodes, which are considered the gold standard, thus enabling the former to be a useful tool in a variety of novel applications.This work was supported by Nicolo Association for the R+D+i in Neurotechnologies for disability, the research project P11-TIC-7983, Junta of Andalucia (Spain) and the Spanish National Grant TIN2012-32030, co-financed by the European Regional Development Fund (ERDF). We also thank Erik Jung, head of the Medical Microsystems working group, at the Department of System Integration & Interconnection Technologies, Fraunhofer IZM (Berlin), for his support

Firmware design of a portable medical device to measure the quadriceps muscle group after a total knee arthroplasty by EMG, LBIA and clinical score methods

El objetivo de este proyecto es el diseño del firmware de un dispositivo médico portátil para mediciones de EMG y LBIA, que se utilizará para la evaluación de pacientes de artroplastia total de rodilla, para estudiar la progresión de diferentes prótesis de rodilla (Medial-Pivot y Ultra-Congruente). En la tesis, se expone el conocimiento actual de los estudios y aplicaciones de EMG y LBIA, junto con los dispositivos comerciales utilizados actualmente. Además, se han estudiado e implementado las diferentes técnicas de filtrado y procesamiento digital para señales de EMG y LBIAs. Adicionalmente, se ha realizado un estudio estadístico preliminar con datos LBIA de 12 pacientes de artroplastia total de rodilla. El diseño del firmware de esta tesis incluye: los procesos de adquisición de datos con el uso de diferentes ADCs (Conversor Analógico a Digital) (de la propia placa y externos, utilizando la interfaz SPI) y un DAC (Conversor Digital a Analógico), el correspondiente procesamiento de la señal y la extracción de sus características, la comunicación con un dispositivo externo utilizando un módulo BLE externo con interfaz UART, el proceso de encriptación de los datos médicos, la funcionalidad de manejo de errores y la aproximación del nivel de batería. En esta tesis, todos los flujos de trabajo de los procesos se exponen y explican mediante diagramas de flujo, mientras que se justifica cada cálculo y configuración. Además, todo el código correspondiente se ha programado en lenguaje C y se expone en los anexos. También se ha revisado la normativa aplicable y se ha analizado tanto el impacto ambiental como el coste económico del producto. Por último, se proponen mejoras para futuros trabajos.The aim of this project is the firmware design for a portable medical device for EMG and LBIA measurements which will be used for the assessment of total knee arthroplasty patients to study the progression of different knee prostheses (Medial-Pivot and Ultra-Congruent). For its realization, the state of the art of the EMG and LBIA studies and applications are exposed, along with the currently used medical devices. In addition, the different digital filtering and processing techniques for these studies have been studied and implemented. Furthermore, a preliminary statistical study has been performed with LBIA data from 12 patients with total knee arthroplasty. The firmware design of this thesis includes: the acquiring data processes with the use of different ADCs (from the actual board and external, using the SPI interface) and a DAC, the corresponding signal processing and feature abstraction, the communication with an external device using an external BLE module with UART interface, the medical data encrypting process, the error handling functionality, and the battery level approximation. In this work, all the process workflows are exposed and explained using flowcharts, while every calculation and configuration is justified. In addition, all the corresponding code has been programmed using C language and exposed in the Annexes. Moreover, the applicable regulation has been reviewed, and both the environmental impact and economic cost of the product have been analyzed. Finally, improvements are proposed for future work.L'objectiu d'aquest projecte és el disseny del microprogramari d'un dispositiu mèdic portàtil per a mesures d'EMG i LBIA. L’aparell mèdic s'utilitzarà per a l'avaluació de pacients d'artroplàstia total de genoll per estudiar la progressió de dues pròtesis de genoll (Medial-Pivot i Ultra- Congruent). En el treball, s'exposa el coneixement actual dels estudis i aplicacions d'EMG i LBIA, juntament amb els dispositius comercials utilitzats actualment. A més, s'han estudiat i implementat les diferents tècniques de filtrat i processament digital dels senyals de EMG i LBIA. Addicionalment, s'ha fet un estudi estadístic preliminar amb dades de LBIA de 12 pacients amb artroplàstia total de genoll. El disseny del microprogramari d'aquesta tesi inclou: els processos d'adquisició de dades fent ús de diferents ADCs (de la pròpia placa i externs, utilitzant la interfície SPI) i un DAC, el processament dels senyals i l'abstracció de les seves característiques, la comunicació amb un dispositiu extern utilitzant un mòdul BLE extern amb interfície UART, el procés d'encriptació de les dades mèdiques, la funcionalitat de l’avaluació d'errors i l'aproximació del nivell de bateria. En aquest treball, totes les funcionalitats del dispositiu s'exposen i s'expliquen mitjançant diagrames de flux i es justifiquen els càlculs i configuracions corresponents. Tot el codi desenvolupat s'ha programat en llenguatge C i s'exposa als annexos. A més, s'ha revisat la normativa aplicable i s'ha analitzat tant l'impacte ambiental com el cost econòmic de l’aparell. Finalment, es proposen millores per a futurs desenvolupaments

Low-cost methodologies and devices applied to measure, model and self-regulate emotions for Human-Computer Interaction

En aquesta tesi s'exploren les diferents metodologies d'anàlisi de l'experiència UX des d'una visió centrada en usuari. Aquestes metodologies clàssiques i fonamentades només permeten extreure dades cognitives, és a dir les dades que l'usuari és capaç de comunicar de manera conscient. L'objectiu de la tesi és proposar un model basat en l'extracció de dades biomètriques per complementar amb dades emotives (i formals) la informació cognitiva abans esmentada. Aquesta tesi no és només teòrica, ja que juntament amb el model proposat (i la seva evolució) es mostren les diferents proves, validacions i investigacions en què s'han aplicat, sovint en conjunt amb grups de recerca d'altres àrees amb èxit.En esta tesis se exploran las diferentes metodologías de análisis de la experiencia UX desde una visión centrada en usuario. Estas metodologías clásicas y fundamentadas solamente permiten extraer datos cognitivos, es decir los datos que el usuario es capaz de comunicar de manera consciente. El objetivo de la tesis es proponer un modelo basado en la extracción de datos biométricos para complementar con datos emotivos (y formales) la información cognitiva antes mencionada. Esta tesis no es solamente teórica, ya que junto con el modelo propuesto (y su evolución) se muestran las diferentes pruebas, validaciones e investigaciones en la que se han aplicado, a menudo en conjunto con grupos de investigación de otras áreas con éxito.In this thesis, the different methodologies for analyzing the UX experience are explored from a user-centered perspective. These classical and well-founded methodologies only allow the extraction of cognitive data, that is, the data that the user is capable of consciously communicating. The objective of this thesis is to propose a methodology that uses the extraction of biometric data to complement the aforementioned cognitive information with emotional (and formal) data. This thesis is not only theoretical, since the proposed model (and its evolution) is complemented with the different tests, validations and investigations in which they have been applied, often in conjunction with research groups from other areas with success

Interfaces for Modular Surgical Planning and Assistance Systems

Modern surgery of the 21st century relies in many aspects on computers or, in a wider sense, digital data processing. Department administration, OR scheduling, billing, and - with increasing pervasion - patient data management are performed with the aid of so called Surgical Information Systems (SIS) or, more general, Hospital Information Systems (HIS). Computer Assisted Surgery (CAS) summarizes techniques which assist a surgeon in the preparation and conduction of surgical interventions. Today still predominantly based on radiology images, these techniques include the preoperative determination of an optimal surgical strategy and intraoperative systems which aim at increasing the accuracy of surgical manipulations. CAS is a relatively young field of computer science. One of the unsolved "teething troubles" of CAS is the absence of technical standards for the interconnectivity of CAS system. Current CAS systems are usually "islands of information" with no connection to other devices within the operating room or hospital-wide information systems. Several workshop reports and individual publications point out that this situation leads to ergonomic, logistic, and economic limitations in hospital work. Perioperative processes are prolonged by the manual installation and configuration of an increasing amount of technical devices. Intraoperatively, a large amount of the surgeons'' attention is absorbed by the requirement to monitor and operate systems. The need for open infrastructures which enable the integration of CAS devices from different vendors in order to exchange information as well as commands among these devices through a network has been identified by numerous experts with backgrounds in medicine as well as engineering. This thesis contains two approaches to the integration of CAS systems: - For perioperative data exchange, the specification of new data structures as an amendment to the existing DICOM standard for radiology image management is presented. The extension of DICOM towards surgical application allows for the seamless integration of surgical planning and reporting systems into DICOM-based Picture Archiving and Communication Systems (PACS) as they are installed in most hospitals for the exchange and long-term archival of patient images and image-related patient data. - For the integration of intraoperatively used CAS devices, such as, e.g., navigation systems, video image sources, or biosensors, the concept of a surgical middleware is presented. A c++ class library, the TiCoLi, is presented which facilitates the configuration of ad-hoc networks among the modules of a distributed CAS system as well as the exchange of data streams, singular data objects, and commands between these modules. The TiCoLi is the first software library for a surgical field of application to implement all of these services. To demonstrate the suitability of the presented specifications and their implementation, two modular CAS applications are presented which utilize the proposed DICOM extensions for perioperative exchange of surgical planning data as well as the TiCoLi for establishing an intraoperative network of autonomous, yet not independent, CAS modules.Die moderne Hochleistungschirurgie des 21. Jahrhunderts ist auf vielerlei Weise abhängig von Computern oder, im weiteren Sinne, der digitalen Datenverarbeitung. Administrative Abläufe, wie die Erstellung von Nutzungsplänen für die verfügbaren technischen, räumlichen und personellen Ressourcen, die Rechnungsstellung und - in zunehmendem Maße - die Verwaltung und Archivierung von Patientendaten werden mit Hilfe von digitalen Informationssystemen rationell und effizient durchgeführt. Innerhalb der Krankenhausinformationssysteme (KIS, oder englisch HIS) stehen für die speziellen Bedürfnisse der einzelnen Fachabteilungen oft spezifische Informationssysteme zur Verfügung. Chirurgieinformationssysteme (CIS, oder englisch SIS) decken hierbei vor allen Dingen die Bereiche Operationsplanung sowie Materialwirtschaft für spezifisch chirurgische Verbrauchsmaterialien ab. Während die genannten HIS und SIS vornehmlich der Optimierung administrativer Aufgaben dienen, stehen die Systeme der Computerassistierten Chirugie (CAS) wesentlich direkter im Dienste der eigentlichen chirugischen Behandlungsplanung und Therapie. Die CAS verwendet Methoden der Robotik, digitalen Bild- und Signalverarbeitung, künstlichen Intelligenz, numerischen Simulation, um nur einige zu nennen, zur patientenspezifischen Behandlungsplanung und zur intraoperativen Unterstützung des OP-Teams, allen voran des Chirurgen. Vor allen Dingen Fortschritte in der räumlichen Verfolgung von Werkzeugen und Patienten ("Tracking"), die Verfügbarkeit dreidimensionaler radiologischer Aufnahmen (CT, MRT, ...) und der Einsatz verschiedener Robotersysteme haben in den vergangenen Jahrzehnten den Einzug des Computers in den Operationssaal - medienwirksam - ermöglicht. Weniger prominent, jedoch keinesfalls von untergeordnetem praktischen Nutzen, sind Beispiele zur automatisierten Überwachung klinischer Messwerte, wie etwa Blutdruck oder Sauerstoffsättigung. Im Gegensatz zu den meist hochgradig verteilten und gut miteinander verwobenen Informationssystemen für die Krankenhausadministration und Patientendatenverwaltung, sind die Systeme der CAS heutzutage meist wenig oder überhaupt nicht miteinander und mit Hintergrundsdatenspeichern vernetzt. Eine Reihe wissenschaftlicher Publikationen und interdisziplinärer Workshops hat sich in den vergangen ein bis zwei Jahrzehnten mit den Problemen des Alltagseinsatzes von CAS Systemen befasst. Mit steigender Intensität wurde hierbei auf den Mangel an infrastrukturiellen Grundlagen für die Vernetzung intraoperativ eingesetzter CAS Systeme miteinander und mit den perioperativ eingesetzten Planungs-, Dokumentations- und Archivierungssystemen hingewiesen. Die sich daraus ergebenden negativen Einflüsse auf die Effizienz perioperativer Abläufe - jedes Gerät muss manuell in Betrieb genommen und mit den spezifischen Daten des nächsten Patienten gefüttert werden - sowie die zunehmende Aufmerksamkeit, welche der Operateur und sein Team auf die Überwachung und dem Betrieb der einzelnen Geräte verwenden muss, werden als eine der "Kinderkrankheiten" dieser relativ jungen Technologie betrachtet und stehen einer Verbreitung über die Grenzen einer engagierten technophilen Nutzergruppe hinaus im Wege. Die vorliegende Arbeit zeigt zwei parallel von einander (jedoch, im Sinne der Schnittstellenkompatibilität, nicht gänzlich unabhängig voneinander) zu betreibende Ansätze zur Integration von CAS Systemen. - Für den perioperativen Datenaustausch wird die Spezifikation zusätzlicher Datenstrukturen zum Transfer chirurgischer Planungsdaten im Rahmen des in radiologischen Bildverarbeitungssystemen weit verbreiteten DICOM Standards vorgeschlagen und an zwei Beispielen vorgeführt. Die Erweiterung des DICOM Standards für den perioperativen Einsatz ermöglicht hierbei die nahtlose Integration chirurgischer Planungssysteme in existierende "Picture Archiving and Communication Systems" (PACS), welche in den meisten Fällen auf dem DICOM Standard basieren oder zumindest damit kompatibel sind. Dadurch ist einerseits der Tatsache Rechnung getragen, dass die patientenspezifische OP-Planung in hohem Masse auf radiologischen Bildern basiert und andererseits sicher gestellt, dass die Planungsergebnisse entsprechend der geltenden Bestimmungen langfristig archiviert und gegen unbefugten Zugriff geschützt sind - PACS Server liefern hier bereits wohlerprobte Lösungen. - Für die integration intraoperativer CAS Systeme, wie etwa Navigationssysteme, Videobildquellen oder Sensoren zur Überwachung der Vitalparameter, wird das Konzept einer "chirurgischen Middleware" vorgestellt. Unter dem Namen TiCoLi wurde eine c++ Klassenbibliothek entwickelt, auf deren Grundlage die Konfiguration von ad-hoc Netzwerken während der OP-Vorbereitung mittels plug-and-play Mechanismen erleichtert wird. Nach erfolgter Konfiguration ermöglicht die TiCoLi den Austausch kontinuierlicher Datenströme sowie einzelner Datenpakete und Kommandos zwischen den Modulen einer verteilten CAS Anwendung durch ein Ethernet-basiertes Netzwerk. Die TiCoLi ist die erste frei verfügbare Klassenbibliothek welche diese Funktionalitäten dediziert für einen Einsatz im chirurgischen Umfeld vereinigt. Zum Nachweis der Tauglichkeit der gezeigten Spezifikationen und deren Implementierungen, werden zwei modulare CAS Anwendungen präsentiert, welche die vorgeschlagenen DICOM Erweiterungen zum perioperativen Austausch von Planungsergebnissen sowie die TiCoLi zum intraoperativen Datenaustausch von Messdaten unter echzeitnahen Anforderungen verwenden