Entwicklung einer berührungslosen EEG-Mütze mittels kapazitiver Elektroden

Non-contact capacitive electrodes for bioelectric diagnostics provide an interesting alternative to classical galvanically coupled electrodes. Such a low cost diagnostic system can be applied without preparation time and in mobile wireless environments. For even higher user comfort textile capacitive electrodes are preferable. In this work, a comprehensive model for the electronic noise properties and frequency dependent responses of PCB-based, as well as textile non-contact capacitive electrodes, is presented. A thorough study of the influence of the electrical components on the resulting noise properties of these electrodes, is provided by independently measuring the corresponding noise spectra. The most important low frequency noise source of capacitive electrode is the necessary high input bias resistance. By comparing the noise measurements with the theoretical noise model of the electrode, it is concluded that the surface of the electrode contributes to an additional 1/f-power noise. It is also found that the highest possible coupling capacitance is most favorable for low noise behavior. Therefore, we implemented electrodes with electrically conducting fabric surfaces. With these electrodes, it is possible to enlarge the surface of the electrode while simultaneously maintaining a small distance between the body and the electrode over the whole surface area, thus maximizing the capacitance. We also show that the use of textile capacitive electrodes, reduces the noise considerably. Furthermore, this thesis describes the construction of a capacitive non-contact textile electroencephalography measuring hat (cEEG hat) with seven measuring channels. This hat benefits from the low noise characteristics of the integrated developed textile capacitive electrodes. The measured noise spectrum of this cEEG hat shows low noise characteristics at low frequencies. This fulfills many requirements for measuring brain signals. The implemented cEEG hat is comfortable to wear during very long measurements and even during sleep periods. In contrast to common methods, the cEEG hat provides a possibility of measuring EEG signal during sleep outside laboratories and in the comfort of home. EEG sleep measurements shown in this work, are recorded inside a normal apartment. The possibility of brain computer interface application is also shown by measuring steady state visually evoked potentials (SSVEP) at different frequencies.Berührungslose, kapazitive Elektroden für bioelekrische Untersuchungen stellen eine interessante Alternative zu klassischen galvanisch gekoppelten Elektroden dar. Ein solches preisgünstiges Diagnosesystem kann ohne lange Vorbereitungszeit und in mobilen Umgebungen eingesetzt werden. Für gesteigerten Tragekomfort sind textile Elektroden von Vorteil. In dieser Arbeit wird eine umfassende Beschreibung der elektronischen Rauscheigenschaften und des frequenzabhängigen Verhaltens von sowohl platinenbasierten, als auch textilen kapazitiven Elektroden vorgestellt. Die Einflüsse aller elektronischen Komponenten auf die resultierenden Rauscheigenschaften werden durch Messungen der entsprechenden Rauschspektren untersucht. Die wichtigste niederfrequente Rauschquelle kapazitiver Elektroden stellt der notwendige und zugleich hohe Bias-Eingangswiderstand dar. Durch Vergleich der gemessenen Rauschspektren mit dem theoretischen Modell wird die Oberfläche der Elektroden als eine zusätzliche 1/f-Rauschquelle identifiziert. Dabei ist die größtmögliche Kopplungskapazität vorteilhaft für ein niedriges Rauschen. Deshalb setzen wir im Folgenden Elektroden aus elektrisch leitfähigen Textilien ein. Mit diesen Elektroden ist es möglich, die Oberfläche der Elektrode unter gleichzeitiger Beibehaltung eines kleinen Abstandes zum Körper zu vergrößern. Dies maximiert wiederum die Kapazität. Wir zeigen zudem, dass die Verwendung textiler kapazitiver Elektroden die Rauscheigenschaften deutlich verbessert. Desweiteren wird in dieser Arbeit die Konstruktion eines kapazitiven, berührungslosen EEG-Helmes (cEEG-Mütze) mit sieben Kanälen beschrieben. Dieser Helm profitiert von den guten Rauscheigenschaften der zuvor entwickelten und hier integrierten textilen Elektroden. Die gemessenen Rauschspektren zeigen ein niedriges Rauschen im unteren Frequenzbereich. Dies erfüllt viele Voraussetzungen für die Messung von Gehirnsignalen. Die erstellte cEEG-Mütze lässt sich während langer Messzeiten und Schlafperioden angenehm tragen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden ermöglicht sie Messungen außerhalb von Laboratorien und im gewohnten Umfeld. Alle in dieser Arbeit gezeigten Schlafmessungen wurden in einer normalen Wohnung aufgezeichnet. Außerdem wird die Einsatzmöglichkeit für sogenannte ”Gehirn-Computer-Schnittstellen” anhand der Messung von ”steady state visually evoked potentials” (SSVEP) Signalen bei verschiedenen Frequenzen demonstriert

Noise properties of textile, capacitive EEG electrodes

The rigid surface of the conventional PCB-based capacitive electrode produces an undefined distance between the skin and the electrode surface. Therefore, the capacitance introduced by them is uncertain and can vary from electrode to electrode due to their different positions on the scalp. However, textile electrodes which use conductive fabric as electrode surfaces, are bendable over the scalp. Therefore, it provides a certain value of the capacitance which is predictable and calculable accurately if the effective distance to the scalp surface can be determined. In this paper noise characteristics of textile electrodes with different fabric sizes as electrode’s surface and capacity calculations related to each size are presented to determine the effective distances for each electrode size