Brain Wearables: Optimizing the Evaluation of Ear-EEG Devices

Abstract

Electroencephalography (EEG) enabled earbuds represent a promising frontier in evaluating brain activity beyond traditional laboratory settings. However, these innovative devices need more comprehensive characterization before widespread health related usage. In response to this challenge, the present research project has developed a toolbox to facilitate and expand the assessment of ear-EEG devices. The first component of the toolbox is a user-friendly desktop application (“EaR-P Lab”) that integrates essential EEG validation paradigms, including Auditory Steady- State Responses (ASSR), Steady-State Visually Evoked Potentials (SSVEP), auditory and visual Event-Related Potentials (ERP) stimuli as well as Electrooculography (EOG) related tests. This application is designed to be used with EEG amplifiers compatible with the Lab Streaming Layer (LSL), streamlining the validation process of EEG devices. The second element of the toolbox introduces an adaptation of the phantom testing concept, originally applied to traditional scalp EEG, to the unique domain of ear-EEG by using 3D ear scans of specific tested individuals. This innovation facilitates a more rigorous and objective testing of custom form-fit ear-EEG devices. The EEG paradigms were validated with a control group of five subjects using a commercially available 12 electrode EEG system following research standards for EEG acquisition. For testing, data was acquired from five subjects with custom-fitted ear- EEG electrodes under wet and dry conditions. Conventional ERP waveform data from within-ear references were not observed, but frequency-based responses were present. Further analysis of one set of ear-EEG electrodes with the ear-EEG phantom developed in this project highlighted performance differences within the electrodes on the earpiece. Factoring this knowledge to select an optimal electrode reference resulted in increased response power on the ASSR. The utilization of this toolbox provided a better opportunity for the assessment of ear- EEG devices at the hardware and signal level by offering a readily available and expanded characterization process.

A aquisição de sinais eletroencefalográficos (EEG) através de dispositivos semelhantes a aparelhos auditivos é uma opção promissora para aceder à atividade cerebral, fora de um contexto laboratorial. No entanto, estes dispositivos carecem de validação e caracterização antes de poderem ser aplicado num contexto médico. Face a este desafio, neste projeto foi desenvolvido um conjunto de duas ferramentas que visam facilitar e expandir esta caracterização. A primeira componente é uma aplicação (EaR-P Lab) que integra testes essenciais na validação de sistemas EEG, incluindo respostas a estímulos baseados na sua frequência, respostas obtidas enquanto Potenciais Evocados (PE), e testes para aquisição de sinal electrooculográfico (EOG). Esta aplicação é usada com amplificadores de sinal compatíveis com o protocolo Lab Streaming Layer (LSL). Noutra vertente, o conceito de fantoma, foi aplicado ao nível do ouvido. Esta inovação permite uma caracterização mais objetiva de dispositivos auriculares personalizados. Os paradigmas foram validados num grupo de controlo de cinco sujeitos com um sistema de EEG de 12 elétrodos. Aquisições de EEG através do ouvido foram realizadas em grupos de cinco sujeitos (com e sem pasta condutora), validando os aparelhos personalizados. As respostas convencionais para PEs não foram observadas quando o sinal foi referenciado ao ouvido, mas respostas baseadas na frequência verificaram-se presentes. Análise posterior de um conjunto de aparelhos de EEG baseado no ouvido com o fantoma desenvolvido neste projeto destacaram diferenças de performance entre os elétrodos do aparelho. Utilizando este conhecimento para estabelecer uma melhor referência no ouvido, resultou numa melhoria da resposta auditiva em frequência. A implementação destas ferramentas promete ser um catalisador no futuro da validação e caracterização de dispositivos EEG baseados no ouvido, ao nível do aparelho físico e do sinal obtido através do mesmo.