The Design and Development of a NIRS Cap for Brain Activity Monitoring

Ce mémoire de maitrise est consacrée à l'étude de casques dédiés aux systèmes d'imagerie clinique basés sur la spectroscopie proche infrarouge (SPIR) et leur rôle en portant cette technologie d'imagerie dans son objectif désigné comme un dispositif d'imagerie portable qui peut être utilisé avec des sujets mobiles. En tant qu'une composante non-électronique, les casques SPIR ont été la plupart du temps à l'écart des études, cependant, avec l'émergence de systèmes portables sur le marché, le rôle de tels casques devient essentiel, voire le chemin critique, pour stabiliser les optodes intégrés dans ces casques. Dans le cadre d'un projet multidisciplinaire de l'équipe Imaginc visant à mettre en oeuvre un dispositif d'imagerie multimodale EEG/SPIR portable, le travail présenté dans ce mémoire a été fait pour répondre aux exigences de plusieurs applications cliniques. Par conséquent, un casque dédié a été identifié permettant de maintenir le contact optodes/cuir chevelu quelle que soit la tâche demandée; En outre, le confort du patient est essentiel particulièrement pour le processus d'installation et pour les séances d'imagerie plus longues. Afin de répondre à ces préoccupations, ce mémoire a porté sur le développement de plusieurs modèles de casques qui sont actuellement utilisés dans les prototypes EEG/SPIR complétés. Cela nous a permis de réaliser la première étude comparative entre les modèles fonctionnels dans différentes conditions distinctes: statique, mouvement de la tête et de la marche. De plus, une méthode de calibration de contact des optodes a été proposée par l'identification de la pression exercée par le contact sur la tête. La pression mesurée permet de maintenir le contact du cuir chevelu/optode requise. Aussi, nous avons proposé un outil pour faire écarter les cheveux du contact optodes avec la tête. Ces dernières conceptions apporteront des solutions appropriées afin de mettre en oeuvre le casque d'enregistrement multimodal tant attendu. Le développement futur, basé sur des concepts de pinces robotiques de casques SPIR, présente un bon potentiel pour introduire des solutions d'installation efficace des optodes.

Abstract

This master thesis is dedicated to the study of near-infrared spectroscopy (NIRS) caps and their role in bringing this imaging technology into its designated goal as a clinical imaging device that can be used with freely moving subjects. As a non-electronic component, NIRS caps have been mostly left out of studies, however, with the emergence of portable NIRS systems into the market, the role of NIRS caps is becoming an integral part as an optode stabilization method. As a part of a multidisciplinary project of the Imaginc group aiming to create a multimodal portable EEG/NIRS imaging device, the work presented herein was made to accommodate the requirements of several clinical applications. Thus, an ideal cap was identified as a design capable of maintaining optode/scalp contact regardless of the required task; moreover, patient comfort is essential specially for longer imaging sessions. In order to address these concerns, the thesis focused on adapting and developing several models that are currently being used in NIRS and EEG systems into our current Imaginc device. This allowed us to perform the first comparative study between the working models in various distinct conditions: static, moving the head and walking. Moreover, a method to calibrate the optode contact was suggested by identifying cap contact pressure on the head and defining the pressure required to maintain good scalp/optode contact in addition to the pressure comfort margin on the head. Also, the design of hair-clearing sockets was presented, which is the first step towards creating a system than can be used by a single person, and reducing the time needed for NIRS system installation. This study concludes by possible future development of NIRS caps based on robotic gripper concepts which may create systems that can provide good optode stability and user comfort.