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

RESUME Ce memoire de maitrise est consacree a l'etude de casques dedies aux systemes d’imagerie clinique bases sur la spectroscopie proche infrarouge (SPIR) et leur role en portant cette technologie d'imagerie dans son objectif designe comme un dispositif d'imagerie portable qui peut etre utilise avec des sujets mobiles. En tant qu’une composante non-electronique, les casques SPIR ont ete la plupart du temps a l'ecart des etudes, cependant, avec l'emergence de systemes portables sur le marche, le role de tels casques devient essentiel, voire le chemin critique, pour stabiliser les optodes integres dans ces casques. Dans le cadre d'un projet multidisciplinaire de l’equipe Imaginc visant a mettre en oeuvre un dispositif d'imagerie multimodale EEG/SPIR portable, le travail presente dans ce memoire a ete fait pour repondre aux exigences de plusieurs applications cliniques. Par consequent, un casque dedie a ete identifie permettant de maintenir le contact optodes/cuir chevelu quelle que soit la tâche demandee; En outre, le confort du patient est essentiel particulierement pour le processus d'installation et pour les seances d'imagerie plus longues. Afin de repondre a ces preoccupations, ce memoire a porte sur le developpement de plusieurs modeles de casques qui sont actuellement utilises dans les prototypes EEG/SPIR completes. Cela nous a permis de realiser la premiere etude comparative entre les modeles fonctionnels dans differentes conditions distinctes: statique, mouvement de la tete et de la marche. De plus, une methode de calibration de contact des optodes a ete proposee par l'identification de la pression exercee par le contact sur la tete. La pression mesuree permet de maintenir le contact du cuir chevelu/optode requise. Aussi, nous avons propose un outil pour faire ecarter les cheveux du contact optodes avec la tete. Ces dernieres conceptions apporteront des solutions appropriees afin de mettre en oeuvre le casque d’enregistrement multimodal tant attendu. Le developpement futur, base sur des concepts de pinces robotiques de casques SPIR, presente 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.