Design, fabrication, and characterization of flexible electrodes for recording brain electrical activity

Gnonhoue, Olatoundji George (2026). Design, fabrication, and characterization of flexible electrodes for recording brain electrical activity. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Electroencephalography (EEG) is an essential technique for analyzing brain activity, widely used in medical diagnostics, brain-computer interfaces, and neuroergonomics. However, conventional electrodes, often wet, rigid or semi-flexible, have limitations in terms of comfort, morphological adaptability, and signal stability. This thesis aims to design, fabricate, and characterize new high-performance flexible electrodes that optimize EEG signal quality, flexibility, comfort, and ergonomics

In this study, several conductive polymer composites were explored, including SEBS, SEBS MA, and EVA-based materials incorporating carbon nanotubes and carbon black. These materials were selected and optimized to combine electrical conductivity, flexibility, and mechanical stability. The fabrication of the multi-branched electrode configuration was carried out through chemical dissolution in a solvent, followed by mechanical compression, ensuring optimal integration at the scalp interface.

The characterization of the electrodes was structured around three main aspects:
- Mechanical properties: Evaluation of the storage modulus as a function of temperature to assess the flexibility and resistance of the composites.
- Electrical properties: Analysis of conductivity and electrochemical impedance to optimize the quality of skin contact.
- EG performance: Comparison of recorded signals with those obtained using commercial flexible electrodes to evaluate signal fidelity.

The results demonstrate that SEBS-MA/8%wtCNT/2%wtCB-based flexible electrodes offer a promising alternative to conventional electrodes, providing an optimal balance between flexibility and conductivity. Furthermore, an in-depth analysis of EEG signals highlights improved flexibility and enhanced signal stability, particularly during prolonged recordings.

These advances open new perspectives for portable EEG, particularly in the context of digital health applications and individualized monitoring, by enabling the development of flexible electrodes suited for the continuous and personalized recording of brain activity. They also represent an important driver for brain–computer interfaces, by meeting the growing demands of applied neuroscience.

Titre traduit

Conception, fabrication et caractérisation d’électrodes flexibles pour l’enregistrement de l’activité électrique cérébrale

Résumé traduit

L’électroencéphalographie (EEG) est une technique essentielle pour l’analyse de l’activité cérébrale, largement utilisée dans le diagnostic médical, les interfaces cerveau-machine et la neuroergonomie. Cependant, les électrodes conventionnelles, dites « humides », qu’elles soient rigides ou semi-flexibles, présentent des limitations en termes de confort, d’adaptabilité morphologique et de stabilité du signal. Cette thèse vise à concevoir, fabriquer et caractériser de nouvelles électrodes flexibles haute performance, optimisant à la fois la qualité des enregistrements EEG, la flexibilité, le confort et l’ergonomie.

Dans cette étude, plusieurs composites polymères conducteurs ont été explorés, notamment des matériaux à base de SEBS, SEBS-MA et EVA, intégrant des nanotubes de carbone et du noir de carbone. Ces matériaux ont été sélectionnés et optimisés afin de combiner conductivité électrique, flexibilité et stabilité mécanique. La fabrication des électrodes en configuration multibroches a été réalisée par dissolution chimique dans un solvant, suivie d’une compression mécanique, garantissant une intégration optimale à l’interface cuir-chevelu.

La caractérisation des électrodes s’est articulée autour de trois axes principaux :
- Propriétés mécaniques : Évaluation du module de stockage en fonction de la température afin de déterminer la souplesse et la résistance des composites.
- Propriétés électriques : Analyse de la conductivité et de l’impédance électrochimique pour optimiser la qualité du contact avec la peau.
- Performance EEG : Comparaison des signaux enregistrés avec ceux obtenus à l’aide d’électrodes flexibles commerciales afin d’évaluer la fidélité du signal.

Les résultats démontrent que les électrodes flexibles à base de SEBS-MA/8%wtCNT/2%wtCB constituent une alternative prometteuse aux électrodes classiques, offrant un équilibre optimal entre flexibilité et conductivité. De plus, l’analyse approfondie des signaux EEG met en évidence une meilleure flexibilité et une stabilité accrue du signal, notamment lors d’enregistrements prolongés.

Ces avancées ouvrent de nouvelles perspectives pour l’EEG portable, en particulier dans le cadre des applications de santé numérique et du suivi individualisé, en permettant le développement d’électrodes flexibles adaptées à l’enregistrement continu et personnalisé de l’activité cérébrale. Elles constituent également un levier important pour les interfaces cerveau–machine, en répondant aux exigences croissantes des neurosciences appliquées.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of Doctor of Philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 219-278).
Mots-clés français:	électroencéphalographie, électrodes flexibles, composites polymères conducteurs
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur(-trice) Tabiai, Ilyass
Codirecteur:	Codirecteur(-trice) de mémoire/thèse David, Éric
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	05 mai 2026 13:26
Dernière modification:	05 mai 2026 13:26
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3896

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