專利名稱：能克服頭發(fā)障礙的陣列式柔性腦電干電極及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的裝置，具體是一種能克服頭發(fā)障礙的陣列式柔性腦電干電極及其制備方法。
背景技術(shù)：
人體組織細(xì)胞總是在自發(fā)地不斷地產(chǎn)生著很微弱的生物電活動。利用在頭皮上安放的電極將腦細(xì)胞的電活動引出來并經(jīng)腦電圖機放大后記錄在專門的紙上，即得出有一定波形、波幅、頻率和位相的圖形、曲線，即為腦電圖。當(dāng)腦組織發(fā)生病理或功能改變時，這種曲線即發(fā)生相應(yīng)的改變，從而為臨床診斷、治病提供依據(jù)。近年來，隨著微機電系統(tǒng)(MEMS:Micro-Electro_Mechanical Systems)技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，使得微電子設(shè)備和微傳感器等微型系統(tǒng)應(yīng)用范圍不斷擴大，已廣泛應(yīng)用于民用、醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域。結(jié)合MEMS技術(shù)腦電極的研究得到了迅速發(fā)展。傳統(tǒng)的腦電信號采集設(shè)備是基于濕電極的。使用者在使用腦電信號采集設(shè)備前， 必須要涂導(dǎo)電膏，以減少角質(zhì)層對采集到的腦電信號的影響。但是涂抹導(dǎo)電膏需要在外人輔助下進行，需要花費較長時間，而且濕的導(dǎo)電膏干后不能有效采集腦電，不利于長期采集腦電。近些年來，隨著微電極技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了干電極腦電信號采集設(shè)備。這種方式不僅能夠克服角質(zhì)層的電阻性，還可以避免涂抹導(dǎo)電膏的不便，而且由于采集到的信號是直接從生發(fā)層提取的，其采集到的信號甚至比濕電極腦電信號采集設(shè)備采集到的信號效果要好。目前針對采集腦電信號的干電極主要存在兩個問題一是在采集腦電的時候，人自身的頭發(fā)對腦電極的安放形成障礙，難以采集到有頭發(fā)區(qū)域的腦電信號，如何突破頭發(fā)的障礙是一個關(guān)鍵問題。二是用于采集腦電的干電極都是剛性的，這對使用者來說非常不舒適,也對使用者存在著潛在的危險。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，Chin-Teng Lin, Lun-De Liao等人在《IEEE TRANSACTIONS ON BIOMEDICAL ENGINEERING》58 (2011) 1200-1207 撰文“Novel Dry Polymer Foam Electrodes for Long-Term EEG Measurement” ( “應(yīng)用于長期腦電測量的創(chuàng)新聚合物泡沫干電極”《IEEE生物醫(yī)學(xué)工程會刊》)，該文提及采用呈方塊狀的導(dǎo)電泡沫制作能長期測量腦電的干電極，導(dǎo)電泡沫柔軟，可以緊貼皮膚，使用舒適，消除硬性材料制作的電極的對人體的潛在危險。但是，針對頭發(fā)區(qū)域的腦電采集，該文中電極的結(jié)構(gòu)很難克服頭發(fā)的障礙，無法有效地采集頭發(fā)區(qū)域的腦電信號。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足和缺陷，本發(fā)明提出一種能克服頭發(fā)障礙的陣列式柔性腦電干電極及其制備方法，可以柔性的并且是用于有頭發(fā)區(qū)域的腦電信號采集。該電極能快速獲得可靠穩(wěn)定的腦電信號，解決一直以來在采集腦電的時候受到頭發(fā)干擾的問題，同時也提高腦電極的舒適性和安全性。
本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)一種能克服頭發(fā)障礙的陣列式柔性腦電干電極，用于腦電信號的采集，所述柔性腦電干電極包括底座以及底座上伸出的呈陣列式的觸角，其表面具有一層導(dǎo)電金屬薄膜， 所述觸角可以插入頭發(fā)，達到皮膚的生發(fā)層進行腦電信號的采集。所述的柔性腦電干電極采用具有生物相容性聚合物材料聚二甲基硅氧烷制成。所述的柔性腦電干電極表面的導(dǎo)電金屬薄膜是通過MEMS (微機電系統(tǒng))工藝處理得到。一種制備上述柔性腦電干電極的方法，包括步驟如下I)利用機械加工的方法制作柔性干電極模具；2)將聚合物材料通過預(yù)處理后澆鑄在柔性干電極模具內(nèi)，經(jīng)過烘箱熱處理后形成預(yù)處理柔性干電極；3)在預(yù)處理柔性干電極表面濺射一層導(dǎo)電金屬薄膜，即可得到具有導(dǎo)電性能的柔性腦電干電極。所述柔性干電極模具包括上模座，中模座以及下模座。上述制備方法中，所述柔性干電極模具上模座是環(huán)狀，環(huán)形內(nèi)圓利用鏜刀加工。 內(nèi)圓的直徑?jīng)Q定了柔性干電極底座的大小，上模具的高度決定柔性干電極底座的厚度。上述制備方法中，所述柔性干電極模具中模座呈陣列形狀的通孔。通孔利用鉆床加工?？椎闹睆?jīng)Q定柔性干電極的觸角的大小，中模座的高度決定了柔性干電極觸角的長度。在設(shè)計中模具時，可以根據(jù)需要任意增加中模座的數(shù)量以改變觸角的長度。上述制備方法中，所述柔性干電極下模座具有和中模座相同陣列形狀和數(shù)量的圓孔，下模座的圓孔為盲孔。下模座的設(shè)計是為了利于脫模。上述制備方法中，所述的聚合物材料聚二甲基硅氧烷預(yù)處理是將預(yù)聚合的聚二甲基硅氧烷與固化劑質(zhì)量比10 I攪拌混合后抽去氣泡。上述制備方法中，所述的烘箱熱處理是指在烘箱中70°C熱處理2小時。所述的柔性干電極模具可以采用尼龍、不銹鋼、鋁材。所述柔性干電極是做預(yù)處理柔性干電極的基礎(chǔ)上利用MEMS工藝使預(yù)處理柔性干電極具備導(dǎo)電性。將預(yù)處理柔性干電極通過物理氣相沉積的方法在聚合物表面包裹一層致密的金屬薄膜(如鉬、金等)。本發(fā)明采用聚合物澆鑄的方法，結(jié)合MEMS制作工藝制作的柔性干電極，不但具有創(chuàng)新的陣列觸角結(jié)構(gòu)，而且具有柔性的特點。根據(jù)研究表明，腦電信號的主要區(qū)域在頭頂偏后的位置，不過該位置由于頭發(fā)造成的采集障礙，一直以來，采用干電極技術(shù)采集腦電信號都是將電極放置于額頭靠近發(fā)跡線處以避免頭發(fā)的干擾。本發(fā)明能將觸角插入頭發(fā)內(nèi)克服頭發(fā)的障礙，將電極放置于腦電信號豐富的位置，采集的腦電信號更為精確，同時也提高腦電極的舒適性和安全性。


圖1(1) 圖1(3)是本發(fā)明的柔性干電極模具示意圖；圖2是本發(fā)明的預(yù)處理柔性干電極成型過程示意圖；圖3是本發(fā)明預(yù)處理柔性干電極實物圖4是本發(fā)明柔性腦電干電極實物圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。如圖I (I) 圖I⑶所示，本實施例柔性干電極模具包括上模座1，中模座2，下模座3.其中模具材料為招。上模座I為環(huán)形結(jié)構(gòu)，內(nèi)圓半徑為8mm,外圓半徑為12mm。上模座I高度為5_。中模座2呈陣列形狀的通孔。下模座3具有和中模座2相同陣列形狀和數(shù)量的圓孔，下模座3的圓孔為盲孔。將上模座I、中模座2和下模座3用銷釘固定。如圖2所示，該圖為預(yù)處理柔性干電極4成型工藝圖。首先將聚合物聚二甲基硅氧烷按照一定的配比攪拌、抽真空，然后將抽過真空的聚二甲基硅氧烷澆注到柔性干電極模具內(nèi)，將柔性干電極模具放入烘箱內(nèi)，在70°C條件下兩小時固化后拿出，最后將預(yù)處理柔性干電極從柔性干電極模具內(nèi)取出。如圖3所示，將所得到的預(yù)處理柔性干電極放入真空濺射機，便可以在預(yù)處理柔性干電極4表面形成一層致密的金屬薄膜，得到具有導(dǎo)電性能的柔性腦電干電極5，如圖4 所示。本實施例中微針電極通過MEMS工藝將預(yù)處理柔性干電極放置濺射腔內(nèi)，濺射腔內(nèi)抽真空至約2X10_6T，設(shè)定射頻功率為150W，20 30分鐘后，便可在聚合物表面形成金屬薄膜。本實施例的工作原理為腦電信號是由腦組織內(nèi)數(shù)億個神經(jīng)元的活動產(chǎn)生,腦電圖是頭皮上通過腦電極將已存在于腦組織的電活動引出來，腦電信號反映了腦在任意時刻的功能狀態(tài)。通常情況腦電信號的采集是采用傳統(tǒng)的濕電極方法，濕電極在采集時需要經(jīng)過導(dǎo)電膏的輔助以及皮膚的處理，這對使用者造成極大的不便和不適。柔性腦電干電極無需導(dǎo)電膏的輔助和對皮膚的處理便可得到腦電信號，相比于皮膚準(zhǔn)備法的濕電極而言，此電極無需導(dǎo)電膏等來輔助腦電信號采集，大大降低采集的復(fù)雜程度，利于腦電信號的長期監(jiān)測采集。本實施例中當(dāng)本裝置應(yīng)用于腦電信號采集時，通過頭箍或者電極帽將柔性干電極固定于頭上，利用電極上的觸角可以穿過頭發(fā)接觸頭發(fā)。由于本發(fā)明是具有柔性功能，可以很好的跟隨人腦的曲面，增加電極與皮膚的接觸面積，減小電極頭皮與電極之間的接觸阻抗。通過對干電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計和材料的選擇，不但可以長期對腦電信號的采集，而且也避免的了頭發(fā)的干擾以及外部的噪聲。如表I所示，本實施例的實際應(yīng)用要求所用尺寸
權(quán)利要求
1.一種能克服頭發(fā)障礙的陣列式柔性腦電干電極，用于腦電信號的采集，其特征在于， 所述柔性腦電干電極包括底座以及底座上伸出的呈陣列式的觸角，其表面具有一層導(dǎo)電金屬薄膜，所述觸角可以插入頭發(fā)，達到皮膚的生發(fā)層進行腦電信號的采集。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的能克服頭發(fā)障礙的陣列式柔性腦電干電極，其特征在于，所述的柔性腦電干電極采用具有生物相容性聚合物材料聚二甲基硅氧烷制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的能克服頭發(fā)障礙的陣列式柔性腦電干電極，其特征在于，所述的柔性腦電干電極表面的導(dǎo)電金屬薄膜是通過MEMS (微機電系統(tǒng))工藝處理得到。
4.一種制備權(quán)利要求I至3所述的柔性腦電干電極的方法，其特征在于，包括步驟如下1)利用機械加工的方法制作柔性干電極模具；2)將聚合物材料通過預(yù)處理后澆鑄在柔性干電極模具內(nèi)，經(jīng)過烘箱熱處理后形成預(yù)處理柔性干電極；3)在預(yù)處理柔性干電極表面濺射一層導(dǎo)電金屬薄膜，即可得到具有導(dǎo)電性能的柔性腦電干電極。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的柔性腦電干電極的制備方法，其特征在于，所述柔性干電極模具包括上模座，中模座以及下模座。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的柔性腦電干電極的制備方法，其特征在于，所述上模座呈環(huán)狀，環(huán)形內(nèi)圓利用鏜刀加工，內(nèi)圓直徑?jīng)Q定柔性腦電干電極底座的大小，高度決定柔性干電極底座的厚度。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的柔性腦電干電極的制備方法，其特征在于，所述中模座呈陣列形狀的通孔，通孔利用鉆床加工，孔的直徑?jīng)Q定柔性干電極的觸角的大小，高度決定柔性干電極觸角的長度。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的柔性腦電干電極的制備方法，其特征在于，所述下模座具有和中模座相同陣列形狀和數(shù)量的圓孔，下模座的圓孔為盲孔。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的柔性腦電干電極的制備方法，其特征在于，所述聚合物材料預(yù)處理是將預(yù)聚合的聚二甲基硅氧烷與固化劑質(zhì)量比10 I攪拌混合后抽去氣泡。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的柔性腦電干電極的制備方法，其特征在于，所述的烘箱熱處理是指在烘箱中70°C熱處理2小時。
全文摘要
一種能克服頭發(fā)障礙的陣列式柔性腦電干電極及其制備方法，屬醫(yī)學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，用于腦電信號的采集，所述柔性腦電干電極包括底座以及底座上伸出的呈陣列式的觸角，其表面具有一層導(dǎo)電金屬薄膜，所述觸角可以插入頭發(fā)，達到皮膚的生發(fā)層進行腦電信號的采集。本發(fā)明所公開的干電極，因其柔性功能可以很好的與頭皮接觸，且利用現(xiàn)有的MEMS工藝和機械結(jié)構(gòu)，能夠很好的采集腦電信號，與傳統(tǒng)的濕電極相比，不需要皮膚準(zhǔn)備步驟，可以用于長期腦電信號的檢測。其結(jié)構(gòu)小巧，質(zhì)地柔軟，可以提高使用時的舒適性和安全性，使用起來方便快速，減少外部噪聲，可以完成微伏級腦電信號的高質(zhì)量記錄。
文檔編號A61B5/0478GK102579041SQ201210028938
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月9日
發(fā)明者劉景全, 楊斌, 楊春生, 王龍飛 申請人:上海交通大學(xué)