CN102579041B - 能克服头发障碍的阵列式柔性脑电干电极及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种能克服头发障碍的阵列式柔性脑电干电极及其制备方法，属医学技术领域，用于脑电信号的采集，所述柔性脑电干电极包括底座以及底座上伸出的呈阵列式的触角，其表面具有一层导电金属薄膜，所述触角可以***头发，达到皮肤的生发层进行脑电信号的采集。本发明所公开的干电极，因其柔性功能可以很好的与头皮接触，且利用现有的MEMS工艺和机械结构，能够很好的采集脑电信号，与传统的湿电极相比，不需要皮肤准备步骤，可以用于长期脑电信号的检测。其结构小巧，质地柔软，可以提高使用时的舒适性和安全性，使用起来方便快速，减少外部噪声，可以完成微伏级脑电信号的高质量记录。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种生物医学领域的装置，具体是一种能克服头发障碍的阵列式柔性脑电干电极及其制备方法。
背景技术
人体组织细胞总是在自发地不断地产生着很微弱的生物电活动。利用在头皮上安放的电极将脑细胞的电活动引出来并经脑电图机放大后记录在专门的纸上，即得出有一定波形、波幅、频率和位相的图形、曲线，即为脑电图。当脑组织发生病理或功能改变时，这种曲线即发生相应的改变，从而为临床诊断、治病提供依据。
近年来，随着微机电***(MEMS：Micro-Electro-Mechanical Systems)技术的不断发展和成熟，使得微电子设备和微传感器等微型***应用范围不断扩大，已广泛应用于民用、医学、军事等领域。结合MEMS技术脑电极的研究得到了迅速发展。
传统的脑电信号采集设备是基于湿电极的。使用者在使用脑电信号采集设备前，必须要涂导电膏，以减少角质层对采集到的脑电信号的影响。但是涂抹导电膏需要在外人辅助下进行，需要花费较长时间，而且湿的导电膏干后不能有效采集脑电，不利于长期采集脑电。近些年来，随着微电极技术的发展，出现了干电极脑电信号采集设备。这种方式不仅能够克服角质层的电阻性，还可以避免涂抹导电膏的不便，而且由于采集到的信号是直接从生发层提取的，其采集到的信号甚至比湿电极脑电信号采集设备采集到的信号效果要好。
目前针对采集脑电信号的干电极主要存在两个问题：一是在采集脑电的时候，人自身的头发对脑电极的安放形成障碍，难以采集到有头发区域的脑电信号，如何突破头发的障碍是一个关键问题。二是用于采集脑电的干电极都是刚性的，这对使用者来说非常不舒适，也对使用者存在着潜在的危险。
经对现有技术文献的检索发现，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”(“应用于长期脑电测量的创新聚合物泡沫干电极”《IEEE生物医学工程会刊》)，该文提及采用呈方块状的导电泡沫制作能长期测量脑电的干电极，导电泡沫柔软，可以紧贴皮肤，使用舒适，消除硬性材料制作的电极的对人体的潜在危险。但是，针对头发区域的脑电采集，该文中电极的结构很难克服头发的障碍，无法有效地采集头发区域的脑电信号。
发明内容
针对上述现有技术中存在的不足和缺陷，本发明提出一种能克服头发障碍的阵列式柔性脑电干电极及其制备方法，可以柔性的并且是用于有头发区域的脑电信号采集。该电极能快速获得可靠稳定的脑电信号，解决一直以来在采集脑电的时候受到头发干扰的问题，同时也提高脑电极的舒适性和安全性。
本发明通过以下技术方案实现：
一种能克服头发障碍的阵列式柔性脑电干电极，用于脑电信号的采集，所述柔性脑电干电极包括底座以及底座上伸出的呈阵列式的触角，其表面具有一层导电金属薄膜，所述触角可以***头发，达到皮肤的生发层进行脑电信号的采集。
所述的柔性脑电干电极采用具有生物相容性聚合物材料聚二甲基硅氧烷制成。
所述的柔性脑电干电极表面的导电金属薄膜是通过MEMS(微机电***)工艺处理得到。
一种制备上述柔性脑电干电极的方法，包括步骤如下：
1)利用机械加工的方法制作柔性干电极模具；
2)将聚合物材料通过预处理后浇铸在柔性干电极模具内，经过烘箱热处理后形成预处理柔性干电极；
3)在预处理柔性干电极表面溅射一层导电金属薄膜，即可得到具有导电性能的柔性脑电干电极。
所述柔性干电极模具包括上模座，中模座以及下模座。
上述制备方法中，所述柔性干电极模具上模座是环状，环形内圆利用镗刀加 工。内圆的直径决定了柔性干电极底座的大小，上模具的高度决定柔性干电极底座的厚度。
上述制备方法中，所述柔性干电极模具中模座呈阵列形状的通孔。通孔利用钻床加工。孔的直径决定柔性干电极的触角的大小，中模座的高度决定了柔性干电极触角的长度。在设计中模具时，可以根据需要任意增加中模座的数量以改变触角的长度。
上述制备方法中，所述柔性干电极下模座具有和中模座相同阵列形状和数量的圆孔，下模座的圆孔为盲孔。下模座的设计是为了利于脱模。
上述制备方法中，所述的聚合物材料聚二甲基硅氧烷预处理是将预聚合的聚二甲基硅氧烷与固化剂质量比10∶1搅拌混合后抽去气泡。
上述制备方法中，所述的烘箱热处理是指在烘箱中70℃热处理2小时。
所述的柔性干电极模具可以采用尼龙、不锈钢、铝材。
所述柔性干电极是做预处理柔性干电极的基础上利用MEMS工艺使预处理柔性干电极具备导电性。将预处理柔性干电极通过物理气相沉积的方法在聚合物表面包裹一层致密的金属薄膜(如铂、金等)。
本发明采用聚合物浇铸的方法，结合MEMS制作工艺制作的柔性干电极，不但具有创新的阵列触角结构，而且具有柔性的特点。根据研究表明，脑电信号的主要区域在头顶偏后的位置，不过该位置由于头发造成的采集障碍，一直以来，采用干电极技术采集脑电信号都是将电极放置于额头靠近发迹线处以避免头发的干扰。本发明能将触角***头发内克服头发的障碍，将电极放置于脑电信号丰富的位置，采集的脑电信号更为精确，同时也提高脑电极的舒适性和安全性。
附图说明
图1(1)～图1(3)是本发明的柔性干电极模具示意图；
图2是本发明的预处理柔性干电极成型过程示意图；
图3是本发明预处理柔性干电极实物图；
图4是本发明柔性脑电干电极实物图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1(1)～图1(3)所示，本实施例柔性干电极模具包括：上模座1，中模座2，下模座3.其中模具材料为铝。上模座1为环形结构，内圆半径为8mm，外圆半径为12mm。上模座1高度为5mm。中模座2呈阵列形状的通孔。下模座3具有和中模座2相同阵列形状和数量的圆孔，下模座3的圆孔为盲孔。将上模座1、中模座2和下模座3用销钉固定。
如图2所示，该图为预处理柔性干电极4成型工艺图。首先将聚合物聚二甲基硅氧烷按照一定的配比搅拌、抽真空，然后将抽过真空的聚二甲基硅氧烷浇注到柔性干电极模具内，将柔性干电极模具放入烘箱内，在70℃条件下两小时固化后拿出，最后将预处理柔性干电极从柔性干电极模具内取出。
如图3所示，将所得到的预处理柔性干电极放入真空溅射机，便可以在预处理柔性干电极4表面形成一层致密的金属薄膜，得到具有导电性能的柔性脑电干电极5，如图4所示。
本实施例中微针电极通过MEMS工艺：将预处理柔性干电极放置溅射腔内，溅射腔内抽真空至约2X10-6T，设定射频功率为150W，20～30分钟后，便可在聚合物表面形成金属薄膜。
本实施例的工作原理为：脑电信号是由脑组织内数亿个神经元的活动产生，脑电图是头皮上通过脑电极将已存在于脑组织的电活动引出来，脑电信号反映了脑在任意时刻的功能状态。通常情况脑电信号的采集是采用传统的湿电极方法，湿电极在采集时需要经过导电膏的辅助以及皮肤的处理，这对使用者造成极大的不便和不适。柔性脑电干电极无需导电膏的辅助和对皮肤的处理便可得到脑电信号，相比于皮肤准备法的湿电极而言，此电极无需导电膏等来辅助脑电信号采集，大大降低采集的复杂程度，利于脑电信号的长期监测采集。
本实施例中：当本装置应用于脑电信号采集时，通过头箍或者电极帽将柔性干电极固定于头上，利用电极上的触角可以穿过头发接触头发。由于本发明是具有柔性功能，可以很好的跟随人脑的曲面，增加电极与皮肤的接触面积，减小电极头皮与电极之间的接触阻抗。通过对干电极结构的设计和材料的选择，不但可 以长期对脑电信号的采集，而且也避免的了头发的干扰以及外部的噪声。
如表1所示，本实施例的实际应用要求所用尺寸：
表1
本发明用于脑电信号采集的柔性脑电干电极结构结合现有的MEMS技术加上设计巧妙的结构，能够很好的采集脑电信号，与传统的湿电极相比，不需要皮肤准备步骤，可以用于长期脑电信号的检测。其结构小巧，使用方便快速，可以完成微伏级脑电信号的高质量记录。
Claims (8)
1.一种能客服头发障碍的阵列式柔性脑电干电极的制备方法，包括步骤如下：
1）利用机械加工的方法制作柔性干电极模具；
2）将聚合物材料通过预处理后浇铸在柔性干电极模具内，经过烘箱热处理后形成预处理柔性干电极；
3）在预处理柔性干电极表面溅射一层导电金属薄膜，即可得到具有导电性能的柔性脑电干电极；
所述柔性干电极模具包括上模座，中模座以及下模座；
所述柔性脑电干电极包括底座以及底座上伸出的呈阵列式的触角，其表面具有一层导电金属薄膜，所述触角可以***头发，达到皮肤的生发层进行脑电信号的采集。
2.根据权利要求1所述的能客服头发障碍的阵列式柔性脑电干电极的制备方法，其特征在于，所述的柔性脑电干电极采用具有生物相容性聚合物材料聚二甲基硅氧烷制成。
3.根据权利要求1所述的能客服头发障碍的阵列式柔性脑电干电极的制备方法，其特征在于，所述的柔性脑电干电极表面的导电金属薄膜是通过MEMS工艺处理得到。
4.根据权利要求1所述的能客服头发障碍的阵列式柔性脑电干电极的制备方法，其特征在于，所述上模座呈环状，环形内圆利用镗刀加工，内圆直径决定柔性脑电干电极底座的大小，高度决定柔性干电极底座的厚度。
5.根据权利要求1所述的能客服头发障碍的阵列式柔性脑电干电极的制备方法，其特征在于，所述中模座呈阵列形状的通孔，通孔利用钻床加工，孔的直径决定柔性干电极的触角的大小，高度决定柔性干电极触角的长度。
6.根据权利要求1所述的能客服头发障碍的阵列式柔性脑电干电极的制备方法，其特征在于，所述下模座具有和中模座相同阵列形状和数量的圆孔，下模座的圆孔为盲孔。
7.根据权利要求1所述的能客服头发障碍的阵列式柔性脑电干电极的制备方法，其特征在于，所述聚合物材料预处理是将预聚合的聚二甲基硅氧烷与固化 剂质量比10：1搅拌混合后抽去气泡。
8.根据权利要求1所述的能客服头发障碍的阵列式柔性脑电干电极的制备方法，其特征在于，所述的烘箱热处理是指在烘箱中70°C热处理2小时。
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