CN114795230A - 一种用于记录脑电信号的植入式无线神经传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种用于记录脑电信号的植入式无线神经传感器，属于医疗器械以及神经生物材料与微电子微加工领域。本发明包括柔性棋盘格式脑电电极、外引线、连接器、无线信号放大器和电池。柔性棋盘格式脑电电极是双面电极包括第一层柔性衬底层、第一层金属层、第一层柔性绝缘层、第二层柔性衬底层、第二层金属层、第二层柔性绝缘层。金属位点表面没有柔性绝缘层，金属连接线由侧面伸出，起于金属位点，相互绝缘的金属连接线为一束引出；所述柔性衬底层和柔性绝缘层均选自生物相容性材料。柔性棋盘格式脑电电极采用柔性微纳加工方法制备，采用聚乙二醇封装辅助植入。本发明具有电极尺寸小、位点多、易植入、对脑组织损伤较小的优点。

Description

一种用于记录脑电信号的植入式无线神经传感器
技术领域
本发明属于医疗器械以及神经生物材料与微电子微加工的技术领域，具体涉及一种用于记录脑电信号的植入式无线神经传感器的制造方法和植入方法。
背景技术
在没有特定的外界刺激时，神经***自发产生的电位变化为自发脑电；这种自发脑电信号对我们了解和认知动物的行为有重要意义，通过检测并记录、解析脑电信号就可以分辨出引发脑电变化的动作意向，把思维活动转变成命令信号驱动外部设备，实现人脑对外部环境的控制与通讯。脑机接口的研究在医学、探测和军事等领域有着广泛的应用前景。
当前脑机接口发展前景广阔，无线神经传感器摆脱线的约束，已经成为大趋势。非植入式电极发展成熟，能无创的对大脑的活动进行记录。然而其缺点非常显著，易受干扰且信号较为微弱。植入式电极里皮层脑电图发展迅速，其通过将电极贴附于硬脑膜下方来记录信号，没有了颅骨和头发等干扰，信号较非植入式电极好，对脑部的损伤也较小；然而它只能测量头皮表面的信号，更深的脑区信号无法被读取。穿刺型电极相较于以上两种电极来说，读取大脑信号质量更高更好。
然而植入式电极也存在一些问题：电极长期植入脑组织，会产生一系列的炎症反应，导致信号读取和传输出现问题，还会导致脑组织的损伤甚至坏死。上述影响因素很多，主要包括：(1)电极的植入过程；(2)电极本身尺寸过大；(3)电极的硬度较高，和脑组织的机械性能不匹配；(4)植入之后电极的微小移动。
要解决上述弊端，需要做如下改进：(1)尽量优化电极的植入过程；(2)在保证记录信号的稳定与高质量的情况下尽可能的减小电极尺寸；(3)应用柔性材料，降低神经电极与脑组织之间的机械不匹配；
综上所述，一个理想的植入式脑电电极需要满足：(1)材料的生物相容性较高；(2)柔性，且与脑组织弹性模量相匹配；(3)方便植入，植入方式对脑组织的损伤尽可能的小，不造成二次伤害；(4)记录信号的长期稳定性。
植入式电极想要完全满足以上条件是非常困难的，因此，设计一种柔性、易植入、体积小、损伤小的植入式电极非常重要。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种用于记录脑电信号的植入式无线神经传感器及植入方法，具有如下优点，(1)柔性材料的生物相容性较高；(2)柔性材料与脑组织弹性模量相匹配；(3)方便植入，植入方式对脑组织的损伤尽可能的小，不造成二次伤害；(4)记录信号的长期稳定性，电信号质量较高。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种用于记录脑电信号的植入式无线神经传感器，包括柔性棋盘格式脑电电极、外引线、连接器、无线信号放大器和电池。所述电极与引线连接，将采集到的脑电信号经由连接器和无线信号放大器传输给接收装置；所述连接器安装在用聚碳酸酯包被的陶瓷电路板上，使用牙科丙烯酸将陶瓷电路板固定在距离植入部位不远的颅骨上；所述无线信号放大器置于连接器上。
所述柔性棋盘格式脑电电极为双面电极，按从上到下顺序为第一层柔性绝缘层，第二层金属导电层，第三层柔性衬底层，第四层柔性衬底层，第五层金属导电层与第六层柔性绝缘层。所述柔性衬底层顶端为尖端、细长的长方形结构；在所述柔性衬底层表面溅射金属导电层。在所述金属导电层表面气相沉积柔性绝缘层，使得所述柔性棋盘格式脑电电极表面平整，且具有更好的绝缘作用。同一侧的所述金属导电层需保证间隔布置。两侧的所述金属导电层需保证相互交错布置。所述金属连接线由侧面伸出，起于金属位点，相互绝缘。所述金属连接线顶端为一束引出，与外引线相连。所述金属连接线从侧面引出，能够显著减小因连接线而导致电极宽度大幅度增加，且电极位点无法增多的问题。
所述柔性衬底层和柔性绝缘层的材料为聚酰亚胺、聚对二甲苯或SU-8光刻胶的任意一种；该柔性衬底层与柔性绝缘层的材料为同一种；第一层柔性衬底层与第二层柔性衬底层的厚度为1μm～20μm，优选为9μm；第一层柔性绝缘层与第二层柔性绝缘层的厚度为100nm～1000nm，优选为550nm；所述绝缘层与衬底层较薄，使得所述电极整体尺寸仅为2～40μm，优选为20μm，显著降低电极与脑组织之间的机械不匹配以及减少组织的炎症反应与损伤；柔性材料的选择使得与硅电极相比较软，与脑组织的弹性模量更为匹配。
所述柔性衬底层与金属层之间有粘附层；粘附层所用材料优选为钛，粘附层的厚度为10nm～100nm，优选为50nm；粘附层使得衬底层与金属导电层之间的粘附性能更好，有利于记录信号的长期稳定。
所述第一层金属层和第二层金属层的材料为导电性能良好的金属；两层金属层所用材料为同一种；优选为铂。两层金属层的厚度为100nm～1000nm，优选为500nm。所述导电性能良好的金属材料包括铂、金、氧化铱。
第一层金属层和第二层金属层的电极触点均为正方形；每个电极触点的面积为100～1000μm2，优选为400μm2；每个电极的连接线宽度为1～50μm，优选为1.5μm；电极位点数为10～1000个；采用双面电极阵列排布，两个金属层的电极位点错开排列；所述电极位点较多，并且采用双面交错排列的方式，能够长期记录多个位置的脑电信号。
本发明还公开植入式柔性棋盘格式脑电电极的制造方法，用于制造所述植入式柔性棋盘格式脑电电极，包括如下步骤：
(1)在硅晶片上均匀涂一层牺牲层，烘干。
(2)在步骤(1)处理后得到的硅晶片上气相沉积柔性衬底层材料。
(3)在步骤(2)处理后得到的硅晶片上溅射粘附层金属和金属层金属。
(4)在步骤(3)处理后得到的硅晶片上旋涂一层光刻胶，曝光光致抗蚀剂，获得金属层和电极所需的图案。
(5)去除暴露的金属层区域；除去剩余的光刻胶。
(6)在金属层之上无电极记录位点的区域均匀涂一层柔性绝缘层材料，固化。
(7)腐蚀掉牺牲层，把两个不一样的电极背向粘贴，形成双面电极。
(8)将步骤(7)处理后的电极侧向放置并固定，重复步骤(3)～步骤(6)，制备出金属连接线。
(9)将该电极放置于模型中；
(10)注射聚乙二醇溶液，进行固化处理，得到柔性棋盘格式脑电电极。
本发明还公开植入式柔性棋盘格式脑电电极的植入方法，包括所述植入式柔性棋盘格式脑电电极的制造方法的步骤(1)至步骤(10)，还包括步骤(11)
(11)将步骤(10)处理后的柔性棋盘格式脑电电极，采用聚乙二醇辅助，将凝固后的柔性棋盘格式脑电电极，精准快速地垂直植入到大脑皮层的预定位置。该植入过程避免现有柔性电极植入时较粗牵引针的同步植入过程，有效减少植入过程中的组织损伤。植入后，聚乙二醇能够很快溶解，且不会对组织产生不良影响；该植入方式不会对组织造成二次伤害，损伤较小。
有益效果：
(1)本发明公开的一种用于记录脑电信号的植入式无线神经传感器，该植入式柔性棋盘格式脑电电极的衬底层材料和绝缘层材料均为柔性材料，与硅电极相比较软，与脑组织的弹性模量更为匹配。且该电极为细长结构，在植入之后对脑组织的损伤较小。
(2)本发明公开的一种用于记录脑电信号的植入式无线神经传感器，植入式柔性棋盘格式双面脑电电极的相对密度较高，通道数翻倍，单个电极上的位点多且单个电极位点2面积较大，能够更容易的采集较多位置的脑电信号。
(3)本发明公开的一种用于记录脑电信号的植入式无线神经传感器，植入式柔性棋盘格式脑电电极采用聚乙二醇辅助植入，聚乙二醇生物相容性好，在植入之后能够快速溶解，不会造成二次伤害，并且弥补了该电极硬度不足以植入的缺点。
(4)本发明公开的一种用于记录脑电信号的植入式无线神经传感器，柔性棋盘格式脑电电极的材料为柔性生物相容性材料，且整体为长方体结构，记录信号长期稳定，记录的脑电信号质量较高。
附图说明
图1为本发明植入式柔性棋盘格式双面脑电电极的结构示意图；
图2为微电极阵列电极位点2局部放大示意图；
图3为微电极阵列电极连接线局部放大示意图；
图4为植入式无线神经传感器整体图；
图5为电极植入大脑的整体示意图；
图6为植入式无线神经传感器植入大脑的整体示意图；
其中：1—柔性衬底层、2—电极位点、3—柔性绝缘层、4—金属连接线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案以及优点更加的清楚明了，以下结合具体实施案例，并参照附图，对本发明进行进一步说明。但是下述实施案例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或者限制本发明的权利保护范围，本发明的发明保护范围以权利要求书为准。
如图1、图2所示，本发明公开的一种用于记录脑电信号的植入式无线神经传感器，包括柔性棋盘格式脑电电极、外引线、连接器、无线信号放大器和电池。所述电极与引线连接，将采集到的脑电信号经由连接器和无线信号放大器传输给接收装置；所述连接器安装在用聚碳酸酯包被的陶瓷电路板上，使用牙科丙烯酸将陶瓷电路板固定在距离植入部位不远的颅骨上；所述无线信号放大器置于连接器上。
所述柔性棋盘格式脑电电极为棋盘格式双面电极，该双面电极主要由第一层柔性衬底层1、第二层金属层、第三层柔性绝缘层3、第四层柔性衬底层1、第五层金属层、第六层柔性绝缘层3组成；所述柔性棋盘格式脑电电极的金属位点表面没有柔性绝缘层3，金属连接线4由侧面伸出，起于金属位点，相互绝缘的金属连接线4为一束引出；所述柔性衬底层1和柔性绝缘层3均选自生物相容性材料。
所述柔性衬底层1和柔性绝缘层3的材料为聚对二甲苯；该柔性衬底层1与柔性绝缘层3的材料为同一种；第一层柔性衬底层1与第二层柔性衬底层1的厚度为9μm；第一层柔性绝缘层3与第二层柔性绝缘层3的厚度为550nm。
所述柔性衬底层1与金属层之间有粘附层；粘附层所用材料为钛，粘附层的厚度为50nm。
所述第一层金属层和第二层金属层的材料为铂；两层金属层所用材料为同一种。两层金属层的厚度为500nm。
第一层金属层和第二层金属层的电极触点均为正方形；每个电极触点的面积为400μm2；每个电极的连接线宽度为1.5μm；电极位点2数为100个；采用双面电极阵列排布，两个金属层的电极位点2错开排列。
本实施例还公开植入式柔性棋盘格式脑电电极的制造方法，用于制造所述植入式柔性棋盘格式脑电电极，具体实现步骤如下：
首先在干净的4英寸硅晶片衬底上沉积一层铝牺牲层。
使用气相沉积***在铝牺牲层上沉积9μm厚的聚对二甲苯层。使用溅射***先后在聚对二甲苯层上沉积50nm厚的Ti层和500nm厚的铂层。
接下来，在铂层上旋涂一层光刻胶，并在90℃的烘箱中烘烤20分钟。然后使用铬掩模曝光光致抗蚀剂，获得电极所需的图案。光致抗蚀剂被显影，并且在氧等离子体清洗之后，通过离子研磨去除暴露的铂区域。应用超声波振动在丙酮中除去剩余的光刻胶。
再次沉积一层550nm厚的聚对二甲苯。紧接着进行第二次光刻：旋涂光刻胶，与上一步相同，使用铬掩模曝光光致抗蚀剂，获得绝缘层所需图案；光致抗蚀剂被显影，并且在氧等离子体清洗之后，通过离子研磨去除暴露的聚对二甲苯绝缘层；最后除去剩余的光刻胶。
采用弱碱性溶液KOH洗掉铝牺牲层，释放探针。
采用相同的方法制造一个类似的探针，但是电极位置错位排列。采用医用硅胶以双面粘贴的方法把两个探针背面粘贴到一起。
电极侧向向上置于干净的硅晶片上，先溅射550nm的Au层，第三次光刻，目的是获得电极连接线所需图案。
各个连接线的绝缘处理：在电极侧面继续旋涂一层绝缘层。
将该电极放置在模型中；注射聚乙二醇溶液，所述聚乙二醇的分子量4000；进行固化处理；聚乙二醇包裹下的电极整体直径约为50μm；
本实施例还公开植入式柔性棋盘格式脑电电极的植入方法，包括所述植入式柔性棋盘格式脑电电极的制造方法的步骤，还包括如下步骤，采用聚乙二醇辅助，使用显微镜、摄像头以及气动植入装置等设备，将凝固后的柔性棋盘格式脑电电极，精准快速地垂直植入到预定的位置。该值入过程避免现有柔性电极植入时较粗牵引针的同步植入过程，有效减少植入过程中的组织损伤。植入后，聚乙二醇能够很快溶解，且不会对组织产生不良影响；该植入方式不会对组织造成二次伤害，损伤较小。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于记录脑电信号的植入式无线神经传感器，其特征在于：包括柔性棋盘格式脑电电极、外引线、连接器、无线信号放大器和电池；所述电极与引线连接，将采集到的脑电信号经由连接器和无线信号放大器传输给接收装置；所述连接器安装在用聚碳酸酯包被的陶瓷电路板上，使用牙科丙烯酸将陶瓷电路板固定在距离植入部位不远的颅骨上；所述无线信号放大器置于连接器上。
2.如权利要求1所述的一种用于记录脑电信号的植入式无线神经传感器，其特征在于：所述柔性棋盘格式脑电电极为双面电极，按从上到下顺序为第一层柔性绝缘层，第二层金属导电层，第三层柔性衬底层，第四层柔性衬底层，第五层金属导电层与第六层柔性绝缘层；所述柔性衬底层顶端为尖端、细长的长方形结构；在所述柔性衬底层表面溅射金属导电层；在所述金属导电层表面气相沉积柔性绝缘层，使得所述柔性棋盘格式脑电电极表面平整，且具有更好的绝缘作用；同一侧的所述金属导电层需保证间隔布置；两侧的所述金属导电层需保证相互交错布置；所述金属连接线由侧面伸出，起于金属位点，相互绝缘；所述金属连接线顶端为一束引出，与外引线相连；所述金属连接线从侧面引出，能够显著减小因连接线而导致电极宽度大幅度增加，且电极位点无法增多的问题。
3.如权利要求2所述的一种用于记录脑电信号的植入式无线神经传感器，其特征在于：所述柔性衬底层和柔性绝缘层的材料为聚酰亚胺、聚对二甲苯或SU-8光刻胶的任意一种；该柔性衬底层与柔性绝缘层的材料为同一种；第一层柔性衬底层与第二层柔性衬底层的厚度为1μm～20μm；第一层柔性绝缘层与第二层柔性绝缘层的厚度为100nm～1000nm；所述绝缘层与衬底层较薄，使得所述电极整体尺寸仅为2～40μm，显著降低电极与脑组织之间的机械不匹配以及减少组织的炎症反应与损伤；柔性材料的选择使得与硅电极相比较软，与脑组织的弹性模量更为匹配。
4.如权利要求3所述的一种用于记录脑电信号的植入式无线神经传感器，其特征在于：第一层金属层和第二层金属层的电极触点均为正方形；每个电极触点的面积为100～1000μm2，优选为400μm2；每个电极的连接线宽度为1～50μm，优选为1.5μm；电极位点数为10～1000个；采用双面电极阵列排布，两个金属层的电极位点错开排列；所述电极位点较多，并且采用双面交错排列的方式，能够长期记录多个位置的脑电信号。
5.如权利要求3所述的一种用于记录脑电信号的植入式无线神经传感器，其特征在于：所述柔性衬底层与金属层之间有粘附层；粘附层所用材料优选为钛，粘附层的厚度为10nm～100nm；粘附层使得衬底层与金属导电层之间的粘附性能更好，有利于记录信号的长期稳定。
6.如权利要求3所述的一种用于记录脑电信号的植入式无线神经传感器，其特征在于：所述第一层金属层和第二层金属层的材料为导电性能良好的金属；两层金属层所用材料为同一种；两层金属层的厚度为100nm～1000nm；所述导电性能良好的金属材料包括铂、金、氧化铱。
7.植入式柔性棋盘格式脑电电极的制造方法，用于制造如权利要求1或2所述的一种用于记录脑电信号的植入式无线神经传感器所用柔性棋盘格式脑电电极，其特征在于：包括如下步骤，
(1)在硅晶片上均匀涂一层牺牲层，烘干；
(2)在步骤(1)处理后得到的硅晶片上气相沉积柔性衬底层材料；
(3)在步骤(2)处理后得到的硅晶片上溅射粘附层金属和金属层金属；
(4)在步骤(3)处理后得到的硅晶片上旋涂一层光刻胶，曝光光致抗蚀剂，获得金属层和电极所需的图案；
(5)去除暴露的金属层区域；除去剩余的光刻胶；
(6)在金属层之上无电极记录位点的区域均匀涂一层柔性绝缘层材料，固化；
(7)腐蚀掉牺牲层，把两个不一样的电极背向粘贴，形成双面电极；
(8)将步骤(7)处理后的电极侧向放置并固定，重复步骤(3)～步骤(6)，制备出金属连接线；
(9)将该电极放置于模型中；
(10)注射聚乙二醇溶液，进行固化处理，得到柔性棋盘格式脑电电极。
8.植入式柔性棋盘格式脑电电极的植入方法，其特征在于：包括所述植入式柔性棋盘格式脑电电极的制造方法的步骤(1)至步骤(10)，还包括步骤(11)，
(11)将步骤(10)处理后的柔性棋盘格式脑电电极，采用聚乙二醇辅助，将凝固后的柔性棋盘格式脑电电极，精准快速地垂直植入到的大脑皮层预定位置；该植入过程避免现有柔性电极植入时较粗牵引针的同步植入过程，有效减少植入过程中的组织损伤；植入后，聚乙二醇能够很快溶解，且不会对组织产生不良影响；该植入方式不会对组织造成二次伤害，损伤较小。
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