CN114852947A - 用于心脏脉冲场消融的mems电极器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于心脏脉冲场消融的MEMS电极器件及其制备方法，该电极器件包括由下至上依次设置的下部绝缘层、温度传感层、中部绝缘层、电极层、上部绝缘层和电极修饰层；其中，所述电极层用于向心脏组织施加脉冲电信号，同时记录心脏组织在每次脉冲场消融前后的电学阻抗，还用于记录心脏组织在消融前后的心电信号；所述温度传感层用于原位记录消融过程中的动态温度变化。本发明能够提高心脏脉冲场消融的安全性和效率。

Description

用于心脏脉冲场消融的MEMS电极器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及电生理器械技术领域，具体地，涉及一种用于心脏脉冲场消融的MEMS电极器件及其制备方法。
背景技术
心房颤动是临床中最常见的持续性心律失常，它具有较高的发病率和死亡率，并且发病风险随着年龄的增长而增加，影响了1-2％的人群。大约90％的心房颤动是由于异常电信号经由肺静脉进入心房，从而导致不规则的心电图信号。迄今为止，利用导管消融技术进行肺静脉隔离是介入性手术治疗心房颤动的基石。与药物治疗相比，导管消融术因其安全性高、效率高、效果好而成为首选治疗方法。
目前，导管消融技术一般采用射频消融或冷冻消融来实现肺静脉隔离。前者通过应用射频能量造成目标区域的细胞死亡，后者则利用N2O等制冷剂造成细胞死亡。这两种技术都有明显的缺点。首先，它们对肺静脉处各种组织和细胞的损伤没有特异性。其次，产生了许多手术并发症，如肺静脉狭窄、膈神经损伤等。另外，射频消融对术者要求很高，手术时间较长。因此，迫切需要找到一种新的消融方法避免上述问题。
近来，出现了一种很有前途的新型消融技术，被称为脉冲场消融。与传统的射频消融和冷冻消融相比，它显示出明显优势，包括组织特异性和非热性质。脉冲场消融利用窄脉冲和高电压有效地诱导细胞膜产生纳米级孔隙，从而导致细胞死亡，即产生不可逆电穿孔。多个医疗公司已经开发出来了各种形状的消融电极，如美国美敦力公司的环状9电极消融导管、美国Farapulse公司的篮状20电极消融导管和套索状心外膜消融导管、美国Affera公司的lattice-tip导管消融***。然而，其中仍存在一些共性问题：(1)此类消融电极无法针对心脏组织的目标点位进行点状消融，得到尺寸精确的消融点，往往是对整个区域进行损伤，这样势必会损伤非目标区域的组织；(2)施加1000-2500V的高电压，这可能引起肌肉收缩，导致治疗过程中电极脱位，高电压还可能会在体内造成严重的电解或电弧；(3)消融效果也无法快速评估，CT、MRI和超声检查并不能有效地评估消融前后组织层面的变化，如果消融不成功，需要进行第二次手术；(4)采用的电极尺寸均较大，柔性不足，无法和心脏表面进行紧密共性接触；(5)单个导管集成多种传感器的能力不足，无法实现同时检测温度、阻抗等多物理参数。
基于以上技术和改进方向，设计制备一种用于心脏脉冲场消融的MEMS电极器件及其制备方法具备重要的科研和临床应用价值，对于脉冲场消融的推广应用具有非常重要的意义。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于心脏脉冲场消融的MEMS电极器件及其制备方法。
根据本发明的一个方面，提供一种用于心脏脉冲场消融的MEMS电极器件，包括由下至上依次设置的下部绝缘层、温度传感层、中部绝缘层、电极层、上部绝缘层和电极修饰层；其中，所述电极修饰层用于降低电极的电化学阻抗并提高电荷储存能力；所述电极层用于向心脏组织施加脉冲电信号，同时记录心脏组织在每次脉冲场消融前后的电学阻抗，还用于记录心脏组织在消融前后的心电信号；所述温度传感层用于原位记录消融过程中的动态温度变化。
进一步地，所述电极层包括圆形电极和位于所述圆形电极周围的环形电极，所述圆形电极与所述环形电极形成中心放射状的电场。
更进一步地，所述圆形电极的半径为50-500μm；所述环形电极的内半径为100-1000μm，外半径为150-1500μm；所述圆形电极的圆周与所述环形电极的内环圆周之间的距离小于1mm。
更进一步地，所述圆形电极和所述环形电极分别用于与传递脉冲电信号的两个电极连接；施加在所述电极器件上的脉冲电信号满足以下条件：脉冲波形为单极脉冲方波或双极脉冲方波；电压为10-500V；脉冲宽度为1-100μs；脉冲频率为1-10Hz；脉冲个数为50-120个。
进一步地，所述温度传感层包括呈蜿蜒状的温度敏感金属。
进一步地，所述温度传感层与所述电极层在电极端上下堆叠设置。
进一步地，所述温度传感层的厚度为100-500nm。
进一步地，所述下部绝缘层、所述中部绝缘层和所述上部绝缘层采用同一种材料形成，所述下部绝缘层、所述中部绝缘层和所述上部绝缘层的厚度为1-200μm。
进一步地，所述电极修饰层采用电镀方式形成，所述电极修饰层的材料为铂黑、氧化铱和聚乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸中的任意一种。
根据本发明的另一方面，提供一种上述的用于心脏脉冲场消融的MEMS电极器件的制备方法，该方法包括：
在基底上制作下部绝缘层；
在所述下部绝缘层上溅射一层黏附层，再溅射第一金属层，采用光刻光刻胶方式对所述第一金属层进行图形化，形成温度传感层引线；
在所述温度传感层引线上方，采用光刻光刻胶方式形成温度传感层中温度敏感金属的轮廓；
溅射一层黏附层，再溅射温度敏感金属；
去除光刻胶，留下具有指定轮廓的温度敏感金属，形成温度传感层；
在所述温度传感层上方制作中部绝缘层；
在所述中部绝缘层上溅射一层黏附层，再溅射第二金属层，采用光刻光刻胶方式对所述第二金属层进行图形化，形成电极层；
在所述电极层上制作上部绝缘层；
旋涂光刻胶，经过光刻对光刻胶图形化，使用干法刻蚀方法刻蚀并暴露电极部分、焊盘部分和电极器件整体轮廓；
释放电极器件。
与现有技术相比，本发明具有如下至少之一的有益效果：
1、本发明利用MEMS技术加工，可在较低电压下用于心脏脉冲场消融，并具有阻抗检测功能和心电信号记录功能，以评估消融效果，温度传感层能够原位精确测温；本发明能够提高心脏脉冲场消融的安全性和效率。
2、本发明的电极整体为柔性，可直接贴附于心脏表面，也可使用生物胶水贴附于医用导管端部借助介入手术进行消融。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例中用于心脏脉冲场消融的MEMS电极器件的***示意图；
图2为本发明实施例中电极层的结构示意图；
图3为本发明实施例中施加的脉冲电信号示意图；
图4为本发明实施例中电极电场仿真示意图；
图5为本发明实施例的温度传感层中温度敏感金属的结构示意图；
图6为本发明实施例中用于心脏脉冲场消融的MEMS电极器件的制备方法的流程示意图。
图中：1为下部绝缘层，2为温度传感层，21为温度敏感金属，3为中部绝缘层，4为电极层，41为圆形电极，42为环形电极，5为上部绝缘层，6为电极修饰层；A表示电势分布仿真结果，B表示电场强度分布仿真结果。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。在本发明实施例的描述中，需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
本发明实施例提供一种用于心脏脉冲场消融的MEMS电极器件，参照图1，该器件包括由下至上依次设置的下部绝缘层1、温度传感层2、中部绝缘层3、电极层4、上部绝缘层5和电极修饰层6；其中，电极修饰层6用于降低电极的电化学阻抗并提高电荷储存能力；电极层4用于向心脏组织施加脉冲电信号，并使得心肌细胞发生不可逆电穿孔，同时记录心脏组织在每次脉冲场消融前后的电学阻抗，还用于记录心脏组织在消融前后的心电信号，用于评估消融效果；温度传感层2用于原位记录消融过程中的动态温度变化，以获得最佳的消融参数。
本发明实施例中的电极器件能够用于心脏脉冲场消融，并具有阻抗检测功能和心电信号记录功能，以评估消融效果，温度传感层2能够原位精确测温；本发明能够提高心脏脉冲场消融的安全性和效率。
参照图2，在一些优选的实施例中，电极层4包括位于中心的圆形电极41和位于圆形电极41周围的环形电极42，圆形电极41与环形电极42形成中心放射状的电场，从而将能量限制在电极所处范围内，这个结构可对心脏组织进行精确的点状消融。电极层4还包括电极层引线，电极层引线分别连接圆形电极41和环形电极42，优选地，电极层引线呈蜿蜒状，以防止器件变形过程中引线容易发生断裂。
电极层4的材料需具有良好的生物相容性，电极层4的厚度需在MEMS工艺可加工范围内，在一些优选的实施例中，电极层4的材料为金、铂或碳等，厚度为100-500nm。圆形电极41的半径、环形电极42的内半径和外半径均根据设计的单次消融点的大小设置，以保证得到大小精确的消融点尺寸。优选地，圆形电极41的半径为50-500μm；环形电极42的内半径为100-1000μm，外半径为150-1500μm；圆形电极41的圆周与环形电极42的内环圆周之间的距离小于1mm，电极的小间距可实现低电压脉冲场消融，实现施加低电压即可形成脉冲场消融所需达到的高电场强度。
圆形电极41和环形电极42分别用于与传递脉冲电信号的两个电极即阳极和阴极连接。施加在电极器件上的脉冲电信号满足以下条件：脉冲波形(即脉冲电压信号的形状)为单极脉冲方波或双极脉冲方波；电压(即脉冲电压信号的峰值)为10-500V，用于实现低电压脉冲场消融；脉冲宽度(即每个脉冲的持续时间)为1-100μs；脉冲频率(即脉冲电压信号的重复频率)为1-10Hz；脉冲个数(即每个消融位置施加的脉冲个数)为50-120个。
优选地，参照图3，为施加的脉冲电信号示意图，满足以下条件：脉冲波形，为单极脉冲方波；电压为100V；脉冲宽度为100μs；脉冲频率为1Hz；脉冲个数为99个。
参照图4，为电极电场仿真图，位于中心的圆形电极41和位于周围的环形电极42施加脉冲电信号后，电势分布仿真结果A和电场强度分布仿真结果B显示二者可形成中心放射状的电场，从而将能量限制在电极所处范围内，这个结构可对心脏组织进行精确的点状消融。
在一些优选的实施例中，参照图5，温度传感层2包括呈蜿蜒状(即蛇形线状)的温度敏感金属21，以实现在有限的面积内增大其有效长度，从而得到更大的电阻变化量。温度敏感金属21采用铂或金等电阻温度系数较大的金属，以获得较大的灵敏度。温度传感层2还包括自温度敏感金属21引出的温度传感层引线，优选地，温度传感层引线呈蜿蜒状(即蛇形线状)，以防止器件变形过程中引线容易发生断裂。温度传感层2的厚度为100-500nm，温度传感层2的厚度过小容易发生断裂而断路，厚度过大则减小了其电阻值。温度传感层2与电极层4在电极端上下堆叠设置，电极端和引线端分别位于温度传感层2或电极层4的两端；优选地，温度传感层2与电极层3的圆形电极41和环形电极42形成的端部进行位置的上下堆叠，二者之间仅由中部绝缘层3隔离，以实现温度的原位精确测量。
在一些优选的实施例中，电极修饰层6采用电镀方式形成，电极修饰层6的材料为铂黑、氧化铱和聚乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸中的任意一种，优选地为铂黑，以降低电极的电化学阻抗并提高电荷储存能力。
为保证电极整体具有柔性，在一些优选的实施例中，下部绝缘层1、中部绝缘层3和上部绝缘层5采用同一种材料形成，采用同一种材料加工时比较方便，并且同种材料的兼容性好，相互之间的结合力和密封性好，绝缘层的材料为聚对二甲苯(Parylene)、聚酰亚胺(Polyimide)或SU-8光刻胶等生物相容性材料，下部绝缘层1、中部绝缘层3和上部绝缘层5的厚度为1-200μm，绝缘层的厚度太小则器件容易断裂，厚度太大则器件的柔性降低。本发明实施例中的电极器件整体为柔性，可直接贴附于心脏表面，也可使用生物胶水贴附于医用导管端部借助介入手术进行消融。
本发明实施例还提供一种上述的用于心脏脉冲场消融的MEMS电极器件的制备方法，该方法包括：
S1、在基底上制作下部绝缘层；
S2、在下部绝缘层上溅射一层黏附层，黏附层的材料可以为钛或铬，再溅射第一金属层，采用光刻光刻胶方式对第一金属层进行图形化，具体地，旋涂光刻胶，经过光刻对光刻胶图形化，使用湿法刻蚀或干法刻蚀对金属层进行图形化，形成温度传感层引线；
S3、在温度传感层引线上方，采用光刻光刻胶方式形成温度传感层中温度敏感金属的轮廓；
S4、溅射一层黏附层，黏附层的材料可以为钛或铬，再溅射温度敏感金属；
S5、去除光刻胶，留下具有指定轮廓的温度敏感金属，具体地，在热丙酮中浸泡，并经超声振动去除光刻胶，形成温度传感层；
S6、在温度传感层上方制作中部绝缘层；
S7、在中部绝缘层上溅射一层黏附层，黏附层的材料可以为钛或铬，再溅射第二金属层，采用光刻光刻胶方式对第二金属层进行图形化，具体地，旋涂光刻胶，经过光刻对光刻胶图形化，使用湿法刻蚀或干法刻蚀对金属层进行图形化，形成电极层；
S8、在电极层上制作上部绝缘层；
S9、旋涂光刻胶，经过光刻对光刻胶图形化，使用干法刻蚀方法刻蚀并暴露电极部分、焊盘部分和电极器件整体轮廓；
S10、释放电极器件。
优选地，参照图6，用于心脏脉冲场消融的MEMS电极器件的制备方法包括如下步骤：
S1、如图6中(a)所示，在4英寸硅片上，利用化学气相沉积法沉积得到5μm厚的聚对二甲苯(Parylene-C)，作为下部绝缘层；
S2、如图6中(b)所示，在下部绝缘层上溅射一层20nm厚的铬作为黏附层，再溅射400nm厚的金；如图6中(c)所示，旋涂光刻胶，经过光刻对光刻胶图形化，使用湿法刻蚀对铬/金进行图形化，形成温度传感层引线；
S3、如图6中(d)所示，旋涂光刻胶，经过光刻对光刻胶图形化，以形成温度传感层中温度敏感金属的轮廓；
S4、如图6中(e)所示，溅射一层20nm厚的铬作为黏附层，再溅射400nm厚的铂，作为温度敏感的金属；
S5、如图6中(f)所示，在热丙酮中浸泡，并经超声振动去除光刻胶，留下具有特定轮廓的温度敏感金属铂；
S6、如图6中(g)所示，利用化学气相沉积法沉积得到5μm厚的聚对二甲苯(Parylene-C)，作为中部绝缘层；
S7、如图6中(h)所示，在中部绝缘层上溅射一层20nm厚的铬作为黏附层，再溅射400nm厚的金；如图6中(i)所示，旋涂光刻胶，经过光刻对光刻胶图形化，使用湿法刻蚀对金进行图形化，形成电极层；
S8、如图6中(j)所示，利用化学气相沉积法沉积得到5μm厚的聚对二甲苯(Parylene-C)，作为上部绝缘层；
S9、如图6中(k)所示，旋涂光刻胶，经过光刻对光刻胶图形化；如图6中(l)所示，使用反应离子刻蚀方法刻蚀并暴露电极部分、焊盘部分和电极器件整体轮廓；
S10、如图6中(m)所示，释放电极器件。
本发明上述实施例中的用于心脏脉冲场消融的MEMS电极器件及其制备方法，利用MEMS技术加工，可在较低电压下用于心脏脉冲场消融，并具有阻抗检测功能和心电信号记录功能，以评估消融效果，温度传感层能够原位精确测温；本发明能够提高心脏脉冲场消融的安全性和效率。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。

Claims (10)

1.一种用于心脏脉冲场消融的MEMS电极器件，其特征在于，包括由下至上依次设置的下部绝缘层、温度传感层、中部绝缘层、电极层、上部绝缘层和电极修饰层；
其中，所述电极修饰层用于降低电极的电化学阻抗并提高电荷储存能力；
所述电极层用于向心脏组织施加脉冲电信号，同时记录心脏组织在每次脉冲场消融前后的电学阻抗，还用于记录心脏组织在消融前后的心电信号；
所述温度传感层用于原位记录消融过程中的动态温度变化。
2.根据权利要求1所述的用于心脏脉冲场消融的MEMS电极器件，其特征在于，所述电极层包括圆形电极和位于所述圆形电极周围的环形电极，所述圆形电极与所述环形电极形成中心放射状的电场。
3.根据权利要求1所述的用于心脏脉冲场消融的MEMS电极器件，其特征在于，所述圆形电极的半径为50-500μm；所述环形电极的内半径为100-1000μm，外半径为150-1500μm；所述圆形电极的圆周与所述环形电极的内环圆周之间的距离小于1mm。
4.根据权利要求1所述的用于心脏脉冲场消融的MEMS电极器件，其特征在于，所述圆形电极和所述环形电极分别用于与传递脉冲电信号的两个电极连接；施加在所述电极器件上的脉冲电信号满足以下条件：脉冲波形为单极脉冲方波或双极脉冲方波；电压为10-500V；脉冲宽度为1-100μs；脉冲频率为1-10Hz；脉冲个数为50-120个。
5.根据权利要求1所述的用于心脏脉冲场消融的MEMS电极器件，其特征在于，所述温度传感层包括呈蜿蜒状的温度敏感金属。
6.根据权利要求1所述的用于心脏脉冲场消融的MEMS电极器件，其特征在于，所述温度传感层与所述电极层在电极端上下堆叠设置。
7.根据权利要求1所述的用于心脏脉冲场消融的MEMS电极器件，其特征在于，所述温度传感层的厚度为100-500nm。
8.根据权利要求1所述的用于心脏脉冲场消融的MEMS电极器件，其特征在于，所述下部绝缘层、所述中部绝缘层和所述上部绝缘层采用同一种材料形成，所述下部绝缘层、所述中部绝缘层和所述上部绝缘层的厚度为1-200μm。
9.根据权利要求1所述的用于心脏脉冲场消融的MEMS电极器件，其特征在于，所述电极修饰层采用电镀方式形成，所述电极修饰层的材料为铂黑、氧化铱和聚乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸中的任意一种。
10.一种权利要求1-9任一项所述的用于心脏脉冲场消融的MEMS电极器件的制备方法，其特征在于，包括：
在基底上制作下部绝缘层；
在所述下部绝缘层上溅射一层黏附层，再溅射第一金属层，采用光刻光刻胶方式对所述第一金属层进行图形化，形成温度传感层引线；
在所述温度传感层引线上方，采用光刻光刻胶方式形成温度传感层中温度敏感金属的轮廓；
溅射一层黏附层，再溅射温度敏感金属；
去除光刻胶，留下具有指定轮廓的温度敏感金属，形成温度传感层；
在所述温度传感层上方制作中部绝缘层；
在所述中部绝缘层上溅射一层黏附层，再溅射第二金属层，采用光刻光刻胶方式对所述第二金属层进行图形化，形成电极层；
在所述电极层上制作上部绝缘层；
旋涂光刻胶，经过光刻对光刻胶图形化，使用干法刻蚀方法刻蚀并暴露电极部分、焊盘部分和电极器件整体轮廓；
释放电极器件。
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