TWM541866U - 軟薄膜微電極裝置 - Google Patents

Description

軟薄膜微電極裝置

在生醫之生物電氣神經科學領域中內含複雜的電子工程、電氣物理、電氣化學、生物化學、生物燃料、奈米技術、電氣離子導入等生醫科技，其中電氣物理神經科學以及電氣藥物離子導入備受矚目，如何利用最新科技製作仿膚質之承載平臺、遠端控制以及離子導入為當前相當重要的課題，本創作軟薄膜微電極裝置即是利用軟性薄膜基板安裝現代化的傳感器、電路、射頻和獨立之電源系統，使其可以與遠端行動裝置相連，並由其內建之APP連續發出控制訊息，以作為物理治療、藥物導入、增加性生活的愉悅以及健康監測功能使用。藉由可伸縮輕薄且透明的軟性電子基板，該基板係以矽彈性體製成之軟性薄膜基板，再利用COF(Chip on film)積體電路技術，COF是一種將晶粒覆晶接合(Flip Chip Bonding)在軟性電路板基材上的技術，可將IC及其電子零件直接安放於軟薄膜上；並利用3D電路佈局技術製作電路，同時製成具多孔隙結構及高密度的微電極片陣列，使其成為可伸縮性軟性電子基板。以此技術製成薄型化之軟性電子基板，其中內含微電極片陣列、無線收發裝置、神經調節器訊號產生器、磁共振無線充電線圈、可撓式超級電容、微流體導管及微流體導管容器等，可以利用無線收發裝置與遠端行動裝置相連，並由其內建之APP控制訊息，傳遞 對生物體進行生理刺激以及離子導入等各功能。透過微電極片陣列，它能刺激中樞神經，例如利用微電流深度刺激薦椎第三節神經(third sacral nerve)，會產生類似作愛刺激性器官部位所引起的高潮而改善性冷感，增加性生活的愉悅；如使用於脊椎神經或周圍神經發出微弱溫和的電脈衝，會產生神經訊號干擾，可抑制或阻滯生物體中之疼痛信號傳輸至大腦疼痛中樞，以頭痛為例，其產生與大腦中神經脈衝信號異常有關，只要設法用另一種電脈衝來刺激腦神經就可有效抑制頭痛，另外研究亦有發現單脈衝電磁場能有效地抑制骨質疏鬆之骨質流失情形，經由特定脈衝式電磁場刺激，對骨母細胞生長的刺激，不論在動物實驗或臨床應用上都有較佳參數，對骨折癒合也都有良好的治療效果；透過微電極片陣列與微流體導管於生物體中進行電氣藥物離子導入是利用同電性相斥原理，經由正、負離子交換的作用，將藥劑從體外導引進皮膚內，可應用於醫學上疾病之定量藥物醫療，以上之功能可透過藍牙無線收發裝置如手機、平板電腦等設備作訊號傳遞，可執行遠端控制以達到多重性高潮、抑制疼痛與電氣藥物離子導入等功能。以下將進一步詳述本創作中各元件之技術應用，軟薄膜微電極裝置，內含一軟性電子基板，該基板為矽彈性體製成之軟性薄膜基板，具有輕、薄、表面平坦、耐撓曲及良好耐化性等特性，可將IC及其電子零件直接安放於薄膜上；同時利用3D電路佈局技術，製成具有可伸縮性軟性電子基板；一神經調節器訊號產生器，內含微電腦、電脈衝產生器及編碼器等，可依使用者需求給予不同頻率和強度的刺激，達到止痛的效果；一微電極片陣列可將神經調節器訊號產生器之信息轉化為電子脈衝，安裝於軟性PCB上，能向脊椎神經或周圍神經發出電脈衝；一無線收發裝置，可執 行遠端控制，內含藍芽無線收發模組配合陶瓷天線，與行動裝置APP軟體配合可做雙向傳輸功能，可執行轉接至雲端裝置接受遠端遙控管理中心管控；一磁共振無線充電線圈是利用低頻電磁波共振原理產生無線充電，可做為無線充電使用；一可撓式超級電容可做為電源使用，亦可做為蓄電池使用，該可撓式超級電容儲存電能，主要是利用濺鍍製程將金屬濺鍍在碳纖維布表面上，來形成金屬集電層，其中包含了兩個正負可撓式電極、一隔離膜、及電解質等以達蓄電之目的；一導電固定凝膠，在使用時要平均塗於微電極並緊貼治療部位，可供導電及固定使用；一微流體導管及微流體容器可供離子導入使用，微流體是一種微型化的技術，可將尺寸小於1毫米管道處理建設成微型化的裝置，能將離子或帶電的化學藥物利用微電極片陣列以同電性相斥的原理，將離子或帶電的化學藥物驅送至體內，藉由以上功能便可達到預期治療之效果。

近年來，於生物電氣神經科學領域中，電刺激神經科學備受矚目，電刺激(TENS：Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation)器，是一種物理治療(PT：Physical Therapy)的輔助儀器，藉由適當的電壓強度及頻率，電極刺激神經及肌肉，能使腦部阻斷疼痛信息的傳遞並激發身體分泌止痛物質「腦吶啡」(endorphins)，而達到舒緩疼痛的效果。藉由製成薄型化之元件，可用以進行體外之電訊刺激或模擬生物體中的各種訊息傳遞，於生物體中進行電訊之刺激與藥物輸入，進而應用於醫學上疾病之醫療與研究，已逐漸被重視。傳統經皮電刺激在醫材市場已經三十年以上，大致有：電子針灸器(EA)、經皮性神經刺激器(TENS)、經皮性肌肉刺激器(EMS)、向量干擾波等，都是利用電線將控制訊號傳送到極片上透過皮膚的表面傳向皮膚層，做單向電壓電流之控制，上述產品非常廣泛，但在民眾消費市場上的分類卻不太明確，有些稱為低週波按摩器，有些宣稱可以塑身、美容，有些宣稱可以治療某些疾病，卻未能提出確實證明，由於無法有效監控管理及驗證，致使該產品產生劣幣驅逐良幣，因而導致電刺激之消費市場混亂，消費者無所適從，因此未來生醫科技發展需要的產品，必須是輕的、薄的、可伸縮且透明的軟性電子基板，可以輕柔地層貼到皮膚的表面，上面承載現代化的傳感器、電路、射頻、電極、微流體導管及電源，可以無線電訊控制模式進行，具多功能操作之生理電刺激與藥物輸入，如此方為下一世代之生物電氣神經科學領域中的主流技術與產品。

有鑑於此，本創作即針對新一世代生物電氣神經科學所需效能，研發這一種軟薄膜微電極裝置，使用微機電系統，所謂微機電系統(Micro Electro-Mechanical System)即結合半導體製程技術及機械製作的概念，將積體電路與機械元件製作於單一晶片上，使得原本的平面積體電路，擴展成立體式的結構，加上輕薄、透明、可伸縮的軟性電子基板，該軟性電子基板，是以矽彈性體製成之軟性薄膜基板，同時利用COF(Chip on film)積體電路技術及3D電路佈局技術製成可伸縮技術之軟性電子基板，該COF是一種將晶粒覆晶接合(Flip Chip Bonding)在軟性電路板基材上的技術，可將電子零件直接安放於薄膜上，使其能夠緊密地貼合在軟性電子基板，為了讓晶片具有良好的拉伸性能，必須以3D電路佈局。保證晶片上連接各功能元件的導線在拉伸過程中不發生破壞，對所有導線的幾何構型進行優化布局，使電路佈局及晶片在施加約50%應變時仍能回復初始狀態，施加約125%應變時仍不會發生破壞，軟性電子基板其中內含：微電極片陣列、無線收發裝置、神經調節器訊號產生器、磁共振無線充電線圈、可撓式超級電容、微流體導管及微流體導管容器；一微電極片陣列為具有多孔隙(porous)結構及高密度的微陣列電極，可做為生理刺激以及離子導入所使用，其藥劑必須是離子化、水溶性的物質，在表皮施以負極電膜，將帶有負電極的藥劑，利用正、負離子交換的原理，送入皮膚以做為精準藥劑劑量控制等各項功能；一無線收發裝置：內含陶瓷天線、配合行動裝置APP軟體，無線收發裝置採用2.4G Hz藍芽無線收發模組，數位無線傳輸技術，實現了軟式可撓型生理刺激離子導入器與遠端行動裝置之間的“無線”鏈 接相連，並由其內建之APP軟體控制訊息傳遞對生物體進行生理刺激以及離子導入等功能；一神經調節器訊號產生器：內含微電腦、電脈衝產生器、編碼器等數位化電路組成，可依使用者需求設定最佳參數給予不同頻率和強度的刺激，達到止痛的或性刺激的效果；一磁共振無線充電線圈：利用低頻電磁波共振原理，當兩個物體的振動頻率相同時，它們傳遞能量的強度不會受到周圍事物的影響，兩個感應器都以低頻電磁波震動並產生共振，讓能量在兩者之間傳遞隨著，每一次共振，感應器中會有更多的電壓產生，經過產生多次共振，感應器表面就會集聚足夠的能量，發出電流可做為充電電源使用；一可撓式超級電容：包含了兩個正負可撓式電極、一隔離膜及電解質等，可撓式電極係成對配置，每一個可撓式電極包含一碳纖維層，以及形成於碳纖維層表面之一金屬集電層，其中金屬集電層係位於可撓式電極之外側，隔離膜配置於可撓式電極之間，而電解質則灌注於碳纖維層與隔離膜之間，可做為電源使用；一導電固定凝膠，在治療時，要將其平均塗在微電極上並緊貼治療部位；一微流體導管及微流體容器，該容器內含負電極的藥劑經由其中密佈著吸水材料導管之微流體導管，藥劑會由微流體導管容器被吸收進微流體導管，經由無線APP控制軟體設定最佳數值，操控微電極片陣列，精準地將所需之藥劑劑量送入皮膚，如此實現了精準的藥劑量控制等目地，藉由以上功能，軟式可撓型生理刺激離子導入器，都能藉由遠端行動裝置APP軟體設定最佳化數值，有效地對生物體進行生理刺激以及離子導入等各功能；有關本創作之其他特徵及功能，經配合下列圖式予以作進一步之說明後，期能使 貴審查委員有更詳細的瞭解，惟以下所述者僅為用以解釋本創作之較佳實施例，並非企圖據 以對本創作作任何形式上之限制。

1‧‧‧軟薄膜微電極裝置

11‧‧‧軟性電子基板

111‧‧‧軟性電子基板正面

1111‧‧‧神經調節器訊號產生器

1111a‧‧‧微電腦

1111b‧‧‧電脈衝產生器

1111c‧‧‧編碼器

1112‧‧‧無線收發裝置

1112a‧‧‧藍芽無線收發模組

1112b‧‧‧陶瓷天線

1113‧‧‧磁共振無線充電線圈

1114‧‧‧可撓式超級電容

1114a‧‧‧可撓式電極

1114b‧‧‧碳纖維層

1114c‧‧‧電解質

1114d‧‧‧隔離膜

1115‧‧‧微流體導管容器

112‧‧‧軟性電子基板反面

1121‧‧‧微電極片陣列

1122‧‧‧微流體導管

12‧‧‧導電固定凝膠

13‧‧‧行動裝置APP軟體

13a‧‧‧離子導入

13b‧‧‧抑制疼痛

13c‧‧‧改善性冷感

13d‧‧‧治療骨質疏鬆

2‧‧‧雲端裝置

3‧‧‧遠端遙控管理中心

4‧‧‧離子導入位置示意

5‧‧‧抑制疼痛位置示意

6‧‧‧改善性冷感位置示意

7‧‧‧治療骨質疏鬆位置示意

第一圖係本創作軟薄膜微電極裝置，實施例之示意圖；第二圖係本創作軟薄膜微電極裝置，軟性電子基板正面外觀示意圖；第三圖係本創作軟薄膜微電極裝置，軟性電子基板反面微電極片陣列及微流體導管實施例之示意圖；第四圖係本創作軟薄膜微電極裝置，實施例之離子導入示意圖；第五圖係本創作軟薄膜微電極裝置，可撓式超級電容結構示意圖；第六圖係本創作軟薄膜微電極裝置，實施例之無線收發功能示意圖；

以下將以如何操作軟薄膜微電極裝置，作為實施本創作之詳細說明，如後附各圖所示，本創作之實施例如下：請參考圖(二及六)軟薄膜微電極裝置，實施例之軟性電子基板正面外觀示意圖以及實施例之無線收發功能示意圖，圖示如下：軟薄膜微電極裝置(1)，其中內含一軟性電子基板(11)、一行動裝置APP軟體(13)；該軟性電子基板(11)請參考圖(二)包含有：一軟性電子基板正面(111)其中內含：一神經調節器訊號產生器(1111)、一微 電腦(1111a)、一電脈衝產生器(1111b)、一編碼器(1111c)安裝於軟性電子基板上可發出微弱電脈衝，會產生神經訊號干擾，可刺激或阻滯生物體之神經訊號傳遞，一無線收發裝置(1112)其中內含：一藍芽無線收發模組(1112a)，利用一陶瓷天線(1112b)可與遠端行動裝置相連；一磁共振無線充電線圈(1113)可做為無線外部充電使用；一可撓式超級電容(1114)，請參考圖(五)，其中內含：一可撓式電極(1114a)、一碳纖維層(1114b)、一電解質(1114c)、一隔離膜(1114d)，可做為電源使用；一微流體導管容器(1115)可容納離子化或帶電的化學藥物以供離子導入使用；一軟性電子基板反面(112)請參考圖(三)其中內含：一微電極片陣列(1121)該微電極片可將離子或帶電的化學藥物驅送至體內，一微流體導管(1122)可將微流體導管容器(1115)離子化或帶電的化學藥物，導至微電極片陣列(1121)旁，以供導入體內使用；一導電固定凝膠(12)請參考圖(四)將其平均塗在微電極並緊貼治療皮膚部位；一行動裝置APP軟體(13)其中內含：一離子導入(13a)APP軟體、一抑制疼痛(13b)APP軟體、一改善性冷感(13c)APP軟體、一治療骨質疏鬆(13d)APP軟體，可對生物體進行生理刺激以及離子導入等各項功能；一雲端裝置(2)，以及一遠端遙控管理中心(3)，可共同執行遠端控制請參考圖(六)；一離子導入位置示意(4)，一抑制疼痛位置示意(5)，一改善性冷感位置示意(6)，一治療骨質疏鬆位置示意(7)，可作為實施例之示意圖請參考圖(一)；以下將示範軟薄膜微電極裝置使用方法，其操作如下：作治療時，首先將軟性電子基板(11)貼在要治療的部份，然後以行動裝置APP軟體(13)調節電流的參數包括電流量。電極通常都會貼在疼痛的部位或適當的脊髓位置請參考圖(一)；在治療時，微電極要平均塗上導電固定凝膠(12)並緊貼治療部位，微電極片陣列 (1121)鬆脫會令局部的電流量突然增加引起疼痛，治療時患者可選擇行走、坐下甚至躺下，這取決於治療的部位和患者受傷的程度；如果治療改善性冷感患者的部位為薦椎第三節神經，宜俯卧，請參考改善性冷感位置示意(6)；如使用於脊椎神經或周圍神經發出微弱溫和的電脈衝，會產生神經訊號干擾，請參考抑制疼痛位置示意(5)，可抑制或阻滯生物體中之疼痛信號傳輸至大腦疼痛中樞，患者可站立或步行作治療就可有效抑制頭痛；治療膝蓋骨質疏鬆患者宜坐著進行電療，請參考治療骨質疏鬆位置示意(7)；經由特定脈衝式電磁場刺激，對骨母細胞生長的刺激及骨折癒合都有良好的治療效果，離子導入患者仰卧，患者亦可站立或坐著進行導入，請參考離子導入位置示意(4)，以利於離子藥物導入；操作軟薄膜微電極裝置之功能，主要為選擇其治療方式，該詳細之脈衝頻率、電壓波寬(微秒)、人體感受之電流強度控制、效能、每次使用時間等治療效果參數值，請參考附件(一)各種軟薄膜微電極裝置的治療效果參數值。

附件(一)

各種軟薄膜微電極裝置的治療效果參數值(參考值)

11‧‧‧軟性電子基板

111‧‧‧軟性電子基板正面

1111‧‧‧神經調節器訊號產生器

1111a‧‧‧微電腦

1111b‧‧‧電脈衝產生器

1111c‧‧‧編碼器

1112‧‧‧無線收發裝置

1112a‧‧‧藍芽無線收發模組

1112b‧‧‧陶瓷天線

1113‧‧‧磁共振無線充電線圈

1114‧‧‧可撓式超級電容

1115‧‧‧微流體導管容器

Claims (9)

1. 一種軟薄膜微電極裝置，內含：一矽彈性體製成之軟性薄膜基板其中含有：一軟性電子基板正面內含，一神經調節器訊號產生器，其中有一微電腦以及一電脈衝產生器、一編碼器、該組成可依使用者需求給予不同頻率和強度的刺激，達到生理刺激的效果；一無線收發裝置，可執行遠端控制以及轉接至雲端裝置接受遠端遙控管理中心管控，內含藍芽無線收發模組配合陶瓷天線，與行動裝置APP軟體配合可做雙向傳輸功能，可執行遠端控制以進行離子導入、抑制疼痛、改善性冷感、抑制骨質疏鬆等生理刺激以及離子藥物導入功能；一磁共振無線充電線圈，是利用低頻電磁波共振原理，配合磁共振無線充電電路可做為無線外部充電使用；一可撓式超級電容做為電源使用亦可做為蓄電池使用，該可撓式超級電容儲存電能，主要是利用濺鍍製程將金屬濺鍍在碳纖維布表面上，來形成金屬集電層，其中包含了兩個正負可撓式電極、一隔離膜以及電解質以達蓄電之目的；一微流體導管容器可容納離子化或帶電的化學藥物，以供離子導入使用；一軟性電子基板反面內含：一微電極片陣列，可將神經調節器訊號產生器之信息轉化為電子脈衝，能向周圍神經或脊椎神經發出電脈衝；一微流體導管可供離子導入使用，能將離子或帶電的化學藥物利用微電極片陣列，將離子或帶電的化學藥物驅送至體內，藉由以上功能便可達到預期治療之效果；一行動裝置APP軟體其中內含：一離子導入APP軟體、一抑制疼痛APP軟體、一改善性冷感APP軟體、一治療骨質疏鬆APP軟體，可對生物體進行生理刺激以及離子導入等各項功能；一雲端裝置，以及一遠端 遙控管理中心，可共同執行遠端控制，經由行動裝置APP控制軟體設定最佳參數值，再由微電極片陣列精準將所需之藥劑量送入皮膚，如此便可實現精準的藥劑量控制等目的，如此便可有效地對使用者進行生理刺激以及離子導入等各功能。
2. 如申請專利範圍第1項所述之軟薄膜微電極裝置，其軟性電子基板，是以COF(Chip on film)積體電路及3D電路佈局技術，幾何構型進行優化布局，所製成之可伸縮輕薄且軟性之電子基板者。
3. 如申請專利範圍第1項所述之軟薄膜微電極裝置，其離子導入是利用微流體導管及微流體導管容器供離子導入使用，可將離子或帶電的化學藥物利用微電極片陣列，以同電性相斥的原理，將離子或帶電的化學藥物驅送至體內者。
4. 如申請專利範圍第1項所述之軟薄膜微電極裝置，其中無線收發裝置，可執行遠端控制，與行動裝置APP軟體配合可做雙向傳輸功能，可執行遠端控制以脈衝頻率90-130(赫茲)、電壓波寬100-120(微秒)進行離子導入者。
5. 如申請專利範圍第1項所述之軟薄膜微電極裝置，其中無線收發裝置，可執行遠端控制，與行動裝置APP軟體配合可做雙向傳輸功能，可執行遠端控制以脈衝頻率2-5(赫茲)、電壓波寬200-250(微秒)進行抑制疼痛者。
6. 如申請專利範圍第1項所述之軟薄膜微電極裝置，其中無線收發裝置，可執行遠端控制，與行動裝置APP軟體配合可做雙向傳輸功能，可執行遠端控制以脈衝頻率3-20(赫茲)、電壓波寬100-500(微秒)進行改善性冷感者。
7. 如申請專利範圍第1項所述之軟薄膜微電極裝置，其中無線收發裝置，可執行遠端控制，與行動裝置APP軟體配合可做雙向傳輸功能，可執行遠端 控制以以脈衝頻率200-300(赫茲)、電壓波寬90-110(微秒)進行治療骨質疏者。
8. 如申請專利範圍第1項所述之軟薄膜微電極裝置，其電池充電方式，是以磁共振無線充電電路達到外部充電功能者。
9. 如申請專利範圍第1項所述之軟薄膜微電極裝置，其固定於皮膚方式，是以導電固定凝膠達到緊縮黏貼於皮膚方式者。