CN102334989B

CN102334989B - 刺入深度可控的异平面微针阵列脑电干电极

Info

Publication number: CN102334989B
Application number: CN 201110215380
Authority: CN
Inventors: 刘景全; 王龙飞; 杨春生; 杨斌
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2011-07-29
Filing date: 2011-07-29
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2031-07-29
Also published as: CN102334989A

Abstract

一种刺入深度可控的异平面微针阵列脑电干电极，包括：整体框架，微针电极，微针电极载体，微针电极安装在微针电极载体上构成异平面微针电极阵列，通过框架上的孔阵列插入框架内，并且异平面微针电极阵列可以在框架内作上下运动。框架上的小圆柱插入头发，避免头发对电极的干扰，异平面微针电极阵列可以通过控制装置控制电极在框架内做上下运动来调整合适的位置刺穿头皮达到皮肤的生发层。本发明用于脑电信号采集的脑电极结构利用现有的 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，使用方便快速，减少外部噪声，可以完成微伏级脑电信号的高质量记录。

Description

刺入深度可控的异平面微针阵列脑电干电极

技术领域

本发明涉及的是一种生物医学领域的装置，具体是一种刺入深度可控的异平面微针阵列脑电干电极。

背景技术

近年来，随着微机电系统（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系统应用范围不断扩大，已广泛应用于民用、医学、军事等领域。基于微加工工艺的针型微电极的研究得到了迅速发展。

微电极结构主要有平面微电极和异平面微电极以及将平面微电极组装成阵列形状的微电极，这些不同结构的微电极都具有各自的特点。

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。该设备通常采用微针结构。微针的长度刚穿透角质层，有效的获取脑电信号，又可以无痛。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如何突破头发的障碍是一个迫在眉睫的问题。一方面，由于MEMS制造工艺的限制，难以制造出高刚度微电极，微电极过长刚度不够，过短则无法穿透头发；另一方面，由于头发的干扰，加上脑电信号的微弱，微电极穿过头发采集脑电信号很困难。

经对现有技术文献的检索发现，W.C. Ng，H. L. See等人在《Journal　of Materials Processing Technology》209 (2009)4434-4438撰文“Micro-spike EEG electrode and the vacuum-casting technology for mass production”(“使用真空微铸造技术批量生产的微针脑电极”《材料工艺技术》)，该文提及采用铸造技术形成一个柱子和针尖，柱子在一个圆柱形基座上，基座上按照直径不同形成阵列，柱子的作用是作为一个障碍来控制针尖刺入头皮的深度，避免电极刺入头皮太深。但是，该文中并未对微针电极的刚性作出充分考虑，由于从微针电极的制作工艺上来讲，微针过长则刚性不足，不利于突破头发障碍并刺穿头皮，而且，无法控制穿过头发刺入头皮的深度。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足和缺陷，提出一种刺入深度可控的异平面微针阵列脑电干电极，该电极能都快速获得可靠稳定的脑电信号，以解决一直以来在采集脑电的时候受到头发干扰的问题。本发明可以插入头发，异平面微针电极阵列可以通过控制电路控制其在框架内作上下运动，调整合适位置避免头发障碍刺穿头皮达到皮肤的生发层进行脑电信号的采集。

本发明通过以下技术方案实现，本发明包括：微针电极，微针电极载体，微针电极框架和控制装置。其中：所述微针电极框架上设有小圆柱阵列，所述小圆柱上设有通孔，所述微针电极通过微针电极载体组装成异平面微针电极阵列，组装后的异平面微针电极阵列通过微针电极框架上的通孔插入微针电极框架中，控制装置设置在微针电极框架上，所述微针电极位置可以通过控制装置的控制在微针电极框架内上下调节。在采集时，利用微针电极框架上小圆柱穿过头发抵触头皮，再控制异平面微针电极阵列在微针电极框架内的压缩运动刺穿头皮达到相应位置。

所述的微针电极通过MEMS技术制作的平面电极，长度可以根据头发的厚度来确定，针尖长度为0.05~0.15mm，利用MEMS技术制作出具有合适长度的微针和载体，通过框架上开出的通孔将微针插入其中组装成异平面微针电极阵列，此电极的阵列数可以根据需要制作出相应的阵列数，阵列轨迹也可以灵活设计。

所述的框架结构为直径、高度不等的三个圆柱体叠加而成，最上面的圆柱直径最大，往下依次减小，最下面的小圆柱直径需根据微针电极以及头发之间的间隙来确定。三个圆柱的高度根据电极的固定位置、头发细密进行设计。最下面的小圆柱需要根据异平面微针电极阵列的个数和轨迹来确定其个数以及轨迹，二者在数量和轨迹上相同即可。同时，需要在框架上开通孔，孔径根据微针的直径确定，只需要比微针直径略大一点，能够让微针电极穿过即可。

所述的控制装置用来调整微针电极刺入头皮的深度，保证电极与头皮接触良好。控制装置固定于框架上，且与微针电极载体相连接。控制装置的控制方式不限，传动方式不限，可以根据实际情况来设计。

所述异平面微针电极阵列可以通过控制装置在框架内作上下运动。运动的控制可设计相应控制装置，在框架固定在头上之前，电极处于松弛状态，亦即电极处于框架开出的阵列孔内，等到框架固定住后，框架上最下面的阵列圆柱已经抵触头皮，通过控制装置将异平面微针电极阵列向下运动，将异平面微针电极阵列从阵列圆柱内露出，直至刺入头皮达到采集时所需的深度即可。

本发明所采用的材料分别为：微针电极以及微针电极载体可选用生物相容性材料，并且在微针电极表面溅射一层生物相容性好的导电薄膜，微针电极框架可选用绝缘材料。

本发明采用MEMS制作工艺制作平面电极，MEMS工艺制作平面电极的优势在于电极的长度可以不受限制，这种优势对于在采集脑电信号的时候显得尤为重要。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的困扰，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。本发明通过相应结构和控制装置能克服头发的障碍，可以控制脑电极刺入头皮的深度，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。而且，与现有的干电极技术相比结构巧妙，性能更加突出。

附图说明

图1是本发明一实施例的整体结构示意图；

图2是本发明一实施例的局部剖视图；

图3是本发明一实施例的异平面微针电极阵列示意图；

图4是本发明一实施例的的俯视图；

图中：圆柱体1、2、3，微针电极4，微针电极载体5，通孔6，控制装置7。

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所示，本实施例包括：微针电极4，微针电极载体5，微针电极框架和控制装置7。其中：所述微针电极框架上设有小圆柱3阵列，所述小圆柱上设有通孔，所述微针电极4通过微针电极载体5组装成异平面微针电极阵列，组装后的异平面微针电极阵列通过微针电极框架上的阵列孔插入微针电极框架中，控制装置7设置在微针电极框架上，所述微针电极4位置可以通过控制装置7的控制在微针电极框架内上下调节。在采集时，利用微针电极框架上小圆柱穿过头发抵触头皮，再控制异平面微针电极阵列在微针电极框架内的压缩运动刺穿头皮达到相应位置。

本实施例中，所述微针电极框架是由直径、高度不等的三个圆柱体（即图中圆柱体1、2、3）叠加构成。最上面的圆柱直径最大，往下依次减小，最下面的圆柱直径需根据微针电极以及头发之间的间隙来确定。如图4所示，所述圆柱体上设有阵列通孔6，孔径为0.5mm，孔分布在直径为12mm的最上面的圆柱1上，并穿过中间直径为8mm的圆柱2和最下面小圆柱3阵列。

如图2所示，该图为一实施例的整体结构的剖视图，本实施例中，微针电极4和微针电极载体构成的异平面微针电极阵列，通过微针电极框架上的孔插入微针电极框架中，微针电极4可以在孔内作上下运动。

如图3所示，本实施例采用的是将包含有四针的微针电极4绕成环状，并调整合适的间距插入微针电极载体5，共两层微针电极4构成，形成含有八针的异平面微针电极阵列。

本实施例中微针电极通过MEMS工艺：溅射Cr/Cu种子层，旋涂光刻胶，光刻，显影，电镀Ni形成平面微针，为了提高生物相容性，在Ni上溅射一层Au薄膜，最终形成了本发明中的微针电极。

本实施例的工作原理为：皮肤的结构可以分为三层：角质层(SG)、生发层(SC)以及真皮层(Dermis)。由于角质层阻抗太大，生发层有细胞、体液，真皮层有丰富的神经、血管。因此，微针电极4穿过角质层达到生发层即可，这样既可以大大降低电极测量阻抗，又不会造成疼痛感和流血。为了消除在采集脑电信号时头发的干扰，利用框架上的小圆柱3来插入头发中。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，将框架固定于头上，利用微针电极框架上的小圆柱3穿过头发，小圆柱3的直径为0.3mm，长度2.5mm。在微针电极框架固定好之前，异平面微针电极阵列通过控制装置控制其向上运动一段距离，以使电极的针尖处于孔内，等微针电极框架在头上固定好后，异平面微针电极阵列通过控制装置电路控制其在框架的孔内向下的运动，以使电极能达到合适的位置穿过头皮，达到皮肤的生发层。通过这样的装置，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如表所示：

本发明用于脑电信号采集的微针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。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims

1.一种刺入深度可控的异平面微针阵列脑电干电极，其特征在于包括：微针电极，微针电极载体，微针电极框架和控制装置，其中：所述微针电极框架上设有小圆柱阵列，所述小圆柱阵列中的小圆柱上设有通孔，所述微针电极通过微针电极载体组装成异平面微针电极阵列，组装后的异平面微针电极阵列通过所述微针电极框架上的所述通孔插入微针电极框架中，所述控制装置设置在所述微针电极框架上，所述微针电极位置通过所述控制装置的控制在所述微针电极框架内上下调节，采集脑电信号时，所述微针电极框架上小圆柱阵列穿过头发抵触头皮，控制所述异平面微针电极阵列在所述微针电极框架内的压缩运动刺穿头皮达到相应位置。

2.根据权利要求1所述的刺入深度可控的异平面微针阵列脑电干电极，其特征在于，所述的微针电极框架为直径、高度不等的三个圆柱体叠加而成，最上面的圆柱体直径最大，直径往下依次减小，最下面的圆柱体即所述小圆柱阵列中的小圆柱，该小圆柱直径根据所述微针电极以及头发之间的间隙来确定。

3.根据权利要求1或2所述的刺入深度可控的异平面微针阵列脑电干电极，其特征在于，所述小圆柱阵列中的小圆柱根据所述异平面微针电极阵列的个数和轨迹来确定其个数以及轨迹，两者在数量和轨迹上相同。

4.根据权利要求1所述的刺入深度可控的异平面微针阵列脑电干电极，其特征在于，所述的控制装置用来调整所述微针电极刺入头皮的深度，所述控制装置固定于所述微针电极框架上，且与所述微针电极载体相连接。

5.根据权利要求1所述的刺入深度可控的异平面微针阵列脑电干电极，其特征在于，所述异平面微针电极阵列通过所述控制装置控制在所述微针电极框架内作上下运动，在所述微针电极框架固定在头上之前，所述电极处于松弛状态，即所述电极处于所述微针电极框架的所述通孔内，等到所述框架固定住后，所述框架上最下面的圆柱体即所述小圆柱阵列中的小圆柱已经抵触头皮，通过所述控制装置将所述异平面微针电极阵列向下运动，将所述异平面微针电极阵列从所述小圆柱阵列内露出，直至刺入头皮达到采集时所需的深度。

6.根据权利要求1所述的刺入深度可控的异平面微针阵列脑电干电极，其特征在于，所述的微针电极是通过MEMS技术制作的平面电极，长度根据头发的厚度来确定，针尖长度为0.05~0.15mm。

7.根据权利要求1所述的刺入深度可控的异平面微针阵列脑电干电极，其特征在于，所述微针电极以及所述微针电极载体选用生物相容性材料，并且在所述微针电极表面溅射一层生物相容性好的导电薄膜，所述微针电极框架选用绝缘材料。