CN102755691A - 高灵敏医用微针阵列电极 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一类高灵敏度的医用微针阵列电极，是一种电极与微针的一体化的电极产品。利用微针刺入皮下，降低皮肤阻抗，实现干法采集或输入刺激信号或物质，具有高效、无痛等特点。本发明不仅可以提高信号采集的质量和速度，提高信噪比，还可以利用附加药物和支持物质，提高信号的灵敏度，有助于提高相关过程疗效，加速疾病治愈时间。该类产品可以根据患者等相关人群实际需要，通过程序设计、设定，对其进行身体指标长时间的实时监测、检测，也可以根据需要间隔采集信号和输入信号刺激进行治疗。本发明产品可用于光疗、电疗、针灸及超声波等治疗领域。本发明阐述了这种高灵敏微针阵列电极的结构设计和实施的关键性技术，具有广泛的应用前景。

Description

高灵敏医用微针阵列电极

技术领域：

本专利涉及医疗器械及医药领域，具体涉及高灵敏、低噪音的医用电极和电极片领域。

技术背景

通过与生物体的接触耦合，将生物体内的电位和生物电流有效地导出的敏感元件称为检测电极(Detecting electrode)。具体可分为：生产理疗自粘电极，理疗电极片，无纺布电极片，粘胶电极片，耳夹电极线，医疗导线，电极片导线，治疗仪导线，中低频治疗仪输出导线，按摩电极等等，总体可以概括为医用电极。

在医疗设备广泛发展和提高的当今时代，医用电极为医生和患者提供了物质和信号的传输通道和采集通道，架起了患者和医疗设备的桥梁，在医疗、医学检测及医学成像等领域有着极其广泛的应用。目前生物电极主要采集生物电的信号。而生物电测量的难点：①生物电信号弱，心电信号只有0.5～4mv(皮肤电极)、脑电信号则只有5～300μv(头皮电极)。②信号源阻抗高，生物体与电极间的界面现象复杂。极化、漂移、噪声和干扰等不稳定因素不易控制。如何解决这些难点是目前生物电的测量、也是医学电极研究领域的核心内容，特别是如何提高信号灵敏度、提高信噪比及拓展其应用范围。

生物和解剖学研究表明，皮肤由表皮和真皮两大部分组成。表面主要由角质层和死亡表皮细胞组成，其作用是防止人体不受外界有毒害物质和环境等因素的侵袭和损伤，是人体的天然保护层。与此同时，由于这种保护层的存在，致使提取人体电信号或向患者体内输入药物、营养物质及电信号等变得尤为困难。要获得生物电信号或向体内输入物质、信号等刺激因素就不得不突破这种保护层的限制。表皮的高阻抗性质严重影响了生物电信号的采集。传统的湿法生物电极系统是在皮肤涂抹一层含氯离子的导电剂，提高电极与皮肤的接触，降低接触电阻，提高信号的传输能力。研究表明这种方法中仅有极其少量的导电离子能够渗入表皮，起到降低皮肤表皮的阻抗作用。另一方面，离子渗入皮下过多也会带来一些诸如过敏、破坏皮肤免疫力等负面作用，使得这种方法无法长期使用，更不能实现实时监测，因此，这种方法对提高生物电的检测精度和灵敏度有很大的局限性。普遍采用这种方法的医学检测有心电图扫描、脑电扫描、B超、彩超等常用检测方法。目前，人们正致力于逐步改善检测过程中操作和导电剂组分，来提高检测的灵敏度，降低负面作用。

除传统的湿法电极以外，干式电极用于生物电信号的采集也取得了不错的效果。上海交大的陈迪等人发明专利“基于柔性衬底MEMS技术的脑电图干电极阵列及其制备方法”(201010284607.9)介绍了这种电极的构筑方法，一定程度上解决了导电膏的应用的问题。

刺入式电极，有效的解决了皮肤的高阻抗问题，如美国的J·卡特等发表专利“经皮电极阵列”(200480022905.3)研究了如何将生物电输入到体内进行治疗的可能性，并未解决实际实施过程中的问题。相关。J·斯科恩博格发表专利“电极阵列”(200880002662.5)解决了电极与外部连接的问题，但结构过于复杂，难以形成高敏度的电极阵列及相关产业化。上海交大的陈迪、刘景全等人利用微机电加工技术实现了相对较高密度的电极阵列，发表专利“基于衬底图形化的柔性衬底生物微电极阵列制备方法”(200910309599.6)。但其操作过程相对有些复杂，成本高，产业化前景不乐观。西安交大的景蔚宣发表专利“一种超微锥电极阵列及其制备方法”(201010013597.5)在此方面也做了很大的贡献，所用材质为硅及二氧化硅材质，其应用范围受到一定限制。

中科院半导体研究所的裴为华等人发明专利“长期记录生理喜好的侵入式斜针无痛皮肤干电极器件”(200910242338.7)利用斜针增加电极与皮肤的接触面积，降低接触阻抗，提高生物电信号的采集治疗。提出了可以用微针做为医用电极的方法，但并未提及如何与宏观仪器连接问题。此外，微针排列的不规则性尽管提高的接触面积，但带来了一系列的问题：1、只有部分微针起到采集生物电信号的作用，并不是所有微针都可以和体液接触来获取生物电信号；2、倾斜的微针不可避免的带来伤口的加大，感染的可能性也会加大；3、长期刺入皮肤会带来皮肤的过敏发应，身体的排异作用会促使白细胞大量的富集到微针表面，影响信号采集的准确性。

医用微针电极的核心是信号提取或输送的过程，如何提高其灵敏度、信号的质量是医学技术的焦点所在。本发明，在这个领域做了一定的工作。

发明内容：

本发明在微针的基础上引入电极系统，形成以微针为基础医用电极及其阵列。利用微针为透皮手段，解决皮肤的高阻抗的问题，有效提高了生物电信号的输入和采集，解决了常规电极产品在实际应用中的灵敏度低、信号差的弊端，提高检测、监测、成像及治疗的效果。不仅如此，由于本发明是以微针为基础的，可以实现透皮输药和医用电极的双重功效，两者做到相辅相成，医生和患者可以根据实际需要单独选择一种功能或多个功能使用。

本发明阐述了一类高灵敏度微针阵列电极系统是微针与电极的一体化产品，可实现输药和电极的双重功能，其至少包含微针和电极系统两个主要部分。微针刺入皮肤后，电极可以高灵敏度地采集体液及体表的中的电流、电压、电感、电量、电阻及温度等信息通过外接电路传递给信息记录处理系统，进行疾病诊断；也可以从信息处理系统得到指令，对体内输入药物、营养物质、电流、电压、力、热、磁、红外、微波、超声波等物质和手段刺激进行保健和疾病治疗。该类产品可以根据患者等相关人群实际需要，通过程序设计、设定，对其进行身体指标实时监测、检测，也可以根据需要采集信号和输入信号刺激进行治疗。本专利产品可用于光疗、电疗、针灸、心电、脑电、B超、彩超及超声波治疗等应用领域。

本发明阐述的微针阵列电极系统，其具体构造是由刺激电极、信号电极组成主体，同时附加参比电极和绝缘部件组成。值得说明的是，有些情况不一定需要全套的刺激、信号和参比电极部件，只要其中的一个或两个部件就可以完成相关操作，也属本专利的保护范畴。所述电极及相关部件可以是微针本身结构，也可以是微针修饰层或附加结构部件。信号采集或者输入刺激信号及物质的过程是直接破皮后进行，无需额外涂抹导电介质，但在必要或特殊情况下时可以附加额外的药物及支持物质，提高信号质量。刺激电极与信号电极的组合方式，可以是复合或集成不可拆的分的，也可以是分立可拆分的。无论采用何种组合方式，都可根据实际需要，对相关电极及辅助部件进行更换。微针阵列电极的基底和相关电极间的连接可以是刚性的，也可以是柔性的。刺激电极与信号电极的排列方式，可以根据需要选择左右式、上下式和层层式中的一种或几种方式进行。在使用过程中，本发明所构筑的微针阵列电极系统既可以是一次性使用，也可以对相关部件的更换，消毒，实现微针电极系统的多次反复使用。

本发明所述的微针阵列电极系统其高灵敏度的特征是通过调节微针间距和长度来实现的。间距调节可通过微针阵列的加工及设计实现，也可以通过对柔性基底的微针阵列进行拉伸或压缩进行微针电极间距的调节。长度可通过微针阵列的加工及设计实现。在同一电极上，其间距及长度等因素，可以是相同的，也可以是不同的，还可以是多种形状微针的复合体。

本发明提供微针阵列电极系统的构筑方法。其基本步骤是：

1、对微针进行必要的修饰，这类修饰起到两个作用：a、生物相容性，降低微针表面对皮肤的刺激及毒性；b、导电性修饰，赋予微针输送或导出相关信号的能力。

2、在微针上，利用物理和化学方法，构筑出相应的刺激电极、信号电极及参比电极，形成微针阵列电极。微针阵列电极间的连接是刚性的，也可以是柔性的，可以通过微加工的方式或者对相关部件拉伸或压缩实现微针的间距和长度的调控，实现电极的不同用途和灵敏度的控制和提高。

3、在相关电极上，构筑电极连接点，使电极可以方便快捷地连接到外接仪器上。

本发明所制作的微针阵列电极系统，不仅每个局部区域具有相应的刺激、信号及参比电极。这些电极可以采集和输入局部信号，也可以将所采集的信号进行采集、集成和信号后期加工、甚至可以进行局部成像等领域中得到应用。由于结构(长短、间距、排列方式等)不同，其灵敏度可以进行调节，可以实现高灵敏的检测和监测，并且可以将其应用到不同的领域中(如光疗、电疗、针灸、心电、脑电、B超、彩超及超声波治疗等)。本发明不仅可以采用传统的实心微针构筑，也可以采用空心微针进行相关的电极构筑，这也是本发明的亮点。由于空心的存在，所构筑的微针电极系统可以兼起向皮下输送物质的目的。输送的药物可以是有助于疾病的治疗的药物或营养物质，也可以是有助于信号灵敏度提高的传导介质。

附图说明：

图1、左右式空心微针阵列电极的截面结构图；其中，101为刺激电极的微针主体；102为刺激电极的微针外接修饰部分；103为信号电极的微针主体；104为信号电极的微针外接修饰部分；105为参比电极的微针主体；106为参比电极的微针外接修饰部分；107电极的外接部分；108为微针表面修饰部分；109为微针电极的绝缘链接部分。

图2、左右式空心微针阵列电极系统的俯视图；其中各数字的示意同图1所述，此外110为预处理的切割线或切割孔，可轻易地手动将电极阵列分成所需大小。

图3、上下式空心微针阵列电极的截面结构图；其中各数字的示意同图1所述。

图4、上下式空心微针阵列电极的俯视图；其中各数字的示意同图1和2所述。

图5、层层式空心微针阵列电极的截面结构图；201为微针的主体部分；202为微针表面修饰部分；203为绝缘隔离层；204刺激电极修饰层；203为信号电极修饰层；206为参比电极修饰层。

图6、层层式空心微针阵列电极的俯视图；其中各数字的示意同图5所述，此外207为预处理的切割线或切割孔，可轻易地手动将电极阵列分成所需大小。

具体实施方式：

本发明是一种利用微针作为电极材料的载体，形成微针阵列电极体系设计及构筑方法。所形成微针电极阵列系统至少包含微针体系、电极体系、绝缘部分和其他辅助部分。微针体系是作为本电极阵列系统的核心，具有破皮作用，降低皮肤的阻抗，提高电极灵敏度的作用。电极部分、绝缘部分和其他辅助部分作为本发明的重要组分。它们之间复合形成相应的微针的产品，可以存在多种复合和实施方式，我们将结合附图对主要的方式进行讲解，力求所有读者能够对本专利及实施方式有更深入的了解，但本发明并不局限于此。其他任何基于本专利的设计、原理、方法及手段所制成的电极阵列产品都属于本专利的保护范畴。

针对用途和灵敏度的要求，微针的组合形式也有多种形式，其中主要包括左右式、上下式和层层式的微针阵列电极体系。左右式是指刺激、信号和参比的电极模块是以左右顺序的方式排列的微针电极阵列系统，其基本结构如图1和图2所示，其主要特色是刺激电极、信号电极和参比电极部件可以任意组合，医生和患者使用方便，应用范围广。上下式是指刺激、信号和参比的电极模块是以上下顺序的方式排列的微针电极阵列系统，其基本结构如图3和图4所示，由于是上下的排列方式，其刺激、信号及参比电极间距离较小，因此可以采集或输入微小的电流信号，适用于高灵敏的检测和测试领域。层层式是指刺激、信号和参比的电极模块是以一层一层的方式排列的微针电极阵列系统，其基本结构如图5和图6所示，其特点是构筑方便，可采用层层修饰的方式简单构筑出微针阵列电极，易于流水线作业。

左右式微针阵列电极的实施方式是这样的，如图1所示，选取相应的微针材料，作为刺激电极101、信号电极103和参比电极105的主体，该部分材料可以是导电或非导电类材料，从结构上看可以为实心也可以是空心结构。为了保证能够实现信号的输入和输出，首先对这些微针材料进行表面修饰，使微针表面附上一层生物相容性的材料108，同时，该部分可以根据实际情况，兼具备导电或绝缘性能。该材料可以是金属材料、金属氧化物、非金属材料、聚合物材料、有机小分子、也可以是天然材料等。其典型的修饰方法有电化学、自组装与自组织、喷涂、滴涂、浸涂、蒸镀、涂抹等方式。此外，若微针材料已经本身具有相关特性，则此步骤可以省略掉。对于空心结构，其由于微针针尖内部有一定的空间，可以在微针内腔内，加入药物、营养物质或导电剂等，进一步提高信号的传输能力或对疾病的治疗效果。为了方便外接电极的引出，分别在刺激电极、信号电极和参比电极上引入外接修饰部分(102、104和106)，从而形成微针电极部件。形成局部的微针电极部件后，用绝缘材料109将各个电极部件进行连接形成微针阵列电极体系的主体。该绝缘部分为柔性材料，一方面有利于与体表充分接触，另一方面可已通过拉伸或者压缩，实现部件间间距的调节，来应对不同的需要和灵敏度的要求。微针部件主体完成后，引出电极外接部分107，是电极可以方便的接于仪器上。由于不同的需要，微针阵列电极的尺寸要求不同，因此，在组装好的微针阵列电极上，适当处理上切割线或切割孔，如图2中110所示，方便使用者根据实际需要，手动将电极分成需要的尺寸。电极的尺寸和大小可以自由组合，每一部分或整体都可以起到电极作用，不影响电极的性能，这是本专利的特色之一。

上下式微针阵列电极的实施方式是这样的，如图3和4所示，微针的修饰和前处理过程与左右式微针阵列电极相同。在形成局部的微针电极部件后，不是采用绝缘材料链接的方式，而是采用上下压合的方式，实现微针阵列电极系统，这种压合方式也有两种主要的形式，一是直接利用微针的尖端刺破支撑部分，形成复合体，这种模式要求微针材料是软性的金属或高分子材料，二是先在微针的支撑部分打孔，将不同的微针部件组合，这种模式即可以是软性金属或高分子材料，也可以是二氧化硅、氮化硅及玻璃等硬性材料。在需要的情况下，这两种模式都可以在压合的过程中加入密封剂、导电剂或粘合剂等，保证复合结构的导电性和信号灵敏性。这种复合微针阵列电极的刺激、信号和参比距离较近，可以采集或输送微小信号，是这种复合模式的特色。

与上下式和左右式相比，层层式微针阵列电极的主要特色是操作步骤简单，不需要过多的修饰和复合便可形成微针阵列电极，其具体实施方式是这样的，如图4和5所示，选取相应的微针材料201，首先，对这些微针材料进行表面修饰，使微针表面附上一层生物相容性及导电的材料202，其次，在微针背部电极上引入导电涂层206，这部分讲充当参比电极的外接线路的部件，然后修饰绝缘层203，这部分修饰不完全修饰，而是保留一部分不修饰，不修饰的部分是成品的参比电极部分。同样的方式在203的表面修饰一层生物相容性及导电的材料204，构成信号电极部分，交替修饰绝缘层203和生物相容性及导电层205构筑出刺激电极部分。每次修饰可控地不完全修饰，保留相应的导电部分作为微针的电极部分。不修饰部分的大小可以调整相应的刺激、信号和参比电极部分的面积大小，通过面积的可控条件，实现微针电极的高灵敏性。可以方便的形成工业的流水线作业，便于大面积的生产，这是这种方式的最大特色。

下面，我们将结合几个典型的具体实例详细说明高灵敏医用微针阵列电极的具体实施过程，但本发明的保护范围并不局限于这些实例。

实施例1左右式脑电图的高灵敏微针阵列电极构筑

整体微针阵列电极构筑采用左右式进行构筑，如图1和2所示。首先，在101、103和105三种微针的材料选取金属微针，利用气相自组装的方式，修饰一层十二烷基硫醇102，同时掺杂少量的十二烷基钠。这些烷基起到了提高微针表面的生物相容性的作用，同时提高了表面的导电能力，降低薄膜的电阻。为了方便外部仪器接入，在三种微针材料背侧溅射一层金膜，降低欧姆接触电阻，提高外部仪器的信号灵敏度。用聚二甲基硅氧烷的聚合物材料109进行粘结，形成微针阵列电极系统主体。为了方便外接仪器，在微针背侧制作接线条107。在微针阵列上加工剪切线或剪切孔110，方便手动切割。使用过程中，只需按照需求，撕取相应的大小，直接贴到皮肤上，连上仪器便可进行脑电测量。

实施例2上下式脑电图的高灵敏微针阵列电极构筑

整体微针阵列电极构筑采用上下式进行构筑，如图3和4所示。在实例1中在溅射一层金膜后，将101、103和105的微针电极部件，按照上下顺利排列好，施加一定的力后，微针将刺破支撑结构，形成三种微针电极结构交错的复合体。为防止在刺破过程中发生短路现在，可在刺破前浸没与绝缘高分子溶液如聚乙烯等，聚乙烯即起到绝缘作用，也起到了润滑作用。组后后，若微针电极尖端有聚乙烯残留，可以将微针尖端浸没于丙酮中除去。这样就完成了相关电极体系的构筑。使用过程中，只要按需裁剪相应的大小连接外部仪器，便可实现脑电的采集。必要条件下，要提高了疗效，可在空心微针中辅助性地加入相应的导电物质或药物，提高灵敏度。

实施例3层层式心电图的高灵敏微针阵列电极构筑

整体微针阵列电极构筑采用层层式进行构筑，如图5和6所示，选取金属微针201，通过液相组装的方式修饰一层聚乳酸的薄层202，其中掺杂乳酸氨类物质提高导电性，起到生物相容性及导电作用。之后整个体系浸没于土伦试剂中，形成导电的银涂层206，这部分讲充当参比电极的外接线路的部件。然后将微针的一部分部分浸没于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的溶液中，修饰一层PMMA的绝缘层203，未涂上PMMA的部分形成了电极体系的参比电极部分。重复上述操作步骤，将信号电极和刺激电极的部分构筑出来，形成整体的微针体系。从背面看(图6)，整个电极体系呈阶梯状，也就是外接电极部分接线部分。按照设计构筑出相应的剪裁线或剪裁孔，实现微针电极阵列面积的控制。在应用过程中，只需裁剪成合适的电极面积，贴于皮肤相应位置上，连接心电仪器，便可以实现心电图的测量。

实施例4层层式电疗的微针阵列电极构筑。

由于电疗过程中，不需要参比电极，只要形成刺激电极和信号电极构筑回路，便可实现电疗的操作。因此，以层层式的构筑方式实现，操作步骤与实例3类似，只是在导电部分和绝缘部分的循环周期减少一个，便可以形成用于电疗的微针阵列电极。剪裁到相应大小，贴于患处，连接上电疗仪器，便可以实现电疗。与普通的电疗相比，本发明提供的微针电极可以直接刺激皮下，而没有表皮的高阻抗的影响，有效了提高了电疗的疗效和治疗周期。，

另外，值得说明的是，本发明所述微针阵列电极，由于其不仅可以采用传统的实心微针构筑，也可以采用空心微针构筑，具有灵敏度可以进行调节，实现高灵敏的检测和监测的特性，可以在多个领域中进行应用，如光疗、电疗、针灸、心电、脑电、B超、彩超及超声波治疗等。与此同时，还可以兼起输药的作用，提高疗效。本发明顺应未来医疗的潮流，不仅提高了微针电极的灵敏度，而且还可以将电极和输药作用复合，具有广泛的应用前景。

Claims (7)

1.一类高灵敏度的微针阵列电极系统，其特征为：该类产品是微针与电极的一体化产品，可实现输药和电极的双重功能，其至少包含微针和电极系统两个主要部分。微针刺入皮肤后，电极可以高灵敏度地采集体液及体表的中的电流、电压、电感、电量、电阻及温度等信息通过外接电路传递给信息记录处理系统，进行疾病诊断；也可以从信息处理系统得到指令，对体内输入药物、营养物质、电流、电压、力、热、磁、红外、微波、超声波等物质和手段刺激进行保健和疾病治疗。该类产品可以根据患者等相关人群实际需要，通过程序设计、设定，对其进行身体指标实时监测、检测，也可以根据需要采集信号和输入信号刺激进行治疗。

2.如权利要求1所述的微针阵列电极系统其具体构造是由刺激电极、信号电极组成主体，同时附加参比电极和绝缘部件组成。所述电极及相关部件可以是微针本身结构，也可以是微针的修饰层或附加结构部件。

3.如权利要求1和2所述，刺激电极与信号电极的组合方式，可以是复合或者集成不可拆分的，也可以是分立可拆分的。无论采用何种组合方式，都可根据实际需要，对相关电极及辅助部件进行更换。微针阵列电极的基底和相关电极间的连接可以是刚性的，也可以是柔性的。刺激电极与信号电极的排列方式，可以根据需要选择左右式、上下式和层层式中的一种或几种方式进行。

4.如权利要求1、2和3所述，一类高灵敏度的微针阵列电极系统，既可以是一次性使用，也可以对相关部件的更换，消毒，实现微针电极系统的多次反复使用。

5.如权利要求1所述的高灵敏度其特征是利用调节微针间距和长度来实现的。

6.如权利要求5所述的间距调节其特征是可通过微针阵列的加工及设计实现，也可以通过对柔性基底的微针阵列进行拉伸或压缩进行微针电极间距的调节。长度可通过微针阵列的加工及设计实现。

7.如权利要求1、5和6所述的微针阵列电极系统，在同一电极上，其间距及长度等因素，可以是相同的，也可以是不同的，还可以是多种形状微针的复合体。

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