CN104068853A - 一种生物电电极 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生物电电极，广泛用于生物电记录、测量、和刺激，包括高密度电极测量、医疗设备，移动设备、家庭保健、心理认知、游戏、脑机接口、康复训练等，特别适用于脑电测量。电极头为柱状管，中部具有电解质流通孔；电极头的一端为与生物体接触的工作端，另一端为电解质进入端；电极头位于电极体的一个端面上；电极体的中部为容纳电解质的与电极头中部通孔联通的腔室；所述电极头为导电体，电极体为导电体或绝缘体；电极头通过电极体或直接与外电路联通。本发明优点主要是：结构简单，电解质离子导体和电极头电子导体同时与皮肤接触，电极阻抗低且稳定，测量噪音低、伪差小，使用方便、舒适，适合各种与生物电记录、测量和刺激相关应用。

Description

一种生物电电极

技术领域

本发明涉及一种生物电电极，属于生物电技术领域，广泛用于生物电记录、测量、和刺激，包括高密度电极测量、医疗设备、移动设备、家庭保健、心理认知、游戏、脑机接口、康复训练等，特别适用于脑电测量。

背景技术

随着科学技术的发展，脑电测量（EEG）已经广泛应用于各种神经系统疾病的监测诊断，和脑电反馈的康复设备。脑电测量还是认知心理研究的一个重要实验手段。为了获取精准的微弱脑电信号，要求电极和头皮有良好接触，电极阻抗较低且稳定。脑电测量电极阻抗一般要求小于50-100 kOhm，最好小于5 kOhm。为达到满意的测量阻抗，需要在电极和头皮之间涂覆导电胶（膏），克服头发对测量的影响。一般而言，常规临床脑电测量常用20导电极，有些诊断如癫痫手术前的病灶定位，需要增加电极导数，可到32导或者64导。心理认知研究，包括一些脑功能评价的研究，则需要采用高密度电极测量，从32导到128导。这种传统的“胶基”电极，虽然达到满意的测量阻抗，但存在以下缺点：

1、这类“胶基”电极涂覆导电胶（膏）需要花费大量时间，尤其是高密度电极测量；

2、导电胶（膏）长时间使用易出现干掉或者脱落的情况，导致测量中断，不适合长程脑电测量；

3、使用导电胶（膏）给受试者带来不舒适的感觉，测量后需要将导电胶清洗干净；

4、导电胶的使用可能出现邻近电极之间导电胶汇聚出现“短路”，影响测量。脑电测量使用导电胶（膏）一直困扰测试者和受试者。随着移动医疗和健康监测的发展，可穿戴设备和移动医疗设备亟需配套使用无需涂覆导电胶的电极。

多年来人们一直探索发展干电极技术，即无需涂覆导电胶（膏）的电极技术。思路主要是探索新的电极材料和电极结构设计。最近的发展技术之一是采用针柱状电极设计，像梳子一样，使之较好穿过头发，直接与头皮接触。这类设计的代表，其中一个是美国g.tek公司已经上市的产品 g.SAHARA干电极。这种干电极采用金属电极点式接触头皮，未使用导电胶等电解质，不能在电极和头皮间的建立离子通道，阻抗会比较高。为了克服高阻抗的缺点，需将一个前置放大的芯片封装在电极后面。另一个是美国专利US 20110237923A1公布了一种干电极，将电极设计成毛刷状，上面加上震动装置，使电极穿过头发与头皮接触好。这两种设计都使得电极构造复杂，制造成本高，而且阻抗高有时不能满足测量要求。最近国际专利WO 2013/142316 Al公开了一种干电极设计，采用活动的小爪样式的电极，使得电极柔和地穿透头发，电极能施加一定压力给头皮，受试者又不感到疼痛。虽然这个设计加强了电极和头皮的接触，使用舒适，但有时仍会出现阻抗过高，电极阻抗不太稳定。以上三个技术方案都采用固体的干电极和皮肤直接接触，而没有使用任何电解质，电极采用的是金、银、或者是在轻质的聚合物材料外镀上银和氯化银。由于缺失导电膏等电解质，就在电极和皮肤间缺失离子导电桥梁，这种电极-皮肤接触方式会造成电极阻抗高，而且不太稳定，带来测量噪音。 

与本发明最接近的一个技术是美国专利US6510333 B1公开的干电极技术。它采用一个弹性非导体材料构成的几个空心小柱，小柱可以像固体电极一样插入头发，里面用吸水材料把上方的导电液体引到头皮表面，电极（电子导体）在这个弹性构件的上方的导电液体中。这个技术特点是将电解质（离子导体）用吸水材料通过细的小管传输到头皮上，或者说润湿了电极下方的头皮，保持较低的电极-头皮阻抗。这样的设计是将导电的离子导体材料如水凝胶封在几个可以穿过头发的小柱管中，避免了涂覆导电胶的不方便。但是小管中的水凝胶或者吸水材料不能像导电胶一样与头皮保持良好接触，因为水凝胶有时可能会缩进小管的端口内，电极阻抗不稳定。

上述的“干电极”可分为两类：一类是采用金属电极制备的实心小柱或者镀有银/氯化银的柔性爪子设计，与头皮接触都是电子导体；第二类是采用内部含有吸水的材料小柱设计。由于作为支撑的刚性空心小柱子是非电子导体，中间的吸水材料占据的体积小，而且凝胶或者吸水材料会缩进小管内，造成电极阻抗不稳定，不能满足长时间测试脑电的要求。以上两类电极的特点就是只有电子导体，或者只有离子导体与皮肤表面直接接触。

发明内容

发明目的是：提供一种生物电电极，其结构简单，电解质离子导体和电极头的电子导体同时与皮肤接触，电极阻抗低且稳定，测量噪音低、伪差小，使用方便、舒适，适合各种与生物电记录、测量和刺激相关应用。 

本发明技术方案如下：

一种生物电电极，包括电极头，和电极体：所述电极头为柱状管，中部具有电解质流通孔；电极头的一端为与生物体接触的工作端，另一端为电解质进入端；电极头位于电极体的一个端面上；电极体的中部为容纳电解质的与电极头中部通孔联通的腔室；所述电极头为导电体，电极体为导电体或绝缘体；电极头通过电极体或直接与外电路联通。

进一步的技术方案是：

所述的生物电电极，其电极头通过电极体上或至少一个电极头上直接连接的电极线与外电路联通；或电极头通过电极体上的电连接头与电极固定件上的电极线联通，该电极线与外电路联通。

所述的生物电电极，其导电体是导电材料制成的导体，或是绝缘材料制成后表面镀有导电镀层的导体。

所述的生物电电极，其特征在于，电极头与电极体为导电材料一次成型的整体。

所述的生物电电极，其电极头与电极体为绝缘材料一次成型的整体，电极头表面镀有导电镀层，或电极头及电极体整体表面镀有导电镀层。

所述的生物电电极，电极头与电极体为分别独立的构件，电极头固定在电极体的一个端面上。

所述的生物电电极，其电极头柱状管为圆柱状，或为梳子齿的锥柱状；电极头至少有两个，当为多个电极头，则电极头在电极体的一个端面上并列均匀分布，或以电极体端面形心为中心均匀分布。

所述的生物电电极，其电极头与电极体固定连接是焊接，或是电极头的电解质进入端压入电极体端面上的安装孔中，成为紧密压配合的固定连接。

所述的生物电电极，其导电材料选自金，或银，或银/氯化银，或不锈钢，或锡，或锡氧化物，或碳纤维复合材料，或导电聚合物，或导电橡胶。

所述的生物电电极，其绝缘材料选自塑料，或橡胶，或两者的复合材料。

所述的生物电电极，其导电镀层材料选自金，或银，或银/氯化银，或氧化铱，或导电碳材料，或导电聚合物，或它们的复合材料。

所述的生物电电极，其电解质为生理盐水、或含盐分的导电液体，或吸水保水材料，或它们的组合。

所述的生物电电极，其吸水保水材料由导电组分，无机吸水保水材料，亲水官能团的有机材料和亲水官能团的高分子材料中的一种或多种复合制成；吸水保水材料制成品包括：水凝胶、吸水树脂、导电胶和导电糊中的一种或它们的组合；所述亲水官能团的有机材料和高分子材料含有氨基、或羟基、或羧基、或酯基、或醚基、或肽键。

所述的生物电电极，其特征在于，所述导电组分选自氯化钠，或氯化钾，或它们的组合；所述亲水官能团的有机材料选自羟基醇，或尿素，或氨基酸；所述亲水官能团的高分子材料选自丙烯酸类，或丙烯酸酯类，或丙烯酰胺类，或聚乙二醇，或聚乙烯醇，或纤维素，或多糖及其衍生物，或多肽类；所述无机吸水保水材料选自高岭土，或膨润土，或蒙脱石，或粘土，或它们两种或多种复合材料。

本发明有益效果显著：

本发明专利电极头采用梳子状的小锥柱，小锥柱能快速穿过头发，克服毛发的影响，保持电极柱与皮肤接触良好。电极头为空心柱子导电体（电子导体），电极头中的流通孔含有电解质（离子导体），电极头和皮肤接触面同时具有电子导体和离子导体。因此克服了现有技术的缺点，无需在电极与皮肤之间涂抹导电胶（膏），电极阻抗就能达到检测仪器的要求，并且电极阻抗稳定，能长时间获取脑电信号，测量精度高、噪音低、伪差小。而现有的干电极技术，仅靠电子导体（金属实心小柱或者镀有银/氯化银爪子）或离子导体（水凝胶或吸水材料导入的电解质）与皮肤的接触方式，必然造成电极阻抗高，不稳定，引入测量噪音和伪差。

本发明专利提供的生物电电极，与传统的“胶基”电极相比，测量无需涂抹导电胶（膏），提高脑电测量的便利性；缩短了测量准备时间，特别适合高通道脑电图测量记录；延长脑电测量时间，适合长程脑电测量。此外受试者容易接受，测量后无需洗头，使用舒适。

本发明扩大电极应用范围，如家庭的脑电反馈的康复治疗，无需专业人员帮助涂覆导电胶，使用简单；还可广泛应用于脑电相关的心理认知、脑机接口、移动医疗、康复训练、游戏、可穿戴设备等方面。

 

附图说明

图1是电极头与电极体为一次成型的整体生物电电极立体结构示意图；

图2是电极头与电极体为导电材料一次成型的整体生物电电极剖面示意图；

图3是电极头中部为空心孔结构示意图；

图4是电极头与电极体均属独立构件，电极头压入电极体端面固定孔的结构示意图；

图5是一种带有密封盖的生物电电极立体结构示意图；

图6是电极头与电极体为绝缘材料一次成型的整体生物电电极剖面示意图，电极头及电极体表面均镀有导电镀层；

图7是电极体分为两部分，通过卡柱和卡槽实现卡扣连接示意图；

图8是电极体分为两部分，通过外螺纹和内螺纹实现螺纹连接示意图；

图9是电极头在电极体的端面上并列均匀分布示意图；

图10是电极头在电极体的端面上以电极体端面形心为中心均匀分布示意图；

图11是电极头为梳子齿的锥柱状管示意图；

图12 是电极体上有电连接头的示意图；

图13是电极线嵌入电极固定件中，与凹坑内壁以导电元件相连示意图，通过电极体上的电连接头与电极固定件紧密配合连接实现导通。

图中各附图标记名称为：1－电极头；2－电极体；3－腔室；4－电解质；5－电极线； 6－密封盖；7－卡柱；8－卡槽； 9－内螺纹；10－外螺纹； 1.1－直形电极头通孔； 11－导电镀层；12－电连接头； 13－固定件；14－凹坑。

具体实施方式

结合附图对本发明作进一步说明如下：

实施例1：是本发明生物电电极的基本实施例。如图所示，一种生物电电极，包括电极头1，和电极体2：所述电极头1为柱状管，中部具有电解质流通孔；电极头1的一端为与生物体接触的工作端，另一端为电解质进入端；电极头1位于电极体2的一个端面上；电极体2的中部为容纳电解质4的与电极头1中部通孔联通的腔室3；所述电极头1为导电体，电极体2为导电体或绝缘体；电极头1通过电极体2或直接与外电路联通。

实施例2：是实施例1进一步的实施例。所述的生物电电极，其如图1、2、5、6、7、8所示，电极头1通过电极体2上电极线5与外电路联通。当至少一个电极头1上直接连接电极线5并与外电路联通，则又是一种实施例。

实施例3：是实施例1进一步的实施例。如图12、13所示，电极头1通过电极体2上的电连接头12与电极固定件13上的电极线5联通，该电极线5与外电路联通。

实施例4：是实施例1进一步的实施例。如图2、3、5、7、8、11、12所示，所述导电体是导电材料制成的导体。所述的导电材料选自金，还可选银，或银/氯化银，或不锈钢，或锡，或锡氧化物，或碳纤维复合材料，或导电聚合物，或导电橡胶。如图6所示导电体是绝缘材料制成后表面镀有导电镀层11的导体。所述的绝缘材料选自塑料，还可以为橡胶，或两者的复合材料,所述的导电镀层11材料选自金，或银，或银/氯化银，或氧化铱，或导电碳材料，或导电聚合物，或它们的复合材料。

实施例5：是实施例1进一步的实施例。如图1、2、3、5、11、12所示，所述的电极头1与电极体2为导电材料一次成型的整体。

实施例6：是实施例1进一步的实施例。如图6所示，电极头1与电极体2为绝缘材料一次成型的整体，电极头1及电极体2整体表面镀有导电镀层11。还可以只在电极头1表面镀有导电镀层，此时，电极线5直接与电极头1联通。

实施例7：是实施例1进一步的实施例。如图4所示，电极头1与电极体2为分别独立的构件，电极头1固定在电极体2的一个端面上，所述的固定是电极头1的电解质进入端压入电极体2端面上的安装孔中，成为紧密压配合的固定连接。还有一种固定方案是电极头1与电极体2端面安装孔焊接固定。

实施例8：是实施例1进一步的实施例。如图1－8及图12所示，所述电极头1柱状管为圆柱状，长度不限，优选长度为1mm～2cm；电极头1还可以是图11所为梳子齿的锥柱状。电极头1至少有两个，当为多个电极头，则如图9所示，电极头1在电极体2的一个端面上并列均匀分布；还可以是如图10所示，电极头1在电极体2的一个端面上以电极体2端面形心为中心均匀分布。当一个生物电电极只有一个电极头，那只有通过多个生物电电极的组合形成电极头之间的均匀分布。有多个电极头1的生物电电极与只有1个电极头的生物电电极相比，前者更容易实现电极头的均匀分布，从而获得更稳定的电信号。

实施例9：是实施例1进一步的实施例。所述的电解质为生理盐水、或含盐分的导电液体，或吸水保水材料，或它们的组合。

实施例10：是实施例9进一步的实施例。所述的吸水保水材料由导电组分，无机吸水保水材料，亲水官能团的有机材料和亲水官能团的高分子材料中的一种或多种复合制成；吸水保水材料制成品包括：水凝胶、吸水树脂、导电胶和导电糊中的一种或它们的组合；所述亲水官能团的有机材料和高分子材料含有氨基、或羟基、或羧基、或酯基、或醚基、或肽键。所述导电组分选自氯化钠，或氯化钾，或它们的组合；所述亲水官能团的有机材料选自羟基醇，或尿素，或氨基酸；所述吸水保水高分子材料选自丙烯酸类，或丙烯酸酯类，或丙烯酰胺类，或聚乙二醇，或聚乙烯醇，或纤维素，或多糖及其衍生物，或多肽类；所述无机吸水保水材料选自高岭土，或膨润土，或蒙脱石，或粘土，或它们两种或多种复合材料。

本发明的权利要求保护范围不限于上述实施例。

Claims (14)

1.一种生物电电极，其特征在于，包括电极头（1），和电极体（2）：所述电极头（1）为柱状管，中部具有电解质流通孔；电极头（1）的一端为与生物体接触的工作端，另一端为电解质进入端；电极头（1）位于电极体（2）的一个端面上；电极体（2）的中部为容纳电解质（4）的与电极头（1）中部通孔联通的腔室（3）；所述电极头（1）为导电体，电极体（2）为导电体或绝缘体；电极头（1）通过电极体（2）或直接与外电路联通。

2.根据权利要求1所述的生物电电极，其特征在于，电极头（1）通过电极体（2）上或至少一个电极头（1）上直接连接的电极线（5）与外电路联通；或电极头（1）通过电极体（2）上的电连接头（12）与电极固定件（13）上的电极线（5）联通，该电极线（5）与外电路联通。

3.根据权利要求1所述的生物电电极，其特征在于，所述导电体是导电材料制成的导体，或是绝缘材料制成后表面镀有导电镀层（11）的导体。

4.根据权利要求1所述的生物电电极，其特征在于，电极头（1）与电极体（2）为导电材料一次成型的整体。

5.根据权利要求1所述的生物电电极，其特征在于，电极头（1）与电极体（2）为绝缘材料一次成型的整体，电极头（1）表面镀有导电镀层，或电极头（1）及电极体（2）整体表面镀有导电镀层（11）。

6.根据权利要求1所述的生物电电极，其特征在于，电极头（1）与电极体（2）为分别独立的构件，电极头（1）固定在电极体（2）的一个端面上。

7.根据权利要求1所述的生物电电极，其特征在于，所述电极头（1）柱状管为圆柱状，或为梳子齿的锥柱状；电极头（1）至少有两个，当为多个电极头，则电极头（1）在电极体（2）的一个端面上并列均匀分布，或以电极体（2）端面形心为中心均匀分布。

8.根据权利要求6所述的生物电电极，其特征在于，电极头（1）与电极体（2）固定连接是焊接，或是电极头（1）的电解质进入端压入电极体（2）端面上的安装孔中，成为紧密压配合的固定连接。

9.根据权利要求3所述的生物电电极，其特征在于，所述的导电材料选自金，或银，或银/氯化银，或不锈钢，或锡，或锡氧化物，或碳纤维复合材料，或导电聚合物，或导电橡胶。

10.根据权利要求3所述的生物电电极，其特征在于，所述的绝缘材料选自塑料，或橡胶，或两者的复合材料。

11.根据权利要求3所述的生物电电极，其特征在于，所述的导电镀层（11）材料选自金，或银，或银/氯化银，或氧化铱，或导电碳材料，或导电聚合物，或它们的复合材料。

12.根据权利要求1所述的生物电电极，其特征在于，所述的电解质（4）为生理盐水、或含盐分的导电液体，或吸水保水材料，或它们的组合。

13.根据权利要求12所述的生物电电极，其特征在于，所述的吸水保水材料由导电组分，无机吸水保水材料，亲水官能团的有机材料和亲水官能团的高分子材料中的一种或多种复合制成；吸水保水材料制成品包括：水凝胶、吸水树脂、导电胶和导电糊中的一种或它们的组合；所述亲水官能团的有机材料和高分子材料含有氨基、或羟基、或羧基、或酯基、或醚基、或肽键。

14.根据权利要求13所述的生物电电极，其特征在于，所述导电组分选自氯化钠，或氯化钾，或它们的组合；所述亲水官能团的有机材料选自羟基醇，或尿素，或氨基酸；所述亲水官能团的高分子材料选自丙烯酸类，或丙烯酸酯类，或丙烯酰胺类，或聚乙二醇，或聚乙烯醇，或纤维素，或多糖及其衍生物，或多肽类；所述无机吸水保水材料选自高岭土，或膨润土，或蒙脱石，或粘土，或它们两种或多种复合材料。