CN104224166A - 基于导电液的湿电极 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于导电液的湿电极，其中所述湿电极具有壳体(4)，该壳体(4)通过上盖(3)在上部封闭，在所述壳体(4)中容纳有金属板(1)，从该壳体(4)中伸出的导线(5)与金属板(1)导电连接，用于导出湿电极的信号，其中，所述湿电极还具有至少两个电极柱组件(10)，以及在所述壳体(4)的底部还设有与所述电极柱组件(10)的数量相匹配的至少两个孔(11)，其中每个电极柱组件(10)都从所述壳体(4)底部的相应的孔(11)中伸出并且在靠近孔(11)的一端至少部分地与所述金属板(1)导电连接。

Description

基于导电液的湿电极

技术领域

本发明涉及一种基于导电液的湿电极。

背景技术

随着医学、神经科学、认知心理学和人工智能研究的深入发展，生物电信号正在被越来越多的应用到医学检测、临床诊断以及新兴的脑-机接口等领域。电极作为生物体和外部测量设备之间的接口，起着传递生物电信号到测量设备的作用，它的性能决定着生物电信号的质量。

表面湿电极是一种非侵入式电极，它使用方便，对病人伤害小，测量精度高，与干电极相比其具有更低的皮肤接触阻抗，有利于生物电信号的采集。目前，表面湿电极大多采用在金属电极板和皮肤之间增加一层导电物质如导电液或者导电膏实现，其中利用导电液或者导电膏来湿润皮肤以达到降低电极与皮肤接触阻抗的目的。基于导电膏的湿电极在使用时需要在电极与皮肤之间注入导电膏，在检测完成后还需要对电极和被测试者的头部进行清洗，这种清洗程序较为复杂。另一方面，基于导电液的湿电极通常使用生理盐水为导电介质，其使用后清洗较为方便。

目前，基于导电液的湿电极主要结构为金属极板与储水纤维连接，使用时通过储水纤维吸水后再安装在头部。例如，美国Emotiv公司的EPOC电极系统使用的湿电极由吸水材料固定在金属板上而成，使用前先将导电液滴于吸水材料上，然后将吸水材料与皮肤接触，从而测量生物电信号。由于脑电极安装位置的特殊性，需要其有穿过头发不受头发干扰的能力。现有的基于导电液的湿电极一般是下面两种形式：一种是具有直径较小的电极柱，其具有穿过头发与头皮直接接触的能力，但此种电极储液量小，使用时间短，且由于接触面积小，导致接触阻抗较大；另一种则是具有直径较大的电极柱，其具有较大的储液量，但其容易被头发挡住不能直接接触头皮，且导电液部分会被头发吸收，降低导电液的使用率。而且由于导电液一方面起湿润皮肤作用，一方面还起着传导脑电信号的作用，随着使用时间的增加，存储于吸水材料中的导电液逐渐减少，使得皮肤和电极之间的接触阻抗增大，从而使接触阻抗变得不稳定，不利于长期生物电信号的精确采集。

发明内容

为克服上述缺陷本发明提出了一种基于导电液的湿电极。这种湿电极具有壳体，该壳体通过上盖在上部封闭，在所述壳体中容纳有金属板，从该壳体中伸出的导线与金属板导电连接，用于导出湿电极的信号，其中，所述湿电极还具有至少两个电极柱组件，以及在所述壳体的底部还设有与所述电极柱组件的数量相匹配的至少两个孔，其中每个电极柱组件都从所述壳体底部的相应的孔中伸出并且在靠近孔的一端至少部分地与所述金属板导电连接。

在本发明中，电极柱组件优选为细长形的，或者说其直径明显小于其长度。这种形状的电极柱组件由此可以避免由于单个较大直径的电极柱造成导电液过快地挥发，又避免了现有技术中单个小直径电极柱不易湿润皮肤的缺点。通过设置多个电极柱组件，在储水芯中注入导电液后，导电液通过多个电极柱组件同时传递至皮肤从而湿润皮肤、降低接触阻抗。而且多个直径较小的电极柱组件可以穿过头发直接与皮肤接触，从而有利地避免了头发干扰，进一步降低接触阻抗，提高导电液使用效率。

根据一种有利的实施方式，所述电极柱组件为多孔材料制成，例如多孔钛、多孔不锈钢、多孔镍等多孔金属材料。

根据另一种有利的实施方式，所述电极柱组件包括穿过所述壳体的孔的管件，优选为金属管，所述金属管与所述金属板导电连接。

有利的是，在所述金属管中还填充有导水芯，所述导水芯在所述金属管的内部延伸穿过所述壳体的底部上的孔与所述壳体内部连接，由此将导电液引导至皮肤。有利的是，当在壳体中设有储水芯以储存导电液时，使导水芯与壳体内的储水芯连接。由于导水芯与储水芯相互连接，可以有利地通过接触皮肤的导水芯将储水芯中包含的导电液引导至皮肤表面，从而浸润皮肤。而且，由于电极柱由里层导水芯和外层金属层构成，在导电液用尽时，电极外层金属与头皮的接触阻抗较纤维小，有利于脑电信号的传递。

根据一种更为有利的实施方式，所述电极柱组件还包括多孔金属柱，所述多孔金属柱设置在所述金属管的远离所述孔的端部上。在设置时可以优选地使该多孔金属柱与所述导水芯接触连接。

有利的是，所述多孔金属柱与所述金属管通过过盈配合连接。

根据一种更为有利的实施方式，所述多孔金属柱以多孔钛、多孔不锈钢、多孔镍等多孔金属材料制成。由于金属柱的多孔特性，当储水芯中的导电液经由金属管中的导水芯流入到多孔金属柱后，多孔金属柱便会吸收导电液。当多孔金属柱与皮肤接触时，导电液会通过多孔金属柱中的微孔将导电液传递至皮肤从而湿润皮肤，由此降低皮肤和电极间的接触阻抗，有利于生物电信号的采集。由于其本身为金属制成，并且多孔金属柱导电性好，有利于生物电信号的传递。

根据另一种更为有利的实施方式，所述电极柱组件还包括金属丝，所述金属丝穿过所述电极柱组件并在靠近所述孔的一端与所述金属板导电连接，以及所述金属丝在所述电极柱组件的远离所述金属板的端部弯折，以通过弯折边与皮肤形成接触。由于金属丝以弯折边与皮肤接触，由此有利地避免了金属丝划伤皮肤。而且，通过增加金属丝与皮肤的接触，能够更好的传导生物电信号。有利的是，所述金属丝由钛、不锈钢制成。

根据一种有利的实施方式，依据本发明的金属板的材料为钛、不锈钢、铜。

根据一种有力的实施方式，在上述各种实施例中都在壳体中设置储水芯。

根据一种有利的实施方式，所述储水芯由聚合物纤维或棉纤维制成。

根据一种有利的实施方式，上盖和壳体的材料为聚合物。

根据一种有利的实施方式，上盖和壳体通过螺纹或卡扣连接在一起。

根据一种有利的实施方式，穿过壳体的导线与金属板焊接在一起。

根据一种有利的实施方式，导水芯为聚合物纤维或棉纤维。

根据一种有利的实施方式，金属管的材料为不锈钢或钛等金属。

根据一种有利的实施方式，金属管与金属板焊接在一起。

根据一种有利的实施方式，金属管通过粘接安装在壳体的孔内。

在此，本发明通过多个电极柱组件结构既避免了头发干扰，使电极柱直接与头皮接触，又增大了电极与头皮接触面积，降低了接触阻抗。在湿电极中由于增加大尺寸储水装置，增加了导电液储量，延长电极使用周期。电极柱由里层导水纤维和外层金属层构成，在导电液用尽时，电极外层金属与头皮的接触阻抗较纤维小，有利于脑电信号的传递。

附图说明

在附图中示出本发明的实施例并且在以下描述中详细解释这些实施例。在附图中，相同的附图标记表示实施相同或相似的功能组件或元件。其中：

图1示出了依据本发明的湿电极的第一种实施方式，

图2示出了依据本发明的湿电极的第二种实施方式，

图3示出了依据本发明的湿电极的第三种实施方式，

具体实施方式

图1总体上示出了依据本发明的基于导电液的湿电极的第一实施例。该湿电极具有壳体4，该壳体用于容纳导电液。壳体4在其上部通过上盖3封闭。在本实施例中，壳体4与上盖3均由聚合物制成。在上盖3的周壁的内侧可以设置螺纹，同时在壳体4的周壁上部的外侧也设置相应的螺纹，由此壳体4与上盖3能够通过螺纹连接。虽然没有具体示出，但是也可以在壳体4和上盖3上设施卡扣机构或其他连接机构，使两者相互连接。上盖3可以防止容纳在壳体4中的导电液挥发。导电液可以直接容纳在壳体4中，但是在本实施例中，在壳体4的内部放置一个储水芯2，导电液被吸收在储水芯2中。在图1中可以看到，壳体4的内腔中容纳着储水芯2。该储水芯2在此由吸水性材料，例如聚合物纤维或棉纤维等制成，由此可以将导电液包含在其中。在此，可以将壳体4的内腔设计地较大，从而能够容纳较大尺寸的储水芯2，尺寸较大的储水芯可以存储较多的导电液，由此能够延长电极的使用时间。

壳体4具有底部，在其底部上设置有金属板1，该金属板1起将由湿电极的电极柱采集到的脑电信号传递至金属导线5的作用。该金属板1可以由钛、不锈钢、铜等材料制成。金属板1在本实施例中还通过焊接与导线5导电连接。导线5穿过壳体4伸出到壳体外部，用于传递该湿电极的信号。

在图1所示的实施例中，出于可视性原因可以看到该湿电极具有两个电极柱组件10。在其他未示出的实施例中，可以设置至少两个这种电极柱组件，例如可以设置三个、四个或者根据实际情况，如可用空间设置更多个这种细长的电极柱组件。在本发明中，细长形的电极柱组件指其直径明显小于长度的电极柱组件。当在储水芯2中注入导电液后，导电液通过多个电极柱组件10同时传递至皮肤从而湿润皮肤、降低接触阻抗。多个直径较小的电极柱组件10可以穿过头发直接与皮肤接触，避免头发干扰，进一步降低接触阻抗，提高导电液使用效率。

在壳体4的底部上设有与电极柱组件10的数量相同的孔11。这些孔优选地具有与电极柱组件10的外径相应的内径，使得电极柱组件10能够配合地从壳体4的底部伸出，用于与皮肤、例如头皮接触。

在图1中，可以看到，电极柱组件10优选地包括一个由金属管7构成的外壳。该金属管7可以是圆柱形金属管也可以具有任何便于加工的横截面形状。金属管7可以由不锈钢或钛等金属制成。在该金属管7中优选可以填充或容纳有由吸水性材料制成的导水芯6。该导水芯6的材料可以与储水芯2的材料相同，例如为聚合物纤维或者棉纤维。当然该导水芯并非必需的。金属管7在上端，即靠近孔11的那一端在壳体4的内部与金属板1导电连接。在本实施例中，金属管7与金属板1的导电连接是通过焊接实现的，当然也可以通过任何方式的接触来实现。

在使用时，电极柱组件10以其远离壳体4或者说远离孔11的端部接触皮肤，例如头皮。生物电信号经由电极柱组件10从金属板1和导线5被传递出来。由于设有多个这样的电极柱组件10，因此当储水芯2中注入导电液后，导电液能够顺畅地通过多个电极柱组件10内部的导水芯6被传递到皮肤上进而湿润皮肤并降低接触阻抗。由于电极柱组件10具有较小的直径，由此可以直接穿过毛发与皮肤接触，进而避免了由于毛发造成的干扰。当长时间使用后，导电液可能会由于在皮肤表面的挥发而变干，此时电极柱组件10的金属管7与皮肤之间直接接触，降低了由于导电液挥发而导致的阻抗升高的影响，从而稳定阻抗，延长电极的使用时间。

图2示出了依据本发明的湿电极的第二实施例。该实施例与图1所示的实施例类似，在此对相同或类似部件不再赘述，仅对有区别的部分进行详细阐述。在图2中可以看到，电极柱组件10除了金属管7和导水芯6之外，还具有多孔金属柱8。

根据本发明，多孔金属柱8的材料可以为多孔钛、多孔不锈钢、多孔镍等多孔金属材料。其中，所述的多孔金属柱8优选通过一次烧结成型或通过多孔金属材料进行机械加工而成型。可以想到的是，还可以通过本领域已知的任何其他方式在金属柱上构造多个微孔，从而形成依据本发明的多孔金属柱。

在图2中可以看到，该多孔金属柱8可以部分嵌入到金属管7内部与导水芯6接触连接，并且在该金属管7的内部通过过盈配合与金属管7配合连接。在图2中看到的多孔金属柱8还优选地具有台阶部，通过该台阶部抵靠在金属管7的远离壳体4的端面上。当然，也可以采取其它连接方式，如螺纹旋接等，只要金属柱8与金属管接触并堵住管口即可。

由于金属柱8的多孔特性，当储水芯2中的导电液经由金属管7中的导水芯6流入到多孔金属柱8后，多孔金属柱8便会吸收导电液。当多孔金属柱8与皮肤接触时，导电液会通过多孔金属柱8中的微孔将导电液传递至皮肤从而湿润皮肤，由此降低皮肤和电极间的接触阻抗，有利于生物电信号的采集。由于其本身为金属制成，并且多孔金属柱导电性好，有利于生物电信号的传递。

在本实施例中，该多孔金属柱8以其一端与金属管7连接的实施方式，由此生物电信号还可以通过多孔金属柱8、金属管7传递至金属板1并最终通过导线引出。

当然，电极柱组件10也可以直接用多孔金属材料制成，无需上述的金属管7和多孔金属柱8。

图3示出了依据本发明的湿电极的第三实施例。与之前所描述的两个实施例不同的是，在图3所示的实施例中穿过电极柱组件10内部嵌入有金属丝9。该金属丝9一端与金属板1导电连接，另一端与皮肤接触。在本实施例中，该金属丝9在导水芯6中顺着金属管7的走向通道壳体4的内腔中，并在那里与金属板1导电连接。在本实施例中，金属丝9通过焊接与金属板1导电连接。金属丝9在远离壳体4的一端在导水芯6内部弯折，使得弯折边暴露于导水芯6外能够与皮肤接触。由于金属丝9的弯折设置使得金属丝能够与皮肤接触而不划伤皮肤，由此将生物电信号传导至金属板1。在本实施例中，还可以使包含有金属丝9的弯折部分的导水芯6略微地伸出超过金属管的长度。依据本发明，金属丝9的材料可以为钛、不锈钢等。在这种情况下，管件不必与金属板1导电连接，也不必由金属制成。

本发明的保护范围仅由权利要求限定。得益于本发明的教导，本领域技术人员在不超出本发明的保护范围的情况下可以根据具体情况对本发明做出各种变型、修改或者替换，这些变型、修改或者替换落入本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种湿电极，其中所述湿电极具有壳体(4)，该壳体(4)通过上盖(3)在上部封闭，在所述壳体(4)中容纳有金属板(1)，从该壳体(4)中伸出的导线(5)与金属板(1)导电连接，用于导出湿电极的信号，其中，所述湿电极还具有至少两个电极柱组件(10)，以及在所述壳体(4)的底部还设有与所述电极柱组件(10)的数量相匹配的至少两个孔(11)，其中每个电极柱组件(10)都从所述壳体(4)底部的相应的孔(11)中伸出并且在靠近孔(11)的一端至少部分地与所述金属板(1)导电连接。

2.按照权利要求1所述的湿电极，其特征在于，所述电极柱组件(10)包括穿过所述壳体(4)的孔(11)的金属管(7)，所述金属管(7)与所述金属板(1)导电连接。

3.按照权利要求2所述的湿电极，其特征在于，在所述金属管(7)中填充有导水芯(6)，所述导水芯(6)在所述金属管(7)的内部延伸穿过所述壳体(4)的底部上的孔(11)与所述壳体(4)的内部连接。

4.按照权利要求2所述的湿电极，其特征在于，所述电极柱组件(10)还包括多孔金属柱(8)，所述多孔金属柱(8)设置在所述金属管(7)的远离所述孔(11)的端部上。

5.按照权利要求4所述的湿电极，其特征在于，所述多孔金属柱(8)与所述金属管(7)通过过盈配合连接。

6.根据权利要求4所述的湿电极，其特征在于，所述多孔金属柱(8)以多孔钛、多孔不锈钢、多孔镍等多孔金属材料制成。

7.按照权利要求1-3中任意一项所述的湿电极，其特征在于，所述电极柱组件(10)还包括金属丝(9)，所述金属丝(9)穿过所述电极柱组件(10)并在靠近所述孔(11)的一端与所述金属板(1)导电连接，以及所述金属丝(9)在电极柱组件(10)远离所述金属板(1)的端部弯折，以通过弯折边与皮肤形成接触。

8.按照权利要求1至6中任意一项所述的湿电极，其特征在于，在所述壳体中设有储水芯(2)。

9.按照权利要求8所述的湿电极，其特征在于，所述储水芯(2)由聚合物纤维或棉纤维制成。

10.按照权利要求1至6中任意一项所述的湿电极，其特征在于，所述上盖(3)和壳体(4)通过螺纹或卡扣连接在一起。

11.按照权利要求3至6中任意一项所述的湿电极，其特征在于，所述导水芯(6)为聚合物纤维或棉纤维。