CN104224167B

CN104224167B - 一次性脑状态监测柔性贴片电极

Info

Publication number: CN104224167B
Application number: CN201410484665.4A
Authority: CN
Inventors: 魏学谦; 李小俚
Original assignee: Beijing Normal University
Current assignee: Beijing Normal University
Priority date: 2014-09-21
Filing date: 2014-09-21
Publication date: 2016-06-01
Anticipated expiration: 2034-09-21
Also published as: CN104224167A

Abstract

一次性脑状态监测柔性贴片电极，包括导线、电极接口盒、IC卡识别电路、IC卡触点、脑电采集处理电路、Ag质导电层触点、电极插片、IC卡控制芯片、感光柔性基底膜、纳米Ag质电路层、Ag/AgCl离子导电涂层、绝缘PE覆膜、胶棉垫、刺垫和海绵。本电极适用于对病人的大脑意识状态、睡眠或麻醉状态进行监测，电极采用薄膜线路印刷工艺将Ag浆和Ag/AgCl浆涂覆在光感基质材料上，再热固化处理。电极主体采用柔性设计，片状银粉的强挠曲性，可自由弯曲不易折断，更适合人面部结构，同时胶棉垫保证电极更牢固紧密的与人的头部接触，海绵保护Ag/AgCl离子导电涂层不被磨损，更好的容纳并固定导电膏，减少了因导电膏流失造成基线漂移，波形失真等问题。

Description

一次性脑状态监测柔性贴片电极

技术领域

本发明涉及脑电电极材料研究与应用和电极加工工艺技术领域，特别涉及一次性脑电状态监控电极的新材料和新工艺。

背景技术

在脑科学研究以及临床医学领域，经常对大脑的活动状态进行实时监测，用的最多的技术手段就是脑电的采集和分析，通过分析脑电的变化进而判断出大脑的意识状态或麻醉深度。因此，脑电信号的准确获取成为首要问题，而电极的选取是保证脑信号实时、精确获取的关键。

目前，大多数脑电电极是由铜、金、银等金属材料和碳、氯化银等非金属或金属离子化合物材料制成，由于银-氯化银(Ag/AgCl)电极具有直流失调电压和交流阻抗低、偏置电流耐受度高，复合不稳定性和内部噪声低等优点，在临床和科研领域应用最为广泛。氯化银电极的性能取决于导电层界面间的微观结构，氯化银不导电，如果氯化银涂层偏厚，会影响电极的导电性，相反，如果氯化银涂层偏薄，又难以在银或其他导电材质之间形成活性界面，势必影响电极的弱极化作用和高灵敏度。在临床上经常使用的肌电和心电电极，氯化银通常采用直接将氯化银浆印刷在注塑成型的半导电碳粉或碳纤维基材表面，然后通过热烧结方式形成导电层。这种电极加工方式在信号幅值大的肌电和心电上还可以使用，但脑电信号相对于肌电和心电要小数十，甚至上百倍，需要进一步提高电极的灵敏度才能实现精确获得电信号。此外，热固型工艺对基材的要求高，要有300℃以上的耐热度，银浆中的绝缘油墨在加热时也易造成产品出现色差而降低合格率。

由于人体的皮肤表面呈不规则曲面，很多电极与皮肤接触的紧密性较差，尤其在肢体出现移动或出汗情况下，会导致脑电信号质量大大降低。目前临床常用的一次性心电电极多采用固态导电膏为导电介质，对皮肤较干、角质层偏后的人群来说，使用前往往需要先用磨砂膏除去皮肤角质层，否则容易出现阻抗高、噪声大、信号质量下降的问题，使用起来过程繁琐，尤其是当电极数量多时，耗时过长。

随着医学和电子技术的不断提高，一些便携式脑状态监测仪器被开发出来，无论是在医院还是家庭，人们都需要使用起来更舒适、操作简单方便的辅助设备。而常用的金属盘状电极在电极固定、电极膏注入方面较繁琐，尤其当需要电极的数量较多时，准备时间长，而且在使用过程中，由于人体运动或出汗电极会发生移位，甚至脱落的现象，这些都促使一些效果优良、操作更便捷的新式电极的研发。

发明内容

针对上述现有电极存在的不足，本发明的目的在于设计一种全新的医用脑电信号监测电极，提供一种生物电信号获取性能更高、使用起来更舒适便利、操作简单快捷的一次性脑状态监测柔性贴片电极。该电极片采用新型材料纳米片状Ag粉和超微AgCl粉，制备纳米Ag浆和AgCl浆，通过丝网印刷的方法在感光柔性基材上印制导电电路，之后采用红外线和热风循环烘箱进行热固化处理。依此方法制作的电极信号采集灵敏度高，同时具有柔软舒适、使用便捷、抗菌、避免交叉感染等优点。

一次性脑状态监测柔性贴片电极，其特征在于：电极主要包括电极主体和电极接口盒两个部分，电极主体为柔性带状结构，其上分布有3个电极点，即3通道；电极接口盒部分为中空结构，内有脑电采集处理电路和IC卡识别电路；电极主体的头部连接有一个电极插片，通过电极插片接入电极接口盒中的电路；

电极主体结构依次分四层，一是感光柔性基底膜；一是纳米Ag浆印刷而成的Ag质电路层；一是Ag/AgCl浆制备的Ag/AgCl离子导电涂层；一是绝缘PE覆膜。

采用纳米片状Ag粉和粒径小于50nm的AgCl粉分别制备纳米Ag浆和Ag/AgCl浆，然后通过丝网印刷的方法在感光柔性基底膜上印制导电电路，之后进行热固化处理。

本发明所采用的具体技术方案如下：

该电极主要包括电极主体和电极接口盒两个部分：电极主体部分包括电极插片、IC卡控制芯片、感光柔性基底膜、纳米Ag质电路层、Ag/AgCl离子导电涂层、绝缘PE覆膜、胶棉垫、刺垫和海绵；电极接口盒内有IC卡识别电路、脑电采集处理电路、Ag质导电层触点及IC卡触点。

电极主体为柔性薄膜带状结构，共四层，自下而上分别为：一是柔性基底膜；一是纳米Ag质电路层；一是Ag/AgCl离子导电涂层，作为电信号感知层；一是柔性PE覆膜，以保护Ag质导电层不被磨损和氧化。

本电极为3个通道，在电极的每个通道的信号采集处各有一胶棉垫，胶棉垫中间为镂空结构，其间有刺垫和海绵，作为吸收并保持导电膏之用。

电极主体的头部连接有一个电极插片，电极通过插片接入电极接口盒中的电路，与信号采集设备连通。电极插片的两侧有弹性卡扣设计，当插片插入到电极接口盒后可以固定住电极，避免电极移动或脱落，插片的前端有一弧形弹片设计，可以起到缓冲和固定作用。

电极接口盒由接口盒的上片和下片扣合而成，内为中空结构，有脑电采集处理电路、IC卡识别电路、电极及IC卡触点。IC卡识别电路上集成的微处理器中存储有预设的IC卡信息，系统上电后微处理器电路启动，开始检测IC卡。微处理器读取IC卡中的信息，并与存储的预设信息比对，当比对结果符合数据采集协议即可使用。确认电极正确接入并开始采集信号后，微处理器开始10分钟倒计时。若计时10分钟内IC卡有拔出操作则计时中断，处理器开始重复检测IC卡。若微处理器倒计时结束，处理器向IC卡写入更改信息，标志IC卡已使用，此后，一旦采集中断或采集结束，电极断电或拔出，采集过程终止，电极将不能再次使用。

电极薄膜电路的制作过程：(1)先制备单一导电介质组分的纳米Ag浆和AgCl浆，即将纳米片状Ag粉、超微AgCl粉分别溶于稀释剂，然后添加一定比例的环氧树脂、粘结剂、分散剂、固化剂和助剂，缓慢搅拌均匀，制成油墨状纳米Ag浆和AgCl浆；(2)再将制备好的一部分Ag浆和AgCl浆按比例7:3进行混合，配制Ag/AgCl混合银浆，在低温条件下，用自动搅拌机慢速搅拌均匀，避免产生气泡；(3)之后用丝网印刷工艺在柔性基底膜上分别印制纳米Ag质导电层和Ag/AgCl离子导电涂层，再用红外线和热风循环烘箱进行热固化处理。

附图说明

图1是一次性脑状态监测柔性贴片电极；

图2(a)是电极主体部分的正面；

图2(b)是电极主体部分的背面；

图2(c)是电极主体部分的侧面；

图3(a)是电极接口的上片部分；

图3(b)是电极接口的下片部分；

图4是电极主体的层析结构；

图5是电极在使用中位于头部的位置；

表1制备超微导电银浆参数；

表2制备超微氯化浆参数。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

本发明提供了一种一次性脑电监测贴片电极，用于麻醉深度或大脑活动状态监测，适用于采集前额部的脑电信号。

该电极的设计主要包括电极主体和电极接口盒两个部分。其中电极主体部分长245mm，宽27mm，厚2.7mm，其包括电极插片7、IC卡控制芯片8、感光柔性基底膜9、纳米Ag质电路层10、Ag/AgCl离子导电涂层11、绝缘PE覆膜12、胶棉垫13和14、刺垫15和海绵16；电极接口盒2内包含有IC卡识别电路3、IC卡触点4、脑电采集处理电路5及Ag质导电层触点6。

电极主体为柔性带状结构，自下而上分为4层：最底层是感光柔性基底膜9，所用材料为医疗级聚碳酸酯PC，厚度为0.125mm。它的上一层是由纳米Ag浆印刷而成的Ag质电路层10，有3条导线，即3个通道，银箔厚度为18μm，宽度为1mm，在3个信号采集点处的Ag盘的直径为16mm。在3条薄膜导线的末端，即信号采集点处，印刷有Ag/AgCl离子导电涂层11，涂层厚度15μm，Ag/AgCl盘直径为16mm。在Ag质电路层的表面是医疗级高分子聚乙烯PE材料的绝缘PE覆膜12，用来保护Ag质电路层不被磨损和氧化。

制备纳米Ag浆和Ag/AgCl浆：先制备单一导电介质组分的纳米Ag浆和AgCl浆，将纳米片状Ag粉(粒径50nm，宽厚比为10∶1)、超微AgCl粉(粒径50nm)分别溶于稀释剂，溶剂为丁基溶酐乙酸酯，溶质和溶剂分别占总质量的20％和70％，然后添加一定比例的粘结剂(环氧树脂，占总质量的7％)、分散剂(丙烯酸树脂，占总质量的0.5％)、固化剂(占总质量的1％)、消泡剂(占总质量的0.5％)、增韧剂和其他助剂(占总质量的1％)，然后缓慢搅拌均匀(60min左右)，制成油墨状Ag浆和AgCl浆，所需达到的标准参数详见表1和表2。之后是配制Ag/AgCl混合银浆，即将一部分Ag浆和AgCl浆按比例为7:3进行混合，在低温条件下，用自动搅拌机慢速搅拌约30min，避免产生气泡。

用丝网印刷方式在感光柔性基底膜上印制Ag质电路层(丝网为120T/cm，即300目)，宽1mm，厚度15μm。在热处理阶段，采用红外线和热风烘箱相结合的方法进行固化处理，先用红外线低温烘30s(80～100℃)，再在120℃下烘30s，最后在150℃条件下，用热风循环烘箱固化40min，这种红外线和烘箱结合的方式较一般单一式固化方法效果更好，薄膜电路的附着力强，抗拉伸性高，不易折断、撕裂。

在电极的3个信号采集点处，各有一胶棉垫13，胶棉垫13的作用是将电极紧密地粘附在人体表面的皮肤上。胶棉垫13中间为镂空结构，其间有刺垫和海绵，作为吸收并保持导电膏之用，三个胶绵垫外侧圆弧半径25mm，厚度2mm、中心孔直径15mm。在3个胶棉垫13中心处各有一胶绵垫14，厚1mm，直径6mm，用来固定刺垫15，刺垫厚2mm，直径14mm，刺垫的作用是固定海绵16，海绵垫厚2mm，直径14mm。在使用时，海绵的作用是吸收和保持半液态的导电膏，使得脑电采集过程中电极和前额皮肤的接触性保持良好。

电极主体的头部连接有一个电极插片7，电极通过插片接入电极接口盒2，与信号采集设备连通。插片的两侧有弹性卡扣设计，电极插片7插入到电极接口盒2后，可以固定住电极，避免电极移动或脱落，插片的前端有一弧形弹片设计，可以起到缓冲和固定作用。

电极接口盒2由接口盒上、下片两片扣合而成，内为中空结构，上片内装有IC卡识别电路3、IC卡触点4，下片内装有脑电信号采集处理电路5和Ag质导电层触点6，芯片识别电路3和脑电信号采集处理电路5通过导线1接入脑电采集系统。

IC卡识别电路上集成了一片微处理器及处理器最小系统，处理器中存储有预设的IC卡信息，系统上电后微处理器电路启动，开始检测IC卡。当IC卡接触正常后，微处理器读取IC卡中写入的信息与存储的预设信息比对，当比对结果表示IC卡未使用则向采集器回传信号表明可以开始数据采集。与此同时，微处理器开始10分钟倒计时。若计时10分钟内IC卡有拔出操作则计时中断，处理器开始重复检测IC卡。当IC卡重新连接，微处理器将重新比对信息并开始10分钟倒计时。若微处理器倒计时结束，处理器向IC卡写入更改信息，标志IC卡已使用，此后，一旦采集中断或采集结束，电极断电或拔出，采集过程终止，电极将不能再次使用。

表1导电银浆参数

粘度(25℃)	7000～15,000
		细度(nm)	≤50
固含量(％)	70±5
		固化温度	40min，150℃
体积电阻率(Ω*cm)	<0.0002
		附着力(kg/mm²)	3M胶带无脱落
挠曲性	△R/R<300％
		硬度(中华铅笔,H)	≥2
热分解温度(℃)	>300

表2氯化银浆参数

粘度(25℃)	7000～15,000
		细度(nm)	≤50
固含量(％)	75±5
		附着力(kg/mm²)	3M胶带100％无脱落
硬度(中华铅笔,H)	≥2
		电阻(mΩ/cm²/25μm)	≤0.3
干燥条件	70～80℃，10min

Claims

1.一次性脑状态监测柔性贴片电极，其特征在于：电极主要包括电极主体和电极接口盒两个部分，电极主体为柔性带状结构，其上分布有3个电极点，即3通道；电极接口盒部分为中空结构，内有脑电采集处理电路和IC卡识别电路；电极主体的头部连接有一个电极插片，通过电极插片接入电极接口盒中的电路；

2.如权利要求1所述的一次性脑状态监测柔性贴片电极，其特征在于：采用纳米片状Ag粉和粒径小于50nm的AgCl粉分别制备纳米Ag浆和Ag/AgCl浆，然后通过丝网印刷的方法在感光柔性基底膜上印制导电电路，之后进行热固化处理。

3.如权利要求1所述的一次性脑状态监测柔性贴片电极，其特征在于：热固化处理采用红外线和热风烘箱相结合的方式，在热处理时，先用红外线80～100℃烘30s，再在120℃下烘30s，最后在150℃条件下，用热风循环烘箱固化40min。

4.如权利要求1所述的一次性脑状态监测柔性贴片电极，其特征在于：电极主体的3个通道，每个通道处有一胶棉垫，胶棉垫中间镂空，其间有刺垫和海绵。

5.如权利要求1所述的一次性脑状态监测柔性贴片电极，其特征在于：在电极主体前端的电极插片内有一IC卡控制芯片。