CN104473637A - 用于脑电信号探测的电极探针及应用其的干电极单元 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于脑电信号探测的电极探针及应用其的干电极单元。该电极探针中，探针头表面镀Ag/AgCl、金或钛合金等防氧化材料，可以防止探针头氧化，同时增加电极的生物相容性；表面修饰导电聚合物聚吡咯石墨烯等具有纳米效应且生物兼容性好的材料，可以进一步提高检测的稳定性和灵敏度。

Description

用于脑电信号探测的电极探针及应用其的干电极单元

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种用于脑电信号探测的电极探针及应用其的干电极单元。

背景技术

脑机接口(Brain-Computer Interface，简称BCI)是一种可以在人脑与外部设备之间建立信息交互的系统。它通过一定手段检测大脑活动信号，再利用信号处理和模式识别等方法从中辨别出人的意图，从而把人的思维活动转换为计算机指令，实现对外部设备的控制或与外界进行信息交流。由于脑机接口不需要人的肢体动作或者语言表达直接参与，这项技术既可以为伤残人群提供更加有效的医疗康复和生活辅助设备，又可以成为一种新型人机一体化系统的实现方式，从而在医疗、工业、军事、交通等众多领域具有重要的应用前景。

随着神经科学认知心理学和人工智能研究的深入发展，脑电图信号-头皮脑电(EEG，Electroencephalogram)，这种重要的生理信号，正在被越来越多地应用到医学诊断以及神经生物学研究等领域。作为中枢神经系统的直接外在表征，头皮脑电能反映出大脑皮层不同区域的活动状态，可用来检测人的生理心理状态以及不同脑功能区的交互方式；可为癫痫、痴呆、肿瘤等脑部疾病提供诊断信息。头皮脑电可结合脑电解读技术，完成脑与外部设备的直接通信，实现脑机接口系统作为上述应用的原始输入信号。脑电的采集质量会受相关的采集环境限制，这一特点严重影响各种脑电应用的可靠性和实用性。如何在保证脑电信号质量的同时，尽可能地减少对采集环境的限制，从而扩大脑电检测的应用范围，已成为脑电采集技术的一个重要课题。

在EEG信号检测中，前端检测电极的可靠性和稳定性是研究的一个难点。受到头发、头皮分泌物以及电极与头皮接触状态等众多因素的影响，头皮与电极之间往往具有较大阻抗，使得检测到的信号噪声较大，波形失真严重。如何降低头皮与电极之间的阻抗，并长期保持这两者之间稳定的阻抗值，研制出精确、可靠，操作简单且能够长时间连续使用的脑电信号采集系统，一直是EEG信号检测技术研究中的难题。

目前，降低电极与头皮之间阻抗常用的方法有两类，一种是电极与大脑头皮不直接接触，通过在两者之间加入液态或者糊状的导电介质，实现电极与头皮之间的低阻抗接触，这类电极也常被称为湿电极。另一种则不需要导电介质，而是通过对电极结构进行专门设计，直接将电极末端和头皮接触以降低电极阻抗，这类电极相应的被称为干电极。

采用湿电极在准备良好的情况下能够有效的降低电极阻抗，所采集得到的脑电数据信噪比较高；但是存在两个难以克服的缺点。一是实验准备过程复杂，实验操作者需要花费较多的时间和精力对每个采集位置涂抹导电膏，或者将电极放入导电液中浸泡，这一过程一般要花费几十分钟到一、二个小时不等，且实验效果对操作者的技术和经验依赖性较大，一般只能在医院进行，测试环境受限制，不适合家庭或社区医院应用；二是导电介质会在实验过程中发生变化，比如导电膏的流动性会导致电极与头皮接触不良，甚至会发生相邻电极的导电膏接触，引起信号串扰，而导电液(如生理盐水)则会受人体体温的影响，在实验过程中不断蒸发，导电性能下降，接触电阻增大。这些因素都会使电极阻抗随着实验的不断进行而逐步增大，影响实验数据的稳定性，降低单次实验的有效进行时间。因此，湿电极不适用于无线实时长时间监测脑电信号。

相比之下，干电极由于不需要导电介质，能有效降低实验准备过程的复杂度，大大缩短实验准备时间。目前，用于脑电测试的干电极主要分为基于微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)工艺制造的微针电极、基于电容效应的非接触电极和超大输入阻抗的指状电极。

上海交通大学微纳科学技术研究院研制的微针干电极，其主要优点是测试准备步骤简易，不需要涂抹磨砂膏和导电膏；接触电阻可以和湿电极媲美；可实现长时间实时测量EEG。但同时也存在不足之处，主要是不易制造，成本高；不能用于有发区测量；对人体有一定的侵害性，有传染隐患。电极微针尺寸的大小要平衡侵害性、易断性和是否可以刺穿角质层三个方面，总结微针电极不适宜在有发区进行测量的原因是：角质层厚度是10～40μm，人体头发的厚度一般为50～100μm，要求微针电极至少是100～200μm长，而这个尺寸的微针结构既容易断又有侵害性。

伯克利大学Chi，Y.M研制的用于脑电测试的非接触型电极，一般采用电容效应原理来检测脑电信号，接触阻抗很大(10¹²kΩ)，接触电阻受距离影响大，易引入外界噪声；要求后接精密度高的检测放大电路，测得信号失真较大，稳定性不是很好。

美国圣地亚哥大学的Matthews，R.制作的超大输入阻抗的指状电极，其优点是脑电测量时不会穿透头皮角质层，但是接触电阻非常大，约为10⁷Ω，因而需要在前端接具有超高输入阻抗的放大器；传统湿电极脑电采集设备的放大器的输入阻抗约为10⁸～10¹¹Ω，而该种技术的放大器的输入阻抗要求达到10¹²Ω；同时接触电阻阻值不稳定，跟接触压力有关，并且部分被试者有刺痛和不适感。

总之，设计适用于无线实时长期监测脑电的干电极应该考虑的因素有以下四个方面：(1)电极与皮肤间阻抗小；(2)不需要磨去角质层和涂抹导电胶，实验前准备时间短，可操作性好；(3)容易固定，对外界屏蔽佳，性能稳定，可以长时间使用；(4)需有一定的机械强度，同时对人体组织不会产生物理或化学性伤害，生物兼容性好。而目前已有的EEG信号电极探针灵敏度较差、患者感官体验差、不能满足无线实时长期监测脑电信号的需求，迫切需要研究制造出适用于有发区EEG信号检测且灵敏度高稳定性强的新型干电极单元。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种用于脑电信号探测的电极探针及应用其的干电极单元，以提高探测灵敏度。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种用于脑电信号探测的电极探针。该电极探针包括：探针头11，其头部呈圆弧状，该圆弧状头部的外侧表面具有防氧化层，在该防氧化层的外侧还修饰有生物敏感材料层；其中，该防氧化层为由生物相容性好的材料制备，生物敏感材料层由具有纳米效应且生物兼容性好的生物敏感材料制备。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种干电极单元。该干电极单元包括：上板20；下板30；其中，若干根上述的电极探针穿过上板20并同时固定于上板20和下板30上。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明用于脑电信号探测的电极探针及应用其的脑电干电极具有以下有益效果：

(1)探针头表面镀Ag/AgCl、金或钛合金等防氧化材料，可以防止探针头氧化，同时增加电极的生物相容性；表面修饰导电聚合物聚吡咯石墨烯等具有纳米效应且生物兼容性好的材料，可以进一步提高检测的稳定性和灵敏度；

(2)已有的基于MEMS工艺的微针干电极，使用时需刺入皮肤，因其形状细长易断裂，易残留在人体引起感染，本发明采用具有弹簧结构的探针作为接触电极，既能够实现电极与头皮的紧密接触，又具有缓冲和保护作用，探针头的直径尺寸选择1.3mm，毫米量级，不会刺入皮肤的真皮层，对人体没有侵害性，暴露在外面的探针长度为8mm，直径1mm，不易断裂，可以穿过头发接触到大脑头皮，能够实现有发区的脑电信号检测；

(3)在脑电干电极中，上板和下板之间用绝缘胶带缠绕，将除探针头之外的探针其他部分涂覆绝缘材料做绝缘处理，可以屏蔽头发等外界引入的噪声，减少外界干扰。

附图说明

图1为根据本发明实施例基用于脑电信号探测的电极探针的结构示意图；

图2为根据本发明实施例干电极单元的立体图；

图3A为图2所示干电极单元俯视图；

图3B为图2所示干电极单元的仰视图。

【主要元件】

10-电极探针

     11-探针头；        12-活塞

     13-套筒；          14-弹簧

20-上板；

   21-过孔；

30-下板；

   31-过孔；      32-焊盘

40-绝缘胶带。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明提供了一种用于脑电信号探测的电极探针及应用其的干电极单元，在所研制的电极探针的探针头表面修饰生物兼容性好的敏感材料，以提高脑电信号检测的可靠性和稳定性。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种用于脑电信号探测的电极探针。图1为根据本发明实施例用于脑电信号探测的电极探针的结构示意图。如图1所示，本实施例用于脑电信号探测的电极探针10包括：探针头11、活塞12、套筒13和弹簧14四部分。其中，探针头11的头部呈圆弧状。为了提高检测的灵敏度，在圆弧状的外侧表面镀银|氯化银(Ag/AgCl)层，并修饰聚吡咯石墨烯材料。

以下对本实施例用于脑电信号探测的电极探针的各个组成部分进行详细说明。

请参照图1，整个电极探针10的长度为17mm。探针头11的头部呈圆弧状，其直径为1.3mm，其材料为不锈钢材料。为了防止探针头氧化，在探针头11的外侧表面镀Ag/AgCl材料，同时，为了提高检测的稳定性和灵敏度，在Ag/AgCl材料的外侧修饰聚吡咯石墨烯。

本实施例中，探针头11的直径为1.3mm，但本发明并不以此为限。在本发明的其他实施例中，该探针头11的直径可以介于1mm～2mm之间。选择该直径范围的原因有两个方面：一方面，足够细以便穿过头发接触到头皮测量，没有头发被埋在探针下面；另一方面，又确保了其比头皮毛孔大，不至于紧贴头皮时探针会刺入皮肤引起疼痛感。

本实施例中，探针头11的外侧表面镀Ag/AgCl材料以防止氧化，但本发明并不以此为限，还可以镀金、钛合金等生物相容性较好的金属来起到相同的效果。并且，在Ag/AgCl材料等防氧化层的外侧，还可以修饰除聚吡咯石墨烯之外的其他具有纳米效应并且生物兼容性好的生物敏感材料，例如：壳聚糖碳纳米管，聚吡咯纳米金等材料，以提高检测的稳定性和灵敏度。

套筒13由不锈钢材料制备，其形成单侧开口的直径为1mm的内腔，在内腔的底部置入弹簧14。该弹簧14由琴钢丝等高碳素弹簧钢材料制备，弹簧常数为0.01kgf/mm。

活塞12由不锈钢材料制备，与套筒的内腔轴向活动配合。该活塞12的一端伸入该内腔内，抵接在弹簧14上，另一端伸出内腔外，与探针头11固定连接。在套筒13的内壁与活塞12的外壁有相互配合的限位结构，以将活塞12的一部分限制在套筒13的内腔中。

需要说明的是，除了不锈钢之外，套筒13和活塞12还可以由铝、铜等金属材料制备，并且，弹簧14还可以由橡胶垫等弹性件代替。并且，活塞12和探针头11可以是一体化制作，也可以是分别成型并固定。

请参照图1，活塞中段的外壁具有一段朝向内侧的环状凹陷。而在套筒13的内壁具有一段朝向内侧的环状突起。该环状突起可在上述环状凹陷内沿套筒13的轴向移动。环状凹陷的上侧壁可以防止活塞12脱离套筒。该环状凹陷以及该环状凸起共同构成上述的限位结构。

需要说明的是，本实施例仅提供了一种限位结构。而事实上，机械学中的许多限位结构，只要能满足使活塞12与套筒13之间可轴向相对伸缩，又能防止活塞12与套筒13之间的活动连接脱落，均能应用于本发明中。

探针头11安装于活塞12的一端，弹簧14被组装进活塞时可以预先施加一定的压力。在活塞12、套筒13和弹簧14组成的弹性机构作用下，探针头11可活动距离介于2mm～5mm之间。

当有干电极受到外部压力，尤其是用于士兵脑电检测或驾驶员脑电监测等复杂环境时，弹簧14起到缓冲的作用，避免人体受到伤害。弹簧的应力选择适中，既足够大以确保探针能够和脑头皮紧密接触，又不会过大以至于造成皮肤表面的损伤。此外，采用具有弹簧机构的干电极，对后端的信号放大电路输入电阻要求降低，不需要超高输入阻抗放大器。

在本发明的另一个示例性实施例中，还提供了一种干电极单元。图2为根据本发明实施例干电极单元的立体图。图3A为图2所示干电极单元俯视图。图3B为图2所示干电极单元的仰视图。

请参照图2、图3A和图3B，该干电极单元包括：上板20、下板30，以及穿过上板20并同时固定于上板20和下板30上的7根上述实施例中的电极探针10。

其中，上板20和下板30之间，电极探针10的外围，通过绝缘胶带40封闭缠绕，且在上板20、下板30和绝缘胶带40围成的封闭空间内，填充固化胶。通过绝缘胶带40和固化胶，可以固定上板20、下板30和电极探针10，且避免引入外界噪声。

暴露在上板20以上的探针部分的尺寸为7mm，并在其表面除探针头部分之外，其他表面包括活塞和套筒表面均涂覆一层特氟龙或聚酰亚胺绝缘层，确保整个电极除探针头部分导电外，其他表面都是绝缘的，从而排除头发等外界引入的干扰和噪声。

需要说明的是，除了上述特氟龙或聚酰亚胺绝缘层之外，本发明还可以采用其他绝缘效果良好且对人体无害的可行材料进行涂覆，达到绝缘效果即可。此外，探针头暴露在上板外侧的部分可以是比7mm更短的距离，只要达到可以穿过头发接触到脑头皮的效果即可。

请参照图3A和图3B，上板20和下板30均为圆形的PCB板，其直径均为13mm。在上板20上分布有7个过孔21，下板30上分布有相应的7个过孔31，上板20和下板30上的过孔相互对准。过孔(21、31)的尺寸比电极探针套筒的直径(1mm)略大，选为1.1mm，可以使套筒13穿过即可。为保证各个探针接触头皮时受力均匀，过孔呈圆形分布。

在生产过程中，将电极探针平行插入并焊接固定，最终使探针头在同一水平面上，这样的设计可以确保电极与头皮接触时各个探针受力均匀，接触紧密且无不适感。

需要说明的是，本领域技术人员可以根据测试场景的实际需要，例如患者测试部位的脑电位点的位置和数量，合理调整过孔的位置以及数量。

在下板30的上层金属层上，还设置有两个焊盘32。其中，焊盘32的直径为2mm。其中，由探针头11探测得到的脑电信号，经由活塞12、弹簧14和套筒13传导至下板30上层金属层上，并通过焊接于焊盘32上的导线，传输至后端放大器等处理电路。

本领域技术人员可以将本实施例的干电极单元固定到类似头盔的电极帽上，制成32导、64导或者128导的多导脑电检测电极帽，电极在帽子上的位置根据国际脑电图学会1958制定的10～20系统确定。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明脑电信号探测的电极探针及应用其的干电极单元有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。此外，所附的附图是简化过且作为例示用。附图中所示的元件数量、形状及尺寸可依据实际情况而进行修改，且元件的配置可能更为复杂。

综上所述，本发明提供一种用于脑电信号探测的电极探针及应用其的干电极单元。该电极探针的探针头尺寸及结构设计符合人体生理需求，不会对头皮造成侵害，安全性和舒适性较好，适用于有发区脑电信号的检测。在探针头表面镀生物相容性好的金属，并修饰纳米复合材料，进一步提高了电极的比表面积，减小接触电阻，增大电极的检测灵敏度。该干电极单元适用于无线实时长时间脑电检测，性能稳定，安全性好，适用于复杂的应用现场和测试环境。该电极探针及应用其的干电极单元可以应用于脑电信号探测，具有极大的推广应用价值。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于脑电信号探测的电极探针，其特征在于，包括：

探针头(11)，其头部呈圆弧状，该圆弧状头部的外侧表面具有防氧化层，在该防氧化层的外侧还修饰有生物敏感材料层；

其中，该防氧化层为由生物相容性好的材料制备，所述生物敏感材料层由具有纳米效应且生物兼容性好的生物敏感材料制备。

2.根据权利要求1所述的电极探针，其特征在于，所述生物相容性好的材料为：金、钛合金，或Ag/AgCl材料。

3.根据权利要求2所述的电极探针，其特征在于，所述具有纳米效应且生物兼容性好的生物敏感材料为：聚吡咯石墨烯、壳聚糖碳纳米管，或聚吡咯纳米金。

4.根据权利要求1所述的电极探针，其特征在于，探针头的圆弧状头部的直径介于1mm～2mm之间。

5.根据权利要求1所述的电极探针，其特征在于，还包括：

套筒(13)，其形成单侧开口的内腔；

活塞(12)，与套筒的内腔轴向活动配合，其伸出内腔外的部分与所述探针头(11)固定连接；

弹性件，其一端抵住内腔的底部，另一端抵接于活塞位于内腔内的一端；以及

相互配合的限位结构，设置于套筒(13)的内壁与活塞(12)的外壁，用于将活塞(12)的一部分限制于套筒(13)的内腔内；

在所述套筒(13)、活塞(12)、弹性件和相互配合的限位结构的共同作用下，所述探针头可在预设范围内伸缩移动。

6.根据权利要求5所述的电极探针，其特征在于，

活塞(12)中段的外壁具有一段朝向内侧的环状凹陷；

套筒(13)的内壁具有一段朝向内侧的环状突起；

所述环状突起可在所述环状凹陷内沿套筒(13)的轴向移动，所述环状凹陷的上侧壁防止所述活塞(12)脱离所述套筒(13)，所述环状凹陷以及所述环状凸起构成所述相互配合的限位结构。

7.一种包括若干根权利要求1至6中任一项所述电极探针的干电极单元，其特征在于，包括：

上板(20)；

下板(30)；

其中，若干根的所述电极探针穿过所述上板(20)并同时固定于所述上板(20)和下板(30)上。

8.根据权利要求7所述的干电极单元，其特征在于，所述上板(20)和下板(30)之间，若干根电极探针的外围，通过绝缘胶带(40)封闭缠绕，且在所述上板(20)、下板(30)和绝缘胶带(40)围成的封闭空间内，填充固化胶。

9.根据权利要求7所述的干电极单元，其特征在于，对于暴露在所述上板(20)以上的探针部分，除探针头(11)之外的其他部分涂覆绝缘材料。

10.根据权利要求7所述的干电极单元，其特征在于，所述上板(20)和下板(30)均为PCB板；

所述上板(20)、下板(30)上设置有供电极探针固定的过孔；所述下板(30)上还设置有供探针头(11)所探测的信号引出的焊盘。