CN104799853A - 用于脑电信号记录的韧性爪式干电极及制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于脑电信号记录的韧性爪式干电极及制备方法，其中用于脑电信号记录的韧性爪式干电极包括：一底板，该底板为圆形；多个爪柄，该多个爪柄自该底板的边缘并与底板成一预定夹角呈放射状延伸而出；一手柄，该手柄位于底板的中心。本发明具有很高的柔韧性、信噪比，还能通过其爪式结构穿透头发阻碍与头皮接触，因此能够用于采集记录大脑头发区域脑电信号，本发明具有结构简单和制备容易的优点。

Description

用于脑电信号记录的韧性爪式干电极及制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于微弱脑电信号采集记录电极及加工领域，尤其涉及一种脑电信号记录的韧性爪式干电极及制备方法。
背景技术
脑电信号(EEG)是由脑神经活动产生并存在于中枢神经系统的自发性电活动，含有丰富的大脑感觉、意识、指令等活动信息，是重要的生物电信号。通过研究分析脑电信号可以了解脑活动的机制及人的认知过程，更能实现临床诊断、脑-机接口应用。因此，如何舒适稳定的提取到高信噪比的脑电信号是其得到广泛应用的重中之重，而采集传感器作为脑机接口系统中的前端传感元件，扮演着非常关键的角色，采集传感器性能将直接影响到脑电信号采集的成功与失败。在传统的脑电信号研究系统中，通常利用银/氯化银湿电极来采集脑电信号，尽管这种湿电极可以采集到高信噪比的脑电信号，但它在实际使用中存在诸多缺点：首先，由于湿电极在使用之前需要涂抹含高浓度导电离子的导电膏，导电膏能够扩散进角质层内，使其导电能力得以提高，以此降低电极与皮肤之间的界面阻抗，提高采集生物电信号的信噪比，所以也使得整个使用过程变得耗时而繁琐；其次，由于导电膏会随着时间的消逝而变干，因此在长时间的应用场合下需要反复加注导电膏，这也使得其不适合在长期监测生物电信号的场合下使用。最后，由于导电膏的使用，会给使用者带来很大的不舒服感，更严重的会产生一定程度的皮肤渍烂或过敏等副作用。正因为湿电极的这些缺点，使其在便携式的脑电信号采集技术中的应用受到很大的局限性。所以为了实现舒适、稳定、的脑电信号采集电极，世界各国相关研究人员都在努力开发各种不同的可替代银/氯化银湿电极的脑电信号采集电极。
相对于银/氯化银湿电极来说，干电极是一种不需要应用导电膏的、与皮肤干性接触的脑电信号采集传感器。因此，干电极可以解决湿电极中所存在的一些问题。正因为干电极在脑-机接口系统中的使用简易性和舒适性，干电极技术得到了众多研究人员的关注与重视，基于不同电极材料(导电橡胶、导电碳纳米管等)和结构(微针结构、非接触型、针头型结构、刷状结构、导电聚合物泡沫型等)的干电极技术也相应被提出与应用。但这些干电极在使用过程中仍存在诸多问题，比如不能用于头发区域、结构太硬而不舒服、成本高等。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种用于脑电信号记录的韧性爪式干电极及制备方法，该韧性爪式干电极不仅具有很高的柔韧性、信噪比，还能通过其爪式结构穿透头发阻碍与头皮接触，因此能够用于采集记录大脑头发区域脑电信号，本发明具有结构简单和制备容易的优点。
本发明提供一种用于脑电信号记录的韧性爪式干电极，包括：
一底板，该底板为圆形；
多个爪柄，该多个爪柄自该底板的边缘并与底板成一预定夹角呈放射状延伸而出；
一手柄，该手柄位于底板的中心。
本发明还提供一种用于脑电信号记录的韧性爪式干电极的制备方法，其步骤为：
(1)利用计算机辅助设计软件设计出三维韧性爪式干电极模型图，该三维韧性爪式干电极模型图包括：一圆形的底板，多个爪柄，该多个爪柄自该底板的边缘并与底板成一预定夹角呈放射状延伸而出，一手柄，该手柄位于底板的中心；
(2)通过3D打印或铸模方法制备出三维韧性爪式干电极，制备出的三维韧性爪式干电极具有良好的柔韧性以及回弹性；
(3)将制备出的三维韧性爪式干电极浸泡于有机导电聚合物中，使结构表面涂覆一层有机导电聚合物，该有机导电聚合物实现脑电信号的传导，形成有机导电聚合物涂覆层，形成用于脑电信号记录的韧性爪式干电极。
本发明的有益效果是，用于脑电信号记录的韧性爪式干电极使用的是有机导电聚合物作为其界面导电材料，使得韧性爪式干电极具有较低的电极-皮肤界面阻抗及较高的信噪比。该韧性爪式干电极还采用了爪式结构，使得干电极能穿透头皮头发阻碍与头皮接触，从而获取到头皮表面微弱脑电信号。总之，利用本发明，可以方便、舒适、稳定的采集记录大脑所有区域的微弱脑电信号。该干电极的柔韧性保证了使用的舒适度，其爪式结构可以穿透头发阻碍并与头皮接触，因此能够用于采集记录大脑头发区域脑电信号。相比传统的湿电极，该韧性爪式干电极由于不需要导电膏，因此具有使用方便、简易的优势，这也促进了韧性爪式干电极在脑电信号采集中的应用，尤其在长期或便携式脑电信号采集中的应用。
附图说明
为了进一步理解本发明，以下结合实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：
图1为本发明的结构立体示意图；
图2为本图1的俯视图；
图3为本发明的制备流程图。
具体实施方式
请参阅图1和图2所示，本发明提供一种用于脑电信号记录的韧性爪式干电极，包括：
一底板10，该底板10为圆形，该底板10的直径为5-10mm，厚度为0.5-1.5mm，底板10的直径越大，干电极的空间分辨率越低。底板10的厚度不能太薄，必须让干电极能承受一定的压力。
多个爪柄11，该多个爪柄11自该底板10的边缘并与底板10成一预定夹角呈放射状延伸而出，该多个爪柄11的数量为6-16个，与底板10的夹角为20-60度，爪柄11的宽度为1-3mm，厚度为0.5-1.5mm。爪柄11越宽越厚，爪柄11所能承受的力就越大，但同时爪柄11的柔韧性也越差，爪柄11越宽，干电极与脑区接触面积越大，界面阻抗就越低。爪柄11的数量要根据爪柄11的宽度和底板10的直径来进行选择。在爪柄10宽度相同的情况下，底板10的直径越大，爪柄11的数量可以选择更多。通过多个爪柄11穿透头发阻碍与头皮接触，而且爪柄11的柔韧性保证了干电极使用的舒适度。
一手柄20，该手柄20位于底板10的中心，该手柄20的形状为球形或柱形，该手柄20用于韧性爪式干电极在使用失效后可随时拆卸更换。
其中爪柄10的数量不能过多。过多的爪柄10不利于其透过头发。爪柄10不能太宽或太粗，太粗的爪柄10将会增加爪柄10压头发的机率，压在爪柄10与头皮之间的头发将导致过高的干电极界面阻抗。
其中底板10、爪柄11和手柄20的材料为尼龙，选择尼龙材料制作基材是因为尼龙具有较好的机械性能、韧性和回弹性，这保证了韧性干电极的使用的舒适度和接触稳定性。而且尼龙材料适合3D打印，制备成本低，周期短。
其中底板10、爪柄11和手柄20的表面涂覆了一层聚3，4-亚乙基二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸盐的导电聚合物，作为干电极的导电层，将脑电信号传导至外部电子采集系统。聚3，4-亚乙基二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸盐可以为干电极提供较低的电极界面阻抗，而且聚3，4-亚乙基二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸盐具有良好的生物相容性，可以使其用于人体表面。聚3，4-亚乙基二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸盐是通过浸泡沾涂的方式涂覆于底板10、爪柄11和手柄20表面。聚3，4-亚乙基二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸盐的厚度为5μm-500μm，厚度太薄会使该导电聚合物电阻过高，而且容易脱落导致信号断路，厚度太厚会降低整个干电极的柔韧性。
其中底板10、爪柄11和手柄20表面的多孔结构有助于提高聚3，4-亚乙基二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸盐的附着特性
其中爪柄11的端部均制作有一凸起111，这个凸其111增加干电极与头皮的接触面积，并提高干电极使用时的舒适度。
请参阅图3并结合参阅图1和图2，本发明还提供一种用于脑电信号记录的韧性爪式干电极的制备方法，其步骤为：
步骤301：利用计算机辅助设计软件设计出三维韧性爪式干电极100模型图，该三维韧性爪式干电极100模型图包括：一圆形的底板10，多个爪柄11，该多个爪柄11自该底板10的边缘并与底板10成一预定夹角呈放射状延伸而出，一手柄20，该手柄20位于底板10的中心，该手柄20的形状为球形或柱形。爪柄11的数量为6-16个，所有爪柄11底面面积总和决定了干电极与头皮的总接触面积，也对干电极-皮肤界面阻抗有直接影响，总面积越大，对应的界面阻抗越小，信噪比越高。爪柄11的端部均制作有一凸起111，以提高使用时的舒适度。
步骤302：通过3D打印或铸模方法制备出三维韧性爪式干电极100，制备出的三维韧性爪式干电极100具有良好的柔韧性以及回弹性，制备材料为尼龙。
步骤303：将制备出的三维韧性爪式干电极100浸泡于有机导电聚合物聚3，4-亚乙基二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT：PSS)中，并放置于真空箱中保持真空状态，真空浸泡时间为5min-10min，然后将真空浸泡过三维韧性爪式干电极结构100放入烘箱中烘干，使结构表面涂覆一层有机导电聚合物，该有机导电聚合物实现脑电信号的传导，形成用于脑电信号记录的韧性爪式干电极。该有机导电聚合物涂覆层的实际厚度取决于所用聚3，4-亚乙基二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT：PSS)的粘度，粘度越大，有机导电聚合物涂覆层越厚。同时，可以通过多次浸泡烘干的方式来增加有机导电聚合物涂覆层的厚度。
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记录的韧性爪式干电极，包括：
一底板，该底板为圆形；
多个爪柄，该多个爪柄自该底板的边缘并与底板成一预定夹角呈放射状延伸而出；
一手柄，该手柄位于底板的中心。
2.如权利要求1所述的用于脑电信号记录的韧性爪式干电极，其中该底板、爪柄和手柄的材料为尼龙。
3.如权利要求2所述的用于脑电信号记录的韧性爪式干电极，其中该底板、爪柄和手柄的表面涂覆有有机导电聚合物涂覆层，该有机导电聚合物涂覆层的材料为聚3，4-亚乙基二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸盐。
4.如权利要求1所述的用于脑电信号记录的韧性爪式干电极，其中该爪柄的数量为6-16个，该爪柄与底板的角度为20-60度，该爪柄的端部均制作有一凸起，以提高使用时的舒适度。
5.如权利要求1所述的用于脑电信号记录的韧性爪式干电极，其中该手柄的形状为球形或柱形。
6.一种用于脑电信号记录的韧性爪式干电极的制备方法，其步骤为：
(1)利用计算机辅助设计软件设计出三维韧性爪式干电极模型图，该三维韧性爪式干电极模型图包括：一圆形的底板，多个爪柄，该多个爪柄自该底板的边缘并与底板成一预定夹角呈放射状延伸而出，一手柄，该手柄位于底板的中心；
(2)通过3D打印或铸模方法制备出三维韧性爪式干电极，制备出的三维韧性爪式干电极具有良好的柔韧性以及回弹性；
(3)将制备出的三维韧性爪式干电极浸泡于有机导电聚合物中，使结构表面涂覆一层有机导电聚合物，该有机导电聚合物实现脑电信号的传导，形成有机导电聚合物涂覆层，形成用于脑电信号记录的韧性爪式干电极。
7.如权利要求6所述的用于脑电信号记录的韧性爪式干电极的制备方法，其中该底板、爪柄和手柄的材料为尼龙。
8.如权利要求7所述的用于脑电信号记录的韧性爪式干电极的制备方法，其中该底板、爪柄和手柄的表面涂覆有有机导电聚合物涂覆层，该有机导电聚合物涂覆层的材料为聚3，4-亚乙基二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸盐。
9.如权利要求6所述的用于脑电信号记录的韧性爪式干电极的制备方法，其中该爪柄的数量为6-16个，该爪柄与底板的角度为20-60度，该爪柄的端部均制作有一凸起，以提高使用时的舒适度。
10.如权利要求6所述的用于脑电信号记录的韧性爪式干电极的制备方法，其中该手柄的形状为球形或柱形。
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