CN104970788B - 柔性干电极及其制造方法、以及生物电势采集系统 - Google Patents

Abstract

本公开的实施方式提供了一种柔性干电极及其制造方法、以及生物电势采集系统。该柔性干电极包括柔性封装层和多个电极导体。该柔性封装层包括第一表面和与第一表面相对的第二表面，其中，第一表面上设置有多个凹槽。各个所述电极导体分别设置于相应的凹槽中，其中至少一个电极导体为镂空形状。通过将电极导体制作成镂空形状，使得电极导体更容易变形，一方面，能够减小折弯对电极导体的影响，从而增加干电极的使用寿命；另一方面，能够改善电极贴合度，从而增加佩戴舒适感。

Description

柔性干电极及其制造方法、以及生物电势采集系统

技术领域

本公开的各个实施方式涉及生物医学工程技术领域，并且更具体地涉及一种柔性干电极、柔性干电极的制造方法以及生物电势采集系统。

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不断深入发展，脑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-机接口领域。作为中枢神经系统的直接外在表征，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的脑区交互方式；可为脑疲劳、脑中风、脑死亡等脑部状态提供诊断信息；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。

目前，由于脑疲劳导致的疲劳驾驶以及脑中风等引起的人员伤亡越来越多，通过脑-机接口技术可以有效地识别出人员脑部的状态，从而对人员发生这种状况后进行及时报警，使得能够及时采取有效的措施，以避免人员的伤亡。脑电采集电极作为脑-机接口的桥梁，在脑电测量中起着极其重要的作用。脑电信号是一种微弱的电压信号，为了得到高品质的脑电信号，需要电极有较小的阻抗及噪声，且具有较为稳定的电极阻抗。由于脑疲劳，脑中风等信息的检测需要较长时间，这还要求电极系统在佩戴过程中具有较好的舒适性。传统的湿电极具有较小的电极噪声，然而其佩戴过程繁琐，且随着导电介质中水分的挥发，其阻抗会变变大导致电极阻抗不稳定，不利于脑电信号的采集。传统的刚性干电极佩戴方便，但是其无法适应人头部的曲率变化，导致其有效接触面积减小，阻抗增大，且由于电极的刚性，使得电极对头部的压强变的不均匀，舒适度较差，长时间佩戴甚至会影响佩戴人员的动作行为，不利于脑电信号的采集。

发明内容

本公开的实施例的目的包括提供一种干电极、干电极的制造方法以及生物电势采集系统，以至少部分解决现有技术中的上述问题。

根据本公开的一个方面，提供了一种干电极，包括柔性封装层和多个电极导体。所述柔性封装层包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，其中所述第一表面上设置有多个凹槽。所述多个电极导体分别设置于相应的凹槽中，其中，至少一个电极导体为镂空形状。

根据本公开的一个示例性实施方式，所述镂空形状为栅栏状、螺旋状或网格状。

根据本公开的一个示例性实施方式，所述柔性封装层中设置有多个毛细孔，每个毛细孔分别从所述第一表面向所述第二表面延伸而贯穿所述柔性封装层与外界连通。

根据本公开的一个示例性实施方式，在相邻的电极导体之间设置有至少一个所述毛细孔。

根据本公开的一个示例性实施方式，每个毛细孔的直径在0.1mm至1mm的范围内。

根据本公开的一个示例性实施方式，所述干电极还包括粘接至所述第二表面上的由吸汗材料制成的织物层。

根据本公开的一个示例性实施方式，所述干电极还包括形成于每个电极导体上的、用于接触待测对象的导电纳米涂层。

根据本公开的一个示例性实施方式，所述导电纳米涂层包括纳米铂、纳米银或纳米金。

根据本公开的一个示例性实施方式，所述柔性封装层的材质为聚酰亚胺、聚对二甲苯或聚二甲苯硅氧烷。

根据本公开的另一方面，提供了一种生物电势采集系统，包括如上所述的任意一种干电极。

根据本公开的又一方面，提供了一种干电极的制造方法，包括：在柔性绝缘基底上形成彼此间隔开的多个电极导体，其中至少一个电极导体为镂空形状。

根据本公开的一个示例性实施方式，所述方法还包括：利用柔性绝缘材料封装每个电极导体；以及去除部分柔性绝缘材料，以使得每个电极导体从所述柔性绝缘材料中暴露。

根据本公开的一个示例性实施方式，所述镂空形状为栅栏状、螺旋状或网格状。

根据本公开的一个示例性实施方式，所述方法还包括：在每个电极导体上形成用于接触待测对象的导电纳米涂层。

根据本公开的一个示例性实施方式，所述方法还包括：贯穿所述柔性绝缘材料和所述柔性绝缘基底形成多个毛细孔。

根据本公开的一个示例性实施方式，所述方法还包括：将织物层粘接至所述柔性绝缘基底的表面上，所述织物层背离所述电极导体。

在本公开的各个实施方式的技术方案中，通过使用柔性干电极，不仅电极可以贴合待测对象(例如佩戴者的头部)，增加接触面积，从而减小阻抗，而且由于电极具有较好的柔性，对头部的作用力可以得到均匀的分散，使各部分接触压强保持一致，增加了佩戴舒适度，有利于长时间对脑电信号的采集和测量。此外，在本公开的各个实施方式的技术方案中，电极导体可以制作成镂空形状，使电极导体更容易变形，一方面，镂空状增强了电极导体的柔性，能够减小折弯对电极导体的影响，从而增加干电极的使用寿命；另一方面，能够改善电极贴合度，从而增加佩戴舒适感。

此外，在本发明的技术方案中，由于镂空形状为栅栏状或者螺旋状，所以，电极导体的刚度最小，更容易变形，进而，将折弯对电极的影响减小到最小，增加电极使用寿命；另一方面，更能够改善电极贴合度，增加佩戴的舒适度。

此外，在本公开的一些实施方式的技术方案中，通过在未设置有电极导体的区域中设置从第一表面延伸至第二表面的至少一个毛细孔，一方面，使佩戴者在未出汗的情况下，部分皮肤与空气接触，增加透气性；另一方面，在佩带者出汗的情况下，通过毛细孔的毛细作用将汗水导出，所以，通过设置毛细孔，提高长期佩戴的舒适性，电极贴在皮肤上的透气性，不会导致毛囊堵塞。

此外，在进一步方案中，所述干电极还包括粘接至所述第二表面上的由吸汗材料制作的织物层且该织物层连通所述毛细孔，在佩戴者出汗的情况下，毛细孔导出的汗水被该织物层吸收，吸汗快，有利于长期佩戴，提高舒适度。

此外，在本公开的一些实施方式的技术方案中，通过在干电极的电极导体上电镀导电纳米涂层，能够增加电极导体的比表面积，有利于降低电极阻抗，从而能够提高电极信噪比。

附图说明

当结合附图阅读下文对示范性实施方式的详细描述时，这些以及其它目的、特征和优点将变得显而易见，在附图中：

图1示出了根据本公开的示例性实施方式的干电极的截面示意图；

图2A至图2D示出了根据本公开的示例性实施方式的电极导体的结构示意图；

图3A至图3E以截面图示出了根据本公开的一个实施方式的干电极的制造方法的过程；以及

图4A至图4F以截面图示出了根据本公开的另一实施方式的干电极的制造方法的过程。

具体实施方式

下面将参考附图中的若干示例性实施方式来描述本公开的原理和方法。应当理解，描述这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本公开，而并非以任何方式限制本公开的范围。

在本公开的各个实施方式中，“干电极”指的是生物医学工程技术领域的用于采集生物电信号的电极，例如，用于采集脑电信号的电极(也称为EEG电极或者脑电图电极)、用于采集肌电信号的电极或者用于采集心电信号的电极等。本实施方式公开的干电极可以测量心电、肌电和脑电。在本公开的具体实施方式中，为了便于理解，以用于采集脑电信号的电极为示例进行说明其结构，然而本发明的构思同样可以应用于其它类型的干电极。

图1示出了根据本公开的示例性实施方式的干电极10的截面示意图，图2A至图2D示出了根据本公开的示例性实施方式的电极导体2的几种结构示意图。

如图1所示，干电极10可以包括柔性封装层1和多个电极导体2。柔性封装层1包括第一表面11和与第一表面11相对的第二表面12。第一表面11上可以设置有多个凹槽，并且每个电极导体2分别设置于相应的凹槽中，一个凹槽里设置有一个电极导体2。在图1中，仅示出了三个电极导体2，然而，电极导体2的数目可以为两个或更多个。在图1中，第一表面11上的凹槽已经由相应的电极导体2占据。多个电极导体2中的至少一个(例如一个、一部分或者所有电极导体2)可以具有镂空形状。

例如，图2A中示出了栅栏状的电极导体2，图2B中示出了螺旋状的电极导体2，栅栏状和螺旋状的刚度最小，进而，将折弯对电极导体2的影响减小到最小，更能够改善电极贴合度。在其他实施方式中，镂空形状可以是网格状，网格状的电极导体2也能减小折弯对电极导体2的影响，只是其效果没有栅栏状或者螺旋状好。图2C中示出了一种具有规则图案(例如规则的网格)的电极导体2，图2D中示出了一种具有不规则图案(例如不规则的网格)的电极导体2。本领域技术人员，从图2C和图2D可以得到技术启示，对于电极导体2的具体镂空图案并不进行限定，其可以是各种类型的规则图案，也可以是各种类型的不规则图案，以减小折弯对电极导体的影响而增强柔性及提高佩戴舒适性为准。

通过将电极导体2制作成具有镂空形状的结构，能够使电极导体2更容易变形，因而，一方面，能够减小折弯对电极导体2的影响，从而增加干电极的使用寿命；另一方面，能够改善电极贴合度，从而增加佩戴舒适感。

在上述实施方式中，第一表面11指的是干电极10的在使用时与待测对象(例如佩戴者的皮肤)接触的表面，而第二表面12指的是干电极10的在使用时不与待测对象接触的表面。电极导体2可以采用本领域中已知的各种材料，例如，诸如金、银、铂之类的金属，或者导电橡胶等，在本公开的各个实施方式中对此并不进行限制。

如图1所示，在进一步方案中，所述柔性封装层1中还可以设置有至少一个毛细孔4，每个毛细孔4分别从第一表面11向第二表面延伸而贯穿所述柔性封装层1。在图1中示意性地示出了四个毛细孔4。通过在未设置有电极导体2的区域中设置贯穿柔性封装层1的毛细孔4，使佩戴者在未出汗的情况下，部分皮肤能够与空气接触，从而能够增加透气性；在佩戴者出汗的情况下，由于毛细孔4贯穿柔性封装层1，所以，汗水能够通过该毛细孔导出，保持了皮肤的干爽，增加佩戴舒适度，并且有利于信号的稳定。

此外，为了吸收佩戴者的皮肤表面的汗水，干电极10还可以包括粘接至第二表面12上的由吸汗材料制成的织物层5，每一个毛细孔4与该织物层5连通。在佩带者出汗的情况下，汗水通过毛细孔4的毛细作用排出，以便于被织物层5吸收，不会导致毛囊阻塞，从而有利于长期佩戴，并且提高舒适度。

在本公开的各个实施方式中，毛细孔4在未设置有电极导体2的区域中可以根据需要而以不同方式进行布置。例如，在相邻的电极导体2之间可以设置有至少一个毛细孔，例如可以设置有毛细孔4的阵列，以使毛细孔4均匀地分布在柔性封装层1上。

在一些实施方式中，每个毛细孔4的直径可以在0.1mm至1mm的范围内，例如可以为0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.8mm、1mm。在其它实施方式中，每个毛细孔4的直径可以更大或者更小，例如可以为0.09mm或者1.1mm，但是，太大会使得干电极强度不够，太小又不利于将汗水导出，需要在吸汗和强度之间合理选择。

在本公开的各个实施方式中，电极导体2可以通过溅射、蒸镀、化学镀或者粘接的方式形成于所述柔性封装层1。然而，电极导体2并不限于通过上述方式形成，而是可以通过本领域中的各种可用的方式结合至柔性封装层1。

在一些实施方式中，干电极10还可以包括形成于每个电极导体2上的、用于接触待测对象的导电纳米涂层3。例如，导电纳米涂层3可以是诸如纳米铂、纳米银或纳米金之类的金属涂层。导电纳米涂层3可以通过超声电镀和/或脉冲电镀形成于每个电极导体2上。通过在干电极10的电极导体2上电镀导电纳米涂层3，能够增加电极导体2的比表面积，有利于降低电极阻抗，从而能够提高电极信噪比。

在本公开的各个实施方式中，柔性封装层1的材质可以为诸如聚酰亚胺、聚对二甲苯或聚二甲苯硅氧烷之类的聚合物。然而，柔性封装层1的材质并不限于此，而是可以采用本领域中可用的各种柔性封装材料。聚酰亚胺使得该柔性封装层1与基底的结合力好，不会导致脱落失效。聚对二甲苯或聚二甲苯硅氧烷的生物相容性好，不会导致过敏等。

在上文中所描述的柔性干电极10可以用于采集生物电势(例如心电、脑电或肌电等)。此外，柔性干电极10也可以与处理电路(例如放大电路、滤波电路等以及配合相应的算法)一起形成生物电势采集系统，这样的系统可以用于汽车驾驶中判断司机疲劳、用于医学为疾病诊断(如癫痫之类的疾病)提供参考。

在下文中，将详细描述根据本公开的示例性实施方式的干电极的制造方法。

图3A至图3E以截面图示出了根据本公开的一个实施方式的干电极的制造方法的过程。

如图3A所示，在柔性绝缘基底101上形成彼此间隔开的多个电极导体2，其中至少一个电极导体2为镂空形状。各个电极导体2可以通过溅射、蒸镀、化学镀或粘接的方式分别形成于柔性绝缘基底101上。然而，电极导体2并不限于通过上述方式形成，可以通过本领域中的各种可用的方式形成于柔性绝缘基底101。在本文中对于电极导体2的具体镂空图案并不进行限定，其可以是各种类型的规则图案，也可以是各种类型的不规则图案，例如可以是在上文中结合图2A至图2D所描述的各种镂空图案。

如图3B所示，利用柔性绝缘材料102封装每个电极导体2。在本文中，柔性绝缘基底101和柔性绝缘材料102可以是相同的材料，也可以是不同的材料。例如，它们的材质可以为如上文中所述的聚酰亚胺、聚对二甲苯或聚二甲苯硅氧烷等。

如图3C所示，对柔性绝缘材料102进行减薄，以使得每个电极导体2从柔性绝缘材料102中暴露。此时，柔性绝缘基底101和柔性绝缘材料102一起形成了在上文中结合图1所述的柔性封装层1。

通过图3A至图3C所示的步骤得到的干电极具有前述干电极的优点，例如，镂空形状能够使电极导体2更容易变形。因而，一方面，能够减小折弯对电极导体2的影响，从而增加干电极的使用寿命；另一方面，能够改善电极贴合度，从而增加佩戴舒适感。

此外，可以通过图3D和图3E中所示的步骤对在图3C中得到的干电极进行进一步处理，以得到进一步的优点。

例如，如图3D所示，贯穿柔性绝缘材料102和柔性绝缘基底101形成多个贯穿所述柔性封装层的毛细孔4。通过形成毛细孔4，使电极佩戴者在未出汗的情况下，部分皮肤能够与空气接触，从而能够增加透气性，在出汗的情况下，汗水能够被该毛细孔导出，提高佩戴舒适性以及不会发生毛囊堵塞的情况。

如图3E所示，将由吸汗材料制成的织物层5粘接至柔性绝缘基底101的背离电极导体2的表面上，每一个所述毛细孔连通该织物层5。在佩带者出汗的情况下，汗水通过毛细孔4的毛细作用排出，以便于由电极后的织物层5吸收，从而有利于长期佩戴，并且提高舒适度。

图4A至图4F以截面图示出了根据本公开的另一实施方式的干电极的制造方法的过程。其中图4A和图4B所示的步骤分别与图3A和图3B所示的步骤相同，在此将不再赘述。在下文中将仅就不同的步骤进行说明。

如图4C所示，去除柔性绝缘材料102的位于每个电极导体2之上的部分，分别形成相应的开口6，从而使得每个电极导体2从柔性绝缘材料102中暴露。

如图4D所示，在每个电极导体2上形成用于接触待测对象的导电纳米涂层3。导电纳米涂层3可以是诸如纳米铂、纳米银或纳米金之类的金属涂层。导电纳米涂层3可以通过超声电镀和/或脉冲电镀形成于每个电极导体2上。通过在干电极10的电极导体2上电镀导电纳米涂层3，能够增加电极导体2的比表面积，有利于降低电极阻抗，从而能够提高电极信噪比。

如图4E所示，贯穿柔性绝缘材料102和柔性绝缘基底101形成多个毛细孔4。通过形成毛细孔4，使电极佩戴者在未出汗的情况下，部分皮肤能够与空气接触，从而能够增加透气性；在出汗的情况下，毛细孔4能够将汗水导出，提高佩戴舒适性且不会发生毛囊堵塞的情况。

如图4F所示，将由吸汗材料制成的织物层5粘接至柔性绝缘基底101的背离电极导体2的表面上。在佩带者出汗的情况下，汗水通过毛细孔4的毛细作用排出被织物层5吸收，从而有利于长期佩戴，并且提高舒适度。

已经出于示出和描述的目的给出了本公开的说明书，但是其并不意在是穷举的或者限制于所公开形式的发明。本领域技术人员可以想到很多修改和变体。因此，实施方式是为了更好地说明本公开的原理、实际应用以及使本领域技术人员中的其他人员能够理解以下内容而选择和描述的，即，在不脱离本公开精神的前提下，做出的所有修改和替换都将落入所附权利要求定义的本公开保护范围内。

Claims (16)

1.一种干电极，包括：

柔性封装层，包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，其中所述第一表面上设置有多个凹槽；以及

多个电极导体，分别设置于相应的凹槽中，其中至少一个电极导体为镂空形状。

2.根据权利要求1所述的干电极，其中，所述镂空形状为栅栏状、螺旋状或网格状。

3.根据权利要求1所述的干电极，其中，所述柔性封装层中未设置电极导体的区域设置有多个毛细孔，每个毛细孔分别从所述第一表面向第二表面延伸而贯穿所述柔性封装层与外界相通。

4.根据权利要求3所述的干电极，其中，在相邻的电极导体之间设置有至少一个所述毛细孔。

5.根据权利要求3所述的干电极，其中，每个毛细孔的直径在0.1mm至1mm的范围内。

6.根据权利要求3所述的干电极，所述干电极还包括粘接至所述第二表面上的由吸汗材料制成的织物层。

7.根据权利要求1所述的干电极，所述干电极还包括形成于每个电极导体上的、用于接触待测对象的导电纳米涂层。

8.根据权利要求7所述的干电极，其中，所述导电纳米涂层包括纳米铂、纳米银或纳米金。

9.根据权利要求1所述的干电极，其中，所述柔性封装层的材质为聚酰亚胺、聚对二甲苯或聚二甲苯硅氧烷。

10.一种生物电势采集系统，包括根据权利要求1至9中任一项所述的干电极。

11.一种干电极的制造方法，包括：

在柔性绝缘基底上形成彼此间隔开的多个电极导体，其中至少一个电极导体为镂空形状。

12.根据权利要求11所述的制造方法，还包括：

利用柔性绝缘材料封装每个电极导体；以及

去除部分柔性绝缘材料，以使得每个电极导体从所述柔性绝缘材料中暴露。

13.根据权利要求11所述的制造方法，其中，所述镂空形状为栅栏状、螺旋状或网格状。

14.根据权利要求11所述的制造方法，还包括：

在每个电极导体上形成用于接触待测对象的导电纳米涂层。

15.根据权利要求12所述的制造方法，还包括：

贯穿所述柔性绝缘材料和所述柔性绝缘基底形成多个毛细孔。

16.根据权利要求15所述的制造方法，还包括：

将由吸汗材料制作的织物层粘接至所述柔性绝缘基底的表面上，所述织物层背离所述电极导体。